что такое материальный баланс технологического процесса
Материальный и энергетический балансы химико-технологических процессов
Основой расчета химико-технологического процесса являются материальный и тепловой (энергетический) балансы.
Под материальным технологическим балансом подразумевается расчет количества использованных (введенных или заданных) веществ, количества полученного продукта, а также побочных веществ. Результаты расчетов выражают в виде графиков, уравнений, таблиц (табл. 2.1) или диаграмм. Количество веществ, введенных в производство, должно равняться количеству полученных веществ. Это вычисляется на основании стехиометрических уравнений, описывающих отдельные стадии производства и побочные процессы.
Материальный баланс отражает закон сохранения массы веществ и может быть представлен уравнением, левую часть которого образует масса исходных веществ ∑mвх, а правую – масса полученных продуктов ∑mвых:
Материальный и энергетический балансы позволяют составить наиболее рациональную схему производства, установить удельное значение выходов продукции, расхода сырья, энергии, определить необходимые размеры аппаратуры, ее экономические показатели, степень совершенства соответствующих процессов. При составлении материальных балансов необходимо знать состав сырья, продуктов и полупродуктов, а иногда их некоторые физико-химические свойства и их изменения в зависимости от внешних условий.
В том случае, когда после расчета количество введенных в процесс веществ не равно количеству полученного продукта и побочных веществ, вычисляют эту разницу, которая называется невязкой баланса. Ее значение также помещают в таблицу материального баланса. Необходимо стремиться, чтобы невязка имела минимальное значение.
Расчеты по материальному балансу составляют на 100 или 1000 кг сырья или готового продукта.
Материальный баланс процесса…
Энергетический баланс обычно составляют по данным материального баланса. Он также рассчитывается на определенное количество сырья или продукта и выражается в тепловых единицах (джоулях), иногда в электрических (киловатт-часах) (табл.2.2).
Энергетический баланс процесса…
Энергетический баланс выражается уравнением:
где: Q1 – теплота, введенная в процесс с исходными веществами, кДж; Q2 – теплота экзотермических реакций, кДж; Q3 – теплота физических превращений веществ, имеющих положительное значение (если же некоторые превращения эндотермические, то значение Q3 берется с отрицательным знаком), кДж; Q4 – теплота, введенная в процесс извне, например, поступающая с горячей водой, нагретыми газами и т.д., кДж; Q5 – теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции, кДж; Q6 – потери теплоты в окружающее пространство. кДж.
Q1 рассчитывают по формуле :
где: c – средняя теплоемкость исходных веществ при температуре их поступления в технологический процесс; m – количество исходных веществ, кг, моль и т.д.; t – температура исходных веществ, о С.
Например, при определении теплоты, теряемой через стенки аппаратуры (Q), пользуются законом Фурье:
Согласно этому закону Q (кДж) пропорционально поверхности стенок S (м 2 ), разности температур между поверхностями стенки t1 – t2 ( о С), времени τ (с) и обратно пропорционально толщине стенок b (м), λ – коэффициент теплоотдачи, зависящий от материала и температуры стенки (Дж/м∙г∙град).
При расчете потерь за счет теплоизлучения применяют закон Стефана-Больцмана:
Невязка как при материальном, так и при энергетическом балансе может иметь положительное и отрицательное значение.
Из результатов энергетического баланса можно определить коэффициент использования энергии – это процентное отношение количества энергии, которое необходимо теоретически затратить на получение массовой или объемной единицы продукта Wm, к количеству практически затраченной энергии Wпр:
Пример 1.Составьте материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком на 1 т нитрата аммония (аммиачной селитры). Концентрация азотной кислоты 55 %, газообразного аммиака – 100 %, нитрата аммония – 85 %. Потери аммиака и азотной кислоты – 1 %.
