Моделирование и балансовые расчеты в химических технологиях

 
 
 
 
 
Е. Ю. Ван 
 
 
 
 
 
 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ И БАЛАНСОВЫЕ РАСЧЕТЫ 
В ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЯХ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 
1 
 

УДК 66.011 
ББК 35.11 
В17 
 
 
Рецензенты: 
заместитель директора ИЭиУ КузГТУ, 
доцент кафедры производственного менеджмента КузГТУ, 
кандидат технических наук, доцент В. Г. Михайлов; 
доцент кафедры биологии, химии и биолого-химического образования  
Мининского университета (г. Нижний Новгород) 
кандидат химических наук, доцент Н. А. Пиманова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ван, Е. Ю. 
В17   
Моделирование и балансовые расчеты в химических технологиях : 
учебное пособие / Е. Ю. Ван. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 56 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2153-9 
 
Изложен теоретический и практический материал, посвящённый моделированию 
химико-технологических систем (ХТС). Даны основные принципы построения ХТС, 
задачи и методы расчёта. Представлено построение моделей отдельных наиболее распространённых элементов ХТС. Описано применение приложения Excel для моделирования ХТС. 
Для студентов и аспирантов химических специальностей, а также для работников 
химической и смежных отраслей промышленности, интересующихся вопросами расчёта и моделирования химико-технологических процессов. 
 
УДК  66.011 
ББК   35.11 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2153-9 
” Ван Е. Ю., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 
 

ʝʒʚʏʑʚʔʜʗʔ 
 
ВВЕДЕНИЕ 
............................................................................................................ 4 
 
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ 
СИСТЕМЫ, ОБЩИЕ АСПЕКТЫ .................................................................... 5 
1.1. Технологические операторы химико-технологической системы ........... 6 
1.2. Технологические связи между операторами ХТС .................................... 9 
Вопросы для самоконтроля .............................................................................. 12 
 
2. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ 
В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ  .............................................................. 13 
2.1. Цели и принципы моделирования ............................................................ 14 
2.2. Аксиомы теории моделирования 
.............................................................. 16 
2.3. Виды моделей в моделировании ХТС 
...................................................... 17 
2.4. Функции моделей и факторы, 
влияющие на создание модели объекта .......................................................... 18 
Вопросы для самоконтроля .............................................................................. 20 
 
3. АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ 
ДЛЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ (ХТС) ....................... 21 
3.1. Технологии, применяемые в моделировании ХТС 
................................. 21 
3.2. Алгоритм построения аналитической модели для ХТС ........................ 22 
3.3. Алгоритм построения эмпирической модели для ХТС.......................... 22 
3.4. Краткая характеристика основных этапов алгоритмов построения 
аналитических и эмпирических моделей 
........................................................ 23 
Вопросы для самоконтроля .............................................................................. 26 
 
4. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ МОДЕЛИ В ХТС 
................................ 28 
4.1. Описательные модели в ХТС 
.................................................................... 28 
4.2. Графические (иконографические модели) в ХТС 
................................... 31 
4.3. Математические модели в ХТС ................................................................ 35 
Вопросы для самоконтроля .............................................................................. 37 
 
5. БАЛАНСОВЫЕ РАСЧЕТЫ В МОДЕЛИРОВАНИИ ХТС 
.................... 38 
5.1. Материальный баланс в моделировании ХТС ........................................ 38 
5.2. Энергетический баланс в моделировании ХТС ...................................... 45 
Вопросы для самоконтроля .............................................................................. 49 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................. 51 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 52 
3 
 

