Лекция 3 (ХТ 2012)


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте файл и откройте на своем компьютере.
Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 1 Лекция 3 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ХИМИКО - ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПР ОЦЕССА 1. Химико - технологическая система Прежде чем приступить к расчетам материальных балансов химико - технологических процессов, следует познакомиться с таки ми понятиями, как система, структура системы и способы ее пред ставления. Системой называют упорядоченную совокупность объединен ных какими - либо связями материальных объектов, предназначен ную для достижения определенной цели по возможности наилуч шим способом. По субстанциональному призн аку различают три класса систем: естественные, искусственные и концептуальные . К естественным системам относят системы, существующие в объективной действительности в живой и неживой природе (молекулы, организ мы, клетки, общество и пр.). Искусственные сист емы создаются че ловеком (механизмы, технологические установки, станки, супер маркеты, производства и др.). Концептуальные системы включают научные теории, представления о произведениях искусства и т.д. Химико - технологическая система (ХТС) относится к чис лу ис кусственных систем. Эта система предназначена для выпуска химических продуктов высокого качества с минимальными затратами ресурсов и минимальным воздействием на окружающую среду . Каждая система обладает структурой. Под структурой понима ют совокупно сть элементов и связей между ними, обладающую ин вариантностью (неизменностью) на определенном отрезке времени. Элементом системы является материальный объект, выполняющий определенные функции в рамках системы и не подлежащий даль нейшему членению. Элеме нтами ХТС являются операторы и подсистемы . Операторами называют химические и физические процессы, с помощью которых осуществляется последовательное превращение сырья в продукт. К ним относятся массообменные, тепловые, меха нические, гидромеханические и хи мические процессы . Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 2 Подсистемой называют обладающую относительной автономи ей в рамках ХТС совокупность операторов, объединенных единой технологической целью. Ее конкретное оформление соответствует производственной установке. Цель зафиксирована в наименова нии подсистемы. К основным подсистемам ХТС относят подсистемы: подготовки сырья, химического превращения, выделения целевого продукта из реакционной смеси, обработки технического продукта . Операторы объединяются в систему с помощью связей. Связь – это физ ический канал, по которому происходит обмен веществом, энергией и информацией между элементами системы (внутренняя связь) и между отдельными системами (внешняя связь). На рисунке 1 показаны внешние связи ХТС. Рис. 1. Внешние связи ХТС По физическому смыслу связи подразделяют на материальные, энергетические и информационные . Первые два типа связей отно сят к технологическим . Материальные связи представляют собой потоки сырья, вспомогательных материалов, полупродуктов, про дук тов, твердых, жидких и газообразных отходов. К энергетическим связям относят потоки топлива, хладагентов и теплоносителей, линии электропередачи. С инженерной точки зрения, технологические связи в ХТС представлены в виде магистралей, трубопроводов, газо - и водопроводов, топливопроводов, электрокабелей и т.п. Информа ционные связи поступают в систему в виде пневмо - и электросигна лов от информационного оборудования. Прежде чем приступить к технологическим расчетам следует четко представлять систему и ее стр уктуру, поскольку в основе мате риального баланса лежит знание состава Ресурсы (сырье, энер гия, финансы) Влияние окружающей среды Информация ХТС Продукты и услуги Влияние на окружающую среду Информация Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 3 потоков сырья, вспомогательных материалов, полупродуктов, продуктов и т.д., по ступающих в аппарат (на установку) и покидающих его. Химико - технологические системы обладают сложной стру кту рой, которая содержит множество операторов и многочисленные комбинации разнообразных связей между ними. В ходе разработки ХТС из набора альтернативных структур стараются получить опти мальную систему с минимальным, но необходимым набором опера торов и связей, достаточных для ее нормального функционирования. Существует несколько форм представления структур ы ХТС : вербаль ное, графическое (топологическое) и описание в виде матрицы . Вер бальное (словесное) описание используют при документальном офор млении технологической схемы, которая является одним из разде - лов технологического регламента. Графические методы наиболее наглядны и информативны. В этом случае структуру изображают схематически. В зависимости от элементного состава, характера связей и пред на значения различают функциональные, операторные, структурные и технологические схемы . Все эти схемы являются этапами синтеза и анализа ХТС. Элементами структуры функциональной схемы выступают под системы, объединенные материальными связями. Элементами опе раторной схемы служат технологические операторы, также объеди ненные в систему материальными связями. Эта схема дает наглядное представление о физико - химической сущности технологических процессов, используемых системой для последовательного превра щения сы рья в готовый продукт. Обе схемы могут быть использо ваны для составления материального баланса, при условии исклю чения из операторной схемы тех операторов, в которых не проис ходит изменение состава. На рисунке 2 показаны графические символы технологиче ских опе раторов – основных (а - г) и вспомогательных (д - ж) и функции, ко торые они выполняют. Структурная схема составляется на основе операторной. Опера торы в ней представлены в виде блоков, соединенных между собой горизонтальными линиями материальных свя зей. Вертикальные ли нии изображают энергетические связи. Такие схемы используют при проектировании теплового регулирования процесса, т.