Comment faire de la chimie de l'équilibre de masse
Session 1 Calculs de masse Solde
Dans cette session, vous devez utiliser des conditions de fonctionnement initiales pour développer et résoudre des équations d'équilibre de masse pour chaque pièce d'équipement de processus et flux associés
Matériel Fundamentals Solde
bilans matières (bilans de masse) reposent sur la « loi de la conservation de la masse (pas de volume, et non mole) » fondamentale. En particulier, les ingénieurs chimistes sont préoccupés par faire les bilans de masse autour des processus chimiques.
Faire un « bilan de masse » est similaire en principe à la comptabilité. En comptabilité, les comptables font les soldes de ce qui arrive à l'argent d'une entreprise. Les ingénieurs chimistes font un bilan de masse pour tenir compte de ce qui se passe à chacun des produits chimiques qui est utilisé dans un procédé chimique.
Jusqu'à présent, nous avons appris sur les variables de processus dont nous avons besoin pour décrire les produits chimiques entrant dans un flux de traitement. Maintenant, nous devons apprendre à
a) spécifier un courant de procédé
b) spécifier une unité de traitement
c) Faire un bilan de masse sur une unité de traitement
d) faire une balance de masse sur une séquence d'unités de traitement.
Classification des processus
A. Sur la base de la façon dont le processus varie avec le temps.
une. processus état d'équilibre est celui qui ne change pas avec le temps. Chaque fois que nous prenons un instantané, toutes les variables ont les mêmes valeurs que dans le premier instantané.
b. Instationnaires procédé (transitoire) est celle qui change avec le temps. Chaque fois que nous prenons un instantané, bon nombre des variables ont des valeurs différentes que dans le premier instantané.
B. Sur la base de la façon dont le processus a été construit pour fonctionner.
une. Un procédé continu est un procédé qui comporte les courants d'alimentation et des courants de produits chimiques qui se déplacent dans et hors du processus tout le temps. A chaque instant, le processus est alimenté et le produit est produit. Des exemples sont une raffinerie de pétrole, un réseau électrique et un emploi salarié stable.
b. Un processus de lot est un processus dans lequel les courants d'alimentation sont introduits dans le processus pour obtenir commencé. Le matériau d'alimentation est ensuite traité à travers diverses étapes du procédé et les produits finis sont créés pendant une ou plusieurs des étapes. Le processus est alimenté et entraîne des produits seulement à des moments précis. Les exemples font un lot d'un produit, comme une soupe ou un produit chimique de spécialité.
c. Un procédé semi-discontinu (aussi appelé semi-continu) est un processus qui a des caractéristiques des processus continus et discontinus. Certains produits chimiques dans le processus sont traités par lot. Certains produits chimiques sont traités en continu.
Types de soldes
une. Différentiel L'équilibre est un équilibre pris à un instant précis dans le temps. Il est généralement appliqué à un processus continu. Si le processus est à l'état d'équilibre, un équilibre différentiel appliqué à tout moment donne le même résultat.
Nous appliquerons les soldes différentiels à des processus continus en régime permanent.
Chaque terme d'une balance différentielle représente un courant de traitement et le débit massique de la substance chimique (s) dans ce flux.
Nous appliquerons les soldes intégrés aux processus de traitement par lots.
Chaque terme de l'équilibre intégral représente un courant de procédé et la masse du produit chimique (s) dans ce flux.
Les équations bilan de masse
La loi de « conservation de la masse » indique que la masse ne peut pas être créée ou détruite. Nous utiliserons cette loi sous la forme d'une équation d'équilibre de masse générale pour tenir compte de la masse totale de tous les produits chimiques qui sont impliqués dans le processus. L'équation de bilan de masse totale peut être écrit
ENTREE - SORTIE = ACCUMULATION
I - O = A
Si le processus est à l'équilibre, il n'y a pas d'accumulation de masse dans le processus. Ainsi
ENTREE = SORTIE
I = O
Lorsque nous appliquons cette équation à un processus, il est préférable de l'écrire comme
Masses Σ entrant par les courants d'alimentation = ΣMasses sortant par courants de produit
Nous comprenons que nous devons comprendre la masse de chaque produit chimique dans tous les cours d'eau. L'équation ci-dessus peut appliquer des procédés discontinus et continus que
ΣMass in = ΣMass pour un procédé discontinu, et
ΣMass en écoulement par = ΣMass par écoulement pour un procédé continu.
Si le processus implique une réaction chimique (s), il faut tenir compte de la formation du produit et la consommation d'aliments pour animaux. Le bilan massique pour chaque produit chimique et de sa formation et de la consommation est déterminée comme suit:
ΣMass à + masse formée par réaction = ΣMass out + Masse utilisé par réaction
Ou, plus simplement écrit
in + out + = formée consommée
Total Soldes et composants
1. Un bilan de masse peut être écrit en utilisant la masse totale dans chaque flux de traitement. Ceci est appelé un solde total.
2. Un bilan de masse séparée peut être écrit pour chaque composant chimique impliqué. Ceux-ci sont appelés soldes composants.
exemple 3.1
Une unité de traitement comporte 3 composants chimiques. Combien de bilans de masse peut être écrit?
