Cheminiai procesai, masės balansai ir mastelio didinimas

Proceso balansas prasideda nuo pasirinktos ribos

Cheminis procesas susieja įeinančius srautus, virsmus, atskyrimus ir išeinančius srautus. Prieš skaičiuodami medžiagą nubrėžkite ribą. Vidinė recirkuliacija kerta įrenginio ribą, tačiau gali likti viso proceso ribos viduje.

Nurodykite, ar srauto dydis matuoja bendrąją masę, cheminės dalelės kiekį, ar elemento kiekį. Reakcija gali keisti cheminių dalelių kiekius, o išsamioje jos apskaitoje atitinkami elementai ir bendroji masė išlieka.

Srauto padalijimui ir vidinei recirkuliacijai reikia skirtingų ribų

Imkite originalų hipotetinį nusistovėjusios būsenos dviejų komponentų separatorių. Tiekiamas srautas yra 150 kg h⁻¹, tirpinio masės dalis 0.240. Vienas praskiestas išėjimo srautas yra 80.0 kg h⁻¹, tirpinio dalis 0.100. Cheminė tapatybė, fazių pusiausvyros sąryšis ar separatoriaus technologija nenustatyti. Iš bendrojo masės balanso gaunamas kitas išėjimo srautas 70.0 kg h⁻¹.

Tiekiamo tirpinio srautas yra 36.0 kg h⁻¹, o tirpinio praskiestame išėjime – 8.00 kg h⁻¹, todėl koncentruotame išėjime lieka 28.0 kg h⁻¹ tirpinio. Jo masės dalis yra 28.0/70.0=0.400. Nepriklausomas nešiklio balansas duoda 114 kg h⁻¹ įėjime ir 72.0+42.0=114 kg h⁻¹ išėjime. Bendroji lygtis yra abiejų komponentų lygčių suma; ji neprideda trečio nepriklausomo komponentų apribojimo.

Pakeitus tik praskiesto išėjimo srautą iki 85.0 kg h⁻¹ ir išlaikius jo masės dalį bei tą patį tiekimą, koncentruotas srautas yra 65.0 kg h⁻¹, tirpinio srautas 27.5 kg h⁻¹, o jo dalis 0.423076923. Abiejų komponentų kiekių balansai vis tiek užsidaro. Šie nustatyti masės dalių stebėjimai neįrodo, kad konkretus atskyrimas juos pasiekia.

Atskirame simboliniame nusistovėjusiame virsme A→P tegul kiekvienas objektas išlaiko vieną TrackedUnit. Naujas A srautas yra 37.0 kmol TrackedUnit h⁻¹. Nustatykite vienkartinio pratekėjimo konversiją X=0.300, visišką P atskyrimą ir nesureagavusio A nuopūtimo dalį p=0.100; likusi dalis grįžta į maišytuvą. Priemaišos, papildomi šaltiniai ar tikra molekulinė reakcija neįtraukti.

Maišytuvo rekurentinis sąryšis yra F_reactor=F_fresh+(1−p)(1−X)F_reactor. Taigi F_reactor=37.0/[1−0.900×0.700]=100 kmol TrackedUnit h⁻¹. Pagal šį pagrindą produktas yra 30.0, nesureagavęs A 70.0, nuopūtimas 7.00, o recirkuliacija 63.0. Maišytuvo balansas užsidaro kaip 100=37.0+63.0; viso proceso išorinis balansas – kaip 37.0=30.0+7.00.

Bendroji naujo tiekimo konversija yra product/fresh=30.0/37.0=0.810810811 ir skiriasi nuo vienkartinio pratekėjimo 0.300. Jei nustatytas nuopūtimas tampa 0.200, o nustatyta konversija ta pati, reaktoriaus, produkto, nuopūtimo ir recirkuliacijos srautai tampa 84.0909091/25.2272727/11.7727273/47.0909091 kmol TrackedUnit h⁻¹, o bendroji konversija 0.681818182. Tikroji recirkuliacija gali keisti sudėtį ir greitį; pastovi vienkartinio pratekėjimo konversija yra mokomoji prielaida.

