Технологические расчёты Для оценки экономической

Технологические расчёты
Для оценки экономической эффективности технологических процессов используют
уравнения материального и энергетического (теплового) балансов.
Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества:
во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе
веществ, получившихся в результате реакции.
Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это
означает, что:
масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе
всех веществ, получившихся в результате её, - расходу
Материальный баланс чаще всего составляют на единицу массы основного продукта; реже
для периодических процессов материальный баланс составляют в расчете на одну
операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени (час, сутки, год).
Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом
параллельных и побочных реакций. Баланс может быть составлен для всех веществ,
участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно
учитывают не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те,
которые имеют существенное значение. Кроме сырья, основных и побочных продуктов
баланс учитывает и примеси, поступающие с сырьём.
Материальные балансы составляют на основании стехиометрии, которая включает
правила составления химических формул и уравнений, опытных данных (лабораторных и
пилотных) по исследованию процесса, литературных данных и опыту работы
действующих установок (предприятий). Различают экспериментальные и расчётные
материальные балансы. Экспериментальный материальный баланс составляют по
результатам работы действующей промышленной или лабораторной установки.
Расчетный материальный баланс составляют по данным проектного задания в процессе
проектирования на основании литературных данных, по известным формулам и
уравнениям, представленным в методических указаниях.
Баланс состоит из «прихода» – общей массы веществ, поступающих на производство (в
аппарат, цех), и «расхода» - общей массы материалов, выходящих из производства
(аппарата, цеха). Материальный баланс сводится в массовых единицах в таблицу. При
составлении баланса расхождения между приходом и расходом в 2-3% считают
приемлемыми. Если расхождения превышают 5%, то надо искать причины расхождения:
потери, чистота сырья и продуктов, показания приборов, ошибки в методике расчётов и
др.
Материальный баланс лежит в основе любого технологического расчета, кроме того он
является инструментом контроля производства. Умение составлять материальные балансы
1
необходимо как инженеру-проектировщику, так и инженеру-производственнику. На
основании материального баланса определяют целый ряд важнейших техникоэкономических показателей и характеристик технологии. По данным материального
баланса определяют объем поставок сырья и вспомогательных материалов для
обеспечения заданной мощности предприятия; рассчитывают тепловой баланс для
определения потребности предприятия в тепле, топливе, хладагентах, величину
теплообменных поверхностей; экономические балансы предприятия, выраженные в
денежных единицах, себестоимость продукции, рентабельность производства. На основе
материального баланса процесса рассчитывают основные показатели (критерии
эффективности): степень превращения сырья, селективность, выходы продуктов. Затем
приступают к расчёту рабочих размеров аппаратов и оборудования, числа реакторов,
складов сырья и готовой продукции и т.д.
В основу энергетического баланса положен закон сохранения энергии, согласно которому
в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна.
Применительно к энергетическому балансу технологического процесса это означает, что:
количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделяющейся энергии,
т.е. приход энергии равен ее расходу:
Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии –
тепловой, механической, электрической. Поскольку в этих процессах тепловая энергия
имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловой баланс. В этом случае
закон сохранения энергии формулируется так:
приход тепла в данной производственной операции должен быть равен расходу тепла
в той же операции, т.е.
При этом должна быть учтена вся теплота, подводимая в аппарат (процесс) и
выделяющаяся (поглощающаяся) в результате химической реакции или физического
превращения; теплота, вносимая каждым компонентом, как входящим в аппарат
(процесс), так и выходящим из него, а также теплообмен с окружающей средой. Тепловой
баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов
химических реакций и физических превращений, протекающих в аппарате, а также с
учетом подвода или отвода тепла.
Статьи прихода теплоты:
1) Qф – физическая теплота материалов, поступающих в процесс или аппарат;
2) Qр – теплота, которая выделяется в результате экзотермических реакций;
3) Qф.п. – теплота, которая выделяется в результате физических превращений
(конденсации, физической абсорбции, адсорбции, кристаллизации и т.п.);
4) Qо – теплота, подводимая в аппарат (процесс) извне, например, обогрев.
Статьи расхода теплоты:
2
1) Q´ф – физическая теплота продуктов, выходящих из аппарата или процесса;
2) Q´р – теплота, которая затрачивается на эндотермические реакции;
3) Q´ф.п. – теплота, которая поглощается в результате физических превращений
(плавление, испарение, десорбция и т.п.);
4) Q´o – теплота, которая отводится из аппарата (процесса), например, охлаждение;
5) Q´пот – потери теплоты в окружающую среду.
Физическую теплоту материалов обычно подсчитывают по уравнению
где m – масса материала;
c – удельная теплоёмкость материала;
t - температура.
Теплоёмкости отдельных газообразных компонентов, участвующих в процессе, для
данной температуры Т можно вычислить по формуле
где a, b, c литературе.
коэффициенты, которые приводятся в соответствующей справочной
На практике приходится иметь дело со смесями газов, а также твёрдых и жидких веществ.
Теплоёмкость смеси может быть подсчитана по закону аддитивности.
Тепловой эффект реакции в стандартных условиях можно определить по закону Гесса как
разность между энтальпиями образования всех продуктов реакции и энтальпиями
образования всех исходных веществ:
Для определения теплового эффекта реакции при заданной температуре обычно
пользуются уравнением Кирхгофа:
Подвод теплоты в аппарат (обогрев) можно учитывать по потере теплоты теплоносителем,
например, для греющей воды
где Тн и Тк – начальная и конечная температура воды соответственно;
для пара
где r – удельная теплота парообразования;
3
или по формуле теплопередачи через греющую поверхность
где Кт – общий коэффициент теплопередачи;
F – поверхность, через которую осуществляется теплопередача;
Тг – температура греющего материала;
Тх – температура нагреваемого (холодного) материала;
τ – время теплопередачи.
По последнему уравнению рассчитывают и потери теплоты в окружающую среду.
По данным теплового баланса рассчитывают расход теплоносителей, электроэнергии.
4