материально тепловой баланс что это

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Материально-тепловой баланс

Материально-тепловой баланс установки К-14 ( БР-14) и ее регенераторов приведен в гл. [1]

Расчет материально-тепловых балансов этих аппаратов, так же как и обычных теплообменников, проводят с помощью одного программного модуля ИСПТЕПЛ по единой методике, описанной ниже. [2]

Из материально-теплового баланса процесса определяем состав полученного газа ( см. стр. [3]

Методика составления материально-теплового баланса печи при использовании газообразного топлива принципиально не отличается от изложенной ранее. [4]

В ней рассматривается материально-тепловой баланс элементарного участка теплообмена с последующим графическим интегрированием. [7]

Составление систем уравнений материально-тепловых балансов ХТС на основе использования законов сохранения массы и энергии, а также обобщенного описания физико-химической сущности химико-технологических процессов представляет собой для сложной ХТС весьма трудоемкую задачу, поэтому возникает необходимость в автоматизации этого процесса. В данной работе разработан алгоритм и программа составления систем уравнений балансов на основе анализа топологических свойств циклических материальных или тепловых потоковых графов. [9]

Это вытекает из материально-теплового баланса установки и определяется максимальным количеством воздуха, которое можно отвести в теплообменники чистого азота и технического кислорода без нарушения режима работы основного блока. Таким образом, на данной установке при получении 3500 м3 / ч чистого азота нельзя производить технический кислород, и наоборот, при выработке 3500 м3 / ч технического кислорода становится невозможным отбирать чистый азот. [10]

Это вытекает из материально-теплового баланса установки и определяется максимальным количеством воздуха, которое можно отвести в теплообменники чистого азота и технического кислорода без нарушения режима работы основного блока. Таким образом, на данной установке при получении 3500 м3 / ч чистого азота нельзя производить технический кислород, и наоборот, при выработке 3500 м3 / ч технического кислорода становится невозможным отбирать чистый азот. [11]

В результате, расчет материально-теплового баланса любого теплообмен-ного устройства с конденсацией или испарением аммиака сводится к решению системы нелинейных уравнений относительно количества сконденсировавшегося аммиака, концентрации его в газовой фазе и температуры на выходе. Метод простой итерации всегда обеспечивает решение этой системы уравнений. Все типы аппаратов с конденсацией ( испарением) аммиака для приведенных модификаций расчетов рассчитываются по единому стандартному программному модулю АМК. [14]

Источник

Материальный и тепловой балансы химико-технологических процессов

Материальный и тепловой балансы составляют для анализа работы существующего аппарата, установки, производства или при проектировании нового. Материальный баланс технологического процесса или части его составляют на основании закона сохранения массы вещества, и это означает, что масса веществ, поступающих на технологическую операцию, равна массе полученных веществ.

Расчеты балансов основываются на технико-экономических показателях, рассмотренных в разделе 1. Для процессов, которые можно описать суммарной химической реакцией, материальный баланс складывается их двух частей: левая часть уравнения – приход, правая часть уравнения – расход. Материальный баланс рассчитывается или только по уравнению основной суммарной реакции (упрощенный) или с учетом всех параллельных, побочных реакций и продуктов (полный). Уравнение материального баланса:

где Σm_прих – суммарная масса исходных веществ процесса цикла;
Σm_расх – суммарная масса конечных продуктов процесса.

Материальный баланс обычно рассчитывается на единицу полученного продукта (кг, т, м 3 ) или в % на основе данных производства.. Результаты сводят в таблицу. Материальный баланс служит основой для составления теплового и экономического балансов и поэтому составляется первым. В результате составления материального баланса можно вычислять практические расходные коэффициенты на сырье.

