BILANT DE MATERIALE legii conservarii masei Gin = Gout consum specific Randamentul de produse finite pierderi de materiale Gin = Gout + Gp

Transcript

1 BILANT DE MATERIALE Este o exrese a leg coservar mase sstemele chmce: greutatea G a materalelor care tra roces trebue sa e egala cu greutatea G a materalelor care es d roces: G = G Este ecesar etru a determa: Cosumul secc de mater rme (Cosumul de mater rme exrmat e utatea de masa de rodus utl oarta umele de cosum secc., Radametul de roduse te, Numarul s dmesuea aaratelor, Caactatea de roducte a aaratelor, Perderle eustcate de materale. I ractca au loc totdeaua erder de materale => greutatea roduselor obtute este totdeaua ma mca decat greutatea materlor rme trate roces: G = G + G G = greutatea erderlor de materale. Istalatle s utlaele cotue care se roduc acumular de materale s/sau eerge uctoeaza regm estatoar. I acest caz, ecuata de blat este: G = G + G + G ac G ac = greutatea acumularlor de materale utatea de tm: dm G ac d I rocesele cotue, blatul se alcatueste etru utatea de tm. I rocesele dscotue, blatul se alcatueste etru durata de relucrare a ue sare. Ecuata blatulu de materale se oate alca: Ue sgure oerat, Itregulu roces, Ue aze oarecare a rocesulu. Blatul de materale oate alcatut etru: Toate materalele care artca la roces, U sgur comoet. Relecta gradul de erectue a roceselor tehologce. Procedura de tocmre a blatulu de masa:. Se alege o baza de calcul: debt sau cattate de reactat sau rodus. Daca c u debt sau cattate u este seccata, se alege ca baza de calcul u debt sau cattate arbtrara cu comozta cuoscuta,.e. 00 kg; 00 kmol; 00 kg/h sau 00 kmol/h. Petru blatul de materale global tocmt etru treaga cattate de substata se recomada ca baza de calcul sa e aleasa utat de masa.. Toate cattatle/debtele se exrma utatea aleasa etru baza de calcul.

2 3. Se ace schema bloc a rocesulu dcad toate cattatle/debtele, clusv cele ecuoscute, care tra s es /d ecare etaa a rocesulu.. Se detca umarul de ecuoscute s de ecuat deedete care le leaga tre ele. Daca r. de ecuat este egal cu r. de ecuoscute se rezolva ecuatle s se calculeaza cattatle/debtele ecuoscute. 5. Rezultatele se rezta sub orma de tabel. Surse osble de ecuat: a Blatur de masa. Petru u sstem cu sec se ot scre ecuat de blat. Acestea ot obtute d blatul de masa total s d blaturle de masa e sec dvduale. b Seccat s codt de realzare a rocesulu. De ex. coversa d reactor. c Det. De ex. relata dtre racta molara s masa totala. N.B. Trebue detcata ordea de rezolvare a ecuatlor! Exemlu de schema bloc etru u roces: Se ot scre ecuat de blat atat etru sstemul delmtat de rotera A cat s etru ecare dtre subsstemele delmtate de roterele B E. Sstemul A rerezta tregul roces ar blatul este umt blat geeral (global. Calculul blatulu de materale rocese ara erder care mlca react chmce Se oate realza: Pe treaga cattate de materale (blat global: Itrat = Iest (+ Acumulat Pe sec moleculare: Itrat + Geerat reacte = Iest + Cosumat reacte (+ Acumulat Blatul e sec moleculare resuue calcule comlexe s este recomadat doar etru sstemele smle mlcad o sgura reacte. De otat ca aceasta metoda este utlzata totdeaua rocesele ara reacte! Pe sec atomce: Itrat = Iest (+ Acumulat Blatul e sec atomce este cea ma smla metoda de tocmre a blatulu, ma ales cad rocesul resuue react multle. Pe baza gradulu de avasare a reacte: etru ecare sece d sstem se exrma debtele/cattatle terme de grad de avasare. I rocesele ara acumulare: 0

3 sau, etru cazul care seca este mlcata react : 0 Calculul e baza gradulu de avasare a reacte este recomadat etru roblemele de echlbru chmc. Coecetul stoechometrc ν al sece, se cosdera egatv etru reactat s oztv etru rodus. Exemlu: Se realzeaza dehdrogearea etaulu tr-u reactor cotuu regm statoar coorm reacte: C Á C + Std ca reactorul este almetat cu eta la u debt molar de 00 kmol/m, ar debtul eluet este de 0 kmol/m, sa se tocmeasca blatul de materale s sa se calculeze coversa etaulu. Schema bloc a rocesulu: Reactor Blatul e sec moleculare: Itrat + Geerat reacte = Iest + Cosumat reacte Blatul : geerat reate = est Geerat reacte = 0 kmol/m Blatul C : trat = est + cosumat kmol C kmol C kmol geerat kmol C 00 0 m m m kmol cosumat geerat 0 kmol C /m Blatul C : geerat = est kmol geerat kmol C geerat kmol C 0 m kmol geerat m 0 kmol C /m Blatul de materale: Materale trate Materale este kmol/m kg/m kmol/m kg/m C C TOTAL Dat d ca blatul de materale este temeat e legea coservar mase, acesta se chde doar cazul care este exrmat utat de masa.

4 Coversa etaulu: Cov.(% 00 0% sau Cov.(% 00 0% Blatul e sec atomce: Blatul C: trat = est kmol C kmol C kmol C kmol C kmol C kmol C 00 m kmol C m kmol C m kmol C 00 Blatul : trat = est kmol C kmol kmol kmol 00 0 m kmol C m kmol kmol C kmol kmol C m kmol C m Rezolvarea sstemulu ormat d cele doua ecuat coduce la: 0 kmol C /m 0 kmol C /m Blatul de materale: Materale trate Materale este kmol/m kg/m kmol/m kg/m C TOTAL kmol kmol C Coversa etaulu: C trat Cov.(% sau trat Cov.(% ca eta C C trat ca ca eta trat ca est eta est eta ca ca eta % 00 eta % 00 Blatul e baza gradulu de avasare a reacte: 0 Petru ( = : 0 kmol /m ξ ξ 0 kmol/m Petru C ( = -: 00 kmol C /m ξ 0 kmol C /m

5 Petru C ( = : ξ 0 kmol C /m BILANT DE ENERGIE Se tocmeste etru determarea cosumulu de eerge care soteste relucrarea materalelor rocese tehologce. Se bazeaza e blatul de materale. Este o exrese a leg coservar eerge: eerga u oate c creata, c dstrusa, c se trasorma dtr-o orma alta sau se trasera de la u cor la altul s, ca urmare: acumularea de eerge = eerg trate eerg este sau eerga ala a sstemulu eerga tala a sstemulu = eerga traserata /d sstem Cea ma geerala ecuate de blat de eerge etru u sstem deschs (ace schmb de matere cu exterorul la stare statoara, se scre: E c E QW ude = varata de caldura sub orma de etale; E = varata de eerge cetca; E = varata de eerge otetala; Q = caldura traserata sstem d medul exteror (oztva, r covete; W = lucrul eectuat de sstem asura medulu exteror. Petru u sstem chs (u schmba masa cu exterorul, ecuata de blat se scre: U E E Q W c ude: ΔU = varata de eerge tera; ΔE c = varata de eerge cetca; ΔE = varata de eerge otetala; Q = caldura traserata sstem d medul exteror (oztva, r covete; W = lucrul eectuat de sstem asura medulu exteror. Ecuatle de ma sus costtue ecuat geerale de blat de eerge ermtad ractc rezolvarea orcare robleme de blat de eerge. I rocesele chmce, terme coresuzator varate de eerge cetca s otetala sut eglabl ata de celalt terme ar ecuatle de blat dev: - etru u sstem deschs la stare statoara: - etru u sstem chs: U Q W QW Daca eerga traserata ca lucru mecac este eglabla, ecuatle de blat dev: - etru u sstem chs, la volum costat: Q U U U - etru u sstem chs, la resue costata: Q al c al tal tal

6 - etru u sstem deschs la stare statoara: Q ude este cattatea (masa sau mol d seca la alul sau ceutul rocesulu, debtul (masc sau molar cu care seca tra sau ese d roces, ar U s varata secca de eerge tera s, resectv, etale ata de o stare de reerta. De remarcat ca blatul de eerge rocesele chmce se reduce la u blat termc (blat de caldura. D ecuata blatulu termc, se determa: La roectare, cattatea de caldura care trebue trodusa d exteror. La urmarrea aaratelor uctue, erderle de caldura. NOTA BENE! Petru u sstem deschs la stare statoara, blatul de eerge se scre: U E c E QW Daca se te seama ca tr-u sstem deschs se eectueaza lucru mecac etru troducerea sstem a curetulu de reactat, ar curetul de rodus eectueaza lucru mecac la esrea d sstem, astel cat lucrul mecac eectuat de sstem ca urmare a curger se scre: W l P V P V ude P este resuea curetulu la trarea sau esrea d sstem, ar resectv. Ca urmare, lucrul mecac total eectuat de catre sstem este: W W s W ude W s l este lucrul mecac eectuat de artle moble d sstem sau ca electrctate sau radate. Tad seama ca = U + PV, ecuata de blat etru u sstem deschs deve: E c E QW Dec ecuata etru calculul, este, de at,. s W W s est trat V este este debtul volumc al curetulu Exsta doua metode etru calculul blatulu de caldura. Acestea vor lustrate cosderad ca exemlu u roces de combuste a roaulu etru care blatul de materale este cuoscut. Schema bloc a rocesulu este urmatoarea: Se cuoaste caldura reacte chmce: C 3 8 (g + 5O (g 3CO (g + O(l r 0 kj / mol

7 Metoda caldur de reacte Este utlzata de reerta cad roces are loc o sgura reacte chmca etru care se cuoaste caldura de reacte. Presuue urmatoarele etae:. Se calculeaza blatul de materale e reactor cat ma detalat osbl.. Se aleg starle de reerta etru calculul varatlor de etale secca. Cea ma bua alegere etru reactat s rodus este 5 C s atm (stare stadard starle de agregare etru care se cuoaste caldura de reacte (C 3 8 (g, O (g, CO (g s O(l exemlul cosderat, ar etru secle erte este starea stadard (N (g la 5 C s atm sau orce temeratura coveabla, cum ar temeratura la trarea reactor sau la esrea d reactor. 3. Petru o sgura reacte tr-u roces cotuu, se calculeaza gradul de avasare al reacte cu relata: 0 ecare react deedete :, sau, daca au loc react multle, se calculeaza gradul de avasare al 0. Se va alege ca sece orce reactat sau rodus etru care se cuosc debtele la trare s la esre. I exemlul cosderat se oate alege orce reactat sau rodus. Daca este roaul: C 3 8 C3 C mol / s. Etalle trate s este d roces se troduc tr-u tabel mreua cu cattatle mol ( sau debtele molare ( ale tuturor comoetelor care tra s es d sstem. Petru comoetele alate la starea de reerta valoarea tabelul este urmatorul: 0. Petru rocesul cosderat, 5. Se calculeaza ecare etale Ĥ ecuoscuta ca Ĥ coresuzator trecer de la starea de reerta la starea rocesulu, comletadu-se tabelul cu valorle obtute. Astel, exemlul cosderat: etru O (5 C O (300 C = 8,7 kj/mol ˆ

8 3 ˆ etru N (5 C N (300 C = 8, kj/mol etru O (5 C O (000 C = 3,7 kj/mol 5 etru N (5 C N (300 C = 30,5 kj/mol etru CO (5 C CO (000 C = 8,0 kj/mol 7 etru O(l, 5 C O(g, 000 C = 8.7 kj/mol. I acest ultm caz, etru a calcula varata de etale se ot utlza drect tabele de vaor sau se calculeaza tre etae: calzrea ae lchde de la 5 C la 00 C, evaorarea ae s calzrea vaorlor de la 00 C la 000 C: 00 C ldt 7 v(00 C C v dt. Se calculeaza etru reactor utlzad ua d urmatoarele relat: - etru o sgura reacte: r - etru react multle: r 5 Petru exemlul cosderat se utlzeaza rma relate, obtadu-se. 0 kj/s. 7. Se substtue valoarea gasta ecuata de blat s se comleteaza calculul. Metoda caldur de ormare Aceasta metoda este geeral reerabla cazul reactlor multle recum s etru cazul ue sgure react etru care Ĥ r u este usor accesbla.. Se calculeaza blatul de materale e reactor cat ma detalat osbl.. Se aleg starle de reerta etru calculul de etale (aceasta este etaa care dstge aceasta metoda de metoda recedeta. Trebue alese secle elemetare care costtue reactat s rodus starle care elemetele se gasesc la 5 C s atm [C(s, (g etc.] ar secle erte la orce temeratura coveabla. I exemlul cosderat, starle de reerta sut: C(s, (g s O (g la 5 C (secle elemetare care costtue reactat s rodus s N (g la 5 C (sau la temeratura de reerta musa de tabelul cu date termodamce la care avem acces. 3. Etalle trate s este d roces se troduc tr-u tabel mreua cu cattatle mol ( sau debtele molare ( ale tuturor comoetelor care tra s es d sstem. Petru rocesul cosderat, tabelul este urmatorul:

