МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ (ТЕПЛОВЫЕ) БАЛАНСЫ
Под технологическим балансом подразумевают результаты расчетов (выраженные в виде уравнений, таблиц или диаграмм), отражающих количество введенных и полученных в производственном процессе материалов и энергии (их приход и расход).
В основе составления материальных и энергетических балансов лежат законы сохранения материи и энергии. В каждом материальном балансе количество введенных в производственный процесс материалов должно равняться количеству полученных основных и промежуточных продуктов и отходов производства. Точно так же должны быть равны количества введенной тепловой или электрической энергии и количества выведенной с продуктами и отходами энергии. При составлении технологических балансов пользуются стехиометрическими и термохимическими расчетами, а в ряде случаев — и другими: физическими и физико-химическими закономерностями.
Материальные и энергетические балансы имеют большое значение для анализа и эффективного осуществления производственного процесса. С их помощью устанавливают фактический выход продукции, коэффициенты полезного использования энергии, расходы и потери сырья, топлива и других материалов. По цифровым данным технологических балансов принимаются организационные и технические решения по совершенствованию работы оборудования, максимальному использованию, утилизации или регенерации материальных и энергетических ресурсов. Балансы весьма важны для составления рациональных схем технологического процесса и установления оптимальных размеров, мощности и производительности оборудования. Данные технологических балансов и выводы из их анализа широко используются технологами и экономистами при проектировании новых и улучшении работы существующих предприятий.
Составление технологических балансов производится в две стадии. Сначала составляют материальный, а затем на его основе — энергетический (или тепловой) баланс.
Материальный баланс является количественным выражением закона сохранения массы и применительно к отдельным стадиям производственного процесса означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расходу).
Материальный баланс составляется по уравнению мирной химической реакции с учетом параллельных побочных реакций. Побочные реакции часто являются следствием присутствия примесей в исходном сырье. Поэтому в балансах приходится сопоставлять массу основных компонентов и примесей с массой отходов производства, основных и побочных продуктов. Однако из-за неточностей технико-химического анализа, погрешностейлабораторных измерений и неполного учета всех происходящих реакций материальный баланс в конечном счете имеет приближенный характер.
В большинстве случаев определение массы вещества поводится отдельно для твердой, жидкой и газообразной фаз по выражению
мт + мж + мг = м'т + м'ж + м'г
где мт, мж, мг — соответственно массы твердых, жидких и газообразных материалов, поступивших на обработку, т. е. приход материалов; м'т, м'ж, м'г — массы продуктов, получившихся в результате химической переработки, расход.
В практических расчетах не всегда участвуют все три фазы (твердая, жидкая и газообразная). Кроме того, часть продуктов остается непрореагировавшей. В этом уравнение материального баланса записывается в виде
МА+МВ=МС+МD+М∆А+М∆В+ … +М∆Е+М∆F+МП ,
где МА и МВ — масса веществ, введенных в производственный процесс или в одну из его стадий; МС и МD— масса продуктов, получившихся в результате взаимодействия; М∆Аи М∆В— масса непрореагировавших исходных веществ; М∆Еи M∆F — масса побочных продуктов реакции; Мп - масса продуктов (отходов или отбросов).
Уравнение материального баланса составляется в пересчете на единицу готовой продукции, на единицу массы сырья или единицу времени.
Для составления материального баланса необходимо знать химический состав, некоторые физические и физико-химические свойства исходного сырья, отходов, основных и побочных продуктов. После проведения стехио-метрических расчетов, для которых используются данные технико-химической и материальной отчетности производства, результаты вычислений оформляются в виде таблицы, состоящей из двух частей: приходной и расходной. В каждой из них все статьи баланса выражаются не только в весовых или объемных единицах, но и в процентах к общему приходу или расходу. Это позволяет нагляднее отображать степень использования веществ по отношению к теоретически возможному и облегчает анализ цифровых данных.
В качестве примера в табл. 1.1 приводится материальный баланс полочной печи обжига колчедана.
По этим данным можно рассчитать расход сырья для получения единицы основного или промежуточного продукта, определить фактический выход продукта.
Тепло вой баланс (энергетический) является количественным выражением закона сохранения энергии. Применительно к тепловым процессам химической переработки этот закон формулируется таким образом: коли-
Таблица 1.1
Приход | Расход | ||||
Материал | кг | % | Материал | кг | у |
Колчедан сухой Влага с колчеданом Сухой воздух Влага с воздухом | 1415 44 5515 40 | 20,2 0,6 78,7 0,5 | Огарок Обжиговой газ, в т. ч: SO2 О2 N2 Н2О | 15,1 16,3 7,3 60,0 1,2 | |
Итого | 100,0 | 100,0 |
чество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны. Равенство прихода и расхода теплоты выражается уравнением общего вида
Qф+Qэ+Qв=Q'ф+Q'п
где бФ — физическая теплота, введенная в процесс с исходными веществами; Q3 — теплота экзотермических и и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (например, плавление, испарение, конденсация, растворение, кристаллизация). Если тепловой эффект взаимодействия отрицательный, то величину Q3 помещают в расходной части баланса; QB — теплота, введенная в процесс извне и не принимающая участия в химических реакциях (например, с горючими газами, топливом, нагретой водой и т. д.); Q'ф — физическая теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Q'n — потери гсплоты в окружающую среду.
Слагаемые теплового баланса рассчитываются по общеизвестным формулам.
Так, физическую теплоту Qф, введенную с исходными веществами или выведенную с продуктами реакции, вычисляют из выражения
Qф = Mct,
где М — масса исходного вещества; с — средняя теплоемкость веществ при температуре их поступления; t — температура исходных веществ.
Теплота экзотермических реакций и физических переходов веществ из одного агрегатного состояния в другое берется из экспериментальных данных, либо определяется термохимическим расчетом по закону Гесса.
Потери теплоты в окружающую среду Qп, обусловленные теплопроводностью наружных стенок аппарата, in л учением и конвекцией, вычисляют по основным расчетным зависимостям теплопередачи или берут на основе практических данных. Если это невозможно, то тепловые потери определяют по разности между суммой прихода и расхода.
Тепловой баланс составляется на основании материального баланса, рассчитывается (в кДж) и оформляется в виде таблицы. Для иллюстрации в* табл. 1.2 приводятся результаты вычислений теплового баланса полочной печи обжига колчедана.
Таблица 1.2
Приход | Расход | ||||
Статьи | кДж | % | Статьи | кДж | % |
С сухим колчеданом | 15 400 | 0,2 | С огарком С газами Теплопотери через стенку С воздухом, охлаждающим вал | 41832000 1560000 | 6,7 54,9 20,5 |
С влагой колчеданом | 3 650 | 0,05 | |||
С воздухом | 2,0 | ||||
С влагой воздухом | 0,02 | 1359 200 | 17,9 | ||
Теплота горения колчедана | 97,73 | ||||
Итого | 100,0 | 7612 900 | 100,0 |
Из таблицы видно, что 54,9 % теплоты уносится с отходящими газами, имеющими температуру ~ 700 °. Поскольку для последующей стадии переработки такого газа необходимо его охлаждение до 20 °С, то фактически вся эта теплота может быть безвозвратно потеряна для производственного процесса. На практике в подобных случаях всегда стремятся к рациональному использованию тепловых отходов. Это достигается утилизацией и регенерацией теплоты.
При составлении материального и теплового балансов производства и технико-экономическом анализе рациональное использование теплоты нередко оказывается решающим фактором для оценки конкурентной способности и выбора наилучших способов производства одного и того же продукта.
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 3080;