е. для выбо ра теплоносителей или хладагентов для обеспечения заданного температурного режима работы каждого аппарата. Н а основе струк турной схемы составляются тепловые балансы процессов. Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 4 Рис. 2. Технологические операторы а - химического превращения; б - смешения; в - разделения; г - межфазного массообмена; д - нагрева или охлаждения; е - сжат ия или расширения; ж - изменения агрегатного состояния вещества Технологическая схема составляется на основе операторной, при этом каждый оператор заменяется конкретным аппаратом, наи более соответствующим требованиям той технологической опера ции, для которой предназначен аппарат (реактор, смеситель, тепло - обменник и т.д.). На семинарск ом заняти и мы сначала разберем пример использования различных схем для описания структуры ХТС производящей изо - пентан из н - пентана, а затем будем решать задачи, которые содержат упрощенные описания предлагаемых для расчета баланса процессов. При решении такой задачи словесные описания должны быть переведены на язык графики. Например, если в описании сказано «смешивают», значит, два (или более) потока надо подать в смеси тель, т.е. изобразить это следующим образом: а б в г д е ж Смешивают Смешивают Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 5 Если сказано «смешанный», значит поток выходит из смесите ля, в котором смешалось минимум два потока: Если сказано «пары нагревают», значит жидкость н адо сначала испарить, а затем нагреть пары: 2. Виды материального баланса Расчет материального баланса является важнейшим этапом проектирования химического производства . На основании материального баланса рассчитываются: пот ребность предприятия в сырье и вспомогательных материалах; количество единиц оборудования и объем различных аппаратов ; технологические и некоторые технические и экономические показатели эффективности функционирования ХТС; тепловой баланс ХТС к ак частный сл учай энергетического баланса, а также эксергетический баланс и экономико - математические модели ХТС для выполнения задач системного ана лиза. На практике при проведении технологических расчетов составляется несколько материальных балансов, различающихся по степени охвата участвующи х в процессе веществ и по степени надежности используемых для расчета баланса данных. По степени охвата веществ, участвующи х в процессе, различают общий ( брутто - баланс ) , баланс по компоненту ( частный баланс ) , и баланс по элементу ( элементный балан с ) . Общий баланс составляют по всем компонентам сырьевого и продуктового потоков, а частный баланс – по одному из компонен тов сырья. Этот вид баланса является одним из Смеш анный поток Поток 2 По ток 1 Жидкость Пары Нагретые пары Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 6 этапов расчета об щего баланса. К составлению элементного баланса п рибегают в том случае, когда нельзя или сложно разделить покомпонентно сырье вые и продуктовые потоки. При этом выбирают тот элемент молекулы полезного компонента сырья, который в процессе химическо го превращения образует желаемую функциональную группу в мо лекуле продукта. Чаще всего такими элементами являются углерод – для углеводородных смесей сложного состава; азот – для нитросоединений или других азотсодержащих соединений, сера и др угие . Для со ставления элементного баланса достаточно определить содер жание выбранн ого элемента в известных массах сырьевой и продукто вой смесей. Указанные балансы могут быть составлены на основе те ории ( теоретический баланс ) и производственной практики ( факти ческий баланс ). Более надежным для проектирования является фа к тический материальный баланс. Теоретический баланс рассчитывают исходя из стехиометрии реакции и известных молекулярных масс реагентов и продуктов. Этот вид баланса составляют при проектировании производства нового продукта в условиях неполной информаци и о процессе. Тео ретический баланс необходим в системном анализа при составлении экономико - математической модели процесса, а также сопостави тельного анализа работы действующей установки в качестве осно вы для сравнения. Фактический материальный баланс с оставляют на основе анали за работы лабораторных, пилотных, полупромышленных и про мышленных установок. При увеличении масштаба производства требования к сте пен и надежности данных возраста ю т. В этих балансах учитываются состав сырья и размер производствен ных потерь, которых нельзя избежать при массовом производстве продуктов. Производственные