ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ПАХТ

Содержание и последовательность расчетов будут следующими. Исход- ным этапом является расчет и анализ статики процесса, т.е. рассмотрение дан- ных о равновесии, на основе которых определяют направление протекания и возможные пределы осуществления процесса. Пользуясь этими данными, нахо- дят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы. Затем составляются материальные и энергетические ба- лансы, исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий этап представляет собой расчет кинетики процесса (там, где возможно), определение скорости его протекания. Зная скорость и величину движущей силы (при вы- бранном оптимальном режиме работы аппарата) находят его рабочую поверх- ность (объем), а затем определяют основные размеры аппарата.

Материальный и энергетический балансы

Среди разнообразных типов соотношений, встречающихся в химической технологии, часто используются материальные и энергетические уравнения ба- ланса.

Материальный баланс. По закону сохранения массы количество посту- пающих веществ å G н должно быть равно количеству веществ å G к полу- чаемых в результате проведения процесса, с учетом потерь å G п:

å G н = å G к + å G  п .                                    (1)

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдель- ных его стадий. Баланс может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, и лишь для одного из компонентов, если обрабатываемая смесь явля- ется двух- или многокомпонентной. Баланс составляют за единицу времени (например, за I час или I сутки) в расчете на единицу количества исходных или конечных продуктов.

На основе материального баланса определяют выход продукта на едини- цу затраченного сырья, под которым понимают выраженное в % отношение по- лученного количества продукта к максимальному, т.е. теоретически возможно- му.

Энергетический баланс. Его составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделившейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу.

При составлении энергетического баланса в качестве субстанции необхо- димо выделить какой-либо определенный вид энергии, например тепловой, то- гда энергетический баланс превращается в тепловой.

Количество отводимого тепла å Q K  складывается из тепла,  удаляемого

с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем, а также тепловых потерь å Q П:

å Q H = å Q K + å Q   П ..                                                             (2)

При этом количество вводимого тепла:

å Q H   = Q 1 + Q 2 + Q 3 ,

где Q 1 – количество тепла, вводимое с исходными веществами;

Q 2 – количество тепла, подводимого извне, например, с теплоносителем, обогревающим аппарат;

Q 3 – тепловой эффект физических и химических превращений.

В энергетическом балансе, кроме тепла, учитывается приход и расход всех видов энергии, например, затраты механической энергии на перемешива- ние жидкостей или сжатие и транспортирование газов.

На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса - общий расход энергии на осуществление процесса.

Законы переноса и принцип движущей силы

При рассмотрении процессов различной природы (гидродинамических, тепло- и массообменных) было установлено, что их кинетические уравнения аналогичны. Например, для тепловых:

dQ Fd t

= K × D t

= 1/ R × D t

,                                    (3)

где Q – количество тепла, Вт;

F – поверхность теплообмена, м 2; τ – время, сек;

Dt – движущая сила процесса перехода тепла, град;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м 2 . град;

R = 1/ К – сопротивление переходу тепла.

Таким образом, кинетические уравнения этих процессов могут быть при- ведены к одному виду:

J = Х

×1/ R ,                                                           (4)

где J – скорость протекания процесса;

Х – движущая сила процесса.

Следовательно, общий принцип интенсификации процессов: для уве- личения скорости их протекания необходимо увеличить движущую силу и уменьшить сопротивление. Понятие движущей силы является основным при рассмотрении любого процесса. Она представляет собой некоторую разницу потенциалов, характерную для каждого вида процессов.

Из выражения (3) находят необходимую рабочую поверхность (объем) аппарата по известным остальным величинам, а затем определяют его основ- ные размеры.