Материальный баланс

баланса.

Типовая таблица материального баланса

Приход  Расход

Статья  прихода Количество, кг Статья расхода  Количество, кг

Продукт А

Продукт В

GА

GВ

Продукт А

(остаток)

Продукт В

(остаток)

Продукт С

Продукт Д

Производственные

потери

GА

GВ

GС

GД

ΔG

Итого G Итого G

Расчеты выполняю обычно в единицах массы (кг, т), можно расчет вести

в молях. Только для газовых реакций, идущих без изменения объема, в

некоторых случаях возможно ограничиться составления  баланса в м3.

Материальный  баланс составляется (в зависимости  от условий и задания) на

единицу (1 кг , 1 кмоль и т. п.) или на 100 единиц (100 кг) или на 1000 единиц

(1000 кг) массы основного сырья или  продукта. Очень часто баланс

составляется  на массовый поток в единицу времени (кг/сек), а иногда на поток,

поступающий в аппарат в целом.

Расходные коэффициенты – величины, характеризующие расход

различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу

вырабатываемой  продукции. При конструировании  аппаратов и определении

параметров  технологического режима задаются также  условия, при которых

рационально сочетаются высокая интенсивность  и производительность

процесса  с высоким качеством продукции  и возможно более низкой

себестоимостью.

Себестоимостью  называется денежное выражение затрат данного

предприятия на изготовления и сбыт продукции. Для  составления калькуляции

себестоимости, т. е. расчета затрат на единицу продукции  – определяют статьи

расхода и в том числе расходные  коэффициенты по сырью, материалам,

топливу, энергии и с учетом цен на них  рассчитывают калькуляцию. На

практике  обычно, чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее

процесс и соответственно тем меньше себестоимость  продукции. Особенно

большое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для

9

9

большинства химических производств 60–70% себестоимости  приходится на

эту статью.

Для расчета  расходных коэффициентов необходимо знать все стадии

технологического  процесса, в результате осуществления  которых происходит

превращение исходного сырья в готовый  продукт.

Теоретические расходные коэффициенты Ат учитывают

стехиометрические соотношения, по которым происходит превращение

исходных  веществ в целевой продукт. Практические расходные коэффициенты

Апр, кроме  этого, учитывают производственные потери на всех стадиях

процесса, а также побочные реакции, если они  имеют место.

Расходные коэффициенты для одного и того же продукта зависят от

состава исходных материалов и могут значительно  отличаться друг от друга.

4 ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

4.1 Расчет расходных  коэффициентов

Пример 1.

Определить  теоретические расходные коэффициенты для следующих

железных  руд в процессе выплавки чугуна, содержащего 92% Fе, при условии,

что руды не содержат пустой породы и примесей:

М

Шпатовый  железняк FеСО3 ……………………………115.8

Лимонит 2 Fе2О3 *3Н2О………………………………...373

Гетит 2 Fе2О3 *2Н2О…………………………………….355

Красный железняк Fе2О3………………………………..159.7

Магнитный железняк Fе3О4…………………………….231.5

М –  молекулярная масса.

Решение.

FеСО3

Из 1 кмоль FеСО3 можно получить 1 кмоль Fе или  из 115.8 кг FеСО3 –

55.9 кг Fе.  Отсюда для получения 1 т чугуна  с содержанием Fе= 92% (масс)

необходимо

1 * 0.92 * 115.8/ 4 * 55.9 = 1.9 т

Аналогично  находим значения теоретических  расходных коэффициентов

для других руд:

2 Fе2О3*3Н2О

1*0.92*355/4* 55.9 = 1.45 т

2 Fе2О3*2Н2О

1*0.92*159.7 /255.9 = 1.33 т

Fе3О4

1*0.92*231.5 /3 *55.9 = 1.28 т.

10

10

Пример 2.

Определить  количество аммиака, требуемое для  производства 100000 т в

год азотной  кислоты и расход воздуха на окисление  аммиака (м3/ч), если цех

работает 355 дней в году, выход оксида азотах х1 = 0.97, степень абсорбции

х2 = 0.92, а содержание аммиака в сухой аммиачно-воздушной смеси – 7.13%.

Решение.

Окисление аммиака является первой стадией  получения азотной кислоты

из аммиака. По этому методу аммиака окисляется кислородом воздуха в

присутствии платинового катализатора при 800-9000С  до оксидов азота. Затем,

полученный  оксид азота окисляется до диоксида азота, а последний

поглощается водой с образованием азотной  кислоты. Схематично процесс

можно изобразить следующим уравнением

4NН3 + 5О2 = 4NО + 6Н2О

2NО + О2 = 2NО2

2NО2 + Н2О  = 2НNО3 + NО

Для материальных расчетов можно в первом приближении записать

суммарное уравнение этих трех стадий в виде

NН3 + 2О2 = НNО3 + Н2О

Мол. масса NН3 – 17, НNО3 – 63.

