BILANTURI DE MATERIALE SI ENERGIE - Cadre Didactice
BILANTURI DE MATERIALE SI ENERGIE - Cadre Didactice
BILANTURI DE MATERIALE SI ENERGIE - Cadre Didactice
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>BILANTURI</strong> <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
<strong>SI</strong> <strong>ENERGIE</strong><br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
1
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Pentru proiectarea şi exploatarea instalaţilor<br />
industriilor de proces este necesară cunoaşterea<br />
– calitativă şi cantitativă – a materialelor care<br />
circulă prin fiecare punct al instalaţiei, în fiecare<br />
moment al funcţionării acesteia.<br />
o Materialele sunt definite prin:<br />
– speciile chimice,<br />
–compoziţia şi concentraţiile soluţiilor şi amestecurilor,<br />
– starea de agregare,<br />
–cantităţile sau debitele în punctele, secţiunile sau<br />
zonele care interesează.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
2
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Datele necesare elaborării şi rezolvării<br />
bilanţurilor de materiale sunt:<br />
o datele iniţiale (primare) referitoare la:<br />
– debitul (capacitatea) instalaţiei,<br />
– proprietăţile materiei prime,<br />
– proprietăţile produsului,<br />
– caracteristicile tehnologice specifice instalaţiei;<br />
o schema tehnologică a instalaţiei şi variantele<br />
posibile ale acesteia;<br />
o date stoichiometrice şi cinetice ale reacţiilor<br />
care decurg în instalaţie;<br />
o date asupra echilibrelor de reacţie şi de fază în<br />
sistemele existente în instalaţie.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
3
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oEcuaţia generală de bilanţ de materiale<br />
este expresia legii conservării materiei:<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
materiale<br />
intrate<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎡materiale⎤<br />
+ ⎢ ⎥ =<br />
⎣existente<br />
⎦<br />
o Termenii ecuaţiei reprezintă cantităţi sau<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
materiale<br />
iesite<br />
debite, exprimate prin masa (debitul masic)<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
+<br />
materiale<br />
ramase<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
4
oDiferenţa:<br />
A<br />
=<br />
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
materiale<br />
intrate<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
−<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
materiale<br />
iesite<br />
poartă denumirea de acumulare.<br />
o Pentru procesele continue, în regim<br />
staţionar, acumularea este nulă:<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
materiale<br />
intrate<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
=<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
=<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
materiale<br />
ramase<br />
materiale<br />
iesite<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
−<br />
⎡materiale⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎣existente⎦<br />
5
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
`Întocmirea bilanţului de materiale trebuie însoţită<br />
întotdeauna de precizarea:<br />
– incintei sau zonei din instalaţie la care se referă<br />
bilanţul (definirea conturului de bilanţ);<br />
– timpului în raport cu începutul prelucrării unei şarje<br />
(numai în cazul proceselor discontinue);<br />
– duratei de timp pentru care se întocmeşte bilanţul:<br />
• procese continue - pe unitatea de timp (secundă,<br />
oră, zi, an);<br />
• procese discontinue – cant. de subst. se raportează<br />
la o şarjă şi se recalculeaza la UM (kg, t, kmol etc.)<br />
de materie primă sau produs finit;<br />
• procese în regim tranzitoriu -bilanţurile sunt<br />
diferenţiale.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
6
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Se pot întocmi:<br />
o bilanţuri generale (totale sau globale), pentru<br />
întreaga instalaţie şi toate materialele prezente,<br />
o bilanţuri parţiale:<br />
– pentru întreaga instalaţie, dar numai pentru un singur<br />
material;<br />
– pentru toate materialele, dar numai pentru o parte a<br />
instalaţiei: un utilaj, o anumită zonă (bine definită) a<br />
unui utilaj, un element diferenţial de volum dintr-un<br />
utilaj;<br />
– pentru un singur material şi o parte a instalaţiei (utilaj,<br />
element de utilaj, element diferenţial de volum).<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
7
Bilant general - exemplu<br />
SULF AER<br />
Topire-filtrare sulf<br />
Ardere sulf<br />
Oxidare catalitica<br />
SO 2 la SO 3<br />
Filtrare aer<br />
Uscare aer /<br />
Diluare H 2 SO 4<br />
Absorbtie SO 3<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
H 2 SO 4<br />
H 2 SO 4<br />
ACID<br />
SULFURIC<br />
8
Bilant partial - exemplu<br />
SULF<br />
Topire-filtrare sulf<br />
Ardere sulf<br />
Oxidare catalitica<br />
SO 2 la SO 3<br />
Bilantul sulfului in intreaga instalatie<br />
Uscare aer /<br />
Diluare H 2 SO 4<br />
Absorbtie SO 3<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
H 2 SO 4<br />
H 2 SO 4<br />
ACID<br />
SULFURIC<br />
9
Bilant partial - exemplu<br />
Bilantul tuturor materialelor in reactorul de contact<br />
Gaze sulfuroase: SO 2; O 2; N 2<br />
Oxidare catalitica<br />
SO 2 la SO 3<br />
Gaze sulfuroase oxidate: SO 3; SO 2; O 2; N 2<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
10
Bilant partial - exemplu<br />
Bilantul SO 2 intr-un strat de catalizator din reactorul de contact<br />
SO 2 la intrare in strat<br />
Strat de catalizator<br />
SO 2 la iesire din strat<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
11
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Materialele luate în considerare în bilanţuri pot fi:<br />
o specii chimice bine definite (specii moleculare,<br />
ioni, radicali, atomi);<br />
o materiale de compoziţie nedefinită (steril,<br />
reziduu, cenuşă, etc.).<br />
Cu ajutorul ecuaţiilor de bilanţ de materiale pot fi<br />
obţinute informaţii precise asupra circulaţiei<br />
materialelor pentru care determinările directe<br />
(prin cântărire sau măsurare) lipsesc sau prezintă<br />
inconveniente.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
12
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Exprimarea compoziţiei masei de reacţie<br />
o masă de reacţie = totalitatea componentelor<br />
–reactanţi,<br />
–produşi de reacţie,<br />
– materiale inerte,<br />
– catalizatori<br />
care se găsesc la un moment dat în:<br />
–o instalaţie,<br />
–un utilaj,<br />
– o porţiune de utilaj,<br />
– un element diferenţial de volum.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
13
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o La modul cel mai general, masa de reacţie<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
este alcătuită din “p” reactanţi A I, “q”<br />
produşi de reacţie A I’ şi “r” inerte A I”,<br />
ecuaţia caracteristică a procesului de<br />
transformare are forma:<br />
⎤<br />
p<br />
r<br />
q<br />
p<br />
r<br />
∑ ∑ Ai<br />
Ai<br />
"<br />
⎥ → ⎢ Ai<br />
' + Ai<br />
+<br />
⎥ ⎢<br />
i = 1 i = 1 ⎦ m ⎣ i = 1<br />
i = 1 i = 1<br />
⎡<br />
∑ ∑ ∑<br />
+<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
A<br />
i<br />
⎤<br />
" ⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
m<br />
14
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Compoziţia masei de reacţie se poate<br />
exprima prin:<br />
o mărimi extensive (număr de moli, mase,<br />
volume)<br />
o mărimi intensive (fracţii molare, masice,<br />
volumice, rapoarte molare, masice,<br />
volumice, concentraţii molare, masice,<br />
volumice, etc.).<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
15
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Mărimile extensive:<br />
n L n Ln<br />
Ai<br />
Ai<br />
' Ai<br />
"<br />
Ln<br />
– exprimate în [kmol] sau [kmol/s];<br />
m L m Lm<br />
Ai<br />
Ai<br />
'<br />
Ai<br />
"<br />
– exprimate în [kg] sau [kg/s];<br />
V L V LV<br />
Ai<br />
Ai<br />
'<br />
Ai<br />
"<br />
– exprimate în [m 3 ] sau [m 3 /s].<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
T<br />
Lm<br />
LV<br />
T<br />
T<br />
16
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oMărimile extensive sunt aditive (inclusiv<br />
volumele, în cazul gazelor ideale).<br />
o Ca urmare:<br />
n<br />
T<br />
m<br />
V<br />
T<br />
T<br />
=<br />
=<br />
=<br />
N<br />
∑<br />
1<br />
N<br />
∑<br />
N<br />
∑<br />
1<br />
1<br />
n<br />
V<br />
i<br />
i<br />
m<br />
=<br />
i<br />
=<br />
∑ ∑ ∑<br />
n + n +<br />
=<br />
p<br />
i = 1 i = 1 i = 1<br />
∑ ∑ ∑<br />
m + m +<br />
p<br />
p<br />
A<br />
i = 1 i = 1 i = 1<br />
∑ ∑ ∑<br />
V + V +<br />
A<br />
i<br />
i<br />
A<br />
i<br />
i = 1 i = 1 i = 1<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
q<br />
q<br />
q<br />
A<br />
A<br />
i<br />
i<br />
'<br />
'<br />
A<br />
i<br />
'<br />
r<br />
r<br />
r<br />
n<br />
V<br />
A<br />
A<br />
i<br />
i<br />
"<br />
"<br />
m<br />
A<br />
i<br />
"<br />
17
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oÎntre mărimile extensive se stabilesc<br />
relaţiile:<br />
în care<br />
m<br />
n = i respectiv<br />
n =<br />
i<br />
M<br />
i<br />
–MI = masele molare [kg/kmol],<br />
–VMi = volumele molare [m3 /kmol]<br />
ale componenţilor “i”.<br />
i<br />
V<br />
V<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
i<br />
Mi<br />
18
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Mărimile intensive =“concentraţii”<br />
o NU depind de cantitatea de substanţă din<br />
