Все химико-технологические процессы можно условно разбить на две основные группы:

1. Процессы, которые сопровождаются глубоким изменением качественного состава перерабатываемых материалов. В основе этих процессов лежат химические и физико-химические методы переработки сырья. К ним относятся сжигание топлива, окисление гудронов, гидроочистка, получение металлов, все виды синтезов и т.д. Материальный и тепловой расчет этих процессов основан на стехиометрических соотношениях при взаимодействии перерабатываемых материалов.

2. Процессы, при которых изменяются только количественные соотношения компонентов, входящих в состав перерабатываемого сырья. В основе этих процессов лежат физико-химические и физико-механические методы переработки. Сюда относятся сушка, выпаривание, ректификация, кристаллизация, конденсация и т.д. Материальный и тепловой расчет этих процессов основан на законах газового состояния и фазовых равновесий.

Резкой границы между этими двумя группами провести нельзя, так как имеется целый ряд физико-химических процессов, при которых перерабатываемое сырье подвергается глубоким качественным изменениям, хотя и не меняет состава и количества своих компонентов (например, при адсорбционных методах переработки сырья).

Расчеты технологических процессов, в результате которых происходит химическое изменение вещества, основаны на стехиометрических законах: законе постоянства состава и законе кратных отношений. Согласно закону постоянства состава, любое вещество, независимо от способа его получения, имеет вполне определенный постоянный состав. Закон кратных отношений состоит в том, что при образовании какого-либо простого или сложного вещества элементы входят в молекулу последнего в количествах, равных или кратных их атомному весу. Если вещества вступают в реакцию в газообразном состоянии, то при одинаковых температурах и давлении они могут соединяться только в объемах, которые относятся между собой как целые числа.

В основу любого техно-химического расчета положены два основных закона природы: закон сохранения веса (массы) вещества и закон сохранения энергии, которые впервые были сформулированы М.В. Ломоносовым. На первом законе базируются все материальные расчеты, т.е. составление материальных балансов производственных процессов; второй закон служит основой всякого энергетического, в том числе и теплового, расчета, т.е. для составления теплового баланса производственных процессов.

Закон сохранения веса (массы) вещества состоит в том, что в замкнутой системе тел вес (масса) вещества остается постоянным, независимо от тех изменений, которые происходят с веществом в этой системе. Количество вещества, входящего в аппарат, должно быть равно количеству вещества, выходящего из аппарата. Таким образом, закон сохранения веса вещества принимает следующую простую формулировку: вес исходных продуктов процесса должен быть равен весу его конечных продуктов. Это и является основой при составлении материального баланса процесса или аппарата. Следовательно, необходимо учитывать вес каждого компонента, поступающего в данный аппарат (приход), и вес каждого компонента, уходящего из аппарата (расход). При этом сумма прихода компонентов должна быть равна сумме расхода их независимо от того, каким изменениям они подверглись при прохождении через аппарат.

Закон сохранения веса (массы) вещества не является абсолютно точным, так как любое химическое взаимодействие между веществами А, В... сопровождается так называемым дефектом массы Дm:

А + В + ... = D + E... + Дm,

где Дm - дефект массы, т.е. "потеря" веса вещества за счет выделившегося при данной реакции тепла.

Однако учитывать дефект массы при химических реакциях для производственных процессов не имеет смысла, т.к. величина его ничтожно мала. Дефект массы имеет существенное значение при расчетах ядерных процессов, где он является основой составления энергетического баланса.

Закон сохранения энергии формулируется так: в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна, энергия не может ни исчезнуть бесследно, ни возникнуть из ничего; она может только перейти в эквивалентное количество другого вида энергии. Так как тепло представляет собой один из видов энергии, то этот закон можно сформулировать следующим образом: приход тепла в данном замкнутом цикле производства должен быть равен его расходу в этом цикле.

Всякое вещество в процессе производства претерпевает различные изменения. Но какие бы изменения с веществом ни происходили, они протекают по вполне определенным законам, детальным рассмотрением которых занимаются химия, физика, термодинамика, гидравлика и т.д. Без знания законов, на основании которых происходят химические и физические превращения веществ в процессе их обработки, сколько-нибудь серьезные расчеты вести невозможно.

Прежде чем приступить к составлению материального и теплового балансов любого технологического процесса, к подсчету расходных коэффициентов, выхода продуктов или полупродуктов и т.п., необходимо ясно представить себе ход этого процесса, а, следовательно, и те закономерности, которым он подчиняется.