Необходимое количество аммиака для получения 100000 т НNО3 с учетом

степени окисления и степени абсорбции составит

100000 * 17/63 * 0.97 * 0.92 = 30300 т

Расход  аммиака составит

1000 * 30300/355 * 24 = 3560 кг/ч

Объем аммиака составит

3560 * 22.4/17 = 4680м3

Расход  воздуха (м3/ч), требуемый для окисления (в составе аммиачно-

воздушной смеси) будет равен

4680·(100 – 11.5)/11.5 = 36000м3

где 11.5 – содержание аммиака в смеси (%об.), т. е.

(7.13/17) * 100/(7.13/17) + (92.87/29) = 11.5

11

11

4.2 Составление материальных  балансов необратимых  химико-

технологических процессов

Пример 3.

Составит  материальный баланс печи для сжигания серы

производительностью 60 т/сутки. Степень окисления серы 0.95 (остальная сера

возгоняется и сгорает вне печи). Коэффициент  избытка воздуха α = 1.5. Расчет

следует вести на производительность печи по сжигаемой сере в кг/ч.

Решение.

Процесс горения серы описывается уравнением реакции

S +О2 =SО2

производительность  печи

60/24 = 2.5 т/ч = 2500 кг/ч серы

Количество  окисленной до SО2 серы

2500 * 0.95 = 2375 кг

Осталось  в виде паров неокисленной серы

2500 –  2375 = 125 кг

Израсходовано кислорода на окисление

VО2 = 2375 * 22.4/32 = 1670 м3

С учетом коэффициента избытка α

1670 * 1.5 = 2500 м3 или 2500 * 32/22.4 = 3560 кг О2

С кислородом поступает азота

VN2 = 2500 * 79/21 = 9450 м3 или 9450 * 28/22.4 = 11800 кг

Образовалось  в результате реакции диоксида серы

2375 * 64/32 = 475 кг

или VSО2 = (4750/64) * 22.4 = 1675 кг

Осталось  неизрасходованного кислорода

1670 * 0.5 = 835 м3 или (835/22.4) * 32 = 1185 кг

Полученные  данные сводим в таблицу

12

12

Материальный  баланс печи для сжигания серы

Приход  Расход

Исходное

вещество

кг м3 продукт кг м3

S 2500 S 125

О2 3560 2500 SО2

4750 1670

N2 11800 9450 О2 1185 835

N2 11800 9450

Итого: 17860 11950 Итого: 17860 11955

Пример 4.

При электрокрекинге  природного газа, содержащего 98%(об) СН4 и 2%

(об) N2, в газе, выходящем из аппарата содержится 15% ацетилена. Рассчитать

материальный  баланс процесса на 1000м3 исходного природного газа без учета

побочных  реакций.

Решение.

Получение ацетилена из газообразных углеводородов  осуществляется при

1200-16000С:

СН4 ↔  С2Н2 + 3Н2 – 380Кдж

Процесс происходит в электродуговых печах  при 16000С и линейной

скорости  газа 1000 м/с.

В 1000 м3 природного газа содержится: СН4 – 980 м3, N2 – 20 м3. Процесс

идет  с изменением объема; при полном превращении метана в ацетилен и  в

продукционной смеси должно содержаться 25% ацетилена. Так как по условию

в продуктах  реакции содержится 15% ацетилена, значит имеет место неполное

разложение  метана.

Обозначим количество превращенного метана (м3) через х. Тогда состав

смеси, выходящей из печи, можно представить следующим образом:

СН4………………………………..980 –х

С2Н2 ………………………………х/2

Н2………………………………….3/2х

N2…………………………………..20

Итого: ……………………………(1000 +х) м3

По условию  количество ацетилена в газе, выходящем  из печи, составляет

15%, т.  е.

х2…………………………………..15%

(1000 +х)…………………………..100%

Решая уравнение, получим

(х/2) * 100/(1000 + х) = 15 , т.е. х = 450 м3 и состав  газа после крекинга

будет следующим:

С2Н2………х/2 = 215 м3; СН4……980 – х 550 м3;

Н2 …...3/2х = 645 м3; N2………20 м3

Результаты  расчетов сведены в таблицу

13

13

Материальный баланс печи крекинга (на 1000 м3 природного газа)

Приход  Расход

Исходное

вещество

м3 кг %(об) продукт м3 кг %(об)

СН4 980 695 98 С2Н2 215 248 15.0

N2 20 25 2 СН4 550 388 38.5

Н2 645 58 45

N2 20 25 1.5

Итого: 1000 720 100 Итого: 1430 719 100

Пример  5.

На кристаллизацию поступает 5000 кг 96%-го раствора (плава)