7.3. Практический материальный баланс

Практический материальный баланс учитывает составы исходного сырья и готовой продукции, избыток одного из компонентов сырья, степень превращения реагентов, потери сырья и готового продукта и т.д.

Исходными данными для составления такого баланса являются:

- технологическая схема, отражающая вид и последовательность стадий производства;

- годовая производительность по данному продукту или данному спектру продуктов;

- производственная рецептура загрузки компонентов на каждой технологической стадии;

- потери сырья и готового продукта на каждой технологической стадии производства.

В зависимости от характера требований материальный баланс периодичес

ких процессов может составляться в трех вариантах: во-первых, исходя из суточной производительности вещества; во-вторых, на единицу массы готового продукта (чаще всего на 1 т); в-третьих, на количество готового продукта, полученного за один цикл работы. В этом случае наиболее целесообразен суточный материальный баланс.

Для непрерывных процессов материальный баланс составляется с учетом выработки в единицу времени (т/год, т/сут, т/ч, кг/ч, кг/мин, кг/с и т.д.).

В любом случае баланс делится на две основные части - общий материальный баланс и пооперационный (постадийный) материальный баланс.

При общем балансе материальные расчеты связаны с определением расхо

дов всех видов сырья. В большинстве случаев такие расчеты завершаются определением расходных коэффициентов всех компонентов процесса на единицу массы готового продукта (например, на 1 т) и сравнением их с расходными коэффициентами аналогичного существующего производства. Первым этапом будет определение рабочего времени в цехе. Его величина зависит от характера производства. Для периодических процессов

Д = 365 - (Р + В),

где Д - количество рабочих дней в году; Р - количество дней в году, отведенных на все виды ремонта; В - количество праздничных и выходных дней в году.

Для непрерывных процессов

Д = 365 - Р.

В этом случае величина Р включает в себя и время на все виды ремонтов, и время периодических остановок на чистку оборудования, замену катализатора и т. п.

Далее необходимо определить производительность по готовому продукту. Вначале рассчитывается производительность без учета потерь

где - суточная производительность по готовому продукту без учета потерь, т/сут; N - годовой выход готового продукта, т.

Производительность с учетом потерь продукта по стадиям

где а - общая доля потерь продукта на всех стадиях процесса.

Общая величина потерь по всем стадиям

Определяя доли потерь по стадиям как а_i можем найти их количество из соотно-

шения

При этом

Далее определяется расход каждого вида сырья с учетом потерь, исходя из рецептуры загрузки компонентов реакционной смеси. При этом предварительно рассчитывается рецептура в процентах на содержание каждого компонента, полагая за 100% всю реакционную смесь. Потери реакционной смеси на каждой стадии в равной степени относятся к каждому из компонентов, если нет отгона одного из продуктов, выделения его в осадок и др.

К полученным расходам сырьевых компонентов добавляются их возмож-

ные потери до получения реакционной смеси при транспортировке, загрузке и т.д. Окончательно производят расчет расходных коэффициентов сырьевых ком-

понентов на тонну готового продукта. Результаты расчета расходных коэффициентов оформляются в виде таблицы (см. таблицу 7.1)

Таблица 7.1. Пример представления расходных коэффициентов

№ п/п	Наименование сырья	Расход, т/сут (т/год)	Расходные коэффициенты, т/т готового продукта
1	Компонент А	А1 (А1 Д)	А1/
2	Компонент В	В1 (В1 Д)	В1/

Кроме расходных коэффициентов сырья рассчитываются аналогичные величины, характеризующие расход воды, пара, топлива, электроэнергии и т.д. Естественно, чем меньше расходные коэффициенты, тем экономичнее технологический процесс.

Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, так как для большин-

ства химических производств львиная доля себестоимости продуктов приходится на эту статью.

Постадийный материальный баланс составляется в виде таблиц на каждой стадии, исходя из результатов расчета общего материального баланса.

Пример 7.4. Составить материальный баланс реактора каталитического окисления метанола в формальдегид. Производительность реактора по формальдегиду 10 000 т/год. Степень превращения метанола в формальдегид - 0,7; общая степень превращения метанола (с учетом побочных реакций) - 0,8.

Содержание метанола в спирто-воздушной смеси - 40% по объему. Мольные соотношения побочных продуктов на выходе из реактора

НСООН : СО₂: СО : СН₄ = 1,8 : 1,6 : 0,1 : 0,3.

Аппарат работает 341 день в году с учетом времени ППР (планово-предупреди-

тельных ремонтов) и простоев.

Решение: Формальдегид получается в результате окисления паров метанола кислородом воздуха при температуре 550 - 600 °С на серебряном катализаторе, где протекают следующие реакции:

СН3ОН + 1/2О2 = СН2О + Н2О,	(1)
СН3ОН = СН2О + Н2,	(2)
СН3ОН = СО + 2Н2,	(3)
СН3ОН + Н2 = СН4 + Н2О,	(4)
СН3ОН + О2 = НСООН + Н2О,	(5)
СН3ОН + 1,5О2 = СО2 + 2Н2О.	(6)

Возможная реакция Н₂ + 1/2О₂ = Н₂О стехиометрически зависима, так как она в сумме с реакцией (2) дает реакцию (1), поэтому ее нужно из балансовых расчетов исключить.

