Материальный и энергетический баланс химического производства

Все количественные расчеты, выявляющие эффективность производства ба­зи­ру­ют­ся на материальном и энергетическом балансах. Они составляются на основе материально-потоковых графов, отражающих перемещение и транс­формацию всех материальных участников технологического процесса. В ходе химического процесса происходит непрерывное движение и изменение природы принимающих в нем участие веществ. Поэтому любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков участвующих в нем компонентов сырья, промежуточных и побочных продуктов, целевого продукта и отходов производства.

Материальный поток – это графическое изображение движения и из­ме­нения веществ, участвующих в химико-технологическом процессе. Мате­ри­альный поток выражают в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, т.е. графической схемы, в котором отражены природа вещества, направление его движения, изменение агрегатного состояния. В МПГ разли­ча­ют «узлы» (аппараты и машины) и «ребра» – перемещающиеся в процессе вещества. Фрагмент такого материально-потокового графа, изображенного на примере процесса обжига железного колчедана, протекающего в избытке воздуха по реакции показан на рисунке 3.1:

4FeS₂ +11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ (3.17)

FeS₂ + П

O₂ + N₂ + SO₂

колчедан обжиговый газ

Печь обжига

О₂ + N₂

Fe₂О₃+ П

воздух огарок

Рис. 3.1. Материально-потоковый граф процесса обжига железного колчедана

На рисунке 3.1 буквой «П» обозначены примеси.

Материальные потоки могут быть трех видов:

- расходящиеся, где число продуктов в результате процесса возрастает;

- сходящиеся, где число продуктов в результате процесса уменьшается;

- перекрещивающиеся, когда число продуктов в процессе не меняется.

На основе анализа материально-потокового графа составляется матери­альный баланс процесса, являющийся базой для дальнейших расчетов.

Материальный баланс – это выражение закона сохранения массы, при­ме­нительно к химико-технологическому процессу масса веществ, поступив­ших в процесс, равна массе веществ, получившихся в результате процес­са: . Статьями прихода и расхода в материальном балансе являются компоненты сырья, возвратное (циркулирующее) сырье, примеси в сырье, целевой продукт, побочные продукты, отходы производства и потери.

m₁ + m₂ + m₃ = n₁ + n₂ + n₃. (3.18)

Материальный баланс составляется на отдельный аппарат или на установку в целом в единицах массы, отнесенных к единице времени. Результаты расчетов обычно оформляются в виде таблицы. При­мер составления материального баланса установки АВТ производительностью 6 млн. т неф­ти в год показан в виде таблицы 3.2.

Таблица 3.2

Статьи	Количество, т/год
Приход
Нефть Газ Вода и соли Всего	5730000 120000 150000 6000000
Расход
Сухой газ Головка стабилизации Бензин Керосин Дизельное топливо 1-я масляная фракция 2-я масляная фракция Гудрон Вода и соли Потери Всего	108000 169200 797400 976200 1016400 636000 684000 1800000 150000 30000 6000000

На основе материального баланса рассчитываются расходные коэф­фи-циен­ты, определяются размеры аппаратов и оптимальные параметры технологического процесса.

В основе энергетического (теплового) баланса лежит закон сохранения энергии, согласно которому сумма энергий всех видов в замкнутой системе постоянна. Тепловой баланс, как частный случай энергетического, наиболее распространен в химической технологии и записывается так:

= . (3.19)

Статьями прихода и расхода в тепловом балансе являются тепловые эффекты реакций Н, теплоты фазовых переходов, теплосодержание ве­ществ, участвующих в химико-технологическом процессе, теплоты, подво­ди­мые к системе извне и выводимые из процесса, и тепловые потери. В кон­кретном технологическом процессе тепловой баланс можно записать так

Н +Q₁ + Q₂ + Q₃ = H₁¹ + Q₂¹ + Q₃¹ + Q₄¹, (3.20)

где индекс (1) относится к статьям расхода.

Теплоты, входящие в тепловой баланс, рассчитываются по известным формулам.

Тепловой эффект химической реакции

Н_{реакции} = Н_{продукты реакции} – Н_{исходные вещества} . (3.21)

Теплоту фазовых переходов рассчитывают по формуле

Q = m · q, (3.22)

где q – удельная теплота фазового перехода (испарения, конденсации, раство­рения, кристаллизации); m – масса вещества.

Подвод и отвод теплоты в системе рассчитывают по формуле

Q = m · C(t_н – t_k), (3.23)

где m – масса теплоносителя;

C – теплоемкость теплоносителя;

t_н и t_k – начальная и конечная температуры теплоносителя;

и по формуле теплопередачи через стенку

Q = K_т · F (t_т – t_пр) · , (3.24)

где Q – теплота, кДж;

К_т – коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса теплоты, кДж/(м^{2 .} с ^. К);

F – площадь поверхности теплопередачи, м²;

t_т – температура теплоносителя на входе в аппарат, К;

t_пр – температура продукта на входе в аппарат, К;

– время, с.

Тепловой баланс составляется по результатам материального баланса на единицу производимого продукта или в единицу времени. Данные тепло­вого баланса применяются для расчета расхода теплоносителя или хладагента, расчета площадей поверхностей теплообмена и расчета оптимального теплового режима работы аппаратов.