Тепловой (энергетический) баланс технологического процесса или части его составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна, т.е. приход теплоты должен быть равен расходу его в данном процессе, аппарате, операции. Уравнение теплового баланса:

где Q_прих – сумма теплот Q_1,Q₂, Q_3,; Q₁ – теплота, приносимая входящими в аппарат веществами; Q₂,- теплота экзотермических реакций, протекающих в данном аппарате; Q₃ – теплота, вносимая извне за счет подогрева; ΣQ_расх – сумма теплот Q_4,Q₅, Q_6,; Q₄ – теплота, уносимая выходящими из аппарата продуктами; Q₅ – теплота эндотермических реакций,протекающих в аппарате; Q₆ – потери теплоты в окружающую среду и отвод ее через холодильники, помещенные внутри аппарата Уравнение теплового баланса:

Q₁ и Q₄ в технологии называют теплосодержанием материалов и рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него:

где m – масса вещества (кг, моль) (берут из данных материального баланса); с – средняя теплоемкость этого вещества (берут из справочника); t – температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно 273К).

Тепловые эффекты химических реакций Q₂ и Q₅ могут быть рассчитаны на основе изобарных теплот образования из элементов различных веществ q 0 _обр, или теплот сгорания, или энтальпии образования веществ ΔН₂₉₈ в стандартных условиях (для массы 1 моль, давление 1.01 –10 5 Па, температуры 298К). Изменение энтальпии реакции ΔН численно равно тепловому эффекту реакции, взятому с обратным знаком:

Изменение энтальпии реакции находим как разность энтальпии продуктов реакции и исходных веществ:

Значение ΔН_обр приведено в справочниках термохимических и термодинамических величин.

Подвод теплоты Q₃ можно рассчитать по потере ее теплоносителем. Потери теплоты Q₆ можно рассчитать по изменению теплоты хладоагента или в процентах к массе внесенной теплоты.

Источник

Материальные и тепловые балансы ХТС

Балансы ХТС составляются для всей ХТС, отдельных ее элементов или групп элементов (рис. 4.19). Выделение отдельных элементов или групп элементов ХТС со следующим составлением их балансов дает информацию не только об эффективности ХТС в целом, но и о ее составных, что дает возможность проявить «узкие места» ХТС, изменять технологические параметры работы отдельных элементов или их совокупности и направлено интенсифицировать ХТС.

Пример.Пусть в процесс поступают вещества, массы которых равны Вследствие химического взаимодействия получают продукты с массами Уравнение материального баланса такой системы запишется так:

(20)

(21)

Масса основного продукта преимущественно задается или измеряется в действующем производстве. Из уравнений материального баланса определяют массу нужного сырья или побочных продуктов, которую невозможно измерить в существующем производстве или задать заведомо. Материальный баланс преимущественно составляют в расчете расхода сырья и получения побочных продуктов на единицу (тонну, килограмм, кмоль) основного продукта; иногда балансы составляют на единицу массы сырья или на единицу времени (час, сутки, месяц). Из составленных материальных балансов находят расходные коэффициенты по сырью, выход продуктов, степени превращения компонентов сырья, селективность процесса. В простейшем случае составляют материальный баланс по одному из исходных веществ или же по целевому продукту R.

Энергетический баланссоставляется на основании закона сохранения энергии согласно которому в замкнутой системе энергия не уничтожается, а лишь превращается из одного вида в другой. Обычно в ХТС составляется тепловой баланс,относительно которого закон сохранения энергии формулируется так приход теплоты в определенном технологическом процессе (Q_прих) равняется ее расходу в этом самом процессе (Q_расх). Тепловой баланс составляют по данным материального баланса и тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, учитывая подвод теплоты извне и отвод ее с продуктами реакции хладагентом, а также через стенки аппарата.