На основе этих закономерностей строится методика расчета, которая зависит не только от рода производства, но также от способа переработки и качества сырья, от режима работы аппаратов и других конкретных условий производства.

1.1 Составление материального баланса

Материальные расчеты производственных процессов по своему существу должны быть материальными балансами каждой стадии производства и всего производства в целом, основанными на законах стехиометрии и на законе сохранения вещества. В результате материального баланса определяются вес, объем и состав исходных материалов, готовой продукции, отходов и потерь по всем стадиям производства; это, в свою очередь, служит основанием для всех остальных технологических и энергетических расчетов аппаратуры. Результаты материального баланса, вскрывая полностью всю сущность материальных превращений по каждой стадии производства, наглядно указывают все недочеты производственного процесса и тем самым намечают пути, по которым должно идти дальнейшее совершенствование производства. Отсутствие четко составленного материального баланса в том или ином производстве является показателем его несовершенства и, наоборот, целый ряд действующих производств достиг высокого уровня технического совершенства благодаря наличию тщательно проработанных материальных балансов.

Материальный баланс химического процесса составляется следующим образом: пишется уравнение химической реакции и по стехиометрическим отношениям определяется теоретический выход продукта. Затем выявляются потери продукта в результате побочных реакций и потери механического характера, и устанавливается практический выход, на основании которого и подсчитывается количество получаемого продукта. Весовые количества конечного продукта, получаемого в результате какого-либо химического процесса, даже при самых благоприятных условиях всегда бывают ниже того количества, которое следовало ожидать согласно теории. Чем ближе выход продукта к теоретически возможному, тем совершеннее и экономически более выгоден данный способ производства. В тех случаях, когда производственный процесс не представляется возможным изобразить химическим уравнением, выход выражают в весовых частях получаемой продукции на 1 весовую часть исходного сырья. Исходя из того, что в большинстве случаев химические реакции обратимы, т.е. не идут до конца, студент должен подобрать температуру и давление (особенно для реакций, идущих в газовой фазе) таким образом, чтобы получить максимальный выход продукта.

Для производственных операций, в которых преобладают физические процессы (фильтрация, перекристаллизация и т.п.), необходимо расчетом установить, какое количество продукта при данной температуре остается в растворе (по данным растворимости), какое количество его снова возвращается в производство при использовании промышленных вод и т.п. Следует учитывать и механические потери: утечку газов и паров через неплотности, потерю растворов и твердых материалов при перегрузках, транспортировке, хранении.

Если производственный процесс состоит из нескольких стадий и каждой из них соответствует определенный выход, то общий выход готового продукта по всему процессу определяется произведением всех выходов по отдельным стадиям, т.е.

з = з₁ · з₂ · з₃ · … ·з_n,

где з - общий выход по всему производству;

з₁, з₂, з₃, … з_n - выходы по отдельным стадиям.

Материальный баланс является функцией принятого режима стадий производства и зависит от совершенства работы аппаратуры и от организации производства в целом.

Форма материального баланса зависит от характера производства. При непрерывной схеме производства материальный баланс относят к одному часу или суткам (производство окисленных битумов, гидроочистка нефтяных фракций, адсорбционное выделение парафинов и т.д.). Часто ведут расчет на тонну, килограмм или на кубометр готовой продукции (или исходного сырья) независимо от размеров и конструкции аппаратов, в которых осуществляется процесс. Если рассматриваются газовые реакции, то количество веществ целесообразно выражать числом молей. При периодическом процессе производства (производство пластмасс, полупродуктов) материальный баланс следует составлять на одну производственную операцию или относить его к суткам. При этом материальный баланс составляется по отдельным стадиям производства: для быстрейшего выявления расходных коэффициентов удобно вести расчет на тонну сырья или готовой продукции, но это не исключает составления операционного или суточного материального баланса. В последнем случае до составления материального баланса следует сделать выбор типа и емкости основной аппаратуры по каталогам и заводским данным, что позволяет установить величину загрузки (партии) в реакционный аппарат. Материальный баланс иногда корректируется данными тепловых расчетов (особенно при периодически действующей аппаратуре), поэтому окончательный вид следует ему давать лишь после составления теплового баланса. При сложных материальных расчетах в целях большей наглядности полезно материальный баланс представлять также в виде диаграмм или графиков.

