1.2.7. Материальный баланс хтп.
Материальный баланс ХТП является следствием закона сохранения массы вещества (а точнее – следствием сохранения элементов при химических превращениях). Это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе полученных веществ - расходу. Материальный баланс должен соблюдаться для ХТП всех типов: синтеза, разделения, очистки целевых продуктов. Данные о материальном балансе позволяют дать оценку целесообразности осуществления процесса в заданных условиях. Эти данные нужны как при проектировании новых, так и при анализе работы существующих производств. По данным материального баланса рассчитывают технологические показатели процесса: выход целевого продукта, степень превращения сырья, селективность процесса, расходные коэффициенты по сырью и т.д. Материальный баланс является необходимым элементом при расчете энергетического и эксергетического балансов.
Материальный баланс сводят, пользуясь уравнениями основной и побочных реакций. Когда учитывают не все происходящие побочные реакции и полученные побочные продукты, а лишь наиболее важные из них, материальный баланс имеет приблизительный характер. Существуют три основные формы составления материального баланса. В виде системы уравнений, таблицы и поточной диаграммы.
Уравнение материального баланса в общем виде:
GAO + GBO + ... = GR + ...+ GD +...+ GA + GB + G,
где GAO , GBO - массы исходных реагентов (сырья).
GR - масса целевого продукта,
GD - масса побочного продукта,
GА , GВ - массы непрореагировавших веществ,
G - невязка баланса.
Невязка баланса является следствием потерь сырья и продуктов при проведении процесса, неточности эксперимента и расчета, а также принятых допущений.
Чаще всего материальный баланс процесса представляют в виде таблицы:
|
Приход |
Расход |
|||||
|
Наименование |
Масс. ед. |
% масс. |
Наименование |
Масс. ед. |
% масс. |
|
|
Реагент А |
... |
... |
Целевой продукт R |
... |
... |
|
|
Реагент В |
... |
... |
Побочный продукт D |
... |
... |
|
|
|
|
|
Реагент А (остаток) |
... |
... |
|
|
|
|
|
Реагент В (остаток) |
... |
... |
|
|
|
|
|
Невязка |
... |
... |
|
|
Всего |
... |
100 |
Всего |
... |
100 |
|
В таблицу материального баланса, кроме обязательных масс и массовых процентов введенных и получающихся веществ, включают еще и объемы веществ, находящихся в газовой фазе, приведенные к нормальным условиям. Массовые проценты в столбце “Расход” рассчитывают по отношению к сумме масс введенных реагентов в столбце “Приход”, т.е. массу всех введенных реагентов принимают за 100%. Может случиться, что из-за погрешностей эксперимента и допущений, принятых при расчете, масса полученных веществ окажется больше массы введенных. Тогда невязка баланса будет иметь отрицательное значение. Материальный баланс составляют на заданный базис. Обычно базисом является масса сырья или целевого продукта (кг, т) или продолжительность процесса (ч, сутки). В лабораторных исследованиях составляют баланс за время проведения опыта.
В дальнейшем производят пересчет на заданный базис, пользуясь коэффициентом пересчета. Коэффициент пересчета показывает, во сколько раз нужно изменить массы веществ, входящих в материальный баланс, при переходе на другой базис. Так, если в материальном балансе, составленном за время проведения опыта, получили GR грамм целевого продукта, а заданный базис расчета - 1000 г целевого продукта, коэффициент пересчета равен 1000 / GR.
В названии таблицы материального баланса указывают, для какого процесса и реактора произведен расчет, а также принятый базис расчета.
Поточная диаграмма это блок-схема (рис.1.3). Материальные потоки изображают в виде полос, ширина которых пропорциональна массе в выбранном масштабе. Основным преимуществом данного способа изображения является его наглядность.
Рис.1.3. Поточная диаграмма колонны синтеза аммиака:
1 - свежий газ;
2 - циркулирующий газ;
3 - жидкий аммиак и растворенные в нем газы;
4 - отдувочные газы
1.2.8. Расходные коэффициенты по сырью. К основным показателям ХТП относятся расходные коэффициенты, характеризующие затраты сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу массы целевого продукта. В связи с большим вкладом затрат на реагенты (сырье) в себестоимость продуктов в химической технологии особое значение имеют расходные коэффициенты по реагентам. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты. Теоретический расходный коэффициент стех рассчитывают, пользуясь стехиометрическим уравнением, описывающим химическое превращение (1.18):
где
и
- массы реагента и продукта из уравнения
реакции
MA и MP - молекулярные массы реагента и продукта
а и р - стехиометрические коэффициенты.
Теоретический расходный коэффициент характеризует минимальный расход сырья на получение единицы массы продукта.
Практический
расходный коэффициент
отражает реальный расход поступившего
в процесс сырья на получение единицы
массы продукта, т.е. его рассчитывают
как отношение массы поступившего в
процесс сырья
к массе получившегося продукта GР:
Расходные коэффициенты рассчитывают по всем реагентам. Практические расходные коэффициенты всегда больше стехиометрических из-за неполноты превращения сырья, а также из-за расходования сырья на побочные реакции. Данные для расчета практических расходных коэффициентов берут из материального баланса процесса. Практический расходный коэффициент по реагенту можно найти, зная теоретический расходный коэффициент и выход целевого продукта по этому реагенту:
где
- выход Р
по реагенту А
в долях единицы.