Решение. Нитрат аммония получают по реакции нейтрализации:
Рассчитываем приход. В соответствии с уравнением реакции на 1 кмоль NH3 образуется 1 кмоль NH4NO3 (100 %):
С учётом потерь производства:
Определяем массу азотной кислоты (100 %-ной), необходимой для производства 1 т NH4NO3 (АТ):
Определяем Апр – массу азотной кислоты с учётом потерь производства и концентрации HNO3:
С азотной кислотной поступает вода: 1446.2 – 795.4 = 650.8 (кг)
Общая масса реагентов, поступивших на нейтрализацию: 214.6 + 1446.2 = 1660.8 (кг)
Определяем расход 85 %-ного раствора нитрата аммония, получается: 1000 : 0.85 = 1176.47 (кг)
Потери NH3 составляют: 214.6 – 212.5 = 2.1 (кг)
Потери HNO3 составляют: 795.4 – 787.5 = 7.9 (кг)
Масса испарившейся воды (соковый пар) составляет: 1660. 8 – (1176.47 + 2.1 + 7.9) = 474.33 (кг)
Результаты расчётов сведены в табл. 2.3.
Материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком
Пример 2.Составьте упрощённый материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена. Состав исходной парогазовой смеси (в % по объёму): этилен – 60, водяной пар – 40. Степень гидратации этилена – 5 %. Расчёт вести на 1 т этилового спирта. Побочные реакции и давление не учитывать.
Решение. Получение этилового спирта прямой гидратацией этилена осуществляется при температуре 560 К и давлении 80· 10 5 Па по реакции, протекающей по уравнению
Приход. Определяем теоретический расход этилена:
Тогда практический расход этилена с учётом степени превращения составит:
или 
Находим объём водяного пара в парогазовой смеси:
или 
Расход. Определяем, сколько водяного пара израсходовано на гидратацию:
Находим избыток водяного пара (проскок):
или 
Рассчитываем массу непрореагировавшего этилена:
или 
Полученные данные сведены в табл. 2.4.
Материальный баланс производства этилового спирта прямой гидратацией этилена
Пример 4.Рассчитайте теплоту, выделяющуюся при образовании 100 кг метилового спирта из СО и Н2. Энтальпия образования (кДж/кмоль) составляет: оксида углерода(II)-110 583; метилового спирта – 201 456.
Решение. Образование метилового спирта из СО и Н2 протекает по реакции, выражаемой уравнением
где: Qp – тепловой эффект реакции.
Так как в соответствии с формулой:
где ΔН – энтальпия реакции синтеза метанола, рассчитаем ΔН:
Таким образом: Qp = 90772 кДж/кмоль.
Рассчитаем теплоту, выделяющуюся при образовании 100 кг метилового спирта:
где: 32 – молекулярная масса метилового спирта в кг.
Пример 5.Составьте тепловой баланс реактора синтеза этилового спирта, где протекает реакция: СН2=СН2 + Н2О ↔ С2Н5ОН + 46090, если исходный газ имеет состав (об. %): водяной пар 40 и этилен 60, скорость его подачи в реактор-гидрататор 2000 м 3 /ч, температура на входе 563 К, а на выходе из реактора 614 К, конверсия за проход этилена 5 %. Теплоёмкость продуктов на входе и выходе одинакова и равна 27.1 кДж/кмоль. Побочные процессы и продукты не учитывать. Потери теплоты в окружающую среду принять 3 % от прихода теплоты.
Решение. Находим состав исходного газа:
Определяем состав газа на выходе из реактора:
Находим суммарный объём газа (на выходе из реактора):
Рассчитываем приход теплоты. Физическая теплота газа:
Всего: ΣQприх = 825256,5 (кДж).
Определяем расход теплоты. Теплота, уносимая отходящими газами:
Всего: ΣQрасх = 825100.1 (кДж).
Процесс идёт с небольшим выделением теплоты.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 2.2
3-1.Что такое материальный баланс химического производства? Расшифруйте его структуру на примере одного из известных Вам производств.
3-2. Что такое материальный поток и материально-потоковый граф?
3-3. Какие виды энергии и с какой целью используются в химической промышленности?
3-4. Чем характеризуется энергетическая ценность химического топлива?
3-5.Для каких целей используют тепловую энергию в химической промышленности?
ЗАДАЧИ К ТЕМЕ 2.2
3-1. Для получения железа над 130 г нагретого оксида железа(II) было пропущено 31 л оксида углерода(II) (н.у.). Составьте материальный баланс восстановления оксида железа(II).
3-2. Составьте материальный баланс процесса упаривания 100 т раствора NaOH, если первоначальная концентрация его была 15 %-ной, а упаренного раствора 60 %-ной. Потери при упаривании составляют 0.3 %.
3-3. Составьте материальный баланс на получение 1 т карбида кальция, содержащего 90 % СаС2, если сырьё – антрацит марки АК с содержанием 96 % углерода, а известь – 85 % СаО.
3-4. Составьте материальный баланс производства 1000 м 3 аммиака, если азотно-водородная смесь получается смешением сырого азота (N2 – 99.6 %, O2 – 0.2 %, Ar – 0.2 %) и сырого водорода (Н2 – 99.6 %, СН4 – 0.2 %, СО – 0.2 %). Синтез ведут под давлением 30.3· 10 6 Па, при температуре 673 К. Концентрация аммиака в газах после колонны синтеза 18 %, а в циркуляционном газе 4 %, содержание других газов циркуляционном газе 3 %.
3-5. Составьте материальный баланс производства 1 т чистого метилового спирта, если исходная смесь газов состоит только из СО и Н2 в соотношении 1:2, конверсия синтез-газа 20 %. Выход метилового спирта составляет 87 % от теоретического.
3-6. Составьте упрощённый материальный баланс на получение 1 т уксусной кислоты (без учёта побочных реакций), если выход кислоты по реакции: СН3СНО + 0.5 О2 → СН3СООН составляет 96 % (от теоретического), технический ацетальдегид 99 %-ной чистоты и реагирует на 98 %, кислород связывается на 99 %, непрореагировавшего ацетальдегида остаётся 2 %, кислорода 1 % (2 % ацетальдегида расходуется на побочные реакции).
3-7. Определите энтальпию и тепловой эффект химической реакции газификации твёрдого топлива, если из генератора водяного пара выходит газ следующего состава (в % по объёму): СО – 38; Н2 – 50; СО2 – 6,2; N2 – 5,8. Расчёт следует вести на 1000 м 3 генераторного газа. Теплота образования (в кДж/моль): СО – 110.58; Н2О (пар) – 242.00; СО2 – 343.79.
3-8. Определите теплоту образования ацетилена, если известно, что при сгорании 1 моль его выделяется 1608.10 кДж теплоты, а теплоты образования воды и углекислого газа составляют соответственно 241.84 кДж/моль и 394.08 кДж/моль.
3-9. Составьте тепловой баланс реактора синтеза метанола, если исходный газ имеет состав (в % по объёму): 20 СО и 80 Н2. Скорость его подачи 80000 м 3 /ч при температуре на входе в реактор 473 К, а на выходе 573 К. Конверсия СО 35 %. Теплоёмкость газа на входе и на выходе одинакова и равна 32.3 (кДж/моль·К). С помощью холодильника отводится 20240∙10 3 кДж.
3-10. Рассчитайте Kc реакции образования метилового спирта из формальдегида по уравнению: Н2 + СН2О ↔ СН3ОН, если при температуре 298.1 К и давлении 1.05· 10 5 Па константа равновесия реакции составляет 2.02· 10 13 Па.
3-11. Рассол с концентрацией 20 мас. % в количестве 9500 кг упаривают до концентрации 65 мас. %. Составьте материальный баланс процесса упаривания с учетом производственных потерь 0.2 %.
3-14. Исходные концентрации азота и водорода в газовой смеси, поступающей на синтез аммиака, равны: 0.01 кмоль/дм 3 N2 и 0.03 кмоль/дм 3 Н2. Найти Кс и Кр реакции синтеза аммиака при температуре 673 К, если равновесный выход аммиака составляет x = 20 %.
