Расчёт материального баланса производства

V. РАЗДЕЛ. ОСНОВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Технологические расчёты оборудования

Цель технологических расчётов аппаратов – определить основные конструктивные размеры аппаратов и их количество. Для стандартного оборудования расчёты сводятся к определению только количества аппаратов.

Размеры аппаратов находят исходя из требуемой производительности и данных по скорости процесса химической реакции, массо- и теплообмену.

Диаметр аппарата непрерывного действия (гомогенные реакторы) зависит от интенсивности и скорости протекания обрабатываемых веществ. Объём рабочей зоны аппаратов непрерывного действия:

где v – объёмная производительность, м³/с;

t – время, зависящее от скорости ХТП, с.

для РИС:

где

для РИВ:

Площадь поперечного сечения, м²:

где w – линейная скорость течения среды, м/с

Диаметр аппарата находят из

Длина реакционной зоны:

Высота аппарата зависит от наличия других элементов аппарата или устройств (если есть сепаратор, теплообменник и т.д.)

Если аппарат заполнен катализатором (каталитические реакторы) или насадкой, то объём рабочей части аппарата принимают равным объёму насадки или катализатора:

где F_к – поверхность насадки или катализатора, м²;

  s – удельная поверхность катализатора м²/м³.

Площадь поперечного сечения аппарата с катализатором или насадкой:

где а – отношение свободного сечения катализатора и сечения пустого аппарата

Объём катализатора находят, исходя из объёмной скорости

где w – объёмная скорость м³/(м³×час) или м³/(м³×с) (на 1 м³ катализатора).

Объёмную скорость w обычно вычисляют из данных кинетического анализа или опытных данных.

При расчёте аппаратов периодического действия (АПД) обычно задаются суточной производительностью и временем проведения операции – так называемый технологический цикл. Он включает в себя кроме времени протекания основного процесса – время загрузки, выгрузки, промывки, продувки и т.п.

Реакционный объём АПД:

где v_c – суточный объём перерабатываемых веществ;

К – коэффициент запаса производительности;

  t – время технологического цикла, час;

  j – коэффициент заполнения аппарата.

Время технологического цикла состоит из времени собственно процесса, t₁ и времени проведения технологических операций, t₂, т.е. t = t₁ + t₂

Коэффициент запаса производительности:

где 8640 – количество календарных часов в году

   Т_эфф. – эффективный фонд времени или число часов работы аппарата в год.

Коэффициент К обычно равен 1,1-1,15.

Величина коэффициента заполнения j зависит от характеристик процесса, протекающего в аппарате и принимается 0,4-0,6. В аппаратах с мешалками j » 0,75-0,8. В аппаратах, где идёт кипение, вспенивание j » 0,85-0,9.

После определения общего объёма задаются объёмом одного аппарата V_а и находят необходимое количество аппаратов:

и наоборот:

Расчёт материального баланса производства

Расчёт материального баланса – это расчёт количеств загружаемых и получаемых продуктов на каждой стадии технологического процесса, определение расходных коэффициентов по сырью, расчёт состава, количества отходов и сточных вод.

Материальный баланс составляют на единицу времени (сутки, час и т.д.), на единицу массы сырья, на единицу массы готовой продукции (тонна, килограмм и т.д.).

Универсальным является материальный баланс, составленный на постоянную величину – единицу массы 100% готового продукта.

Материальный баланс составляют на основании закона сохранения масс:

SG_исх. = SG_получ.

где G_исх. и G_получ. – сумма исходных и полученных веществ соответственно.

Если идёт реакции А + В = С + D и вещества А и В не полностью взаимодействуют, а существуют потери DG, то материальный баланс можно записать в следующем виде:

G_А + G_В = G_С + G_D + DG + G_A^¢ + G_B^¢

где DG – потери;

G_A^¢, G_B^¢ – массы не вступивших в реакцию веществ.

Итак, материальный баланс рассчитывают с учётом состава сырья, степени протекания основных и побочных реакций, потерь на каждой стадии производства или степени извлечения побочного компонента.

По материальному балансу, составленному на единицу массы (сырья или продукта) определяют материальные потоки (в кг/с, т/ч, м³/с, м³/ч) через каждый аппарат. Эти данные необходимы для последующего расчёта аппаратов.

На основании материального баланса также рассчитывают расходные коэффициенты по исходным веществам, количество и состав газовых отходов, сточных вод и твёрдых отходов.