Материальный и тепловой балансы элементов химико-технологической системы и хтс в целом

Химико-технологический процесс рассматривается здесь как совокупность превращений и воздействий на вещества и потоки, происходящие в химическом производстве в целом, а также в его отдельных его частях и аппаратах. Основой расчета химико-технологического процесса является его материальный и тепловой балансы.

Материальный баланс

Материальный баланс отражает закон сохранения массы вещества. Для всех участвующих веществ он может быть представлен уравнением, левую часть которого образует масса исходных веществ ХС₍^ВХ0Д, а правую — масса получаемых продуктов XG;^BbIX,.

где В — количество входных и П — выходных потоков; j, к — их нумерация.

Кроме баланса по всем веществам используют баланс по отдельным компонентам. Для i-го вещества.

где Gj _вх — масса i-вещества, поступившего в процесс; G, _вых — масса i-вещества, оставшегося по окончании процесса; ДG_i HCT — масса i-вещества, превращенного или полученного в системе.

Источником является химическая реакция. Если вещество образуется, то AG, _ист > 0. Если AG, _ист < 0, то вещество превращается в другое. Если в элементе происходит ряд превращений вещества, то.

где AG_ir — изменения количества i-ro вещества в r-м превращении; R — общее число превращений.

На основе материального баланса составляют тепловой баланс, который отражает закон сохранения энергии.

где Eq^BX и Xq^BbIX — тепло или энергия, вносимые с реагентами и выносимые с продуктами, остатками сырья, включая потери; Sq^HCT — энергия источников — тепло протекающих химических реакций и физических процессов (испарение и конденсация, растворение и десорбция, сжатие и расширение и др.).

Изменение химического состава реагирующей смеси описывается стехиометрическими уравнениями, которые показывают, в каких соотношениях вещества вступают в реакцию и определяют количественные изменения состава реакционной смеси (см. гл. 2, раздел 2.1).

Сложная реакция будет представлена несколькими стехиометрическими уравнениями (см. 2.6). Их называют частными реакциями.

В сложной реакции какая-то из них приводит к образованию полезного продукта, например, R. Другие реакции — побочные, без образования нужного продукта. Для более простого изложения характеристик сложной реакции представим ее системой стехиометрических уравнений, в которых: 1) левая часть содержит одно и то же исходное вещество; 2) правая часть только одного уравнения содержит полезный продукт. Например,.

Вводится степень превращения исходного вещества в каждом стехиометрическом уравнении. В примере показаны х_г и х₂ — степени превращения А в каждой реакции и общая степень превращения А.

Задавшись степенью превращения x_Aj исходного вещества Л в каждом стехиометрическом уравнении, определим количества всех компонентов.

где Vy — стехиометрический коэффициент i-го вещества в j-й реакции. Зная количества компонентов N_i} рассчитывают их мольные доли.

Для реакции, протекающей без изменения объема реакционной смеси,.

Для сложных реакций вводятся следующие показатели.

Выход продукта — доля всего количества исходного вещества, превратившаяся в данный продукт. Полагая, что А — исходное вещество, эффективность процесса ER по продукту R составит.

В примере (5.5) Е_к = х₁ — выход продукта R и степень превращения вещества А в первой частной реакции совпадают.

Избирательность по продукту — доля превратившегося количества исходного вещества в данный продукт. Полагая, что А — исходное вещество, избирательность S_R по продукту R составит.

В примере (5.5) S_R = х_г / х.

Для простой реакции S_R = 1 и для любого i-го продукта ?_;— = х. Для сложной реакции E_R = S_R • х.

Таким образом, задавая степени превращения х_А;— исходного вещества Л во всех стехиометрических уравнениях сложной реакции, можно определить количества^ всех компонентов в прореагировавшей смеси, их концентрации Q (мольные доли), парциальные давления р, (в газе), выход продуктов Е_{ и селективность процесса по продуктам S_{.

Многостадийные превращения.

В ряде случаев необходимо получить материальный баланс подсистемы и даже ХТС в целом, где протекают последовательно ряд превращений. Рассмотрим пример производства азотной кислоты, для которого надо составить материальный баланс. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

окисления аммиака (полагаем, что NH₃ полностью окисляется до N0).

окисление оксида азота хемосорбция оксида азота.

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до N0₂ по реакции (5.12).

Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (5.11—5.13). Умножим первое из них на 1, второе — на 3, третье — на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение) образования азотной кислоты.

Конечно, такая реакция неизвестна, но это стехиометрическое уравнение позволит получить материальный баланс по всему производству азотной кислоты без детализации превращений по стадиям процесса и без учета потерь.

Равновесные химические превращения.

Для балансовых расчетов может быть принято, что реакция протекает до равновесия. Тогда задается температура для такой равновесной смеси. Следовательно, известна константа равновесия Кр, связанная с равновесными концентрациями веществ уравнением равновесия.

Концентрации компонентов можно записать в виде их зависимости от степени превращения, используя уравнения (5.6) или (5.7). Подставим их в (5.15), находим значения равновесной степени превращения х_р и затем из тех же уравнений (5.6) или (5.7) — равновесные концентрации всех компонентов.