АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Материальные и энергетические расчеты

Для каждого производственной^ процесса, помимо затрат труда, требуются: 1) материалы, подвергающиеся обработке; 2) энергия для обработки материалов; 3) аппараты и машины, при помощи которых осуществляются процессы.

Материалы, используемые в производственных процессах, будь то сырье, полуфабрикаты или готовые продукты, практически никогда не бывают абсолютно чистыми и представляют собой смесь нескольких индивидуальных веществ (компонентов).

Состав смесей обычно выражают в весовых процентах либо в весо­вых частях или долях. Однако во многих случаях при проведении техно­логических расчетов представляется более удобным вместо обычных весовых долей и весовых процентов пользоваться для выражения состава материалов и их смесей молекулярными процентами и молекулярными долями (долями моля).

Общие понятия о материальном балансе. Для определения расхода исходных материалов, выхода готовых продуктов, размеров и производи­тельности аппаратов необходимо предварительно провести материальные расчеты на основе закона сохранения материи и стехиометрических от­ношений, выраженных в химических уравнениях.

По закону сохранения материи вес Gx материалов, поступающих на переработку, должен быть равен весу G2 материале®, получающихся в результате переработки, т. е.

G1 = G2

Однако в практически осуществляемых процессах всегда проис­ходят потери материалов, вследствие чего вес продуктов, получающихся в результате проведения процесса, всегда меньше веса исходных мате­риалов, поступающих на переработку, и, следовательно,

Gi= G2 + Gn (I)

Где Gn—потери материалов в кгс.

Уравнение (I) называют уравнением материального баланса. Оно в одинаковой степени применимо как к определенной операции или целому процессу, так и к любой его стадии.

Материальный баланс может быть составлен для всех материалов, участвующих в процессе, или для какого-либо одного, компонента.

Так, например, баланс одного компонента для процесса сушки влажного материала может быть составлен по весу сухого вещества в высушиваемом материале или по весу влаги, содержащейся в материале.

При составлении материальных балансов химических процессов пользуются уравнениями, выражающими реакции, протекающие в этих процессах.

Данные материального баланса обычно сводят в таблицу прихода и расхода материалов, а иногда, для большей наглядности, составляется еще диаграмма, на которой в определенном масштабе изображаются потоки материалов.

На практике материальный баланс имеет большое значение для пра­вильного проведения технологических процессов. При проектировании новых производств он позволяет правильно выбрать схему технологи­ческого процесса и размеры аппаратов. В процессе производства по ма­териальному балансу выявляют непроизводительные потери материалов, устанавливают состав и количество побочных продуктов и примесей и намечают пути их уменьшения.

Материальный баланс отражает степень совершенства производ­ственных процессов и состояние производства. Чем полнее составлен ма­териальный баланс, тем, следовательно, детальнее изучен данный техно­логический процесс; чем меньше потерь и побочных продуктов, тем пра­вильнее проводится процесс.

Если материальный баланс составить невозможно, то это показы­вает, что данный процесс мало изучен. Выявление в материальном балансе больших потерь показывает, что технология данного процесса должна быть усовершенствована.

Выход. Отношение количества продукта, полученного в результате проведения процесса, к количеству исходного материала, поступившего на переработку, выраженное в процентах, называется выходом.

Для химических процессов, протекание которых может быть количе­ственно выражено известными стехиометрическими уравнениями, выход конечного продукта представляет собой выраженное в процентах отноше­ние практически полученного количества продукта к теоретически воз­можному его количеству, которое строго соответствует стехиометрическому уравнению реакции.

Вследствие потерь выход практически всегда меньше 100%. Чем вы­ход ближе к 100%, тем, очевидно, совершеннее процесс, тем меньше рас­ход исходных материалов и тем ниже стоимость готового продукта.

В тех случаях, когда точного уравнения протекания химических про­цессов нет, выход готового продукта выражают иначе, а именно: отноше­нием количества готового продукта к общему количеству поступивших на переработку исходных материалов либо к весу какого-либо одного из исходных материалов; в первом случае выход численно всегда меньше 100%; во втором случае выход может быть как меньше, так и больше 100%.

Производительность. Основной характеристикой аппаратов и машин является их производительность. Ее выражают количеством материалов, поступающих на переработку в единицу времени (сек., мин., часы, сутки) или же получающихся в результате переработки, также в единицу времени. Количество перерабатываемых материалов выражают:

1) в весовых единицах—килограммах, тоннах;

2) в объемных единицах—литрах, кубических метрах;

3) в штуках—при обработке штучных материалов.

Так, например, производительность дробилок и мельниц обычно выражают в кгс/часи тс/час, производительность насосов для жидкостей— в лімин, м3/сек, м3/мин, м3/час, производительность прессов для прессования изделий из пластических масс—в шт/час. шт/сутки и т. д.

При всех прочих равных условиях производительность аппаратов и машин зависит от их размеров и скорости протекания процесса в них. Чем больше размеры аппаратов и машин и чем больше скорость проте­кания процесса, тем большей производительностью они обладают.

Интенсивность производственных процессов. Производительность аппарата или машины, отнесенная к какой-либо основной единице, харак­теризующей данный аппарат или машину, называют интенсив­ностью процесса. Так, например, интенсивность выпарных аппаратов характеризуется количеством воды, выпариваемой с 1 м[1] поверхности нагрева аппарата в течение одного часа, интенсивность башен в серно­кислотном производстве характеризуется количеством серной кислоты, получающейся в сутки на 1 м3 объема башни, и т. д.

При повышении интенсивности процесса может быть сокращено количество оборудования, необходимого по масштабам производства, или же уменьшены его габариты; соответственно меньшими будут затраты на капитальное строительство, на ремонт и эксплуатацию оборудования и тем выше будет производительность труда—основной показатель экономичности производства.

Интенсификация производства, т. е. повышение ин­тенсивности производственных процессов, является одним из важнейших условий перевода промышленности на более высокий технический уровень и увеличения производительности труда. Интенсифицируя производ­ственные процессы, стремятся на одной и той же аппаратуре, на одном и том же оборудовании, за одно и то же время, с одним и тем же обслужива­ющим персоналом получить возможно большее количество готовой про­дукции.

Энергетический баланс. Переработка материалов в технологических процессах связана с затратой энергии (тепловой, механической, элек­трической и др.).

Для определения расхода энергии составляют энергетические балансы. В табл. 1 (стр. 19) приведены основные эквиваленты, расчет которых проведен исходя из следующих основных величин:

1) ускорение силы тяжести=9,81 м/сек2',

2) механический эквивалент тепла=427 кгс-м! ккал\

3) метрическая лошадиная сила (л. с.)=75 кгс-м! сек\

4) мощность—1 киловатт (кет)=102 кгс-м/сек.

Энергетический баланс составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, должно быть равно количеству энергии, полученной в результате прове­дения процесса, или, иными словами, в любом процессе приход энергии равен расходу ее.

Такое равенство соблюдается и практически, если учесть все потери энергии, которые неизбежны в любом производственном процессе.

Обозначим:

Qx—количество тепла, введенного в процесс с материалами в виде физического тепла, в ккал\

Q2—количество тепла, введенного в процесс извне, в ккал\

Q3—количество тепла, выделяющегося в результате проведения про­цесса, в ккал\

Q4—количество тепла, выведенного из процесса с материалами в виде физического тепла, в ккал;

Q&—количество тепла, теряемого в окружающую среду, в ккал.

Тогда уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

Qi + Qa+Q3=Q4 + Q5 (")

Из этого уравнения можно определить любую из пяти величин при условии, что известны остальные четыре. При проектировании обычно приходится определять по уравнению теплового баланса количество тепла, которое необходимо подводить извне, а при обследовании действующих аппаратов и машин—потери тепла.

Мощность и коэффициент полезного действия. Аппараты и ма­шины, кроме производительности, характеризуются также мощно­сть ю, т. е. работой, затрачиваемой или получаемой в единицу времени. Обычно мощность выражают в киловаттах (кет) или в лошадиных силах (л. е.). Необходимо отличать мощность, затрачиваемую на валу данной машины, от мощности двигателя, который приводит машину в движение. Мощность двигателя вследствие потерь энергии в передаточных механиз­мах всегда должна быть больше мощности, требующейся на валу аппарата или машины.

Таким образом, полезная работа или полезная мощность всегда меньше фактически затрачиваемой работы или мощности. Отношение полезной мощности N к мощности Ne, фактически затрачиваемой, с уче­том всех потерь, называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) машины или аппарата:

Практически к. п. д. всегда меньше единицы. Чем совершеннее ра­ботает данный аппарат или машина, тем ближе к. п. д. к единице.