Уравнение материального и энергетического баланса

Материальный и энергетический балансы

При разработке химико-технологических процессов проводятся разнообразные расчеты для количественной оценки протекающих операций, а также для определения оптимальных значений параметров технологического процесса. Во всех случаях при расчетах учитываются законы гидродинамики, тепло- и массопередачи и химической кинетики, поэтому расчеты материальных потоков обычно сочетаются с энергетическими расчетами, для этого составляют материальный и энергетический балансы.

Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия, т.е. приход вещества ΣGприх равен его расходу Σ Gрасх . Таким образом, уравнение материального баланса можно представить в виде:

Для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Он может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно учитываются не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те, которые имеют существенное значение, т.е. материальный баланс носит приближенный характер.

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий.

Расчет материального баланса основан на 2 объективных законах:

1) закон сохранения массы

2) закон стехиометрических соотношений: если известна масса хотя бы одного участника реакции, можно определить массы всех остальных, предварительно рассчитав молярные массы всех участников реакции.

Сырье в реальных процессах, протекающих в промышленности, подается на взаимодействие с определенной долей примесей – это сырье называется техническим.

Материальный баланс может быть как в виде уравнения, так и в виде таблицы. В левой части – приход –записываются массы потоков сырья, поступающих на переработку, в правой части (расход) – массы потоков, прошедших переработку. Если процесс протекал в химическом реакторе, то после переработки в графе расход возможны следующие потоки:

1) целевой продукт;

2) побочные продукты;

3) непревращенный остаток сырья;

4) примеси, поступающие вместе с реагентами;

5) потери (сырья, продукта, указанных в исходных данных.)

При проектировании обычно задаются массой целевого продукта; массу сырья и массу побочных продуктов определяют по уравнению материального баланса.

На основании материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса.

Сравнивая фактические и теоретические расходные коэффициенты, можно сделать вывод о совершенстве процесса. Чем ближе эти значения, тем совершеннее производство.

Фактические расходные коэффициенты по сырью увеличиваются, если уменьшаются конверсия, селективность, увеличиваются потери, недостаточная очистка сырья.

Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, механической, электрической. В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому в замкнутой системе сумма энергий всех видов постоянна. Поскольку в ХТ процессах тепловая энергия имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловой баланс: приход тепла ΣQ_ПPИX в данной технологической операции, равен расходу тепла ΣQ_PACX в той же операции.

Тепловой баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химический реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, учитывается теплосодержание веществ, участвующих в процессе, а также теплота подводимая в аппарат извне и выводимая из аппарата, тепловые потери в данной технологической операции.

Тепловые вклады в баланс рассчитывают по известным формулам.

Тепловой эффект химической реакции:

(значения энтальпии продуктов реакции и исходных веществ берутся из таблиц)

где m – масса вещества,

c – его теплоемкость,

Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле:

где q – удельная теплота соответствующего фазового перехода (испарения, конденсации, растворения, кристаллизации)

m – масса вещества.

Подвод и отвод теплоты в систему рассчитывают по потере тепла теплоносителем:

где m – масса теплоносителя,

С – теплоемкость теплоносителя,

t_н t_к – начальная и конечная температура теплоносителя.

И по формуле теплопередачи через стенку:

где К_Т – коэффициент теплопередачи;

F – поверхность телообмена;

t_т – температура теплоносителя, обогревающего аппарат;

t_пр – температура подогреваемого продукта;

Данные теплового баланса используются для определения расхода теплоносителя и хладоагента, расчета поверхности греющих и охлаждающих элементов и подбора оптимального теплового режима процесса.

Дата добавления: 2016-06-02 ; просмотров: 2149 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Материальный и энергетический балансы теплового процесса

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Февраля 2013 в 20:25, контрольная работа

Описание

Материальные балансы. В основу материальных балансов положен закон сохранения массы. По этому закону масса поступающих исходных продуктов в тепловую установку ∑GH должна быть равна массе конечных, выгружаемых продуктов ∑GK:
∑GH = ∑GK
В реальных условиях появляются необратимые потери, например потери: при транспортировке массы, при испарении влаги, за счет газовыделения, за счет того, что химические реакции проходят не до конца, и т. д. Обозначив необратимые потери через ∑Gп, получим уравнение материального баланса в окончательном видее автоматы. Назначение, классификация, индексация, принцип устройства

Работа состоит из 1 файл

токарева ТППз-9 контрольная оборудование.docx

1. Материальный и энергетический балансы теплового процесса.

