Уравнение материального баланса в общем виде

Материальный и тепловой балансы химического процесса (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Материальный и тепловой балансы химического процесса: составляются на основе законов сохранения массы и энергии.

Уравнения материального и теплового балансов служат ос­новой расчета реакционного объема аппарата (при заданной степени превращения) или степени превращения в реакторе (при заданных условиях). При расчете чаще всего пользуются выражением общего баланса, составленного по одному из ис­ходных веществ, участвующих в химическом процессе. Вид уравнения зависит от типа реактора, в котором протекает про­цесс химического превращения веществ. Материальный баланс представляет собой основу для вывода зависимости связи ме­жду степенью превращения, скоростью и временем химического процесса, которая является необходимым элементом его расчета и носит название характеристического уравнения реактора. Если химическое превращение вещества протекает в неизотер­мических условиях, тепловой баланс процесса следует рассмат­ривать совместно с его материальным балансом.

1. Общий материальный баланс реакционной системы равен сумме материальных балансов по каждому из реагирующих веществ:

где М — общее количество реакционной смеси, кмоль; t — время реакции, с;. D Мобщ — изменение общего количества реакционной смеси, кмоль×с-1.

2. Общее уравнение материального баланса для i-ro вещества, участвующего в реакции:

где Mi — количество i-го вещества в системе, кмоль; DMi — изменение коли­чества i-го вещества, кмоль×с-1; ri —скорость химической реакции, выражен­ная по i-му веществу, кмоль×м-3×с-1; V — реакционный объем, м3.

3. Уравнения материального баланса для различных типов. химических реакторов.

Периодически действующий реактор идеального смешения:

где Ci — концентрация i-го вещества в системе, кмоль×м-3.

Непрерывнодействующий реактор идеального смешения:

,

где , —концентрация i-го вещества в системе на входе в реактор и выходе из него, соответственно, кмоль×м-3; ri — скорость химической реак­ции по i-му веществу в системе, кмоль×м-3×с-1.

Каскад n непрерывнодействующих реакторов идеального смешения:

,

.где ,- концентрация i-ro вещества в системе на выходе из п-го реактора, кмоль×м-3; rin —скорость реакции по i-му веществу в n-м реакторе, кмоль×м-3×с-1

Непрерывнодействующий реактор идеального вытеснения:

где S — площадь поперечного сечения потока реагирующей системы, м2; L — длина реактора, м.

Полунепрерывнодействующий реактор идеального смешения:

По i-му веществу для этого реактора имеем:

где , — концентрация i-го вещества в системе на входе в реактор и выходе из него, соответственно, кмоль×м-3; —скорость химической реакции по i-му веществу в системе на выходе из реактора, кмоль×м-3×с-1.

4. Общий вид уравнения теплового баланса:

где U — внутренняя энергия реакционной системы, кДж-кмоль»1; / — энталь­пия системы, кДж×кмоль-1; . — коэффициент теплопередачи, Вт(м2×К)-1; F — площадь поверхности теплопередачи, м2; Тр — температура реакции, К или °С; Тх—температура теплоносителя (хладоагента), К или °С; р — дав­ление в системе, Па.

5. Уравнения теплового баланса для различных типов хими­ческих реакторов.

Периодически действующий реактор идеального смешения при V = const:

где сu — удельная теплоемкость смеси реагирующих веществ при постоянном объеме, кДж(кмоль×К)-1; DHr — тепловой эффект реакции, кДж×кмоль-1.

Непрерывнодействующий реактор идеального смешения с внешним теплообменом:

,

где u0 — объемная скорость подачи реагирующих веществ, м3×с-1; Со — начальная концентрация реагирующих веществ, кмоль×м-3; х — степень превращения; То—начальная температура реакционной смеси, К или °С; Т1 — конечная температура реакционной смеси, К или °С; ср — удельная теплоемкость смеси реагирующих веществ при постоянном давлении, кДж(кг×К)-1

Непрерывнодействующий реактор идеального вытеснения с внешним теплообменом при постоянных температуре и соста­ве по поперечному сечению потока:

где S — площадь поперечного сечения, м2; Rr — гидравлический радиус, м..

