Технологиялық процестердің материалдық және жылулық баланстары

Материалдық баланс дайын өнім бірлігіне шикізат пен энергияның шығынын бағалауға мүмкіндік береді және технологиялық есептеулер мен өнімді өзіндік бағалаудың негізі болып табылады.

Материалдық балансты зат массасының сақталу заңы, ал энергетикалық балансты – энергияның сақталу заңы негізінде, процесте жүретін реакцияның негізгі теңдеуімен, өндірістік және эксперименталдық деректерді – шикізаттың айналыс дәрежесін, талғампаздылығын, өткізілген және айналған шикізатқа шыққан шығымды, шикізат пен дайын өнімге шыққан шығыс коэффициенттерін, пайдаланып құрастырады.

Бір немесе бірнеше өнімдердің циркуляциясымен және рециклдың бір бөлігінің жүйеден шығарылуымен жүретін процестердің баланстарын құруға аса назар аудару қажет. Бұл жағдайда процестің технологиялық сызбасы негізінде алдын-ала материалдық ағындардың диаграммасын құру

ыңғайлы.

Есептеуді рециркуляция коэффициентін ескеріп жүргізуге болады:

κ_p = 1 / (1 - α)

мұндағы α - процеске қайтарылатын, айналысқа түспеген шикізаттың бөлшегі.

Периодты және үздіксіз процестердің материалдық баланстарын құрастыруда белгі бір айырмашылықтар бар. Периодты процестерді есептегенде алғашқыда бір операцияның уақыт балансы, одан кейінгі стадияларды (толтыру, жылыту, реакция және т.б.) ескере отырып, анықталады.

Сондай-ақ, жылу алмасумен жүретін процестер үшін, тікелей аппараттағы жылу тасымалдағыштың мөлшері аппараттың материалдық және жылулық баланстарын қатар шешу жолымен есептелетіндігіне назар аударуға кепілдеме беріледі.

Практикалық материалдық баланс бастапқы шикізаттың және дайын өнімнің құрамын, шикізаттың бір компонентінің мөлшерінің артықтығын, реагенттердің айналыс дәрежесін, шикізат пен дайын өнімнің шығынын және т.б. есепке алады.

Мұндай балансты құруға қажетті бастапқы деректер келесілер болып табылады:

- өндіріс стадияларының түрін және тізбегін (ретін) көрсететін, технологиялық сызба;

- берілген өнім немесе өнімдер спектрі бойынша жылдық өнімділік;

- өндірістің әрбір технологиялық стадиясына компоненттерді енгізудің өндірістік рецептурасы;

- өндірістің әрбір технологиялық стадиясындағы шикізаттың және дайын өнімнің шығыны.

Бұл мәндердің барлығы ғылыми-зерттеу жетістіктері, теориялық материалдық балансты есептеу немесе өндірістік тәжірибеде ұқсас өндірістерді зерттеу кезінде алынған нәтижелермен анықталады.

Периодты процестердің материалдық баланстары талаптардың сипаттамасына байланысты үш вариантта құрастырылуы мүмкін:

- заттың тәулік өнімділігі бойынша;

- дайын өнімнің бірлік массасына (көбінесе 1 т.) байланысты;

- бір жұмыс циклында алынған дайын өнімнің мөлшеріне байланысты.

Бұл жағдайда тәуліктік материалдық баланс ең ыңғайлы.

Үздіксіз процестердің материалдық баланстары уақыт бірлігіндегі өндірісті ескеріп құрастырылады (т/жылына, т/тәулігіне, т/сағ., кг/сағ., кг/мин., кг/с және т.б.).

Барлық жағдайда да баланс екі негізгі бөлікке бөлінеді – бұл жалпы және операциондың (стадиялық) материалдық баланс.

Жалпы баланста материалдық есептеулер барлық шикізат түрлерінің шығындарын анықтауға байланысты. Көбінесе мұндай есептеулер процестің барлық компоненттерінің шығыс коэффициенттерін дайын өнімнің масса бірлігінде (мысалы 1 т.) анықтаумен және қолданыстағы ұқсас өндірістің шығыс коэффициенттерімен салыстырумен аяқталады.

Стадиялық материалдық баланс әрбір стадияға кесте түрінде, жалпы материалдық баланстың есептеу нәтижелері бойынша құрастырылады.

Практикалық процестің жылулық балансы жалпы жағдайда жәй теңдеумен анықталады:

Σ Q_пр = Σ Q_расх + Σ Q_пот

мұндағы Q_пр – аппаратқа реагенттермен, аппараттың материалымен (периодтық процестер үшін) кіретін физикалық жылу, фазалық айналымдардың жылуы, реакция жылуы және т.б.;

Q_расх – аппараттан реакция өнімдерімен шығарылатын физикалық жылу;

Q_пот – қоршаған ортағы жоғалатын жылу.

Егер аппараттың өлшемдері белгісіз болса, қоршаған ортағы жоғалатын жылудың дәл мөлшерін анықтау мүмкін емес. Бұл жағдайда Q_пот мәнін аппаратқа кіретін немесе шығатын жалпы жылудың максималды мөлшерінің 3-5% тең деп қабылдайды.

Егер аппараттың геометриялық өлшемдері белгілі болса, онда жоғалған жылуды жылуберу теңдеуімен анықтауға болады:

Q = F α _н ∆ t; ∆ t = t _п - t _о

мұндағы Q – жоғалған жылу ағыны, Вт;

F – жылуалмасу аппаратының сыртқы беті, м²;

α _н – жылуберудің сыртқы коэффициенті, Вт/ (м² * К);

t _п – аппараттың сыртқы бетінің температурасы, ⁰С;

t _о – қоршаған ортаның температурасы, ⁰С.

Аппараттың сыртқы бетінің температурасы санитарлы жағдайлардан (<50⁰С) анықталады, немесе аппараттың жұмыс жағдайларымен беріледі.

Қоршаған ортаның температурасы берілген аймақта немесе ауданда (егер құрал-жабдық ашық ауада орналасқан болса) минималды таңдалады.

Жылуберудің сыртқы коэффициенті екі құраушымен есептеледі:

α _н = α _к + α _л

мұндағы α _к – конвекцияның жылуберу коэффициенті;

α _н – сәуле шығарудың жылуберу коэффициенті.