Konversijai, išeigai ir selektyvumui reikia jų vardiklių

Konversija apibūdina, kiek pasirinkto reagento sunaudojama, palyginti su nurodytu įeinančiu kiekiu. Išeiga sieja norimą produktą su nurodytu teoriniu ar tiekimo pagrindu. Selektyvumas lygina produktus ar kelius pagal aiškią sutartį.

Didelė konversija gali sutapti su maža norimo produkto išeiga, kai reagentą sunaudoja kitos reakcijos. Prieš jungdami procentus nurodykite reakcijos stechiometriją ir pagrindą. Ribojantis tiekimo komponentas ir tikroji reakcijos eiga yra skirtingi dydžiai.

Pereinamojo kiekio apskaita ir mastelio santykis turi savas prielaidas

Atskiram idealiam maišomam skysčio rezervuarui be reakcijos nustatykite pastovų tūrį V=84.0 L, vienodus įėjimo ir išėjimo srautus q=7.00 L min⁻¹, sekamo tirpinio įėjimo koncentraciją C_in=0.600 mol L⁻¹ ir pradinę koncentraciją C₀=0.100 mol L⁻¹. Tūriai adityvūs, o išėjimo koncentracija lygi koncentracijai rezervuare. Komponento balansas yra dC/dt=(q/V)(C_in−C), kur C(t)=C_in+(C₀−C_in)exp(−qt/V).

Hidraulinė tūrinė trukmė V/q=12.0 min yra srauto modelio parametras, o ne kiekvienos molekulės buvimo trukmė. Po 18.0 min koncentracija yra 0.488434920 mol L⁻¹, o kiekis rezervuare 41.0285333 mol. Pradinis kiekis 8.40 mol ir integruotas įėjimas 75.6 mol lygūs galutiniam kiekiui ir integruotam išėjimui 42.9714667 mol. Kaupimasis svarbus; baigtinio laiko būsena nėra tiksliai lygi ribinei nusistovėjusiai koncentracijai.

Sumažinus abu srautus perpus iki 3.50 L min⁻¹ gaunama tūrinė trukmė 24.0 min. Po tų pačių 18.0 min koncentracija yra 0.363816724 mol L⁻¹, kiekis rezervuare 30.5606048 mol, integruotas įėjimas 37.8 mol, o išėjimas 15.6393952 mol. Komponento balansas vėl užsidaro. Nė vienas variantas nepateikia viso tirpiklio ar šilumos balanso.

Kitai nepriklausomai geometrinei iliustracijai palyginkite rutulius, kurių spinduliai 0.120 ir 0.360 m. Iš V=4πr³/3 gaunami tūriai 0.00723822947 ir 0.195432196 m³; iš A=4πr² – plotai 0.180955737 ir 1.62860163 m². Patrigubinus spindulį tūris padidėja 27 kartus, o plotas – devynis.

Nustatykite vienodą tūrinę šilumos išsiskyrimo spartą 4.80 kW m⁻³ ir nepriklausomą paviršinę šalinimo pajėgumo spartą 0.300 kW m⁻² vien suderinamam mastelio kitimui parodyti. Mažojo rutulio išsiskyrimas ir pajėgumas yra 0.0347435015/0.0542867211 kW, santykis 0.640; didžiojo rutulio vertės yra 0.938074540/0.488580489 kW, santykis 1.920. Pagal šias pastovias nustatytas vertes tūris auga greičiau nei plotas.

Dvidešimt septynių mažųjų rutulių bendras tūris toks pat kaip didžiojo, o bendras plotas 4.88580489 m² – tris kartus didesnis už didžiojo paviršių. Jų nustatytas bendras išsiskyrimas yra 0.938074540 kW, pajėgumas 1.46574147 kW, o santykis lieka 0.640. Tai geometrija be nurodytos reakcijos, šilumos perdavimo koeficiento, medžiagos, aušalo ar inžinerinio projekto. Ji nenustato jokio įgyvendinamo ar saugaus eksploatacinio išdėstymo.