потери представляют собой расход сырья, материалов и готового продукта на разлив, утечку через неплотности аппаратов, емкостей и аппаратуры, потери при сливе и перека чках, унос из реакторов абгазами (отходящими газами), потери через вентиляционные ли нии и пр очие . При расчете баланса величиной производственных потерь зада ются исходя из данных работы аналогичных производств или сред нестатистически х значени й потерь дл я соответствующих процес сов. Каждый технологический процесс превращения сырья в гото - вый продукт вносит свою долю в величину потерь. Статистика приводит следующие усредненные данные по величине потерь для различных процессов химической технологии: фильтра ция – 1 - 2 %, сушка – 1 - 10 %, размол, дробление, смешение – 0,5 %, выпарка, Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 7 дистилляция, ректификация – 5 - 15 %, упаковка – 0,5 % от загруз ки сырья. Фактические потери на действующем производстве опре деляют по разности между массой загру женного сырья и ма ссой выгруженны х продук т ов . Минимизация потерь возможна только при высоком уровне организации производства, высокой технологической дисциплине, а также при техническом и технологическом совершенстве ХТС на всех ее уровнях. 3. Методика составления материа льного баланса Выбор метода расчета материального баланса зависит от типа принятой технологической схемы (прямая или циркуляционная) и технологического класса реакций (простая или сложная, обратимая или необратимая). Прежде чем приступить к составлению материального баланса, следует иметь четкое представление о самом процессе, его стадиях, составе сырья, организационной структуре процесса и условиях его протекания. Исходные данные для расчета баланса приводятся в проектном задании. Основой для них служит проектируемый объем выпуска готовой продукции (производительность установки) либо пропускная способность установки по исходному сырью в натураль ных единицах за год (млн . т/год или тыс.т/год). Остальные данные ( степень превращения , выход продуктов, химиче ские схемы, вид и состав сырья, технологические схемы и т.д.) приводятся в соответствующих раз делах технологического регламента. Алгоритм расчета материального баланса предусматривает вы по лнение следующего ряда операций. 1. Анализ исходных данных (прое ктное задание, технологичес кий и экономический разделы технологического регламента) для получения необходимой информации о процессе, для которого рас считывается материальный баланс. 2. Декомпозиция технологической схемы с целью выявления операторного со става и структуры. 3. Составление функциональной и операторной схем для определения числа и направлений материальных связей между подсистемами и операторами. 4. Составление химических уравнений реакций, протекающих в подсистеме (подсистемах) химического превращения. Каждую реакцию следует пронумеровать, затем этот номер использовать в опи сании стехиометрических расчетов. Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 8 Сложные химические формулы веществ, участвующих в реакции, можно заменить буквами латин ского алфавита. 5. Выявление типа технологиче ской схемы и классификация химической реакции для выбора метода расчета баланса. 6. Составление схемы материальных потоков на основании функциональной или операторной схемы. В случае использования операторной схемы из нее исключают те операторы, в которых не изменяются состав и масса потока. Схема материальных потоков является общепринят ым методом количественного описания взаимосвязи потоков сы рья, продуктов, вспомогательных материалов и отходов на всем про тяжении процесса. Эта схема пр едставляет собой в звешенный ори ентированный граф, вершинами которого служат подсистемы (опе раторы), а ребрами – материальные потоки, связывающие их . Направление потоков указывают стрелками. Материал ьные потоки, поступающие в подсистему (оператор), изображают прямыми линиям и, сходящимися в вершине графа, а потоки, покидающие оператор (подсистему) – расходящимися линиями. Разрешается взамен схемы материальных потоков использовать операторные схемы. Над каждым потоком указывается «цена», т.е. все известные данные о потоке (мас са, качественный и количественный составы, парамет ры состояния газов). 7. Определение качественного состава сырьевых и продуктовых потоков выполняется на основе анализа состава сырья, реакцион ной схемы и технологического показателя - степени пре вращенн ого сырья. Например, если в системе протекает реакция А + В  R + S , а в качестве сырья используется смесь А + I , где I – инертная примесь, и сырье В не содержит примесей, то качествен ный состав исходной и реакционной смесей можно представить на следующ ей операторной схеме: A, I B A, I, B R, S, I R, S, A, B, I R, S, A, I R, S, B, I при х А  х В  1 при х А ≠ 1; х В ≠ 1 при х А ≠ 1; х В  1 при х А  1; х В ≠ 1 Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 9 Схему материальных потоков составляют с целью определения структуры баланса и получения недостающих данных для его рас чета. 8. Подбор единиц расчета баланса, физических и химических констант, техноло гических показателей. 