Непрерывнодействующий реактор идеального смешения, работающий в автотермическом режиме:

Адиабатический yепрерывнодействующий реактор идеального вытеснения с теплообменом между реагентом и продуктами реакции (система теплообменник — реактор):

где =С0(DНr)/(rcp),

u0rcp(T0—)+KF((T1—T0),

где — разность температур в адиабатическом реакторе при х = 1;.. Т0 — температура исходной смеси на входе в реактор, К или °С; — температура исходной смеси на входе в теплообменник, К или oС.

Непрерывнодействующий реактор идеального вытеснения с внутренним теплообменом между исходными веществами и ре­акционной смесью (при подогреве исходных веществ):

где Ti— температура реакционной смеси во внутреннем подогревателе, К или °С.

Пример 2-1. В реакторе идеального смешения происходят следующие реакции:

где D — целевой продукт реакции; СRа = CSo = СТo = CDo = 0 — начальные концентрации промежуточных и конечных продуктов.

Начальная концентрация исходного вещества СА = 1 кмоль × м-3; текущие концентрации веществ (в кмоль × м-3); СА = 0,44; Св=1,06; СR = 0,05; CS = 0,33; СT = 0,14. Скорость подачи исходных веществ u0 = 5 × 10-3 м3 × с-1.

Определить производительность реактора GB по веществу В:

Решение. Составляем материальный баланс для реактора смешения. На основании стехиометрических соотношений реакций (а) и (г); (а) и (б); (а), (б), (в) и (г); (г) запишем:

CBo-CB = (3/2)CT + 2C’R+ C’S + CD, (3)

Комбинируя уравнения (1), (2), (4) и (5), а также (2) — (5), получаем:

CAo-CA = CR + CS + CD, (6)
CBo-CB=(3/2)CT + 2CR + 3CS-2CD. (7)

Из уравнения (6) определяем концентрацию продукта D:

CD = 1 — (0,44 + 0,05 + 0,33) = 0,18 кмоль × м-3.

Тогда производительность по продукту D будет равна:

Из уравнения (7) определяем концентрацию исходного вещества В

СВо= (3/2) 0,14 + 2 × 0,05 — 2 × 0,18+ 1,06 = 2 кмоль × м-3,

а затем производительность по веществу В:

Пример 2-2. В реакторе идеального смешения, работающем в адиабатических условиях, происходят реакции:

2R®S, (в)
где R — продукт реакции.

Начальные концентрации исходных веществ и продуктов (в кмоль × м-3): САо = 0,1; СВо=0,3; CRo = CDa = СРо =CSo = 0. Текущие концентрации взаимодействующих веществ (в кмоль х м-3): СА = 0,016; СР = 0,028; CS = 0,012; CD = 0,034.

Тепловой эффект реакции —DНr= 1,5 × 108 Дж (кмоль × В) -1. Плотность смеси r = 860 кг× м-3, теплоемкость смеси ср = = 2,85 × 103 Дж(кг×К)-1, скорость подачи u0 = 2,6×10-2×м3 ×с-1.

Определить производительность реактора по продукту R и температуру на выходе реактора, если начальная температура 12 °С (285 К).

Решение. Составляем уравнения материального и теплового баланса. Из стехиометрических соотношений уравнений реакции (а), (б) и (в) следует:

Тогда из уравнений (1) и (3) получим:

= 0,026 кмоль • м -3.

Из уравнений (2) и (3) находим:

СB = СВо — (СAо — СA) — 2СР = 0,30 — (0,1 —0,016) —2 • 0,028 =

= 0,160 кмоль • м -3.

Таким образом, производительность реактора по продукту R:

GR = CRu0 = 0,026 • 2,6 •10 -2 = 6,76•10 -4 кмоль • с -1.

где QP = (—DНr) (CBo —CB) u0 — тепловой поток, который выделяется в результате реакций; QH = cppu0 DT— тепловой поток, который затрачивается на нагревание реакционной смеси при адиабатических условиях работы реактора идеального смешения.

Из уравнения (4) после преобразования получаем:

Следовательно, температура на выходе из реактора равна 285 + 8,6 = 393,6 К или 20,6 °С.

