glowinski_kucharski_skrypt.pdf

Stanisław Kucharski, Józef Głowiński

Podstawy obliczeń projektowych

w technologii chemicznej

Wydanie II poprawione i uzupełnione

OﬁcynaWydawniczaPolitechnikiWrocławskiej

Wrocław 2005

Recenzenci

Jerzy PIOTROWSKI

Jan SZYMANOWSKI

Opracowanie redakcyjne i typograﬁczne

Hanna BASAROWA

Korekta

Alina KACZAK

Projekt okładki

Dariusz GODLEWSKI

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ

Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

ISBN 83-7085-932-1

Drukarnia OﬁcynyWydawniczejPolitechnikiWrocławskiej.Zam.nr1182/2005

Rozdzia� 1

Bilans materia�owy

Podstaw� wszystkich oblicze� w technologii chemicznej jest bilans materia�owy.

Od jego wykonania rozpoczyna si� projektowanie i rachunek ekonomiczny planowa-

nego lub istniej�cego procesu, a tak�e obliczanie dobowych (zmianowych) ilo�ci zu-

�ytych lub wyprodukowanych materia�ów. Chemik technolog dzieli ca�y proces

wytwarzania na operacje, których funkcjonowanie bada si� oddzielnie. Operacjami

jednostkowymi s� np.: przep�yw p�ynów, reakcje chemiczne, absorpcja, destylacja itd.

Operacje jednostkowe przebiegaj� w urz�dzeniach, zwanych jednostkami proceso-

wymi. Typowymi jednostkami procesowymi s�: reaktory, wymienniki ciep�a, urz�-

dzenia rozdzielaj�ce, kolumny destylacyjne itp.

We wszystkich jednostkach procesowych bez wzgl�du na ich z�o�ono�� obowi�-

zuj� m.in.:

� zasada zachowania masy (z wyj�tkiem reakcji j�drowych),

� zasada zachowania atomów (w reakcjach chemicznych),

� zasada zachowania energii.

Stosuje si� je do sporz�dzania bilansów materia�owych i energetycznych wszyst-

kich procesów chemicznych.

Wi�kszo�� procesów chemicznych zalicza si� do okresowych lub ci�g�ych. Proce-

sy okresowe s� bardziej ekonomiczne, gdy produkty wytwarza si� w ma�ej ilo�ci (np.

w przemy�le farmaceutycznym lub kosmetycznym), natomiast w produkcji wielkoto-

na�owej mamy prawie wy��cznie do czynienia z procesami ci�g�ymi.

Prawo zachowania masy przy bilansowaniu materia�owym jednostki procesowej

mo�na sformu�owa� nast�puj�co:

[masowe nat��enie przep�ywu strumieni dop�ywaj�cych]

– [masowe nat��enie przep�ywu strumieni odp�ywaj�cych]

= [szybko�� akumulacji wewn�trz aparatu]

Rozdzia� 1. Bilans materia�owy

Proces ci�g�y przebiegaj�cy tak, �e cz�on odpowiadaj�cy akumulacji jest równy zeru

lub tak ma�y, �e mo�na go pomin��, nazywa si� procesem przebiegaj�cym w stanie

ustalonym. Dla takiego procesu bilans materia�owy sprowadza si� do prostszej postaci:

[masowe nat��enie przep�ywu strumieni dop�ywaj�cych]

= [masowe nat��enie przep�ywu strumieni odp�ywaj�cych]

Nat��enie przep�ywu masy mo�na np. wyra�a� w kg/s lub w kmol/s. W przypadku

reakcji chemicznej wygodniej jest stosowa� t� drug� jednostk� i wtedy mówimy

o molowym nat��eniu przep�ywu strumienia. Termin „nat��enie przep�ywu” bywa

czasem zast�powany okre�leniem „strumie�” i wtedy mówi si� np. o strumieniu mo-

lowym b�d� masowym.