9 . Se calculeaza ecare etale secca Ĥ ecuoscuta. Petru ecare reactat sau rodus se cee cu secle elemetare starea de reerta (5 C s atm ormadu-se mol d ecare sece la 5 C s atm ( ˆ. Ao, se aduce ecare sece de la starea stadard la starea acestea d roces, calculadu-se Ĥ utlzad d tabele cu date termodamce caactatle calorce, etalle secce s caldurle latete coresuzatoare. Valoarea etale secce troduse tabelul de blat de ma sus este suma modcarlor de etale coresuzatoare ecare etae d acest roces. I exemlul cosderat, etala secca a roaulu trat roces ( Ĥ se calculeaza astel: 3 C(s(5 C, atm + (g(5 C, atm C 3 8 (g(5 C, atm ˆ ˆ 03.8 => kj/mol C3 8 ( g Aceasta este etala roaulu la 5 C (starea acestua d roces! ata de C(s s (g la 5 C (starea de reerta. Daca roaul ar trat la o temeratura T 0 alta decat 5 C, la caldura de ormare a roaulu ar trebu adaugat u terme de orma: T 0 5 C dt Petru O, se calculeaza etala secca la 300 C (starea d roces ata de starea de reerta (5 C sub orma Ĥ =8.7 kj/mol (d tabele sau r calcul. I acest caz u este u terme caldura de ormare trucat O este o sece elemetara. Se rocedeaza la el etru a calcula =8. kj/mol, =3.7 kj/mol, =30.5 kj/mol, Ĥ Ĥ3 Ĥ Ĥ5 = -3.9 kj/mol s Ĥ7 = -0. kj/mol. Petru a calcula Ĥ s Ĥ7, se ormeaza secle coresuzatoare [CO (g s, resectv, O(v] la 5 C d elemete ( ˆ, ao acestea se calzesc de la 5 la 000 C ( 000 C, ar ce do terme se adua. 5. Se calculeaza etru reactor. Atat etru o sgura reacte cat s etru react multle, aceasta se calculeaza cu relata: De otat ca trucat elemetele au ost alese ca reerta, u sut ecesare caldurle de reacte. Caldurle de reacte sut mlct cluse relata de ma sus, care caldurle de ormare a

10 reactatlor (cluse terme Ĥ sut scazute d cele ale roduslor (cluse terme Ĥ 5. Ilocud aceasta ecuate valorle s Ĥ calculate se obte. 0 kj/s.. Se substtue valoarea gasta ecuata de blat s se comleteaza calculul. Etaele coresuzatoare celor doua metode sut rerezetate schematc gura de ma os: Metoda caldur de reacte costa, dec, aducerea reactatlor de la starea care tra roces la starea lor de reerta la 5 C ( ˆ, realzarea reacte sau reactlor la 5 C ( ˆ sau ˆ, aducerea roduslor de la starea de reerta la 5 C r r la starea care es d roces ( ˆ, etru rocesul global calculadu-se r sumarea varatlor de etale coresuzatoare celor tre etae. Metoda caldur de ormare costa aducerea reactatlor de la starea care tra roces la elemetele lor costtuete la 5 C ( ˆ, trasormarea elemetelor rodus la starea care acesta es d roces ( ˆ urmata de sumarea varatlor de etale etru cele doua etae etru obterea etru rocesul global. Cazul reactoarelor adabatce I cazul recedet, codtle la trarea s esrea d reactor sut cuoscute, ar caldura ecesara rocesulu este determata d blatul termc. Exsta stuat care codtle la trarea reactor, caldura ecesara s comozta roduslor sut cuoscute, dar temeratura la esre trebue calculata. I acest caz trebue evaluate etalle roduslor ata de starle de reerta alese ucte de temeratura ala care este ecuoscuta, substtud exresle obtute blatul termc ( Q, sau 0 etru u reactor adabatc etru a calcula T. Exemlu: Dehdrogearea etaolulu la acetaldehda C 5 O(v C 3 CO(v + (g este realzata tr-u reactor adabatc. Etaolul stare de vaor este almetat reactor la 00 C, obtadu-se o coverse de 30%. Sa se calculeze temeratura rodusulu de reacte.