ʑʑʔʓʔʜʗʔ 
 
Химическая промышленность – это сложная иерархическая структура, пронизывающая все производственные ступени, осуществляющие сложные химикотехнологические процессы (ХТП). В химико-технологическую систему (ХТС) 
входят различные отрасли и производства: металлургические, фармацевтические, 
пищевые, машиностроительные, непосредственно химические и др., реализующие сложные аппаратурно-технологические процессы. 
Еще на стадии разработки проекта, в том числе пуска и наладки оборудования аппаратурно-технологического сопровождения и последующей эксплуатации производства, на всех этапах требуются глубокие познания теоретического и прикладного характера.  
Разработка новой ХТС нацелена на создание технологического объекта, 
отвечающего экономической и экологической целесообразностью с получением 
конечного продукта требуемого качества. Такие же задачи ставятся перед предприятиями, модернизирующими производство и технологические мощности.  
При эксплуатации ХТС важно понимать правила функционирования производства, организации всех включенных в технологическую схему элементов, 
в том числе внутренние факторы технологических параметров по сырью, реагентам, электроэнергии, комплектующим и др.  
Целью курса «Моделирование и балансовые расчеты в химических технологиях» является изучение принципов построения ХТС, функции моделей 
и факторов, влияющих на создание модели объекта, включая балансовые расчеты, а также изучение студентами различных способов построения моделей 
элементов ХТС. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 

ʤʏʟʏʙʡʔʟʗʠʡʗʙʏ 
ʤʗʛʗʙʝ-ʡʔʤʜʝʚʝʒʗʦʔʠʙʝʘʠʗʠʡʔʛʪǡ 
ʝʐʨʗʔʏʠʞʔʙʡʪ 
 
Химическое производство представляет собой конгломерат большого количества функционирующих аппаратов (реакторов), в которых осуществляются 
различные химические, физические, массообменные и др. технологические процессы. Исходя из назначения получения целевого продукта аппараты (реакторы) образуют единый механизм, входящий в отдельно взятый химико-технологический процесс (ХТП). 
Всякое химическое производство основано на этапах предподготовки сырья, его переработки и получения в итоге целевого продукта, поэтому можно 
заключить, что совокупность аппаратов (реакторов) ХТП входит в общую систему (ХТС), отображающую перечисленные этапы для каждого химического 
предприятия.  
На основании вышеизложенного, химико-технологическая система (ХТС) – 
это совокупность аппаратов (реакторов), непосредственно связанных технологическими потоками выполняющих технологические операции в определенной 
последовательности для получения целевого продукта. 
Аппараты и реакторы на химических производствах – это сложные технические объекты, в которых имеются элементы ХТС, например, непосредственно реактор, сопутствующие аппараты (насосы, нагреватели, дистилляторы 
и т. д.), связанные между собой технологическими потоками, направленными 
на получение целевого продукта, поэтому ХТС можно рассматривать и на примере   конкретного аппарата.   
В качестве примере представим функциональную и операторную схему 
ректификационной колонны (рис. 1.1). 
На рисунке представлены схематическое изображение ректификационной 
колонны (рис. 1.1 а) и операторная схема работы аппарата рис. 1.1 б). Оба рисунка отображают один и тот же процесс, в котором исходная смесь под действием высокой температуры разделяется на кубовой остаток и дистиллят. 
Если для схематического представления ХТП необходимо не только описывать технологические потоки ХТС, но и процессы, протекающие в аппаратах (реакторах) (рис. 1.1 а), тогда для графического описания химико-технологического процесса использование технологических операторов вполне достаточно (рис. 1.1 б). 
 
5 
 

         
 
                                                   а                                                    б 
Рисунок 1.1 – Схема ректификационной колонны: 
а – общая схема ректификационной колонны (аппарата); 
б – операторная технологическая схема ректификационной колонны 
 
1.1. ʡˈ˘ːˑˎˑˆˋ˚ˈ˔ˍˋˈˑ˒ˈ˓˃˕ˑ˓˞ 
˘ˋˏˋˍˑ-˕ˈ˘ːˑˎˑˆˋ˚ˈ˔ˍˑˌ˔ˋ˔˕ˈˏ˞ 
 
Технологическим оператором химико-технологической системы (ХТС) 
является элемент (аппарат/реактор), в котором в результате физико-химических 
процессов протекают качественные или количественные изменения физических 
параметров ХТП таких показателей как: 
- входные сырьевые материальные потоки; 
- технологические потоки; 
- энергетические (тепловые) потоки. 
Для представления функционирования ХТП в химической технологии 
используют 7 технологических операторов, включающих 4 основных и 3 вспомогательных. Такого количества операторов достаточно для описания любой 
производственной технологической схемы. Таким образом, можно судить об универсальности использования технологических операторов для описания ХТС. 
В таблице 1.1 представлены типовые технологические операторы для описания ХТС.  
6