Общие принципы расчета процессов и аппаратов

При разработке и анализе химико-технологических процессов производятся разнообразные расчеты, в которых комплексно решаются вопросы гидродинамики, тепло- и массопереноса, химической кинетики. Виды расчетов:

1. Расчет и анализ статики (равновесия) обратимых процессов. На основе его определяются направление протекания процесса и возможные (равновесные) пределы его осуществления.

Находится движущая сила процесса как мера отклонения системы от состояния равновесия, определяются начальные и конечные параметры процесса.

2. Расчет материального баланса.

По закону сохранения массы:

Σ В _нач =  Σ В _расх + В _потерь.

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для его отдельных стадий; для непрерывных процессов à на единицу времени, для периодических à на одну операцию.

На основе материального баланса определяют расходные коэффициенты по сырью. Данные расчета представляются в виде таблицы.

3. Расчет энергетического (теплового баланса).

Химико-технологические процессы связаны с затратой различных видов энергии – тепловой, электрической, механической. Обычно составляют тепловой баланс.

По закону сохранения энергии:

Σ Q_прих = Σ Q _расх + Σ Q _пот.

Можно представить:

Σ Q _прих = Q₁ + Q₂ + Q_3,

где: Q₁ – физическое тепло исходных веществ, Q₂ – тепло экзотермических реакций и физико-химических превращений, протекающих с выделением тепла, Q₃ – тепло, подводимое теплоносителем

Σ Q_расх = Q₄ + Q₅ + Q₆

где: Q₄ – физическое тепло уходящих веществ, Q₅ – тепло эндотермических реакций и физико-химических превращений, протекающих с поглощением тепла, Q₆ – тепло, отводимое теплоносителем.

На основе теплового баланса обычно находят требуемые расходы пара, воды и других теплоносителей.

Расчет теплового баланса более сложный, так как необходимо учитывать изменение теплоемкости в зависимости от температуры, тепловые эффекты физических и химических превращений.

Данные баланса так же представляют в виде таблицы.

 

4. Расчет основных размеров аппарата.

    Это наиболее сложная и важная часть инженерных расчетов.

Расчет производится на основе кинетики процесса, исходя из кинетических уравнений: необходимо рассчитывать коэффициент скорости процесса К (коэффициент теплопередачи, массопередачи, константу скорости реакции).

Далее, определяется основной размер аппарата:

а) площадь поперечного сечения (для гидромеханических аппаратов),

б) площадь поверхности теплообмена (для теплообменных аппаратов),

 в) площадь поверхности фазового контакта (для массообменных процессов),

г) рабочий объем (для реакторов)

V = M / K₄f( c)

 

4. Гидравлические расчеты.

Они проводятся для определения сопротивления, оказываемого аппаратом движению среды и выбора побудителя тяги (насоса, компрессора, вентилятора и др.).

5. Механические (прочностные расчеты).

6. Оптимизация процессов

Это выбор наилучших (оптимальных) условий их проведения.

Особенность инженерных задач состоит в том, что они допускают множество решений, т.е. в математическом отношении они неопределимы: чисто неизвестных оказывается больше числа уравнений связи между ними.

Поэтому инженерные расчеты проводятся, в основном, методом последовательных приближений. Задача инженера – из множества возможных решений (правильных!!!) выбрать оптимальное, то есть обеспечивающее наивыгоднейшее значение параметра, по которому проводится оптимизация.

Крайне важен выбор параметра оптимизации à наибольший выход и т.д. Оптимум возникает, когда возрастание эффективности по одной характеристике вызывает снижение эффективности по другой характеристике. Например, при разделении смесей методом экстракции качество конечного продукта улучшается с увеличением полноты разделения. Однако, при этом процесс удорожается, а производительность уменьшается.

Оптимизация ХТП à самостоятельный раздел теоретических основ химической технологии.

САПР à