Пример 2-3. В реакторе идеального вытеснения, работающем т адиабатических условиях, происходит жидкофазная реакция первого порядка

Константа скорости реакции kA (в с -1):

Начальные концентрации веществ (в кмоль×м-3): СAо=4,5; СB = 0. Тепловой эффект реакции—DHr=2×107 Дж(кмоль×А)-1, теплоемкость реакционной смеси ср:=2,2×103 Дж(кг×К)-1, плотность реакционной смеси r = 850 кг×м-3, температура исходной смеси Т0 = 300 К, скорость подачи uо= 10-3 м3 × с-1, объем реактора V = 5 м3.

Определить производительность реактора по продукту В и температуру смеси на выходе.

Решение. Тепловой баланс:

где QP = (—DHr) (СAо—CA) uо — тепловой поток, который выделяется в результате реакции; QH = срruо (Tк — Т0) — тепловой поток, который затрачивается на нагревание исходных веществ и продуктов реакции; Тк — температура реакционной смеси на выходе из реактора; Т0 — температура исходной смеси, подаваемой в реактор.

Характеристическое уравнение для необратимой реакции первого порядка, протекающей в реакторе идеального вытеснения:

, (1)

Так как процесс протекает при адиабатических условиях, константа скорости реакции будет изменяться по ходу реакции. Используем метод конечных разностей:

, (2)
где ki = 1013ехр(—1,2-104 Ti-1).

Для определения концентрации вещества А на выходе из реактора проводим последовательные приближения по Ti при шаге DT = 2 К. Тогда из уравнения материального баланса

определяем для каждого значения Тi соответствующее значение и по уравнению (2) рассчитываем сумму до значения i = n, при котором t= V/V0 =5/(1 •=5 × 103 с. Расчеты сведены в табл. 2-1. Из табл. 2-1 получаем при Ti=23 = 344 К:

c.

Тогда производительность реактора по продукту В:

= 1/2 (4,500 — 0,386) •= 2,06 •кмоль • с.

Пример 2-4. Установка состоит из следующих последовательно соединенных реакторов: идеального смешения (V1 = 2 м3), идеального вытеснения (V2 = 2 м3) и идеального смешения (V3 = 3 м3). Начальная концентрация вещества САo = = 1 кмоль • м -3, скорость подачи uо = 5×10-2 м3×с-1, скорость реакции (-rA) =5,1 • 10-3CA0,28. В начальный момент времени продукт в системе отсутствует. Плотность реакционной смеси не меняется.

Определить концентрацию исходного вещества после каждого реактора и рассчитать графически производительность установки по продукту, если известно, что 1 моль исходного вещества дает 2 моль продукта.

Решение. Составляем материальный баланс по веществу А для 1-го реактора смешения:

Для нахождения времени пребывания в реакторе идеального вытеснения интегрируем кинетическое уравнение:

,

Составляем материальный баланс по веществу А для 2-го реактора смешения:

.

Материальный и тепловой балансы реакторов

Исходным уравнением для получения характеристического уравнения реактора любого типа является материальный баланс в следующем виде:

Составим материальный баланс по исходному веществу А при проведении простой необратимой реакции А → R [6].

В общем виде уравнение материального баланса записывается так

(58)

где – массовый расход

Учитывая, что поступившее в реактор вещество А расходуется в трех направлениях, можно записать

(59)

где – масса вещества А, вступившего в реакционном объеме в химическую реакцию в единицу времени; – сток вещества А – масса вещества А, выходящего из реакционного объема в единицу времени; – накопление вещества А – масса вещества А, остающегося в реакционном объеме в неизменном виде в единицу времени.

С учетом уравнения (59) уравнение (58) записывается в виде

(60)

Разность между массой вещества А, поступающего в единицу времени в реактор и выходящего из него – это масса вещества А, переносимого конвективным потоком

(61)

Принимая это во внимание, уравнение (61) можно записать в такой форме

(62)

В каждом конкретном случае уравнение материального баланса принимает различную форму. Оно может составляться для единицы объема реакционной массы, либо для бесконечно малого (элементарного) объема, либо для реактора в целом. При этом можно рассчитывать материальные потоки, проходящие через объем за единицу времени, а можно относить эти потоки к 1 молю одного из исходных реагентов.

