Материалдық және жылулық баланс

Зертханалық жұмыс №1

Тақырыбы: Қауіпсіздік техникасы. Материалдық және жылулық баланс

Жұмыстың мақсаты: Сақталу заңдарымен (энергия, масса, қозғалыс саны) танысу. Материалдық және жылулық баланс құру принциптерін меңгеру

Зертханадағы қауіпсіздік техникасы.

Нәтижесінде студент келесі сұрақтарды меңгеру қажет.

1. Материалдық баланс.

2.Термодинамиканың бірінші заңы (энергияның сақталу заңы).

3. Жылулық баланс және қозғалыс саны.

Жұмыстың теориялық негізі

Массаның, энергияның, қозғалыс санының сақталу

Әр бір ғылыми жұмыс белгілі теориялық фундаментке негізделеді, материалды методологиялық және логикалық жеткізуге бағытталған.

Ғылымның теорилық қағидалы негізі туралы түсінік және химиялық технологияның аппараттарында табиғаттың келесі негізгі заңдары қолданылады.

1. Массаның, энергияның, импульстың сақталу заңдары тек қана келесі өзгеріске ұшырайды, масса, энергия, импульс шамасы жүйе ішінде өзгеріссіз қалады (соңғы мән батапқы мәнге тең). Сақталу заңдары келесі теңдеумен жазылады (мысалы, жылулық және материалдық), олардың мәні химиялық-технологиялық процестің тәжірибесінің негізгі бөлігі.

2. Термодинамиканың тепе-теңдік заңы кез келген субстанцияда (масса, энергия, импульс) тасымалданып өз шегіне жетеді. Жүйенің кері ауысу болмайтын күйі тепе-теңдік деп атайды. Тепе-теңдік заңы Генри, Рауль және т.б. заңдарымен сипатталады.Тепе-теңдік заңын білу химиялық-технологиялық процесс кезіндегі сараптаманы талдау кезінде маңызды роль атқарады.

3. Массаның, энергияның және импульс тасымалдаудың заңдары кездесетіні онымен тасымалдаудың потенциалдың градиентпен тәуелділікте болуы субстанциялардан кез келген ауысу ағынның массаға, энергияға немесе импульсқа қатысты анықтап жатыр. Потенциалды тасымалдау кезіндегі массаны тасымалдаушы тығыздық (р) немесе концентрация (С), энергияны тасымалдаушы – энтальпия (срtρ), импульс пен қозғалыс санының тасымалдаушысы сұйықтық көлемі (wρ).

Тасымалдау заңы химиялық – технологиялық процестің қарқындылығын анықтайды және осы процестегі аппараттардың өнімділігін анықтайды.

Аталған заңдар технологиялық процестің гидромеханикалық, жылулық және массаалмасу процестерінің негізін құрайды. Химиялық-технологиялық процестерді қарастырғанда, оған химиялық кинетика заңын қосу қажет.

Процесс және аппараттарды есептеудің жалпы принципі

Процесс және аппараттарды есептеу келесі мақсаттардан тұрады:

- аппараттың негізгі өлшемдерін алу;

- процеске қажетті энергияны есептеу;

- аппарат жұмысына тиімді режимді орнату;

- шектік (тепе-теңдік) күйін анықтау шарты.

Көбіне химиялық-технологиялық процесте барлық заттар қозғалыста болады немесе ағында болады. Ағын кезінде кеңістікте ортада араласады Көбіне инженер-технолог конвективті ағынмен жұмыс жасайды, ол күштің әсерінен қозғалысқа енеді. Егер конвективті ағын бірлік ауданға енсе, онда ол конвективті ағынның тығыздығына тасымалданады.Ағынның тығыздығы векторлық шама, оның бағыты ағының қозғалыс бағытымен бағыттас; ағын тығыздығының өлшемі [q] = [ед. количества/м2•с)].

Кез келген жүйені сипаттау үшін үш ағын жеткілікті: масса (немесе компонент), жылулық(немесе энтальпия) және импульс.

Материалдық және жылулық баланс

Массаның, энергияның, импульстың сақталу заңдары көбінесе бірге қарастырылады. Сондықтан олардың құрылған теңдеулері ұқсас болу қажет. Кез келген процестің есебі материалдық және энергетикалық (жылулық) баланс құрудан басталады.

Материалдық баланс.Химиялық-технологиялық процеске қатысатын заттардан материалдық балансты келесідей ажыратады: 1) жалпы зат бойынша; 2) жеклеп –бір компонент үшін; 3) элементті – химиялық элемент және бос радикал үшін (мысалы, оттек балансы, көміртек, сутек, бензол сақинасы үшін және т.б.).

Көбіне инженерлік есеп екі әдістен тұрады. Кез келгенхимиялық-технологиялық процесті сараптамалық талдау материалдық балансты құрудан басталады. Материалдық баланс қайта өңдеуде қанша зат бар болса, сонша теңдеу болу қажет.

Материалдық баланстың иерархиялық құрылымы келесі түрге бөлінеді: 1) аппарат бөлшектерічасти аппарата; 2) аппараттан ; 3) құрылғыдан; 4) шикізаттан дайын өнім алғанға дейінгі өнімнен; 5) көптеген өнімнен; 6) халықтық тұрмыстық бөлімнен.

Материадық баланс құру кезінде заттың бастапқы Σm_б массасы соңғы Σm_с массаға тең болатынын және жоғалту массасын білу қажет:

(1.1)

(1) теңдеу құрылғыға дайындалған және әр бір аппаратқа. Материалдық баланс ағын бойынша және әрбір затқа құрылады. Мысалы, кептіру кезінде материалдық баланс құрғақ зат және ылғал, жалпы ағын бойынша құрылады.

Энергияның сақталу заңы. Термодинамиканың бірінші заңынан энергияның сақталу заңын құруға болады: ішкі энергия V сырты ортадан үнемі оқшаланған, U = const.

Онда,

(1.2)

(1.2) теңдеуінде жылу мөлшері δQ және жұмыс өнімділігі δА жүйеге негізделген, ал процессі қоршаған ортаға әсер етеді, сондықтан олар толық дифференциал болмайды. Энергияның бір күйден екінші күйге өтуі жаңа ішкі энергиямен сипатталады U, бұл мән өзгеріп отырады.

(1.2) теңдеуінде жылудың сақталу заңын қолдануға болады.

Энергетикалық (жылулық) балансэнергияның сақталу заңына негізделген, процеске жұмсалған энергия мөлшері, процес кезінде бөлінген энергия мөлшеріне тең.Химиялық-технологиялық процестер агрегаттық күйдің өзгеруінен жүйедегі энтальпияның өзгеруіне және жылулық ерудің өзгерісіне негізделген.

Жылулық балансты есептегенде берілетін (бастапқы) жылу мөлшері ΣQн соңғы ΣQ_к и жылу мөлшеріне және жоғалуына ΣQ_n тең:

(1.3)

Бастапқы жылу мөлшері келесідей анықталады:

, (1.4)

мұндағы Q₁ — бастапқы жылу мөлшері; Q₂ ~ қосарлан жылу (бумен, ыссы сумен, электрэнергиясымен); Q₃ — химиялық және физикалық өзгерту кезіндегі жылу.