Recirkuliacija gali grąžinti nesureagavusią medžiagą

Separatorius gali grąžinti dalį srauto į ankstesnį įrenginį. Recirkuliacija gali padidinti bendrąjį panaudojimą net tada, kai vienkartinio pratekėjimo konversija lieka ribota. Medžiagos atskyrimas ir cheminė konversija apskaitoje turi likti atskiri nariai.

Nepašalinamas ir nesunaudojamas komponentas gali kauptis uždaroje recirkuliacijoje. Nuopūtimas sukuria išėjimą, leidžiantį kontroliuoti jo kiekį nurodytame modelyje. Bendrasis balansas apima šį išėjimą; kartotinė cirkuliacija nesukuria papildomo naujo tiekimo.

Didinant mastelį keičiasi daugiau nei apdorojamas kiekis

Sistemai didėjant gali keistis geometrija, paviršiaus plotas, maišymas, šilumos perdavimas ir pernaša. Reakcijos modelis, pritaikytas vienam sąlygų rinkiniui, savaime neprognozuoja didesnio proceso. Taip pat gali keistis buvimo trukmės ir temperatūros skirstiniai.

Naudokite toliau pateiktus originalius balansus riboms ir vienetams suprasti. Jie nenurodo gamybos įrangos, darbo sąlygų ar praktinės cheminio proceso vykdymo procedūros.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Pakeiskite tik praskiestą išėjimą iki 85.0 kg h⁻¹ su masės dalimi 0.100. Raskite koncentruotą srautą, tirpinio srautą ir masės dalį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   65.0 kg h⁻¹; 27.5 kg h⁻¹ tirpinio; dalis 0.423076923.

   Bendroji masė duoda srauto dydį; komponento balansas duoda 36.0−8.50=27.5 kg h⁻¹.

2. Nustatykite nuopūtimo dalį 0.200, išlaikydami naują tiekimą 37.0 ir vienkartinio pratekėjimo konversiją 0.300. Raskite nusistovėjusių srautų apskaitą.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Reaktorius/produktas/nuopūtimas/recirkuliacija=84.0909091/25.2272727/11.7727273/47.0909091 kmol TrackedUnit h⁻¹; bendroji konversija 0.681818182.

   Produkto ir išorinio nuopūtimo suma lieka 37.0; maišytuvas recirkuliaciją apskaito viduje.

3. Sumažinkite abu rezervuaro srautus perpus iki 3.50 L min⁻¹. Palyginkite po 18.0 min.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Tūrinė trukmė 24.0 min; C=0.363816724 mol L⁻¹; rezervuare 30.5606048 mol; integruoti įėjimas/išėjimas 37.8/15.6393952 mol.

   Eksponentės argumentas sumažėja perpus, o pradinė ir įėjimo koncentracijos lieka pastovios.

4. Naudokite dvidešimt septynis pradinius mažuosius rutulius, kad gautumėte didžiojo rutulio bendrą tūrį esant toms pačioms nustatytoms spartoms. Raskite bendrą plotą ir išsiskyrimo bei pajėgumo santykį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Plotas 4.88580489 m², tris kartus didesnis už didžiojo plotą; išsiskyrimas/pajėgumas 0.938074540/1.46574147 kW, santykis 0.640.

   Vienodas bendras tūris nereiškia vienodo paviršiaus ploto. Inžineriniam įgyvendinamumui reikia papildomų įrodymų.

Ką verta įsidėmėti

• Nepriklausomi komponentų balansai nustato suderinamus srautų kiekius.
• Vidinė recirkuliacija ir išorinis naujas tiekimas priklauso skirtingoms riboms.
• Pereinamosios būsenos komponento balansas turi apimti kaupimąsi.
• Plotas ir tūris keičiasi skirtingai, o tikram mastelio didinimui dar reikia pernašos ir proceso įrodymų.