Параграф 3. Определение потребного количества сырья и энергоресурсов.

Любая технологическая установка или аппарат с точки зрения термодинамики представляет собой термодинамическую систему.

Термодинамическая система ‒ это совокупность материальных тел, ограниченных контрольной балансовой поверхностью, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с внешними телами, не входящими в систему ‒ окружающей средой.

Контрольная балансовая поверхность является мысленной поверхностью, отделяющей рассматриваемую термодинамическую систему от окружающей среды. В зависимости от цели анализа этой поверхностью считают весь объект или только его часть. Необходимо также, чтобы эта поверхность не изменялась во время анализа.

В зависимости от характера взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой выделяют следующие виды термодинамических систем:

‒ открытые (происходит обмен энергией и веществом);

‒ закрытые (происходит только обмен механической и тепловой энергией);

‒ изолированные (всякий обмен отсутствует).

Для определения потребного количества сырья технологической установки или аппарата используют материальный баланс. Рассмотрим некую обобщенную реальную систему (рисунок 3.1).

1 ‒ анализируемый объект; 2, 3 ‒ соответственно источники и приемники

потоков вещества (М), тепловых потоков (Q) и работы (L)

Рисунок 3.1 ‒ Схема материальных и энергетических потоков

в реальной системе

Материальный баланс этой системы имеет вид

, (3.1)

где и ‒ суммарные материальные потоки, входящие в объект и выходящие из него; ‒ поток вещества, поступающий из окружающей среды; ‒ изменение массы вещества в объекте.

Для стационарного процесса . Если объединить поток массы из окружающей среды (он может быть равен и нулю) с остальными потоками, то материальный баланс примет вид

. (3.2)

Для процесса, в котором происходит химическое превращение, материальный баланс записывается в виде стехиометрического уравнения.

В технологической линии встречаются различные потоки: последовательные, смешения, разделения, параллельные, возвратные, байпасные.

Процессы разделения представляют наиболее обширную группу. Для них (рисунок 3.2) всегда выполняется соотношение

, (3.3)

где х ‒ мольная доля вещества.

Рисунок 3.2 ‒ Расчетная схема процесса разделения

Будем считать, что поток номер 1 поступает на дальнейшую переработку, а поток 2 – на переработку отходов и рекуперацию сырья. Эффективность аппарата разделения может быть оценена с помощью коэффициента разделения и будет равна

. (3.4)

Коэффициент разделения всегда меньше единицы. Он может характеризоваться как некоторый коэффициент полезного действия процесса и оборудования, характеризующий степень использования сырья. Коэффициент эффективности использования материальных ресурсов для оборудования, через которые материальные потоки проходят транзитом (теплообменники и другие), можно принять равным единице. Это оборудование, в котором поток перерабатываемых веществ поступает через один патрубок и выводится только через один патрубок.

В таблице 3.1 приводятся средние статистические значения коэффициентов полезного действия для различных процессов разделения химической технологии.

Таблица 3.1 ‒ Значения коэффициентов эффективности использования сырья для ряда процессов разделения химической технологии

Процесс	Значение коэффициента
Отстаивание (гравитационное)	0,95÷0,98
Отстаивание (центробежное)	0,98
Фильтрование (центробежное)	0,9÷0,98
Сушка	0,9÷0,99
Ректификация, перегонка	0,85÷0,95
Абсорбция
Размол, дробление, классификация	0,99
Упаковка, фасовка	0,995

Основой расчета потребного количества энергоресурсов являются уравнения теплового баланса по каждой стадии технологической схемы (рисунок 3.1).

Тепловой баланс имеет вид

, (3.5)

где Q¹ и Q¹¹ ‒ потоки тепла, входящие в объект и выходящие из него; L¹ и L¹¹ ‒ работа, подводимая к объекту и получаемая от него; Q₀ ‒ тепло, отдаваемое в окружающую среду или получаемое от нее.

Если объект обменивается с другими объектами энергией только в форме тепла, то соответствующий тепловой баланс имеет вид

. (3.6)

Приведенные уравнения позволяют определить минимально необходимое количество тепловой энергии, требуемого для реализации технологии. По этим уравнениям рассчитывают количество энергии, которое необходимо передать перерабатываемым веществам или отвести от них, при выполнении соответствующей тепловой операции.

Тепловые потери, которые сопровождают любой процесс передачи тепла, обычно регламентируются в пределах 3÷5% от полезного количества тепла, необходимого для реализации процесса.