Так, в общем случае, когда состав реакционной смеси, температура и другие параметры непостоянны в различных точках реактора или непостоянны во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме для элементарного объема реактора. В результате получают уравнение конвективного массообмена [10], дополненное членом v_А, который учитывает протекание химической реакции. Составленное по исходному реагенту А, оно имеет вид

(63)

где С_А – концентрация вещества А в реакционной смеси; x, y, z – пространственные координаты; D – коэффициент молекулярной и турбулентной диффузии; v_А – скорость химической реакции.

Член в левой части уравнения (63) отражает общее изменение концентрации исходного вещества во времени в элементарном объеме, для которого составляется материальный баланс. Это накопление вещества А. Этому члену соответствует величина в уравнении баланса (62).

Первая группа членов правой части уравнения (63) – произведения составляющих скорости потока вдоль осей координат на градиенты концентраций – отражает изменение концентрации вещества А в элементарном объеме вследствие переноса его вместе с самой средой в направлении, совпадающем с направлением общего потока.

Вторая группа членов правой части уравнения (63) – произведение D на сумму вторых производных от концентрации по x, y, z – выражает изменение концентрации вещества А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии. Суммарному переносу вещества в движущейся среде конвективным переносом и диффузией соответствует в уравнении (62) величина (суммарный перенос вещества называют конвективным массообменном, или конвективной диффузией).

Член v_А показывает изменение массы вещества А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему в уравнении (62) соответствует величина .

В зависимости от типа реактора и режима его работы дифференциальное уравнение материального баланса (63) упрощается и решение его значительно облегчается. В том случае, когда параметры процесса постоянны по всему объему реактора и во времени, нет необходимости составлять баланс в дифференциальной форме. Баланс составляют в конечных величинах, взяв разность значений на входе в реактор и выходе из него.

Согласно классификации реакторов, все процессы, протекающие в химических реакторах, делят на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). К первым относят процессы, при которых не происходит изменения во времени параметров процесса (например, концентрации вещества А, температуры и т. д.), поэтому в таких реакторах отсутствует накопление вещества (или тепла) и производная от параметра по времени равна нулю. Так, при стационарном режиме для компонента А

а следовательно

При нестационарных режимах параметры непостоянны во времени, и всегда имеется накопление вещества (тепла), т. е.

поэтому

Как уже отмечалось, уравнение материального баланса является исходным при расчете реактора любого типа. Вместе с тем оно не позволяет учитывать тепловой режим в реакторе и влияние температуры на степень и скорость превращения реагентов.

Поэтому при выборе оптимального режима в реакторе, разработке методов его поддержания, расчета реакторов и теплообменной аппаратуры материальный баланс реактора должен решаться совместно с тепловым балансом.

Исходным уравнением для расчета реакторов с учетом переноса тепла является уравнение теплового баланса, которое обычно составляют по одному из компонентов реакционной смеси [6].

Тепловой баланс в общем виде можно представить уравнением

где Q_прих – количество тепла, поступающего в реактор в единицу времени; Q_расх – количество тепла, расходуемое в единицу времени.

Рассмотрим случай, когда простая необратимая реакция А → R протекает с выделением тепла, т. е.

тогда приход тепла можно записать в виде

где Q_{х. р} – количество тепла, выделяющееся в результате химического превращения вещества А в единицу времени; Q_реаг – количество тепла, вносимое исходными реагентами, поступающими в реактор в единицу времени.

Расход тепла может быть представлен уравнением

где Q_прод – количество тепла, уносимое из реактора продуктами реакции в единицу времени; Q_нак – количество тепла, накапливающееся в реакторе в единицу времени; Q_т – количество тепла, расходуемое в единицу времени в результате теплообмена с окружающей средой.

Подставив (65) и (66) в уравнение (64), получим

После перестановки членов уравнение (67) может быть записано в виде

Разность между теплом, уносимым из реактора нагретыми продуктами реакции, и теплом, вносимым в реактор исходными реагентами, представляет конвективный поток тепла

С учетом выражения (69) уравнение (68) примет вид

Уравнение теплового баланса (70) может принимать различную форму в зависимости от типа реактора и теплового режима процесса.

