Научные основы физико-химических процессов переработки природных энергоносителей и получения углеродных материалов

13. Научные основы физико-химических процессов переработки природных энергоносителей и получения углеродных материалов: стехиометрия, материальные балансы процессов.

Материальные балансы составляются на основании стехиометрии, которая  включает правила составления химических формул и уравнений, различных формул и уравнений, опытных данных (лабораторных и пилотных) по исследованию процесса, литературных данных и опыту работы действующих установок (предприятий).

При составлении материальных балансов процессов исходят из закона сохранении массы. На основании этого закона составляется материальный баланс процесса. Материальный баланс лежит в основе любого технологического расчета, кроме того он является инструментом контроля производства. Умение составлять материальные балансы необходимо как инженеру проектировщику, так и инженеру-производственнику. На основании материального баланса определяется целый ряд важнейших технико-экономических показателей и характеристик технологии. По данным материального баланса определяют объем поставок сырья и вспомогательных материалов для обеспечения заданной мощности предприятия, рассчитывается тепловой баланс для определения потребности предприятия в тепле, топливе, хладагентах величину теплообменных поверхностей, экономические балансы предприятия, выраженные в денежных единицах, себестоимость продукции, рентабельность производства. На основе материального баланса процесса рассчитываются основные показатели (критерии эффективности): степень превращения сырья, селективность, выходы продуктов. Рассчитываются рабочие размеры аппаратов и оборудовании, число реакторов, размеры вспомогательного оборудования, производственные потери.

Степень превращения (конверсия, глубина превращения) характеризует полноту использования сырья по всем направлениям. Степень конверсии сырья определяется отношением количества превращенного сырья к количеству сырья, поданного на установку. Она выражается в долях или процентах.

Селективность превращения сырья (избирательность) характеризует направление сырья и является важнейшим показателем сложных химических процессов, в которых наряду с основной реакцией образования целевого продукта протекают побочные (параллельные или последовательные) реакции с образованием нежелательных или менее ценных продуктов. Различают интегральную и дифференциальную селективность.

Интегральная (суммарная) селективность определяется как отношение количества исходного сырья, превратившегося в целевой продукт, к общему количеству прореагировавшего исходного реагента.

В отдельных случаях, когда сырье представляет собой сложную смесь (например, газойль, в процессе каталитического крекинга), селективность рассчитывают как отношение количества целевого продукта к сумме всех полученных продуктов.

Дифференциальная (мгновенная) селективность измеряется отношением скорости образования целевого продукта к скорости потребления исходного реагента на образование всех продуктов реакции.

Рекомендуемые материалы

Выход продукта – характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения получения продукта реакции и процесса. Это далеко неоднозначное понятие. Иногда под выходом понимают абсолютное количество полученного продукта (в киограммах, моль или кмоль) но чаще всего его выражают в долях единицы или процентах от сырья. Кроме того, выход применяют для характеристики систем разного масштаба: только реакционного аппарата (химический выход), какого-либо узла производства или технологической схемы в целом, когда учитывают не только расход сырья на химические реакции, но и различные потери.(технологический выход).В химической тепхнологии чаще применяют понятие химический выход.

Химический выход продукта – это отношение фактически полученного продукта к его теоретическому (максимально возможному) количеству, рассчитанному по стехиометрическому уравнению основной реакции.

Для простых необратимых реакций максимально возможный выход на пропущенное сырье равен единице, т.е. все пропущенное сырье, может быть превращено в целевой продукт. Для обратимых реакций, в которых исходное сырье превращается в продукт не полностью, вводят понятие равновесного выхода.

Равновесная степень превращения сырья является функцией константы равновесия и зависит от условий процесса, от температуры, давления, разбавления сырья инертным газом, соотношения компонентов сырья.  Значения равновесной степени превращения сырья для многих промышленных химико-технологических процессов можно найти в литературе. 

Производительность – характеризует эффективность работы отдельных аппаратов, цехов или завод в целом. Она представляет собой количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времен.