11 Solute Baza de calcul: 00 mol etaol trodus reactor. D blatul de materale se obt ormatle rerezetate schema bloc de ma os. Itrucat roces are loc o sgura reacte, etru calculul blatulu de caldura se ot alege ca reerta reactat s rodus (C 5 O(v, C 3 CO(v, (g sau elemetele lor costtuete.vom cosdera secle moleculare. Blatul de eerge etru u sstem deschs, eglad modcarle de eerge cetca s otetala s lucrul mecac s xad Q = 0 etru reactorul adabatc, se scre: r Calculul gradulu de avasare a reacte se ace utlzad orcare dtre reactat sau rodus. Utlzad acetaldehda se obte: C 3CO C 3CO C 3CO Calculul caldur de reacte stadard ˆ ˆ ˆ ˆ ( ( ˆ r C 5O v (( C 3CO( v (( r [( ( 35.3 ((. ((0] 9. kj / mol mol ( Calculul etale trate (caldura adusa sstem sub orma de etale: 00 C ( C C 5O 5 C ( C C ( T T T 5O v care T este C. ˆ kj / mol Calculul etallor este Petru cele tre sec d gazul eluet etala secca Ĥ ( g ( =,, 3 se calculeaza cu relata:

12 ( C C 3 CO T ad C 5 C ( T dt ( v T T ( C ( g T T kj T mol C 3 kj T mol C Ilocud ormulele etru caldurle molare exresa de ma sus s calculad tegralele, se obt tre ecuat olomale de ordul T ad : Petru C 5 O: ˆ ( / kj mol Tad Tad Tad 0.03Tad.58 Petru C 3 CO: ˆ ( / kj mol Tad Tad Tad Tad.303 Petru : ˆ ( kj / mol T T T 0.088T 0.70 ad ad ad ad Se rezolva ecuata de blat de caldura etru T ad : r (70.0mol (30.0mol (30.0mol (00.0mol 3 Ilocud 30.0mol, r 9. kj / mol, ˆ kj / mol s exresle etru Ĥ, Ĥ3 s Ĥ se obte: Tad.830 Tad Pr rezolvarea aceste ecuat se obte: T ad 85 C 3 T ad.73t ad 77 0 Cazul reactlor mlcad reactat s/sau rodus solute Modcarea de etale care soteste ormarea ue solut d elemetele solutulu s solvet la 5 C este umta caldura stadard de ormare a solute. Daca o solute cote mol de solvet er mol de solut, atuc: ˆ ˆ ˆ ( solute ude Ĥ s este caldura de dzolvare la 5 C. D detle Ĥ s Ĥ s, utatea de masura etru caldura de ormare a solute este (utate etru eerge/(mol de solut. Caldura stadard etru o reacte mlcad solut oate calculata d caldurle de ormare a solutlor. De exemlu, etru reacta NO 3 (aq, r = 5 + Ca(O (aq, r = Ca(NO 3 (aq, r = + O(l caldura stadard de reacte este. kj / r solut mol Ca( NO aq O l NO aq r 3 ( ( 3 (, 5 Ca( O ( aq, r Ultma ecuate arata ca daca o solute ce cote mol de NO 3 50 mol O (r = 5 este eutralzata la 5 C cu o solute ce cote mol de Ca(O dzolvat sucet de multa aa s 0