В общем случае имеет место изменение параметров процесса (температуры, концентрации и т. п.) по объему реактора или во времени, в связи с чем тепловой баланс так же, как и материальный, составляют в дифференциальной форме. Для этой цели используют дифференциальное уравнение конвективного теплообмена [10], в которое вводят дополнительные члены, учитывающие отвод тепла в результате теплообмена и тепло реакции. С такими дополнениями уравнение имеет вид

(71)

где ρ – плотность реакционной смеси; С_р – удельная теплоемкость реакционной смеси; х, y, z – пространственные координаты; W_x, W_y, W_z – составляющие скорости движения потока в направлении осей Х, Y, Z; λ – коэффициент молекулярной и турбулентной теплопроводности реакционной смеси; F_уд – удельная поверхность теплообмена; K – коэффициент теплопередачи; ΔТ = Т – Т_т; Т – температура реакционной смеси; Т_т – температура в теплообменнике; v – скорость химической реакции; ΔН – изменение энтальпии реакции.

Группа членов левой части уравнения (71) выражает скорость накопления тепла в элементарном объеме, для которого составляется тепловой баланс. Этому члену соответствует величина Q_нак из уравнения (70), т. е.

Q_нак = . (72)

Первая группа членов правой части уравнения (71) отражает конвективный перенос тепла по соответствующим координатам (х, y, z) в элементарном объеме.

Вторая группа членов правой части уравнения (71) выражает изменение количества тепла, связанное с теплопроводностью (λ) реакционной среды.

Суммарному переносу тепла конвективным потоком, учитывающим влияние теплопроводности, соответствует в уравнении (70) член Q_конв, в результате чего можно записать

Q_конв = . (73)

Из сравнения уравнений (70) и (71) далее следует, что

Q_т = (74)

Q_{х. р} = (75)

Решение уравнения (71) часто связано с большими трудностями. Однако, как будет показано далее, в зависимости от характера протекающей реакции, гидродинамического и теплового режимов в реакторе значение отдельных членов уравнения становится пренебрежимо мало, что приводит к более простым уравнениям, обеспечивающим достаточно точные решения самых разнообразных практических задач.

Уравнения (70) и (71) представляют математическое описание потоков тепла в нестационарном режиме, когда имеет место накопление тепла, и температура процесса изменяется во времени.

Для реакторов непрерывного действия характерен стационарный режим. Неустановившееся состояние наблюдается только в пусковой период и в период остановки реактора. В дальнейшем все реакторы непрерывного действия будут рассматриваться только в стационарном режиме, когда отсутствует накопление тепла, т. е. Q_нак = 0.

В реакторах периодического действия режим всегда нестационарен, происходит накопление тепла в результате химического превращения, и температура в любой точке реактора меняется во времени, т. е. Q_нак ≠ 0. С другой стороны, в реакторах периодического действия отсутствует конвективный перенос тепла, т. е. Q_конв = 0.

Из приведенных примеров следует, что для описания конкретных типов реакторов уравнения (70) и (71) примут более простой вид.

Дата добавления: 2015-01-01 ; просмотров: 80 ; Нарушение авторских прав

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

Материальный баланс служит для контроля производства, регулирования состава продукции, установления производственных потерь. С помощью материального баланса можно определить экономические показатели технологических процессов и способов производства (производственные потери, степень использования составных частей молока, расход сырья, выход готового продукта)

В основе материального баланса лежит закон сохранения вещества, записанный математически в виде двух уравнений.

Первое уравнение – это баланс сырья и вырабатываемых из него продуктов

(1)

где m_с, m_г, m_п – масса соответственно сырья, готового и побочного продуктов, кг, П – производственные потери, кг.

После переработки масса получаемых продуктов меньше массы переработанного сырья. Разницу между ними составляют производственные потери. Производственные потери выражают также в процентах от количества переработанного сырья:

Тогда уравнение (1) примет вид

(2)

Второе уравнение материального баланса составляют по массе сухих веществ молока или отдельных составных частей

Если составные части молока не претерпевают химических изменений в ходе технологических процессов, то количество их в сырье должно быть равно количеству в готовом и побочном продуктах. Баланс составных частей молока при его переработке можно составить так:

(3)

где ч_с, ч_г, ч_п – массовая доля составных частей молока соответственно в сырье, в готовом и побочном продуктах, %; П_ч, – потери составных частей молока, кг.

