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. 1 Лесина Ю.А.

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

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

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

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!!! 5Лесина Ю.А.

Расчет состава исходной смеси Стехиометрическое соотношение – это мольное соотношение, численно равное коэффициентам в стехиометрическом уравнении химической реакции. Стехиометрическое соотношение – это мольное соотношение, численно равное коэффициентам в стехиометрическом уравнении химической реакции. Например, запись 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. Массовое соотношение – это количество килограмм реагента, взятое на 1 кг вещества. Например, запись 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. 6Лесина Ю.А.

Пример: 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 Компо- нент Расчет состава жидких смесей кмоль% моль кг% масс. м3м3 % об. Толуол Бензол Итого: , ,67 1х78=78 2х92= /262 х100=70,23 78/262 х100=29,77 m=V х p 184/867= 0,212 78/879= 0,089 0,301 0,212/0,301 х100=70,43 0,089/0,301 х100=29,57 m=n х M 7Лесина Ю.А.

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 %): Сырье Промежуточные продуктыНепрореагировавшее сырье (включая примеси, избыток) Продукты реакции (основной и побочные) Отходы производстваПотери 8Лесина Ю.А.

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

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 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. количества и состава потерь и побочных продуктов производства, сточных вод и выбросов в атмосферу. 10Лесина Ю.А.

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) 11Лесина Ю.А.

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

Расчет МБ Исходными данными для МБ являются: технологическая и химическая схемы производства; технологическая и химическая схемы производства; годовая производительность по данному продукту (мощность производства), годовая производительность по данному продукту (мощность производства), производственная рецептура загрузки всех компонентов по каждой технологической стадии; производственная рецептура загрузки всех компонентов по каждой технологической стадии; потери (выходы) по всем технологическим стадиям в процентах, потери (выходы) по всем технологическим стадиям в процентах, По сырью: содержание основного вещества, молярная масса, плотность (для жидких веществ) 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, ректификация5-15 %; - Упаковка0,5 % 13Лесина Ю.А.

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, – 264с. 14Лесина Ю.А.

Расчет МБ При периодическом методе производства материальный баланс составляется на суточное количество целевого продукта (для расчета хранилищ, сборников, заказа сырья и материалов) 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 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). 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. 15Лесина Ю.А.

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

Алгоритм расчета МБ периодического процесса 1. Определение числа рабочих дней цеха в году. 2. Определение суточной (часовой) производительности цеха или производства единицы целевого продукта. 3. Определение суточного (часового) количества основного сырья. 4. Определение суточного расхода каждого вида сырья с учетом потерь, исходя из рецептуры загрузки реагентов (расчет по стадиям). 5. Расчет расходных коэффициентов на килограмм (тонну) готового продукта. 17Лесина Ю.А.

Форма представления МБ Таблица 1.1 Израсходовано на операции (название операции) Таблица 1.1 Израсходовано на операции (название операции) п/п Наименовани е промежуточн ых продуктов и сырья Содержание основного вещества, % (доли) Загружено по массе, кгпо объему, м 3 Плотность, кг/м 3 техничес- кого в 100%- ном исчисле- нии основного вещества А)Промежуточн ые продукты: Б)Сырье: Итого : 18Лесина Ю.А.

Форма представления материального баланса Лесина Ю.А.19

Форма представления МБ Таблица 1.2 Получено на операции (название операции) Таблица 1.2 Получено на операции (название операции) п/п Наименование продуктов, отходов, потерь Относитель ное содержание вещества в реакцион- ной массе, % Получено по массе, кгпо объему, м 3 плотность, кг/м 3 техничес- кого (для итоговой реакцион- ной массы, маточника и т.п. ) в 100%-ном исчислении основного вещества (перечис- ляются вещества, составля- ющие реакцион- ную массу) Итого : 20Лесина Ю.А.

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. 21Лесина Ю.А.

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 %): 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%. В зависимости от мощности производства величина относительной погрешности расчетов должна быть в пределах 0,01-0,05%. 22Лесина Ю.А.

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

Таблица расходных коэффициентов Наименование сырья Масса 100%-ного сырья, кг (т) Масса технического сырья, кг (т) Расходные коэффициенты, кг/кг (т/т) теоретическийфактический ЧЕМ СОВЕРШЕННЕЕ ПРОИЗВОДСТВО, ТЕМ БЛИЖЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ФАКТИЧЕСКИЕ РАСХОДНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ 24Лесина Ю.А.