Материальные балансы. В основу материальных балансов положен закон сохранения массы. По этому закону масса поступающих исходных продуктов в тепловую установку ∑GH должна быть равна массе конечных, выгружаемых продуктов ∑GK:

В реальных условиях появляются необратимые потери, например потери: при транспортировке массы, при испарении влаги, за счет газовыделения, за счет того, что химические реакции проходят не до конца, и т. д. Обозначив необратимые потери через ∑Gп, получим уравнение материального баланса в окончательном виде

Материальный баланс составляют для всего процесса в целом или для отдельных его частей, по всем компонентам материалов, участвующих в процессе, или по какому-то одному. Величину, на которую составляют материальный баланс, называют базой баланса. При составлении материальных балансов необходимо учитывать время, например материальный баланс составляют на 1 ч, сут. и т. п. Для периодически работающих установок материальный баланс составляют либо на один цикл работы установки, либо на единицу массы исходных или конечных материалов.

Энергетически балансы. Тепловые процессы в технологии строительных материалов и изделий связаны с затратой различных видов энергии. По закону сохранения энергии количество энергии, введенной в процесс, равно количеству полученному в результате процесса.

Рассмотрим непрерывное установившееся с одинаковой скоростью движение материала по тепловой установке-вращающиеся печи точка а-вход, б-выход.

Единица массы материала, входящего в установку в точке а, обладает следующими параметрами: внутренней энергией Еа, кинетической энергией (КЕ)а, потенциальной энергией (РЕ)а. На участке аб единице массы материала передается определенное количество тепла Q и в процессе переработки в единице массы материала за счет химических реакций выделяется или поглощается тепловая энергия Qx.

привода Л„. В установке рассеивается тепловая энергия (потери в окружающую среду) Qc. На выходе из установки, в точке б, единица массы материала обладает соответственно параметрами: Ец; (КЕ)(РЕ) б и единица массы материала совершает работу при передвижении из точки а в точку б-Ам .

Тогда по закону сохранения энергии величина энергии может записаться в виде уравнение энергетического баланса: Еа + (КЕ)а + (РЕ)а + Q + Qx+Aп = E6 + (КЕ)б + (PE)6 + Aм + Qc. где

Aп – затрачиваемая работа для перемещения единицы массы материала из точки а в точку б.

Если пренебречь потенциальной и кинетической энергией единицы массы материала, работой, затрачиваемой на ее перемещение, ее работой и считать, что внутренняя энергия системы изменяется только за счет нагрева или охлаждения материала, то получим уравнение энергетического баланса в виде ∑Q = 0.

1. Теплогенерирующие устройства использующие теплоту водяного пара.

При обогреве пищевых продуктов и технологических средств влажным насыщенным паром различают обогрев глухим паром (через разделительную стенку) и острым паром (пар непосредственно контактирует с продуктом). По конструктивному исполнению теплогенерирующие устройства подразделяются на смежные и совмещенные.

При обогреве глухим паром он подается в греющую камеру рубашечного, трубчатого или змеевикового типа, конденсируется, отдавая теплоту парообразования разделительной стенке, а через нее продукту или технологической среде. Теплогенерирующие устройства тепловых аппаратов состоят из продувочного аппарата греющей камеры, подводящего паропровода с регулирующим вентилем, конденсата провода для отвода конденсата из греющей камеры, конденсационного горшка, регулирующей и защитной арматуры.

При обогреве пищевых продуктов острым паром греющая камера совмещена с рабочей камерой. Она состоит из корпуса с размещенной в нем камерой, в которую попадает пар, взаимодействующий с продуктом, уложенным на перфорированный противень. Конденсат из камеры стекает в парогенератор, вода в котором нагревается ТЭНом.

Для эффективной работы паровых аппаратов следует удалить воздух из греющей камеры; эта операция осуществляется с помощью пара.

1. Сковороды. Назначение, классификация, индексация. Устройство, принцип действия, правила эксплуатации.

