Материальные расчеты

Материальные расчеты проводятся на основе закона сохранения вещества с целью определения необходимого количества сырья и вспомогательных материалов; количества циркулирующих в процессе веществ; образующихся стоков и выбросов. Они позволяют установить:

– расходные коэффициенты сырья на 1т готового продукта;

– количество сырья и материалов, загружаемых в аппарат;

– количество отходов, сточных вод и газовых выделений.

В результате указанных расчетов получают исходные данные, необходимые для расчета основного и вспомогательного оборудования, а также технико--экономических показателей.

Критерием правильности произведенных материальных расчетов является материальный баланс веществ или отдельных компонентов, участвующих в процессе и оформленный в таблице. Различают материальный баланс всего производства, отделения и отдельного аппарата.

Основой для расчета баланса является уравнение химической реакции. Сначала необходимо определить часовую или суточную производительность отделения (цеха), при этом достоверно учитывать степень использования материалов и установить обоснованные величины потерь на разных стадиях производства (обычно их принимают по данным действующих предприятий). При непрерывном методе производства, как правило, составляется часовой материальный баланс, а при периодическом - суточный. В отдельных случаях основанием для материальных расчетов принимают 1 т используемого сырья или 1 т получаемой продукции. В расчетах конечная неувязка баланса допускается до 0,5 % (из-за округления чисел при расчетах). В качестве примера в табл. 2 и 3 представлен материальный баланс сжигания серного колчедана (основное вещество FeS₂) в производстве серной кислоты·и варки гипса (СаSО₄·2Н₂О) в производстве алебастра.

Таблица 2 – Материальный баланс сжигания 1 т колчедана

Таблица 3 - Материальный баланс варки гипса

Необходимо также привести расчетные данные о потребности в сырье и материалах в смену, сутки, месяц и год.

3.3.1.1 Методика составления материального баланса

Материальный баланс составляется отдельно на каждую стадию производства (далее на производство в целом).

Материальный баланс предыдущих стадий используются далее для составления материальных балансов последующих стадий.

Материальный баланс составляется на производство единицы целевого продукта (1 т твердого вещества; жидкости, 1 м³ газа и т.д.)

На практике обычно сначала составляют материальный баланс производства целевого продукта из 1 т основного сырья.

Далее пересчитывают баланс на производство 1 т целевого продукта.

Дано:

– производительность по сырью (с примесями)– Х1=1000кг;

– масса примесей основного сырья –Х_П1 = 5 %

– масса примесей вспомогательного сырья –Х_П2 = 79 %

Найти: выход целевого продукта (в кг и %);

Решение:

Записывают реакцию и уравнивают ее (суммы масс левой и правой частей должны быть равны).

Приход (расчет массы сырья в кг)

1.Масса основного сырья – серы ( S) равна:

Х1(S) = Х1 ∙ (100 – Х_П1 )/ 100 = 1000 кг ∙ (100 –5%) /100 % = 950 кг

2.Масса примесей основного сырья (техн. серы):

Х1(Пр) = Х1 – Х1(S) = 1000 кг – 950 кг = 50 кг

3.Масса кислорода Х2(O₂) равна:

Х2(O₂)= Х1(S) ∙ 2 ∙ М_В(O₂ )/ М_В(S ) = 950 кг ∙ 2∙ 16 г / 32 г = 950 кг

4.Масса вспомогательного сырья – воздуха (Х2 ) равна:

Х2 = Х2(O₂) ∙ 100 %/ (100 % – Х_П2 ) =

= 950 кг ∙ 100 % / (100 % – 79 %) = 4523,81 кг

5.Масса примесей воздуха (N₂ , CO₂ и др. газы):

Х2(Пр) = Х2 – Х2(O₂) = 4523,81 кг – 950 кг = 3573,81 кг

6. Сумма масс реагирующих веществ (Х):

Х (Р)= Х1(S) + Х2(O₂) = 950 кг + 950 кг =1900 кг

7. Сумма масс примесей сырья (Х_П ):

Х_П = Х_П1 + Х_П2 = 50 кг + 3573,81 кг = 3623,81 кг

8. Сумма масс сырья (Х ):

Х = Х1 + Х2 = 1000 кг + 4523,81 кг =5523,81 кг

Приход (расчет массы сырья в процентах)

9. Процент основного сырья – техн. серы:

Х1% = Х1 ∙ 100 % / Х = 1000 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 18,10 %

10. Процент серы ( S):

Х1(S)% = Х1(S) ∙ 100 % / Х = 950 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 17,20 %

11. Процент примесей в технической сере:

Х1(Пр) % = Х1(Пр) ∙ 100 % / Х = 50 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 0,91 %

12. Процент вспомогательного сырья – воздуха:

