Химико-технологические процессы современных производств

1.

Химико-технологические процессы
современных производств
Лекция №2
Доцент кафедры
органической химии, к.б.н.
Д.В. Минаков
1

2.

Основные положения науки о процессах и аппаратах
• При анализе и расчете химико-технологических процессов обычно ставят
следующие основные задачи:
• – при заданных расходах исходных материалов определить количество
получаемых продуктов и энергию, необходимую для проведения процесса;
• – определить условия равновесного (предельного) состояния системы;
• – определить оптимальные режимы работы аппаратов;
• – рассчитать основные размеры аппаратов, работающих в оптимальных
условиях.
• Решение
этих
задач
основывается
на
законах
сохранения,
термодинамического равновесия и переноса субстанций.
2

3.

Законы сохранения массы, энергии и импульса. Уравнения балансов.
Законы сохранения массы, энергии и импульса допускают только такие
превращения, при которых суммы массы энергии и импульса внутри системы
остаются неизменными.
В покоящейся системе законы сохранения массы и энергии означают, что
внутри системы они могут превращаться, оставаясь в совокупности
постоянными. Если система состоит из n компонентов и одной фазы Ф, то при
отсутствии химических взаимодействий по закону сохранения массы сумма
масс всех компонентов должна быть равна массе всей системы:
3

4.

Законы сохранения массы, энергии и импульса. Уравнения балансов.
• Если система имеет m фаз и один компонент, то по закону сохранения массы
сумма масс всех фаз должна быть равна общей массе системы:
• Уравнение (2) показывает, что чем больше станет масса одной фазы, тем меньше
будет масса другой, но сумма масс всех фаз останется неизменной.
• С помощью приведенных уравнений можно получить материальные балансы для
каждого компонента и каждой фазы, участвующих в процессе.
Эти балансы
устанавливают соотношение между количеством материала, поступающего на
переработку, ∑Mн, и количеством полученного в результате переработки вещества
∑Mк.
4

5.

Законы сохранения массы, энергии и импульса. Уравнения балансов.
• Из закона сохранения массы следует:
• Однако в практических условиях неизбежны необратимые потери
веществ, обозначая которые через ∑Mн, получим общее выражение
материального баланса:
• Величина ∑Mп в уравнении материального баланса учитывает
неполноту проведения основной, целевой химической реакции и
механические потери, происходящие в реальных аппаратах.
5

6.

Законы сохранения массы, энергии и импульса. Уравнения балансов.
• Для нестационарных процессов материальный баланс имеет несколько иной вид, так как
потоки, направленные внутрь аппарата (приход), и потоки, выходящие из аппарата (расход),
могут быть неравны (например, происходит накопление массы), т.е.:
• Для стационарных процессов правая часть последнего уравнения равна 0, и без учета
потерь оно приобретает вид уравнения (3). Уравнение материального баланса составляют как
при расчете отдельных аппаратов, так и для сложных технологических систем. Согласно первому
закону термодинамики внутренняя энергия Е изолированной от внешней среды системы
постоянна, т.е. Е = const. Переход системы из одного энергетического состояния в другое
характеризуется новым значением внутренней энергии Е, так как Е меняется на определенную
величину независимо от пути перехода:
• Величины теплоты ∆Q и производимой работы ∆A характеризуют процессы взаимодействия
системы с окружающей средой.
6

7.

Законы сохранения массы, энергии и импульса. Уравнения балансов.
• Проведение химико-технологических процессов обычно связано с затратой
различных видов энергии – механической, электрической и др. Эти процессы часто
сопровождаются изменением энтальпии (теплосодержания) системы, что может
оказывать большое влияние на течение процесса. Учет прихода и расхода всех видов
энергии в системе производится с помощью энергетического баланса, составленного на
основе закона сохранения энергии.
• Частью энергетического баланса является тепловой баланс. По аналогии с
материальным балансом тепловой баланс в общем виде:
где ∑Qн – теплота, вводимая в аппарат с исходными материалами;
∑Qр – тепловой эффект физических и химических превращений;
∑Qк – теплота, выводимая из аппарата продуктами;
∑Qп – потери теплоты в окружающую среду.
7

8.

Законы сохранения массы, энергии и импульса. Уравнения балансов.
• Энергетический баланс позволяет определить расход кинетической и
потенциальной энергии на проведение процесса (перемещение жидкости,
транспортировки и сжатие газов и т.д.). С помощью теплового баланса
определяют расход теплоносителей.
• В соответствии с законом сохранения импульса (количества движения)
сумма импульсов частиц, составляющих изолированную систему, есть
величина постоянная. Для неизолированной системы скорость изменения
импульса равна действующим на нее движущим силам. Перенос количества
движения (импульса) связан с переносом энергии, поэтому уравнение баланса
количества движения составляется так же, как уравнение энергетического
баланса. Согласно второму закону Ньютона
• – производная количества движения по времени), сумма потоков
количества движения равна равнодействующей приложенных внешних сил.
Это положение одинаково справедливо для системы в целом и для любой ее
части.
8

9.

Контрольные вопросы
1. Основные положения науки о процессах и аппаратах.
2. Законы сохранения массы. Уравнения балансов.
3. Законы сохранения энергии. Уравнения балансов.
4. Законы сохранения импульса. Уравнения балансов.
9