2. Материальный баланс химико-технологических процессов

Химико-технологические расчеты составляют главную часть проекта новых химических производств, они же являются завершающей стадией научных исследований и выполняются при обследовании работающих цехов и установок. Основой технологических расчетов является составление материальных и тепловых балансов.

Материальный балансоснован на законе сохранения массы вещества, согласно которому масса веществ, поступивших в замкнутую систему, равна массе веществ на выходе из нее. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию, –приход, равна массе всех веществ, получившихся в результате ее, – расходу.

Материальный баланс может быть представлен уравнением, левую часть которого составляет масса всех видов сырья и материалов, поступающих на переработку (Σm_прих), а правую – масса получаемых продуктов плюс производственные потери (Σm_расх):

Σm_прих = Σm_расх. (24)

Уравнение материального балансаможет быть представлено в следующем виде:

m+m+m+m=m+m+m+m+m₇, (25)

где m₁иm₂ массы поступившего газообразного, жидкого и твердого сырья и вспомогательного материала;m₃,m₄,m₅полученные целевой продукт, побочный продукт, отход соответственно;m₆непрореагировавшее сырье;m₇ –производственные потери. Слагаемые прихода и расхода, число которых зависит от состава производственных потоков, называютстатьями материального баланса.

Материальный баланс – зеркало технологического процесса, отражающее расходные коэффициенты по сырью, наличие твердых отходов, газообразных выбросов, жидких стоков, состав образующихся продуктов. Чем подробнее изучен процесс, тем более полно можно составить материальный баланс. Составляют его по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Поскольку на практике приходится иметь дело не с чистыми веществами, а с сырьем сложного химического состава, то для составления материального баланса следует учитывать массу всех компонентов, входящих в его состав. Для этого пользуются данными химических анализов.

2.1. Стехиометрический материальный баланс

Теоретический (стехиометрический) материальный баланс рассчитывают на основе стехиометрических уравнений реакции. Часто стехиометрический баланс составляется для реакции, выражающей полный ход процесса и являющейся суммой промежуточных этапов, т. е. для такой реакции, которой в действительности не существует. Удобнее всего составлять материальный баланс, отнеся все расчеты к 1 моль или 1 кмоль основного исходного вещества. После этого по числу моль или кмоль находят объемы и массы исходных веществ и продуктов (кг, т, м³, л).

Стехиометрические коэффициенты в химических уравнениях показывают количество моль компонентов, вступивших в химическое взаимодействие. Их можно выразить в массовых величинах, умножая стехиометрические коэффициенты на молярную массу. Например, окисление диоксида серы описывается уравнениемSO₂+ 0,5O₂SO₃. Молярные массы, г/моль или кг/кмоль:SO₂– 64;O₂– 32; SO₃– 80, и это же уравнение с «массовыми» стехиометрическими коэффициентами будет иметь вид 64SO₂+ 16O₂80SO₃. В такой записи очевиден материальный баланс: суммарная масса исходных веществ равна массе продукта.

Рассмотрим пример: в производстве азотной кислоты определить количество HNO₃, образующейся из 1 т аммиака. В химико-технологическом процессе протекают следующие реакции:

 окисление аммиака

4NH₃+ 5O₂= 4NO+ 6H₂О (26)

(принимаем, что NH₃полностью окисляется доNO);

 окисление оксида азота

2NO+O₂= 2NO₂; (27)

 хемосорбция диоксида азота

3NO₂+ Н₂О = 2HNO₃+NO. (28)

В абсорбционную колонну подается кислород, и образующийся оксид азота повторно окисляется до NO₂по реакции (27).

Таким образом, образование азотной кислоты представлено стехиометрическими уравнениями (2628). Умножим первое из них на 1, второе – на 3, третье – на 2 и сложим их. Получим суммарное стехиометрическое уравнение (брутто-уравнение)

NH₃+ 2O₂=HNO₃+H₂О. (29)

Конечно, такая реакция не известна. Но стехиометрическое уравнение показывает, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие друг с другом, и этому определению отвечает уравнение (29). Умножим стехиометрические коэффициенты в (29) на мольные массы соответствующих компонентов (г/моль или кг/кмоль) (NH₃ – 17;O₂ – 32;HNO₃ – 63; Н₂О – 18) и получим

17NH₃+ 64O₂= 63HNO₃+ 18H₂О. (30)

Из уравнения (30) видно, что для производства 63 кг азотной кислоты надо затратить 17 кг аммиака, а на 1 т (1 000 кг) азотной кислоты пойдет 17 1000 / 63 = 270 кгNH₃.

Удобство записи суммарного стехиометрического уравнения очевидно.