54.5. Основи складання матеріальних і тепловихбалансів процесів

магниевый скраб beletage

Під технологічними балансами розуміють результати розрахун-ків, виражені у вигляді рівнянь, таблиць або діаграм, що відображаютькількість уведених і отриманих у виробничому процесі матеріалів іенергії (їхній прихід і витрату). Вартість сировини для харчових виро-бництв складає значну частину вартості продукції, тому складаннябалансу або продуктового розрахунку є першим етапом як аналізу, такі синтезу технологічної схеми виробництва. Продуктовий розрахунокбільш близький до дійсних умов проведення процесу - він враховуєвтрати на всіх етапах технологічної лінії.

В основі складання матеріальних і енергетичних балансів лежатьзакони збереження маси й енергії. У кожному матеріальному балансікількість уведених у виробничий процес матеріалів повинна дорівню-вати кількості отриманих продуктів, напівпродуктів і відходів вироб-ництва. Точно так само повинні бути рівні кількості уведеної тепловоїабо електричної енергії й кількості виведеної із продуктами й відхо-дами енергії. При складанні технологічних балансів користуютьсястехіометрічними й термодинамічними розрахунками, а в ряді випад-ків і іншими фізичними й фізико-хімічними закономірностями.

Матеріальні й енергетичні баланси мають велике значення дляаналізу й оцінки правильності й доцільності здійснення виробничогопроцесу в умовах промисловості. З їхньою допомогою встановлюютьпитоме значення виходів продукції, витрат і втрат сировини: палива йінших матеріалів, коефіцієнтів корисної дії енергії. Баланси викорис-товують для визначення розмірів апаратури, її потужності й продук-тивності, інтенсивності процесів і ряду інших технічних і економічнихпоказників виробництва при проектно-розрахункових роботах. Балан-си відбивають умови експлуатації й ступінь досконалості відповіднихпроцесів - розміри втрат або кількості не використовуваних матеріа-лів і енергії, мобілізуючи тим самим увагу й зусилля на вдосконалю-ванні процесів і апаратів з метою максимального використання мате-ріальних і енергетичних ресурсів. Баланси досить важливі для скла-дання раціональних схем виробництва й установлення оптимальнихрозмірів апаратури при проектуванні нових і модернізації роботи іс-нуючих підприємств.

Спочатку складають матеріальний, а потім на його основі - ене-ргетичний баланс. Показники матеріального й енергетичного балансіву багатьох випадках виражають у грошових еквівалентах, на основіяких з додаванням ряду інших показників можуть бути складені еко-номічні баланси виробництва. Аналітичні дані використовують длястехіометрічних розрахунків, які лягають в основу матеріальних бала-нсів, а термодинамічні й теплофізичні константи (теплоти утворення йрозкладання, теплоти плавлення, розчинення, сублімації й інших про-цесів, теплоємності, енергетичні параметри й ін.) використовують дляскладання енергетичних балансів. Загалом, вигляд матеріального ба-лансу може бути виражений рівнянням:

Ма + Мb = М с + М d +... М д a + М д b + М д е + ... М дf+ ...М n,

де Ма Й Мь - кількості речовин, уведених у виробничий про-цес або в одну з його стадій, або апарат; Мс і Md - кількість продук-тів виробництва, що виходять із апаратури, Мда і Мдь - кількостівихідних речовин, що не прореагували; Мде і Мf - кількість побіч-них продуктів реакції (якщо вони є); Мп - кількість втрат (відходів іін.), головним чином, механічних.

Рівняння матеріального балансу може бути віднесене до одиницісировини або продукції, або до апарата, або до окремої операції, абонавіть до її стадії в одиницю часу. Матеріальні баланси іноді склада-ють також стосовно окремих реагентів, що приймають участь у про-цесі.

При проектуванні й при аналізі виробничої роботи цеху або за-воду складаються більш детальні баланси по всіх стадіях технологіч-ного процесу.

Для складання матеріальних балансів необхідно знати хімічнийсклад і деякі, фізичні й фізико-хімічні властивості вихідної сировини,напівпродуктів і кінцевих продуктів виробництва.

Після проведення стехіометрічннх розрахунків складають таб-лицю матеріального балансу. Найчастіше розрахунки складають на1000 або 100 кг продукту або сировини.

Енергетичний або тепловий баланс може бути у загальному ви-гляді виражений рівнянням

вф + QE + Qn = 0ф + Qn,

де вф - фізичне тепло, уведене в процес із вихідними речови-нами; Qe - тепло фізичних або хімічних перетворень; QB - тепло,уведене в процес ззовні, яке не приймає участі в хімічних реакціях(наприклад, з горючими газами, з паливом, з нагрітою водою і ін.);вф - фізичне тепло, виведене із процесу із продуктами реакції; Q'a -втрати тепла в навколишнє середовище.

Ту складову частину балансів, яку не можна або важко обчисли-ти, визначають, як невідоме з рівняння енергетичного балансу. Тепло-ві баланси найчастіше розраховують у кілоджоулях, а електричні вкіловат-годинах.

У загальній формі, величини, що складають тепловий балансможуть бути розраховані в такий спосіб.

Фізичне тепло вФ, уведене з вихідними речовинами або виве-дене із продуктами реакції, розраховується по формулі:

  • вФ = c m t,

де m - кількість вихідних речовин, кг, м3 або моль; c - середнятеплоємність вихідних речовин при температурі їхнього надходження;t - температура вихідних речовин.

Тепло екзотермічних реакцій і фізичних перетворень вихіднихречовин з одного агрегатного стану в інше як при плавленні або суб-лімації твердого тіла, так і при випарі рідини й т.п., або при процесахрозчинення й кристалізації, береться з експериментальних даних, по-міщених у літературі, або воно визначається шляхом термохімічногорозрахунку (на основі закону Гесса).

  • Тепло, уведене в апарат ззовні QB , яке не приймає участі в хімі-чних реакціях, розраховується по тепломісткості газоподібного, рідко-го або твердого теплоносія аналогічно вф , тобто як добуток c m t.Фізичне тепло QF, виведене із продуктами реакції, розраховуєтьсяаналогічно.

Втрати тепла в навколишнє середовище Qq , обумовлені тепло-провідністю зовнішніх стінок апарата, випромінюванням і конвекці-єю, розраховують на основі законів теплопередачі або беруть на осно-ві практичних даних. Як видно зі схеми теплового балансу, для йогоскладання треба попередньо одержати ясне представлення про всі хі-мічні й фізичні процеси, що відбуваються у виробництві, а також матиматеріальні показники процесу, що входять до складу матеріальногобалансу.

Якщо у вихідних даних і в довідковій літературі немає необхід-них для складання енергетичного балансу числових величин, то кори-стуються законами, формулами й практичними даними, що дозволя-ють зробити відповідні розрахунки.

Так, якщо в довідковій літературі немає даних про теплоту реак-ції або її експериментальне визначення дуже важко, то її обчислюють,керуючись законом сталості сум тепла Гесса, відповідно до якого теп-ловий ефект реакції дорівнює алгебраїчній сумі теплоти утворенняреагентів із простих речовин. У цьому випадку тепло, виділене абопоглинене в ході реакції, можна обчислити як різницю між теплотоюутворення хімічних сполук у правій і лівій частинах рівнянь.

Величина теплоємності cp (кДж/град-моль) для заданої темпе-ратури T (°С) може бути визначена по інтерполяційному рівнянню

cp = а + bT + cT2 +...,

де a,b,c... - характерні для даної речовини постійні, які знахо-дять у довідковій або навчальній літературі. Якщо в довідковій літера-турі відсутні величини теплоємності, то можна користуватися наступ-ними наближеними даними.

Для більшості твердих тіл теплоємності елементів майже одна-кові й близькі до 26,8 (це не відноситься до Н, В, С, Si, P, O, S, F), амолярні теплоємності дорівнюють сумі атомних теплоємностей, щостановлять молекулу елементів.

Варто мати на увазі, що при протіканні процесів плавлення абокристалізації, тепломісткість рідких речовин включає теплоту плав-лення, а при процесах паротворення або конденсації газоподібних ре-човин включає теплоту паротворення.

Втрати тепла апаратом у навколишнє середовище шляхом ви-промінювання, конвекції й ін. розраховують або за законами теплови-промінювання й теплопровідності, або визначають за практичним да-ними, а якщо це неможливо, то по різниці між сумою прибуткових івидаткових статей.

При розрахунку тепловипромінювання користуються закономСтефана Больцмана, відповідно до якого кількість тепла Q, випромі-нювана в одиницю часу, пропорційна поверхні випромінюваного тілаF й четвертого ступеня його абсолютної температури T :

де Cs - постійна випромінювання, а в - коефіцієнти чорності.При розрахунку тепла, що втрачається, через стінку апарата, ко-ристуються законом Фур'є, відповідно до якого кількість тепла, пере-даного через стінку за допомогою теплопровідності, пропорційно по-верхні стінки F, різниці температур між поверхнями стінки ^ -12, ча-су т й зворотно пропорційна товщині стінки 5 :

де X - коефіцієнт теплопровідності, що залежить від властивос-тей матеріалу стінки і її температур, кДж/мтодтрад.

Досить часто при розрахунку втрат тепла через плоску або цилі-ндричну стінку користуються рівнянням теплопередачі:

Q = K-F-At -т ,

де К - коефіцієнт теплопередачі, кДж/м -годтрад; Atcp - серед-ня різннця температур теплоносіїв по обох сторони стінки, °С.

K =

Коефіцієнт теплопередачі К (кДж/м2-ч-град) у цьому рівняннірозраховують за формулою:

1

1 1

tti         A tto

де а1 і а2 - коефіцієнти тепловіддачі, кДж/м2-годтрад.На підставі матеріальних і енергетичних розрахунків складають-ся таблиці балансів, а при бажанні більш наочно показати статті, щостановлять прихід і витрата (уведеної, отриманої й втраченої) кількос-ті матерії й енергії, результати розрахунків зображують у вигляді діаг-рам. У якості зразкової схематичної таблиці енергетичного балансухіміко-технологічного процесу приводимо табл. 54.2.

Таблиця 54.2. Тепловий баланс

Уведено

Виведено

Стаття балансу

Кдж абоквтг

%

Стаття балансу

Кдж абоквтг

%

1. Фізичне теп-ло вФ

 

 

2. Фізичне тепло, ви-ведене із процесу, в'Ф

 

 

2. Тепло екзо-термічної реак-ції й фізичнихперетворень, Qe

 

 

Фізичне тепло ендоте-рмічних реакцій і фі-зичних перетво-рень, в'е

 

 

3. Тепло, уведе-не ЗЗОВНІ, QB

 

 

Втрати тепла в навко-лишнє середови-ще, впп

 

 

Усього

 

 

Усього

 

 

Статті таблиць матеріального й енергетичного балансів вартовиражати не тільки у вагових або об'ємних, теплових або електричниходиницях, але й у відсотках до загального приходу й витрати; це до-зволяє наочніше відображати ступінь використання матеріалів і енер-гії стосовно максимального або до теоретично можливого й полегшуєкартину цифрового матеріалу.

На виробничих підприємствах баланси становлять по данимтехнічної, аналітичної й матеріальної звітності. Якщо між величинамиуведених і отриманих речовин є різниця (сальдо), то це вказує або напомилковість обліку, аналізу або обчислень, або на невраховані втра-ти. В енергетичному балансі відповідна різниця в більшості випадківвідбиває втрати тепла або електроенергії.

При розробці хімічного процесу і його проектуванні основнимкритерієм раціональності майбутнього виробництва є його економіч-ність. Для оцінки економічності того або іншого виробництва розра-ховують собівартість готового продукту.

Під собівартістю продукції розуміють суму виражених у грошо-вій формі витрат, які підприємство витрачає на придбання сировини,витрати на енергію, на засоби виробництва, оплату праці й всі іншівитрати, необхідні в процесі виробництва.

Однак розрахунок собівартості є лише кінцевим етапом, якомупередує цілий ряд розрахунків, необхідних при проектуванні. Крімрозрахунків матеріального й енергетичного балансів усього процесуроблять розрахунки всіх технологічних стадій і апаратури окремо. Пі-сля розрахунку балансів складають схему процесу або схему матеріа-льних потоків. На кожній стадії процесу визначається кількість сиро-вини і продуктів, що йдуть, коефіцієнт використання, втрати й т.д.

Після цього складають апаратурну технологічну схему, що від-биває весь хід технологічного процесу із вказівкою реакційних і голо-вних апаратів. Для цієї мети розраховують або підбирають по катало-гах основні апарати, їхню кількість, ємності, насоси й інше устатку-вання. Результатом розрахунку є специфікація устаткування - повнийперелік устаткування виробництва (цеху) із вказівкою габаритів апа-ратів, їхньої кількості, ваги, найменування матеріалу, з якого виготов-лений даний апарат.

За технологічною схемою й специфікації складають монтажнусхему - розподіл устаткування по висотних площадках, відповідно дорозмірів і ваги, зміцнення й обв'язка (з'єднання трубопроводами); прицьому строго дотримуються принципу потоковості й компактності.

По монтажних схемах визначають будівельну конструкцію: їїрозміри й конфігурацію приміщення, а також обсяг виробничого бу-динку. Знаходять необхідні енергетичні витрати (пара, вода, електро-енергія). Такий загальний підхід до розробки й проектування харчовихвиробництв.