Потери выражают в процентах от составных частей молока, cодержащихся в сырье:

где n_ч – потери составных частей молока, %.

После подстановки П_ч в уравнение (3) второе уравнение материального баланса примет вид

(4)

Потери составных частей молока n_ч и потери сырья n, выраженные в процентах, численно равны.

Баланс можно составить по любой части молока – жиру Ж, сухому остатку молока С, сухому обезжиренному молочному остатку (СОМО) О. Так, баланс по жиру при сепарировании молока

где Ж_м, Ж_сл, Ж_об, – массовая доля жира соответственно в молоке, сливках и обезжиренном молоке, %; n_ж – потери жира при сепарировании, %

Для производства сухого и сгущенного молока баланс можно составить по сухому молочному остатку:

(5)

где m_сг – масса сгущенного молока, кг, С_н.м, С_сг – массовая доля сухого молочного остатка соответственно в нормализованном и сгущенном молоке, %; n_c.в – потери сухих веществ при производстве сгущенного молока, %.

В уравнении (5) отсутствует одно слагаемое, так как при сгущении и сушке побочный продукт (вода) не содержит сухих веществ молока.

Решая совместно первое (2) и второе (4) уравнения материального баланса, можно определить массу сырья по готовому продукту при известном составе сырья, готового и побочных продуктов или установить массу готового продукта по массе сырья:

(6)

(7)

(8)

Материальные расчеты обычно проводят с учетом производственных потерь. При ориентировочных расчетах ими пренебрегают. Массу сырья готового и побочных продуктов без учета потерь определяют по формулам

(9)

(10)

(11)

Необходимо определить массу сливок для производства 500 кг масла, если массовая доля жира в масле составляет 78 %, в сливках – 38, в пахте – 0,7%. Нормативные потери при производстве масла составляют 0,6 %.

Для решения задачи воспользуемся формулой (7):

Массу готового продукта по сырью или массу сырья по готовому продукту можно определить как алгебраическим методом (по формулам), так и графическим (по расчетному треугольнику).

Сущность способа расчета с помощью треугольника состоит в следующем. В вершинах треугольника записывают массовую долю одной из составных частей молока, содержащихся в сырье ч_с, в готовом ч_г и побочном ч_п продукта.

ч_г На внутренних сторонах треугольника

записывают значение массы сырья т_с,

m_п m_c напротив соответствующей им массовой

им массовой доли составной части моло-

ч_с – ч_п располагают величину разности между массовыми долями составных частей молока (расположенными в вершинах треугольника), полученную вычитанием из большей величины меньшей.

В соответствии с правилом расчетного треугольника составляют пропорцию: отношение внутренних сторон к внешним – величина постоянная для данного треугольника:

Из этого соотношения определяют необходимые величины.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОТЕРИ

При производстве различных молочных продуктов на молокопроводах, в емкостях, аппаратах и другом оборудовании задерживаются остатки сырья, готового и побочного продуктов. Часть сырья и продуктов расходуется на анализы. Все эти остатки сырья, готового и побочного продуктов составляют неизбежные технологические потери.

В целях контроля за производством разработаны нормы потерь, включающие только технологические потери. При этом не учитываются непроизводственные потери (потери от брака, неисправности оборудования и т. п.).

Нормативные потери устанавливают на основании экспериментальных замеров остатков сырья и жира на технологическом оборудовании.

Фактические потери в производстве рассчитывают по балансу жира или сухих веществ.

Потери представляют собой разность между массой жира или сухих веществ в сырье и массой их в готовом и побочном продуктах:

где П_ж, П_с.в – потери жира и сухих веществ, кг.

Потери выражают также и в процентах от переработанного жира, сухих веществ или сырья:

где п_ж, n_с.в – потери жира, сухих веществ, % от массы жира или сухих веществ в переработанном сырье.