sistem.<br />
o Pentru amestecuri omogene (inclusiv solutii)<br />
se folosesc fractii:<br />
– molare<br />
– masice<br />
–volumice<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
19
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Fracţia molară a unui component oarecare<br />
= raportul dintre nr. de moli ai comp. (n i) şi<br />
nr. total de moli din sistem (n T).<br />
o Pentru un sistem format din z componente,<br />
x<br />
fracţia molară a unui component oarecare i<br />
va fi:<br />
i<br />
=<br />
n<br />
1<br />
+<br />
n<br />
2<br />
n<br />
i<br />
+ ⋅⋅⋅<br />
+<br />
n<br />
z<br />
=<br />
n<br />
n<br />
i<br />
T<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
kmoli<br />
de<br />
kmoli<br />
component<br />
amestec<br />
i<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
20
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Fracţia masică a unui component = raportul<br />
dintre masa de component i din amestec<br />
(m i) şi masa totală a amestecului (m T):<br />
x<br />
i<br />
=<br />
m<br />
1<br />
+<br />
m<br />
2<br />
m<br />
i<br />
+ ⋅⋅⋅<br />
+<br />
m<br />
z<br />
=<br />
m<br />
m<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
i<br />
T<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
kg<br />
de<br />
kg<br />
component<br />
amestec<br />
i<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
21
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Fracţia volumică = raportul dintre volumul<br />
y<br />
unui component oarecare i din amestec (V i)<br />
şi volumul total (V T) al amestecului:<br />
i<br />
=<br />
V<br />
1<br />
+ V<br />
2<br />
V<br />
i<br />
+<br />
⋅⋅⋅<br />
+ V<br />
z<br />
=<br />
V<br />
V<br />
i<br />
T<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
m<br />
3<br />
de<br />
m<br />
3<br />
component<br />
amestec<br />
i<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
22
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Pt. vapori şi gaze, compoziţia se poate<br />
exprima şi prin presiunile parţiale ale<br />
componenţilor, calculate din legea Dalton:<br />
p =<br />
y ⋅<br />
i<br />
o În cazul gazelor şi vaporilor, fracţiile<br />
(procentele) molare sunt numeric egale cu<br />
fracţiile (procentele) de volum.<br />
o Egalitatea nu este valabilă însă în cazul<br />
lichidelor şi solidelor.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
i<br />
P<br />
T<br />
23
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Se poate demonstra uşor că suma fracţiilor<br />
tuturor componentelor din sistem este<br />
egală cu unitatea:<br />
z<br />
∑i<br />
= 1<br />
z<br />
∑i<br />
= 1<br />
z<br />
∑i<br />
= 1<br />
x<br />
x<br />
y<br />
i<br />
i<br />
i<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n<br />
n<br />
1<br />
T<br />
m<br />
m<br />
V<br />
V<br />
1<br />
T<br />
1<br />
T<br />
+ L<br />
+<br />
+ L +<br />
n<br />
n<br />
V<br />
+ L +<br />
V<br />
i<br />
T<br />
m<br />
m<br />
i<br />
T<br />
i<br />
T<br />
n<br />
+ L<br />
n<br />
m<br />
+ L<br />
m<br />
V<br />
+ L<br />
V<br />
z<br />
T<br />
z<br />
T<br />
=<br />
z<br />
T<br />
=<br />
=<br />
V<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
n<br />
1<br />
1<br />
+ L + n<br />
n<br />
m<br />
1<br />
+ L + V<br />
V<br />
i<br />
i<br />
T<br />
+ L + m<br />
m<br />
T<br />
+ L + n<br />
i<br />
T<br />
+ L + V<br />
z<br />
z<br />
=<br />
+ L + m<br />
=<br />
n<br />
n<br />
z<br />
V<br />
V<br />
T<br />
T<br />
T<br />
T<br />
=<br />
= 1<br />
m<br />
m<br />
= 1<br />
T<br />
T<br />
= 1<br />
24
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Raportul molar = raportul dintre nr. de moli a doi<br />
componenţi dintr-un amestec.<br />
o Pt. un amestec cu z componenţi, conc. unui comp.<br />
oarecare i se poate exprima în raport cu oricare<br />
dintre ceilalţi (z – 1) componenţi:<br />
X<br />
X<br />
M<br />
X<br />
i , 1<br />
i , 2<br />
i , z<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n<br />
n<br />
i<br />
1<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
i<br />
2<br />
i<br />
z<br />
⎡kmoli<br />
de component<br />
⎢<br />
⎣kmoli<br />
de component<br />
⎡ kmoli de component<br />
⎢<br />
⎣kmoli<br />
de component<br />
⎡ kmoli de component<br />
⎢<br />
⎣kmoli<br />
de component<br />
i ⎤<br />
1<br />
⎥<br />
⎦<br />
i<br />
2<br />
i<br />
z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Acest mod de exprimare a<br />
concentraţiei se utilizează<br />
frecvent în calculul<br />
operaţiilor de EXTRACŢIE.<br />
25
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Raportul masic = raportul dintre masele a doi<br />
componenţi dintr-un amestec.<br />
o Pt. un amestec cu z componenţi, se pot scrie<br />
următoarele rapoarte masice pentru un comp. i în<br />
raport cu oricare dintre ceilalţi (z – 1) comp.:<br />
X<br />
X<br />
M<br />
X<br />
i , 1<br />
i , 2<br />
i , z<br />
=<br />
=<br />
=<br />
m<br />
m<br />
i<br />
1<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
i<br />
2<br />
i<br />
z<br />
⎡kg<br />
de component<br />
⎢<br />
⎣kg<br />
de component<br />
⎡ kg de component<br />
⎢<br />
⎣kg<br />
de component<br />
⎡ kg de component<br />
⎢<br />
⎣kg<br />
de component<br />
i ⎤<br />
⎥<br />
1⎦<br />
i<br />
2<br />
i<br />
z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
Acest mod de exprimare a<br />
concentraţiei se utilizează<br />
frecvent în calculul<br />
operaţiilor de CRISTALIZARE<br />
DIN SOLUŢII BINARE .<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
26
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Rapoarte volumice -Fie V 1 ,V 2 ,...,V i ,...,V z volumele<br />
componenţilor 1,2,...,i,...,z aflaţi în amestec.<br />
Concentraţiile componentului i sub formă de<br />
rapoarte volumice se scriu:<br />
Y<br />
Y<br />
M<br />
Y<br />
i , 1<br />
i , 2<br />
i , z<br />
=<br />
=<br />
=<br />
V<br />
V<br />
i<br />
1<br />
V<br />
V<br />
i<br />
V<br />
V<br />
2<br />
i<br />
z<br />
⎡m<br />
⎢<br />
⎣m<br />
3<br />
3<br />
⎡m<br />
⎢<br />
⎣ m<br />
3<br />
⎡ m<br />
⎢<br />
⎣m<br />
3<br />
3<br />
3<br />
de component<br />
de component<br />
de component<br />
de component<br />
de component<br />
de component<br />
i ⎤<br />
⎥<br />
1⎦<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
i<br />
2<br />
i<br />
z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
27
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Trecerea de la fracţii la rapoarte şi invers se<br />
face cu relaţii de forma:<br />
x<br />
i<br />
X<br />
i<br />
=<br />
=<br />
X<br />
1+<br />
x<br />
1−<br />
i<br />
X<br />
i<br />
x<br />
i<br />
i<br />
;<br />
;<br />
x<br />
i<br />
X<br />
i<br />
=<br />
=<br />
X<br />
1+<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
x<br />
1−<br />
i<br />
X<br />
i<br />
x<br />
i<br />
i<br />
;<br />
;<br />
y<br />
Y<br />
i<br />
i<br />
=<br />
=<br />
Y<br />
1+<br />
y<br />
1−<br />
i<br />
i<br />
Y<br />
y<br />
i<br />
i<br />
28
BILANŢUL <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oÎn practică se mai utilizează exprimarea<br />
concentraţiei prin:<br />
– Masa sau nr de moli dintr-un component din<br />
unitatea de volum (kg/m 3 , respectiv kmol/m 3 ).<br />
– Daca se utilizează litrul ca unitate de volum,<br />
concentraţiile se exprimă în kg/L (g/L) sau<br />
kmol/L (mol/L).<br />
– Conc. soluţiilor utilizate în analiza chimică se<br />
pot exprima şi sub forma titrului, adică în g/mL.<br />
– Uneori concentraţia soluţiilor (solubilitatea) se<br />
exprimă în grame de solut (substanţă dizolvată)<br />
la 100 g solvent (dizolvant).<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
29
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
COM-<br />
PO-<br />
NENT<br />
A i<br />
.<br />
.<br />
.<br />
A i’<br />
.<br />
.<br />
.<br />
A i”<br />
TOTAL<br />
kmol<br />
[kmol/s]<br />
a<br />
n Ai .<br />
.<br />
.<br />
a<br />
nAi '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
a<br />
n Ai "<br />
a<br />
nT<br />
INTRARE (ALIMENTARE)<br />
kg<br />
[kg/s]<br />
a<br />
m Ai .<br />
.<br />
.<br />
a<br />
m Ai '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
a<br />
m Ai "<br />
a<br />
mT<br />
m 3<br />
[m 3 /s]<br />
V<br />
.<br />
.<br />
.<br />
.<br />
.<br />
.<br />
a<br />
A i<br />
a<br />
VAi '<br />
a<br />
V "<br />
A i<br />
a<br />
VT<br />
Fracţii<br />
molare<br />
a<br />
x Ai .<br />
.<br />
.<br />
a<br />
x Ai '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
a<br />
x Ai "<br />
1<br />
Fracţii<br />
masice<br />
a<br />
x Ai .<br />
.<br />
.<br />
a<br />
x Ai '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
a<br />
x Ai "<br />
1<br />
kmol<br />
[kmol/s]<br />
e<br />
n Ai Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
nAi '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
n Ai "<br />
e<br />
nT<br />
IEŞIRE (EVACUARE)<br />
kg<br />
[kg/s]<br />
e<br />
mAi<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
mAi '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
m Ai "<br />
e<br />
mT<br />
m 3<br />
[m 3 /s]<br />
V<br />
.<br />
.<br />
.<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
A i<br />
e<br />
VAi '<br />
e<br />
V "<br />
A i<br />
e<br />
VT<br />
Fracţii<br />
molare<br />
e<br />
xAi<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
xAi '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
x Ai "<br />
1<br />
Fracţii<br />
masice<br />
e<br />
xAi<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
x Ai '<br />
.<br />
.<br />
.<br />
e<br />
x Ai "<br />
1<br />
30
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oMărimile iniţiale sunt cunoscute fie din<br />
