3.2. Матеріальні та енергетичні баланси в технологічному процесі

Під технологічним балансом розуміють результати роз­рахунків, наведені у вигляді порівнянь, таблиць або діаграм, які відображають кількість введених і отриманих у виробничому процесі матеріалів та енергії (її надходження і витрати).

В основі складання матеріальних і енергетичних балансів лежать закони збереження матерії та енергії. У кожному матеріальному балансі кількість введених у виробничий процес матеріалів має дорівнювати кількості отриманих основних та проміжних продуктів і відходів виробництва. Так само мають бути однаковими кількість введеної теплової та електричної енергії і кількість виведеної з продуктами і відходами енергії. При складанні технологічних балансів користуються стехіо­метричними та термохімічними розрахунками, а в ряді випадків - і іншими фізичними і фізико-хімічними закономірностями.

Матеріальні та енергетичні баланси мають велике значення для аналізу ефективного здійснення виробничого процесу. За їх допомогою встановлюють фактичний вихід продукції, коефіцієнти корисного використання енергії, витрат і втрат сировини, палива та інших матеріалів. За цифровими даними

технологічних балансів приймаються організаційні і технічні рішення щодо вдосконалення роботи обладнання, максимального використання, утилізації або регенерації матеріальних та енергетичних ресурсів. Баланси дуже важливі для складання раціональних схем технологічного процесу і встановлення оптимальних потужностей та продуктивності обладнання. Дані технологічні баланси і висновки з їх аналізу широко використо­вуються технологами та економістами при проектуванні нових підприємств, а також для поліпшення роботи вже існуючих.

Складання технологічних балансів проводиться у дві стадії. Спочатку складають матеріальний, а потім на його основі -енергетичний (або тепловий) баланс. Матеріальний баланс є кількісним вираженням закону збереження маси і стосовно окремих стадій виробництва означає, що маса речовин, які надходять до технологічної операції (надходження), дорівнює масі отриманих речовин (вихід).

Матеріальний баланс складається за рівнянням із сумарної хімічної реакції з урахуванням паралельних і побічних реакцій. Побічні реакції часто є наслідком присутності домішок у вихідній сировині. Тому в балансах доводиться зіставляти масу основних компонентів і домішок з масою відходів виробництва, основних і побічних продуктів.

У більшості випадків визначення маси речовини прово­диться окремо для твердої, рідкої та газоподібної фаз за рівнянням

На практиці у реакціях не завжди беруть участь усі три фази (тверда, рідка та газоподібна). Крім того, залишається та частина продуктів, яка не прореагувала. У цьому випадку рівняння матеріального балансу записується у вигляді

де МА, Мв - маси речовин, які ввели у виробничий процес або в одну з його стадій;

Мс, Мд - маси продуктів, які отримали в результаті взаємодії;

МДА, М в - маси вихідних речовин, які не прореагували;

МДЕ, МДf - маса побічних продуктів реакції;

Мn - маси продуктів і відходів.

Рівняння матеріального балансу складається в перерахунку на одиницю готової продукції, на одиницю маси сировини або одиницю часу.

Для складання матеріального балансу необхідно знати хімічний склад, деякі фізичні та фізико-хімічні властивості вихідної сировини, відходів, основних і побічних продуктів. Після проведення стехіометричних розрахунків, для яких використовуються дані техніко-хімічної та матеріальної звітності виробництва, результати обчислень заносяться до таблиці, яка складається з двох частин: вихідної та витраченої. В кожній із них усі статті балансу наводяться не тільки у вагових або об'ємних одиницях, але й у процентах до загального прибутку або витрат. Наприклад, у табл. 3.1 наводиться матеріальний баланс печі випалу колчедану (FеS2).

За цими даними можна розрахувати витрати сировини для отримання одиниці основного або проміжного продукту, визначити фактичний вихід продукту.

Тепловий баланс (енергетичний) є кількісним виражен­ням закону збереження енергії. Стосовно теплових процесів хімічної переробки цей закон формулюється так: кількість теплової енергії, яка надійшла в зону взаємодії речовин, дорівнює кількості енергії, яку виведено речовинами із цієї зони.

Надходження і витрати теплоти можна виразити рівнянням загального вигляду

де (Qф - фізична теплота, яку ввели до процесу з вихідними речовинами;

Qе - теплота екзотермічних і фізичних переходів з одного агрегатного стану в інший (наприклад, плавлення, випаро­вування, конденсація, розчинення, кристалізація), якщо тепловий ефект взаємодії негативний, то величину Qe розміщу­ють у витратній частині балансу;

Qв - теплота, яку ввели до процесу зовні (наприклад, з горючими газами, паливом, водою, яка нагрівалася тощо) і яка не брала участі в хімічних реакціях;

Qф' - фізична теплота, яку виведено з процесу разом з продуктами реакції;

Qn' - витрати теплоти в навколишнє середовище.

Доданки теплового балансу розраховуються за загально­відомими формулами. Так, фізичну теплоту (X, яку ввели з вихідними речовинами або вивели з продуктами реакції, обчислюють за виразом

де М - маса вихідної речовини;

с - середня теплоємність речовин при температурі їх надходження;

і - температура вихідних речовин.

Теплота екзотермічних реакцій і фізичних переходів речовин із одного агрегатного стану в інший береться з

експериментальних даних або визначається термохімічним розрахунком за законом Гесса.

Витрати теплоти в навколишнє середовище Qn, які зумов­люються теплопровідністю зовнішніх стінок апарата, випро­мінюванням і конвекцією, обчислюють за основними розрахун­ковими залежностями теплопередачі або беруть на основі практичних даних. Якщо це неможливо, то теплові витрати визначають за різницею між сумою надходження та витратами.

Тепловий баланс складається на основі матеріального балансу, розраховується (в кДж) та оформлюється у вигляді таблиці. Для ілюстрації в табл. 3.2 наведено результати обчислення теплового балансу печі випалу колчедану.