Bilan a ce c zák á l k ad a ní pojm j y m aplikace zákonů o zachování čehokoli

Transkript

1 Výpočtový seminář z Procesního inženýrství podzim 2008 Bilance Materiálové a látkové

2 Tématické okruhy bilance - základní pojmy bilanční schéma způsoby vyjadřování koncentrací a přepočtové vztahy obecný postup při bilancování definice konverze, relativního přebytku, výtěžku

3 Bilance základní pojmy aplikace zákonů o zachování čehokoli

4 Bilance základní pojmy VSTUP + ZDROJ = VÝSTUP + AKUMULACE vstup výstup probíhá chemická reakce systém Zdroj = fiktivní proudy ν A A + ν B B = ν C C + ν D D fiktivní vstup fiktivní výstup fiktivní výstup fiktivní vstup neprobíhá chemická reakce zdroj = 0 ustálený stav akumulace = 0 VSTUP = VÝSTUP vstup systém výstup

5 Bilanční schéma technologické schéma x proudové schéma uzel proud uspořádání: směšování, separace, souproud, Protiproud, obtok, recykl,

6 Bilanční schéma uzly: I reaktor II směšovač III krystalizátor IV odparka proudy: 1, 2 vstupní proudy 3, 6, 9, 10 výstupní proudy 4, 5, 7, 8 vnitřní proudy

7 Způsoby vyjadřování koncentrací Směs: N složek i= 1,2,,N každá složka má svou molární hmotnost M i celkem je m kg nebo n mol směsi ve směsi je m i kg nebo n i mol složky i celkový objem směsi je V m 3 objem složky i je V 3 i m Hmotnostní zlomek složky i v proudu j Molární zlomek složky i v proudu j pro ideální plyn parciální celkový

8 Způsoby vyjadřování koncentrací Objemový zlomek složky i v proudu j pro ideální plyn objemový zl. = molární zl. Hmotnostní koncentrace složky i v proudu j ρ j hustota směsi v proudu j Molární koncentrace složky i v proudu j Pozor na změnu objemu při změně tlaku a teploty!!!

9 Přepočty koncentrací w -> x x -> w Střední molární hmotnost Stavová rovnice IP

10 Obecný postup při bilancování 1. Nakreslit bilanční schéma, označit uzly, proudy a složky 2. Zápis předpokladů 3. Zápis stechiometrických rovnic chemických reakcí 4. Volba základu výpočtu 5. Volba typu bilance (hmotnostní-látková) 6. Přepočet vstupních dat 7. Zápis matice zadání 8. Sestavení bilančních rovnic a dodatečných vztahů 9. Řešení soustavy rovnic 10. Kontrola správnosti výpočtu

11 Úloha U1-1 Vodní plyn Zadání: Ze vzduchu znečištěného oxidem siřičitým se má vypírat SO 2 v absorpční koloně vodou. Plyn přiváděný do kolony obsahuje 3 obj% SO 2. Kapalina vytékající z kolony obsahuje 4,8 kg SO 2 na 1000 kg vody. Vystupující plyn obsahuje kg SO 2 v 1 m 3. V koloně je konstantní teplota 20 C a tlak 0,1 MPa. Předpokládejte, že voda a vzduch se navzájem nemísí. Vyjádřete složení vstupních a výstupních proudů kolony v obyčejných a relativních molárních a hmotnostních zlomcích. Výsledek: x X w W vstup kapalina plyn 0,0300 0,0309 0, ,06839 výstup kapalina 0, , , ,00480 plyn 0, , , , Pozn: Z důvodu zdůraznění rozdílu mezi zlomkem obyčejným a relativním jsou výsledky uváděny na neoprávněný počet desetinných míst!!!

12 Úloha U1-2 Vodní plyn Zadání: Vodní plyn o složení 6,3 hm% H 2, 61,2 hm% CO, 12,1 hm% CO 2 a 20,4hm% N 2 se před konverzí, probíhající podle rovnice chemické reakce: CO + H O CO + H mísí s vodní parou tak, aby CO a voda byly ve stechiometrickém poměru 1:1. Vypočtěte molární procenta jednotlivých složek ve směsi po jejím smíšení s vodní parou. Schéma: vodní plyn vodní pára Výsledek: mísič směs konvertor Po smíšení s vodní parou má plyn složení 36,7 mol% H 2, 25,7 mol% CO, 3,3 mol% CO 2, 8,6 mol% N 2 a 25,7 mol% H 2 O

13 Úloha U1-6 Krystalizátor Zadání: Do krystalizační nádoby bylo přivedeno kg horkého roztoku o koncentraci 31 hm% Na 2 CO 3. Po ochlazení na 20 C vykrystalizuje Na 2 Co 3 x 10H 2 O. Rozpustnost při této teplotě je 21 dílů bezvodého uhličitanu sodného na 100 dílů vody. Voda, která se během krystalizace vypaří, tvoří 5 hm% původní hmotnosti roztoku. Jaké je množství krystalů uhličitanu sodného? Schéma: roztok uhličitanu krystalizátor vodní pára krystaly Výsledek: nasycený roztok 20 C Vykrystalizovalo 3690 kg dekahydrátu uhličitanu sodného

14 Úloha U1-13 Ruda Zadání: Galenitová ruda o složení 10hm% PbS a 90hm% SiO 2 se koncentruje flotací ve dvou nádržích, z první nádrže vychází koncentrát s obsahem 80hm% PbS a hlušina s obsahem 2hm% PbS. Ta se vede do druhé nádrže, kde se flotační pochod opakuje. Koncentrát z druhé nádrže obsahuje 11hm% PbS a vrací se proto do první nádrže. Hlušina z druhé nádrže obsahuje 0,5hm% PbS a vypouští se jako odpad. Zpracuje-li se 1000kg rudy, kolik se získá koncentrátu v první nádrži a kolik recirkuluje koncentrátu z druhé nádrže? Schéma: ruda I 80% PbS 2% PbS II 0,5% PbS Výsledek: 11% PbS Na 1000 kg rudy se získá 120kg koncentrátu z první nádrže a recirkuluje 147 kg koncentrátu z druhé nádrže

15 Úloha U1-8 Nitrační směs Zadání: Z 1200 kg směsi kyselin o složení 68 hm% H 2 SO 4, 22 hm% HNO 3, 10 hm% H 2 O je třeba připravit 2000 kg nitrační směsi o složení 63 hm% H 2 SO 4, 28 hm% HNO 3, a 9hm% H 2 O. K tomu se má použít 82%kyseliny dusičné, 92%ní kyseliny sírové a 20% olea. Oleum o koncentraci 20hmot % obsahuje 80 hm% H 2 SO 4 a 20 hm% SO 3. Jaká bude spotřeba koncentrovaných kyselin a olea? Schéma: původní směs H 2 SO 4 reaktor SO 3 + H 2 O požadovaná směs Výsledek: 92% 80% H 2 SO 4 H 2 SO 4 82% 20% SO 3 HNO 3 K přípravě nitrační směsi se spotřebuje 361 kg kyseliny dusičné, 119 kg kyseliny sírové a 320 kg olea

16 Příklad Koksový plyn Zadání: Koksový plyn má složení (obj%): 28% CO, 3,5% CO2, 0,5% O2, 68% N2. Spalovací proces probíhá s 95% účinností, přebytek vzduchu je 20%. Zjistěte složení spalin! Schéma: Výsledek: Složení spalin je: n2 = mol, x3a = n3 = mol, x3b = n4 = 26.6 mol, X3C = n5 = 39.9 mol x3d =