Wi�kszo�� strumieni procesowych zawiera kilka rodzajów zwi�zków chemicznych,

czyli sk�adników. Je�eli w obr�bie uk�adu nie zachodz� reakcje chemiczne, to dla ka�dego

z przep�ywaj�cych sk�adników w stanie ustalonym spe�nione jest równanie:

[nat��enie przep�ywu sk�adnika dop�ywaj�cego]

= [nat��enie przep�ywu sk�adnika odp�ywaj�cego]

Za�o�enie, �e proces przebiega w stanie ustalonym, jest uproszczeniem. Szybko��

akumulacji masy w rzeczywistym procesie mo�e by� ma�a, lecz nigdy nie jest dok�ad-

nie równa zeru. Nat��enia przep�ywu nie s� sta�e, lecz zmieniaj� si� wokó� warto�ci

�rednich. Niemniej jednak koncepcja stanu ustalonego jest wyj�tkowo przydatna do

opisu �redniej szybko�ci produkcji w procesach chemicznych * .

1.1. Analiza bilansu materia�owego

Równanie bilansu materia�owego dla stanu ustalonego, gdy nie przebiegaj� reakcje

chemiczne, wydaje si� do�� proste. Dla procesów o du�ej liczbie strumieni wielo-

sk�adnikowych trudno jednak okre�li� liczb� równa� i liczb� niewiadomych bez prze-

strzegania nast�puj�cych zasad post�powania ( 10 przykaza� bilansu materia�owego ),

które sformu�owa� Himmelblau [20]:

1. Narysowa� schemat procesu, okre�li� obszar bilansowania.

2. Zaznaczy� strumienie (nat��enie przep�ywu) i ich sk�ad.

3. Nanie�� warto�ci znane.

4. Nanie�� lub wyszczególni� warto�ci nieznane.

5. Okre�li� liczb� niezale�nych równa� bilansowych i sprawdzi�, czy uk�ad tych rów-

na� mo�na rozwi�za�. Je�eli nie, znale�� dodatkowe dane lub za�o�y� ich warto�ci.

6. Wybra� uk�ad odniesienia (jednostek).

7. U�o�y� uk�ad równa� bilansowych do rozwi�zania.

_________

* W dalszej cz��ci podr�cznika wszystkie rozwa�ania b�d� dotyczy� procesów w stanie ustalonym.

1.1. Analiza bilansu materia�owego

8. Wybra� sposób rozwi�zania uk�adu równa�.

9. Rozwi�za� uk�ad równa�.

10. Sprawdzi� poprawno�� rozwi�zania.

Komentarza wymaga tutaj p. 6 dotycz�cy wyboru jednostek, zw�aszcza jednostki

czasu. W uk�adzie SI podstawow� jednostk� czasu jest sekunda, ale chemikowi tech-

nologowi trudno by�oby przyj�� sekund� za okres bilansowania procesu chemicznego.

Dla przyk�adu instalacja produkuj�ca 20 000 Mg (ton) specyfiku rocznie nale�y ju�

raczej do instalacji du�ych. Wielko�� tej produkcji przeliczona na godzin� wynosi

2525,4 kg, na sekund� za� – 0,7015 kg produktu g�ównego przy za�o�eniu 330 dni

produkcyjnych roku. Bilansuj�c proces zgodnie z uk�adem SI, b�dziemy operowa�

ma�ymi i bardzo ma�ymi liczbami, nie daj�cymi wyobra�enia o skali produkcji. Poza

tym ma�e liczby b�d� zaokr�glane przez urz�dzenia licz�ce, co mo�e odbi� si� na do-

k�adno�ci oblicze�. W wielu przypadkach lepiej zatem jest stosowa� tradycyjne jed-

nostki nat��enia przep�ywu masy, tzn. kg/h i kmol/h.

Praktyczne zastosowanie algorytmu 10 przykaza� Himmelblau w obliczeniach bi-

lansowych przedstawiono w przyk�adzie 1.1.

Przyk�ad 1.1. Pilotow� kolumn� destylacyjn� zastosowano do odzyskania roz-

puszczalnika z roztworu wodnego zawieraj�cego 2% molowych tego rozpuszczalnika.

Molowe nat��enie przep�ywu roztworu wynosi 20 kmol/h. Destylat zawiera 80% mo-

lowych rozpuszczalnika, a ciecz wyczerpana – 0,08% mol. Obliczy� nat��enie prze-

p�ywu wszystkich sk�adników (strumienie) i ich sk�ad.

Rys. 1.1. Schemat bilansowy procesu do zadania 1.1

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: