Wie Massenbilanz Chemie zu tun
Session 1 Massenbilanz-Berechnungen
In dieser Sitzung müssen Sie anfängliche Betriebsbedingungen verwenden, Massenbilanzgleichungen zu entwickeln und zu lösen für jedes Stück von Prozessanlagen und die zugehörigen Strömen
Materialbilanz Fundamentals
Materialbilanzen (Massenbilanzen) basiert auf dem grundlegenden „Gesetz der Erhaltung der Masse (nicht Volumen, nicht Mol)“. Insbesondere Chemieingenieure beschäftigen sich mit Massenbilanzen um chemische Prozesse zu tun.
eine ‚Massenbilanz‘ zu tun, ist grundsätzlich auf die Rechnungslegung ähnlich. In der Buchhaltung, tut Accountants Bilanzen, was zu einer Firma Geld geschieht. Chemieingenieure tun, um eine Massenbilanz für Rechnung zu tragen, was zu jedem der Chemikalien geschieht, die in einem chemischen Verfahren verwendet wird.
Bisher haben wir über die Prozessvariablen gelernt, dass wir die Chemikalien Eingabe eines Prozessstrom beschreiben müssen. Nun, wir müssen lernen, wie man
a) Festlegen eines Prozessstroms
b) Festlegen eine Prozesseinheit
c) Führen Sie eine Massenbilanz auf einer Prozesseinheit
d) Führen Sie eine Massenbilanz auf eine Abfolge von Prozesseinheiten.
Klassifizierung von Prozessen
A. Je nachdem, wie der Prozess mit der Zeit variiert.
ein. Steady-State-Prozess ist einer, der mit der Zeit nicht ändert. Jedes Mal, wenn wir einen Snapshot erstellen, werden alle Variablen die gleichen Werte wie in der ersten Momentaufnahme.
b. Instationären (Transient) ist ein Verfahren, das mit der Zeit ändert. Jedes Mal, wenn wir einen Snapshot erstellen, haben viele der Variablen andere Werte als in der ersten Momentaufnahme.
B. Je nachdem, wie der Prozess gebaut wurde zu betreiben.
ein. Ein kontinuierliches Verfahren ist ein Verfahren, das die Speiseströme und Produktströme sich bewegenden Chemikalien in das und aus dem Prozess der ganzen Zeit hat. Zu jedem Zeitpunkt wird der Prozess zugeführt und Produkt erzeugt wird. Beispiele sind eine Ölraffinerie, ein Stromnetz und ein stetiger angestellter Job.
b. Ein Batch-Prozess ist ein Prozess, bei dem die Zufuhrströme zu dem Prozess zugeführt werden, um es begonnen. Das Beschickungsmaterial wird dann durch die verschiedenen Prozessschritten verarbeitet, und die fertigen Produkte werden während einer oder mehrere der Schritte erstellt. Der Prozess wird gefüttert und Produkte führen nur zu bestimmten Zeiten. Beispiele machen eine Charge eines Produkts, wie Suppe oder eine Spezialchemikalie.
c. Ein Semi-Batch-Verfahren (auch halbkontinuierlich genannt) ist ein Prozess, der einige Merkmale kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren hat. Einige Chemikalien im Prozess behandelt werden chargenweise. Einige Chemikalien werden kontinuierlich bearbeitet.
Arten von Waagen
ein. Differential Balance ist ein Gleichgewicht zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zeit gemacht. Es wird im allgemeinen ein kontinuierliches Verfahren angewandt. Wenn der Prozess in einem stabilen Zustand ist, gibt ein Differentialwaage jederzeit angewandt, um das gleiche Ergebnis.
Wir werden Differentialwaagen zu Steady-State-kontinuierlichen Verfahren anzuwenden.
Jeder Begriff in einer Differentialwaage stellt einen Prozessstrom und die Massendurchflussrate der Chemikalie (n) in diesem Strom.
Wir werden integrale Salden Batch-Prozesse anwenden.
Jeder Begriff in einem integralen Gleichgewicht stellt einen Prozessstrom und die Masse der Chemikalie (n) in diesem Strom.
Die Massenbilanzgleichungen
Das Gesetz der ‚Erhaltung der Masse‘ besagt, dass Masse nicht erschaffen oder zerstört werden. Wir werden dieses Gesetz in der Form einer allgemeinen Massenbilanzgleichung verwenden für die Gesamtmasse zu berücksichtigen alle Chemikalien, die in den Prozess einbezogen werden. Die Gesamtmasse Bilanzgleichung kann geschrieben werden
INPUT - OUTPUT = AKKUMULATION
I - O = A
Wenn der Prozess im stationären Zustand ist, gibt es keine Ansammlung von Masse innerhalb des Prozesses. So
INPUT = OUTPUT
I = O
Wenn wir diese Gleichung auf ein Verfahren anzuwenden, ist es am besten, es zu schreiben, wie
Σ Masses Eingabe über Beschickungsströme = ΣMasses über Produktströme austreten
Wir verstehen, dass wir die Masse eines jeden Chemikalie in jedem Strom enthalten muss. Die obige Gleichung kann auf diskontinuierliche und kontinuierliche Verfahren angewendet, wie
ΣMass in = ΣMass heraus für einen Batch-Prozess, und
ΣMass in durch Strömungs = ΣMass geführt durch Strömungs für ein kontinuierliches Verfahren.
Wenn der Prozess chemische Reaktion umfasst (en), müssen wir für die Bildung von Produkt und dem Verbrauch von Futtermitteln berücksichtigen. Die Massenbilanz für jede Chemikalie und seine Bildung und den Verbrauch wird wie folgt bestimmt:
ΣMass in + Masse durch Reaktion gebildete = ΣMass out + Massen durch Umsetzung verwendet
Oder geschrieben einfacher als
in + gebildet = out + verbraucht
Total und Komponentenbilanzen
1. Eine Massenbilanz kann geschrieben werden, indem die Gesamtmasse in jedem Verfahrensstrom. Dies wird eine gesamte Bilanz genannt.
2. Eine separate Massenbilanz kann für jede chemische Komponente beteiligt geschrieben werden. Diese sind Bestandteil Salden genannt.
Beispiel 3.1
Eine Prozesseinheit beinhaltet 3 chemischen Komponenten. Wie viele Massenbilanzen geschrieben werden?
Lösung:
Wir können 4 Bilanzgleichungen schreiben: Eine Gesamtbilanzgleichung und 3 -Komponente Bilanzgleichungen.
Unabhängige Salden: Nicht alle Salden sind unabhängig, da die gesamte Bilanz die Summe aller Komponenten-Salden ist.
Somit ist die Anzahl der unabhängigen Waagen können wir = die Anzahl der Komponenten schreiben.
Was kommt als nächstes? Sie müssen Fähigkeiten entwickeln, um einen systematischen Ansatz zur Lösung der Massenbilanzprobleme verwenden. Und später, Fähigkeiten bei einem systematischen Ansatz mit Massen- und Energiebilanz Probleme zu lösen.
Wo bin ich? Wohin gehe ich? Wie komme ich dort hin?
Um die erste Frage zu beantworten, müssen Sie
1. Lesen Sie, zu studieren und verstehen, das Problem.
2. Zeichnen Sie ein Flussdiagramm für den Prozess.
3. Beschriften Sie es mit allen gegebenen Informationen, einschließlich der Symbole für die Unbekannten
4. Notieren Sie sich alle besonderen Beziehungen.
Um das zu erreichen diesen letzten Schritt, müssen Sie lernen,
1. Die Informationen erforderlich, um einen Strom zu spezifizieren.
2. Wie Symbole verwenden, um die erforderlichen Strom-Daten zu repräsentieren.
3. Wie die Masse der einzelnen Komponenten in einem Strom zu bestimmen (jede Masse wird ein Begriff in einer Massenbilanz sein)
Erforderliche Stream Information
1. Stromname - Symbol (1)
2. Komponente Massen / Stromzusammensetzung (n)
3. Stromtemperatur und Druck (diese werden nur dann benötigt, wenn eine Energiebilanz durchgeführt wird, das Phasenverhalten enthalten ist oder chemischen Eigenschaften zu spezifizieren.
