Материальный баланс

Материальный баланс любого технологического процесса или части его составляется на основе закона сохранения массы вещества:

= (1)

где -суммарная масса исходных веществ процесса (цикла);

-суммарная масса конечных продуктов процесса.

Уравнение (1) называют уравнением материального баланса.

Если в какой-либо аппарат и технологический узел поступает m_А кг вещества А, m_В кг вещества В и в результате химической переработки получается m _С кг продукта С, m_D кг продукта D, и если в конечных продуктах остается часть начальных веществ А (m^/_А кг) и В (m^/_В кг), то при этом должно сохраниться равенство:

m_А + m_В +...= m_С + m_D +…+ m^/_А + m^/_В +…….+Δm, (1a)

где Δm – производственные потери продукта.

Результаты расчетов обычно сводят в таблицу материального баланса по массе исходных веществ и продуктов реакции и выражают в кг (или в процентах), см. таблицу 2. Иногда таблицу сопровождают диаграммой.

Материальный баланс, как правило, составляется на единицу выработанного продукта (кг, т), по данным аналитической и материальной отчетности и служит основой для составления теплового и экономического балансов. Поэтому он составляется первым и является обязательным для любого химико-технологического процесса.

Пример 1. Составить материальный баланс печи КС-200 для обжига колчедана в кипящем слое.

Исходные данные.

Производительность печи (в расчете на 45%-ный колчедан) – 200 000 кг/сут.

Используемое сырье – флотационные хвосты с содержанием 42,4% S (в расчете на сухой колчедан) (табл.1)

Таблица 1

Влажность колчедана (в %)
Влажность воздуха (в %)	75,0
Поступает воздуха влажностью 75% (в кг/ч)
Концентрация SO2 в сухом обжиговом газе (в объемных %)	13,6
Концентрация SO3 (в объемных %)	0,1
Выход огарка (в кг/кг)	0,738
Содержание серы в огарке (в %)	0,7
Количество паров воды в обжиговом газе (в кг/ч)
Концентрация кислорода в обжиговом газе (в объемных %)	2,87
Количество пыли, уносимой газом, от общего количества огарка (в %)

Решение. Расход сухого колчедана (в расчете на содержание 45% S в колчедане):

РСК= =212000 (кг/сут, или 8844 кг/ч).

Расход влажного колчедана:

РВК= = =9118 (кг/ч).

Влага колчедана:

Вл. =РВК-РСК=9118-8844=274 (кг/ч).

Количество серы в колчедане:

m = = (кг/ч).

Суммарный выход огарка и пыли рассчитываем, исходя из предположения, что в условиях кипящего слоя образование огарка можно описать схемой:

2FeS Fe O .

В этом случае выход огарка из 1 кг колчедана по условию равен 0,738 кг/кг, отсюда суммарный выход:

η =РСК*0,738=8844*0,738=6527 (кг/ч).

Потери серы с огарком:

Пот = (кг/ч).

Выгорает серы (с образованием окислов SO₂ и SO₃):

m -пот =3750-46=3704 (кг/ч).

Образовалось окислов SO и SO (по объему):

(нм³/ч).

Образовалось окисла SO :

по объему: (нм³/ч),

по массе: (кг/ч).

В этом количестве ангидрида (SO₃) содержится серы:

(кг/ч).

Использовано серы на образование окисла SO :

3750-(46+26)=3678 (кг/ч).

Образовалось окисла SO :

7348 (кг/ч), или (нм³/ч),

где 2,93 – плотность SO в кг/м .

Объем полученного сухого обжигового газа:

(нм³/ч)

Количество кислорода в обжиговом газе (при концентрации его – 2,87 %):

(нм³/ч), или 530*1,43=757 (кг/ч),

где 1,43 – плотность О кг/м³.

Объем азота в обжиговом газе:

18466-(2510+18,5+530)=15406 (нм³/ч)

или

15406*1,25=19362 (кг/ч),

где 1,25 – плотность атмосферного азота (кг\м³).

Расход сухого воздуха при обжиге:

(нм³)

или

19502*1,29=25216 (кг/ч),

где 1,29 – плотность сухого воздуха (кг/м ).

Общее количество обжигового газа с учетом паров воды в газе (365 кг/ч):

7348+66+757+19362+365=27898 (кг/ч).

Количество огарковой пыли, уносимой газом, если по условию задачи вынос составляет 90% от веса огарка:

6527*0,9=5874 (кг/ч).

Отсюда масса крупного огарка составляет:

6527–5874=653 (кг/ч).

Полученные расчетом данные сводим в таблицу материального баланса (табл.2).

Таблица 2

Расход	Приход
Статья прихода	Количество кг/ч	Статья расхода	Количество кг/ч
Колчедан влажный: Колчедан сухой Влага колчедана		Обжиговый газ: Серный ангидрид Сернистый « Кислород Азот Пары воды
Итого Воздух влажный		Итого Огарок: Пыль, уносимая с газом Крупный огарок
Итого		Итого
Итого

Пример 2. Составить таблицу материального баланса контактного отделения производства серной кислоты Н₂SO₄ на 1 т обжигаемого колчедана на основании следующих данных:

Компоненты	Состав (в объемных %)	кг	нм3
Сернистый ангидрид Кислород Азот	7,1 11,0 81,9	749,4 579,6 3782,0	262,2

Степень контактирования – 98 %. Результаты расчетов выразить в кг и нм³

Решение. При обжиге 1 т колчедана получается серного ангидрида:

(кг)

или

(нм³),

где 80 и 64 – молекулярные массы соответственно окислов SO₃ и SO₂.

Расход кислорода на окисление SO₂

(кг), или 128,8 нм³.

Остается в газе сернистого ангидрида:

749,4*0,02=15 (кг), или 5,25 нм³,

кислорода:

579,6-183,6=396 (кг), или 277,2 нм³.

Данные задачи и полученные расчетом сводим в таблицу 3.

Пример 3. Рассчитать расход серной кислоты, выход камерного и складского суперфосфата. Составить материальный баланс процесса переработки 1 т апатитового концентрата в суперфосфат, исходя из следующих данных.

Таблица 3