Podstawy obliczeń projektowych w technologii chemicznej (wyd.2), Biotechnologia UR Kraków, Semestr IV (2015), ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Stanisław Kucharski, Józef Głowiński
Podstawy obliczeń projektowych
w technologii chemicznej
Wydanie II poprawione i uzupełnione
OficynaWydawniczaPolitechnikiWrocławskiej
Wrocław 2005
Recenzenci
Jerzy PIOTROWSKI
Jan SZYMANOWSKI
Opracowanie redakcyjne i typograficzne
Hanna BASAROWA
Korekta
Alina KACZAK
Projekt okładki
Dariusz GODLEWSKI
© Copyright by OficynaWydawniczaPolitechnikiWrocławskiej,Wrocław2000
OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ
Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław
ISBN 83-7085-932-1
Drukarnia OficynyWydawniczejPolitechnikiWrocławskiej.Zam.nr1182/2005
Rozdzia� 1
Bilans materia�owy
Podstaw� wszystkich oblicze� w technologii chemicznej jest bilans materia�owy.
Od jego wykonania rozpoczyna si� projektowanie i rachunek ekonomiczny planowa-
nego lub istniej�cego procesu, a tak�e obliczanie dobowych (zmianowych) ilo�ci zu-
�ytych lub wyprodukowanych materia�ów. Chemik technolog dzieli ca�y proces
wytwarzania na operacje, których funkcjonowanie bada si� oddzielnie. Operacjami
jednostkowymi s� np.: przep�yw p�ynów, reakcje chemiczne, absorpcja, destylacja itd.
Operacje jednostkowe przebiegaj� w urz�dzeniach, zwanych jednostkami proceso-
wymi. Typowymi jednostkami procesowymi s�: reaktory, wymienniki ciep�a, urz�-
dzenia rozdzielaj�ce, kolumny destylacyjne itp.
We wszystkich jednostkach procesowych bez wzgl�du na ich z�o�ono�� obowi�-
zuj� m.in.:
� zasada zachowania masy (z wyj�tkiem reakcji j�drowych),
� zasada zachowania atomów (w reakcjach chemicznych),
� zasada zachowania energii.
Stosuje si� je do sporz�dzania bilansów materia�owych i energetycznych wszyst-
kich procesów chemicznych.
Wi�kszo�� procesów chemicznych zalicza si� do okresowych lub ci�g�ych. Proce-
sy okresowe s� bardziej ekonomiczne, gdy produkty wytwarza si� w ma�ej ilo�ci (np.
w przemy�le farmaceutycznym lub kosmetycznym), natomiast w produkcji wielkoto-
na�owej mamy prawie wy��cznie do czynienia z procesami ci�g�ymi.
Prawo zachowania masy przy bilansowaniu materia�owym jednostki procesowej
mo�na sformu�owa� nast�puj�co:
[masowe nat��enie przep�ywu strumieni dop�ywaj�cych]
– [masowe nat��enie przep�ywu strumieni odp�ywaj�cych]
= [szybko�� akumulacji wewn�trz aparatu]
4
Rozdzia� 1. Bilans materia�owy
Proces ci�g�y przebiegaj�cy tak, �e cz�on odpowiadaj�cy akumulacji jest równy zeru
lub tak ma�y, �e mo�na go pomin��, nazywa si� procesem przebiegaj�cym w stanie
ustalonym. Dla takiego procesu bilans materia�owy sprowadza si� do prostszej postaci:
[masowe nat��enie przep�ywu strumieni dop�ywaj�cych]
= [masowe nat��enie przep�ywu strumieni odp�ywaj�cych]
Nat��enie przep�ywu masy mo�na np. wyra�a� w kg/s lub w kmol/s. W przypadku
reakcji chemicznej wygodniej jest stosowa� t� drug� jednostk� i wtedy mówimy
o molowym nat��eniu przep�ywu strumienia. Termin „nat��enie przep�ywu” bywa
czasem zast�powany okre�leniem „strumie�” i wtedy mówi si� np. o strumieniu mo-
lowym b�d� masowym.
Wi�kszo�� strumieni procesowych zawiera kilka rodzajów zwi�zków chemicznych,
czyli sk�adników. Je�eli w obr�bie uk�adu nie zachodz� reakcje chemiczne, to dla ka�dego
z przep�ywaj�cych sk�adników w stanie ustalonym spe�nione jest równanie:
[nat��enie przep�ywu sk�adnika dop�ywaj�cego]
= [nat��enie przep�ywu sk�adnika odp�ywaj�cego]
Za�o�enie, �e proces przebiega w stanie ustalonym, jest uproszczeniem. Szybko��
akumulacji masy w rzeczywistym procesie mo�e by� ma�a, lecz nigdy nie jest dok�ad-
nie równa zeru. Nat��enia przep�ywu nie s� sta�e, lecz zmieniaj� si� wokó� warto�ci
�rednich. Niemniej jednak koncepcja stanu ustalonego jest wyj�tkowo przydatna do
opisu �redniej szybko�ci produkcji w procesach chemicznych
*
.
1.1. Analiza bilansu materia�owego
Równanie bilansu materia�owego dla stanu ustalonego, gdy nie przebiegaj� reakcje
chemiczne, wydaje si� do�� proste. Dla procesów o du�ej liczbie strumieni wielo-
sk�adnikowych trudno jednak okre�li� liczb� równa� i liczb� niewiadomych bez prze-
strzegania nast�puj�cych zasad post�powania (
10 przykaza� bilansu materia�owego
),
które sformu�owa� Himmelblau [20]:
1. Narysowa� schemat procesu, okre�li� obszar bilansowania.
2. Zaznaczy� strumienie (nat��enie przep�ywu) i ich sk�ad.
3. Nanie�� warto�ci znane.
4. Nanie�� lub wyszczególni� warto�ci nieznane.
5. Okre�li� liczb� niezale�nych równa� bilansowych i sprawdzi�, czy uk�ad tych rów-
na� mo�na rozwi�za�. Je�eli nie, znale�� dodatkowe dane lub za�o�y� ich warto�ci.
6. Wybra� uk�ad odniesienia (jednostek).
7. U�o�y� uk�ad równa� bilansowych do rozwi�zania.
_________
*
W dalszej cz��ci podr�cznika wszystkie rozwa�ania b�d� dotyczy� procesów w stanie ustalonym.
1.1. Analiza bilansu materia�owego
5
8. Wybra� sposób rozwi�zania uk�adu równa�.
9. Rozwi�za� uk�ad równa�.
10. Sprawdzi� poprawno�� rozwi�zania.
Komentarza wymaga tutaj p. 6 dotycz�cy wyboru jednostek, zw�aszcza jednostki
czasu. W uk�adzie SI podstawow� jednostk� czasu jest sekunda, ale chemikowi tech-
nologowi trudno by�oby przyj�� sekund� za okres bilansowania procesu chemicznego.
Dla przyk�adu instalacja produkuj�ca 20 000 Mg (ton) specyfiku rocznie nale�y ju�
raczej do instalacji du�ych. Wielko�� tej produkcji przeliczona na godzin� wynosi
2525,4 kg, na sekund� za� – 0,7015 kg produktu g�ównego przy za�o�eniu 330 dni
produkcyjnych roku. Bilansuj�c proces zgodnie z uk�adem SI, b�dziemy operowa�
ma�ymi i bardzo ma�ymi liczbami, nie daj�cymi wyobra�enia o skali produkcji. Poza
tym ma�e liczby b�d� zaokr�glane przez urz�dzenia licz�ce, co mo�e odbi� si� na do-
k�adno�ci oblicze�. W wielu przypadkach lepiej zatem jest stosowa� tradycyjne jed-
nostki nat��enia przep�ywu masy, tzn. kg/h i kmol/h.
Praktyczne zastosowanie algorytmu 10 przykaza� Himmelblau w obliczeniach bi-
lansowych przedstawiono w przyk�adzie 1.1.
Przyk�ad 1.1.
Pilotow� kolumn� destylacyjn� zastosowano do odzyskania roz-
puszczalnika z roztworu wodnego zawieraj�cego 2% molowych tego rozpuszczalnika.
Molowe nat��enie przep�ywu roztworu wynosi 20 kmol/h. Destylat zawiera 80% mo-
lowych rozpuszczalnika, a ciecz wyczerpana – 0,08% mol. Obliczy� nat��enie prze-
p�ywu wszystkich sk�adników (strumienie) i ich sk�ad.
Rys. 1.1. Schemat bilansowy procesu do zadania 1.1
[ Pobierz całość w formacie PDF ]