+ - = (….)
Материальный баланс составляют на единицу или массу выпущенной продукции (шт, т), на единицу массы или объема (кг, м3), в единицу времени (час, сутки, год).
При составлении материального баланса для любого технического объекта учитывают состав перерабатываемого сырья, готового продукта, избыток одного (или нескольких) компонентов, определяемый условиями реакции в реальных условиях, степень превращения сырья и и возможные потери.
По данным материального баланса можно найти:
- расход материалов при заданной мощности технологического аппарата (линии, цеха, предприятия);
- выход продукта и объем реакционной зоны аппарата;
- число аппаратов и производственные потери;
- количество отходов, переходящие в окружающую среду.
Материальный баланс – основа для расчета теплового баланса, который позволяет определить потребность в топливе, величину теплообменных поверхностей, расход теплоносителя.
Пример 1 Определить расход воздуха для осуществления процесса горения 1 кг топлива, содержащего С/100 углерода, S/100 серы, Н/100 водорода (в % масс.).
Решение. Расход кислорода определяется из стехиометрических уравнений горения
Для углерода:
12,01 кг С + 32 О2 → 44,01 кг СО2
1 кг С + 1,8 м3 О2 → 1,8 м3 СО2
Для водорода:
4,032 кг Н2 + 32 О2 → 36,032 кг Н2О
1 кг Н2 + 5,55 м3 О2 → 11,1 м3 Н2О
Для серы:
32,06 кг S + 32 О2 → 64,06 кг SО2
1 кг S + 0,7 м3 О2 → 1,8 м3 SО2
Объем кислорода (м3), необходимый для полного сгорания 1 кг топлива составляет:
VO2 (C) =1,86 ∙ С/100; VO2 (S) =0,7 ∙ S/100; VO2 (H) =5,6∙H/100
или
VO2 =1,86 ∙ С/100 + 0,7 ∙ S/100 + 5,6∙H/100
Содержание кислорода в воздухе 21%, значит, теоретически необходимый объем воздуха
V0 O2 = VO2/0,21
Практическая потребность в воздухе несколько больше, что связано с соcтавом топлива, конструкцией топочного устройства и горелки, и определяется с учетом коэффициента избытка воздуха α:
V = α ∙V0o = α ∙VO2/0,21
Пример 2 Водооборотная охлаждающая система (ВОС) мощностью W оборудована вентиляторными градирнями и имеет следующие характеристики:
- потери на испарение Wи = 0,017W;
- потери на брызгоунос на градирнях Wб = 0,005W.
Требования к качеству оборотной воды:
- содержание взвешенных веществ Свзв ≤ 50 г/м3;
- содержание катионов (Са2+ + Мg2+) Cкат ≤ 3,5 г-экв/м3;
- содержание коррозионно-активных анионов (Cl- + SO42-)
Cан ≤ 500 г/м3.
Продувочный сток ВОС мощностью Wп = 0,009W поступает на локальные очистные сооружения в смеситель. Подпитка ВОС осуществляется через этот же смеситель в добавочном количестве Wд, что обеспечивает условие W = соnst. При необходимости осуществляется очистка смеси добавочной воды и продувочного стока на локальных очистных сооружениях. Потери воды при очистке ∆W составляют αWп, где α – в долях единицы.
Решение
Представим последовательность подготовки и использования воды в ВОС в виде схемы
Wб = 0,005W Wд = αWп + Wб Wи = 0,017W
 |
нет
 |
нет
 |
Деанионирование
 |
Рис. Схема потоков воды в водооборотной охлаждающей системе, работающей в бессточном режиме.
Пример 3 На основе анализа уравнения материального баланса некоторого производства составить схему и аналитическое выражение для определения массы загрязняющих веществ – газопылевых (Г), жидких (Ж) и твердых (Т) отходов производства, поступающих в окружающую среду.
Обозначим:
- количество сырьевых и вспомогательных материальных ресурсов, вводимых в технологический процесс, Мс и Мвсп соответственно;
- количество вещества перешедшего в готовую продукцию Мп;
- суммарное количество образовавшихся отходов Мотх.
Решение
Составим схему материальных потоков в производстве (не вскрывая его структуры – принцип черного ящика), включая очистные сооружения, сбор и сортировку твердых отходов, потоки в окружающую среду.
Всего образовалось отходов Мо, в том числе газопылевых Мог, жидких (сточных вод) Мож, твердых Мот.