Для упрощения всех последующих технологических расчетов аппаратуры более выгодно иметь материальный баланс, отнесенный к суточной мощности производства; для выявления же слабых мест производства независимо от заданной мощности более целесообразным является материальный баланс, отнесенный к одной тонне готовой продукции. При составлении материального баланса, отнесенного к суточной производительности, необходимо иметь заданную мощность производства. Мощность производства определяется числом весовых единиц (т или кг) готового продукта, подлежащего выпуску производством в единицу времени (год, месяц, сутки). Обычно мощность производства выражают в тоннах 100%-го продукта или технического товарного продукта в год, причем в ряде случаев принимается круглосуточная работа производства в течение 330 дней в году (35 дней резервируется на капитальный ремонт цехов).

Материальный баланс любого технологического процесса или части его составляется на основании закона сохранения вещества, то есть закона, согласно которому количество (масса) всех исходных продуктов данного производственного цикла должно быть равно количеству (массе) всех конечных продуктов его:

УG_исх = УG_кон,

где УG_исх - масса исходных продуктов;

УG_кон - масса конечных продуктов (в одинаковых единицах измерения).

Таким образом, если в какой-либо аппарат поступает G_A кг продукта A, G_B кг продукта B и т.д., в результате химической или физической переработки выходит из аппарата G_C кг продукта C, G_D кг продукта D и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов A (G'_A кг), B (G'_B кг) и т.д., то при этом должно иметь место равенство:

G_A + G_B + … = G'_A + G'_B + G_C + G_D + … + ДG.

Результаты подсчетов материального баланса сводят в таблицу 1.

Объем массы, полученной в результате химического процесса, берется из опытных данных, так как объем смеси полученных продуктов не есть аддитивное свойство объема компонентов, составляющих смесь и, следовательно, величина его не всегда может быть определена путем вычисления.

Таблица 1

Материальный баланс процесса

На основании данных материального баланса можно подсчитать расходные коэффициенты по сырью.

Расходными коэффициентами называют количество сырья, расходуемое на 1 т готового продукта.

Если в технологический узел поступает в сутки G_A кг продукта А и G_B кг продукта В, то годовой расход в кг 100%-го продукта (при 330 рабочих днях) составит: 330G_A и 330G_B.

При заданной мощности Р т/год расход на 1 т технического продукта в кг (100%) будет соответственно равен и

2. Тепловые и энергетические расчеты

2.1 Составление теплового баланса

Производственные процессы протекают при заданных температурных условиях, причем температура проведения процесса может быть как выше, так и ниже температуры окружающей среды. В основе уравнения теплового баланса любого процесса или аппарата положен закон сохранения энергии, согласно которому количество теплоты УQ', поступающей в данный процесс (если в нем нет превращения в другой вид энергии), равно количеству теплоты, выделившейся в процессе УQ". Если все тепло или часть его превращается в другой вид энергии, например, в механическую работу или работу электрического тока, то эта работа должна входить в одно из значений УQ. В наиболее общем виде уравнение теплового баланса можно представить следующим образом:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅,

где Q₁ - теплота входящих в аппарат веществ, кДж (ккал);

Q₂ - теплота физических и химических превращений, протекающих в данном аппарате, кДж (ккал);

Q₃ - теплота, необходимая для нагревания аппарата, в котором протекает процесс, кДж (ккал) (сумма этих трех статей теплового баланса составляет приход тепла);

Q₄ - теплота выходящих из аппарата продуктов, кДж (ккал);

Q₅ - потери тепла в окружающую среду, кДж (ккал) (сумма этих статей дает расход тепла).

Величина Q₂ может входить в расход тепла, если она является отрицательной.

Подсчет каждой из указанных величин является одной из главных задач при расчете технологического процесса и аппаратуры.

Теплота входящих в аппарат веществ

Q₁ подсчитывается по уравнению:

где M_S - количество веществ, входящих в аппарат, кг, м³, или моль (берется из данных материального баланса);

i - теплосодержание веществ при данной температуре;

- средняя теплоемкость веществ при температуре их поступления в аппарат;

t - температура веществ при поступлении их в аппарат.

Величина средней теплоемкости () должна быть взята или подсчитана в соответствии с величиной M_S: если M_S взято в килограммах, то следует взять в кДж/кг (ккал/кг); если M_S взято в м³, то - в Дж/м³ (ккал/м³) и т.д.