На реакцию подается лишь около 80% воздуха от мольного соотношения метанол : кислород = 2 : 1 и процесс проводится с неполным сгоранием водорода, образую-

щегося по реакции (3).

Отходящие газы содержат 20 - 21% формальдегида, 36 - 38% азота и примеси в ви-

де СО, СО₂, СН₄, СН₃ОН, НСООН и др. Вся эта смесь после охлаждения в котле-утилизаторе и холодильнике до 60 °С подается в поглотительную башню, оро-

шаемую водой. Полученный раствор формалина содержит 10 - 12% метанола, который в данном случае является желательной примесью, так как препятствует по-

лимеризации формальдегида. Молекулярные массы: формалина - 30; метанола - 32; кислорода - 16.

Производительность реактора по формальдегиду

10 000∙1000/341/24 = 1222 кг/ч или 1222/30 = 40,73 кмоль/ч.

Так как по реакциям (1) и (2) на образование 1 моля формальдегида расходуется 1 моль метанола, то, при 70% степени превращения метанола в формальдегид, имеем расход метанола:

40,7/0,7 = 58,143 кмоль/ч или 58,143 ∙32= 1860,6 кг/ч.

Определим объемные расходы исходных веществ при нормальных условиях.

Метанол - 58,143 ∙22,4= 1302,4 м³/ч.

Спирто-воздушная смесь - 1302,4/0,4 = 3256 м³/ч.

Воздух - 3256 – 1302,4 = 1953,6 м³/ч, в нем:

кислорода – 1953,6 ∙0,21 = 410,26 м³/ч или 410,26 ∙32/22,4 = 586 кг/ч;

азота – 1953,6 ∙0,79 = 1543 м³/ч или 1543 ∙28/22,4 = 1929 кг/ч.

Определим расход метанола, пошедшего на образование побочных продуктов по реакциям (3) - (6). При общей степени превращения метанола 80% имеем расход метанола по побочным реакциям

58,143 ∙(0,8 - 0,7) = 5,81 кмоль/ч.

Не прореагировало метанола

58,143∙ 0,2 = 11,63 кмоль/ч или 11,63∙32 = 372 кг/ч.

Сумма долей побочных продуктов 1,8+ 1,6 + 0,1 + 0,3 = 3,8.

Тогда расходы побочных продуктов в отходящих газах будут равны:

Уксусная кислота

(НСООН) - 5,8∙1,8/3,8 = 2,75 кмоль/ч или 2,75∙46 = 126,5 кг/ч.

Диоксид углерода (СО₂) - 5,8∙1,6/3,8 = 2,45 кмоль/ч или 2,45∙44 = 108,0 кг/ч.

Оксид углерода (СО) - 5,8∙0,1/3,8 = 0,158 кмоль/ч или 0,158∙28 = 4,3 кг/ч.

Метан (СН₄) - 5,8∙0,3/3,8 = 0,459 кмоль/ч или 0,459∙16 = 7,3 кг/ч.

Для определения расходов водяного пара и водорода составим баланс по кислороду и водороду.

В реактор поступает кислорода:

с воздухом - 586 кг/ч;

в составе метанола – 1860,6∙16/32 = 930 кг/ч.

Всего: 586 + 930 = 1516 кг/ч.

Расходуется кислорода:

на образование формальдегида -1220∙16/30 = 650 кг/ч;

на образование НСООН - 126,5∙32/46 = 88 кг/ч;

на образование СО₂ - 108∙32/44 = 78,6 кг/ч;

на образование СО - 4,3∙16/28 = 2,45 кг/ч;

в составе не прореагировавшего метанола - 372 16/32 = 186 кг/ч.

Всего: 1005 кг/ч.

Остальное количество кислорода, равное 1516 -1005 = 509 кг/ч, пошло на образование воды по реакциям (1), (4), (5) и (6). В результате расход воды равен - 509∙18/16 = 572 кг/ч.

В реактор поступает водорода - 1860∙4/32 = 233 кг/ч.

Водород расходуется:

на образование СН₂О - 1220∙22/30 = 81,5 кг/ч;

на образование НСООН - 126,5 2/46 = 5,5 кг/ч;

на образование СН₄ - 7,3∙4/16 = 1,82 кг/ч;

на образование Н₂О - 572 2/18 = 63,6 кг/ч;

в составе не прореагировавшего газа - 372∙4/32 = 46,5 кг/ч.

Всего: 198,9 кг/ч.

Количество водорода в свободном состоянии: 233 - 198,9 = 34,1 кг/ч.

Результаты расчета сведены в табл. 7.2 материального баланса.

Таблица 7.2. Материальный баланс процесса получения формальдегида

Приход				Расход
Статьи	кг/ч	%	Статьи		кг/ч	%
		(по массе)				(по массе)
Спирто-воз-			Формальдегид		1220,0	27,89
душная смесь.			Метанол		372,0	8,58
метанол	1860	42,6	Водяной пар		572,0	13,12
кислород	586	13,4	НСООН		126,5	2,90
азот	1920	44,0	СО2		108,0	2,47
			СО		4,3	0,09
			Метан		7,3	0.16
			Водород		34,1	0,78
			Азот		1920,0	43.97
			Ошибки
			округления		1,8	0,04
Итого	4366	100,0	Итого		4466,0	100,00