2.1. Розрахунок матеріального балансу хіміко-технологічного процесу

Приклад 17. Розрахувати матеріальний баланс процесу окислення оксиду сульфуру (IV) до оксиду сульфуру (VI) при ступені перетворення Х(SO₂)= 0,98, якщо витрата потоку склала 1000 кмоль/годину. Склад потоку в мольних частках: n(SO₂)= 0,07; n(O₂)= 0,11; n(SO₃)= 0,02; n(N₂)= 0,8.

Розв’язок. Ступінь перетворення показує ту частину кількості речовини від початкової, яка вступає в процес взаємодії:

70 Кмоль (so2) – 1

'(SO₂) – 0,98.

Згідно з рівнянням (2):

 '(SO₂) =  (SO₂) · Х(SO₂) = 68,6 кмоль.

Кількість речовини, яка реально бере участь в процесі, використовують в стехіометричних розрахунках:

68,6 Кмоль : 34,3 кмоль : 68,6 кмоль

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

2 Кмоль : 1 кмоль : 2 кмоль.

Ці дані заносимо в табл.6. Витратна частина матеріального балансу враховує різницю кількості речовин до реакції (прибуткова частина) і кількості речовин, що беруть участь у хімічному перетворені (графа „Хімічна реакція” для SO₂ і O₂). Для продукту реакції (SO₃) у витратній частині наведено суму цих значень.

Таблиця 6

Матеріальний баланс процесу окислення оксиду сульфуру (IV)

Речовина	Мi, кг/кмоль	Прибуток				Хім. ре-акція, ν i, кмоль	Витрати
		i = ni	ν i, кмоль	mi, кг	gi		ν i, кмоль	mi, кг	gi
SO2 O2 N2 SO3	64 32 28 80	0,07 0,11 0,80 0,02	70 110 800 20	4480 3520 22400 1600	0,14 0,11 0,70 0,05	-68,6 -34,3 – 68,6	1,4 75,7 800 88,6	89,6 2422,4 22400 7088	0,003 0,076 0,70 0,221
∑		1	1000	32000	1		965,7	32000	1

Перевіряємо правильність розрахунку матеріального балансу:

32000кг = 32000 кг.

Приклад 18. Розрахувати матеріальний баланс процесу спалювання оксиду карбону (II) при фактичному ступені перетворення Х(СО)= 0,95, якщо витрата потоку склала 2000 кмоль/годину. Склад потоку в об'ємних частках наступний: СО₂ – 0,1; СО – 0,4; О₂ – 0,3; N₂ – 0,2.

2СО + О₂ = 2СО₂

Розв’язок. Складемо матеріальний баланс заданого процесу на 1 годину. Знайдемо кількість кожної речовини в прибутковій частині матеріального балансу (враховуючи рівність для газової суміші молярної і об'ємної частки, рівняння (12)):

_i = _i ₀

 (СО₂) = 0,1  2000 = 200 кмоль,

 (СО) = 0,4  2000 = 800 кмоль ,

 (О₂) = 0,3  2000 = 600 кмоль,

 (N₂) = 0,2  2000 = 400 кмоль.

З набутих значень кількості речовини знайдемо відповідні значення маси (рівняння 1):

m(СО₂) = 200  44 = 8800 кг,

m(СО) = 800  28 = 22400 кг ,

m(О₂) = 600  32 = 19200 кг,

m(N₂) = 400  28 = 11200 кг.

З використанням заданого ступеня перетворення оксиду карбону і рівняння (2) знайдемо кількість СО, що прореагувала:

 (CO) = X(CO)   (СО)_прих = 0,95  800 = 760 кмоль.

Заповнимо графу «Хімічна реакція» з урахуванням знаку за стехіометричним співвідношенням:

 (СО)_{хім. р.} = - 760 кмоль,

 (СО₂)_хім.р. = N(СО)_{хім. р.} = 760 кмоль ,

 (О₂)_хім.р. = - N(СО)_{хім. р.} / 2 = - 380 кмоль,

 (N₂)_хім.р. = 0.

Заповнимо витратну частину матеріального балансу:

 (СО₂)_витр. = 760 + 200 = 960 кмоль,

 (СО)_витр. = - 760 +800 = 40 кмоль ,

 (О₂)_витр. = - 380 + 600 = 220 кмоль,

 (N₂)_витр. = 400 кмоль.

Процедура знаходження маси речовин у витратній частині матеріального балансу аналогічна порядку, описаному вище. Значення відповідних мас надано в табл. 7.

Таблиця 7

Матеріальний баланс процесу спалювання оксиду карбону (на 1 годину)

Речовина	Мi, кг/кмоль	Прибуткова частина			Хім. р.  i, кмоль	Витратна частина
		ni	 i, кмоль	mi, кг		 i, кмоль	Mi, кг
СО2	44	0,1	200	8800	+ 760	960	42240
СО	28	0,4	800	22400	- 760	40	1120
О2	32	0,3	600	19200	- 380	220	7040
N2	28	0,2	400	11200	0	400	11200
∑		1,0	2000	61600	- 380	1620	61600

Перевіряємо правильність розрахунку матеріального балансу:

61600 кг = 61600 кг.