(bilans materialowy projekt zajecia5 [tryb zgodności]) · Katedra Technologii Chemicznej Politechnika Gdańska Klasyczny bilans materiałowy wykonywany jest jako bilans masy materii,

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

BILANS MATERIAOWY I CIEPLNY PROCESU TECHNOLOGICZNEGO

Katedra Technologii ChemicznejKatedra Technologii ChemicznejWydzia ChemicznyWydzia Chemiczny

Politechnika GdaskaPolitechnika Gdaska

PROCESU TECHNOLOGICZNEGO

dr in. Anna [email protected]. 026 Ch.A.

Katedra Technologii ChemicznejKatedra Technologii ChemicznejPolitechnika GdaskaPolitechnika Gdaska

Klasyczny bilans materiaowy wykonywany jest jako bilans masy materii,wyraonej w jej jednostkach: miligramach, gramach, kilogramach, tonach.

Bilans materiaowy moe by take wykonany dla licznoci materiiwyraonej w jej jednostkach: w milimolach, molach, kilomolach. Mwi siwtedy o bilansie molowym.

Bilansu nie wykonuje si z reguy dla objtoci, gdy prawo zachowania

22

Bilansu nie wykonuje si z reguy dla objtoci, gdy prawo zachowanianie obwizuje generalnie dla tego parametru stanu. W wikszocirzeczywistych procesw nastpuje, bowiem zmiana objtoci skadnikwtworzcych ukad w trakcie zachodzcych przemian, np. reakcjezachodzce w fazie gazowej ze zmian iloci moli produktw i substratwpowoduj rwnie, e objto substratw jest inna ni czna objtoproduktw (synteza amoniaku: N2 + 3H2 2NH3 ).


Typy bilansw masowych

Mona wykonywa zarwno bilans cakowity procesu (ukadu),bilans jednego ze skadnikw (zwizkw chemicznych), bilansewszystkich skadnikw lub bilans pierwiastkw (molowy lubmasowy) biorcych udzia w procesie. Obowizuje tu elazna

33

masowy) biorcych udzia w procesie. Obowizuje tu elaznazasada:

Suma bilansw wykonanych dla wszystkich skadnikw (pierwiastkw) stanowi bilans cakowity procesu lub ukadu.



1.1. Bilans strumieniowyBilans strumieniowy

Polega na okreleniu wielkoci strumieni masowych bez podawania ich skadu chemicznego.

44

Sporzdzany w celu okrelenia:

globalnych przepyww

doboru wielkoci aparatw procesowych

oraz gdy okrelenie skadu oraz bilansowanie poszczeglnych

skadnikw jest niemoliwe z powodu braku wystarczajcych danych



2. Bilans skadnikowy peny

Polega na okreleniu wielkoci strumieni masowych oraz podaniu ichskadu i bilansowaniu poszczeglnych skadnikw

55

skadu i bilansowaniu poszczeglnych skadnikw

Opracowywany dla dobrze zbadanych procesw, dlawielkotonaowych instalacji przemysowych tj. rafinerie ropy naftowej,gdzie skady poszczeglnych strumieni maj zasadnicze znaczenie dlaprocesu technologicznego, jak i dla ekonomiki.



3. Bilans skadnikowy czstkowy

Gdy dysponujemy wynikami analiz niektrych skadnikw gwnych

strumieni, wwczas obok bilansu strumieniowego mona sporzdzi

66

strumieni, wwczas obok bilansu strumieniowego mona sporzdzi

bilans jednego lub kilku skadnikw szczeglnie istotnych dla danego

procesu.