măsurarea directă, fie din bilanţul<br />
procesului precedent.<br />
o Pentru determinarea compoziţiei finale,<br />
fără a efectua o analiză completă a masei<br />
de reacţie, se utilizează modelele<br />
matematice de bilanţ de materiale.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
31
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Uneori, pentru a fi mai sugestiv, bilanţul de<br />
materiale se reprezintă sub formă grafică,<br />
cunoscută sub denumirea de diagrama Sankey.<br />
o Diagrama Sankey = o schemă cantitativă a fluxului<br />
tehnologic, reprezentată la scară.<br />
o Fazele, operaţiile sau utilajele procesului =<br />
dreptunghiuri din care şi spre care pornesc şi<br />
sosesc fluxurile de materiale, reprezentate sub<br />
forma unor benzi colorate sau haşurate diferit.<br />
oLăţimea benzilor care reprezintă fluxurile de<br />
materiale este proporţională cu cantităţile de<br />
materiale care participă la fluxul tehnologic.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
32
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Diagrama Sankey la gazeificarea carbunilor<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
33
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Instalatia de<br />
evaporare cu<br />
compresie<br />
mecanica de<br />
vapori:<br />
Abur<br />
primar<br />
TC<br />
SD<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Extra abur<br />
Abur secundar<br />
(agent termic)<br />
condens<br />
SC<br />
34
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Instalatia de<br />
evaporare cu<br />
compresie<br />
mecanica de<br />
vapori:<br />
A - Sol. diluata<br />
B - Abur secundar<br />
B1 - Extraabur<br />
C - Sol. concentrata<br />
D - Abur primar<br />
E – Condens<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
35
EXPRIMAREA BILANŢULUI <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
Abur<br />
Primar (D)<br />
TC<br />
SD (A)<br />
Extra abur (B1)<br />
Abur secundar B)<br />
(agent termic)<br />
Condens (E)<br />
SC (C)<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
36
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oÎn chimia fizică este utilizat gradul de<br />
avansare al unei reacţii chimice, definit<br />
prin relaţia:<br />
Λ<br />
=<br />
n<br />
a<br />
Ai<br />
ν<br />
−<br />
Ai<br />
n<br />
e<br />
Ai<br />
o Principalul avantaj al utilizării gradului de<br />
avansare constă în faptul că acesta este<br />
Ai '<br />
unic pentru toţi participanţii la reacţie.<br />
=<br />
n<br />
e<br />
Ai<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
'<br />
ν<br />
−<br />
n<br />
a<br />
Ai<br />
'<br />
(20)<br />
37
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o În ingineria proceselor fizice si chimice se<br />
utilizează cu precădere gradul de<br />
transformare (conversie, grad de<br />
conversie) al reactantului cheie<br />
(reactantului valoros).<br />
oFie A k reactantul cheie al unei reacţii de<br />
forma generală:<br />
ν<br />
Ai<br />
A ν<br />
i<br />
= A '<br />
Ai ' i<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(21)<br />
38
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Gradul de transformare al reactantului<br />
cheie, η Ak, se defineşte ca:<br />
η<br />
Ak<br />
=<br />
n<br />
a<br />
Ak<br />
n<br />
−<br />
a<br />
Ak<br />
n<br />
e<br />
Ak<br />
=<br />
n<br />
ν<br />
ν<br />
a<br />
Ai<br />
Ai<br />
Ak<br />
−<br />
n<br />
⋅n<br />
e<br />
Ai<br />
a<br />
Ak<br />
=<br />
n<br />
ν<br />
ν<br />
e<br />
Ai<br />
Ai '<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
'<br />
−<br />
n<br />
⋅n<br />
a<br />
Ai<br />
a<br />
Ak<br />
'<br />
(22)<br />
39
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Principalul avantaj al utilizării gradului de<br />
transformare decurge din faptul că acesta<br />
variază întotdeauna între 0 şi 1.<br />
oDin relaţiile (20) şi (22) rezultă relaţia de<br />
legătură dintre gradul de avansare al<br />
reacţiei şi gradul de transformare al<br />
componentului cheie:<br />
η<br />
Ak<br />
ν<br />
= Ak<br />
n<br />
a<br />
Ak<br />
Λ<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
(23)<br />
40
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
= 1<br />
oCând ν Ak = 1 şi mol, atunci .<br />
o Orice reacţie chimică poate fi scrisă astfel<br />
încât ν Ak = 1, dar într-un proces industrial<br />
concret nu se poate considera mol.<br />
o Utilizarea gradului de transformare pentru<br />
întocmirea bilanţurilor este nu numai<br />
avantajoasă, dar şi necesară.<br />
n<br />
a<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
n<br />
η Ak<br />
a<br />
Ak<br />
= 1<br />
=<br />
Λ<br />
41
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Proces omogen (masă de reacţie<br />
monofazică) descris de o singură ecuaţie<br />
stoichiometric independentă, ec. algebrice<br />
primare de bilanţ de masă din ec. (22):<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
e<br />
Ak<br />
e<br />
Ai<br />
e<br />
Ai '<br />
e<br />
Ai "<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
a<br />
Ak<br />
a<br />
Ai<br />
a<br />
Ai '<br />
a<br />
Ai "<br />
⋅<br />
( 1−η<br />
)<br />
ν<br />
−<br />
ν<br />
ν<br />
+<br />
ν<br />
Ai '<br />
a<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Ai<br />
Ak<br />
Ak<br />
Ak<br />
⋅n<br />
a<br />
Ak<br />
⋅ n<br />
⋅η<br />
Ak<br />
⋅η<br />
Ak<br />
(24)<br />
42
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Însumând ec. (24) nr. total de moli la<br />
ieşirea din sistem (debitul molar final – în<br />
cazul proceselor continue):<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
Σν<br />
− Σ<br />
= n<br />
a<br />
⋅ + Ai '<br />
Ai ⋅ x<br />
a<br />
⋅<br />
T<br />
Ak Ak<br />
ν<br />
n<br />
e<br />
η<br />
T<br />
ν Ak<br />
1 (25)<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
43
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oNotând cu α expresia:<br />
α<br />
=<br />
Σ<br />
ν<br />
ecuaţia (25) devine:<br />
e<br />
T<br />
a<br />
T<br />
− Σν<br />
Ai '<br />
Ai ⋅ x<br />
ν<br />
Ak<br />
a<br />
Ak<br />
( + α ⋅ )<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(26)<br />
n = n ⋅ 1 η<br />
(27)<br />
44
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oMărimea α :<br />
– α < 0 - procese care decurg cu<br />
micşorarea numărului de moli,<br />
– α > 0 - procese care decurg cu mărirea<br />
numărului de moli,<br />
– α = 0 - procese care decurg fără variaţia<br />
numărului de moli.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
45
EXEMPLE<br />
– α < 0 -micşorarea numărului de moli:<br />
– sinteza amoniacului:<br />
N + 3H ⇔ 2NH<br />
2<br />
– oxidarea catalitica a SO 2 :<br />
2<br />
SO +<br />
1 2O<br />
⇔ SO<br />
2<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
2<br />
3<br />
3<br />
46
EXEMPLE<br />
– α > 0 -mărirea numărului de moli:<br />
– reformarea metanului cu abur:<br />
CH + H O ⇔ CO +<br />
4<br />
– oxidarea catalitica a amoniacului:<br />
2<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
3H<br />
4 NH +<br />
5O<br />
⇔ 4NO<br />
+ 6H<br />
O<br />
3 2<br />
2<br />
2<br />
47
EXEMPLE<br />
– α = 0 -fără variaţia numărului de moli:<br />
– sinteza HCl din elemente:<br />
H + Cl ⇔ 2<br />
2 2<br />
– sinteza NO din elemente:<br />
N +<br />
O ⇔ 2<br />
2 2<br />
HCl<br />
NO<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
48
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oEcuaţiile (24), împreună cu ecuaţia (27)<br />
alcătuiesc modelul algebric de bilanţ de<br />
masă primar al procesului considerat.<br />
o Când masa de reacţie se comportă ca un amestec<br />
de gaze ideale, ecuaţiile modelului pot fi<br />
exprimate şi în funcţie de volume, sau de unităţi<br />
masice, utilizând relaţiile de transformare<br />
corespunzătoare.<br />
m<br />
n = i respectiv<br />
n =<br />
i<br />
M<br />
i<br />
i<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
V<br />
V<br />
i<br />
Mi<br />
49
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Rezolvarea modelului algebric de bilanţ de<br />
masă primar implică cunoaşterea – pe lângă<br />
mărimile de intrare – şi a gradului de<br />
transformare η Ak.<br />
o Acesta nu este o mărime direct măsurabilă,<br />
determinându-se prin măsurarea unei<br />
concentraţii la ieşire din proces.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
50
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
e<br />
oDacă, de exemplu, se măsoară x , aceasta<br />
poate fi definită – utilizând definiţia<br />
fracţiei molare şi modelul algebric de bilanţ<br />
primar – ca fiind:<br />
x<br />
e<br />
Ak<br />
a<br />
Ak<br />
x ⋅<br />
=<br />
1+<br />
( 1−η<br />
)<br />
α<br />
η<br />
Ak<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
Ak<br />
(28)<br />
51
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Din (28) se poate exprima gradul de<br />
transformare η Ak, funcţie numai de mărimi<br />
cunoscute:<br />
η<br />
Ak<br />
=<br />
x<br />
x<br />
a<br />
Ak<br />
a<br />
Ak<br />
+<br />
−<br />
α<br />
x<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
e<br />
Ak<br />
x<br />
e<br />
Ak<br />
(29)<br />
52
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
oDacă masa de reacţie este polifazică, sau<br />
dacă în masa de reacţie au loc reacţii<br />
multiple:<br />
– se defineşte câte un grad de transformare<br />
pentru fiecare reacţie stoichiometric<br />
independentă şi/sau pentru fiecare<br />
transformare de fază.<br />
– elaborarea modelului algebric de bilanţ de masă<br />
trebuie să ţină cont de succesiunea<br />
desfăşurării în timp a proceselor independente<br />
considerate.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
53
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Ecuaţiile secundare de bilanţ de masă<br />
–se obţin din ecuaţiile primare prin înlocuirea<br />
gradului de transformare funcţie de mărimile<br />
de intrare şi de ieşire măsurate direct.<br />
–Dacă se măsoară direct concentraţia<br />
e<br />
reactantului valoros, x , gradul de<br />
transformare se exprimă din ecuaţia de bilanţ<br />
a componentului valoros (24 a):<br />
e<br />
Ak<br />
a<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Ak<br />
( − )<br />
n = n ⋅ 1 η<br />
(24a)<br />
a<br />
Ak<br />
Ak<br />
a<br />
Ak<br />
n ⋅η = n −<br />
Ak<br />
n<br />
e<br />
Ak<br />
(30)<br />
54
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Înlocuind (30) în ecuaţiile (24) se obţine:<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
e<br />
Ak<br />
e<br />
Ai<br />
e<br />
Ai<br />
e<br />
Ai<br />
'<br />
"<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
a<br />
Ak<br />
a<br />
Ai<br />
a<br />
Ai<br />
a<br />
Ai<br />
'<br />
"<br />
−<br />
−<br />
+<br />
( a e ) n − n<br />
ν<br />
ν<br />
ν<br />
ν<br />
Ai<br />
Ak<br />
Ak<br />
Ai '<br />
Ak<br />
⋅<br />
( a e ) n − n<br />
⋅<br />
( a e ) n − n<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Ak<br />
Ak<br />
Ak<br />
Ak<br />
Ak<br />
(31)<br />
55
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Însumând relaţiile (31) se obţine expresia<br />
numărului total de moli:<br />
n<br />
e<br />
T<br />
=<br />
unde<br />
n<br />
a<br />
T<br />
1+<br />
⋅<br />
1+<br />
β<br />
β<br />
β<br />
⋅<br />
⋅<br />
=<br />
a<br />
Ak<br />
e<br />
Ak<br />
Ai'<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
x<br />
x<br />
Σν<br />
ν<br />
−<br />
Σν<br />
Ai<br />
(32)<br />
56
MO<strong>DE</strong>LE MATEMATICE <strong>DE</strong> BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong><br />
o Înlocuind (32) în ecuaţiile (31), ţinând cont de<br />
ecuaţia de definiţie a fracţiei molare se obţine<br />
modelul algebric de bilanţ de masă secundar:<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
e<br />
Ak<br />
e<br />
Ai<br />
e<br />
Ai "<br />
=<br />
=<br />
=<br />
n<br />
n<br />
n<br />
a<br />
T<br />
a<br />
T<br />
a<br />
T<br />
a<br />
Ai<br />
a<br />
Ai "<br />
a<br />
Ak<br />
e<br />
Ak<br />
e<br />
ak<br />
Ai<br />
Ak<br />
( a<br />
x −γ<br />
)<br />
( a<br />
x −γ<br />
)<br />
e a a Ai '<br />
e<br />
Ai ' T ⎢ Ai '<br />
Ak<br />
Ak ⎥<br />
(33)<br />
ν Ak<br />
=<br />
n<br />
⋅γ<br />
⋅ x<br />
⎡<br />
⋅ ⎢x<br />
⎣<br />
⎡<br />
⋅ x<br />
⎣<br />
⋅ x<br />
1+<br />
β ⋅ x<br />
γ =<br />
1+<br />
β ⋅ x<br />
ν<br />
−<br />
ν<br />
ν<br />
−<br />
⋅<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
Ak<br />
⋅ x<br />
⋅ x<br />
e<br />
Ak<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎦<br />
57
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM STAŢIONAR<br />
A E<br />
v a ,<br />
ρ a ,<br />
S a<br />
a<br />
a<br />
a<br />
R<br />
e<br />
v e ,<br />
ρ e ,<br />
S e<br />
v ⋅ ρ ⋅S<br />
= v ⋅ ρ ⋅S<br />
(34)<br />
e<br />
e<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
În conformitate cu<br />
schema din figura,<br />
se consideră că în<br />
recipientul R, aflat în<br />
regim staţionar, intră<br />
fluidul A şi iese fluidul E.<br />
Egalitatea debitelor<br />
celor două fluide, în<br />
conformitate cu ecuaţia<br />
conservarii masei este<br />
dată de relaţia (34):<br />
58
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM STAŢIONAR<br />
oDacă în recipient intră şi ies mai multe<br />
fluide, ecuaţia (34) devine:<br />
∑a<br />
∑e<br />
a a a<br />
e e<br />
v ⋅ ρ ⋅S<br />
= v ⋅ ρ<br />
o În cazul conductelor circulare (S = πd 2 /4),<br />
⋅S<br />
ecuaţia de bilanţ capătă forma:<br />
∑a<br />
v<br />
a<br />
⋅<br />
a<br />
⋅<br />
( ) ∑<br />
a 2<br />
e e<br />
= ⋅ ⋅(<br />
e<br />
d<br />
v d ) ρ<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
e<br />
e<br />
2<br />
(35)<br />
ρ (36)<br />
59
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM STAŢIONAR<br />
oEcuaţia de bilanţ a componentului A k din fluid are<br />
forma:<br />
oÎn ecuaţiile de mai sus:<br />
–v= viteza fluidului, măsurată perpendicular pe<br />
secţiunea conductei [m/s],<br />
– ρ = densitatea fluidului [kg/m3 ],<br />
–S=aria secţiunii conductei [m2 ∑ ∑<br />
a a a a<br />
e e e e<br />
v ⋅ ⋅ x Ak ⋅S<br />
= v ⋅ ρ ⋅ x Ak ⋅S<br />
a<br />
e<br />
],<br />
–d= diametrul interior al conductei [m],<br />
ρ (37)<br />
– x<br />
= fracţia masică a componentului Ak în fluid<br />
Ak<br />
[adimensional].<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
60
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM STAŢIONAR<br />
oIndicii “a” şi “e” se referă la fluide<br />
alimentate, respectiv evacuate din<br />
recipient,<br />
o Sumele după “a” respectiv după “e” cuprind<br />
toate fluidele alimentate, respectiv<br />
evacuate.<br />
oProdusul vx ρ cu unităţile [kg/(m 2 .s)]<br />
poartă denumirea de viteză masică sau<br />
flux.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
61
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM STAŢIONAR<br />
oDacă amestecarea în recipientul R poate fi<br />
considerată perfectă, atunci<br />
e<br />
ρ şi<br />
e<br />
x<br />
au<br />
aceleaşi valori în toate conductele de<br />
evacuare din recipient.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Ak<br />
62
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
oCondiţia de regim nestaţionar implică<br />
variaţia în timp a parametrilor procesului,<br />
inclusiv variaţia acumulării <br />
o bilanţul de materiale se întocmeşte pentru<br />
un interval de timp infinitezimal, dt.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
63
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
A E<br />
v a ,<br />
ρ a ,<br />
S a<br />
R<br />
v e ,<br />
ρ e ,<br />
S e<br />
oecuaţia bilanţului de materiale în regim<br />
nestaţionar are expresia:<br />
∑a<br />
v<br />
a<br />
∑<br />
a a<br />
e e e ⎛ ∂M<br />
⎞<br />
⋅ ρ ⋅S<br />
⋅dt<br />
+ M = v ⋅ ρ ⋅S<br />
⋅dt<br />
+ ⎜M<br />
+ ⋅dt<br />
⎟ (38)<br />
⎝ ∂t<br />
⎠<br />
e<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
64
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
o Termenii I şi III din ecuaţie reprezintă<br />
sumele maselor de fluid alimentate,<br />
respectiv evacuate din instalaţie în<br />
intervalul de timp dt.<br />
o Termenul M reprezintă acumularea<br />
(zestrea) existentă în instalaţie până la<br />
momentul t, iar ultimul termen reprezintă<br />
acumularea la momentul (t + dt).<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
65
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
o Efectuând calculele, ecuaţia (38) devine:<br />
∑a<br />
v<br />
a<br />
∑<br />
∂M<br />
⋅ ρ<br />
a<br />
⋅S<br />
a<br />
= v<br />
e<br />
⋅ ρ<br />
e<br />
⋅S<br />
e<br />
+ (39)<br />
∂t<br />
oDacă debitele sunt variabile, vitezele va şi ve se<br />
înlocuiesc cu relaţii de forma:<br />
e<br />
( t)<br />
= v a t<br />
v = f + i i<br />
o în care:<br />
–v i reprezintă viteza fluidului la momentul t = 0,<br />
–a i este un coeficient;<br />
–v i şi a i sunt specifici fiecărei conducte cu debit variabil.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(40)<br />
66
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
oBilanţul unui component oarecare A k se<br />
scrie sub forma:<br />
∑a<br />
v<br />
a<br />
oDiferenţiind ultimul membru, (41) devine:<br />
∑a<br />
v<br />
a<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
( e<br />
x ⋅M<br />
)<br />
∑<br />
a a a<br />
e e e e ∂ Ak<br />
⋅ ρ ⋅S<br />
⋅ x Ak = v ⋅ ρ ⋅S<br />
⋅ x Ak +<br />
(41)<br />
∂t<br />
e<br />
∑<br />
e<br />
a a a<br />
e e e e e ∂M<br />
∂x<br />
Ak<br />
⋅ ρ ⋅S<br />
⋅ x Ak = v ⋅ ρ ⋅S<br />
⋅ x Ak + x Ak ⋅ + M ⋅ (42)<br />
∂t<br />
∂t<br />
e<br />
67
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
CU TRANSFORMARE CHIMICĂ<br />
o În aceste condiţii în ecuaţia (42) se<br />
introduce un termen nou, ∂ ∂t<br />
,termen<br />
care exprimă viteza de formare, datorită<br />
reacţiei chimice, a componentului A k.<br />
oEcuaţia (42) devine:<br />
a a a a ∂r<br />
∑<br />
Ak<br />
v ⋅ ρ ⋅ S ⋅ xAk<br />
+ = ∑v<br />
∂t<br />
+<br />
a<br />
x<br />
e<br />
Ak<br />
⋅<br />
∂M<br />
∂t<br />
+<br />
M<br />
⋅<br />
∂x<br />
∂t<br />
e<br />
Ak<br />
r Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
e<br />
e<br />
e<br />
⋅ ρ<br />
⋅<br />
S<br />
e<br />
⋅<br />
x<br />
e<br />
Ak<br />
+<br />
(43)<br />
68
BILANŢ <strong>DE</strong> <strong>MATERIALE</strong> ÎN REGIM NESTAŢIONAR<br />
CU TRANSFORMARE CHIMICĂ<br />
∂<br />
r Ak<br />
∂t<br />
o Termenul este considerat:<br />
–pozitiv dacă A k este produs de reacţie;<br />
– negativ dacă A k este reactant;<br />
o Legea conservării materiei impune ca:<br />
∑ =<br />
∂r<br />
Ai<br />
∂t<br />
i<br />
atunci când sumarea se face după toţi<br />
componenţii A i care intervin în reacţie<br />
(reactanţi şi produşi de reacţie).<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
0 (44)<br />
69
APLICATIE<br />
o 1000 kg solutie apoasa de glucoza (C 6 H 12 O 6 )<br />
avand concentratia 20% masice (x = 0,2),<br />
se supune fermentatiei alcoolice. Stiind ca<br />
gradul de transformare a glucozei in etanol<br />
este de 65% se cere:<br />
– Intocmirea bilantului de materiale pe<br />
componente si pe faze;<br />
– Completarea tabelului de bilant;<br />
– Aflarea concentratiei de alcool (% masice) dupa<br />
fermentatie.<br />
– Trasarea diagramei Sankey;<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
70
Rezolvare<br />
o Ecuatia caracteristica a procesului:<br />
[ C H O H O]<br />
[ C H OH H O C H O ] [ CO ] 6 12 6 + 2 → 2 5 − + 2 + 6 12 6 + 2 g<br />
o Ecuatie reactiei stoichiometric independente:<br />
6<br />
12<br />
6<br />
180 2 x 46 2 x 44<br />
o Mase moleculare, kg/kmol<br />
l<br />
fermentatie<br />
alcoolica<br />
C H O ⎯⎯⎯⎯⎯<br />
⎯ →2CH−OH<br />
+ 2CO<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
2<br />
5<br />
l<br />
2<br />
71
Rezolvare<br />
o Definirea gradului de transformare a glucozei:<br />
η<br />
G<br />
=<br />
n<br />
a<br />
G<br />
−<br />
n<br />
a<br />
G<br />
n<br />
e<br />
G<br />
=<br />
n<br />
e<br />
Et−OH<br />
ν<br />
−<br />
Et−OH<br />
ν<br />
G<br />
n<br />
a<br />
Et−OH<br />
⋅n<br />
=<br />
e<br />
CO<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
a<br />
G<br />
n<br />
ν<br />
ν<br />
−<br />
2 2 =<br />
CO<br />
G<br />
2<br />
n<br />
⋅ n<br />
a<br />
CO<br />
a<br />
G<br />
0,<br />
65<br />
72
Rezolvare<br />
o Model matematic de bilant de masa primar<br />
(in unitati molare):<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
n<br />
e<br />
G<br />
=<br />
e<br />
Et−OH<br />
e<br />
CO<br />
e<br />
H<br />
e<br />
T<br />
2<br />
2<br />
O<br />
=<br />
n<br />
=<br />
=<br />
n<br />
a<br />
G<br />
a<br />
T<br />
=<br />
n<br />
n<br />
⋅<br />
a<br />
H<br />
+<br />
( 1−η<br />
)<br />
n<br />
a<br />
CO<br />
2<br />
a<br />
Et−OH<br />
2<br />
O<br />
+<br />
3⋅<br />
n<br />
2<br />
a<br />
G<br />
η<br />
η<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
n<br />
2<br />
a<br />
G<br />
⋅<br />
⋅<br />
n<br />
a<br />
G<br />
⋅<br />
η<br />
73
Rezolvare<br />
o Exprimarea bilantului primar in unitati masice<br />
(m = n . M):<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
e<br />
G<br />
e<br />
Et−OH<br />
e<br />
CO<br />
e<br />
H<br />
e<br />
T<br />
2<br />
=<br />
2<br />
O<br />
=<br />
n<br />
=<br />
=<br />
e<br />
G<br />
m<br />
=<br />
n<br />
n<br />
a<br />
G<br />
⋅M<br />
n<br />
e<br />
CO<br />
e<br />
H<br />
2<br />
e<br />
Et−OH<br />
2<br />
O<br />
G<br />
+ m<br />
=<br />
⋅M<br />
⋅M<br />
m<br />
CO<br />
H<br />
a<br />
Et−OH<br />
a<br />
G<br />
⋅M<br />
2<br />
2<br />
O<br />
⋅<br />
( 1−<br />
)<br />
Et−OH<br />
=<br />
=<br />
m<br />
+ m<br />
a<br />
CO<br />
m<br />
a<br />
H<br />
a<br />
CO<br />
η<br />
2<br />
=<br />
2<br />
2<br />
O<br />
m<br />
+ 2⋅<br />
+ m<br />
a<br />
Et−OH<br />
a<br />
H<br />
2<br />
M<br />
O<br />
M<br />
M<br />
+ 2⋅<br />
M<br />
CO<br />
G<br />
2<br />
+ m<br />
⋅m<br />
a<br />
G<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
a<br />
G<br />
Et−OH<br />
G<br />
⋅η<br />
⋅m<br />
a<br />
G<br />
⋅η<br />
⎡2M Et−OH<br />
+ 2MCO<br />
− M 2<br />
⋅η<br />
⋅⎢<br />
⎣ MG<br />
G<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
=<br />
m<br />
a<br />
T<br />
74
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
75<br />
Rezolvare<br />
o Valori numerice:<br />
INTRARI<br />
kg<br />
1000<br />
800<br />
200<br />
0<br />
0<br />
kg<br />
800<br />
8<br />
,<br />
0<br />
1000<br />
)<br />
2<br />
,<br />
0<br />
1<br />
(<br />
1000<br />
)<br />
1<br />
(<br />
kg<br />
200<br />
2<br />
,<br />
0<br />
1000<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
=<br />
+<br />
=<br />
+<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
⋅<br />
=<br />
⋅<br />
=<br />
=<br />
⋅<br />
=<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
a<br />
O<br />
H<br />
a<br />
G<br />
a<br />
T<br />
a<br />
CO<br />
a<br />
OH<br />
Et<br />
G<br />
a<br />
T<br />
O<br />
H<br />
a<br />
T<br />
a<br />
O<br />
H<br />
G<br />
a<br />
T<br />
a<br />
G<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
x<br />
m<br />
x<br />
m<br />
m<br />
x<br />
m<br />
m
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
76<br />
Rezolvare<br />
o Valori numerice:<br />
IE<strong>SI</strong>RI<br />
( ) ( )<br />
kg<br />
1000<br />
kg<br />
999,99<br />
800<br />
55<br />
,<br />
63<br />
44<br />
,<br />
66<br />
70<br />
kg<br />
800<br />
kg<br />
55<br />
,<br />
63<br />
65<br />
,<br />
0<br />
180<br />
44<br />
2<br />
0<br />
2<br />
kg<br />
44<br />
,<br />
66<br />
65<br />
,<br />
0<br />
180<br />
46<br />
2<br />
0<br />
2<br />
kg<br />
70<br />
35<br />
,<br />
0<br />
200<br />
65<br />
,<br />
0<br />
1<br />
200<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
≈<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
=<br />
=<br />
=<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
=<br />
⋅<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
=<br />
=<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
=<br />
⋅<br />
⋅<br />
⋅<br />
+<br />
=<br />
=<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
⋅<br />
=<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
a<br />
O<br />
H<br />
e<br />
CO<br />
e<br />
OH<br />
Et<br />
e<br />
G<br />
e<br />
T<br />
a<br />
O<br />
H<br />
e<br />
O<br />
H<br />
a<br />
G<br />
G<br />
CO<br />
a<br />
CO<br />
e<br />
CO<br />
a<br />
G<br />
G<br />
OH<br />
Et<br />
a<br />
OH<br />
Et<br />
e<br />
OH<br />
Et<br />
a<br />
G<br />
e<br />
G<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
M<br />
M<br />
m<br />
m<br />
m<br />
M<br />
M<br />
m<br />
m<br />
m<br />
m<br />
η<br />
η<br />
η
o Tabelul de bilant<br />
Faza<br />
Lichid<br />
Component<br />
C6H12O6 H2O C 2 H 5 -OH<br />
Total [] l<br />
CO 2<br />
Gaz<br />
Total [] g<br />
Total general<br />
Rezolvare<br />
intrari<br />
kg<br />
200<br />
800<br />
0<br />
1000<br />
0<br />
0<br />
1000<br />
1,00<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
x<br />
0,20<br />
0,80<br />
0<br />
0<br />
0<br />
-<br />
kg<br />
70<br />
800<br />
66,44<br />
936,44<br />
63,55<br />
63,55<br />
999,99<br />
iesiri<br />
x<br />
0,0745<br />
0,8543<br />
0,0709<br />
0,9997<br />
1,00<br />
1,00<br />
-<br />
77
Rezolvare<br />
o Concentratia alcoolului in solutie dupa<br />
fermentatie:<br />
e<br />
x Et−OH<br />
=<br />
m<br />
e<br />
Et−OH<br />
e<br />
[] l<br />
m<br />
o sau 7,09% masice.<br />
=<br />
66,<br />
44<br />
936,<br />
44<br />
=<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
0,<br />
0709<br />
78
Diagrama Sankey:<br />
Solutia initiala<br />
Apa<br />
800 kg<br />
Fermentatie alcoolica<br />
Apa<br />
800 kg<br />
Solutia finala<br />
Glucoza<br />
200 kg<br />
Glucoza 70 kg<br />
Etanol 66,44 kg<br />
CO2 63,56 kg<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Faza gazoasa<br />
79
BILANŢUL ENERGIILOR<br />
oAşa cum bilanţul de materiale este expresia<br />
legii conservării materiei, bilanţul energiilor<br />
este expresia principiului conservării<br />
energiei.<br />
oBilanţul energiilor serveşte la:<br />
–urmărirea fluxurilor energetice printr-o<br />
instalaţie,<br />
– stabilirea randamentelor energetice,<br />
– dimensionarea unor utilaje.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
80
BILANŢUL ENERGIILOR<br />
oEcuaţia generală de bilanţ energetic pentru un<br />
contur de bilanţ stabilit în prealabil (instalaţie,<br />
utilaj, porţiune de utilaj, element diferenţial de<br />
volum) are forma:<br />
∑ ∑ E i<br />
∑ ∑<br />
E +<br />
+ E a =<br />
r E e<br />
–Ea = energiile intrate (alimentate) în sistem,<br />
–Ei = energiile existente în sistem la momentul iniţial,<br />
–Er = energiile rămase în sistem în momentul final,<br />
–Ee = energiile ieşite din sistem.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(45)<br />
81
BILANŢUL ENERGIILOR<br />
oCa şi în cazul bilanţului de materiale,<br />
bilanţul energetic se întocmeşte pentru o<br />
durată prestabilită:<br />
– durata prelucrării unei şarje (dacă procesul<br />
este discontinuu),<br />
– unitatea de timp (secundă, oră, zi, an) în cazul<br />
proceselor continue.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
82
BILANŢUL ENERGIILOR<br />
o Acumularea de energie este dată de<br />
diferenţa:<br />
∑ ∑ E = ∑ E −∑<br />
r<br />
i<br />
a<br />
E (46)<br />
− Ee<br />
o Pentru procesele care decurg în regim<br />
staţionar, acumularea de energie este nulă.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
83
BILANŢUL ENERGIILOR<br />
Se pot întocmi:<br />
o bilanţuri energetice totale (generale), pentru<br />
întreaga instalaţie,<br />
o bilanţuri energetice parţiale:<br />
– pentru un singur utilaj,<br />
– pentru o porţiune de utilaj,<br />
– pentru un element diferenţial de volum.<br />
o Energiile se transformă cu uşurinţă dintr-o formă<br />
într-alta nu se pot intocmi bilanţuri parţiale,<br />
referitoare la un singur fel de energie.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
84
AP<br />
SD<br />
BILANŢUL ENERGIILOR - exemplu<br />
Bilant global, pe intreaga instalatie de evaporare<br />
1<br />
AS AS<br />
AS<br />
Solutie<br />
Abur primar (AP)<br />
Abur secundar (AS)<br />
Gaze necondensabile (GN)<br />
Apa de racire (AR)<br />
2 3<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
SC<br />
AR<br />
CB<br />
GN<br />
85
AP<br />
SD<br />
BILANŢUL ENERGIILOR - exemplu<br />
Bilant partial, pe un singur corp de evaporare<br />
1<br />
AS AS<br />
AS<br />
Solutie<br />
Abur primar (AP)<br />
Abur secundar (AS)<br />
Gaze necondensabile (GN)<br />
Apa de racire (AR)<br />
2 3<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
SC<br />
AR<br />
CB<br />
GN<br />
86
FORME <strong>DE</strong> <strong>ENERGIE</strong><br />
o Energia potenţială sau energia de poziţie,<br />
E p, rezultată din poziţia pe verticală a<br />
corpurilor, în raport cu un plan orizontal<br />
arbitrar de referinţă:<br />
E p<br />
m = masa corpului [kg],<br />
= m ⋅g<br />
⋅ z<br />
(47)<br />
g = acceleraţia gravitaţională [m/s 2 ],<br />
