Technologia chemiczna Zajęcia 2
Podstawą wszystkich obliczeń w technologii chemicznej jest bilans materiałowy. Od jego wykonania rozpoczyna się projektowanie i rachunek ekonomiczny planowanego lub istniejącego procesu, a także obliczanie dobowych (zmianowych) ilości zużytych lub wyprodukowanych materiałów.
Bilans masowy Stanowi podsumowanie prac nad chemiczną i technologiczną koncepcją metody, umożliwia ocenę ich jakości Wysokie wskaźniki zużycia surowców oraz duże ilości produktów odpadowych świadczą o niedopracowaniu technologicznym procesu produkcyjnego. Bilans masowy powinien być wykonany w oparciu o wcześniej sporządzony schemat ideowy, który porządkuje procesy i operacje jednostkowe oraz pokazuje wszystkie wychodzące i wchodzące strumienie materiałowe.
Typy bilansów masowych 1. Bilans strumieniowy Polega na określeniu wielkości strumieni masowych bez podawania ich składu chemicznego. Sporządzany w celu określenia: globalnych przepływów doboru wielkości aparatów procesowych gdy określenie składu oraz bilansowanie poszczególnych składników jest niemożliwe z powodu braku wystarczających danych
Typy bilansów masowych 2. Bilans składnikowy pełny Polega na określeniu wielkości strumieni masowych oraz podaniu ich składu i bilansowaniu poszczególnych składników Opracowywany dla dobrze zbadanych procesów, dla Opracowywany dla dobrze zbadanych procesów, dla wielkotonażowych instalacji przemysłowych tj. rafinerie ropy naftowej, gdzie składy poszczególnych strumieni mają zasadnicze znaczenie dla procesu technologicznego, jak i dla ekonomiki.
Typy bilansów masowych 3. Bilans składnikowy cząstkowy Gdy dysponujemy wynikami analiz niektórych składników głównych strumieni, wówczas obok bilansu strumieniowego można sporządzić bilans jednego lub kilku składników szczególnie istotnych dla danego procesu.
Dogodną formą przedstawiania bilansu są wykresy strumieniowe (wykresy Sankeya)
Bilans materiałowy dla procesu wytwarzania fosforu z rudy apatytowej w piecu elektrycznym. Przychód [kg] Rozchód [kg] Ruda apatytowa 10250 Fosfor 1000 Piasek 2370 Żelazofosfor 282 Koks 1330 CO 3668 Szklanka 9000 Bilans materiałow y 13950 13950
L.p. Materiał Jednostka Przychód Rozchód 1 Ług pofiltracyjny kg 6414,3-2 Mleko wapienne 2808-3 Skropliny w kalcynacji 4 Woda amoniakalna 674,6-4 - 5 Para 1880-6 Gaz obojętny 10-7 Ciecz odpadkowa - 9419,9 8 Ciecz podestylacyjna - 1563 9 Gaz do adsorpcji - 808 Suma: 11790,9 Suma: 11790,9
Bilans masowy We wszystkich jednostkach procesowych bez względu na ich złożoność obowiązują m.in.: zasada zachowania masy (z wyjątkiem reakcji jądrowych), zasada zachowania atomów (w reakcjach chemicznych), zasada zachowania energii.
Podstawą do sporządzania każdego bilansu jest prawo zachowania masy, które mówi, że masa surowców wprowadzona do procesu technologicznego musi być równa masie substancji otrzymanych w wyniku dokonanych przemian: G isur = G iprod Uwzględniając udziały masowe poszczególnych składników otrzymuje się następujące zależności: dla procesów jednostkowych (n i M i ) sub = (n i M i ) prod dla operacji jednostkowych (w i G i ) sub = (w i G i ) prod
Prawo zachowania masy przy bilansowaniu materiałowym jednostki procesowej można sformułować następująco: [masowe natężenie przepływu strumieni dopływających] - [masowe natężenie przepływu strumieni odpływających] = [szybkość akumulacji wewnątrz aparatu]
Proces ciągły przebiegający tak, że człon odpowiadający akumulacji jest równy zeru lub tak mały, że można go pominąć, nazywa się procesem przebiegającym w stanie ustalonym. Dla takiego procesu bilans materiałowy sprowadza się do prostszej postaci: [masowe natężenie przepływu strumieni dopływających] = [masowe natężenie przepływu strumieni odpływających]
Dla dowolnej operacji jednostkowej można ułożyć dwa podstawowe równania: G 1 + G 2 = G 3 + G 4 w 1 G 1 + w 2 G 2 = w 3 G 3 + w 4 G 4 które pozwalają na wyliczenie dwu poszukiwanych niewiadomych.
Postępowania (10 przykazań bilansu materiałowego), które sformułował Himmelblau: 1. Narysować schemat procesu, określić obszar bilansowania. 2. Zaznaczyć strumienie (natężenie przepływu) i ich skład. 3. Nanieść wartości znane. 4. Nanieść lub wyszczególnić wartości nieznane. 5. Określić liczbę niezależnych równań bilansowych sprawdzić, czy układ tych równań można rozwiązać. Jeżeli nie, znaleźć dodatkowe dane lub założyć ich wartości. 6. Wybrać układ odniesienia (jednostek). 7. Ułożyć układ równań bilansowych do rozwiązania. 8. Wybrać sposób rozwiązania układu równań. 9. Rozwiązać układ równań. 10. Sprawdzić poprawność rozwiązania.
Zadanie 1 Z wykresu odczytano, że destylat składa się z acetonu i benzenu, którego ułamek molowy x 1 =0,25. Wyrazić to stężenie w ułamkach masowych i procentach masowych. Obliczyć ile kilogramów poszczególnych składników znajduje się w 1000 kg mieszaniny.
Zadanie 2 Pilotową kolumnę destylacyjną zastosowano do odzyskania rozpuszczalnika z roztworu wodnego zawierającego 2% molowych tego rozpuszczalnika. Molowe natężenie przepływu roztworu wynosi 20 kmol/h. Destylat zawiera 80% molowych rozpuszczalnika, a ciecz wyczerpana 0,08% molowych. Obliczyć natężenie przepływu wszystkich składników (strumienie) i ich skład.
Zadanie 3 Roztwór wodny acetonu zawierający 10% wagowych acetonu podaje się do kolumny destylacyjnej w ilości 1000 kg/h w celu wydzielenia technicznego acetonu w postaci destylatu o zawartości 99% produktu. Warunki pracy kolumny są tak dobrane, aby zawartość acetonu w cieczy wyczerpanej wynosiła nie więcej niż 100 ppm (0,01% wag.). Sporządzić bilans materiałowy pracy kolumny.
Odpowiedź X destylat Y ciecz wyczerpana X= 0,48 kmol/h Y=19,52 kmol/h
Zadanie 4 Surowce stanowiące mieszaninę węglowodorów rozdziela się na dwie frakcje przez destylacje. Skład tego surowca jest następujący (w % molowych): propan - 20%, izobutan - 30%, izopentan - 20%, pozostałość stanowi zaś n-pentan. Do destylatu przechodzi w całości propan i 80% izopentanu zawartego w surowcu, a ponadto destylat zawiera 40% izobutanu. W cieczy wyczerpanej odbiera się w całości n-pentan. Przedstawić bilans pracy kolumny (strumienie i składy) dla strumienia zasilającego 2000 mol/h.
Zadanie 5 praca domowa Jakie powinno być masowe natężenie przepływu wody przez skruber do absorpcji ditlenku siarki, jeżeli we wprowadzanym do niego powietrzu znajduje się 12% objętościowych SO 2. Gaz po absorpcji może zawierać 0,02% obj. SO 2. Woda wypływająca z absorbera powinna zawierać 10g SO 2 na 100g H 2 O. Przez skruber przepływa 7000 m 3 /h powietrza z SO 2.