13 astel cat adaugarea ue cattat sulmetare de aa sa u roduca o modcare masurabla de etale (r =, modcarea de etale este de -. kj. Atuc cad caldura stadard de ormare a ue solut u este tabelata, aceasta se calculeaza r adaugarea la caldura stadard de ormare a solutulu ur a caldur stadard de dzolvare. Atuc cad se calculeaza rodus reactat etru o reacte mlcad u reactat sau u rodus solute, etala sa secca se masoara (utat de eerge/(mol de solut s dec, valoarea coresuzatoare trebue sa e mol sau debt molar de solut s u de solute! O stuate ma comlcata aare atuc cad trebue calculata etala secca a solute la o temeratura T (utat de eerge/(mol de solut cuoscadu-se caldura secca a solute care este uzual exrmata e utate de masa de solute s u de solut. I acest caz, trebue ma ta calculata masa m de solute care coresude uu mol de solut dzolvat, ao se adauga m T 5 ( c C solute dt la caldura stadard de ormare a solute. Alcate de calcul O solute de acd sulurc % (% mol este eutralzata tr-u reactor cotuu cu o solute de hdroxd de sodu 5 % (% mol. Reactat sut almetat reactor la 5 C. Caldurle secce ale tuturor solutlor se aroxmeaza ca d egale cu cea a ae lchde (,8 kj/kg C. a Sa se calculeze cattatea de caldura, exrmata kj/kg solute acd sulurc almetata, care trebue traserata la sau de la reactor (reczat! astel cat temeratura solute care ese d reactor sa e 0 C. b Care ar temeratura solute care ese d reactor daca acesta ar adabatc? Se dau caldurle stadard de ormare: (ΔĤ SO = -8,3 kj/mol; (ΔĤ (l NaO(s = -, kj/mol; (ΔĤ Na SO = -38,5 kj/mol; (ΔĤ (s O (l = -85,8 kj/mol; s caldurle stadard de dzolvare: (ΔĤ s SO = -73,3 kj/mol SO ; (ΔĤ s NaO = -,8 kj/mol NaO; (ΔĤ s Na SO = -, kj/mol Na SO. Solute a Ecuata reacte chmce care are loc este: SO (aq + NaO(aq Na SO (aq + O(l Baza de calcul: mol SO almetat roces. Schema bloc a rocesulu: mol SO 9 mol O 5 C mol NaO 38 mol O 5 C mol Na SO 89 mol O 0 C

14 Petru calculul blatulu de caldura vom utlza metoda caldur de ormare. Star de reerta: Na(s, (g, S(s, O (g la 5 C. Petru SO (aq, r = 9, 5 C: ˆ ˆ ( ˆ ( [( ( 9]( / 9( ˆ mol SO SO l s r kj mol ˆ [ 8,3 73,3] 9( 88,kJ 9( ( O l O( l ( O( l Petru NaO (aq, r = 9, 5 C: ˆ ( [( ˆ mol NaO ˆ ( r 9]( kj / mol 38( NaO ( s s O( l ( [,,8] 38( O l 939,8kJ 38( O( l ( ˆ Petru Na SO (aq, r = 89, 0 C: ˆ ˆ ˆ ( [( ( ] 89( ˆ mol NaSO Na ( m c (0 5 SO s NaSO O l ude m este masa de solute de Na SO ce cote mol de solut dzolvat s se calculeaza astel: mol Na SO = g 89 mol O = 89 8 = 0 g Dec, m = + 0 = 7 g =,7 kg, ar c c,8 kj / kg C O( l Ca urmare, etru Na SO (aq, r = 89, 0 C ˆ 7 89( ˆ kj Blatul de caldura: Q O( l ˆ ˆ ] [ 88, 9( 938,8 38( ˆ [ 7 89( ( ( ( ] O l O l O l 57, ( O( l 57, ( 85,8, 3kJ Masa de solute de acd sulurc almetata reactor este: 98 g SO ( mol g O = 980 g = 0,98 kg solute. Cattatea de caldura traserata de la reactor, exrmata kj/kg solute acd sulurc:,3kj,8 kj / kg 0,98kg b Daca reactorul este adabatc, caldura de,3 kj traserata codtle uctulu a va utlzata etru calzrea solute de sulat de sodu de la 0 C la temeratura T, astel:,3kj,7kg,8 kj / kg C ( T 0 Pr rezolvarea aceste ecuat se obte T = 3 C.