Dogodn form przedstawiania bilansu s wykresy strumieniowe (wykresy Sankeya)

Bilans materiaowy dla procesu wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym

Przychd [kg] Rozchd [kg]

Ruda apatytowa 10250 Fosfor 1000

Piasek 2370 elazofosfor 282

Koks 1330 CO 3668

Szlaka 9000

Bilans materiaowy

13950 13950


We wszystkich jednostkach procesowych bez wzgldu naich zoono obowizuj:

zasada zachowania masy (z wyjtkiem reakcji jdrowych)

Bilans materiaowy

99

zasada zachowania masy (z wyjtkiem reakcji jdrowych)

zasada zachowania atomw (w reakcjach chemicznych)


Bilans materiaowy

Wikszo procesw chemicznych zalicza si dookresowych lub cigych. Procesy okresowe s bardziejekonomiczne, gdy produkty wytwarza si w maej iloci(np. w przemyle farmaceutycznym lub kosmetycznym),

1010

(np. w przemyle farmaceutycznym lub kosmetycznym),natomiast w produkcji wielkotonaowej mamy prawiewycznie do czynienia z procesami cigymi.


Prawo zachowania masy przy bilansowaniu materiaowymjednostki procesowej mona sformuowa nastpujco:

[masowe natenie przepywu strumieni dopywajcych] - [masowe natenie

1111

[masowe natenie przepywu strumieni dopywajcych] - [masowe natenieprzepywu strumieni odpywajcych] = [szybko akumulacji wewntrzaparatu]

=i

ii

i produktwsubstratwmm

)()(


Bilans materiaowy

Proces cigy przebiegajcy tak, e czon odpowiadajcyakumulacji jest rwny zeru lub tak may, e mona gopomin, nazywa si procesem przebiegajcym w stanieustalonym. Dla takiego procesu bilans materiaowy

1212

ustalonym. Dla takiego procesu bilans materiaowysprowadza si do prostszej postaci:

[masowe natenie przepywu strumieni dopywajcych] = [masowe natenie przepywu strumieni odpywajcych]


Bilans materiaowy

Wikszo strumieni procesowych zawiera kilka rodzajwzwizkw chemicznych, czyli skadnikw. Jeeli w obrbieukadu nie zachodz reakcje chemiczne, to dla kadego zprzepywajcych skadnikw w stanie ustalonym spenione

1313

przepywajcych skadnikw w stanie ustalonym spenionejest rwnanie:

[natenie przepywu skadnika dopywajcego] =[natenie przepywu skadnika odpywajcego]


Bilans materiaowy

Z powodu reakcji ubocznych w bilansie materiaowymuwzgldnia si:

skad surowcw;

wydajno wszystkich reakcji przebiegajcych w

1414

wydajno wszystkich reakcji przebiegajcych wwarunkach prowadzenia procesu;

straty surowcw, produktw wejciowych i produktwkocowych (tzw. straty produkcyjne).

Straty produkcyjne mog wystpi rwnie przy transporciemidzyoperacyjnym lub w zwizku z nieszczelnoci reaktora.


Bilans materiaowy teoretyczny i praktycznyBilans materiaowy teoretyczny i praktyczny

Bilans teoretyczny zakada cakowicie doskonae warunki prowadzeniaprocesu, 100% wydajno i nieuwzgldnianie strat.

Bilans praktyczny uwzgldnia rzeczywiste skady reagentw, realnewydajnoci wynikajce z osignitych stanw rwnowag oraz wszelkiestraty mechaniczne.

1515

straty mechaniczne.

W praktyce aden proces nie przebiega cile teoretycznie leczwykazuje odchylenia spowodowane termodynamicznymii kinetycznymi zahamowaniami reakcji.

Reakcje uboczne pomidzy skadnikami gwnymi,a zanieczyszczeniami zawartymi w substratach s rwnie przyczynodchyle od stanu teoretycznego.

Zasady sporzdzania bilansu materiaowego krok po kroku.

Etap IV Tabela bilansu.

Przychd Rozchd

Pozycja przychodu kg/h Pozycja rozchodu kg/h

90% roztwr NH NO 100 98% roztwr NH NO 7090% roztwr NH4NO3 100 98% roztwr NH4NO3Para wodna

70

8.6

Suma 100 Suma 100


Etap IV Tabela bilansu.

Przychd Rozchd

Pozycja przychodu kg/h Pozycja rozchodu kg/h

90% roztwr NH NO 100 98% roztwr NH NO 7090% roztwr NH4NO3 100 98% roztwr NH4NO3Para wodna

Straty produkcyjne krysztay NH4NO3

70

8.6

21.4

Suma 100 Suma 100


Etap V Wykres strumieniowy Sankeya.

20 cm = 100 kg

WYPARKA



20 cm = 100 kg

WYPARKA



20 cm = 100 kg100 kg/h 90 % roztworu NH4NO3

WYPARKA




KRYSTALIZACJA

70 kg = 14 cm70 kg/h 98 % roztworu NH4NO3





8.6 kg = 1.8 cm

KRYSTALIZACJA





8.6 kg = 1.8 cm

8.6 kg/hparywodnej

KRYSTALIZACJA





8.6 kg = 1.8 cm

8.6 kg/hparywodnej

21.4 kg/hstrat produkcyjnych- krysztayNH4NO3

KRYSTALIZACJA



100 kg/h 90 % roztworu NH4NO3

70 kg/h 98 % roztworu NH4NO3 8.6 kg/hparywodnej

21.4 kg/hstrat produkcyjnych- krysztayNH4NO3

KRYSTALIZACJA


Obliczy ilo wilgoci jak naley usun w cigugodziny podczas suszenia 1 tony materiau owilgotnoci pocztkowej 40%, aby kocowawilgotno wynosia 2%. Ustali mas materiau

Zadanie1Zadanie1

2626

wilgotno wynosia 2%. Ustali mas materiauwysuszonego.


Zadanie 2Zadanie 2

W suszarce komorowej suszy si 450 kgwilgotnego materiau, z ktrego odparowuje 150kg wody. Suchy materia zawiera 1% wilgoci.Obliczy wilgotno materiau przed suszeniem.

2727

Obliczy wilgotno materiau przed suszeniem.


Zadanie 3Zadanie 3

W procesie krystalizacji nasycony roztwr wodny azotanu sodowegoNaNO3 przepywajcy w iloci 5000 kg/h przez krystalizator odziaaniu cigym ochadzany jest od temperatury pocztkowej 363Kdo temperatury kocowej 313K. W krystalizatorze jednoczenie zochadzaniem nastpuje odparowanie wody w iloci 3% masy

2828

ochadzaniem nastpuje odparowanie wody w iloci 3% masypocztkowej roztworu. Obliczy mas produktu krystalizujcego wcigu godziny oraz wydajno procesu w odniesieniu do 1 tonyroztworu surowego.

Stenie nasyconego wodnego roztworu soli wynosi:

W temperaturze 363K 165 kg NaNO3/100kg H2O

W temperaturze 313K 105 kg NaNO3/100kg H2O


Jeeli w obrbie jednostki procesowej zachodzi reakcjachemiczna, w ktrej nastpuje zmiana strukturymolekularnej i skadu ilociowego ukadu, to mimo ecakowita ilo materii jest zachowana, sposb sporzdzania

Bilans materiaowy z reakcj chemiczn

2929

cakowita ilo materii jest zachowana, sposb sporzdzaniabilansu materiaowego musi by podporzdkowany reguomrzdzcym przebiegiem reakcji chemicznych.

AA + BB +... = PP + RR +...+ h


Bilans wykonuje si dla danego/kadego pierwiastka.

Dla pierwiastka k w j-tym zwizku mamy:


3030

mj- ilo zwizku j

Bilans pierwiastka k w procesie ustalonym:


Czasem wygodnie jest posugiwa si wielkoci nazwanstopniem przemiany:


3131


ZadanieZadanie

Do aparatu kontaktowego pracujcego w instalacji do produkcjikwasu siarkowego metod podwjnej absorpcji doprowadza si gazzawierajcy objtociowo: 11,8% SO2, 9,2% O2, 79% N2. Obliczyskad procentowy gazu kierowanego do wiey absorpcyjnejpierwszego stopnia, jeeli stopie przemiany SO2 do SO3 =90%.

3232

pierwszego stopnia, jeeli stopie przemiany SO2 do SO3 =90%.

Zaoenia: Objto gazu 100 m3/h

SO2 do SO3 =90%.