Сковороды предназначены для жарки продуктов основным способом, а также пассерования, тушения, припускания. В связи со спецификой процессов жарки продуктов основным способом сковороды должны максимально соответствовать следующим технологическим требованиям:

температурное поле жарочных поверхностей должно быть равномерным. Максимальная разность температур ( ) на поверхности сковород не должна превышать 50. 65 °С;

жарочная поверхность должна быть тщательно отшлифована и иметь строго горизонтальное расположение;

изменение температуры жарочной поверхности должно происходить в соответствии с меняющимися свойствами продуктов в течение одного цикла жарки;

широкое изменение температуры на жарочных поверхностях — в пределах 150. 250°С. Это позволяет организовывать на них тепловую обработку разнообразных продуктов, требующих различных температурных режимов;

на сковородах допускается осуществлять только жарку продуктов основным и комбинированным (тушение, припускание, пассерование) способами и категорически запрещается использовать сковороды для фритюрной жарки продуктов.

Последнее технологическое требование необходимо рассмотреть подробнее.

Рис. 1. Схема расположения термопар в сковороде при жарке изделий:

а — во фритюре; б — основным способом: 1 — рабочая поверхность; 2 — жир; 3 — бортовая поверхность: I,II, III, IV, V — точки замера температур при жарке изделий, во фритюре; VI, VII, VIII — точки замера температур при жарке изделий основным способом

На рис. 1, а, б показана схема расположения термопар на рабочей и бортовых поверхностях сковороды при жарке изделий.

В таблице 1. приведены значения температур жира рабочей и бортовых поверхностей сковороды в процессе жарки. Из данных таблицы 1 следует, что более высокая температура рабочей поверхности сковороды при жарке во фритюре обусловлена тем, что для нагрева 40 кг жира необходимо значительно больше подвести теплоты, чем для 0,6 кг жира (в случае жарки основным способом), т.е. для нагрева большей массы жира нужны более высокие температуры на жарочной поверхности.

Температура рабочей и бортовых поверхностей сковороды при жарке изделий во фритюре я основным способом

МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ (ТЕПЛОВЫЕ) БАЛАНСЫ

Под технологическим балансом подразумевают ре­зультаты расчетов (выраженные в виде уравнений, та­блиц или диаграмм), отражающих количество введенных и полученных в производственном процессе материалов и энергии (их приход и расход).

В основе составления материальных и энергетических балансов лежат законы сохранения материи и энергии. В каждом материальном балансе количество введенных в производственный процесс материалов должно рав­няться количеству полученных основных и промежу­точных продуктов и отходов производства. Точно так же должны быть равны количества введенной тепловой или электрической энергии и количества выведенной с про­дуктами и отходами энергии. При составлении техноло­гических балансов пользуются стехиометрическими и термохимическими расчетами, а в ряде случаев — и другими: физическими и физико-химическими закономер­ностями.

Материальные и энергетические балансы имеют боль­шое значение для анализа и эффективного осуществления производственного процесса. С их помощью устанавли­вают фактический выход продукции, коэффициенты по­лезного использования энергии, расходы и потери сырья, топлива и других материалов. По цифровым данным технологических балансов принимаются организа­ционные и технические решения по совершенствованию работы оборудования, максимальному использованию, утилизации или регенерации материальных и энергетиче­ских ресурсов. Балансы весьма важны для составления рациональных схем технологического процесса и установления оптимальных размеров, мощности и производительности оборудования. Данные технологических балансов и выводы из их анализа широко используются технологами и экономистами при проектировании новых и улучшении работы существующих предприятий.

Составление технологических балансов производится в две стадии. Сначала составляют материальный, а затем на его основе — энергетический (или тепловой) баланс.

Материальный баланс является количественным выражением закона сохранения массы и примените­льно к отдельным стадиям производственного процесса означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу).

Материальный баланс составляется по уравнению мирной химической реакции с учетом параллельных побочных реакций. Побочные реакции часто являются следствием присутствия примесей в исходном сырье. Поэтому в балансах приходится сопоставлять массу основных компонентов и примесей с массой отходов производства, основных и побочных продуктов. Однако из-за неточностей технико-химического анализа, погрешностейлабораторных измерений и неполного учета всех происходящих реакций материальный баланс в конечном счете имеет приближенный характер.

В большинстве случаев определение массы вещества поводится отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз по выражению

где м_т, м_ж, м_г — соответственно массы твердых, жидких и газообразных материалов, поступивших на обработку, т. е. приход материалов; м’_т, м’_ж, м’_г — массы продуктов, получившихся в результате химической переработки, расход.

