ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов из "Основные процессы и аппараты химической технологии" Расчеты процессов и аппаратов обычно имеют следующие основные цели а) определение условий предельного, или равновесного, состояния системы б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей в) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхностн или рабочего объема аппаратов г) вычисление основных размеров аппаратов. [c.15] Эти задачи определяют содержание и последовательность расчетов. Исходным этапом являются расчет и анализ статики процесса, т. е. рассмотрение данных о равновесии, на основе которых определяют н а -правление и возможные пределы осуществления процесса. Пользуясь этими данными, находят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы (см. ниже). Затем составляют материальные и энергетические балансы, исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий этап представляет собой расчет кинетики процесса, определяющей его скорость. По данным о скорости и движущей силе при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность или объем. Зная поверхность или объем, определяют основные размеры аппарата. [c.15] Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Баланс может быть составлен для системы в целом или по одному из входящих в нее компонентов. Так, материальный баланс процесса сушки составляют как по всему влажному материалу, поступающему на сушку, так и по одному из его компонентов — массе абсолютно сухого вещества или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале. Баланс составляют либо за единицу времени, например за 1 ч, за сутки (или за одну операцию в периодическом процессе) либо в расчете на единицу массы исходных или конечных продуктов. [c.16] На основе материального баланса определяют выход продукта, под которым понимают выраженное в процентах отношение полученного количества (массы) продукта к максимальному, т. е. теоретически возможному. [c.16] Иногда понятию выход придают иной смысл, рассчитывая условно выход как массу продукта, отнесенную к единице массы затраченного сырья. При этом в случае использования нескольких видов сырья выход выражают по отношению к какому-либо одному из них. Практический расход исходных материалов обычно превышает теоретический вследствие того, что химические реакции не протекают до конца, происходят потери реагирующих веществ (через неплотности аппаратуры и т. д.). [c.16] Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделившейся энергии, т. е. приход энергии равен ее расходу. Проведение химико-технологических процессов обычно связано с затратой различных видов энергии — механической, электрической и др. Эти процессы часто сопровождаются изменением энтальпии системы, в частности, вследствие изменения агрегатного состояния веществ (испарения, конденсации, плавления и т. д.). В химических процессах очень большое значение может иметь тепловой эффект протекающих реакций. [c.16] Отводимое тепло складывается из тепла, удаляющегося с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем (например, с охлаждающим агентом). [c.16] В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются прк од и расход всех видов энергии, например затраты механической энергии на перемещение жидкостей или сжатие и транспортирование газов. [c.16] На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды И других теплоносителей, а по данным энергетического баланса — общий расход энергии на осуществление процесса. [c.16] Интенсивность процессов и аппаратов. Для анализа и расчета процессов химической технологии необходимо, кроме данных материального и энергетического балансов, знать интенсивность процессов и аппаратов. [c.16] Все указанные выше основные процессы (гидродинамические, тепловые, массообменные и др.) могут протекать только под действием некоторой движущей силы, которая для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, для теплообменных — разностью температур, для массообменных — разностью концентраций вещества и т. д. Выражения движущей силы для различных видов процессов будут рассмотрены в соответствующих главах курса. [c.17] Коэффициент пропорциональности К в уравнении (1,3) характеризует скорость процесса и, таким образом, представляет собой кинетический коэффициент, или коэффициент скорости процесса (коэффициент теплопередачи, коэффициент массопередачи и т. д.). Коэффициент К отражает влияние всех факторов, не учтенных величинами, входящими в правую часть уравнения (1,3), а также все отклонения реального процесса от этой упрощенной зависимости. [c.17] Соответственно величину К можно рассматривать как меру интенсивности процесса — интенсивность, отнесенную к единице движущей силы. [c.17] Из уравнения (1,3) или (1,5) находят необходимую рабочую поверхность или рабочий объем аппарата по известным значениям ос7альных величин, входящих в уравнение, или определяют результат процесса при заданной поверхности (объеме). [c.17] При оценке конструкции аппарата или режима его. работы решающее значение должны иметь технико-экономические характеристики данного аппарата. Оптимальным будет такой аппарат (или такой режим его работы), который обеспечит заданный результат с наименьшими затратами. [c.18] Затраты на осуществление процесса складываются из капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Увеличение объемной интенсивности приводит к уменьшению размеров аппарата и соответственно к снижению капитальных затрат. Эксплуатационные же расходы при этом, как правило, возрастают, так как интенсификация процесса сопровождается обычно увеличением энергетических затрат. Минимум суммы затрат отвечает определенной объемной интенсивности аппарата, которая и является оптимальной. [c.18] По величине 5 определяют один из основных размеров аппарата, например для аппарата цилиндрической формы — его диаметр D. [c.18] Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов. Исследование процессов и аппаратов в масштабах и условиях промышленного производства является, как правило, сложным, длительным и дорогостоящим. В связи с этим большое значение имеет моделирование — изучение закономерностей процессов на моделях при условиях, допускающих распространение полученных результатов на все процессы, подобные изученному, незавксимо от масштаба аппарата. [c.18] Если последнее требование невыполнимо и протекание процесса практически мало зависит от тех или иных критериев подобия, то равенством их в модели и оригинале пренебрегают, проводя приближенное моделирование. [c.19] Моделирование процессов можно также осуществлять на основе математической аналогии — одинаковой формы уравнений, описывающих физически различные явления. При использовании электронных вычислительных машин математическое моделирование позволяет значительно ускорить исследование наиболее сложных процессов химической технологии. Общие основы моделирования процессов и аппаратов изложены в главе П. [c.19] Вернуться к основной статье