хіміко-технологічна система (стр. 2 из 3)

2. Задачі аналізу ХТС

Задачі аналізу ХТС полягають в одержанні відомостей про функціонування системи в залежності від прийнятої хімічної схеми, структури технологічних зв'язків між елементами і підсистемами, а так само від конструкційних і технологічних параметрів, виходячи з заданих властивостей і показників функціонування, що мають оптимальне значення

Для цього необхідні:

а) технологічний аналіз ХТС – одержання технологічних показників - температури, тиску, розмірів потоків, виходу селективності, кількості відходів і т.д.;

б) техніко-економічний аналіз ХТС – одержання економічних критеріїв оцінки ефективності системи – видаткових коефіцієнтів, витрат на виробництво продуктів і т.д. і, у кінцевому рахунку, одержання відомостей про собівартість продукції;

в) аналіз функціонування системи – сталість, надійність, безпека роботи та ін.

Аналіз ХТС здійснюється при розробці проектування системи для визначення її ефективності, а також для порівняння різних варіантів реалізації процесу з метою вибору з них оптимального. Аналіз використовується і при модернізації і реконструкції діючих ХТС. Показники роботи ХТС визначаються в результаті рішення систем рівнянь матеріальних і теплових балансів

3. Принципи складання матеріальних і теплових балансів

Розрахунки матеріальних балансів засновано на законах збереження маси речовин, що може бути інтерпретовано так:

сума мас речовин, що входять в апарат дорівнюється сумі мас речовин, які виходять з апарату та виробничих збитків і представлено у вигляді рівняння:

де Gi – сума мас речовин, що надходять до апарату;

Gi' – сума мас речовин, що виходять з апарату;

Gпот – сума мас виробничих збитків.

Розрізняють теоретичні та практичні матеріальні баланси. Теоретичний матеріальний баланс розраховується за хімічними реакціями, що протікають в апараті а основі закону еквівалентів та закону сталості складу речовин. Практичні матеріальні баланси виконуються з урахуванням показників ефективності хіміко-технологічних процесів – ступеня перетворення сировини, виходу продукту, селективності, складу та збитків сировини

Оформлюють результати матеріальних розрахунків у вигляді таблиці, що містить привхідну та витратну колонки. Стовпчик таблиці "Прихід" повинен містити перелік матеріальних потоків речовин, які надходять до апарату, стовпчик таблиці "витрата" – перелік матеріальних потоків речовин, що виходять з апарату. В стовпчиках "КГ" указуються значення мас матеріальних потоків, в стовпчиках "%" склад потоку в відсотках. В разі потреби вводять стовпчики, в яких зазначають кількість сировини в киломолях або м3.

Матеріальний баланс лежить в основі конструктивних розрахунків. На основі кількості потоків розраховуються вхідні і вихідні штуцера апарата, тому в матеріальному балансі необхідно відбивати окремі потоки, привласнюючи їм номера і вказуючи склад (табл.1). Складання теплового балансу засновано на законі збереження енергії – Сума енергії, що надходить в апарат повинна дорівнювати сумі енергії, що виходить з апарату.

Таблиця 1 Матеріальний баланс процесу синтезу аміаку

Прихід	кг	%	Витрата	кг	%
1. Свіжа азотоводнева суміш,в т.ч. N2 H2 2. Циркулююча азотоводнева суміш,в т.ч. N2H2	715,0153,01590,0342,0	1. Синтез-газ,в т.ч. NH3 N2 H2	760,01678,7361,1
Разом:	2800	Разом:	2800

Рівняння теплового балансу виглядає так :

Тепло, що надходить в апарат з реагентами (

), або виходить з продуктами реакції ( ) обчислюється за рівнянням:

,

де ci – теплоємність реагенту (продукту);

mi – кількість реагенту (продукту);

Δt – температура, °С

При розрахунку теплових балансів використовуються властивості сумішей (наприклад, теплоємність), для газів і розчинів розраховується за правилом адитивності (складання в частках):

;

де X – процентний уміст компонента в суміші;

- середня теплоємність (довідкове значення для компонентів суміші).

Реакційне тепло розраховується за рівнянням :

,

де ΔНреак – тепловий ефект реакції, розрахований за законом Гесса, кДж/моль;

а – стехіометричний коефіцієнт хімічного рівняння для і – го продукту;

ni – кількість молів і –го продукту.