В практических расчетах не всегда участвуют все три фазы (твердая, жидкая и газообразная). Кроме того, часть продуктов остается непрореагировавшей. В этом уравнение материального баланса записывается в виде

где М_А и М_В — масса веществ, введенных в производственный процесс или в одну из его стадий; М_С и М_D— масса продуктов, получившихся в результате взаимодействия; М_∆Аи М_∆В— масса непрореагировавших исходных веществ; М_∆Еи M_∆F — масса побочных продук­тов реакции; М_п — масса продуктов (отходов или отбро­сов).

Уравнение материального баланса составляется в пересчете на единицу готовой продукции, на единицу массы сырья или единицу времени.

Для составления материального баланса необходимо знать химический состав, некоторые физические и физи­ко-химические свойства исходного сырья, отходов, ос­новных и побочных продуктов. После проведения стехио-метрических расчетов, для которых используются данные технико-химической и материальной отчетности про­изводства, результаты вычислений оформляются в виде таблицы, состоящей из двух частей: приходной и расход­ной. В каждой из них все статьи баланса выражаются не только в весовых или объемных единицах, но и в процен­тах к общему приходу или расходу. Это позволяет на­гляднее отображать степень использования веществ по отношению к теоретически возможному и облегчает ана­лиз цифровых данных.

В качестве примера в табл. 1.1 приводится мате­риальный баланс полочной печи обжига колчедана.

По этим данным можно рассчитать расход сырья для получения единицы основного или промежуточного про­дукта, определить фактический выход продукта.

Тепло вой баланс (энергетический) является ко­личественным выражением закона сохранения энергии. Применительно к тепловым процессам химической пере­работки этот закон формулируется таким образом: коли-

чество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны. Равенство прихода и расхода теплоты выражается уравнением общего вида

где б_Ф — физическая теплота, введенная в процесс с ис­ходными веществами; Q₃ — теплота экзотермических и и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (например, плавление, испарение, конденсация, растворение, кристаллизация). Если тепловой эффект взаимодействия отрицательный, то величину Q₃ поме­щают в расходной части баланса; Q_B — теплота, введен­ная в процесс извне и не принимающая участия в химиче­ских реакциях (например, с горючими газами, топливом, нагретой водой и т. д.); Q‘_ф — физическая теплота, выве­денная из процесса с продуктами реакции; Q’_n — потери гсплоты в окружающую среду.

Слагаемые теплового баланса рассчитываются по об­щеизвестным формулам.

Так, физическую теплоту Q_ф, введенную с исходными веществами или выведенную с продуктами реакции, вы­числяют из выражения

где М — масса исходного вещества; с — средняя теплоем­кость веществ при температуре их поступления; t — тем­пература исходных веществ.

Теплота экзотермических реакций и физических пере­ходов веществ из одного агрегатного состояния в другое берется из экспериментальных данных, либо определяет­ся термохимическим расчетом по закону Гесса.

Потери теплоты в окружающую среду Q_п, обусло­вленные теплопроводностью наружных стенок аппарата, in л учением и конвекцией, вычисляют по основным рас­четным зависимостям теплопередачи или берут на основе практических данных. Если это невозможно, то те­пловые потери определяют по разности между суммой прихода и расхода.

Тепловой баланс составляется на основании мате­риального баланса, рассчитывается (в кДж) и оформляет­ся в виде таблицы. Для иллюстрации в* табл. 1.2 приводятся результаты вычислений теплового баланса полоч­ной печи обжига колчедана.

Из таблицы видно, что 54,9 % теплоты уносится с от­ходящими газами, имеющими температуру

700 °. По­скольку для последующей стадии переработки такого га­за необходимо его охлаждение до 20 °С, то фактически вся эта теплота может быть безвозвратно потеряна для производственного процесса. На практике в подобных случаях всегда стремятся к рациональному использова­нию тепловых отходов. Это достигается утилизацией и регенерацией теплоты.

При составлении материального и теплового балан­сов производства и технико-экономическом анализе ра­циональное использование теплоты нередко оказывается решающим фактором для оценки конкурентной способ­ности и выбора наилучших способов производства одно­го и того же продукта.