ПРОИЗВОДСТВО
Мс Мп
Мвсп
Мо
|
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ
ВМР ВЭР
Мнеорг
М2г
М2ж
М2т
М орг
Мт111(1) Мг111(1) Мж111(1)
М12г без очистки с очисткой
М12ж
|
М112г
|
М 112ж
|
М112т
 |
Мт111(2)
Мг 111(2)
Мж111(2)
Рис. Схема материальных потоков производства с очисткой газопылевых выбросов и сточных вод, сбором и сортировкой твердых отходов.
Отходы поступают в окружающую среду через:
- организованные источники Морг;
- неорганизованные источники потерь вещества, участвующего в технологическом процессе
М неорг ={М2г, М2ж, М2т}
Организованные отходы частично подаются на очистные сооружения
(М11г, М11ж) или на сбор и сортировку (М11т). Часть организованных отходов отводиться в окружающую среду без очистки(М12г, М12ж). Уловленные на очистных (или сортировочных) сооружениях отходы:
М ул ={М111г, М111ж, М111т}
Неуловленные на очистных сооружениях отходы:
М неул ={М112г, М112ж, М112т}
Уловленные отходы, утилизируемые в качестве вторичных материальных и энергетических ресурсов (ВМР, ВЭР):
М ут ={М111(1)г, М111(1)ж, М111(1)т}
Уловленные, но неутилизированные отходы, вывозимые на свалки, полигоны:
М неут ={М111(2)г, М111(2)ж, М111(2)т}
Таким образом, загрязнение окружающей среды складывается из:
- загрязнения атмосферы газопылевыми выбросами:
Мо(А) = М2г + М12г + М112г + М111(2)г
- загрязнение поверхностных вод стоками:
Мо(П) = М2ж + М12ж + М112ж + М111(2)ж
- загрязнение литосферы твердыми отходами:
Мо(Л) = М2т + М12т + М112т+ М111(2)т
Суммарное загрязнение окружающей среды при наличии ί-веществ, поступающих из j-источников:
Моос = ∑Мо(А) + ∑ Мо(П) + ∑Мо(Л) + ∑М111(2)т
Энергетический баланс
Энергетический баланс любого технического объекта (аппарата, установки, технологической линии, производства), так же, как и экологической системы, может быть описан комплексом уравнений, описывающих приход и расход энергии. Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна:
∑Епр - ∑Ерасх = 0 ( )
Наиболее часто для технических, геотехнических и экологических систем составляется тепловой баланс, который для непрерывных процессов рассчитывается на единицу времени, а для периодических – на время цикла, процесса. Основной для расчета служит материальный баланс с учетом тепловых эффектов экзотермических и эндотермических химических реакций, а также физических процессов испарения, конденсации, сублимации, растворения и др.
Подобно материальному балансу, тепловой баланс может быть представлен в виде таблиц, диаграмм в соответствии с уравнением:
Q′т + Q′ж + Q′г + Q′ф + Q′р + Q′п = Q″т + Q″ж + Qг″ + Q″ф + Q″р + Q″п, ( )
где Q′т, Q′ж, Q′г - количество теплоты, вносимое в систему твердыми, жидкими, газообразными компонентами; Q″т, Q″ж, Q″г – количество теплоты, выносимое ими же из системы; Q″т, Q″ж, Qг″ - количество теплоты, выносимое ими же из системы; Q′ф – теплота физических процессов, протекающих с выделением (Q″ф – с поглощением) тепла; Q′р - количество теплоты, выделяющееся в экзотермических процессах; Q″р – количество теплоты, поглощаемое в эндотермических реакциях; Q′п – количество теплоты, подводимое к системе; Q″п – количество теплоты, отводимое от системы.
Величины Qт, Qж, Qг рассчитываются для каждого вещества с учетом его количества (G), удельной теплоемкости с (Дж/кмоль∙К) и температуры t (K):
Q = G∙c∙t ( )
Теплоемкость смеси веществ (ссм) рассчитывается по закону аддитивности:
( )
Суммарная теплота физических процессов (Qф) может быть определена по уравнению:
( )
где r1, r2, …..ri - теплота фазовых переходов.
Тепловой эффект химической реакции можно определить как сумму изобарных теплот образования продуктов реакции:
( )
Подвод теплоты к системе Q′п можно учесть по по утере количества тепла теплоносителем:
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
