§ 1.4. Материальные и энергетические (тепловые) балансы

Под технологическим балансом подразумевают ре­зультаты расчетов (выраженные в виде уравнений, та­блиц или диаграмм), отражающих количество введенных и полученных в производственном процессе материалов и энергии (их приход и расход).

В основе составления материальных и энергетических балансов лежат законы сохранения материи и энергии. В каждом материальном балансе количество введенных в производственный процесс материалов должно рав­няться количеству полученных основных и промежу­точных продуктов и отходов производства. Точно так же должны быть равны количества введенной тепловой или электрической энергии и количества выведенной с про­дуктами и отходами энергии. При составлении техноло­гических балансов пользуются стехиометрическими и термохимическими расчетами, а в ряде случаев — и другими: физическими и физико-химическими закономер­ностями.

Материальные и энергетические балансы имеют боль­шое значение для анализа и эффективного осуществления производственного процесса. С их помощью устанавли­вают фактический выход продукции, коэффициенты по­лезного использования энергии, расходы и потери сырья, топлива и других материалов. По цифровым данным технологических балансов принимаются организа­ционные и технические решения по совершенствованию работы оборудования, максимальному использованию, утилизации или регенерации материальных и энергетиче­ских ресурсов. Балансы весьма важны для составления рациональных схем технологического процесса и установления оптимальных размеров, мощности и производительности оборудования. Данные технологических балансов и выводы из их анализа широко используются технологами и экономистами при проектировании новых и улучшении работы существующих предприятий.

Составление технологических балансов производится в две стадии. Сначала составляют материальный, а затем на его основе — энергетический (или тепловой) баланс.

Материальный баланс является количественным выражением закона сохранения массы и примените­льно к отдельным стадиям производственного процесса означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу).

Материальный баланс составляется по уравнению мирной химической реакции с учетом параллельных побочных реакций. Побочные реакции часто являются следствием присутствия примесей в исходном сырье. Поэтому в балансах приходится сопоставлять массу основных компонентов и примесей с массой отходов производства, основных и побочных продуктов. Однако из-за неточностей технико-химического анализа, погрешностей лабораторных измерений и неполного учета всех происходящих реакций материальный баланс в конечном счете имеет приближенный характер.

В большинстве случаев определение массы вещества поводится отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз по выражению

м_т + м_ж + м_г = м'_т + м'_ж + м'_г

где м_т, м_ж, м_г — соответственно массы твердых, жидких и газообразных материалов, поступивших на обработку, т. е. приход материалов; м'_т, м'_ж, м'_г — массы продуктов, получившихся в результате химической переработки, расход.

В практических расчетах не всегда участвуют все три фазы (твердая, жидкая и газообразная). Кроме того, часть продуктов остается непрореагировавшей. В этом уравнение материального баланса записывается в виде

М_А+М_В=М_С+М_D+М_∆А+М_∆В+ … +М_∆Е+М_∆F+М_П ,

где М_А и М_В — масса веществ, введенных в производственный процесс или в одну из его стадий; М_С и М_D— масса продуктов, получившихся в результате взаимодействия; М_∆А и М_∆В— масса непрореагировавших исходных веществ; М_∆Е и M_∆F — масса побочных продук­тов реакции; М_п - масса продуктов (отходов или отбро­сов).

Уравнение материального баланса составляется в пересчете на единицу готовой продукции, на единицу массы сырья или единицу времени.

Для составления материального баланса необходимо знать химический состав, некоторые физические и физи­ко-химические свойства исходного сырья, отходов, ос­новных и побочных продуктов. После проведения стехио-метрических расчетов, для которых используются данные технико-химической и материальной отчетности про­изводства, результаты вычислений оформляются в виде таблицы, состоящей из двух частей: приходной и расход­ной. В каждой из них все статьи баланса выражаются не только в весовых или объемных единицах, но и в процен­тах к общему приходу или расходу. Это позволяет на­гляднее отображать степень использования веществ по отношению к теоретически возможному и облегчает ана­лиз цифровых данных.