(22)

(23)

При этом в уравнение теплового баланса входят такие величины: Приход:

б) теплота, которая вносится в аппарат инертными веществами, которые не берут непосредственного участия в химической реакции (например, азот воздуха, который используют для процессов окисления, выжигания; дымовые газы, которые служат для нагревания реакционной системы и т.п.) –Q₂ ;

в) теплота экзотермических химических реакций –Q₃;

г) теплота экзотермических физических процессов (кристаллизации, растворения с выделением теплоты, конденсации и т.п.) –Q₄

д) теплота, которая передается от нагревательных элементов Q ₅ .
Расход:

е) теплота, которая выносится из аппарата продуктами реакции- ;

ж) теплота эндотермических химических реакций- ;

Итак, уравнение теплового баланса приобретает такой вид:

(24)

или в общем виде (25)

или (26)

Теплота Q₁ , которая вносится в аппарат с исходными реагентами, рассчитывается по уравнению

(27)

Величина должна выбираться или рассчитываться соответственно размерности величины G: если Gвыражается в кг или кг/ч, то — в кДж/(кг град); если Gвыражается в м 3 или м 3 /ч, то — в кДж/(м 3 град) и т.п..

Преимущественно в расчетах приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с их смесями. Теплоемкость смесей почти всегда неизвестна, поскольку таблицы специальных справочников содержат значение теплоемкости лишь чистых веществ. Поэтому в случае расчета величины Q₁для продуктов, которые состоят из нескольких компонентов, формула (27) приобретает такой вид:

(28)

Теплота Q₂ , которая вносится с веществами, которые не берут непосредственного участия в химической реакции (например, с дымовыми газами, паром и т.п.), рассчитывается по потере теплоты теплоносителем

(29)

(30)

или же по формуле теплопередачи через греющую стенку

(30)

где G_m — масса теплоносителя; — его средняя теплоемкость; и — его

Аналогично по формуле теплопередачи можно рассчитать отвод теплоты от реакционной массы .

Теплоты химических и физических преобразований могут

охватывать несколько величин, в зависимости от того, какие превращения происходят в конкретном процессе.

Значение тепловых величин (тепловой эффект реакции, теплота растворения и т.п.) берутся из специальных таблиц и диаграмм (например, [10,11]). Тепловой эффект реакции можно рассчитать также по закону Гесса

Согласно закону Гесса тепловой эффект изобарного химического превращения не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

Большинство технологических процессов проходит при постоянном давлении, поэтому тепловой эффект реакции равняется изменению энтальпии ∆ Н(с противоположным знаком). Тепловой эффект изобарной реакции можно рассчитать на основании закона Гесса как разность энтальпий конечных продуктов и исходных веществ. Например, для модельной реакции

(31)

тепловой эффект запишется так

(32)

где , , , — теплоты образования (энтальпии) веществ А,В,R,S при стандартных условиях.

Необходимые данные для этого расчета содержатся в таблицах справочных пособий, например, 1. В этих таблицах приводятся свойства чистых веществ при стандартных условиях, а именно: мольная теплоемкость ), энтальпия ( ), энтропия ( )и прочие. Стандартными условиями считаются температура 298 К и давление 1,013-10 5 Па. Условно считают, что теплоты образования (энтальпия ) простых веществ равняют нулю.

Кроме того, тепловой эффект реакции можно определить на основании почленного суммирования уравнений и тепловых эффектов разных реакций (например, сгорание) так, чтобы вследствие этого получить нужное уравнение.

Однако найденная теплота реакции касается стандартных условий. Большинство химических реакций проходят при разных температурах. Поэтому в случае выполнения технологических расчетов следует учитывать зависимость теплового эффекта от температуры. Эта зависимость является математическим выражением закона Кирхгоффа и имеет такой вид:

(33)

Для более точных расчетов следует принимать во внимание, что теплоемкость компонентов системы зависит от температуры и описывается эмпирическим уравнением

(34)

(35)

При этом обязательно нужно иметь в виду, что найденный или рассчитанный тепловой эффект реакции преимущественно выражается в кДж на 1 моль исходного реагента или продукта реакции, а в статьях теплового баланса количество теплоты приводится в кДж/ч или кДж. Поэтому необходимо выполнить перерасчет теплоты

(36)

где G — масса реагента, кг или кг/ч; М- его мольная масса, кг/кмоль; х_А — степень превращения.

Тепловые потери у окружающей среду Q‘₅ принимают на основании практических данных или определяют как разность между ( )и ( ).

