Материальный баланс

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 4

1 РАСЧЕТ  КОЛИЧЕСТВА И СОСТАВА ТЕХНИЧЕСКИХ  ПРОДУКТОВ ... 5

2 СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ.............................................................. 6

3 УРАВНЕНИЕ  МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ............................................. 7

4 ПРИМЕРЫ  РАСЧЕТОВ ..................................................................................... 9

4.1 Расчет  расходных коэффициентов.................................................................. 9

4.2 Составление  материальных балансов необратимых  химико-

технологических процессов................................................................................ 11

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ ............................................................................. 14

ВВЕДЕНИЕ

Прежде  чем приступить к конструированию  какого-либо аппарата,

необходимо  произвести подробный технохимический  расчет всего процесса

производства  или той его части, которая  непосредственно связана с

конструируемым  аппаратом. В основу любого технохимического расчета

положены  два основных закона: 1)закон сохранения массы вещества и 2) закон

сохранения  энергии. На первом из этих законов  базируется всякий

материальный  расчет.

Закон сохранения масс веществ заключается в том, что во всякой

замкнутой системе масса вещества остается постоянной, независимо от того,

какие изменения претерпевают вещества в  этой системе. Применительно к

расчету материального баланса какого-либо процесса производства этот закон

принимает следующую простую формулировку: масса исходных продуктов

процесса  должна быть равна массе его конечных продуктов. Следовательно,

когда производится материальный расчет процесса, необходимо учитывать

массу каждого компонента, поступающего в данный аппарат (приход) и массу

каждого компонента, уходящего из аппарата (расход). Сумма приходов

компонентов должна быть равна сумме расхода, независимо от состава

продукта  при поступлении и выходе, т.е. независимо от того, каким

изменениям они подверглись в данном аппарате.

Основная  задача данного пособия ознакомить студентов с основами

расчета материального баланса.

1 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА  И СОСТАВА ТЕХНИЧЕСКИХ  ПРОДУКТОВ

В промышленной практике довольно часто приходится иметь дело с

вычислениями количественных соотношений между компонентами начальных

и конечных продуктов производства, в основе которого лежат физические

процессы. При этих процессах не образуется новых компонентов, а только

происходят  изменения состава продуктов, которые  подвергаются обработке или

хранению  при определенных условиях. Поэтому, составляя материальный

баланс  этих процессов, следует иметь в  виду, что в приходной и расходной  его

частях  участвуют одни и те же компоненты, но только в различных

количественных  соотношениях.

Пример 1.

Влажность 125 т каменного угля при его  хранении на складе изменилась

с 6.5% до 4.2%. Определить, насколько изменился  вес угля.

Решение.

Вес влаги  в первоначальном количестве угля равен 125 * 0.065 = 8.125т.

Вес сухого угля 125 – 8.125 =116.875 т. Вес угля при содержании в нем 4.2%

влаги, составит 116.875/(1.0 –0.042) =122.0 т.

Таким образом, 125 т угля за счет уменьшения влажности потеряли в весе

125 –112 –3 т.

Пример 2.

На кристаллизацию поступает 10 т насыщенного водного  раствора

хлористого  калия при 1000С. Во время кристаллизации раствор охлаждается до

200С.  Определить выход кристаллов  хлористого калия, если растворимость  его

при 1000С  составляет 56.7 г, а при 200С –34 г  на 100 г воды.

Решение.

Обозначим вес кристаллов КСl через G. Начальная  концентрация

раствора  хлористого калия

С нач. = 56.7 * 100/56.7 + 100 = 36.2%,

конечная  концентрация его

С кон = 34.0 * 100/34.0 + 100 = 25.4%.

Приход:

Вес КСl в 10 т начального раствора при 1000С  …………0.362*10 =3.62 т

Расход:

Вес кристаллов хлористого калия……………………….. Gm.

Вес маточного  раствора………………………………..…(10 – Gm)

Вес КСl в маточном растворе при 200С ………………….0.254 *(10 – Gm)

Отсюда  имеем 3.62 = G + 0.254 * (10 – Gm)

Решая это уравнение, получим

G = 1.45 т.

Пример 3.

Свежедобытый  торф имел состав (в %): влага…85.2, кокс…5.2,

летучие…8.8, зола…0.8. Подсчитать состав торфа после  сушки.

Решение.

В 100 кг свежедобытого торфа содержалось 8ю8 +5.2 +0.8 =14.8 кг

летучих, кокса и золы. Отсюда состав безводного торфа следующий (в %):

Летучие….8.8 /*100 /14.8 = 59.5

Кокс……...5.2 * 100/14.8 = 35.1

Зола………0.8 *100 /14.8 = 5.4

В пересчете  на воздушно-сухой торф (с 10% влаги) это  составит:

Летучие….(100 –10) *0.595 = 53.5 кг или 53.5%

Кокс……...(100 –10)) –0.351 = 31.6 кг или 31.6%

Зола………(100 –10) * 0.054 = 4.9 кг или 4.9%

Влага……...10 кг или 10% . всего 100 кг или 100%

2 СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЕ  РАСЧЕТЫ

Расчеты технологических процессов, в результате которых происходит

химическое  изменение вещества, основаны на стехиометрических  законах:

законе  постоянства состава  и законе кратных отношений, которые выражают

собой взаимное отношение атомов и молекул  при их химическом

взаимодействии  друг с другом.

