Как Определяются Границы Открытой И Закрытой Системы При Оценке Материальных Балансов Оборудования Учебных Пилотных Установок?

Открытая система допускает пересечение массы через свою границу, тогда как закрытая система не допускает этого в течение заданного периода анализа. При составлении материальных балансов пилотной установки проведите границу вокруг исследуемого оборудования или участка процесса, а затем учитывайте только материальные потоки, пересекающие ее. Непрерывное оборудование, такое как абсорбционные башни, теплообменники и непрерывные реакторы, обычно рассматривается как открытая система; периодические смесители и герметичные периодические реакторы обычно рассматриваются как закрытые системы.

Граница системы определяет, какие потоки отражаются в материальном балансе. В балансах открытых систем используются расходы входящих и выходящих потоков, тогда как в балансах закрытых систем отслеживаются общая первоначально присутствующая масса, любое накопление, а также любая реакция или превращение за заданный интервал времени.

Что означает граница системы

Граница определяет контрольный объем

Граница системы представляет собой воображаемую поверхность, проведенную вокруг анализируемого оборудования, технологического блока или всей установки.

Материальный баланс включает каждый материальный поток, пересекающий эту поверхность. Потоки, полностью остающиеся внутри границы, такие как внутренний флегмовый поток, циркуляционный поток или поток между тарелками, не являются внешними входами или выходами для данной границы.

Граница является аналитическим выбором

Одну и ту же пилотную установку можно анализировать с использованием разных границ. Граница вокруг всей дистилляционной установки дает общий баланс, тогда как граница только вокруг кипятильника или конденсатора дает локальный баланс.

Правильной является граница, соответствующая поставленному вопросу и доступным измерениям.

Теплота и работа не являются материальными потоками

Теплота и работа могут пересекать границу как открытой, так и закрытой системы, но они не включаются в массовые потоки.

Они имеют значение для энергетического баланса, а не для материального баланса, если только поток теплоносителя физически не смешивается с технологическим материалом.

Как определяются границы открытых систем

Масса проходит через входы и выходы

Открытая система, также называемая проточной системой или контрольным объемом, допускает поступление и выход материала во время работы.

Типичные пересекающие границу потоки включают исходный материал, продукт, продувку, сброс, дренаж и рецикл, если они пересекают выбранную границу.

Непрерывное пилотное оборудование обычно является открытым

Газовые абсорбционные башни, теплообменники, непрерывные реакторы идеального смешения, дистилляционные колонны, насосы и компрессоры обычно рассматриваются как открытые системы.

Для этих аппаратов баланс обычно записывается через массовые расходы:

[ \text{Накопление} = \text{Масса на входе} - \text{Масса на выходе} + \text{Образование} - \text{Потребление} ]

Для не реагирующего процесса в установившемся режиме накопление равно нулю, поэтому:

[ \text{Общий массовый расход на входе} = \text{Общий массовый расход на выходе} ]

Балансы по компонентам могут быть более полезными

Общий материальный баланс может показать, что масса сохраняется, но не показывает распределение компонентов.

Например, для установки перегонки этанола необходимы балансы по компонентам для этанола и воды, а не только баланс общего потока. В установившемся режиме:

[ \dot{m}{\text{питание}} = \dot{m}{\text{дистиллят}}+ \dot{m}_{\text{кубовый остаток}} ]

Соответствующий баланс по этанолу учитывает долю этанола в каждом потоке.

Внутренние потоки исключаются из общей границы

Если граница охватывает колонну, конденсатор и кипятильник вместе, внутренние потоки пара, жидкости и флегмы не пересекают границу.

Поэтому они исключаются из общего материального баланса, несмотря на то что имеют ключевое значение для механизма разделения.

Как определяются границы закрытых систем

Технологическая масса не пересекает границу

Закрытая система содержит фиксированное количество материала в течение выбранного периода работы.

Герметичный периодический реактор или периодический смесительный резервуар рассматривается как закрытая система, если через границу не проходят потоки подачи, отбора продукта, сброса, утечек или дренажа.

Для периодического оборудования необходим временной интервал

Поскольку входные и выходные расходы отсутствуют, баланс сравнивает количество материала внутри системы в два момента времени.