Преимуществами изображения балансов в форме таблиц является их простота, наглядность, возможность контролировать результаты и использовать их для определения показателей процесса.

Таблица 1 Материальный баланс контактного аппарата

Таблица 2.Тепловойбаланс контактного аппарата

Другим способом является графическое изображение результатов балансов в виде диаграмм разнообразного произвольного вида, которые наглядно воссоздают соотношение между отдельными статьями прихода и затраты (рис. 21).

Рис.21. Диаграмма результатов материального баланса (%) контактного аппарата окисления аммиака

Результаты балансов дают возможность рассчитать коэффициенты затраты сырья и энергетических ресурсов, состав и качество полученных продуктов, выход продуктов, селективность, материальные и энергетические потери, степень превращения сырья и степень использования энергии.

Степень использования энергии характеризуется энергетическим коэффициентом полезного действия ( %), который равняется отношению количества энергии, которую надо израсходовать теоретически для получения единицы массы продукта (W_m), к количеству практически израсходованной энергии (W_пр)

(37)

Частным случаем энергетического КПД естьтепловой КПД под которым понимают отношение количества полезно израсходованной теплоты (Q_пол)(например, на осуществление целевой реакции) к общей затрате теплоты в процессе (Q_общ)

(38)

Тепловой КПД, как правило, имеет невысокое значение и обычно не превышает 70 %. До 30 % теплоты (а иногда и больше) выносится с отходящими продуктами и до 15 % представляют потери через стенки реактора в окружающую среду.

Теплота продуктов реакции может быть использована для предварительного нагревания реагентов, которые поступают в реактор (например, во внешнем теплообменнике или регенераторе), или для производства водяного пара в котлах-утилизаторах. Эти мероприятия практически воплощаются в энерготехнологических схемах.

Тепловые потери уменьшают тепловой изоляцией аппарата и выбором таких его габаритов, которые обеспечивают наименьшую поверхность теплоотдачи в окружающую среду. Следует заметить, что некоторые реакторы теплоизолировать нельзя из-за специфических условий работы. Например, вращающиеся барабанные печи для выжигания клинкера работают при температуре 1200. 1400 °С, поэтому при отсутствии естественного охлаждения извне их корпус может деформироваться. Вот почему тепловые потери в окружающую среду этих аппаратов составляют близко 25 %.

Однако энергетический КПД, который определяют на основании данных теплового (энтальпийного) баланса, не дает возможности в полной мере оценить эффективность процесса, поскольку он не всегда учитывает потенциальные возможности системы, т.е. способность использовать ее внутренний запас энергии. Задача минимизации затрат энергии в химико-технологическом процессе, определение степени его термодинамического совершенства, а также пригодности энергии превращаться в другие формы можно решить, используя эксергетическийметод, который является сравнительно новым методом химической термодинамики.

Источник

Материальный и тепловой баланс.

При проведении анализа и расчета технологических процессов и аппаратов широкое применение получили уравнения баланса. Эти уравнения выступают в качестве математических выражений законов сохранения определенной субстанции (массы, количества движения, теплоты, вещества). Балансовые соотношения имеют место даже для таких ситуаций, когда законы сохранения не действуют.

Балансовые соотношения могут быть записаны для одного из веществ, участвующих в химической реакции, в которой закон сохранения (массы, количества молей) именно этого вещества не выполняется, т.к. вещество может исчезать или возникать в ходе химической реакции. К подобной категории относятся балансовые соотношения объемов рабочих тел, энтропии, эксергии. Поэтому понятие баланса является более широким в сравнении с законом сохранения.

Составление балансовых соотношений производится в следующем порядке:

1. Определяется, для какой субстанции записывается баланс.

2. Выделяется пространственный контур и устанавливается временной интервал, для которого составляется баланс.