9. Расчет недостающих данных. Чтобы составить баланс нужно знать массу потоков, входящих в систему и покидающих ее. Масса каждого потока слагается из масс составляющих его компонентов. Если масса потока или отдельных его компонентов неизвестна, то прибегают к ее расчету, используя стехиометрию реакции и исход ные данные о процессе. Расчет п роизводят на основе стехиометри ческих уравнений реакций, оперируя количествами исходных ве ществ, расходуемых в реакции, и количествами получаемых продуктов. Вычисления ведут в расчете на чистые (100 % - ные) реагенты и продукты. Примеси сырья, исключенные из этой стадии расчета, учитывают при составлении окончательного баланса. Материальный баланс рассчитывают только в единицах массы (кг или т). Одна ко в качестве промежуточной единицы расчета лучше использовать кмоли, причем число к молей, поданных в про цесс или полученных в ходе процесса, следует считать с точностью до третьего или четвертого знаков, что в дальнейшем обеспечит луч шую сходимость прих одной и расходной частей баланса. Перевод к молей в килограммы выполняют только для компонентов по токов, представляющих внешние связи системы (вход - выход). 10. Составление общего материального баланса и представление его в удобной для выполнения дальнейши х расчетов форме. Форма представления материального баланса. Материальный баланс может быть представлен в форме уравнения, таблицы или диаграммы. Наиболее часто материальный баланс представляют в виде следующей табл ицы . Материальный баланс производства _ _________________________ ( наименование продукта ) Приход Расход № п/п Компонент кг/ч % мас. № п/п Компонент кг/ч % мас. Итого: Итого: Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 10 Таблица материального баланса состоит из двух частей. Левая часть именуется приходной и обозначается словами «Приход» или «Подано» . Здесь записываются все сырьевые потоки, поступающие в ХТС, подсистему или отдельный аппарат, с покомпонентной рас шифровкой. Правая часть именуется расходной и обозначается словами «Расход» или «Получено» . В эт ой части баланса записывают все пот о ки, покидающие ХТС, подсистему (установку) или отдельный аппарат. Сюда относятся потоки продуктов (целевого и побочных), непревращенного сырья и потери. Следует подчеркнуть, что в рас ходной части записывают массу непрев ращенного сырья, т.е. его ос таток. Израсходованное на реакцию сырье определяют как разность между поданным на переработку сырьем и его остатком, т.е. раз ность между приходной и расходной частями баланса. Таким обра зом, слово «Расход» для обозначения пра вой части баланса вовсе не означает, что здесь перечислены вещества, израсходованные в про цессе. Просто наименование было заимствовано технологией из бухгалтерской терминологии, но затем потеряло первоначальный смысл. Под первым номером в расходной части баланса записывают целевой продукт, на последнем помещают потери. Не следует раз мещать компоненты реакционных смесей как простую последова тельность веществ. Лучше компоновать их по принадлежности к от - дельным потокам: газообразному, жидкому или твердому . Отдельные слагаемые приходной и расходной частей называют статьями баланса . Приходная часть должна равняться расходной. В случае неравенства частей баланса следует установить причины расхождения - «невязки» - баланса. Они могут быть разными: не принятые во внимание примеси сырья, неучтенные потери, в том числе испарение, утечки через неплотности, «мертвые» остатки в ре зервуарах, ошибки анализа при определении покомпонентного со става потоков, невысокий класс точности расходомерных устройств. Среди друг их причин могут быть заимствование данных для рас чета из источников разной степени надежности, ошибки в расчетах, связанные чаще всего с округлением результатов. Чтобы отличить элементарные арифметические ошибки от систематической ошиб ки ра счета определя ют величину относительной погрешности, кото рая считается приемлемой, если составляет 2 – 3 %. Пример расчета относительной погрешности . Если п риход составил 5,62 т, а расход – 5,42 т, то п риближенным значением истинной величины статьи баланса будем счита ть среднее арифметическое этих значений : (5,62 + 5,42)/2  5,52 т. Тогда пре дельная абсолютная Гарькин В.П. Лекции по химической технологии. Весна 20 12 года Лекция 3 11 погрешность составит (5,62 - 5,42)/2  0,1 т. В этом случае истинный вес статьи баланса можно принять рав ным 5,52 ± 0,1 т, а о тн осительная погрешность составит % 8 , 1 100 52 , 5 1 , 0   . Брутто - баланс рассчитывают только в единицах массы. Осталь ные столбцы таблицы можно использ ова т ь для получения информации о со ставе потоков, выраженном в других абсолютных и относительных единицах (кмол ь , м3, % мол. или % об. , км оль/м3) для удобства последующих расчетов, поскольку указанную информацию лучше сосредоточить в одном месте. Табличная форма баланса не дает возможности проследить свя зи между отдельными потоками и аппаратами, т.е. не позволяет вы явить структуру системы или отдельных ее элементов. Указанный недостаток ликвидируется при использовании диаграммной формы баланса. В этом случае материальные потоки изображают в форме полос, толщина которых соответствует мощности потока (рис унок 3 ). Рис. 3 . Диаграмма материал ьного баланса циркуляционного процесса

Приложенные файлы

  • pdf 14430339
    Размер файла: 361 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий