Уравнение материального и энергетического баланса (3 видео)

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

Содержание

Материальный и энергетический балансы теплового процесса
токарева ТППз-9 контрольная оборудование.docx
МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ (ТЕПЛОВЫЕ) БАЛАНСЫ
🔍 Видео

Видео:ОВР и Метод Электронного Баланса — Быстрая Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

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

Видео:Процессы и аппараты. Материальный балансСкачать

токарева ТППз-9 контрольная оборудование.docx

Материальный и энергетический балансы теплового процесса.

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.

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.

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

Видео:Учимся составлять электронный баланс/овр/8классСкачать

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-

Приход	Расход
Материал	кг	%	Материал	кг	у
Колчедан сухой Влага с колчеданом Сухой воздух Влага с воздухом	1415 44 5515 40	20,2 0,6 78,7 0,5	Огарок Обжиговой газ, в т. ч: SO₂ О₂ N₂ Н₂О	15,1 16,3 7,3 60,0 1,2
Итого	100,0	100,0

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.

Приход	Расход
Статьи	кДж	%	Статьи	кДж	%
С сухим колчеданом	15 400	0,2	С огарком С газами Теплопотери через стенку С воздухом, охлаждающим вал	41832000 1560000	6,7 54,9 20,5
С влагой колчеданом	3 650	0,05
С воздухом	2,0
С влагой воздухом	0,02	1359 200	17,9
Теплота горения колчедана	97,73
Итого	100,0	7612 900	100,0

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.