3. Обозначают и выражают:

¾ потоки субстанции, входящие в контур (Q_пр – приход) и выходящие из него (Q_ух – уход);

¾ источники субстанции (Q_ис) и ее стоки внутри контура (Q_ст);

¾ накопление субстанции (Q_нак) или результат процесса (Q_рез) в контуре за исследуемый временной интервал.

Основное балансовое соотношение имеет следующий вид:

Основное балансовое соотношение может быть записано для любой характеристики объекта, относящейся к экстенсивным величинам, зависящим от количества вещества, участвующего в процессе.

Если в качестве субстанции выступает масса или поток массы, то в этом случае справедлив закон сохранения массы.

Баланс по веществу может быть записан для одного или нескольких участвующих в процессе компонентов либо для всех компонентов смеси.

Баланс импульса (количества движения) часто применяется при изучении механических и гидромеханических процессов. Балансовые выражения для количества движения, отнесенные к единице времени, приобретают форму балансов взаимодействующих сил. При переносе импульса в поле внешних массовых сил причины их появления лежат за пределами выделенного контура, поэтому внешние массовые силы трактуются как источники или стоки импульса внутри контура. В этом случае имеют в виду не накопление, а результат – изменение ситуации под влиянием равнодействующих сил.

При составлении энергетического баланса в качестве субстанции выступает тот или иной вид энергии, например тепловая, тогда энергетический баланс превращается в тепловой.

Пространственным контуром из технологической системы может быть выделен один аппарат, несколько аппаратов или бесконечно малая часть аппарата.

В качестве временного интервала выбирается время всего процесса от начала до конца либо от начала до промежуточного состояния. Для периодических процессов при составлении баланса в дифференциальной форме используется бесконечно малый промежуток времени. Для стационарных процессов в качестве временного интервала чаще всего выбирается промежуток времени, равный 1 с.

На практике основное балансовое соотношение может быть упрощено и записано в сокращенном виде.

Для стационарных процессов (Q_нак= 0): + Q_пр – Q_ух + Q_ис – Q_ст = 0

В условия действия законов сохранения из балансовых соотношений выпадают источники и стоки (+ Q_пр – Q_ух = Q_нак ), а для стационарных процессов:

Это соотношение зачастую представляется в виде Q_пр = Q_ух .

Для изолированных систем нет приходов и уходов субстанции:

Целью расчёта химических процессов и аппаратов является определение массовых потоков перерабатываемых сред (материалов), определение энергетических затрат, необходимых для осуществления процессов, и вычисление основных размеров машин и аппаратов.

Особенно важно не только определение материальных и энергетических соотношений процесса, но и глубокий анализ его кинетических закономерностей.

Анализ процессов и расчёт аппаратов производят в следующей последовательности. Сначала, исходя из законов гидродинамики и термодинамики, выявляют условия равновесия и определяют направление течения процесса. По данным о равновесии устанавливают начальные и конечные значения параметров процессов. По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса.

На основании закона сохранения материи составляют материальный баланс:

Определяют тепловой эффект процесса и, исходя из закона сохранения энергии, составляют тепловой баланс:

где Q_p– тепловой эффект процесса.

По полученным данным определяют основной размер аппарата: ёмкость, площадь поперечного сечения аппарата, поверхность нагрева, фазового контакта и т.д.

Для определения основного размера аппарата используют общее соотношение А = М / (∆ * k), где М – количество материала (тепла), перерабатываемого в единицу времени.

Из соотношения следует, что движущая сила и коэффициент скорости процесса являются основными величинами при определении размеров аппарата. Нахождение численных значений этих двух величин является самой сложной частью расчета аппаратуры, т.к. при этом приходится обоснованно решать вопросы масштабных переходов – распространения данных, полученных в лабораторных исследованиях, на промышленные объекты с использованием методов моделирования.

Моделирование процесса.

Моделированием называется метод изучения существующего или создаваемого объекта, при котором вместо реального объекта изучается модель (другой объект меньшего размера), а полученные количественные результаты распространяются на реальный объект. Основной результат моделирования заключается в предсказании поведения реального объекта в рабочих условиях производства на основании расчета необходимых параметров оригинала по измеренным параметрам модели.