3-16. Какую размерность имеют константы равновесия для следующих реакций:
3-17. При температуре 873 К и давлении 6· 10 7 Па константа равновесия реакции: Fe3O4(тв) + СO ↔ 3 FeO(тв) + CO2 равна 15. Определите, сколько оксида железа может восстановить в этих условиях 1000 м 3 газа, содержащего 1.0 моль/дм 3 СО и 0.3 моль/дм 3 СО2 при условии равновесия в системе.
3-18. Составьте материальный баланс термического обогащения 100 кг мирабилита, в составе которого, помимо кристаллизационной 6 %-ной гигроскопической воды, в конечном продукте обнаружено 0.4 мас. % влаги.
3-19. Составьте материальный баланс процесса нейтрализации в производстве нитрата аммония. Концентрация исходной азотной кислоты – 50 %, аммиака – 90 %. Получаемый раствор содержит 70 % нитрата аммония.
3-20. Составьте материальный баланс процесса нейтрализации в производстве сульфата аммония. Концентрация исходной серной кислоты – 60 %, аммиака – 100 %. Получаемый раствор содержит 75 % нитрата аммония.
ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ
Дата добавления: 2018-02-18 ; просмотров: 6498 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Материальный баланс технологический
Смотреть что такое «Материальный баланс технологический» в других словарях:
Реализация продукции — поступление изготовленной продукции в народно хозяйственный оборот с оплатой её по существующим ценам. Реализованной считается продукция, отпущенная за пределы промышленного предприятия и оплаченная потребителем, сбытовой или торгующей… … Большая советская энциклопедия
Битум — (Asphalt) Определение битума, свойства битума, применение битума Информация об определении битума, свойства битума, применение битума Содержание Содержание 1. Свойства 2. Методы испытания и соответствующие виды классификаций Пенетрация… … Энциклопедия инвестора
Переработка нефти — Нефтеперерабатывающий завод компании Shell в Калифорнии Цель переработки нефти (нефтепереработки) производство нефтепродуктов … Википедия
СТО Газпром 2-2.3-141-2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения — Терминология СТО Газпром 2 2.3 141 2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения: 3.1.31 абонент энергоснабжающей организации : Потребитель электрической энергии (тепла), энергоустановки которого присоединены к сетям… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Инфраструктура — (Infrastructure) Инфраструктура это комплекс взаимосвязанных обслуживающих структур или объектов Транспортная, социальная, дорожная, рыночная, инновационная инфраструктуры, их развитие и элементы Содержание >>>>>>>> … Энциклопедия инвестора
Что такое материальный баланс технологического процесса
Существенная особенность технологических систем периодического действия состоит в многостадийности процессов и многооперационности стадий. В процессе смены операций, протекающих в одном и том же аппарате, в общем случае изменяется объем находящейся в нем реакционной массы (могут добавляться реагенты, инертные растворители, может удаляться часть содержимого аппарата). Поэтому расчет оборудования на основе интегрированного материального баланса, составляемого для стадии в целом, часто приводит к завышенным размерам аппаратов. Более правильно составлять материальный баланс для каждой операции и выделять ту из них, которой соответствует максимальный объем реакционной массы. В общем виде уравнение материального баланса принято записывать в виде: 
Для получения практических материальных балансов обычно осуществляют экспериментальные исследования процессов синтеза продуктов в лабораторных или опытных цехах научно-исследовательских организаций (АО «Синтез», ИРЕА). Экспериментальный материальный баланс вносится в документ, называемый технологическим регламентом процесса синтеза конкретного продукта.
Определение основных размеров аппаратов стадий ХТС основано на расчете максимальных массовых или объемных загрузок технологических стадий процессов обработки партий продуктов. Поскольку размеры партий заранее не известны, осуществляется пересчет материального баланса из регламента на единицу массы (1т) 100%-го готового продукта. В результате определяется масса или (и) объем реагентов, которые необходимо обработать на каждой стадии системы для того, чтобы получить 1т готового продукта. Эти величины называют материальными индексами стадий и обозначают g j , j=1. J для индивидуальных ХТС и g i j , j=1. J; i=1. I для совмещенных и гибких.