Wie repräsentieren die erforderlichen Informationen
1. Geben Sie jeden Strom und Gesamtmasse --- Wählen Sie einen Stream-Namen - Symbol
a) Verwenden Sie einen einzelnen Großbuchstaben die Gesamtmasse (oder mfr) des Stroms zu repräsentieren.
b) Wählen Sie einen Stream-Namen eindeutig den Strom zu identifizieren, durch den Ort oder den Zweck des Stroms auf dem Flussbild.
c) Setzen des Masse / mfr auf dem Fließschema unter Verwendung einer Gleichung symbol = Wert (wenn die Masse bekannt ist) oder ein Symbol =? (Wenn der Wert nicht bekannt)
Beispiel 3.2
Der Reaktor wird mit 25 kg / s von einem heißen Zufuhrstrom und einem Rückführstrom zugeführt. Beschriften der Reaktoreingänge.
Lösung:
Der Reaktor weist zwei Eingangsströme. Wir zeichnen und beschriften sie als
HINWEIS: Die Gesamtmassenbilanz geschrieben werden, um die Symbole für den Stream-Namen ausgewählt werden. wir müssen nächste lernen, wie die Komponente Massen darstellen, so dass wir die Komponentenbilanzen schreiben können.
2. Komponente Massen / Stromzusammensetzung
Eine Komponentenmasse kann direkt dargestellt werden, einen Kleinbuchstaben und ein Index verwendet wird, oder indirekt über die fraktionierte Zusammensetzung fache der Gesamtstrom (Verwendung und Reserve x, y, z für die fraktionierte Zusammensetzung) verwendet wird.
Beachten Sie, dass eine Komponente Masse kann als das Produkt aus der Gesamt berechnet werden und die fraktionierten Zusammensetzung.
Beispiel 3.3
Strom F enthält 500 kg O2 und 700 kg CH4. Beschriften Sie den Stream.
Lösung
Beachten Sie, dass die Komponentenmassen auf die Gesamt hinzufügen. Die Gesamtmasse in F beträgt 1200 kg. So,
Strom F F = 1200 kg
m O2 = 500 kg
m = 700 kg CH4
Beispiel 3.4
1200 kg einer Mischung aus O2, N2 und CH4 sind mit einem Verfahren zugeführt. Der Strom hat 20% O2 durch Masse. Beschriften Sie den Stream.
Die Masse von i im Strom F xi
Lösung
Die Zusammensetzung wird teilweise bekannt. Beachten Sie, dass die Teilzusammensetzungen auf 1,0 hinzufügen. So können wir zwei Alternativen schreiben
Mit fraktionierte Zusammensetzung
Feedstrom F, F = 1200 kg
x O2 = 0,2
x N2 =?
x CH4 = 1 - 0,2 - x N2 = 0,8 - x N2
oder unter Verwendung von Massen-Komponente
Feedstrom F, F = 1200 kg
m = 240 kg O2
m N2 =?
m CH4 = 1200-240 - m N2 = 960 - m N2
Einige Vorschläge für Component Labeling
1. Wenn die Stromzusammensetzung unbekannt ist (oder wenn ein Teil der Komponentenmassen bekannt ist) direkt auf die Komponente Massen darstellen und einen Kleinbuchstabe für jede Chemikalie verwenden.
Z.B. Wenn Strom F enthält Chemikalien a, b und c, kennzeichnen die Strömung
Preise wie F, Af, Bf und cF = F- aF - bF
2. Wenn die Stromzusammensetzung aus dem fraktionierten Zusammensetzungen bekannt ist, stellt die Komponentenmassen direkt und Etikett, wie in 2.
3. Wenn Stromzusammensetzung teilweise mit fraktionierten Zusammensetzungen und die insgesamt bekannt ist, bekannt ist, stellt die Komponentenmassen indirekt verwenden, Kleinbuchstabe x, y, z für jede fraktionierte Zusammensetzung.
4. Vermeiden Sie die Erstellung eines Produkts von zwei Unbekannten-dies wird in einer nicht-lineare Gleichung zur Folge haben.
Nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Sitzung werden Sie in der Lage sein:
- Führen Sie Massenbilanz um eine gegebene Ausrüstung.
- Berechnen Flußraten und die Zusammensetzungen für unbekannte Prozessströme.
Selbstbewertete Fragen
Zum Abschnitt D (Ressourcen) und analysieren, Probleme 3.1 und 3.2.
Diese Probleme sind über Materialbilanzberechnungen einer Destillationskolonne und einen Prozess mit jeweils Recycling.