Якщо в результаті реакції виділяється тепло, то його записують у прихід. Якщо – поглинається, то – у витрату.

При складанні балансу необхідно вказати потоки тепла в апарат, якщо тепло приноситься (несеться) окремими матеріальними потоками, у таблиці теплового балансу необхідно вказати кількість тепла внесеного і виноси кожним потоком.

При оформленні документів у таблицю (або рівняння) теплового балансу записують

і , якщо такі існують.

Після розрахунку теплового балансу можна підібрати теплоносій або холодоагент або визначити кількість (витрату) теплоносію.

4. Ентальпійний, енергетичний і ексергічний показники, їх використання в аналізі ХТС

Для розрахунку складної системи варто використовувати мінімальну кількість рівнянь хімічних реакцій, що відображують кількісні зміни системи або складу реагуючої суміші. Виходячи з цього необхідно визначити які з реакцій стехіометрично залежні і які незалежні.

Стехіометрично залежними хімічними реакціями називаються такі, стехіометричні рівняння яких можуть бути отримані як лінійні комбінації інших стехіометричних рівнянь з числа розглянутих рівнянь реакцій.

Стехіометрично незалежними називають реакції, ніяке з яких стехіометричних рівнянь не може бути отримане шляхом лінійної комбінації інших, і набір цих R рівнянь достатній для повного й однозначного опису матеріального балансу ХТС.

Необхідно відзначити, для аналізу протікання стехіометрично незалежних реакцій використовуються термохімічні, термодинамічні і міжфазові балансові співвідношення. Термохімічні балансові співвідношення надають відомості про зміну ентальпії при протікання хімічних реакція в окремих або елементах всієї ХТС в цілому, про кількість теплоти, що виділяється при екзотермічних реакціях і поглинається при ендотермічних реакціях, що визначає вибір режимів апаратури і структури ХTC.

Термодинамічні балансові співвідношення, оскільки баланси складаються для стаціонарних станів, дають можливість кількісного визначення рівноважних складів реакційних сумішей.

Для цього необхідно визначення величину ізобарно-ізотермічного потенціалу відповідно до рівняння Гиббса:

,

де ΔН – ентальпія системи;

Т - температура;

ΔS - ентропія.

Кількісно визначити рівноважний склад реакційної суміші, слід визначати виходячи з константи рівноваги реакції, яка може бути знайдена з рівняння:

,

де – ΔG - зміна стандартного ізобарно-ізотермічного потенціалу; R –газова константа.

Міжфазові балансові співвідношення дають відомості про рівновагу в гетерогенних системах. Для цього використовуються правило фаз, закон розподілу речовин між фазами, діаграми фазової рівноваги, що дозволяють знайти склад фаз і їхні властивості: агрегатний стан, температура плавлення, кипіння, пружність пари і ін.

У результаті рішення приведених вище балансових співвідношень одержують дані, необхідні для складання матеріальних і теплових балансів окремих елементів у ХТС. Такі баланси часто називають ентальпійними, оскільки в них для визначення складу реакційних сумішей, кількості поглиненого чи виділеного тепла, у відповідності до першого закону термодинаміки виходять зі зміни ентальпії системи.

Інформацію, що дозволяє більш повно обґрунтувати вибір процесу і провести його порівняння з іншими, можна одержати при застосуванні поряд з ентальпійним, термодинамічного аналізу, зокрема, ексергетичного.

Ексергія характеризує корисну роботу, яку може зробити система у відповідності з другим законом термодинаміки, відповідно до якого не всі процеси можуть протікати в напрямку, зворотному його природному ходу. Або, що є таким самим, ексергія – це енергія, що при участі заданого навколишнього середовища, може бути перетворена в іншу форму енергії.

Використання ексергії дає можливість при оцінці в порівнянні ефективності різних процесів, враховувати не тільки кількість потоків енергії, але і їхню якість, тобто здатність енергії до здійснення корисної роботи.

Питома ексергія потоку речовини, виходячи з другого закону термодинаміки, буде:

де Н, S – ентальпія та ентропія речовини в аналізованому стані. відповідно;

Н0, S0 – ентальпія та ентропія речовини в стані термодинамічної рівноваги з навколишнім середовищем. Т – температура навколишнього середовища.

Величина ексергіі знаходиться за допомогою відомих параметрів стану – ентальпії і ентропії.