3.4. Материальные расчеты

Материальные расчеты выполняются в форме материального баланса. Материальный баланс составляется на единицу выпускаемой продукции, на один производственный поток или мощность производства в целом. Кроме того, составляется материальный баланс для каждой отдельной стадии производства.

Материальный баланс для новых производств составляется по данным проектов; для действующих производств – по данным регламента.

Цель материального расчета – определение затрат сырья для получения заданного количества продукта, определение расходных коэффициентов по всем видам сырья, определение составов, объемов реакционных масс и отходов на каждой стадии процесса. Для стадий с емкостными аппаратами в материальном расчете определяется объем, соответствующий 1 тонне готового продукта, V_т(i) [м³ реакционной массы/тонна готового продукта].

3.4.1. Исходные данные для материального расчета

1. Блок-схема или аппаратурно-технологическая схема процесса.

2. Химическая схема для каждой стадии для основной и всех побочных реакций; стехиометрические уравнения для всех стадий; степени превращения исходных веществ; выходы по всем реакциям.

3. Данные о соотношении реагирующих веществ и составе реакционных масс, поступающих с предыдущих стадий.

4. Для стадий, связанных с физико-механическими и физико-химическими превращениями, данные о составе фракций, на которые делится поток, входящий на стадию.

При проведении материального расчета необходимо учитывать все примеси, побочные продукты, катализаторы, вспомогательные вещества, потери продукта. Для потерь, не связанных с технологической переработкой, может быть принята величина до 5%.

Материальный расчет можно проводить двумя способами.

Расчет на 1 тонну готового продукта (на какую-либо другую укрупненную единицу продукции)

При этом получают расходные коэффициенты по сырью и удельные объемы реакционных масс на 1 тонну готового продукта. Такой расчет рекомендуется при оценке метода по технико-экономическим показателям. Он также бывает полезен для дальнейших переходов к материальным расчетам на операции с иным количеством готового продукта. Вместе с тем, в данном случае отсутствуют данные о реальных загрузках сырья в аппарат.

Расчет на 1 операцию

Такой расчет проводится на одну операцию для периодического процесса. В случае непрерывного процесса проводится расчет часовой производительности. При материальном расчете периодического процесса предварительно определяют объем реакционного аппарата на основной стадии производства, V_a(1). Затем определяют реальные загрузки сырья в аппараты.

3.4.2. Последовательность выполнения материального расчета для периодического процесса

1. Определяют аппарат для основной стадии. Основная стадия – это первая стадия, связанная с химическими превращениями. В случае косметических и фармацевтических производств основной стадией является стадия получения готового продукта. Определяют объем аппарата V_a(1).

2 . Определяют объем реакционной массы в аппарате:

(1)

где  - коэффициент заполнения.

Величина  зависит от режима работы аппарата:

 = 0.8 - 0.9 для хранилищ;

 = 0.7 – 0.8 для аппаратов при отсутствии вспенивания и кипения

 = 0.3 – 0.5 для аппаратов при наличии вспенивания и кипения

3. Рассчитывают загрузку основного компонента G_A в основной аппарат.

Предположим, что процесс представляет собой превращение исходного продукта А в конечный продукт К согласно стехиометрическому соотношению:

а(1)А →…… кК

На первой стадии протекают следующие реакции:

основная

а(1)А + в(1)В = с(1)С + d(1)D выход ₁

побочная

а(2)А + в(2)В = е(2)Е + d(2)D выход ₂

x_A – суммарная степень превращения вещества А;

y_A – содержание 100%-ного вещества А в техническом продукте;

y_B – содержание 100%-ного вещества В в техническом продукте.

О пределяем теоретическое количество вещества А (100%-ное вещество А), необходимое для получения 1 тонны продукта К.

Определяем количество технического продукта

П редположим, что согласно регламентным данным объем реакционной массы V_p соответствует величина R_A^техн. Тогда для первой стадии можно определить удельный объем реакционной массы на 1 тонну готового продукта:

Определяем количество примесей в веществе А.

Определяем количество вещества А, расходуемое в химической реакции

Определяем количество непрореагировавшего вещества А.

4. Проводят расчет количеств остальных компонентов.

Исходя из регламентных данных и определенных выше величин G_A и G_A^техн, определяют величины G_В и G_В^техн, после чего рассчитывают количество примесей, вносимых с веществом В.

Расчет по основной реакции

К оличество вещества В, расходуемое в реакции

Количество образовавшегося вещества C.

Количество образовавшегося вещества D

Расчет по побочной реакции

Количество компонента В, расходуемое в реакции

К оличество образовавшегося вещества Е

Количество образовавшегося вещества D

Общее количество образовавшегося вещества D

Количество непрореагировавшего вещества В

Возможно протекание других побочных неучитываемых реакций, в результате которых образуются примеси неустановленного строения. Предполагается, что молекулярная масса этих примесей равна молекулярной массе исходного соединения. Тогда масса примесей может быть вычислена следующим образом:

Данные материального расчета сводятся в таблицу.

Согласно закону сохранения суммарная масса исходных продуктов должна равняться суммарной массе конечных продуктов.

Загрузка растворителей и катализаторов учитывается вначале в графе Загружено, а затем в графе Получено.

Наименование сырья и полупродуктов	Концен-трация, %	Масса, кг		Плотность, кг/л	Объем, л
		100%	Техн.
Загружено 1. Вещество А техн. В т.ч. а. Вещество А б. Примеси 2. Вещество В техн. В т.ч. а. Вещество В б. Примеси	yA 100 yB 100	GA GAприм GB GBприм	GAтехн GBтехн
Итого			исх
Получено 1. Реакционная масса, в т.ч. а. Вещество А б. Вещество В в. Вещество С г. Вещество D д. Вещество Е е. Примеси в веществе А ж. Примеси в веществе В з. Примеси		GAост GВост GСреак GD GEреак GAприм GВприм Gприм			Vp(1)
Итого		кон			Vp(1)