5469091287

4

Rozdział 1. Bilans materiałowy

Proces ciągły przebiegający tak, że człon odpowiadający akumulacji jest równy zeru lub tak mały, że można go pominąć, nazywa się procesem przebiegającym w stanie ustalonym. Dla takiego procesu bilans materiałowy sprowadza się do prostszej postaci:

[masowe natężenie przepływu strumieni dopływających]

= [masowe natężenie przepływu strumieni odpływających]

Natężenie przepływu masy można np. wyrażać w kg/s lub w kmol/s. W przypadku reakcji chemicznej wygodniej jest stosować tę drugą jednostkę i wtedy mówimy o molowym natężeniu przepływu strumienia. Termin „natężenie przepływu” bywa czasem zastępowany określeniem „strumień” i wtedy mówi się np. o strumieniu molowym bądź masowym.

Większość strumieni procesowych zawiera kilka rodzajów związków chemicznych, czyli składników. Jeżeli w obrębie układu nie zachodzą reakcje chemiczne, to dla każdego z przepływających składników w stanie ustalonym spełnione jest równanie:

[natężenie przepływu składnika dopływającego]

= [natężenie przepływu składnika odpływającego]

Założenie, że proces przebiega w stanie ustalonym, jest uproszczeniem. Szybkość akumulacji masy w rzeczywistym procesie może być mała, lecz nigdy nie jest dokładnie równa zeru. Natężenia przepływu nie są stałe, lecz zmieniają się wokół wartości średnich. Niemniej jednak koncepcja stanu ustalonego jest wyjątkowo przydatna do opisu średniej szybkości produkcji w procesach chemicznych¹.

1.1. Analiza bilansu materiałowego

Równanie bilansu materiałowego dla stanu ustalonego, gdy nie przebiegają reakcje chemiczne, wydaje się dość proste. Dla procesów o dużej liczbie strumieni wieloskładnikowych trudno jednak określić liczbę równań i liczbę niewiadomych bez przestrzegania następujących zasad postępowania (10 przykazań bilansu materiałowego), które sformułował Himmelblau [20]:

1.    Narysować schemat procesu, określić obszar bilansowania.

2.    Zaznaczyć strumienie (natężenie przepływu) i ich skład.

3.    Nanieść wartości znane.

4.    Nanieść lub wyszczególnić wartości nieznane.

5.    Określić liczbę niezależnych równań bilansowych i sprawdzić, czy układ tych równań można rozwiązać. Jeżeli nie, znaleźć dodatkowe dane lub założyć ich wartości.

6.    Wybrać układ odniesienia (jednostek).

7.    Ułożyć układ równań bilansowych do rozwiązania.

1

W dalszej części podręcznika wszystkie rozważania będą dotyczyć procesów⁷ w stanie ustalonym.