Bilans energetyczny

Cel:

Wyznaczenie zapotrzebowania na energi w procesach tj.ogrzewanie, chodzenie oraz zapotrzebowanie mocy urzdze onapdzie elektrycznym

3333

napdzie elektrycznym

W instalacji ju pracujcej do analizy biecego zuycia energiii podjcia ewentualnych dziaa oszczdnociowych.


Bilans energetyczny

Bilans energetyczny sporzdza si na podstawie bilansumateriaowego, z uwzgldnieniem caego ciepa jakie jestdoprowadzane, zuywane lub wytwarzane w danymprocesie.

Bilanscieplnyzawieranastpujcepozycje:

3434

Bilanscieplnyzawieranastpujcepozycje:1. Ciepo niesione przez substraty i produkty reakcji.2. Ciepo powstajce w wyniku przemian fizycznych

i chemicznych, ktre zachodz w danymprocesie (np.: ciepoparowania, skraplania, krystalizacji).

3. Ciepo dostarczane przez substancje nie biorce bezporednioudziau w procesie (ogrzewanie zewntrzne)

4. Straty ciepa dorodowiska zewntrznego


Sumaryczna ilo energii doprowadzonej do przemiany musi byrwna sumarycznej iloci energii odprowadzonej. Zasada zachowaniaenergii moe by stosowana do pojedynczego urzdzenia (jednostkiprocesowej), w ktrym przebiega proces chemiczny, lub do caejinstalacji

Podstaw bilansu cieplnego jest prawo zachowania energii

3535

instalacji

W przypadku bilansu energii zwykle gdy mamy do czynienia zkonsumpcj lub generowaniem energii, np. w reakcjichemicznej.Entalpia strumienia odpywajcego z jednostki procesowejnie jest rwna entalpii strumienia wchodzcego.

H wejcia = H wyjcia


Oglne rwnanie bilansu cieplnego:

H wejcia = H wyjcia

Po stronie przychodu :H s - entalpia wnoszona z substratami,H egzo - entalpia przemian fiz. i chemicznych egzotermicznych,H ogrz - entalpia pobierana z otoczenia lub celowo doprowadzana

3636

H ogrz - entalpia pobierana z otoczenia lub celowo doprowadzanado ukadu (ogrzewanie),

Po stronie rozchodu :H p - entalpia unoszona z produktami przemiany,H endo - entalpia przemian fiz. i chemicznych endotermicznych,H ch - entalpia celowo odprowadzana z ukadu (chodzenie),H strat - wszelkiego rodzaju straty cieplne.


Uwzgldniajc wszystkie skadowe, oglne rwnanie bilansu przyjmuje posta:

H wejcia = H wyjcia

H s + H egzo + H ogrz = H p + H endo + H ch + H strat

Strumienie cieplne wnoszone przez substraty (lub unoszone przez

3737

Strumienie cieplne wnoszone przez substraty (lub unoszone przez produkty) oblicza si uwzgldniajc entalpi odniesienia (np. 0oC) oraz stan skupienia (entalpi przemiany fazowej):

Hs = Gs (cr t + Hf )

gdzie: Gs - strumie masowy substratu,cr - rednie ciepo waciwe substancji,

t - temperatura przemiany fazowej,Hf - entalpia przemiany fazowej.


STRATY CIEPLNESTRATY CIEPLNE

Straty od ciany aparatu do otoczenia mona obliczywedug zalenoci:

H = F t

Bilans energetyczny

3838

H strat = F z t

gdzie: - wspczynnik wnikania ciepa,F z - zewntrzna powierzchnia urzdzenia,t = t

c to - rnica temperatur cianki urzdzenia

i otoczenia


FORMY BILANSU:FORMY BILANSU:Bilans cieplny mo e mie form :

Tabelaryczn : zestawienie przychd rozchd (podobn do bilansu masowego)

Graficzn jako tzw. wykres strumieniowy cieplny (podobny do materiaowego wykresu Sankeya)W obu przypadkach bilans cieplny powinien by zgodny ze schematem

3939

W obu przypadkach bilans cieplny powinien by zgodny ze schematemideowym.

