3. Поняття про матеріальний і енергетичний баланси виробництва та їх роль у технологічних і економічних розрахунках

Удосконалення технологічних процесів можливе лише на основі їхнього глибокого і всебічного техніко-економічного аналізу. Останній відображає всі поетапні затрати виробництва, що визначають собівартість продукції— один із найважливіших економічних показників.

Технологічний баланс, що зіставляє матеріальні та енергетичні затрати з фактичним випуском продукції, характеризує економічну ефективність виробництва.

Основна роль технологічного балансу полягає в тому, що собівартість продукції повинна бути врівноважена з її ціною та ринковим попитом на неї, забезпечуючи при цьому рентабельність виробництва.

Технологічний баланс — це виражені діаграмами, таблицями чи рівняннями у вигляді надходжень чи витрат результати зіставлення введених та отриманих у виробничому процесі матеріалів та енергії.

Складовими технологічного балансу є матеріальний та енергетичний баланси, грунтовані на законах збереження матерії та енергії відповідно. Енергетичний баланс складається з урахуванням даних матеріального балансу.

Матеріальний баланс (МБ) — це застосований для конкретного процесу чи реакції закон збереження маси речовини, згідно з яким у замкнутій системі маса речовин, що вступають у взаємодію, дорівнює масі речовин, що утворились внаслідок цієї взаємодії:

(6)

Для реакції аА + вВ + cC = rR + sS + Q, де А, В, С — вхідні речовини; R і S — цільовий і побічний продукти; Q — тепловий ефект, рівняння матеріального балансу має вигляд:

т_А + т_В + т_С= m_R + m_S. (7)

Матеріальний баланс найчастіше складають на одиницю маси продукту R, тобто розраховують, які маси вихідних речовин А, В, С, необхідні для для отримання одиниці маси R, а також скільки при цьому отримують побічного продукту S.

ΜБ складають на основі рівняння сумарної хімічної реакції з урахуванням паралельних і побічних реакцій, беручи до уваги величини стехіометричних коефіцієнтів всіх реакцій. Побічні реакції часто є наслідком присутності домішок у вихідній сировині чи реагентах. Тому в МБ необхідно співставляти маси основних компонентів, реагентів і домішок з масами основних і побічних продуктів та відходів виробництва. Внаслідок невисокої точності техніко-хімічного аналізу та неповноти врахування всіх побічних реакцій МБ має наближений характер.

Найзручніше маси речовин на вході та виході системи визначати окремо для твердої, рідкої та газоподібної фаз і МБ розраховувати за формулою:

m_т + m_р + m_г = m'_т + m'_р + m'_г (8)

де m_т , m_р , та m_г — відповідно маси твердих, рідких, та газоподібних речовин на вході системи, а m'_т , m'_р , m'_г — маси відповідних речовин на виході.

Для випадку неповноти реакції МБ розраховують за формулою:

m_А + m_В = m_С + m_Д + m_ΔА + m_ΔВ + … + m_Е + m_F + m_П (7)

де m_А і m_В — маси вхідних речовин; m_С і m_Д — маси основних продуктів взаємодії; m_ΔА і m_ΔВ — маси залишків вихідних речовин, що не прореагували; m_Е і m_F — маси побічних продуктів реакції; m_П — маса відходів.

Для розрахунків МБ треба знати хімсклад і деякі властивості сировинних компонентів, основних і побічних продуктів та відходів, а також хімічні рівняння основних перетворень у системі. Отримані на основі стехіометричних розрахунків результати зводять у таблицю із двох частин: доходної і витратної. В таблиці всі статті балансу вказують в масових чи об'ємних одиницях, а також у відсотках до сумарних надходжень та витрат. Це полегшує аналіз цифрових даних та наглядно відображає ступінь практичного використання речовин відносно теоретично можливого.

Енергетичний баланс (ЕБ) — це застосований для конкретного процесу чи реакції закон збереження енергії, згідно з яким кількість енергії (теплоти), внесеної в зону взаємодії речовин, дорівнює кількості енергії (теплоти), винесеної з цієї зони:

(10)

де ΣQ і ΣQ' — теплоти, внесені в зону взаємодії і винесені з неї відповідно.

Найуживанішим рівнянням енергетичного балансу (ЕБ) є рівняння:

Q_ФР + Q_МФП + Q_ТН = Q'_ФР + Q'_ВТ (11)

де Q_ФР — фізична теплота, введена в процес з вхідними речовинами; Q'_МФП — теплота міжфазних переходів-розчинення, кристалізації, випаровування, конденсації, плавлення, Q_ТН — теплота, введена з теплоносіями— водою, газами, паливом; Q'_ФР — фізична теплота, виведена із процесу з продуктами реакції; Q'_ВТ — втрати теплоти в навколишнє середовище.

Складові енергетичного балансу розраховують на основі даних матеріального, використовуючи загальновідомі фізичні та термохімічні формули. Наприклад, введену з вхідними речовинами теплоту розраховують за формулою Q_ФР = т ∙ с ∙ t, де т, с і t — маса, теплоємність і температура речовини відповідно. Аналогічно розраховують і Q_ФР та Q_ТН. Теплоти міжфазних переходів Q_МФП розраховують на основі стехіометричних коефіцієнтів рівняння взаємодії, закону Гесса та термохімічних даних. При неможливості розрахунків за теплотехнічними формулами Q'_ВТ визначають як різницю між сумами енергій на вході і виході системи.

Подібно до матеріального результати розрахунків енергетичного балансу є основою технологічного балансу і мають велике значення для аналізу ефективності виробничого процесу. На основі їх результатів розраховують витрати і втрати сировини, палива та інших матеріалів, фактичний вихід продукції, коефіцієнти використання енергії, приймають організаційні та технічні рішення по оптимізації параметрів .роботи обладнання, максимальному використанню матеріальних і енергетичних ресурсів. Аналіз даних технологічних балансів широко використовують для вдосконалення роботи діючих і проектування нових підприємств.