Материальные балансы

Химико-технологические расчеты составляют главную, наиболее трудоемкую часть проекта любого химического производства, они же являются завершающей стадией лабораторного технологического исследования и выполняются также при обследовании работающих цехов и установок. Целью этих расчетов может быть определение кинетических констант и оптимальных параметров производства или же вычисление реакционных объемов и основных размеров химических реакторов.

Материальные и тепловые расчеты являются основой технологических расчетов. К ним следует отнести определение выхода основного и побочных продуктов, расходных коэффициентов по сырью, производственных потерь. Только определив материальные потоки, можно произвести необходимые конструктивные расчеты производственного оборудования и коммуникаций, оценить экономическую эффективность и целесообразность процесса. Составление материального баланса необходимо как при проектировании новых производств используется опыт существующих с учетом результатов современных новейших исследований. На основе сравнительного технико-экономического анализа действующих производств, возможно выбрать наиболее рациональную технологическую схему, оптимальные конструкции аппаратов и условия осуществления процесса.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов, поступающих на переработку G, а правую – масса получаемых продуктов G’ плюс производственные потери G_пот.

(1.1)

Балансы ХТС передают законы сохранения массы - материальные балансы и энергии - энергетические балансы, в частности тепловые балансы. Балансы ХТС складываются, как правило для стационарных процессов или для ХТС в целом, или для отдельных элементов или групп элементов. В последних случаях из схемы “вырезается” элемент или совокупность элементов (рис. 1)

Рис 1. К порядку расчета ХТС

Выделено: І- один элемент; ІІ – группа элементов; ІІІ – ХТС в целом.

Таблица 1. Материальный баланс

G₁, G₂ ,G₃ – массы исходных веществ; G₄ ,G₅,G₆ – массы целевого, побочного продуктов и отходов соответственно.

Приход	Расход
Исходное вещество	кг	м3	%	продукт	кг	м3	%
G1 G2 G3				G4 G5 G6
Всего		Всего

Для всех производств в начале изложения технологического процесса по каждой стадии в таблице 3 приводят сведения о видах и количестве (массе, объема, кг/молях, штуках) используемых и получаемых в производстве сырья, полуфабрикатов, материалов, отходов, потерь и готового продукта. Таблица 3 нумеруется в зависимости от номера стадии:3.1, 3.2, 3.3 и т.д. Стадии по ходу технологического процесса имеют сквозную нумерацию, независимо от их индекса: «ВР», «ТП», «УМО» и др.

Таблица 2.. Количество израсходованной и полученной продукции на стадии

Наименование	Содержание основного вещества % масс.	Израсходовано и получено
масса	Объем, дм3	Коли- чество штук
кг	кг основного вещества	кг/моль

1– израсходовано на стадии:

Полупродуктов:

Сырья:

Материалов:

ИТОГО:

2– получено на стадии::

Полупродуктов:

(на конечной стадии-

готовых продуктов)

Отходов, в том числе:

Потерь, в том числе:

ИТОГО :

Примечание:

1. Суммировать количество различных наименований продукции можно, если они имеют одинаковые единицы измерения.

2. Ниже наименований отходов и потерь указывают содержащиеся в них сырье, материалы и полупродукты. При наличии в отходах и потерях большого числа ингредиентов допускается не перечислять их, а привести только их суммарное количество.

Пример 1

В реактор для гидратации ацетилена в ацетальдегид производительностью 1 т/час ацетальдегида вводят ацетилен, который содержит 2 %

инертных примесей.Ацетилен в реакторе гидратируется на 40%, а непрореагировавший ацетилен после отделения от ацетальдегида возвращают назад. Определите выход ацетальдегида, если для поддерживания

концентрации инертных примесей на уровне 25 % часть газа выбрасывается в атмосферу.

Решение

CH ≡ CH + H₂O → CH₃COH

М.м. М.м. М.м.

26 18 44

Производительность реактора 1т/час =1000кг/44 = 22,72кг моль/ч.

Обозначим количество введенного свежего газа через А, количество полученного ацетальальдегида R и выведенного из кругооборота газа (сдувка) - С. В таком случае молярный баланс всех веществ будет следующим:

N_A = N_R + N_C или N_C = N_A - N_R

В этом уравнении два неизвестных, поэтому нужное еще одно уравнение.

Баланс по ацетилену:

0,98N_A = N_R + 0,75N_C

Баланс по инертным примесям:

0,02N_A = 0,25 N_C

Получаем систему уравнений:

N_A = N_R + N_C

0,02N_A = 0,25 N_C

Откуда N_A = 22,72 + N_C, N_C = 1,976

Выход ацетальдегида Ф =

Пример 2

Аммиачная установка производительностью 1000 т/сут делает на синтез- газе который вместит 1% инертных примесей.

Которой должна быть сдувка, чтобы содержимое инертных смесей, в газе который циркулирует, не превосходил 20%.

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

г.г. г.г. г.г.

28 2 17

Решение

Производительность реактора 1000т/пор =1000кг ּ10³/17 = 58,82 ּ10³ кмоль/доб.

Визначим количество введенного свежего газа через А, количество полученного аммиака R и выведенного из кругооборота газа (сдувка) - С. В таком случае молярный баланс всех веществ будет следующим:

N_A = 2N_R + N_C или N_C = N_A - 2N_R

В этом уравнении два неизвестных, поэтому нужное еще одно уравнение.

Баланс по азото-водородной смеси:

0,99N_A = 2N_R + 0,2N_C

Баланс по инертным примесям:

0,01N_A = 0,2N_C

Получаем систему уравнений:

N_A = 2N_R + N_C

0,01N_A = 0,2 N_C

Откуда N_A = 2ּ58,82 ּ10³ + N_C,

N_C = 6,192 ּ10³ кмоль/доб = 22,4 ּ6,192 ּ10³ = 138,7 ּ10³ м³/доб