Методы моделирования основаны на подобии различных объектов. Подобными называются такие объекты, у которых соответственные параметры, определяющие состояние объектов в пространстве и времени, отличаются только масштабом физических величин.

Модели делятся на знаковые (символические, мысленные) и реальные (вещественные, материальные).

Знаковые модели состоят из математических зависимостей, связывающих физико-химические, режимные и конструктивные параметры технологического процесса, отражающие в явной форме физическую сущность этого процесса. Такие модели содержат математическое описание процесса и называются математическими. Выбор способа описания (теория вероятностей, дифференциальные, интегральные и другие уравнения) определяется характером и сложностью изучаемой системы.

Математическому моделированию обязательно предшествует тщательное всестороннее изучение физико-химической сущности процесса.

Важной особенностью мысленных моделей является возможность описывать объект различными способами и с разной степенью упрощения. Во многих случаях целесообразно использование самых простых моделей (например, в термодинамике модель идеального газа для приближенного описания свойств реальных газов).

Математическое описание процессов практически реализуется составлением алгоритмов, с помощью которых на ЭВМ получают численные характеристики процессов. Варьируя исходные данные, переменные, влияющие на процесс, путем замены реального объекта математической моделью, с помощью численного эксперимента удаётся установить оптимальные условия проведения процесса. Получив решение, необходимо выявить его соответствие изучаемому объекту, проверить модель на адекватность.

Реальная (материальная) модель является физическим объектом, выполненным в металле, оснащенным приборами, снабженным рабочим (исследуемым) веществом и т.п.

Реальные модели подразделяются на физические и аналоговые.

Физическая реальная модель имеет одинаковую с изучаемым объектом физическую природу и воспроизводит его свойства. Например, гидродинамический процесс перемешивания в промышленной мешалке (реакторе) можно моделировать в лабораторной мешалке меньшего размера с применением другой «модельной» жидкости.

Аналоговая реальная модель основана на сходстве математического описания процессов различной физической природы и воспроизводит аналогию между законами, которые выражают сходные явления в реальном объекте и модели. Например, существует аналогия между законами переноса тепла, вещества, количества движения, фильтрацией жидкости через пористое тело, прохождением электрического тока и другими законами. Поэтому при определенных условиях возможен единый подход к разным по физической природе явлениям.

В технологических процессах с моделированием чаще всего связывают экспериментальный метод, основанный на проведении опытов на физических материальных моделях с распространением результатов на реальный объект. Нередко при проведении заводских опытов моделью служит сам промышленный аппарат, что облегчает задачу масштабного перехода от модели к объекту. Однако в этом случае возможности варьирования параметров процесса ограничены и основаны лишь на наблюдаемых в промышленном процессе факторах. При таком экспериментальном исследовании могут выпасть из поля зрения некоторые факторы, действие которых может не проявляться в условиях наблюдаемого процесса.

Моделирование процессов и аппаратов осуществляют в следующем порядке:

1) Составляется математическое описание процесса в виде уравнений, описывающих процесс, и условий однозначности.

2) Выводят критерии подобия и из них выделяют критерий, содержащий искомую величину. Этот критерий (определяемый) выражается в неявной функции от остальных критериев, называемых определяющими.

3) Выбор константы подобия для каждой из физических величин из условий равенства критериев в модели и образце.

4) На основе данных рассчитывают и изготавливают модель, рабочий объем которой геометрически подобен рабочему объему промышленного аппарата. Масштаб модели определяют с учетом размеров и производительности аппарата, обеспечивая требуемые скорости, расходы, температуры и другие величины для рабочих тел;

5) Принимают меры для того, чтобы при проведении опытов определяющие критерии в модели изменялись в тех же пределах, что и в промышленном аппарате.

При выполнении указанных требований все соответственные величины для модели и образца, характеризующие явление, будут пропорциональны между собой, при этом подобие натуре наступит по всему объему модели.

Источник