2.2. Розрахунок матеріального балансу процесів згоряння суміші газів

Процеси горіння пов'язані з окисленням різних речовин киснем. Зміст в повітрі 21% за об'ємом кисню дозволяє його використовувати як дешевий і доступний окислювач. Проте повітря не є безкоштовною сировиною, оскільки використання його як реагенту вимагає заходів очищення. Для технологічних розрахунків робимо допущення, і приймаємо склад повітря, наведений у табл. 2.

Приклад 19. Розрахувати матеріальний баланс процесу згоряння 2000 кмоль/годину газової суміші наступного складу (об'ємні долі): (СО₂)= 0,1; (СO)= 0,4; (Н₂)= 0,3; (N₂)= 0,2. Визначити необхідну кількість повітря для процесу горіння, якщо його надлишок склав 10%.

Рішення. Складемо допоміжну таблицю для вхідного газового потоку.

Таблиця 8

Кількісні параметри вхідних речовин

Речовина	Мi, г/моль	 i	ν i, кмоль	mi, кг
N2	28	0,2	400	11200
СО2	44	0,1	200	8800
СО	28	0,4	800	22400
Н2	2	0,3	600	1200
∑		1	2000	43600

Згоряння газової суміші наведеного складу відбувається за декількома реакціями одночасно:

800 : 400 : 800 600 : 300 : 600

2СО + О₂ = 2СО₂; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

2 моль : 1моль : 2 моль 2 моль : 1 моль : 2 моль

Кількість окиснювача визначаємо по стехіометрії реакцій:

ν(О₂) = 400 + 300 = 700 кмоль.

З урахуванням 10% надлишку кількість кисню складе – 770 кмоль. Одночасно з киснем з повітря поступає азот, оскільки його зміст у повітрі складає 79%, то в перерахунку на кількість речовини це буде :

ν (N₂)= 770 · 0,79 : 0,21 = 2896,67 кмоль.

ν _(пов.) = 770 + 2896,67 = 3666,67 кмоль.

Складемо матеріальний баланс, враховуючи склад газового потоку і повітря, яке витрачається на процес горіння.

Таблиця 9.

Матеріальний баланс згоряння газової суміші (на 1 годину)

Речовина	Мi, кг/кмоль	Прибуткова частина		Хіміч. реакція, ν i, кмоль	Витратна частина
		ν i, кмоль	mi, кг		ν i, кмоль	mi, кг
СО2 СО Н2 N2 O2 Н2О	44 28 2 28 32 18	800 200 600 400 + 2896,67 770 –	22400 8800 1200 92307 24640 –	-800 800 -600 – -700 600	– 1000 – 3296,67 70 600	– 44000 – 92307 2240 10800
∑		5666,67	149347		4966,67	149347

Перевіряємо правильність розрахунку матеріального балансу і виконання закону збереження маси речовин:

149347кг = 149347 кг.

2.3. Складання матеріального балансу хіміко-технологічного процесу з заданої продуктивності апарата по цільовим продуктом

Важливим критерієм ефективності роботи окремих апаратів, цехів або заводів в цілому є продуктивність.

Продуктивність – це кількість продукту, отримана в одиницю часу:

П = Q / t, (26)

де Q – кількість виробленої продукції, нат. од.;

t – тривалість періоду виробництва, од. часу.

Продуктивність вимірюється в кг/годину, тонн/добу, тонн/рік. Іноді продуктивність оцінюють за кількістю переробленої сировини. Максимально можлива продуктивність називається потужністю.

Приклад 20. Розрахувати матеріальний баланс контактного відділення виробництва сірчаної кислоти при фактичному ступені перетворення за оксидом сірки (IV) – 0,97, якщо продуктивність з оксиду сірки (VI) склала 40000 кг/годину, а склад потоку на вході в реактор виражений в об'ємних долях: (SO₂)= 0,07; (O₂)= 0,11; (N₂)= 0,82.

Розв’язок. Визначаємо кількість отриманого продукту:

(SO₃)= m(SO₃): М(SO₃)= 40000 : 80 = 500 кмоль.

Кількість речовини (SO₃) заносимо у графу „Хімічна реакція” матеріального балансу, а стехіометричний розрахунок ведемо виходячи з цього значення продукту: