146

ВСТУП

Одним із найважливішим питанням при проведенні інженерних металургійних розрахунків є складання матеріальних балансів. На цей час існує багато літератури присвяченої цьому напрямку. Так у посібниках (Лоскутова Ф.М. и Цейдлера А.А. «Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов» - М.: Металлургия, 1963 р.), а також ( «Технологические расчеты в металлургии тяжелых цветных металлов» / Под ред. Н.В.Гудима – М.: Металлургия, 1977 р.) розглянуті деякі питання складання матеріальних балансів в галузі металургії важких кольорових металів, а в посібнику (Самырянова Л.Б., Лайнер А.И. «Технологические расчеты в производстве глинозема» - М.: Металлургия, 1981 р.) - технології виробництва глинозему. Процеси переробки шеелітових, молібденітових та ільменитового концентратів, а також титанового шлаку, ректифікаційне очищення чотирьоххлористого титану, відновлення чотирьоххлористого титану і вакуумної сепарації реакційної маси - надані у посібнику ( Надольский А.П. «Расчеты процессов и аппаратов производства тугоплавких металлов» - М.: Металургия, 1980 р.).

Мета цього посібника - доповнити існуючу літературу по розрахункам, розширивши їх дію на приклади специфічних процесів діючих при продукуванні рідкісних металів. Тому в ньому приведені задачі і приклади складання матеріальних балансів процесів одержання практично усіх металів, вивчаємих у курсі «Металургія рідкісних металів».

Указане видання передбачається надрукувати у двох частинах: перша частина “Металургія тугоплавких рідкісних металів”, друга частина “Металургія розсіяних (напівпровідникових), рідкоземельних металів, урану і торію”.

При роботі над посібником був використаний досвід складання задач, наданий у збірнику (Крейн О.Е., Белявськая Л.В., Вольдман Г.М., Егорычева К.Н., Ракова Н.Н. «Сборник задач для металлургических расчетов в производстве редких металлов» - М.: МИСиС, 1971 р.). Однак особливістю нашого видання є те, що у ньому запропоновані задачі даються у двох варіантах: з наскрізним розглядом матеріальних балансів технологічних схем від сировини до кінцевого продукту (хімічної сполуки чи металу) і по окремим операціям (чи групам операцій), що дозволяє видавати студентам завдання у залежності від тривалості часу і вивчення курсу й індивідуалізувати усі види розрахунків при одночасному охопленні всього обсягу досліджуваного матеріалу (на розсуд викладача). Цьому сприяє також широкий набір вихідних і проміжних продуктів (концентратів), як необхідний елемент розрахунку альтернативних матеріальних балансів.

У даному посібнику представлені два типи задач:

- розрахунки матеріальних балансів процесів;

- вибір і обґрунтування технологічної схеми одержання одного з металів на підставі представленого складу концентрату (промпродукту).

Рішення задачі по складанню матеріального балансу повинне включати наступні розділи:

Вступ

1 Опис технологічної схеми з указівкою розподілу усіх компонентів по продуктах

2 Розрахунок раціонального складу вихідного продукту (концентрату), виходячи з умови задачі

3 Повний матеріальний баланс операцій технологічної схеми

4 Розрахунок витрати сировини й матеріалів на одиницю вихідного та кінцевого продуктів

Перелік посилань .

Рішення задачі, обґрунтування та вибір технологічної схеми повинні включати наступні розділи:

Вступ

1 Вибір технології переробки концентрату (продукту) до чистого металу

2 Опис сутності і технологічних параметрів обраних процесів

3 Вибір апаратів для проведення процесів

4 Повна технологічна й апаратурно - технологічна схема з указівкою кращого розподілу всіх компонентів по операціях

5 Перелік посилань.

Порядок виконання роботи представлений у Додатку А.

1 Загальні положення при складанні матеріальних

БАЛАНСІВ

Розрахунок матеріального балансу спрямований на рішення двох основних задач.

Перша задача - забезпечити виробництво сировиною й матеріалами для подальшого узгодження з постачальниками та споживачами готової продукції (основної й побіжної).

При цьому розраховуваються:

• кількість усіх продуктів, споживаних у процесі виробництва;

• кількість і склад усіх продуктів, що виходять у процесі виробництва у виді готової продукції чи не використовуваних відходів;

• витрата сировини й матеріалів на одиницю продукції (вхідної та що випускається).

Друга задача – забезпечити виробництво матеріалами для визначення вибору необхідного устаткування, а також дати оцінку якісних покажчиків прийнятої технологічної схеми.

При цьому встановлюються:

• усі матеріальні потоки виробництва;

• склад усіх проміжних продуктів виробництва, межі нагромадження домішок у цих продуктах і, отже, можливість забезпечення заданої якості кінцевої продукції.

Матеріальні баланси можуть бути двох основних типів – повний матеріальний баланс та матеріальний баланс по елементам хімічної сполуки.

У першому випадку баланс складається з точним визначенням кількості і складу усіх без винятку продуктів, що надходять у процес і виходять із нього.

У другому випадку баланс складається тільки по одному основному корисному компоненту або з'єднанню, витяг яких і є задачею виробництва.

