Материальный баланс

1. Материальный баланс Целью функционирования любой производственной системы является получение продуктов в нужном количестве и требуемого качества при оптимальном использовании ресурсов. Для решения этих задач применяются расчетные методы в основе которых лежит материальный баланс, связывающий расход сырья с количеством продукта. Лесина Ю.А.

2. Расчет состава исходной смеси • Качественный состав – перечень компонентов в смеси • Количественный состав – точные значения количеств отдельных компонентов смеси. Выражается в абсолютных (кг, м3, кмоль) и относительных (% мас., % об., % моль) единицах. Лесина Ю.А.

3. Расчет состава исходной смеси • Мерой относительного состава является концентрация (содержание). • В технических расчетах состав выражают в массовых, мольных и объемных единицах. • Расчет состава производят в следующей последовательности: Определение Качественного состава смеси Расчет абсолютного состава смеси (кг, м3, кмоль) Расчет относительного состава смеси (% мас., % об., % моль) Лесина Ю.А.

4. Расчет массового состава смеси • Единицей измерения массового состава смеси является массовая доля, которая может быть выражена в процентах. где G – масса компонентов, кг Лесина Ю.А.

5. Расчет мольного и объемного составов смеси где М – количество моль компонентов, кмоль где V – объем компонентов, м3 В некоторых расчетах используют объемно-мольную (кмоль/м3) или массово-объемную (г/л) концентрации. ВАЖНО! В расчетах смесей, состав которых задан в различных единицах привести составы к одним единицам!!! Лесина Ю.А.

6. Расчет состава исходной смеси • Стехиометрическое соотношение – это мольное соотношение, численно равное коэффициентам в стехиометрическом уравнении химической реакции. Например, запись бензол:хлор=1:2 (моль) читается «Бензол и хлор подают в мольном соотношении один к двум», т.е. на каждый киломоль бензола в смеси приходится 2 кмоль хлора. • Массовое соотношение – это количество килограмм реагента, взятое на 1 кг вещества. Например, запись бензол:хлор=1:2 (мас.) читается «Бензол и хлор подают в массовом соотношении один к двум», т.е. на каждый килограмм бензола в смеси приходится 2 кг хлора. Лесина Ю.А.

7. Пример: рассчитать массовый, мольный и объемный состав смеси бензола и толуола, взятых в мольном соотношении 1:2. • Бензол: молярная масса 78 кг/кмоль, плотность 879 кг/м3 • Толуол: молярная масса 92 кг/кмоль, плотность 867 кг/м3 m=n х M m=V х p 184/867= 0,212 2 184/262 х100=70,23 0,212/0,301 х100=70,43 66,67 2х92=184 78/262 х100=29,77 78/879= 0,089 0,089/0,301 х100=29,57 1 33,33 1х78=78 100 0,301 100 3 262 100 Лесина Ю.А.

8. Сырье Промежуточные продукты Непрореагировавшее сырье (включая примеси, избыток) Продукты реакции (основной и побочные) Потери Отходы производства Расчет состава реакционной массы • Расчет состава реакционной массы начинают с определения ее качественного состава (продукты реакции), затем переходят к расчету количеств. • Выход продукта () – это отношение практически полученной массы продукта Gпр. к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при полном превращении основного реагента в целевой продукт в соответствии со стехиометрическим уравнением реакции, Gтеор. (в %): Лесина Ю.А.

9. Роль материального баланса в проектировании систем На основании МБ рассчитывают: • потребность предприятия в сырье и вспомогательных материалах; • производственные потери; • состав и количество отходов; • количество единиц и объем оборудования; • технологические и экономические показатели эффективности функционирования системы; • тепловой и эксергетический балансы. Лесина Ю.А.

10. Целью проведения материальных расчетов в КП является определение • количества сырья и материалов, необходимые для обеспечения заданной мощности производства и для получения единицы готового продукта; • количества и состава потерь и побочных продуктов производства, сточных вод и выбросов в атмосферу. Лесина Ю.А.

11. Виды материального баланса I. Теоретический МБ (по уравнению реакции, исходя из стехиометрии процесса). Фактический МБ ( состав сырья и размер производственных потерь) II. Общий МБ (по всем компонентам сырьевого и продуктового потоков) Частный МБ (по одному из компонентов сырья) Элементный МБ (по углероду, азоту и т.п.) III. МБ стадии (для определения расхода сырья и оборудования стадии) МБ производства (для определения экономических показателей) Лесина Ю.А.

12. Расчет МБ Материальный баланс технологического процесса – это масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равная массе веществ, полученных в её результате, включая потери (расход): Лесина Ю.А.

13. Расчет МБ Исходными данными для МБ являются: • технологическая и химическая схемы производства; • годовая производительность по данному продукту (мощность производства), • производственная рецептура загрузки всех компонентов по каждой технологической стадии; • потери (выходы) по всем технологическим стадиям в процентах, • По сырью: содержание основного вещества, молярная масса, плотность (для жидких веществ) Усредненные данные по величине потерь для различных процессов: • Фильтрация 1-2 %; • Сушка 1-10 %; • Размол, дробление, смешение 0,5 % • Выпарка, дистилляция, ректификация 5-15 %; • Упаковка 0,5 % Лесина Ю.А.

14. Алгоритм расчета МБ Выбор метода расчета МБ зависит от типа принятой технологической схемы (периодическая или непрерывная, прямая или циркуляционная) и технологического класса реакций (простая или сложная (параллельные, консекутивные (последовательные), смешанного типа), обратимая и необратимая). РЕКОМЕНДУЮ: Кузнецова И.М., Харлпмпиди Х.Э., Батыршин Н.Н. Общая химическая технология: материальный баланс химико-технологического процесса: Учебное пособие для вузов. – М.: Логос, 2007. – 264с. Лесина Ю.А.

15. Расчет МБ При периодическом методе производства материальный баланс составляется • на суточное количество целевого продукта (для расчета хранилищ, сборников, заказа сырья и материалов) • на одну операцию (для расчета объема реакторов, мерников, теплообменников, теплового баланса) • на единицу (1 т, 1 кг) готовой продукции (для расчета себестоимости и др. экономических показателей). Материальные балансы непрерывных процессов составляются на 1 час работы производства при установившемся режиме работы оборудования. Лесина Ю.А.

16. ВАЖНО!!! Перед началом расчета • уравняйте химические реакции, лежащие в основе получения вашего продукта; • точно определите малярные массы веществ (из справочников или расчетным путем с точностью до сотых); • составьте характеристику исходных и синтезируемого веществ (Фармакопея (ГФ 10), ГОСТы, ТУ, исходные данные). Лесина Ю.А.

17. Алгоритм расчета МБ периодического процесса • Определение числа рабочих дней цеха в году. • Определение суточной (часовой) производительности цеха или производства единицы целевого продукта. • Определение суточного (часового) количества основного сырья. • Определение суточного расхода каждого вида сырья с учетом потерь, исходя из рецептуры загрузки реагентов (расчет по стадиям). • Расчет расходных коэффициентов на килограмм (тонну) готового продукта. Лесина Ю.А.

18. Форма представления МБ • Таблица 1.1 Израсходовано на операции (название операции) Лесина Ю.А.

19. Форма представления материального баланса Лесина Ю.А.

20. Форма представления МБ • Таблица 1.2 Получено на операции (название операции) Лесина Ю.А.

21. ВАЖНО!!! Суммировать количество загружаемых промежуточных продуктов, сырья и его ингредиентов, а также получаемых веществ можно лишь в том случае, если они идентичны по составу и качественным показателям и составляют индивидуальный материальный поток. Лесина Ю.А.

22. При несовпадении приходной и расходной части МБ рассчитывается относительная погрешность (невязка баланса) как отношение разности между приходной и расходной частями материального баланса к абсолютной величине приходной части (в %): • В зависимости от мощности производства величина относительной погрешности расчетов должна быть в пределах 0,01-0,05%. Лесина Ю.А.

23. Расходные коэффициенты по сырью (Fрi)характеризуют количество каждого вида сырья, израсходованного на получение 1 т (кг целевого продукта) • Теоретические расходные коэффициенты (используют молекулярные массы и стехиометрические коэффициенты по уравнению реакции для сырья и продукта). • Фактические расходные коэффициенты (по фактически используемому техническому сырью и получаемому продукту). Лесина Ю.А.

24. Таблица расходных коэффициентов ЧЕМ СОВЕРШЕННЕЕ ПРОИЗВОДСТВО, ТЕМ БЛИЖЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ФАКТИЧЕСКИЕ РАСХОДНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ Лесина Ю.А.