5. Материальные и энергетические (тепловые) балансы

Под технологическим балансом подразумевают ре­зультаты расчетов (выраженные в виде уравнений, та­блиц или диаграмм), отражающих количество введенных и полученных в производственном процессе материалов и энергии (их приход и расход).

В основе составления материальных и энергетических балансов лежат законы сохранения материи и энергии. В каждом материальном балансе количество введенных в производственный процесс материалов должно рав­няться количеству полученных основных и промежу­точных продуктов и отходов производства. Точно так же должны быть равны количества введенной тепловой или электрической энергии и количества выведенной с про­дуктами и отходами энергии. При составлении техноло­гических балансов пользуются стехиометрическими и термохимическими расчетами, а в ряде случаев — и другими физическими и физико-химическими закономер­ностями.

Материальные и энергетические балансы имеют боль­шое значение для анализа и эффективного осуществления производственного процесса. С их помощью устанавли­вают фактический выход продукции, коэффициенты по­лезного использования энергии, расходы и потери сырья, топлива и других материалов. По цифровым данным технологических балансов принимаются организа­ционные и технические решения по совершенствованию работы оборудования, максимальному использованию, утилизации или регенерации материальных и энергетиче­ских ресурсов. Балансы весьма важны для составления рациональных схем технологического процесса и установления оптимальных размеров, мощности и производи­тельности оборудования. Данные технологических балан­сов и выводы из их анализа широко используются технологами и экономистами при проектировании новых и улучшении работы существующих предприятий.

Составление технологических балансов производится в две стадии. Сначала составляют материальный, а затем на его основе — энергетический (или тепловой) баланс.

Материальный баланс является количествен­ным выражением закона сохранения массы и примени­тельно к отдельным стадиям производственного процес­са означает, что масса веществ, поступивших на техноло­гическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу).

Материальный баланс составляется по уравнению суммарной химической реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Побочные реакции часто являются следствием присутствия примесей в исходном сырье. Поэтому в балансах приходится сопоставлять массу основных компонентов и примесей с массой отходов пpоизводства, основных и побочных продуктов. Однако из-за неточностей технико-химического анализа, погреш­ностей лабораторных измерений и неполного учета всех происходящих реакций материальный баланс в конечном счете имеет приближенный характер.

В большинстве случаев определение массы вещества производится отдельно для твердой, жидкой и газообраз­ной фаз по выражению:

М_т + М_ж + М_г = М_т’ + М_ж’ + М'_{г ;}

где М_т, М_ж, М_г— соответственно массы твердых, жидких и газообразных материалов, поступивших на обработку, т. е. приход материалов;

М_т’; М_ж’; М'_г — массы продук­тов, получившихся в результате химической переработки, расход.

В практических расчетах не всегда участвуют все три фазы (твердая, жидкая и газообразная). Кроме того, часть продуктов остается непрореагировавшей. В этом случае уравнение материального баланса записывается в виде:

где М_А и М_В — масса веществ, введенных в производ­ственный процесс или в одну из его стадий;

М_с и М_D — масса продуктов, получившихся в результате взаимодействия;

М_ΔA и М_ΔB — масса непрореагировавших исходных веществ;

М_ΔE и M_ΔF — масса побочных продук­тов реакции;

М_п — масса продуктов (отходов или отбро­сов).

Уравнение материального баланса составляется в пересчете на единицу готовой продукции, на единицу массы сырья или единицу времени.

Для составления материального баланса необходимо знать химический состав, некоторые физические и физи­ко-химические свойства исходного сырья, отходов, ос­новных и побочных продуктов. После проведения стехиометрических расчетов, для которых используются данные технико-химической и материальной отчетности про­изводства, результаты вычислений оформляются в виде таблицы, состоящей из двух частей: приходной и расход­ной. В каждой из них все статьи баланса выражаются не только в весовых или объемных единицах, но и в процен­тах к общему приходу или расходу. Это позволяет на­гляднее отображать степень использования веществ по отношению к теоретически возможному и облегчает ана­лиз цифровых данных.