Производительность измеряется в килограммах в час, тоннах в сутки, тоннах и тысячах тонн в год, кубических метрах в сутки и т.д.

Максимально возможная для данного агрегата производительность (проектная) называется мощностью.

Интенсивность служит для сравнения эффективности работы аппаратов различного устройства и размеров, в которых протекает одни и те же химико-технологические процессы. Интенсивность – это производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, - его объему, диаметру или лощади поперечного сечения. 

Интенсивность может измеряться количеством продукта, полученного в течение единицы времени с единицы объема аппарата или единицы сечения аппарата.

При проектировании промышленного процесса интенсивность задается в проектном задании по аналогии с действующими производствами. Для новых процессов интенсивность определяется расчетным путем из экспериментального баланса, составленного по результатам работы опытно-промышленной установки, математического моделирования или лабораторным данным.

При анализе работы каталитических реакторов прирнято относить производительность аппарата в целом к единице объема или массы катализатора, загруженного в реактор.

Материальный баланс – это вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступающих во взаимодействие, равна массе веществ, образовавшихся в результате этого взаимодействия.

Применительно к расчету материального баланса какого-либо производства этот закон принимает следующую формулировку: масса исходного сырья процесса должна быть равна массе его конечных продуктов. Для периодических процессов материальный баланс составляется в расчете на одну операцию, для непрерывных процессов – за единицу времени.

Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарно реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, или только для одного какого-либо вещества. Обычно учитываются не все протекающие реакции и получаемые побочные продукты, а лишь те которые имеют существенное значение.

Кроме сырья, основных и побочных продуктов баланс учитывает примеси, поступающие с сырьем. При составлении баланса переработки обводненной нефти, баланс составляется только на обезвоженную нефть: вода не учитывается.

Баланс состоит из “прихода” – общей массы веществ, поступающих на производство(в аппарат, цех) и “расхода”- общей массы материалов, выходящих из производства (аппарата, цеха). Материальный баланс сводится в массовых единицах в таблице. Если приходная и расходная части материального баланса выражается в мольных или для газов в объемных единицах, то должно быть учтено изменение числа молей в процессе.

Числа, показывающие количества молекул участвующих и получающихся в реакции веществ называются стехиометрическими коэффициентами, а отношения этих чисел называются стехиометрическими.

Кроме абсолютных количеств в балансе отражаются относительные количества компонентов  сырья или продуктов – проценты.

Лекция "Основы гидростатики" также может быть Вам полезна.

Материальные балансы  экспериментальные, литературные и расчетные.

Экспериментальный материальный баланс рассчитывается по результатам работы действующей промышленной или лабораторной установки в следующих случаях: 1. При обследовании действующих промышленной установки; 2; периодически с целью контроля работы промышленной установки; 3. при разработке нового процесса на лабораторной установке НИИ или учебного института; 4; при разработке нового процесса на опытно-промышленной установке опытной базы НИИ или промышленного предприятия; 5. При проведении лабораторного практикума в учебном институте. Для составления такого материального баланса необходимо знать количества и составы всех сырьевых и продуктовых потоков (жидких, газообразных, твердых). При определении количества газового потока очень важно фиксировать параметры температуру, давление), при которых производят замеры.

При составлении баланса, если расхождения в сумме составляет 2 -3 %, считаются приемлемыми. Если баланс превышает 5%, то надо искать причины расхождения: потери, потери продуктов и газа, чистота сырья и продуктов, показания приборов и др.

Экспериментальный баланс составляется для отдельного аппарата, для установки, цеха, предприятия. Баланс обычно сводится за определенный отрезок времени (повременный баланс). Иногда баланс составляется на массовую единицу сырья или готового продукта.

Расчетный материальный баланс составляется по данным проектного задания в процессе реального или учебного проектирования: 1. При проектировании нового производства; 2. При выполнении курсового, дипломного проекта в учебном процессе; 3.при выполнении расчетного задания при изучении того или иного курса.

Расчетные балансы составляют на основании литературных данных, по разным формулам и уравнениям, представленным в методических указаниях.