 |
Технологический баланс, его структура
|
|
|
|
Материальный и энергетический балансы технологических процессов
В основе любого промышленного производства лежит технологический процесс, представляющий собой совокупность операций, непосредственно связанных с добычей, переработкой сырья в полуфабрикаты или готовую продукцию.
Для осуществления процесса составляют технологический баланс. Он представляет собой результаты расчетов, содержащие количество введенных и полученных в производственном процессе материалов, энергии, то есть приход и расход. Технологический баланс выражают в виде уравнений, таблиц, диаграмм.
Из определения технологического баланса следует, что он включает материальный и энергетический балансы. При их составлении используют законы сохранения материи и энергии. В каждом материальном балансе количество введенных в технологический процесс сырьевых продуктов должно быть равно количеству основных и промежуточных продуктов, а также отходов производства. Аналогично количество введенного с исходными веществами тепла, электроэнергии должно равняться количеству энергии, уходящей с продуктами и отходами.
При составлении технологических балансов используют стехиометрические, термохимические расчеты, физико-химические закономерности.
Материальный и энергетический балансы нужны не только для эффективного проведения процессов, но и для их анализа. По балансам определяют фактический выход продукции, коэффициенты полезного использования энергии, расход сырья, потери сырья, топлива, энергии.
Сначала составляют материальный, а затем энергетический (тепловой) балансы.
Материальный баланс - это количественное выражение закона сохранения материи. Масса веществ, поступивших на технологические операции (приход), равна массе веществ, образовавшихся в результате процесса (расход).
|
|
|
Материальный баланс составляют по уравнениям химических реакций, при этом учитывают параллельные и побочные реакции. Побочные реакции являются следствием присутствия примесей в исходном сырье. Поэтому в материальный баланс входят массы исходных веществ, примесей, а также массы основных, побочных продуктов, отходов.
Неточность технико-химического анализа, неточность учета всех протекающих реакций свидетельствует о наличии погрешности в расчете материального баланса.
Массы веществ отдельно находят для твердой (Мт), жидкой (Мж) и газообразной (Ме) фаз. Тогда можно записать:
Мт + Мж + Ме=М'м + М'ж + М'г,
где М'т, М'ж, М'г - массы продуктов, получившихся в результате технологического процесса (расход).
В реальных технологических процессах не всегда участвуют все фазы. Кроме того, часть продуктов остается не прореагировавшей. Тогда уравнение материального баланса будет иметь вид:
где ц г - фактическая теплота, поступившая в зону взаимодействия с исходными веществами;
Qa - теплота экзотермических реакций и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (плавление, испарение, кристаллизация, растворение).
-Если тепловой эффект взаимодействия отрицательный, то Q3 помещают в расходную часть баланса;
Qe - теплота, введенная в зону процесса и не принимающая участия в химических превращениях (обогрев, охлаждение за счет использования газа, топлива, горячей воды, хладоагента и т. д.);
Q'ti ~ физическая теплота, выходящая из процесса с продуктами реакции;
Q'n - потери тепла в окружающую среду.
Расход воздуха, необходимый для окисления аммиака, будет равен:
Пример 6. Составить материальный баланс печи окислительного обжига ванадийсодержащего сырья производства ванадата аммония (NaV03) в расчете на 1 т готового продукта. Исходное сырье: ванадиевый шлак, содержащий.15% (масс.) оксида ванадия /V/ (V2Os); хлорид натрия (NaCl), расходуемый в количестве 10% от массы шлака; воздух.
|
|
|
Решение. Ванадий, широко применяемый для изготовления твердых сплавов, чугуна, сталей специального назначения, а также как катализатор при производстве серной кислоты, нафталина, анилиновых красителей, получают из ванадийсодержащего сырья (шлаков, концентратов, руды). Такие шлаки образуются при выплавке стали из чугуна, предварительно полученного из железных и ванадиевых руд. Ванадийсодержащие шлаки включают до 18% оксида ванадия /V/.
Сырье смешивают с NaCl, измельчают и подвергают окислительному обжигу во вращающихся печах при температуре 800 - 900°С.
На первой стадии идет окисление хлорида натрия по уравнению:
На основе проведенного расчета составляют таблицу материального баланса (табл. 2).
Таблица 2
Материальный баланс ванадийсодержащего сырья
| Приход | Расход | ||
| Исходное вещество | кг | Полученное вещество | кг |
| Ванадиевый шлак | 4966,70 | Шлам (4966,7 - 745) | 4221,70 |
| Хлорид натрия | 496,67 | Ванадат натрия | 1000,00 |
| Воздух | Хлорид натрия | 16,67 | |
| в том числе: | Хлор | 290,00 | |
| Кислород | 65,50 | Азот | 214,00 |
| Азот | 214,00 | ||
| Итого | 5742,87 | Итого | 5742,37 |
Невязка баланса 0,50 кг (9ДЗх10~3 %)
Пример 7. Рассчитать материальный баланс процесса электрокрекинга природного газа имеющего состав 98% (объемн.) метана (СН4), 2% (объемн.) азота (N2). В газе, выходящем из аппарата, содержится 14% ацетилена. Побочные реакции не учитывать. Расчет вести на 1000 м3 исходного природного газа.
Решение. Ацетилен получают из метана в газовой фазе при температуре 1200 - 1600°С в электродуговых печах. Процесс описывается уравнением:
Полученные данные используют для составления таблицы материального баланса (табл. 3).
Таблица 3
Материальный баланс процесса электрокрекинга метана
| Приход | Расход | ||||
| Исходное вещество | и» | кг | Продукты | и» | кг |
| сн4 N2 | 980 20 | 702,46 25,00 | С2Н2 сн4 н2 N2 | 214,3 551,4 642,9 20,0 | 247,19 395,24 57,78 25,00 |
| Итого | 1000 | 727,46 | Итого | 1428,6 | 725,21 |
* плотность метана - 0,7168 кг/м3; азота - 1,250 кг/м3; водорода - 0,08988 кг/м3; ацетилена - 1,1535 кг/м3. Невязка баланса составляет 2,25 кг (0,31 % масс).
|
|
|
Пример 8. Рассчитать количество теплоты, выделяющейся при образовании 200 л ацетилена из карбида кальция, если теплота образования (кДж/кмоль) равна: карбида кальция (СаС2) -62 700; оксида кальция (СаО) - 635 100; воды (НаО) - 241 840; ацетилена (С2Н2) - 226 750.
Решение. Разложение карбида кальция с образованием ацетилена описывается схемой:
СаС2 + Н20 = СаО + С2Н2 + Qp.
Согласно закону Гесса тепловой эффект реакции равен сумме теплоты образования конечных продуктов минус сумма теплоты образования начальных продуктов с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Тогда:
Qp = (635 100 + 226 750) - (62 700 + 241 840) = 557 310 кДж/кмоль.
Результаты расчета сводят в табл. 4.
Таблица 4 Тепловой баланс процесса пиролиза ацетона
| Приход тепла | кДж | % | Расход тепла | кДж | % |
| С ацетоном При сжигании природного газа | 98928,1 6308593,9 | 1,54 98,46 | С ацетоном Теплота реакции С отходящими газами | 1309968,4 818560,0 4278993,6 | 20,44 12,78 бё,78 |
| Итого | 6407522,0 | 100 | Итого | 6407522,0 | 100 |
|
|
|
