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 аi 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 |
Компонент А | А1 (А1 Д) | А1/ | |
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 | 42,6 | Водяной пар | 572,0 | 13,12 | |
кислород | 13,4 | НСООН | 126,5 | 2,90 | |
азот | 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 | 100,0 | Итого | 4466,0 | 100,00 |