В качестве примера в табл. 1.1 приводится мате­риальный баланс полочной печи обжига колчедана.

По этим данным можно рассчитать расход сырья для получения единицы основного или промежуточного про­дукта, определить фактический выход продукта.

Тепло вой баланс (энергетический) является ко­личественным выражением закона сохранения энергии. Применительно к тепловым процессам химической пере­работки этот закон формулируется таким образом: коли-

Таблица 1.1

Приход			Расход
Материал	кг	%	Материал	кг	у
Колчедан сухой Влага с колчеда­ном Сухой воздух Влага с воздухом	1415 44 5515 40	20,2 0,6 78,7 0,5	Огарок Обжиговой газ, в т. ч: SO2 О2 N2 Н2О	1066 1140 513 4215 84	15,1 16,3 7,3 60,0 1,2
Итого	7014	100,0		7018	100,0

чество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны. Равенство прихода и расхода теплоты выражается уравнением общего вида

Q_ф+Q_э+Q_в=Q'_ф+Q'_п

где б_Ф — физическая теплота, введенная в процесс с ис­ходными веществами; Q₃ — теплота экзотермических и и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (например, плавление, испарение, конденсация, растворение, кристаллизация). Если тепловой эффект взаимодействия отрицательный, то величину Q₃ поме­щают в расходной части баланса; Q_B — теплота, введен­ная в процесс извне и не принимающая участия в химиче­ских реакциях (например, с горючими газами, топливом, нагретой водой и т. д.); Q'_ф — физическая теплота, выве­денная из процесса с продуктами реакции; Q'_n — потери гсплоты в окружающую среду.

Слагаемые теплового баланса рассчитываются по об­щеизвестным формулам.

Так, физическую теплоту Q_ф, введенную с исходными веществами или выведенную с продуктами реакции, вы­числяют из выражения

Q_ф = Mct,

где М — масса исходного вещества; с — средняя теплоем­кость веществ при температуре их поступления; t — тем­пература исходных веществ.

Теплота экзотермических реакций и физических пере­ходов веществ из одного агрегатного состояния в другое берется из экспериментальных данных, либо определяет­ся термохимическим расчетом по закону Гесса.

Потери теплоты в окружающую среду Q_п, обусло­вленные теплопроводностью наружных стенок аппарата, in л учением и конвекцией, вычисляют по основным рас­четным зависимостям теплопередачи или берут на основе практических данных. Если это невозможно, то те­пловые потери определяют по разности между суммой прихода и расхода.

Тепловой баланс составляется на основании мате­риального баланса, рассчитывается (в кДж) и оформляет­ся в виде таблицы. Для иллюстрации в* табл. 1.2 приводятся результаты вычислений теплового баланса полоч­ной печи обжига колчедана.

Таблица 1.2

Приход			Расход
Статьи	кДж	%	Статьи	кДж	%
С сухим колчеданом	15 400	0,2	С огарком С газами Теплопотери через стенку С воздухом, охлаждаю­щим вал	510000 41832000 1560000	6,7 54,9 20,5
С влагой колчеданом	3 650	0,05
С воздухом	152400	2,0
С влагой воздухом	1550	0,02		1359 200	17,9
Теплота горения колчедана	7439900	97,73
Итого	7612900	100,0		7612 900	100,0

Из таблицы видно, что 54,9 % теплоты уносится с от­ходящими газами, имеющими температуру ~ 700 °. По­скольку для последующей стадии переработки такого га­за необходимо его охлаждение до 20 °С, то фактически вся эта теплота может быть безвозвратно потеряна для производственного процесса. На практике в подобных случаях всегда стремятся к рациональному использова­нию тепловых отходов. Это достигается утилизацией и регенерацией теплоты.

При составлении материального и теплового балан­сов производства и технико-экономическом анализе ра­циональное использование теплоты нередко оказывается решающим фактором для оценки конкурентной способ­ности и выбора наилучших способов производства одно­го и того же продукта.