materiale


A. Balanțe materiale și energetice

Introducere

Balanțele de materiale și energie (BMyE) sunt unul dintre cele mai importante instrumente disponibile pentru ingineria proceselor și sunt utilizate pentru a ține cont de fluxurile de materie și energie dintre un anumit proces industrial și împrejurimi sau între diferitele operațiuni care îl compun. . Prin urmare, în realizarea PFC, BMyE ne va permite să cunoaștem debitele de masă a tuturor fluxurilor materiale implicate în proces, precum și a nevoile de energie din același lucru, care se va traduce în cele din urmă în cerințele serviciilor auxiliare, cum ar fi aburul sau refrigerarea.
În cadrul PFC, BMyE își au locul logic în studiul de fezabilitate, deoarece prin intermediul acestora se obțin informațiile necesare pentru a continua cu dimensionarea echipamentului și estimarea nevoilor serviciilor auxiliare (abur, aer, refrigerare) . În Raportul de calcul, BMyE a alternativei alese trebuie inclusă, ca anexă la acesta.

Balanțe materiale (BM)

Aplicarea BM nu este complicată din punct de vedere conceptual, iar fundamentele sale teoretice pot fi consultate în detaliu în texte precum cele incluse în secțiunea de căutare a informațiilor [Balances de Materia y Energía], împreună cu numeroase exemple de aplicare la diferite operațiuni și procese. Ideile de bază pentru abordarea BM sunt revizuite mai jos și sunt indicate posibilele strategii de utilizare a acestora în CBP.
BM se bazează pe legea conservării materiei, care, strict vorbind, trebuie aplicată întregii materii-energie, și nu materiei sau energiei separat. Cu toate acestea, în condițiile care apar în procesele industriale care fac obiectul PFC-urilor în UGR, deoarece cazul reactoarelor nucleare nu este abordat, nu există nicio transformare a materiei în energie sau invers, cu care forma generală a soldul TOTAL al materiei pentru un sistem va fi:

Forma balanței pentru fiecare dintre componente va fi aceeași, cu excepția cazului în care există o reacție chimică, deoarece în acest caz apariția sau dispariția componentelor individuale va trebui luată în considerare ca rezultat al reacției (totuși totalul masa sistemului nu va varia niciodată). Din acest motiv, BM către componenta „i” va avea forma:

O situație foarte frecventă este că procesul este continuu, cu care termenul de acumulare va fi 0.
După cum sa indicat, BM-urile pot fi aplicate unei unități de proces (un computer), precum și întregului proces complet. Pentru o unitate sau echipament, pot fi propuse atâtea BM independente, cât și componentele implicate în ea, și un proces complet poate fi propus un număr de BM independente egal cu suma celor ale tuturor unităților aceluiași, înțelegând ca unități ale unui procesează echipele sau operațiunile care o compun. În plus, în unele cazuri există relații impuse între diferiții curenți care pot servi ca ecuații suplimentare BM.

Abordarea BM în PFC

Primul pas pentru a propune BM unui proces specific, constă în, pe diagrama bloc a aceluiași, captarea tuturor informațiilor disponibile, care vor fi practic:

  1. Fluxurile fluxului
  2. Compoziția curenților
  3. Alte relații sau restricții cunoscute

Deși este recomandabil să se analizeze dacă sistemul este sau nu determinat și numărul de grade de libertate, dacă nu, cantitatea pe oră de produs final care urmează să fie fabricat va fi întotdeauna cunoscută, deoarece aceste date sunt date de capacitatea de producție care ar fi trebuit stabilită în studiul de piață. Pe baza acestor date, mai multe strategii pot fi folosite pentru a mări soldurile, deși nu vor fi întotdeauna toate posibile, sau chiar doar unul va fi (în general, nu este de obicei posibil să se facă toate soldurile secvențial):

Rezolvați soldul la procesul global și, cu datele obținute, ridicați soldul la prima unitate și rezolvați secvențial, atunci când este posibil.

Luați ca bază de calcul (variabilă de proiectare) fluxul de materie primă (dacă există mai multe, ar fi aleasă cea principală sau una dintre ele) și rezolvați secvențial procesul înainte, începând cu prima unitate, deși apoi scara ar trebui modificat astfel încât capacitatea de producție să fie dorită.

Începeți să ridicați și să rezolvați soldurile secvențial și înapoi, începând cu ultima unitate de proces, dacă este posibil.

În general, abordarea și rezoluția BM necesită „manipularea” și lucrul cu informațiile disponibile, testarea diferitelor strategii, până la atingerea unei soluții acceptabile și coerente din punct de vedere fizic, deoarece în niciun caz nu poate ieși din sistem mai multă materie decât intră sau invers.

Balanțe energetice (BE)

BE sunt în mod normal oarecum mai complexe decât cele ale materiei, deoarece energia poate fi transformată de la o formă la alta (mecanică, termică, chimică etc.), ceea ce face necesar să se ia în considerare acest aspect în ecuații. În general, în PFC, BE-urile vor fi esențiale în echipamente în care schimbul de energie este decisiv, ceea ce se va întâmpla fundamental în schimbătoarele de căldură, evaporatoare, coloane de distilare etc., adică atunci când este necesar încălzirea sau răcirea unui fluid. În cazul reactoarelor chimice, echilibrele energetice sunt, de asemenea, esențiale pentru proiectarea lor, deoarece în orice caz va fi necesar să se asigure că temperatura reactorului rămâne în intervalul dorit, mai ales atunci când efectele termice ale reacției sunt importante. În reacțiile biochimice, aceste efecte nu sunt de obicei foarte semnificative, deci pot fi ignorate în dimensionarea preliminară a fermentatorilor sau reactoarelor enzimatice, ori de câte ori este justificat.
Lăsând deoparte abordarea BE în reactoare, în majoritatea celorlalte echipamente și în scopuri preliminare de dimensionare, așa-numita ecuație de entalpie, care este inclusă mai jos, este de obicei suficientă pentru abordarea dvs.

În cazul în care ms și eu sunt fluxurile de masă de intrare și ieșire ale sistemului, He și Hs sunt entalpiile aceleași, și Q căldura schimbată de sistem, care, dacă este pozitivă, va fi câștigată de sistem și, dacă este negativă, va fi transferată la fel la împrejurimi. Calculul entalpiei fiecărui curent poate fi efectuat folosind capacitatea sa de căldură și temperatura de referință, deși, dacă există schimbări de fază, va trebui luată în considerare și căldura latentă. Pentru abur, idealul este să folosiți tabelele de abur saturat sau supraîncălzit, disponibile în literatură sau chiar în aplicații online.