Составление материального баланса

Материальные расчеты производственных процессов по своему существу должны быть материальными балансами каждой стадии про­изводства и всего производства в целом, основанными на законах сте­хиометрии и на законе сохранения вещества. В результате материаль­ного баланса определяются вес, объем и состав исходных материалов, готовой продукции, отходов и потерь по всем стадиям производства; это, в свою очередь, служит основанием для всех остальных техноло­гических и энергетических расчетов аппаратуры. Результаты матери­ального баланса, вскрывая полностью всю сущность материальных превращений по каждой стадии производства, наглядно указывают все недочеты производственного процесса и тем самым намечают пути, по которым должно идти дальнейшее совершенствование производства. Отсутствие четко составленного материального баланса в том или ином производстве является показателем его несовершенства и, наобо­рот, целый ряд действующих производств достиг высокого уровня тех­нического совершенства благодаря наличию тщательно проработан­ных материальных балансов.

Материальный баланс химического процесса составляется сле­дующим образом: пишется уравнение химической реакции и по стехиометрическим отношениям определяется теоретический выход продукта. Затем выявляются потери продукта в результате побоч­ных реакций и потери механического характера, и устанавливается практический выход, на основании которого и подсчитывается ко­личество получаемого продукта. Весовые количества конечного продукта, получаемого в результате какого-либо химического про­цесса, даже при самых благоприятных условиях всегда бывают ниже того количества, которое следовало ожидать согласно теории. Чем ближе выход продукта к теоретически возможному, тем совершеннее и экономически более выгоден данный способ производства. В тех случаях, когда производственный процесс не представ­ляется возможным изобразить химическим уравнением, выход вы­ражают в весовых частях получаемой продукции на 1 весовую часть исходного сырья. Исходя из того, что в большинстве случаев химические реакции обратимы, т.е. не идут до конца, студент должен подобрать температуру и давление (особенно для реакций, идущих в газовой фазе) таким образом, чтобы получить максимальный выход продук­та.

Для производственных операций, в которых преобладают физические процессы (фильтрация, перекристаллизация и т.п.), необходимо расчетом установить, какое количество продукта при данной темпе­ратуре остается в растворе (по данным растворимости), какое коли­чество его снова возвращается в производство при использовании промышленных вод и т.п. Следует учитывать и механические поте­ри: утечку газов и паров через неплотности, потерю растворов и твердых материалов при перегрузках, транспортировке, хранении.

Если производственный процесс состоит из нескольких стадий и каждой из них соответствует определенный выход, то общий выход готового продукта по всему процессу определяется произведением всех выходов по отдельным стадиям, т.е.

η = η₁ · η₂ · η₃ · … ·η_n,

где η – общий выход по всему производству;

η₁, η₂, η₃, … η_n – выходы по отдельным стадиям.

Материальный баланс является функцией принятого режима стадий производства и зависит от совершенства работы аппаратуры и от организации производства в целом.

Форма материального баланса зависит от характера производства. При непрерывной схеме производства материальный баланс относят к одному часу или суткам (производство окисленных битумов, гидроочистка нефтяных фракций, адсорбционное выделение парафинов и т.д.). Часто ведут расчет на тонну, килограмм или на кубометр готовой продукции (или исходного сырья) независимо от размеров и конструкции аппаратов, в которых осуществляется процесс. Если рассматриваются газовые реакции, то количество веществ целесообразно выражать числом молей. При периодическом процессе производства (производство пластмасс, полупродуктов) материальный баланс следует составлять на одну производственную операцию или относить его к суткам. При этом материальный баланс составляется по отдельным стадиям производства: для быстрейшего выявления расходных коэффициентов удобно вести расчет на тонну сырья или готовой продукции, но это не исключает составления операционного или суточного материального баланса. В последнем случае до составления материального баланса следует сделать выбор типа и емкости основной аппаратуры по каталогам и заводским данным, что позволяет установить величину загрузки (партии) в реакционный аппарат. Материальный баланс иногда корректируется данными тепловых расчетов (особенно при перио­дически действующей аппаратуре), поэтому окончательный вид сле­дует ему давать лишь после составления теплового баланса. При сложных материальных расчетах в целях большей наглядности по­лезно материальный баланс представлять также в виде диаграмм или графиков.

Для упрощения всех последующих технологических расчетов аппаратуры более выгодно иметь материальный баланс, отнесенный к суточной мощности производства; для выявления же слабых мест производства независимо от заданной мощности более целесообраз­ным является материальный баланс, отнесенный к одной тонне го­товой продукции. При составлении материального баланса, отне­сенного к суточной производительности, необходимо иметь задан­ную мощность производства. Мощность производства определяется числом весовых единиц (т или кг) готового продукта, подлежащего выпуску производством в единицу времени (год, месяц, сутки). Обычно мощность производства выражают в тоннах 100%-го про­дукта или технического товарного про­дукта в год, причем в ряде случаев принимается круглосуточная ра­бота производства в течение 330 дней в году (35 дней резервируется на капитальный ремонт цехов).

Материальный баланс любого технологического процесса или части его составляется на основании закона сохранения вещества, то есть закона, согласно которому количество (масса) всех исходных про­дуктов данного производственного цикла должно быть равно коли­честву (массе) всех конечных продуктов его:

ΣG_исх = ΣG_кон,

где ΣG_исх – масса исходных продуктов;

ΣG_кон – масса конечных продуктов (в одинаковых единицах измерения).

Таким образом, если в какой-либо аппарат поступает G_A кг продукта A, G_B кг продукта B и т.д., в результате химической или фи­зической переработки выходит из аппарата G_C кг продукта C, G_D кг продукта D и т.д., а также если в конечных продуктах остается часть начальных продуктов A (G'_A кг), B (G'_B кг) и т.д., то при этом должно иметь место равенство:

G_A + G_B + … = G'_A + G'_B + G_C + G_D + … + ΔG.

Результаты подсчетов материального баланса сводят в таблицу 1.

Объем массы, полученной в результате химического процесса, берется из опытных данных, так как объем смеси полученных продуктов не есть аддитивное свойство объема компонентов, составляющих смесь и, следовательно, величина его не всегда может быть определена путем вычисления.

Таблица 1

Материальный баланс процесса

Приход	Расход
Статья прихода	Кол-во, кг	% (к итогу)	Статья прихода	Количество, кг	% (к итогу)
Продукт А	GA		Продукт A (остаток)	G'A
Продукт B	GB		Продукт B (остаток)	G'B
			Продукт С	GC
			Продукт D	GD
			Производственные потери	ΔG
Итого	G		Итого	G

На основании данных материального баланса можно подсчитать расходные коэффициенты по сырью.

Расходными коэффициентами на­зывают количество сырья, расходуемое на 1 т готового продукта.

Если в технологический узел поступает в сутки G_A кг продукта А и G_B кг продукта В, то годовой расход в кг 100%-го продукта (при 330 рабочих днях) составит: 330G_A и 330G_B.

При заданной мощности Р т/год рас­ход на 1 т технического продукта в кг (100%) будет соответственно равен и