Материальный и тепловой балансы составляют для анализа работы существующего аппарата, установки, производства или при проектировании нового. Материальный баланс технологического процесса или части его составляют на основании закона сохранения массы вещества, и это означает, что масса веществ, поступающих на технологическую операцию, равна массе полученных веществ.
Расчеты балансов основываются на технико-экономических показателях, рассмотренных в разделе 1. Для процессов, которые можно описать суммарной химической реакцией, материальный баланс складывается их двух частей: левая часть уравнения – приход, правая часть уравнения – расход. Материальный баланс рассчитывается или только по уравнению основной суммарной реакции (упрощенный) или с учетом всех параллельных, побочных реакций и продуктов (полный). Уравнение материального баланса:
Σmприх = Σmрасх. (2.1)
Σmприх – Σmрасх = 0,
где Σmприх – суммарная масса исходных веществ процесса цикла;
Σmрасх – суммарная масса конечных продуктов процесса.
Материальный баланс обычно рассчитывается на единицу полученного продукта (кг, т, м3) или в % на основе данных производства.. Результаты сводят в таблицу. Материальный баланс служит основой для составления теплового и экономического балансов и поэтому составляется первым. В результате составления материального баланса можно вычислять практические расходные коэффициенты на сырье.
Тепловой (энергетический) баланс технологического процесса или части его составляют на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна, т.е. приход теплоты должен быть равен расходу его в данном процессе, аппарате, операции. Уравнение теплового баланса:
ΣQприх = ΣQрасх, (2.2)
где Qприх – сумма теплот Q1,Q2, Q3,; Q1 – теплота, приносимая входящими в аппарат веществами; Q2,- теплота экзотермических реакций, протекающих в данном аппарате; Q3 – теплота, вносимая извне за счет подогрева; ΣQрасх – сумма теплот Q4,Q5, Q6,; Q4 – теплота, уносимая выходящими из аппарата продуктами; Q5 – теплота эндотермических реакций,протекающих в аппарате; Q6 – потери теплоты в окружающую среду и отвод ее через холодильники, помещенные внутри аппарата Уравнение теплового баланса:
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5 + Q6. (2.3)
Q1 и Q4 в технологии называют теплосодержанием материалов и рассчитывают для каждого вещества, поступающего в аппарат и выходящего из него:
Q1 или Q4 = m · с · t, (2.4)
где m – масса вещества (кг, моль) (берут из данных материального баланса); с – средняя теплоемкость этого вещества (берут из справочника); t – температура, отсчитанная от какой-либо точки (обычно 273К).
Тепловые эффекты химических реакций Q2 и Q5 могут быть рассчитаны на основе изобарных теплот образования из элементов различных веществ q0 обр, или теплот сгорания, или энтальпии образования веществ ΔН298 в стандартных условиях (для массы 1 моль, давление 1.01 –105 Па, температуры 298К). Изменение энтальпии реакции ΔН численно равно тепловому эффекту реакции, взятому с обратным знаком:
ΔН = – Qр (2.5)
Изменение энтальпии реакции находим как разность энтальпии продуктов реакции и исходных веществ:
ΔНр = Σ ΔНпрод – Σ ΔНисх. (2.6)
Значение ΔНобр приведено в справочниках термохимических и термодинамических величин.
Подвод теплоты Q3 можно рассчитать по потере ее теплоносителем. Потери теплоты Q6 можно рассчитать по изменению теплоты хладоагента или в процентах к массе внесенной теплоты.