Согласно  закону постоянства состава, любое вещество, какими бы

способами его не получали, имеет вполне определенный состав.

Закон кратных отношений состоит в том, что при образовании какого-

либо  простого или сложного вещества элементы в молекулу последнего входят

в количествах, равных или кратных их атомному весу. Если же отнести этот

закон к объемам, вступающих в реакцию  веществ, то он примет следующую

формулировку: если вещества вступают в химическую реакцию в газообразном

состоянии, то они при одинаковых условиях (Р  и Т) могут соединяться только в

объемах, которые соотносятся между собой  как целые числа.

Пример 3.

Химический  анализ природного известняка показал следующее. Из

навески известняка 1.0312 г путем ее растворения, последующего осаждения

иона  Са+2 щавелевокислым аммонием и прокаливанием  осадка СаС2О4

получено 0.5384 г СаО, а из навески 0.3220 г путем  разложения кислотой

получено 68.5 см3 СО2 (приведенных к нормальным условиям). Подсчитать

содержание  углекислого кальция и магния в известняке, если весь кальций  в

нем находится  только в виде СаСО3, а угольная кислота  – в виде карбонатов

кальция и магния.

Решение.

Мол. в. СаО равен 56.08, СО2 – 44, СаСО3 – 100.1, МgСО3 –84.32. Мол.

объем СО2 равен 22.26 л/моль (22260см3/моль). По данным анализа из 100 г

природного  известняка получено:

7

7

0.5384 * 100/1.0312 * 56.08 = 0.931 мол СаО;

68.5 * 100/0.3220 * 22260 = 0.956 мол СО2.

Отсюда  следует, что в 100 г известняка содержится 0.931 мол, или

0.931*100.1 = 93.2 г СаСО3. На это количество  СаСО3 выделится при

разложении 0.931 мол СО2.. Остальные (0.956 – 0.931) = 0.025 моль СО2.

связаны в известняке в виде МgСО3. Следовательно, в 100 г известняка

содержится 0.025*24.32 = 2.1 г МgСО3.

Таким образом, природный известняк содержит: 93.2% СаСО3, 2.1%

МgСО3 и 4.7% пустой породы.

3 УРАВНЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО  БАЛАНСА

Материальный  баланс любого технологического процесса или части его

составляется  на основании закона сохранения веса (массы) вещества:

ΣGисх = ΣGкон, (3.1)

где ΣGисх  – сумма весов (масс) исходных продуктов  процесса; ΣGкон –

сумма весов (масс) конечных продуктов процесса в тех же единицах измерения.

Таким образом, если в какой-либо аппарат  или технологический узел

поступает GА кг продукта А, GВ кг продукта В  и т.д., а в результате переработки

их получается GС кг продукта С, GД кг продукта Д  и т.д., а также если в

конечных  продуктах остается часть начальных  продуктов А (GА кг), В (GВ кг) и

т.д., то при этом должно сохраниться равенство

GА + GВ +….= GА' + GВ' + GС + GД +….+ΔG, (3.1а)

где ΔG –производственные потери продукта.

Определение массы вводимых компонентов и  полученных продуктов

производится  отдельно для твердой, жидкой и газообразных фаз согласно

уравнению

Gг + Gж + Gт.= Gг

' + Gж

' + G'

т (3.1б)

В процессе не всегда присутствуют все фазы, в  одной фазе может

содержаться несколько веществ, что приводит к упрощению или усложнению

уравнения (3.1).

При составлении  полного баланса обычно решают систему уравнений

(3.1) с  несколькими неизвестными. При этом  могут быть использованы

соответствующие формулы для определения равновесного и фактического

выхода  продукта, скорости процесса и т. д.

Теоретический материальный баланс рассчитывается на основе

стехиометрического  уравнения реакции и молекулярной массы компонентов.

Практический  материальный баланс учитывает состав исходного сырья и

готовой продукции, избыток одного из компонентов  сырья, степень

превращения, потери сырья и готового продукта и т. п.

8

8

Из данных материального баланса можно  найти расход сырья и

вспомогательных материалов на заданную мощность аппарата, цеха,

себестоимость продукта, выходы продукта, объем реакционной  зоны, число

реакторов, производственные потери.

На основе материального баланса составляют тепловой баланс,

позволяющий определить потребность в топливе, величину теплообменных

поверхностей, расход теплоты или хладоагентов.

Результаты  этих подсчетов обычно сводят в таблицу  материального