z = înălţimea [m] la care se află corpul faţă<br />
de planul orizontal de referinţă.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
87
FORME <strong>DE</strong> <strong>ENERGIE</strong><br />
o Energia cinetică sau energia de mişcare,<br />
E c, corespunzătoare mişcării corpurilor:<br />
E c<br />
o Energia internă, U, - o proprietate<br />
intrinsecă a corpurilor, funcţie de natura,<br />
starea şi cantitatea lor:<br />
u = energia internă masică [J/kg].<br />
=<br />
1<br />
2<br />
m ⋅v<br />
U = m ⋅<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
u<br />
2<br />
(48)<br />
(49)<br />
88
FORME <strong>DE</strong> <strong>ENERGIE</strong><br />
o Lucrul exterior sau energia de presiune, L e , =<br />
lucrul efectuat de mediul exterior pentru a<br />
introduce un fluid în sistem, sau lucrul efectuat<br />
de sistem pentru a evacua un fluid din sistem:<br />
L<br />
e<br />
=<br />
V<br />
∫<br />
0<br />
P ⋅dV<br />
= m ⋅P<br />
v s<br />
∫<br />
dv<br />
P = presiunea [Pa],<br />
V = volumul [m3 ] masei m [kg],<br />
vs = volumul specific [m3 /kg].<br />
0<br />
= m ⋅P<br />
⋅v<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
s<br />
s<br />
(50)<br />
89
FORME <strong>DE</strong> <strong>ENERGIE</strong><br />
o Energia mecanică, W, introdusă în sistem<br />
– printr-o pompă<br />
– printr-un agitator<br />
o Căldura, Q, introdusă din exterior<br />
–prin pereţii unui rezervor<br />
–prin suprafeţe de transfer termic<br />
o Alte forme de energie<br />
– energia de suprafaţă,<br />
– energia electrică,<br />
– energia magnetică,<br />
– energia luminoasă<br />
uzual, se neglijează<br />
în problemele curente<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
90
BILANŢUL TERMIC<br />
o Pentru majoritatea proceselor<br />
– fizice,<br />
– fizico-chimice,<br />
–chimice,<br />
– biochimice<br />
care se petrec în biotehnologii sau în<br />
tehnologiile industriei alimentare, bilanţul<br />
energiilor se poate simplifica la forma<br />
cunoscută sub denumirea de bilanţ termic.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
91
BILANŢUL TERMIC<br />
o Simplificarea =neglijarea:<br />
– lucrului mecanic,<br />
–variaţiei energiei potenţiale,<br />
–variaţiei energiei cinetice,<br />
– energiei electrice,<br />
– energiei magnetice,<br />
– energiei luminoase, etc.,<br />
Acestea numai rareori pot avea un rol<br />
important.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
92
BILANŢUL TERMIC<br />
oBilanţul termic are la bază principiul întâi al<br />
termodinamicii, conform căruia “energia<br />
sistemului şi energia mediului exterior,<br />
considerate împreună, reprezintă o<br />
constantă”.<br />
o Altfel spus:<br />
ΔE + ΔE<br />
sistem<br />
exterior<br />
=<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
0<br />
(51)<br />
93
BILANŢUL TERMIC<br />
o Deoarece energia (la presiune constantă)<br />
este însăşi entalpia, ecuaţia generală a<br />
bilanţului termic în regim nestaţionar are<br />
forma:<br />
∑ ∑ ∑ ∑ + = + Q Q Q<br />
Q (52)<br />
i<br />
+ a ext<br />
r Qe<br />
oQ= entalpii (cantităţi de căldură),<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
94
BILANŢUL TERMIC<br />
–Qa = entalpiile intrate (alimentate) în sistem,<br />
–Qi = entalpiile existente în sistem la momentul<br />
iniţial,<br />
–Qr = entalpiile rămase în sistem în momentul<br />
final,<br />
–Qe = entalpiile ieşite din sistem,<br />
–Qext = entalpia schimbată de sistem (cedată sau<br />
primită) cu mediul înconjurător.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
95
BILANŢUL TERMIC<br />
o În cazul proceselor continue care decurg în<br />
regim staţionar, ecuaţia (52) devine:<br />
∑ ∑ = Q a ext<br />
Q (53)<br />
+ Qe<br />
o Pt. procese adiabatice (fără schimb de<br />
căldură cu mediul înconjurător), termenul<br />
Q ext se anulează şi ec. (53) se reduce la:<br />
∑ ∑ = Q Q<br />
a<br />
e<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(54)<br />
96
BILANŢUL TERMIC<br />
oEcuaţia (53) se poate scrie şi sub forma:<br />
∑ ∑ ∑ = +<br />
+ Q Q<br />
Q Q (55)<br />
a<br />
Ai<br />
proces<br />
primul termen = suma cant. de căldură introduse<br />
în sistem de către fluxurile de materiale intrate,<br />
al doilea termen = suma cant. de căldură generate<br />
sau consumate în proces prin:<br />
–reacţii chimice sau biochimice,<br />
– procese de transformare de fază,<br />
– procese de transfer de masă între faze,<br />
ultimul termen = suma cant. de căldură evacuate<br />
din sistem de către fluxurile de materiale ieşite.<br />
ext<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
e<br />
Ai<br />
97
BILANŢUL TERMIC<br />
o Primul şi ultimul termen al ec. (55) se<br />
concretizează în funcţie de natura fazelor.<br />
o Pentru o fază gazoasă (amestec de gaze ideale),<br />
entalpia poate fi calculată aditiv:<br />
Q<br />
a<br />
[] g<br />
=<br />
∑n ⋅∫<br />
i<br />
a<br />
i<br />
T<br />
a<br />
298<br />
C<br />
pi<br />
⋅dT<br />
Q<br />
∑n ⋅∫<br />
o Debitele molare ale comp. la intrare/ieşire din<br />
proces, sunt cunoscute din bilanţul de materiale,<br />
care se efectuează întotdeauna înaintea bilanţului<br />
termic.<br />
oTemp.Ta şi Te se măsoară la intrarea, respectiv<br />
ieşirea din procesul considerat.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
e<br />
[] g<br />
=<br />
i<br />
e<br />
i<br />
T<br />
e<br />
298<br />
C<br />
pi<br />
⋅dT<br />
(56)<br />
98
BILANŢUL TERMIC<br />
oPentru o fază lichidă care se comportă ca o<br />
soluţie ideală (soluţie infinit diluată) sunt<br />
valabile relaţiile (56) stabilite pentru gaze<br />
ideale.<br />
o În cazul soluţiilor reale (concentrate),<br />
entalpia nu se mai poate determina aditiv.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
99
BILANŢUL TERMIC<br />
o Capacităţile termice<br />
– molare Cp [J/(kmol.K)],<br />
– masice C [J/(kg.K)]<br />
ale soluţiilor reale variază funcţie de<br />
concentraţie şi de temperatură:<br />
C<br />
C<br />
p[]<br />
l<br />
[] l<br />
=<br />
=<br />
f<br />
f<br />
( x,<br />
T )<br />
( x,<br />
T )<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(57a)<br />
(57b)<br />
100
BILANŢUL TERMIC<br />
o În aceste condiţii, ecuaţiile (56) devin:<br />
Q<br />
Q<br />
a<br />
[] l<br />
e<br />
[] l<br />
=<br />
=<br />
n<br />
n<br />
a<br />
[] l<br />
e<br />
[] l<br />
⋅<br />
⋅<br />
T<br />
a<br />
∫<br />
298<br />
T<br />
e<br />
∫<br />
298<br />
C<br />
C<br />
p<br />
p<br />
( x T )<br />
, ⋅ dT (58a)<br />
( x,<br />
T )<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
dT<br />
(58a)<br />
101
BILANŢUL TERMIC<br />
Pentru faze solide se aplică:<br />
orelaţiile (56) – în cazul în care<br />
componentele fazei solide formează un<br />
amestec mecanic,<br />
orelaţiile (58) – în cazul în care<br />
componentele fazei solide formează o<br />
soluţie solidă.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
102
BILANŢUL TERMIC<br />
o Determinarea valorilor numerice ale căldurilor<br />
introduse/evacuate din sistem cu fluxurile de<br />
materiale intrate/ieşite, necesită cunoaşterea:<br />
– naturii fazelor implicate în proces,<br />
–compoziţiei iniţiale şi finale,<br />
–bilanţului de masă,<br />
– temperaturilor iniţiale (Ta) şi finale (Te),<br />
– a unor date experimentale sau ecuaţii empirice<br />
pentru calculul capacităţilor termice molare<br />
sau masice ale componentelor şi fazelor<br />
implicate în proces.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
103
BILANŢUL TERMIC<br />
oPentru substanţe pure, capacitatea termică<br />
molară la presiune constantă, definită prin relaţia:<br />
⎛ ∂H<br />
i<br />
C pi ⎜ ⎟<br />
⎝ ∂T<br />
⎠ P<br />
este corelată cu temperatura sub prin intermediul<br />
unor ecuaţii de tipul:<br />
C<br />
C<br />
C<br />
pi<br />
pi<br />
pi<br />
=<br />
=<br />
=<br />
a<br />
d<br />
g<br />
i<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⎞<br />
= (59)<br />
i<br />
i<br />
+<br />
+<br />
+<br />
b<br />
e<br />
h<br />
i<br />
i<br />
i<br />
⋅T<br />
⋅T<br />
⋅T<br />
i<br />
+<br />
+<br />
c<br />
f<br />
i<br />
i<br />
⋅T<br />
⋅T<br />
2<br />
−2<br />
(60)<br />
104
BILANŢUL TERMIC<br />
o Uneori se poate utiliza valoarea medie a<br />
capacităţii termice molare, definită prin<br />
relaţia:<br />
1<br />
C pi =<br />
dT<br />
(61)<br />
T −T<br />
2<br />
∫ C ( ) pi T ⋅<br />
o În general, efectul presiunii asupra<br />
capacităţii termice se poate neglija.<br />
1<br />
T<br />
T<br />
2<br />
1<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
105
BILANŢUL TERMIC<br />
o Pentru calcule riguroase de inginerie, precum şi<br />
pentru a se putea permite utilizarea programelor<br />
de calculator, sunt preferate ecuaţiile de tip (60).<br />
o Acestea permit integrarea analitică a ecuaţiilor<br />
(56).<br />
o Valorile capacităţilor termice, precum şi valorile<br />
coeficienţilor din ecuaţiile (60) sunt tabelate în:<br />
– manuale,<br />
– îndrumare,<br />
– monografii de specialitate.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
106
Exemple:<br />
o Capacitatea termica masica a laptelui<br />
C<br />
integral (cu 3,2% grasime) se poate calcula<br />
cu ecuatia:<br />
=<br />
93,<br />
194⋅10<br />
6279, 6659 − 4,<br />
3782147⋅T<br />
−<br />
T<br />
2<br />
oPentrulapte concentrat avand intre 4,3 si<br />
60% grasime, capacitatea termica masica<br />
se poate calcula tot cu ecuatii de forma:<br />
c<br />
C =<br />
a + b⋅T<br />
+<br />
T<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
2<br />
6<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
J<br />
kg ⋅K<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
107
Exemple:<br />
in care coeficientii a, b si c sunt functie de<br />
