CHEMICKÉ INŽENÝRSTVÍ
VYUŽITÍ BILANCÍ V CHEMICKÉM INŽENÝRSTVÍ
BERNARD P. 1 , DITL P. 2 1 Precheza a.s., Přerov, pavel.bernard@precheza.cz 2 České vysoké učení v Praze, Fakulta strojní, pavel.ditl@fs.cvut.cz
Článek na několika případech ukazuje na možnosti využití hmotnostních a entalpických bilancí k výpočtům nejen velkých výrobních celků, ale hlavně jednodušších případů.
Obr. 2: Schéma chlazení odparem vody do vzduchu
Hmotnostní a entalpické bilance jsou často používaným nástrojem, používaným k řešení chemicko-inženýrských výpočtů chemických procesů a aparátů. Vytvoření bilančního modelu je základní nástroj pro projektování linek, hledání příčin poruch (troubleshooting), zvyšování výrobní kapacity linek, to znamená hledání úzkých míst (debottle- necking) a zaškolování operátorů linek. Pro případy většího počtu bilančních proudů a uzlů se bilance počítají pomocí soustavy bilančních rovnic a pomocných výpočtů, mezi které patří výpočty entalpií, hustot, koncentrací apod. Bilance lze počítat pomocí existujících simulačních programů jako jsou např. Pro II, Aspen nebo Chemcad. Kromě bilancí zároveň počítají parametry aparátů. Jejich nevýhodou je to, že jsou poměrně drahé a tím málo dostupné pro běžné uživatele. Prakticky stejnou službu poskytuje metodika pro bilancování v Excelu [1], kde dostaneme úplnou hmotnostní a entalpickou bilanci všech proudů. Vý- počet aparátů je však nutno provést třeba s použitím vlastních programů v Excelu. Pro opakující se pomocné výpočty lze využít vlastních funkcí Excelu VBA [2]. V případě bilancí se jedná hlavně o funkce maticového počtu, především násobení a sčítání matic a výpočtu inverzní matice [1]. Bilance mohou být využity nejen k bilanci celé výrobní linky, ale třeba jen k porovnání energetické účinnosti různých typů zařízení, např. sušáren, k výpočtu výsledné vlhkosti materiálu po smíchání suchého a mokrého materiálu a dopočtem odparu ze směšovače, ke sledování úniků oběhové chladicí vody a kontrole stavu chladicí věže [3] nebo k výpočtu rychlosti skluzu sypké látky z bilance potenciální a kinetické energie [4]. Dále je uveden příklad bilance chlazení vzduchu jednak nepřímo a jednak přímým odparem vody. Z těchto dvou bilancí vyplývá, proč je pro pracovní prostředí lepší dle potřeby chladit vzduch nepřímo (např. kompresorovou klimatizací) než chladit odparem vody do vzduchu, byť je chlazení odparem vody levnější. Obr. 1: Schéma chlazení vzduchu nepřímo bez výměny hmoty
Hmotnostní průtok výstupního vzduchu se rovná součtu hmotnostního průtoku vstupního vzduchu a odparu. Absolutní koncentrace vodní páry ve vzduchu se odparem zvýší. Při teplotě vstupního vzduchu 28,6 °C a 45% relativní vlhkosti je absolutní obsah vodní páry 1,8 % obj. Teplotě rosného bodu 28,6 °C totiž odpovídá koncentrace vodní páry 4 % obj. Absolutní obsah vodní páry je tedy 4 . 45 / 100 = 1,8 % obj. Výstupní vzduch má absolutní koncentraci vodní páry vyšší než 1,8 % obj. Dochází k výměně hmoty s okolím. Aby došlo k ochlazení vzduchu na 23,8 °C musí být odpařeno dle entalpické bilance tolik vody, že absolutní koncentrace vodní páry stoupne o cca 0,25 %, na cca 2,07 %. Rosnému bodu 23,8 °C odpovídá koncentrace vodní páry 3 % obj. Relativní vlhkost je tedy 2,07 / 3 . 100 = 69 %. Z grafu tepelné pohody níže je zřejmé, že po ochlazení vzduchu přímo, odparem vody, je vzduch chladnější, ale zároveň se dostává do oblasti dusna. Obr. 3: Graf tepelné pohody z publikace [5] s dokreslenými body stavu vzduchu
● vstupního vzduchu ● vzduch po ochlazení klimati- zací ● vzduch po ochlazení přímým odparem vody
Je potřeba doplnit, že používané klimatizace navíc ochlazovaný vzduch ještě odvlhčují, aby bylo dosaženo vyšší tepelné pohody. Literatura [1] DITL, P., NETUŠIL, M. Bilancování a simulace procesů v EXELu , Nakladatelství ČVUT, 2018. [2] BERNARD, P., DITL, P., FOŘT, I. Využití vlastních funkcí VBA v Microsot Exel k chemickoinženýrským výpočtům. Chemagazín , 2018, roč. XXVIII, č. 1, s. 20–21, ISSN 1210-7409. [3] BERNARD, P. Sledování úniků oběhové chladicí vody a kontrola stavu chladicí věže pomocí bilančního modelu. Chemagazín , 2015, roč. XXV, 1, s. 24–25, ISSN 1210-7409. [4] BERNARD, P. DITL, P., FOŘT, I., Rychlost skluzu sypké látky v rotační peci. Chemagazín , 2016, roč. XXVI, č. 4, s. 28–29, ISSN 1210-7409. [5] CIHELKA, P., a kol. Vytápění a větrání . SNTL, 1969.
Hmotnostní průtok výstupního vzduchu (vlhkého vzduchu) se rovná hmotnostnímu průtoku vstupního vzduchu. Absolutní koncentrace vodní páry ve vzduchu zůstává stejná. Ovšem relativní vlhkost vzduchu stoupá, protože chlazením klesá teplota vzduchu a tím i teplota rosného bodu. Při teplotě vstupního vzduchu 28,6 °C a 45% relativní vlhkosti je ab- solutní obsah vodní páry 1,8 % obj. Teplotě rosného bodu 28,6 °C totiž odpovídá koncentrace vodní páry 4 % obj. Absolutní obsah vodní páry je tedy 4 . 45 / 100 = 1,8 % obj. Výstupní vzduch má absolutní koncentraci vodní páry stále 1,8 % obj. Nedochází k výměně hmoty s okolím. Pokud teplota vzduchu klesne po ochlazení na 23,8 °C, pak relativní vlhkost stoupne na cca 60 %. Ros- nému bodu 23,8 °C odpovídá koncentrace vodní páry 3 % obj. Relativní vlhkost je tedy 1,8 / 3 . 100 = 60 %. Z grafu tepelné pohody níže je zřejmé, že po ochlazení vzduchu nepřímo, bez výměny hmoty, je vzduch chladnější a zároveň se drží v oblasti tepelné pohody.
8
CHEMAGAZÍN • 1 / XXXIV (2024)
Made with FlippingBook Ebook Creator