Solution:
On peut écrire 4 équations d'équilibre: Une équation d'équilibre totale et 3 équations d'équilibre des composants.
soldes indépendants: Tous les soldes sont indépendants puisque le solde total est la somme de tous les soldes composant.
Ainsi, le nombre de soldes indépendants, nous pouvons écrire = le nombre de composants.
Et après? Vous avez besoin de développer des compétences à l'aide d'une approche systématique pour résoudre des problèmes d'équilibre de masse. Et plus tard, les compétences à l'aide d'une approche systématique pour résoudre des problèmes d'équilibre de masse et de l'énergie.
Où suis-je? Où vais-je? Comment puis-je y arriver?
Pour répondre à la première question, vous devez
1. Lire, étudier et comprendre le problème.
2. Tracer une feuille d'écoulement du processus.
3. Etiqueter toutes les informations données, y compris les symboles pour les inconnues
4. Notez toutes les relations spéciales.
Pour accomplir cette dernière étape, vous devez apprendre
1. Les informations nécessaires pour spécifier un cours d'eau.
2. Comment utiliser des symboles pour représenter les données de flux nécessaires.
3. Comment déterminer la masse de chaque composant dans un flux (chaque masse sera un terme dans un bilan de masse)
Stream Information requise
1. Nom Stream - symbole (1)
2. masses de composants / composition du courant (n)
3. température du courant et de la pression (ceux-ci ne sont nécessaires que lorsqu'un bilan énergétique est fait, le comportement de phase est inclus ou pour spécifier les propriétés chimiques.
Comment représenter les informations requises
1. Indiquez chaque flux et masse totale --- Sélectionnez un nom de flux - symbole
a) Utiliser une lettre en majuscule pour représenter la masse totale (ou mfr) du cours d'eau.
b) Sélectionnez un nom de flux pour identifier clairement le flux, par l'emplacement ou le but du cours d'eau sur la feuille de flux.
c) mettre la masse / mfr sur la feuille d'écoulement en utilisant un symbole équation = valeur (si la masse est connue) ou le symbole =? (Si la valeur est inconnue)
exemple 3.2
On alimente le réacteur avec 25 kg / s d'un courant d'alimentation chaud et un courant de recyclage. Marquer les entrées du réacteur.
Solution:
Le réacteur a deux courants d'entrée. Nous attirons et de les étiqueter comme
NOTE: Le solde de la masse totale sera écrit en utilisant les symboles choisis pour les noms de flux. Ensuite, nous devons apprendre à représenter les masses de composants afin que nous puissions écrire les soldes des composants.
2. masses composant / composition de flux
Une masse composant peut être représenté directement, en utilisant une lettre minuscule et un indice, ou indirectement en utilisant des temps de la composition des fractions du total de flux (x utilisation et de réserve, y, z pour la composition fractionnée).
A noter que l'on peut calculer une masse composant en tant que produit du total et la composition fractionnée.
exemple 3.3
Flux F contient 500 kg d'O2 et 700 kg de CH4. Etiqueter le flux.
Solution
Notez que les masses de composants doivent ajouter au total. La masse totale de F est de 1200 kg. Ainsi,
Flux F F = 1200 kg
m = 500 kg O2
m CH4 = 700 kg
exemple 3.4
1200 kg d'un mélange de O2, N2 et CH4 sont introduits dans un processus. Le flux a 20% O2 en masse. Etiqueter le flux.
La masse de i dans le flux est F xi
Solution
La composition est partiellement connue. A noter que les compositions des fractions doivent ajouter à 1,0. Ainsi, nous pouvons écrire deux alternatives
En utilisant la composition fractionnée
Le courant d'alimentation F, F = 1200 kg
x O2 = 0,2
x N2 =?
x CH4 = 1. - 0,2 - 0,8 x N2 = - x N2
ou en utilisant des masses de composants
Le courant d'alimentation F, F = 1200 kg
m = 240 kg O2
= M N2?
m = 1200 CH4 - 240 - m N2 = 960 - N2 m
Quelques suggestions pour l'étiquetage des composants
1. Si la composition de flux est inconnue (ou si certaines des masses de composants sont connus) représentent les masses composant directement et utiliser une lettre minuscule pour chaque produit chimique.
Par exemple. Si flux F contient des produits chimiques a, b et c, étiqueter le flux
taux comme F, aF, et bF = cF F- aF - bF
2. Si la composition du courant est connu à partir de compositions fractionnaires, représentent comme dans deux masses de composants directement et étiquette.
3. Si la composition du flux est partiellement connue avec des compositions fractionnaires et le total est connu, représentent indirectement les masses des composants et utiliser x minuscule, y, z pour chaque composition fractionnée.
4. Évitez la création d'un produit de deux inconnues, cela se traduira par une équation non linéaire.
À l'issue de cette séance, vous pourrez:
- Effectuer le bilan de masse autour d'un équipement donné.
- Calculer des débits et des compositions pour des courants de procédé inconnus.
questions d'auto évaluation
Allez à la section D (Ressources) et analyser les problèmes 3.1 et 3.2.
Ces problèmes sont à peu près les calculs de bilan matières d'une colonne de distillation et un procédé avec recyclage respectivement.