Повний матеріальний баланс дозволяє здійснити ув'язування конкретного виробництва із суміжними підприємствами в частині кількості і складу всіх, споживань та продуктів, які випускаються, а також виконати розрахунок (визначення) необхідного устаткування.

Баланс по елементу менш трудомісткий, це дозволяє оперативно виконувати кілька варіантів розрахунків.

У ряді випадків виконання розрахунку повного матеріального балансу неможливо виконати без попереднього розрахунку балансу по елементу. В інших випадках неможливо скласти баланс по елементу без розрахунку повного матеріального балансу.

Повний матеріальний баланс й баланс по елементу розраховують безпосередньо на основі прийнятих виходів продуктів, розподілу витрат та, у випадку складання повного балансу, складу вихідної сировини й матеріалів.

Найчастіше матеріальний баланс відносять до одиниці випуску чи продукції споживання сировини - матеріальний потік виробництва на 1тону, або (100 кг) концентрату, на 1 тону, або (100 кг) кінцевого продукту і т.д.

1.1 Основні поняття і терміни

Сировина - продукт, що містить цінний компонент. Комплексна сировина містить кілька цінних компонентів. У процес може вводитися не одна, а декілька видів сировини. Для деяких операцій, що не знаходяться на початку процесу, як сировину інколи використовують напівпродукти, які вироблені на попередніх операціях.

Матеріали – продукти, необхідні для протікання процесу. Як правило, вони не містять компонентів, що витягаються. До таких матеріалів відносяться хімічні реагенти (відновники, окислювачі, розчинники, флюси і т.п.); матеріали - носії, що служать для транспортування компонентів, які витягаються; розчини і технологічне паливо, які входять у безпосередній контакт із сировиною, що переробляється.

Оборотні матеріали - продукти, що містять або не містять цінний компонент, які вводяться для підвищення загального витягу корисного компонента, зменшення витрати «свіжих» матеріалів, а також для поліпшення умов протікання процесу.

Кінцевий основний продукт - продукт, що містить цінний компонент, що витягається. При комплексній сировині, якщо на операції відбувається поділ корисних компонентів, таких продуктів може бути два чи більше.

Відкидні чи отвальні матеріали - продукти, що містять або не містять утримуючі коштовні компоненти. Окремий випадок такого роду продуктів - продукція, що випускається попутно. До отвальних продуктів не пред'являється будь-яких вимог по якості, за винятком їх, загальної санітарної безпеки. До продукції, що попутно випускається, пред'являються умови відповідно з вимогами стандартів чи технічних умов. Окремий випадок отвальних продуктів - тимчасові отвальні продукти.

Розрахункам балансових операцій властиві деякі загальні закономірності.

Перша із них припускає обов'язковість балансування продуктів і окремих компонентів (по масі): загальна кількість продуктів (компонента), що надходять на операцію, дорівнює загальній кількості продуктів (компонента), виведених із неї.

Витяг - величина, що показує яка частина від вихідної кількості чи елемента з'єднання, що надходе у виробництво, витягається в кінцевий чи проміжний продукт.

Поняття «витяг» можна застосувати як до окремої операції, так і до групи операцій по всьому проектованому виробництву в цілому.

Витяг звичайно, виражається у відсотках від 100 %, але може бути також виражений в частках від цілого.

Х = (a · 100) / A, %, (1.1)

де А – кількість елемента чи хімічної сполуки у вихідному продукті, г (кг, т);

а – кількість елемента з'єднання в проміжному чи кінцевому продукті, г (кг, т).

Вихід - величина, що показує яка кількість якого-небудь кінцевого продукту виходить на одиницю кількості вихідного продукту.

Під вихідним продуктом мається на увазі звичайна сировина, що містить цінний компонент, що вилучається.

Вихід може визначатися для основного корисного, оборотного чи отвального продукту. При цьому йдеться про вихід конкретного продукту (осаду, конденсату, розчину і т.д.).

Для різних процесів можливі різні форми вираження виходу. Найбільш проста форма - через кількість по масі. Розмірність може бути різною - тони на тону (т/т), кілограми на тону (кг/т) і т.д. Якщо продуктом є рідина чи газ, можна ввести об'ємні характеристики, такі як літри чи кубічні метри на тону (л/т, м³/т). Можливо і зворотне сполучення, наприклад, кілограми на кубічний метр (кг/м ³). У деяких випадках говорять про вихід, віднесений до одиниці години – години, добі і т.п.

Операція чи балансова операція - частина технологічного процесу, що складається з операції, частини її чи групи декількох операцій, для яких відомі склади і можуть бути визначені кількості вихідних і всіх кінцевих продуктів.

При проведенні матеріальних балансів розрахункового характеру “на папері “ допускається розбіжність між вхідними й вихідними продуктами не більш 0,5 %. Розбіжність виникає, як правило, у результаті округлень у розрахунках. При великих розбіжностях - помилка зв'язана з неточністю в розрахунку і вимагає його перегляду.

У виробничих умовах при проведенні балансових вимірів, ці помилки можуть бути більше і залежати від багатьох факторів, у тому числі за рахунок механічних утрат, похибок вимірів, помилок в аналізах і т.д. Утрати такого роду включаються в розрахунок матеріального балансу як особлива стаття - невраховані втрати. Межі помилки неврахованих утрат можливо визначити статистичними методами. При розрахунку ці втрати звичайно, відносять до отвальних продуктів.

Витяг у корисний продукт, витяг в оборотний продукт (поворотні втрати), утрати з відвалами (безповоротні втрати) і невраховані втрати, виражені у відсотках від кількості компонентів, що надходять на операцію, у сумі складають 100 % .

Розрахунок балансової операції може відноситися до одного з трьох принципово відмінних видів: на підставі рівняння хімічної реакції; масообміну між різними фазами; механічного розподілу.

У розрахунках матеріального балансу операцій, заснованих на рівняннях хімічних реакцій, використовуються кількісні співвідношення між усіма вихідними й кінцевими продуктами операції, що виражаються через рівняння хімічних реакцій відповідних процесів. При проведенні розрахунків необхідно враховувати, що рівняння відбивають тільки кількісні співвідношення реагуючих і одержуваних продуктів, але не суть процесів, що багато складніше і може не відповідати записаній схемі реакції.

Розрахунок матеріального балансу операції цього виду розділяється на кілька стадій.

На першій стадії відповідно до коефіцієнта використання (чи участі в реакції) визначають частина сировини (компонента), що не вступає в реакцію.

На другій стадії визначають, скільки і які речовини, крім основного компонента, що витягається, буде витрачене й отримано в ході хімічних реакцій. Спочатку розраховують баланс основної реакції, що визначає технологію витягу корисного компонента. Потім розраховують реакції із з'єднаннями, що супроводжують корисний компонент у сировину.

На третій стадії, на основі коефіцієнта використання матеріалу, визначають повну кількість реагенту, що приймає участь у процесі.

На четвертій стадії, компоненти кінцевих продуктів розподіляють по конкретних продуктах. Установлюють кількість і склад цих продуктів.

Якщо вихідні дані містять не виходи, а склад кінцевих продуктів, змінюють другу стадію розрахунку. Для матеріалів, потреба в яких залежить від складу кінцевих продуктів, розрахунок ведуть через співвідношення їхнього змісту й змісту компонента, що витягається у кінцевому продукті.

Розрахунок матеріального балансу операцій, заснованих на розподілі продуктів між фазами, підрозділяють на дві групи:

а) процеси, засновані на межфазовому переході, що розраховуються на основі відомої концентрації насичення в одній із фаз. Наприклад, розчинення (вилуження), кристалізація, випарювання, сублімація, конденсація;

б) процеси, засновані на межфазовому переході, що розраховуються на основі відомих коефіцієнтів розподілу між фазами. Наприклад, ректифікація, рідинна екстракція і т.д.

Для процесів кристалізації в основу розрахунку беруть відому кількість вихідного розчину, що позначається через «G». При цьому «G» включає усі компоненти розчину, що залишаються в ньому після проведення процесу кристалізації, за винятком компонента, що витягається. Кінцева концентрація компонента, що витягається - «С». При вираженні «С» у частках (по масі) одиниці концентрації суми речовин, що виражається через «G» , складе (1 - С). Якщо абсолютну кількість витягаємого компонента, що залишився в розчині, позначити через А, то:

А = [(G / (1 - C)] · C (1.2)

У випадку вираження «С» у відсотках (по масі):

А = [(G / (100 - C)] · С, (1.3)

де А, G - виражаються в одиницях маси (г, кг чи т).

При розрахунках матеріального балансу операцій, заснованих на рівняннях хімічних реакцій чи масообміну між фазами, необхідно враховувати і механічні втрати продуктів, які надходять на операцію, так і вихідних із неї. Який саме продукт і в яких кількостях може бути загублений на даній операції, варто оцінювати, виходячи з розгляду конкретних умов виробництва.

При рішенні конкретних задач матеріального балансу кількість компонента, що витягається, на операції приймають рівним 100 %, якщо це не обумовлюється умовами завдання.

Розрахунки матеріальних балансів, заснованих на механічному розподілі вихідних продуктів і їхніх компонентів по кінцевих продуктах операції, відносяться до найбільш розповсюджених балансів. До них відносять: підготовку шихти (здрібнювання, брикетування); одержання компактного металу з порошку губки (пресування, спікання, плавка); первинну обробку металу (обдирання) і т.д. Вихідні дані для розрахунку в переважній більшості випадків приймають на підставі практичного досвіду роботи на аналогічних операціях. Для деяких операцій такого роду покажчики виходу й витягу в окремі продукти можуть бути визначені розрахунком. Однак такі розрахунки, у свою чергу, спираються на ряд практичних показників.

Прикладом може служити розподіл металу на операції обдирання злитка, виплавлюваного дуговою плавкою. Оборотні продукти при цьому - стружка, що знімається з бічної поверхні, «корона», що відрізається від верхньої частини злитка, стружка, одержувана при відрізанні піддона. Сам піддон не перетерплює практично ніяких змін, постійно знаходиться в обороті й у балансі не враховується.