continutul de grasime (% masice), G, al laptelui:<br />
a = 6292,6535 + 2146,3113 x G<br />
b = – 3,8887 – 4,7517 x G<br />
c = – 1,094.10 8 – 6,487.10 7 x G<br />
C<br />
=<br />
a + b ⋅T<br />
+<br />
c<br />
T<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
2<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
J<br />
kg ⋅K<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
108
Exemple:<br />
o Capacitatea termica masica a smantanii, functie<br />
de continutul de grasime, G (% masice) si de<br />
temperatura, T (K), se poate calcula cu o relatie<br />
de forma:<br />
C<br />
=<br />
3895, 1+<br />
12,<br />
752⋅<br />
G −1,<br />
0312⋅<br />
G ⋅ T<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⎡<br />
J<br />
⎤<br />
( − 273)<br />
⎢ ⎥<br />
⎣kg<br />
⋅ K ⎦<br />
109
BILANŢUL TERMIC<br />
o Termenul ΣQ proces se determină pe baza<br />
datelor termodinamice, în funcţie de tipul<br />
de proces:<br />
– transformare chimică,<br />
– transformare biochimică,<br />
– transformare de fază,<br />
– transfer interfazic.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
110
BILANŢUL TERMIC<br />
o La modul cel mai general, acest termen poate fi<br />
exprimat sub forma:<br />
∑ ∑ ∑ ∑<br />
Q = Q + Q + Q<br />
proces<br />
rj<br />
tr .<br />
m<br />
i j<br />
m<br />
n<br />
i<br />
=<br />
j<br />
+<br />
m<br />
+<br />
n<br />
o primul termen = efectul termic al reacţiilor (chimice sau<br />
biochimice) implicate în proces,<br />
o al doilea termen = efectul termic al proceselor de<br />
transformare de fază,<br />
o ultimul termen = efectul termic al proceselor de transfer<br />
de substanţă între fazele implicate în proces.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
tf . n<br />
(62)<br />
111
BILANŢUL TERMIC<br />
o Efectul termic al unei reacţii chimice este<br />
dat de produsul dintre entalpia de reacţie<br />
şi numărul de moli de reactant (debitul<br />
molar) consumaţi:<br />
n<br />
a<br />
Ak<br />
Q =<br />
j<br />
⋅η<br />
rj<br />
Ak<br />
ν<br />
j<br />
Ak<br />
j<br />
( 0 ) − Δ H<br />
Rj<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
T<br />
(63)<br />
112
Δ<br />
0<br />
Rj T H<br />
BILANŢUL TERMIC<br />
- reprezintă entalpia de reacţie la<br />
temperatura T [kJ/mol];<br />
a<br />
⋅η n<br />
a<br />
n<br />
e<br />
Ak j Ak j Ak j Ak j<br />
n = −<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
- reprezintă<br />
numărul de moli<br />
de reactant A k transformat în reacţia “j”.<br />
Se împarte prin νAkj deoarece în reacţiile în<br />
care ν<br />
Ak ≠ 1<br />
j entalpia de reacţie din legea<br />
lui Hess este raportată la νAkj .<br />
113
BILANŢUL TERMIC<br />
o În cazul reacţiilor multiple se determină<br />
suma algebrică a efectelor termice ale<br />
reacţiilor individuale.<br />
o Entalpia de reacţie variază, în general, cu<br />
temperatura şi cu presiunea.<br />
o În majoritatea cazurilor (excepţie făcând<br />
procesele care decurg la P > 5 MPa)<br />
influenţa presiunii asupra entalpiei de<br />
reacţie poate fi neglijată.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
114
BILANŢUL TERMIC<br />
oVariaţia entalpiei de reacţie cu<br />
temperatura poate fi exprimată prin<br />
intermediul legii lui Kirchhoff.<br />
o În forma sa integrală, aceasta are<br />
expresia:<br />
Δ<br />
R<br />
H<br />
0<br />
T<br />
=<br />
Δ<br />
R<br />
H<br />
0<br />
298<br />
+<br />
T<br />
∫ ΔC<br />
( T ) ⋅ p<br />
298<br />
dT<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(64)<br />
115
BILANŢUL TERMIC<br />
ounde:<br />
∑ ∑<br />
o iar entalpia de reacţie standard se calculează din<br />
entalpiile molare de formare din elemente ( )<br />
cu relaţia:<br />
−<br />
= ΔC p ν Ai 'C<br />
pAi ' ν AiC<br />
pAi<br />
(65)<br />
0<br />
ΔH<br />
f<br />
Δ<br />
R<br />
∑ ∑<br />
= ⋅ΔH<br />
− ⋅ΔH<br />
298 fAi<br />
0<br />
Ai '<br />
o Entalpiile molare de formare din elemente sunt<br />
tabelate în îndrumătoarele de specialitate.<br />
0<br />
fAi '<br />
H ν<br />
ν (66)<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Ai<br />
0<br />
116
BILANŢUL TERMIC<br />
o În unele cazuri, pentru variaţii mai mici ale temp.,<br />
se poate folosi în locul ecuaţiei (64) o ecuaţie<br />
simplificată, considerând o valoare medie pentru<br />
capacitatea termică molară:<br />
Δ ⋅ T<br />
0<br />
0<br />
R H T = Δ R H 298 + ΔC<br />
p<br />
( − 298)<br />
o Pentru calcule aproximative, sau în lipsa unor<br />
relaţii Cp =f(T), integrala din ecuaţia (64) se<br />
poate neglija, considerând:<br />
Δ<br />
0<br />
R H T ≈ Δ R<br />
H<br />
0<br />
298<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(67)<br />
(68)<br />
117
BILANŢUL TERMIC<br />
o Efectul termic al proceselor de transformare<br />
de fază este dat de produsul dintre nr. de moli<br />
de component transformat (care trece dintr-o<br />
stare de agregare în alta) şi entalpia<br />
transformării de fază:<br />
Q<br />
=<br />
tr.<br />
m<br />
n<br />
=<br />
e<br />
Akm<br />
⋅<br />
n<br />
a<br />
Akm<br />
⋅<br />
η<br />
] Akm<br />
( − ΔH<br />
)<br />
[<br />
tr.<br />
m<br />
( − ΔH<br />
)<br />
tr.<br />
m<br />
în care η[<br />
] Akm reprezintă gradul de transformare<br />
de fază al componentului Ak în procesul de<br />
transformare de fază “m”.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
=<br />
(69)<br />
118
BILANŢUL TERMIC<br />
o Entalpia transformărilor de fază se determină<br />
pe baza relaţiilor:<br />
– Pt. procesele de evaporare – condensare:<br />
evap<br />
cond<br />
0<br />
H<br />
0<br />
( g )<br />
( l )<br />
ΔH<br />
= −ΔH<br />
= ΔH<br />
− Δ<br />
– Pt. procesele de sublimare – desublimare:<br />
subl<br />
desubl<br />
0<br />
H<br />
0<br />
( g )<br />
( s )<br />
ΔH<br />
= −ΔH<br />
= ΔH<br />
− Δ<br />
– Pt. procesele de solidificare – topire:<br />
ΔH<br />
= −ΔH<br />
= ΔH<br />
− ΔH<br />
solidificare<br />
topire<br />
0<br />
0<br />
( s )<br />
( l )<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(70)<br />
(71)<br />
(72)<br />
119
ΔH<br />
= ΔH<br />
+ ΔH<br />
diz<br />
ret<br />
sol<br />
BILANŢUL TERMIC<br />
o Efectul termic al proceselor de transfer<br />
de substanţă este dat de relaţia:<br />
( − ΔH<br />
) = n<br />
e<br />
⋅(<br />
− ΔH<br />
)<br />
Q n<br />
a<br />
⋅ ⋅<br />
tf . n Akn [ ] Akn<br />
tf . n Akm<br />
tf . n<br />
= η (73)<br />
η[<br />
– ] Akn reprezintă gradul de trecere al<br />
componentului Ak dintr-o fază în alta în<br />
procesul elementar “n”<br />
ΔH<br />
.<br />
– tf n reprezintă entalpia procesului<br />
elementar considerat.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
120
BILANŢUL TERMIC<br />
o Dintre procesele elementare de transfer<br />
interfazic, mai importante din punct de<br />
vedere termic sunt:<br />
–dizolvarea<br />
–cristalizarea<br />
–diluarea<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
121
BILANŢUL TERMIC<br />
o Entalpia de dizolvare depinde, în primul<br />
rând, de natura şi starea solutului şi a<br />
solventului.<br />
o La dizolvarea cristalelor ionice într-un<br />
solvent polar (apa de exemplu), procesul<br />
constă din două etape cu efecte termice<br />
contrare:<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
122
BILANŢUL TERMIC<br />
o procesul de distrugere a reţelei cristaline<br />
şi trecerea ionilor în soluţie, sub acţiunea<br />
dipolilor solventului; procesul este<br />
endoterm, fiind caracterizat de entalpia de<br />
reţea, ΔH ret > 0;<br />
o procesul de solvatare (interacţiunea dintre<br />
ionii substanţei dizolvate şi moleculele<br />
solventului); procesul este exoterm, fiind<br />
caracterizat de entalpia de solvatare,<br />
ΔH sol < 0.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
123
BILANŢUL TERMIC<br />
o Entalpia de dizolvare este suma algebrică a celor<br />
două efecte termice de semn contrar:<br />
Δ H = ΔH<br />
+ ΔH<br />
diz<br />
ret<br />
–|ΔH ret| > |ΔH sol| dizolvarea este endoterma <br />
autorăcirea soluţiei.<br />
• Subst. cu dizolvare endotermă sunt sărurile cu reţele cristaline<br />
stabile, care nu formează hidraţi sau sunt cristalohidraţi cu un număr<br />
mare de molecule de apă.<br />
–|ΔH ret| < |ΔH sol| dizolvarea este exoterma încălzirea<br />
soluţiei.<br />
• Subst. cu dizolvare exotermă sunt, de regulă, L şi G care nu au energie<br />
de reţea, în proc. de dizolvare predominând efectul de solvatare.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
sol<br />
(74)<br />
124
BILANŢUL TERMIC<br />
o Valorile entalpiei de dizolvare sunt raportate la un<br />
mol de substanţă dizolvată într-o cantitate mare<br />
de solvent (peste 300 de moli) la temp. standard =<br />
entalpie integrală de dizolvare.<br />
o Entalpia diferenţială de dizolvare = efectul<br />
termic al dizolvării unui mol de substanţă într-o<br />
cantitate infinit mare de soluţie.<br />
oCele două mărimi pot să difere mult între ele, mai<br />
ales în cazul soluţiilor concentrate.<br />
o Entalpia de dizolvare variază funcţie de<br />
concentraţia soluţiei formate;<br />
oDependenţa ΔH diz = f(x Ai ) se det. experimental.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
125
BILANŢUL TERMIC<br />
o Entalpia de cristalizare (ΔHcrist) este considerată, în<br />
calculele tehnice, egală şi de semn contrar cu entalpia de<br />
dizolvare.<br />
o În realitate, condiţia |ΔHcrist| = |ΔHdiz| este doarcand<br />
substanţa se dizolvă într-o soluţie aproape saturată, la<br />
temperatura la care ulterior are loc cristalizarea.<br />
o Pt. calcule riguroase, entalpia de cristalizare se determină<br />
cu relaţia:<br />
Δ H = −ΔH<br />
+ ΔH<br />
(75)<br />
crist<br />
diz<br />
dil<br />
în care ΔH dil = entalpia de diluare a soluţiei saturate până<br />
la o conc. atât de mică după care nu mai este influenţată<br />
de eventuala diluare ulterioară.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
126
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM ADIABAT<br />
o Cantitatea de căldură schimbată cu mediul<br />
exterior este nulă.<br />
oInstalaţia sau utilajul pentru care se efectuează<br />
bilanţul sunt perfect izolate termic şi nu sunt<br />
prevăzute cu suprafeţe interioare de transfer de<br />
căldură.<br />
o Regimul adiabat = regim ideal, neexistând<br />
materiale perfect izolante (având conductivitatea<br />
termică λ = 0).<br />
oExistă totuşi procese industriale care pot fi<br />
considerate că decurg în regim termic adiabat.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
127
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM ADIABAT<br />
o Pt. regimul adiabat, ec. (55) capătă forma:<br />
∑ ∑ ∑ =<br />
+ Q<br />
Q Q<br />
(76)<br />
a<br />
Ai<br />
proces<br />
o Problema care se pune: determinarea valorii<br />
temperaturii finale a masei de reacţie, T e,<br />
cunoscând temperatura iniţială a masei de<br />
reacţie, T a şi bilanţul de materiale.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
e<br />
Ai<br />
128
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM IZOTERM<br />
o Regimul termic izoterm este caracterizat<br />
prin egalitatea temperaturilor la intrare şi<br />
ieşire din proces:<br />
T = T = constant<br />
(77)<br />
a e<br />
o Problema care se pune: determinarea<br />
cantităţii de căldură schimbate cu<br />
exteriorul astfel încât temperatura în<br />
proces să rămână constantă.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
129
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM IZOTERM<br />
o Cantitatea de căldură schimbată cu<br />
exteriorul se determină pe baza ecuaţiei<br />
(55) pusă sub forma:<br />
∑<br />
e<br />
∑ ∑<br />
Q −<br />
Q (78)<br />
ext<br />
= Q −<br />
Q<br />
Ai<br />
Ai<br />
proces<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
a<br />
130
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM<br />
NONADIABAT ŞI NONIZOTERM<br />
o Majoritatea proceselor industriale decurg în<br />
regim nonizoterm şi nonadiabat, condiţii în care:<br />
– Qext ≠ 0<br />
–<br />
T ≠<br />
T<br />
a<br />
e<br />
o Scopul întocmirii bilanţului termic:<br />
de a determina valoarea căldurii schimbate cu<br />
exteriorul, Qext , astfel încât procesul să decurgă<br />
între limitele de temperatură Ta şi Te , cu gradul<br />
de transformare ηAk şi la compoziţia iniţială dată.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
131
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM<br />
NONADIABAT ŞI NONIZOTERM<br />
o Termenii ecuaţiei (55) sunt explicitaţi în funcţie<br />
de aceste mărimi:<br />
∑ ( )<br />
= a<br />
a a<br />
Q Ai F nAk<br />
, x Ai , T<br />
(79)<br />
1<br />
a<br />
∑ = e<br />
Q Ai F2<br />
Ak Ai Ak , e<br />
( a a<br />
n , x , η T )<br />
∑ = Q proces F3<br />
Ak Ak , e<br />
( a<br />
n , T ) η<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
(80)<br />
(81)<br />
132
BILANŢ TERMIC ÎN REGIM<br />
NONADIABAT ŞI NONIZOTERM<br />
oEcuaţia (55) devine:<br />
ext<br />
( a a )<br />
n x η T T<br />
Q = F − F − F = F , , , ,<br />
2<br />
1<br />
3<br />
o Pe baza valorii Qext calculate conform relaţiei<br />
(82) se proiectează în continuare sistemul de<br />
transfer de căldură, pe baza ecuaţiei generale a<br />
transferului termic:<br />
ecuaţie din care se determină aria suprafeţei<br />
necesare de transfer de căldură, A.<br />
ext<br />
Ak<br />
Ak<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Ai<br />
Q K ⋅ A⋅<br />
ΔT<br />
m<br />
a<br />
e<br />
(82)<br />
= (83)<br />
133
APLICATIE<br />
o Se supun fermentarii acetice 100 kg solutie<br />
apoasa cu 10% (masice) etanol. Gradul de<br />
transformare a etanolului in acid acetic<br />
este de 95%. Ce cantitate de caldura<br />
trebuie indepartata din sistem pentru ca<br />
procesul sa decurga in conditii izoterme la<br />
t = 35 0 C ?<br />
o Nota: se neglijeaza aportul de caldura al<br />
aerului necesar procesului de oxidare.<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
134
REZOLVARE<br />
o Procesul de fermentatie acetica decurge conform<br />
ecuatiei caracteristice:<br />
o Si a reactiei biochimice globale:<br />
Acetobacter<br />
aceti<br />
CH − CH − OH + O ⎯⎯⎯⎯→CH<br />
3 − COOH + H 2O<br />
3<br />
[ Et −<br />
OH + H O]<br />
+ [ O + N ]<br />
[ H − AC + H O Et OH ] [ N O ] 2 + − + L 2 + 2 G<br />
2<br />
2<br />
2<br />
L<br />
o Pe baza modelelor matematice de bilant de masa,<br />
cu η Et-OH = 0,95 se obtine urmatorul tabel de<br />
bilant de materiale:<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
2<br />
2<br />
G<br />
Acetobacter<br />
aceti<br />
⎯⎯⎯⎯→<br />
135
Faza<br />
Lichida<br />
Gazoasa<br />
Component<br />
Et-OH<br />
H-Ac<br />
H 2 O<br />
Total faza lichida<br />
O 2<br />
N 2<br />
Total faza gazoasa<br />
TOTAL GENERAL<br />
REZOLVARE<br />
kg<br />
10<br />
0<br />
90<br />
100<br />
10<br />
32,92<br />
42,92<br />
142,92<br />
Initial<br />
kmoli<br />
0,2174<br />
5,2174<br />
0,3125<br />
1,1756<br />
1,4881<br />
6,7055<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
0<br />
5<br />
kg<br />
0,5<br />
12,39<br />
93,717<br />
106,607<br />
3,392<br />
32,92<br />
36,312<br />
142,919<br />
Final<br />
kmoli<br />
0,0109<br />
0,2065<br />
5,2065<br />
5,4239<br />
0,1060<br />
1,1756<br />
1,2816<br />
6,7055<br />
136
Q a aer<br />
Q a lichid<br />
REZOLVARE<br />
Q proces<br />
FERMENTATIE<br />
ACETICA LA T = ct.<br />
(Q proces)<br />
Q exterior<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
Q e aer<br />
Q e lichid<br />
137
REZOLVARE<br />
o Ecuatia generala de bilant termic:<br />
a<br />
[] L<br />
+ Q<br />
a<br />
Q Q<br />
e<br />
Q<br />
e<br />
[] G proces [] L [] G<br />
Q + = + +<br />
oExpresiaQ ext (cantitatea de caldura care trebuie<br />
indepartata pentru a mentine t = ct.):<br />
Q<br />
=<br />
exterior<br />
Q<br />
a<br />
[] L<br />
−<br />
=<br />
Q<br />
Q<br />
e<br />
[] L<br />
a<br />
[]<br />
L<br />
+<br />
−<br />
Q<br />
Q<br />
e<br />
[] L<br />
proces<br />
+<br />
Q<br />
a<br />
[] G<br />
−<br />
Q<br />
e<br />
[] G<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
+<br />
Q<br />
Q<br />
exterior<br />
proces<br />
=<br />
138
REZOLVARE<br />
o Calculul caldurilor intrate:<br />
Q<br />
C<br />
Q<br />
a<br />
[] L<br />
a<br />
[] L<br />
a<br />
[] L<br />
=<br />
=<br />
=<br />
Q<br />
C<br />
sol. Et-OH<br />
t = 35 C<br />
sol. Et-OH10%<br />
100<br />
0<br />
10%<br />
=<br />
=<br />
⋅ 4270⋅<br />
35<br />
m<br />
a<br />
[] L<br />
4270<br />
=<br />
⋅C<br />
a<br />
[] L<br />
kg<br />
14,<br />
945<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
J<br />
⋅<br />
⋅<br />
( ) T<br />
a<br />
− 273<br />
K<br />
⋅10<br />
6<br />
J<br />
139
REZOLVARE<br />
o Calculul caldurilor iesite:<br />
Q<br />
C<br />
Q<br />
e<br />
[] L<br />
e<br />
[] L<br />
a<br />
[] L<br />
=<br />
=<br />
=<br />
Q<br />
C<br />
sol. H-Ac11,6%<br />
0<br />
t = 35 C<br />
sol. H-Ac10%<br />
106,<br />
607<br />
=<br />
=<br />
e<br />
[] L<br />
3700<br />
⋅3700⋅<br />
35<br />
⋅C<br />
kg<br />
e<br />
[] L<br />
13,<br />
806<br />
* - In lipsa datelor experimentale, C s-a calculat<br />
aditiv, cu ecuatia:<br />
m<br />
=<br />
K<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
J<br />
⋅<br />
⋅<br />
( ) T<br />
e<br />
− 273<br />
*<br />
⋅10<br />
6<br />
J<br />
140
C<br />
=<br />
0<br />
t=<br />
35 C<br />
H − Ac11,<br />
6%<br />
0,<br />
884<br />
⋅<br />
=<br />
x<br />
4180<br />
REZOLVARE<br />
H<br />
2<br />
+<br />
O<br />
⋅C<br />
t=<br />
35<br />
H O<br />
0,<br />
116<br />
⋅123,<br />
4<br />
o Concentratia Et-OH in solutia finala fiind foarte<br />
mica (0,47%), s-a neglijat aportul acestuia la C.<br />
2<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
0<br />
C<br />
+<br />
x<br />
H − Ac<br />
≅<br />
⋅C<br />
3700<br />
kg<br />
0<br />
t=<br />
35 C<br />
H − Ac<br />
J<br />
⋅<br />
K<br />
=<br />
141
oCalcululQ proces :<br />
Q<br />
=<br />
proces<br />
m<br />
M<br />
=<br />
a<br />
Et−OH<br />
Et−OH<br />
Q<br />
reactie<br />
⋅η<br />
=<br />
Et−OH<br />
n<br />
⋅<br />
REZOLVARE<br />
a<br />
Et−OH<br />
m<br />
M<br />
( 0<br />
− Δ H )<br />
( 0 ) ( 0<br />
H<br />
H )<br />
Et−OH<br />
− Δ ≅ ⋅η<br />
⋅ − Δ<br />
R<br />
⋅η<br />
Et−OH<br />
T<br />
Et−OH<br />
Et−OH<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
⋅<br />
a<br />
( 0<br />
0 ) ( 0<br />
0<br />
H + H − H<br />
H )<br />
0<br />
Δ RH<br />
298 = f CH3<br />
−COOH<br />
f H2O<br />
f CH3<br />
−CH2<br />
-OH<br />
+ f O2<br />
H 0 f<br />
J/mol<br />
CH 3 -COOH (L)<br />
-484,9<br />
H 2 O (L)<br />
-187,02<br />
R<br />
T<br />
=<br />
C 2 H 5 -OH (L)<br />
-277,6<br />
R<br />
298<br />
O 2 (G)<br />
0<br />
142
oCalcululQ proces :<br />
Δ H<br />
R<br />
Q<br />
proces<br />
0<br />
298<br />
=<br />
=<br />
−484,<br />
9<br />
217,<br />
4<br />
oCalcululQ ext :<br />
Q<br />
=<br />
=<br />
exterior<br />
14,<br />
945<br />
⋅10<br />
1,<br />
231⋅10<br />
6<br />
⋅<br />
6<br />
J<br />
REZOLVARE<br />
−<br />
0,<br />
95<br />
187,<br />
02<br />
⋅<br />
13,<br />
806<br />
+<br />
444,<br />
32<br />
⋅10<br />
227,<br />
6<br />
=<br />
= Q<br />
a<br />
− Q<br />
e<br />
+ Q<br />
[] L [] L proces<br />
−<br />
= 1,231MJ<br />
=<br />
91,<br />
765<br />
91,<br />
765<br />
Lucian Gavrila – Bilanturi de materiale si de energie<br />
6<br />
+<br />
=<br />
−444,<br />
32<br />
⋅10<br />
3<br />
⋅10<br />
J<br />
3<br />
=<br />
J/mol<br />
143