Значение теплоемкости для большинства веществ зависит от их температуры и давления, а в случае газов оно зависит также и от того, протекает ли данный процесс при постоянном объеме или при постоянном давлении. В большинстве случаев приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с их смесями. Теплоемкость и теплосодержание смесей обычно неизвестны, так как в специальных таблицах приводятся теплоемкости и теплосодержание только для чистых веществ. Поэтому в случае подсчета величины Q₁ для смесей, состоящих из нескольких компонентов, формула принимает следующий вид:

или

или

или

где - количество каждого компонента в отдельности;

- общее их количество, которое равно:

m₁, m₂, m₃,… - доля каждого компонента в единице объема или веса всей их смеси;

- соответствующие средние теплоемкости;

i₁, i₂, i₃,… - соответствующие теплосодержания.

Теплота химических и физических превращений

Эта величина включает или теплоту протекающих химических реакций, или теплоту превращения веществ из одного агрегатного состояния в другое (например, из жидкости в пар или твердое тело), или теплоту растворения и т.д., или же и то и другое одновременно. Значения тепловых величин (тепловой эффект реакции, теплоты парообразования и т.д.) всегда берутся из таблиц и диаграмм, где они даются в калориях для определенных условий и отнесены к определенному количеству вещества. Эти табличные данные часто приходится пересчитывать для тех условий работы (температуры и давления), при которых будет работать рассчитываемый аппарат. Величины, входящие в значение Q₂, могут быть положительны и отрицательны.

Положительные значения этих величин следует относить к приходу тепла, отрицательные - к расходу.

Теплоту химических реакций, выражающуюся количеством тепла, которое выделяется или поглощается при их протекании, определяют чаще всего с помощью закона Гесса, математическая интерпретация которого приводит к простому равенству:

где q_p - теплота реакции, кДж/моль (ккал/моль);

Уq_k - сумма теплот образования из элементов, образовавшихся в результате химического взаимодействия, кДж/моль;

Уq_n - сумма теплот образования из элементов соединений, вступающих в химическое взаимодействие, кДж/моль.

Таким образом, вычисление теплот химических реакций сводится к простым арифметическим действиям, если только известны теплоты образования из элементов соединений, вступающих в реакцию и образующихся в результате ее.

К теплотам физических и физико-химических процессов, с которыми приходится иметь дело при расчетах химической аппаратуры, следует отнести: теплоту испарения, теплоту плавления, теплоту гидратации, теплоту растворения и теплоту разведения (разбавления). Значения величин теплот физических превращений берут, как правило, из справочников. Эти данные для большого числа процессов можно найти в таблицах и номограммах [4].

Теплота, подающаяся к аппарату извне

Эта величина подсчитывается в зависимости от конкретных условий, т.е. от того, что именно и в каком виде является носителем тепловой энергии.

Количество тепла, необходимое для нагревания отдельных частей аппарата, определяется по формуле:

где G - масса отдельных частей аппаратов, кг;

с - теплоемкости отдельных частей аппарата, кДж/кг·К;

- средняя температура отдельных частей аппарата в конце нагревания, єС;

- начальная температура отдельных частей аппарата, єС.

Теплота уходящих из аппарата продуктов

Подсчитывается совершенно так же, как и количество теплоты Q₁.

Тепловые потери в окружающую среду

Вызываются теплопроводностью стенок аппарата, переходом тепловой энергии в лучистую и конвекцией. В основе подсчетов величины Q₅ лежат законы теплопередачи. В большинстве случаев основные потери тепла происходят за счет теплопроводности стенок аппарата. Эти потери рассчитываются по уравнению:

- в случае плоских стенок:

- в случае цилиндрических стенок:

где Дt - разность температур между внутренней t₁ и внешней t₂ стенками аппарата Дt = t₁ - t₂;

F - поверхность стенки, м²;

с - толщина стенки, м;

L - длина стенки цилиндра, м;

r_i - внутренний радиус стенки цилиндра, м;

r_a - внешний радиус стенки цилиндра, м;

ф - время, ч;

л - коэффициент теплопроводности материала стенки, ккал/ч·єС.

Для твердых тел значение л берут из таблиц; для жидкостей и газов коэффициент теплопроводности чаще всего рассчитывается по формулам:

- для жидкостей:

- для газов:

где г - удельный вес жидкости;

С - средняя удельная теплоемкость жидкости;

- средние удельные теплоемкости газов при постоянных давлении и объеме;

М - молекулярный вес жидкости;

з - вязкость жидкости или газа в сантипуазах.

Следует отметить, что при составлении теплового баланса производственных процессов иногда величиной Q₅ задаются на основе практических данных или же определяют ее как разность между суммой:

(Q₁ + Q₂ + Q₃) и Q₄.

2.2 Теплоэнергетические расходные коэффициенты