Составление материального баланса необходимо при проектировании новых производств, а также для анализа работы существующих. Основой материального баланса являются законы сохранения массы вещества и стехиометрических соотношений. Применительно к материальному балансу любого технологического процесса это означает, что масса вещества, поступившего на технологическую операцию – приход, равна массе всех веществ, полученных в результате операции – расход.
Материальный баланс составляют на единицу массы основного продукта (кг, т) или на производительность установки (кг/ч, т/ч). Определение массы вводимых компонентов и полученных продуктов производят отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз.
Материальный баланс составляют по уравнению основной суммарной реакции с учетом параллельных и последовательных реакций. При расчете практического материального баланса учитывают полный состав исходного сырья и готовой продукции, избыток компонентов, степень превращения, селективность, потери сырья и готового продукта и т. д. Результаты расчета сводят в таблицу материального баланса.
Материальный баланс является основой для составления теплового баланса.
Пример. Составить материальный баланс процесса окисления аммиака на платиновом катализаторе. Исходные данные: производительность по 100 %-ной азотной кислоте 1000 кг/ч; концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси – 10,5 об.%; степень контактирования – 97,0 %; степень окисления оксида азота – 100 %; степень абсорбции – 98 %.
Решение. Производство азотной кислоты из аммиака состоит из следующих стадий:
– контактное окисление аммиака на платиновом катализаторе:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O; (1)
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O; (2)
– окисление NO до NO2 по реакции
2NH + O2 = 2NO2; (3)
– абсорбция диоксида азота водой с образованием разбавленной азотной кислоты:
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO (4)
или, суммируя уравнения, получим
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O. (5)