Для не реагирующей закрытой системы:

[ m_{\text{начальное}} = m_{\text{конечное}} ]

Если материал накапливается, расходуется или образуется в результате реакции, соответствующий баланс по компоненту должен учитывать эти эффекты.

Закрытая система не означает отсутствие изменений

В закрытой системе могут происходить изменения температуры и давления, смешивание, фазовые переходы, теплопередача или совершение работы валом.

Система остается закрытой с точки зрения массы до тех пор, пока никакой материал не пересекает определенную границу.

Периодическое оборудование не всегда является закрытым

Периодический реактор с добавлением исходного материала, газовым сбросом, линией отбора проб или отбором продукта не является полностью закрытым в течение этого периода.

В таком случае необходимо либо включить эти потоки в материальный баланс, либо изменить рабочий интервал так, чтобы допущение о закрытой системе было обоснованным.

Выбор границ для многоблочных пилотных установок

Используйте общую границу для результатов по всей установке

Граница вокруг всей пилотной установки включает только потоки, поступающие извне, и потоки, выходящие во внешнюю среду.

Соединительные потоки между смесителем, реактором, сепаратором и накопительным резервуаром являются внутренними и сокращаются в общем балансе.

Этот подход полезен для проверки общего извлечения, общего выхода продукта и материальных потерь по всей установке.

Используйте границы подсистем для оценки работы отдельных блоков

Граница вокруг одного единичного аппарата позволяет выделить его локальное поведение.

Например, граница вокруг дистилляционной колонны может включать исходный поток, дистиллят, кубовый остаток, флегму и поток кипячения в зависимости от того, находятся ли конденсатор и кипятильник внутри или за пределами границы.

Выбранная граница определяет, какие из этих потоков необходимо измерять и включать в баланс.

Используйте границы узлов смешения и разделения потоков

Небольшая граница вокруг точки смешения позволяет связать объединенный выходной поток с несколькими входными потоками.

Граница вокруг делителя потоков связывает один входной поток с несколькими выходными. Такие локальные балансы часто проще, чем одновременное составление баланса всей технологической схемы.

Проведите проверку числа степеней свободы

Перед расчетом подсистемы подсчитайте неизвестные расходы потоков и составы и сравните их с имеющимися независимыми уравнениями.

Корректно поставленная задача обычно имеет нулевое число степеней свободы после учета заданных параметров, измерений и уравнений материального баланса.

Применение определения к учебному оборудованию

Периодический смесительный резервуар

Для герметичного периодического смесительного резервуара проведите границу вокруг резервуара и его содержимого на время смешивания.

Если через границу не проходят потоки подачи, дренажа, отбора проб или сброса, используйте баланс закрытой системы и сравните общие или компонентные массы до и после смешивания.

Непрерывная абсорбционная башня

Для газовой абсорбционной башни проведите границу вокруг башни и определите вход газа, выход газа, вход жидкого растворителя и выход жидкости.

Эти пересекающие границу потоки являются основой для общих и компонентных балансов открытой системы.

Непрерывная дистилляционная установка

Для оценки эффективности общего разделения проведите границу вокруг колонны, верхнего конденсатора и кипятильника как вокруг единого блока.

Внешними материальными потоками обычно являются исходный поток, дистиллят и кубовый остаток. Внутренние потоки флегмы и кипячения не включаются в этот общий баланс, поскольку не пересекают границу.

Теплообменник

Теплообменник является открытой системой, если технологическая жидкость непрерывно входит и выходит.

Материальные потоки горячей и холодной сторон пересекают границу, тогда как теплопередача между потоками учитывается в энергетическом балансе, а не рассматривается как материальный поток.

Понимание компромиссов

Большая граница упрощает общий баланс

Охват нескольких соединенных блоков одной границей исключает внутренние потоки из общего баланса.

Недостаток заключается в том, что это скрывает работу отдельных блоков и усложняет определение места возникновения потери, утечки или неэффективности разделения.

Малая граница обеспечивает больше деталей

Границы на уровне отдельных блоков позволяют выявить локальные составы, степень превращения, извлечение и накопление.

Однако они также создают больше неизвестных потоков и требуют большего количества приборов, измерений и уравнений.