Х2% = Х2 ∙ 100 % / Х = 4523,81 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 81,90 %

13. Процент кислорода (O₂):

Х2(O₂)% = Х2(O₂) ∙ 100 % / Х = 950 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 17,20 %

14. Процент примесей в воздухе:

Х2(Пр) % = Х2(Пр) ∙100 % / Х = 3573,81 кг ∙100% /5523,81 кг = 64,70%

15. Сумма масс сырья (Х% ):

Х% = Х1% + Х2% = 18,10 % +81,90 %= 1000 %

Расход (расчет массы продуктов в кг)

16.Масса чистого оксида серы ( SO₂) равна:

Y(SO₂) = Х1(S) ∙ М_В(SO₂ ) / М_В(S ) = 950 кг ∙ 64 г / 32 г = 1900 кг

17.Масса примесей продукта:

Y(Пр) = Х1(Пр) + Х1(Пр) = 50 кг + 3573,81 кг = 3623,81 кг

18.Масса продукта (печной газ):

Y = Y(SO₂) + Y(Пр) = 1900 кг +3623,81 кг = 5523,81 кг

Расход (расчет массы продуктов в процентах)

19. Процент продукта (печной газ):

Y % =Y ∙ 100 % / Y = 5423,81 кг∙100% /5523,81 кг =100%

20. Процент чистого оксида серы (SO₂):

Y(SO₂) % = Y(SO₂) ∙ 100 % / Y = 1900 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 34,40%

21. Процент примесей в продукте (печной газ):

Y(Пр) % = Y(Пр) ∙ 100 % / Y = 3623,81 кг ∙ 100% /5523,81 кг = 65,60%

3.3.1.2 Расчет материального баланса в программе EXCEL

Материальный баланс отдельной стадии производства в EXCEL представлен ниже на примере получения печного газа в производстве серной кислоты и производства в целом

Пример 1.

Составить материальный баланс отделения сжигания серы производства серной кислоты Н₂SО₄:

S + О₂ = SО₂

Производительность: S (сырье) – 1000 кг

Содержание примесей: в техн. сере – 5 % (тв. примеси);

в атмосферном воздухе – 79 % (N₂ и др. газы)

Пример 2.Составить материальный баланс

получения серной кислоты (Н₂SО₄) из 1 т технической серы

S + 1,5О₂ + Н₂О = Н₂SО₄

Производительность: сера техн.(исходное сырье)– 1000 кг

Примеси: в техн. сере – 5 % (тв. примеси); в воздухе – 79 % (N₂, СО₂ и др.) в технической воде – 2 % (жидкие примеси)

Тепловые расчеты

Тепловые расчеты выполняются на основе закона сохранения с целью:

– установления энергетических затрат или энергосъема для проведения

процесса;

– определения поверхностей охлаждения или нагрева аппаратов;

– расчета количества охлаждающих (холодная вода) или нагревающих реагентов (пар, горячая вода и т.д.).

При этом определяется также величина циркулирующих потоков, обусловливающих технологические параметры процесса, В

расчетах величины теплопотерь во внешнюю среду определяют исходя из наружной температуры стенки аппарата и табличных значений коэффициентов теплоотдачи, или их принимают по данным действующего предприятия. Правильность выполнения расчетов проверяется тепловым балансом. Пример теплового баланса, составленного с использованием данных материального баланса, представлен в табл. 4.

Методика материальных и тепловых расчетов некоторых основных производств неорганических веществ подробно освещена в [46].

При курсовом проектировании достаточно проводить тепловые расчеты для одного из отделений, в дипломном проекте необходимо приводить расчеты всего производства.

Таблица 4 — Тепловой баланс сжигания 1т колчедана

Таблица 5 — Тепловой баланс варки 1т гипсового камня

3.3.2.1 Методика составления теплового баланса

Баланс сохранения тепла условно можно записать так:

S (Q_СЫРЬЕ + Q_{СРЕАКЦИИ} ) = S (Q_{ПРОДУКТЫ} + Q_ПОТЕРИ + Q_ОТВОД),

Q = m∙ C∙ t,

Пересчет молярной теплоемкости С(Дж/моль∙ к) в С*(Дж/кг∙ к):

С* (кДж/кг∙ к ) = С(Дж/моль∙ к)/ М_В

где Мв- молярная масса вещества.

Методика составления теплового баланса

Прямая задача:

произвгодительность по сырью (с примесями)– Х1=1000кг;

– масса примесей основного сырья –Х_П1 = 5 %

– масса примесей вспомогательного сырья –Х_П2 = 79 %

– температуры сырья – 20 ^оС

– температуры продуктов – 50 ^оС

– теплопотери – 30 %

– величины энтальпии – DН^о₂₉₈, кДж/моль( справочные данные);

– величины теплоемкости– С, Дж/моль ∙К ( справочные данные).

Сначала составляют материальный баланс (по методике, описанной выше).

Затем на основе материального баланса составляют тепловой баланс.

Записывают реакцию и уравнивают ее (суммы масс левой и правой частей должна быть равны).

Пересчитывают теплоемкость веществ по формуле:

С* = С_{Р 298} ∙1000 / М_В ∙ 1000, кДж/кг∙ К

С* (S) = 22,69∙1000 / 32 ∙1000 = 0,709 кДж/кг∙ К

С* (О₂) = 29,37∙1000 / 32 ∙1000 = 0,918 кДж/кг∙ К

С* (SО₂) = 39,9∙1000 / 64 ∙1000 = 0,623 кДж/кг∙ К

Приход (расчет тепла в кДж)

1.Тепло, приходящее с техн. серой:

Q(Х1)= m(Х1) ∙ C(Х1) ∙ t(Х1) =1000 ∙ 0,709 ∙20 = 14181 кДж

2.Тепло, приходящее с воздухом:

Q(Х2)= m(Х2) ∙ C(Х2) ∙ t(Х2) =1000 ∙ 0,918 ∙20 = 83040 кДж

3.Теплота реакции:

Q(р)= m(Х1) ∙ DН^о(р) / М_В(S) =1000 ∙ (-297,1) ∙ 1000/32 = 9284375 кДж

4. Суммарное приходящее тепло:

S Q(пр) = Q(Х1) + Q(Х2) + Q(р) = 14181 + 83040 + 9284375 = 9381596кДж

Приход (расчет тепла в процентах)

5. Процент тепла, приходящего с технической серой:

Q(Х1)% =Q(Х1) ∙100 %/S Q=14181кДж ∙100% /9381596 кДж =0,15 %

6. Процент тепла, приходящего с воздухом:

Q(Х2)% =Q(Х2) ∙100 %/S Q=83040кДж ∙100% /9381596 кДж =0,88 %

7. Процент тепла, выделяющегося в ходе реакции:

Q(р)% =Q(р) ∙100 %/S Q= 9284375 кДж ∙100%/9381596 кДж=98,96%

8. Суммарное приходящее тепло в процентах :

SQ(пр)% = Q(Х1)% + Q(Х2)% + Q(р)% = 0,15% + 0,88%+98,96%=100%

Расход (расчет тепла в кДж)

9.Тепло, уходящее с печным газом:

Q(Y1)= m(Y1) ∙ C(Y1) ∙ t(Y1) =5524 ∙ 0,623 ∙1000 = 3443750 кДж

10. Потери тепла (принимаем, например, 20 %):

Q(потери)= S Q ∙20%/100% = 9381596 кДж∙20%/100%=1876319 кДж

11.Теплота, которую необходимо отводить:

Q(отв)= S Q–Q(Y1) -Q(потери) =9381596 - 3443750-1876319 = =4061527 кДж

12. Суммарное тепло S Q :

S Q = Q(Y1) + Q(потери) + Q(отв) = 3443750 + 1876319 + 4061527 = 9381596кДж

Расход (расчет тепла в процентах)

13. Процент тепла, уходящего с печным газом:

Q(Y1)% =Q(Y1) ∙100 %/S Q=3443750кДж ∙100% /9381596 кДж =36,7%

14. Процент потерь тепла, (задается), например, 20 %:

Q(потери)% =Q(потери)∙100 %/SQ=1876319кДж ∙100% /9381596 кДж =20%

15. Процент тепла, которую необходимо отводить:

Q(отв)% =Q(отв) ∙100 %/SQ=4061527кДж ∙100% /9381596 кДж =43,3%

16. Суммарное уходящее тепло в процентах :

S Q(ух)% =Q(Y1)%+Q(потери)%+Q(отв)% = 36,7%+20%+43,3%=100%

3.3.2.2 Расчет теплового баланса в программе EXCEL

Пример 3.

Составить тепловой баланс отделения сжигания серы производства серной кислоты Н₂SО₄ (CК)

S + О₂ = SО₂

Производительность: техн. сера (сырье) – 1000 кг

Содержание примесей: в техн. сере – 5 % (тв. примеси);

в атмосферном воздухе – 79 % (N₂ и др. газы)

Пример 4.

Составить тепловой баланс получения Н₂SО₄ из 1 т технической серы

S + 1,5О₂ + Н₂О = Н₂SО₄

Производительность: Сера техническая сера (сырье) – 1000 кг

Примеси: в техн. сере – 5 % (тв. примеси); в воздухе – 79 % (N₂, СО₂ и др.) в технической воде – 2 % (жидкие примеси)

Пример 5.