2.2. Розрахунок матеріального балансу

Матеріальний баланс має велике значення для:

– аналізу ефективності виробничих процесів;

– встановлення фактичного виходу продуктів і витратних коефіцієнтів;

– ухвалення організаційних і технічних рішень з удосконалення роботи устаткування;

– встановлення оптимальних потужностей і продуктивності устаткування;

– проектування нових підприємств і поліпшення роботи вже наявних.

Під технологічним (матеріальним) балансом приймають результати розрахунків, подані у вигляді таблиці, що відображає кількість уведених і отриманих у виробничому процесі матеріалів. В основі складання матеріального балансу лежить закон збереження маси: маса введених у виробничий процес речовин рівна масі отриманих цільових продуктів, проміжних сполук і відходів реакції.

Величини вхідного потоку (витрата речовин в одиницю часу) можуть бути подані в мольних (моль/год), об’ємних (м³/год) та масових (кг/год) одиницях.

Витрата потоку – це швидкість проходження речовин через трубу заданого діаметра в одиницю часу. Інакше кажучи, це кількість (або маса, або об'єм) речовин, що надходять через заданий трубопровід до реактора в одиницю часу.

Матеріальний баланс хіміко-технологічного процесу можна представити у вигляді діаграми (рис. 1.). Дані діаграми свідчать про те, що маси речовин перерозподіляються між сполуками А, В, D, С, але сума мас залишається величиною незмінною.

Речовина А Речовина В

Хімічна реакція

А Речовина D Речовина С В

Рис.1. Діаграма матеріального балансу

Матеріальний баланс складається за рівнянням основної сумарної реакції з урахуванням паралельних і побічних реакцій. На практиці доводиться мати справу не з чистими речовинами, а з сировиною складного хімічного і механічного складу, тому для складання матеріального балансу доводиться враховувати масу всіх компонентів. Матеріальний баланс відбиває всі кількісні зміни маси речовини, що супроводжують перебіг процесу. Складати його можна у вигляді таблиць.

Матеріальний баланс встановлює зв`язок між речовинними потоками на вході та виході ХТП. Критерієм правильності вирішення завдання є співвідношення прибуткової та витратної частини балансу за масою вихідних речовин та продуктів: Σ m_витр. = Σ m_приб.

Припустимо, що протікає реакція А + В = D + С. У момент рівноваги (закінчення процесу) кількість її учасників відповідно ν '_А, ν '_В, ν _D, ν _С; представимо матеріальний баланс процесу в загальному вигляді (табл. 2.1).

Таблиця 2.1 – Загальний вид матеріального балансу

Речовина	Мi, кг/ кмоль	Прибуткова частина				Хім. реакція, моль	Витратна частина
		i = ni	νi, моль	mi, кг	gi		ν i, моль	mi, кг	gi
А В D С	МА МВ МD МС	ν А ν В – –	ν А ν В – –	mА mВ – –	gА gВ – –	ν'А ν 'В ν D ν С	ν А- ν 'А ν В- ν 'В ν D ν С	mА- m'А mВ- m'В mD mС	gА gВ gD gС
∑		1	ν заг.	mзаг.	1		ν ' заг.	mзаг.	1

Прибуткова частина матеріального балансу розраховується на базі вхідного потоку. Графа «Хімічна реакція» заповнюється з урахуванням стехіометричних співвідношень, які визначають мольні відношення між початковими речовинами і продуктами ХТП. Витратна частина матеріального балансу розраховується на базі різниці між кількістю речовини, що надходить до реактора, та кількості речовини, яка витрачається в хімічному перетворенні.

Задача на складання матеріального балансу вирішується в три етапи:

• розрахунок вхідного потоку (складання прибуткової частини балансу);

• розрахунок мольної витрати речовин, які вступають у перетворення (за хімічним рівнянням);

• розрахунок вихідного потоку (складання витратної частини балансу).

Важливим критерієм ефективності роботи окремих апаратів, цехів або заводів у цілому є продуктивність. Тому є задачі, які вирішують з урахуванням продуктивності цільового продукту.

Продуктивність – це кількість продукту, отримана в одиницю часу:

П = Q / t, (22)

де Q – кількість виробленої продукції у натуральних одиницях;

t – тривалість періоду виробництва.

Продуктивність вимірюється в кг/год, т/добу, т/рік. Іноді продуктивність оцінюється за кількістю переробленої сировини. Максимально можлива продуктивність називається потужністю.

У ході вирішення завдань необхідно дотримуватися єдності одиниць виміру. Так, якщо вхідний потік задано в масових одиницях, то його склад необхідно виражати в масових одиницях; якщо вхідний потік задано в мольних чи об’ємних одиницях, то його склад необхідно перевести в мольні частки. Формули перерахунків наведено в розділі 1.3.