Установившийся режим можно определить ошибочно

Непрерывный аппарат автоматически не находится в установившемся режиме. Пуск, остановка, заполнение резервуара, изменение концентрации и колебания условий подачи приводят к накоплению.

При ненулевом накоплении расходы на входе и выходе не обязательно равны.

Теплоносители необходимо классифицировать правильно

Охлаждающая вода, греющий пар и хладагент обычно относятся к энергетическому балансу, если они не смешиваются с технологическим материалом.

Если теплоноситель поступает в процесс, например пар конденсируется в продукте, он пересекает материальную границу как технологический массовый поток и должен быть включен в баланс.

Утечки и отбор проб могут сделать допущения недействительными

Предположительно герметичный периодический аппарат может терять массу через утечку, сброс или порт отбора проб.

В учебных экспериментах эти пути следует явно документировать, а не принудительно использовать идеализированную модель закрытой системы.

Как применить это к вашей пилотной установке

Следующая процедура обеспечивает надежную отправную точку для составления материальных балансов в учебных целях:

Если основное внимание уделяется производительности непрерывного блока: Проведите границу вокруг оборудования, перечислите каждый входной и выходной поток и используйте балансы расходов в установившемся режиме только после подтверждения того, что накопление пренебрежимо мало.
Если основное внимание уделяется герметичной периодической операции: Определите начальный и конечный моменты времени, убедитесь, что технологическая масса не пересекает границу, и сравните начальные и конечные общие или компонентные количества.
Если основное внимание уделяется общему извлечению на установке: Охватите все соединенные блоки одной границей и включите только внешние потоки подачи, продукта, отходов, продувки и сброса.
Если основное внимание уделяется работе отдельного оборудования: Изолируйте выбранный блок и включите каждый поток, пересекающий его локальную границу, включая соответствующие потоки рецикла или байпаса.
Если основное внимание уделяется эффективности разделения: Используйте балансы по компонентам для таких веществ, как этанол и вода, вместо того чтобы полагаться только на общий массовый расход.
Если основное внимание уделяется обоснованности расчета: Проведите проверку числа степеней свободы перед определением неизвестных расходов или составов.

Четко проведенная граница превращает сложную пилотную установку в управляемую и измеримую задачу составления материального баланса.

Итоговая таблица:

Тип системы или границы	Материал, пересекающий границу	Типичные примеры пилотных установок	Основное внимание в балансе
Открытая система	Входы, выходы, сбросы, дренажи, продувки и другие технологические потоки	Абсорбционные башни, теплообменники, непрерывные реакторы, дистилляционные установки	Расходы потоков, накопление, образование и потребление
Закрытая система	Отсутствие технологической массы в течение заданного временного интервала	Герметичные периодические смесители и реакторы	Начальная и конечная масса, накопление и эффекты реакции
Общая граница установки	Внешние потоки подачи, продукта, отходов, продувки и сброса	Полностью соединенная пилотная установка	Общее извлечение, выход продукта и материальные потери
Граница на уровне отдельного блока	Каждый поток, входящий в выбранный блок или выходящий из него	Дистилляционная колонна, реактор, сепаратор или смеситель	Работа оборудования, степень превращения и эффективность разделения
Баланс по компоненту	Потоки и составы конкретных веществ	Перегонка этанола и воды или реакционные системы	Распределение компонентов, образование и потребление
Поток теплоносителя	Обычно только энергия, если теплоноситель не смешивается с технологическим материалом	Охлаждающая вода, греющий пар, хладагент	Включается в материальный баланс только после превращения в технологический материал

Нужны надежные результаты материального баланса для вашей пилотной установки? Свяжитесь с LABPARK, чтобы обсудить ваши требования. LABPARK предоставляет учебные и профессиональные пилотные установки для единичных операций в химической инженерии, биопроцессах и биотехнологии, а также для экологических технологий и очистки воды. Наши системы помогают университетам, научно-исследовательским институтам и предприятиям обучать составлению и проверке балансов открытых и закрытых систем, оценивать работу отдельных блоков и проводить практическое обучение технологическим процессам с использованием конфигурируемого оборудования и измеряемых технологических потоков.