В качестве примера в табл. 5.1 приводится мате­риальный баланс полочной печи обжига колчедана.

По этим данным можно рассчитать расход сырья для получения единицы основного или промежуточного про­дукта, определить фактический выход продукта.

Таблица 5.1 Материальный баланс полочной печи обжига колчедана.

Приход			Расход
Материал	кг	%	Материал	кг	%
Колчедан сухой	1415	20,2	Огарок	1066	15,1
Влага с колчеданом	44	0,6	Обжиговой газ, в том числе:
Сухой воздух	5515	78,7	SO2 02 N2	1140 513 4215	16,3 7,3 60,0
Влага с воздухом	40	0,5	Н2О	84	1,2
Итого	7014	100,0		7014	100,0

Тепловой баланс (энергетический) является ко­личественным выражением закона сохранения энергии. Применительно к тепловым процессам химической пере­работки этот закон формулируется таким образом: количество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодей­ствия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны.

Равенство прихода и расхода теплоты выражается уравнением общего вида

Q_Ф + Q_Э + Q_В = Q_Ф’ + Q_П’,

где Q_Ф — физическая теплота, введенная в процесс с ис­ходными веществами;

Q_Э — теплота экзотермических и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (например, плавление, испарение, конденсация, растворение, кристаллизация). Если тепловой эффект взаимодействия отрицательный, то величину Q_Э поме­щают в расходной части баланса;

Q_В — теплота, введен­ная в процесс извне и не принимающая участия в химиче­ских реакциях (например, с горючими газами, топливом, нагретой водой и т. д.);

Q_Ф’ - физическая теплота, выве­денная из процесса с продуктами реакции;

Q'_П - потери теплоты в окружающую среду.

Слагаемые теплового баланса рассчитываются по об­щеизвестным формулам.

Так, физическую теплоту Q_Ф , введенную с исходными веществами или выведенную с продуктами реакции, вы­числяют из выражения: Q_Ф = Мсt

где М — масса исходного вещества;

с — средняя теплоем­кость веществ при температуре их поступления;

t — тем­пература исходных веществ.

Теплота экзотермических реакций и физических пере­ходов веществ из одного агрегатного состояния в другое берется из экспериментальных данных, либо определяет­ся термохимическим расчетом по закону Гесса.

Потери теплоты в окружающую среду Q_П, обусло­вленные теплопроводностью наружных стенок аппарата, излучением и конвекцией, вычисляют по основным рас­четным зависимостям теплопередачи или берут на осно­ве практических данных. Если это невозможно, то те­пловые потери определяют по разности между суммой прихода и расхода.

Тепловой баланс составляется на основании мате­риального баланса, рассчитывается (в кДж) и оформляет­ся в виде таблицы. Для иллюстрации в табл. 5.2 приво­дятся результаты вычислений теплового баланса полоч­ной печи обжига колчедана.

Таблица 5.2 Тепловой баланса полоч­ной печи обжига колчедана

Приход			Расход
Статьи	кДж	%	Статьи	кДж	%
С сухим колчеданом	15 400	0,2	С огарком	510 000	6,7
С влагой колчедана	3 650	0,05	С газами	41 832 000	54,9
С воздухом	152400	2,0	Теплопотери через стенку	1 560 000	20,5
С влагой воздуха	1550	0,02	С воздухом, охлаждающим вал	1 359 200	17,9
Теплота горения колчедана	7 439 900	97,73
Итого	7 612 900	100,0		7 612 900	100,0

Из таблицы видно, что 54,9 % теплоты уносится с от­ходящими газами, имеющими температуру ~ 700 °. По­скольку для последующей стадии переработки такого га­за необходимо его охлаждение до 20°С, то фактически вся эта теплота может быть безвозвратно потеряна для производственного процесса. На практике в подобных случаях всегда стремятся к рациональному использова­нию тепловых отходов. Это достигается утилизацией и регенерацией теплоты.

При составлении материального и теплового балан­сов производства и технико-экономическом анализе ра­циональное использование теплоты нередко оказывается решающим фактором для оценки конкурентной способ­ности и выбора наилучших способов производства одно­го и того же продукта.