Dla procesw i operacji periodycznych bilans w odniesieniu do:szary, doby i jednostki masy produktu gwnego,

Dla przemian ci gych - godzinowe strumienie cieplne,i wodniesieniu do doby i jednostki masy produktu gwnego

W praktyce rzadko udaje si wykona peny bilans cieplny :

BILANS CIEPLNY PENY - dla energochonnych procesw w du ej skali


Zasada zachowania energii dla jednostki procesowej

4040


Obliczanie zmian entalpii

Zaoenie: entalpia takich zwizkw jak:-proste wglowodory alifatyczne-pospolite gazy-tlenki azotu

4141

-tlenki azotu-tlenki siarkiwynosi 0 0 w temperaturze odniesienia

Mona obliczy entalpi tego typu zwizkw w dowolnej temperaturze:


TT

HHTT= = CCppdT dT TT 00

HT - entalpia molowa w temperaturze TT0 temperatura odniesienia

*jeeli jest przejcie fazowe :

4242

*jeeli jest przejcie fazowe :Cp=f(T) jest rna dla rnych faz:

TT ff TT

HHTT= = CCp1p1dT + HdT + Hff ++ CCp2p2dT dT TT 0 0 TT ff

Tf - temperatura przejcia fazowegoCp1-pojemno cieplna w fazie 1 Cp2 pojemno cieplna w fazie 2Hf - entalpia przemiany fazowej


Entalpi mierzy si zawsze pod wzgldem jakiego stanu odniesienia

HT=HT =H H0HT- entalpia obliczona wzgldem jej wartoci w stanie odniesienia (H0)

4343

odniesienia (H0)zaoenie : H0 = 0Zmiany entalpii nie zale od stanu odniesienia, poniewa entalpii tego stanu znosi si w obliczaniu H.*waciwe wyraenie wice pojemno ciepln z temperatur:

Cp= a + bT+ cT2+ dT3


ZadanieZadanie

W piecu jako paliwo spala si metan, ktry ulega cakowitemuspaleniu. Temperatura wlotowa powietrza i metanu wynosi 298K,wylotowa 4000K. Natenie przepywu metanu F1 = 100 kmol/h.Obliczy ciepo dostarczane przez ten piec.

Htw = -75,4 kJ/mol

4444

HtwCH4 = -75,4 kJ/mol

HtwCO2 = -393,8 kJ/mol

HtwH2O=-242,0 kJ/mol

CpCO2 = 37,1 J/molK

CpH2O= 75,3 J/molK

CpN2 = 29 J/ molK


Bilans materiaowy i energetycznyBilans materiaowy i energetyczny

Eter dietylowy otrzymuje si przez katalityczne odwodnienie etanolu wtemperaturze 450-500 K. Surowiec podaje si do reaktora po wstpnymodparowaniu i podgrzaniu pary do temperatury 450K. Reaktor skada si zwizki rurek wewntrz ktrych umieszczono stay katalizator. Zakada si,e zuycie katalizatora jest niewielkie i jego obecno w strumieniuwychodzcym z reaktora mona pomin. Strumie produktw

4545

wychodzcym z reaktora mona pomin. Strumie produktwwychodzcy z reaktora wstpnie schadza si do temperatury 345K ipoddaje rozdzieleniu w kolumnie, z ktrej odbiera si eter jako destylat.Pozostao z pierwszej kolumny zawierajca etanol i wod poddaje sirozdzieleniu w drugiej kolumnie, a uzyskany produkt grny zawierajcy92% etanolu zawraca do reaktora. Do produkcji eteru uywa si alkoholuetylowego o zawartoci 95% wag. Etanolu. Stopie przereagowaniaetanolu wynosi 0,9, a cay proces przebiega pod cinieniematmosferycznym. Sporzdzi schemat ideowy, bilans materiaowy ienergetyczny dla wielkoci produkcji 1500 kg eteru na godzin.

Documents

(bilans materialowy projekt zajecia5 [tryb zgodności]) · Katedra Technologii Chemicznej Politechnika Gdańska Klasyczny bilans materiałowy wykonywany jest jako bilans masy materii,