Большинство технологических стадий процессов синтеза продуктов многоассортиментных химических производств реализуется в аппаратах периодического действия и представляют собой упорядоченные последовательности технологических и организационных мероприятий. В процессе смены операций количество находящейся в аппарате массы может меняться, поэтому материальный баланс составляется для каждой операции, а размер аппарата определяется по той из них, которой соответствует максимальная загрузка.
Пример: определение размера аппарата для стадии аммонолиза процесса получения 2-аминоантрахинона (полупродукта для синтеза некоторых красителей). Процесс получения состоит из 4-х технологических стадий: аммонолиза, фильтрования, сушки, регенерации аммиака. Стадия аммонолиза проводится в емкостном реакторе с перемешивающим устройством и включает 5 технологических операций: смешение исходных реагентов, образование медно-аммиачного комплекса (химическая реакция), образование 2-амино-антрахинона (химическая реакция), выделение парогазовой фазы, разбавление оставшейся реакционной массы водой.
Технологическая операция
Компоненты технол. потока
Масса компонента, кг.
Масса потока, кг.
Масса(кг) и объем (л)загрузки при про-ведении операции
Материальный баланс процесса
Материальный баланс любого технологического процесса составляют на основании закона сохранения массы, согласно которому массовое количество всех исходных веществ данного производственного цикла должно быть равно массовому количеству всех конечных продуктов, полупродуктов и отходов производства.
Таким образом, в материальном балансе в статье “Приход” приводятся количественные соотношения между веществами, входящими в состав перерабатываемого сырья, в статье “Расход”- соотношение конечных продуктов.
В сырье, кроме основного исходного компонента, содержатся различные примеси, причем некоторые из них подвергаются химическим превращениям. Поэтому при составлении материального баланса нужно учитывать количества как основных, так и сопутствующих веществ.
Материальные балансы могут быть выражены в виде уравнений, таблиц или диаграмм, отражающих количество введенных и полученных в производственном процессе веществ.
Уравнение материального баланса в общем виде может быть записано как:
GA + GB + … = GC + GD+…GE + GF +…G 
+ G 
+ …+ ∆G (3.2.)
где: GA+GB – количество введенных веществ, GC+GD–количество целевых продуктов, GE + GF-количество побочных продуктов, G +G — количество непрореагировавших исходных веществ, ∆G –потери.
В идеальных случаях количество исходных веществ (сырья) равно количеству полученных продуктов. Обычно имеется невязка баланса, которая включает потери при осуществлении процесса, неточности эксперимента и расчетов.
Материальные балансы составляют на заданный базис: на единицу сырья (кг, т, нм 3 ), на единицу целевого продукта (кг, т. нм 3 ), на количество перерабатываемого сырья или получаемого продукта в единицу времени (час, сутки, месяц, год).
В названии таблицы материального баланса должно быть указано, для какого процесса и аппарата проведен расчет и какой положен в основу базис расчета.
Материальный баланс дает оценку правильности и целесообразности осуществления процесса при выбранных условиях. По данным материального баланса возможен расчет многих технологических показателей: конверсии, выхода, селективности, производительности, интенсивности, коэффициентов расхода сырья и др.
Типовая таблица материального баланса.
A + B =C + D –основная реакция;
A + B =E + F –побочная реакция.
В исходном сырье имеются инерты I
Материальный баланс (название процесса и аппарата)
| Приход | Расход | ||||||
| Наименование | л | г | % | Наименование | л | г | % |
| Вещество A | Вещество А (оставшееся) | ||||||
| Вещество B | Вещество B (оставшееся) | ||||||
| Инерты I | Вещество C | ||||||
| Вещество D | |||||||
| Вещество E | |||||||
| Вещество F | |||||||
| Инерты I | |||||||
| Всего | Всего |
В таблице материального баланса указываются литры при нормальных условиях (н.у.:температура 273 0 К, давление 760 мм рт.ст.), проценты массовые.
Если количество введенных веществ не будет равно количеству полученных, то их разность называется невязка баланса. Эта разность должна стоять в графе “Расход”.