Материальный расчет

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.
1
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.
2
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)
Лесина Ю.А.
Расчет относительного
состава смеси
(% мас., % об., % моль)
3
Расчет массового
состава смеси
Единицей измерения массового
состава смеси является массовая
доля, которая может быть
выражена в процентах.
GA
100, % мас.
 А 
GA  GB

где G – масса компонентов, кг
GB
100, % мас.
 B 
GA  GB
Лесина Ю.А.
4
Расчет мольного и
объемного
составов смеси
MA
100, % моль
 A 
MA  MB
MB
100, % моль
 B 
MA  MB
где М – количество моль компонентов, кмоль
VA
100, %об.
 A 
VA  VB
VB
100, %об.
 B 
VA  VB
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.
5
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.
6
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
Компонент
Толуол
Бензол
Итого:
m=V х p
Расчет состава жидких смесей
кмоль
%
моль
кг
2
66,67
184/867= 0,212/0,301
2х92=184 184/262
х100=70,23 0,212
х100=70,43
1
33,33
1х78=78
3
100
%
масс.
78/262
х100=29,77
262
Лесина Ю.А.
100
м3
78/879=
0,089
0,301
%
об.
0,089/0,301
х100=29,57
100
7
Расчет состава
реакционной массы
•
Расчет состава реакционной массы начинают с определения ее
качественного состава (продукты реакции), затем переходят к расчету
количеств.
Сырье
Промежуточные продукты
Продукты реакции
(основной и побочные)
•
Потери
Непрореагировавшее сырье
(включая примеси, избыток)
Отходы производства
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.
Gпр.
Gтеор.
100
8
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.
9


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.
10
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.
11
Расчет МБ
Материальный баланс
технологического процесса – это
масса веществ, поступивших на
технологическую операцию (приход),
равная массе веществ, полученных в
её результате, включая потери
(расход):
Gприх.  Gрасх.
Лесина Ю.А.
12
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.
13
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 химикотехнологического процесса: Учебное пособие для вузов. – М.:
Логос, 2007. – 264с.
Лесина Ю.А.
14
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.
15
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.
16
Алгоритм расчета МБ
периодического процесса
1.
2.
3.
4.
5.
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.
17
Форма представления МБ

№
п/п
Таблица 1.1 Израсходовано на
операции (название операции)
Наименовани
е
промежуточн
ых продуктов
и сырья
А)
Промежуточн
ые продукты:
Б)
Сырье:
Итого:
Содержание
основного
вещества,
% (доли)
Загружено
по массе, кг
технического
Лесина Ю.А.
в 100%ном
исчислении
основного
вещества
по
объему,
м3
Плотность
, кг/м3
18
Форма представления
материального баланса
Лесина Ю.А.
19
Форма представления МБ

№
п/п
Таблица 1.2 Получено на операции
(название операции)
Наименование
продуктов,
отходов, потерь
Относитель
ное
содержание
вещества в
реакционной массе,
%
Получено
по массе, кг
технического
(для
итоговой
реакционной массы,
маточника и
т.п. )
в 100%-ном
исчислении
основного
вещества
(перечисляются
вещества,
составляющие
реакционную массу)
по объему,
м3
плотность,
кг/м3
Итого:
Лесина Ю.А.
20
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.
21


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.
22
Расходные коэффициенты по сырью (Fрi)
характеризуют количество каждого вида сырья,
израсходованного на получение 1 т (кг целевого
продукта)
Fp 


сырья
Gсут.
продукта
Gсут.
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.
23
Таблица расходных
коэффициентов
Наименование
сырья
Масса
100%-ного
сырья, кг
(т)
Масса
технического
сырья,
кг (т)
Расходные коэффициенты,
кг/кг (т/т)
теоретический
фактический
ЧЕМ СОВЕРШЕННЕЕ ПРОИЗВОДСТВО, ТЕМ
БЛИЖЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
И ФАКТИЧЕСКИЕ РАСХОДНЫЕ
КОЭФФИЦИЕНТЫ
Лесина Ю.А.
24