Материальный баланс (МБ)

С + O₂  CO₂ + Q_экз
CO₂ + С  2 CO – Q_энд
2 С + O₂  2 CO + Q_экз
Кроме того, возможны альтернативные постановки задачи:
2’. В отличие от второй постановки задается полный состав продуктов процесса, т.е можно не раскрывать химизм процесса.
Пример: кислородная газификация – продукт СО + СО₂ + О₂ = 100%.
Решение – система алгебраических уравнений.
2”. В отличие от второй постановки задается неполный состав продуктов процесса.
Пример: паровая конверсия метана – продукт СО + СО₂ + H₂ + CH₄ + H₂O = 100%.
2’”. Не определены H₂ CH₄ + H₂O.


Пример:
задание: Составить материальный баланс печи для сжигания серы производительностью 60 т/сут. Степень окисления серы 0,95 (остальная сера возгоняется и сгорает вне печи. Коэффициент избытка воздуха =1,5. Расчет вести в кг/ч.
Какой материальный баланс будем составлять?
Процесс – необратимый!
М
32 32 64
Б – практический!
S + O₂ = SO₂
М_S + М_ОК = M_Sнеок + M_SO2+ М_{ОК изб}
Производительность печи:

• 
  по сере М_S = 60 1000/24 =2500 кг/ч; – приход
  
• 
  по окисленной сере M_Sок = М_П 0,95 =2500 0,95 = 2375 кг/ч;
  
• 
  по неокисленной сере M_Sнеок = М_П - M_Sок =2500 - 2375 = 125 кг/ч – расход.
  

Израсходовано кислорода:
м³/ч – теоретический объемный расход;
м³/ч – действительный объемный расход;
кг/ч – действительный массовый расход – приход.
Однако в промышленных печах чаще всего в качестве окислителя используется атмосферный воздух, а не чистый кислород. Состав: N₂ – 79 % об.; О₂ – 21 % об.
Тогда количество азота – м³/ч или
кг/ч – приход.
В результате реакции образовалось
кг/ч
или м³/ч.
Избыток кислорода м³/ч
или кг/ч.

Азот в реакции не участвует и транзитом переходит в расходную часть (балласт).

Сведем все статьи МБ в таблицу 1.2.
Таблица 1.2.

приход				расход
№ п/п	Статьи	кг/ч	м^3/ч		№ п/п	Статьи	кг/ч	м^3/ч
1	Сера (S)	2500			1	Сернистый газ (SO2)	4750	1662,5
2	Окислитель (воздух)	15789.06	11875		2	Неизрасх. cера (S)	125
	в т.ч. Кислород (O2)	3562,5	2493,75		3	Избыток кислорода (O2)	1187,5	831,25
	Азот (N2)	11726,56	9381,25		4	Азот (N2)	11726,56	9381,25
	Итого:	17789,06	11875			Итого:	17789,06	11875

1.5. Материальный баланс технологического аппарата
В технологических процессах для обеспечения получения продукта необходимо обеспечить соответствующие температурные условия. Например, для осуществления процесса сжигания серы необходимо:

• 
  разогреть и расплавить твердую серу (до t ~ 130–145 °С);
  
• 
  разогреть до температуры  400 °С для распыла через форсунки,
  

т.е. подводить теплоту.
Это, как мы уже говорили, можно сделать несколькими путями. Но основным источником энергии в химической технологии является органическое топливо. Следовательно, для составления материального баланса технологического аппарата (тем более, технологического процесса) проводятся расчеты материальных потоков:

• 
  в технологическом процессе;
  
• 
  в топочном процессе.
  

Технологический процесс может быть двух типов:

1. 
   когда исходный материал (ИМ) претерпевает нагрев и фазовые превращения (тв., жидк., газ.), т.е. протекают физические процессы – плавка, получение пара и т.п. процессы, следовательно, необходим энергетический аппарат;
   
2. 
   когда ИМ претерпевает не только фазовые превращения, но и химические, тогда необходимы энергетический аппарат и химический реактор.
   

Примером технологического аппарата по первому типу можно назвать котельный аппарат (нагрев воды  получение пара – технологическая часть).
Примером технологического аппарата по второму типу можно назвать любой аппарат химико-технологического процесса переработки сырья (нагрев сырья до температуры реакции, химическая реакция получения химического продукта).
В качестве примера технологического аппарата первого типа рассмотрим котельный агрегат ПК-10 (рис.1.2).
Материальный баланс котельного агрегата.
Рассмотрим отдельно технологические и топочные потоки.
Технологическая часть.
В котельных установках технологическим продуктом является насыщенный (снп, внп) и перегретый (пп) пар.
Р
снп + внп пп
4

3
6

₂ ₃

8
1

5
2

7

п.в.

9
Т возд

возд ₁ ₄

ДГ


ис.1.2 Схема котельного агрегата.
1 – топка;
2 – испарительные (экранные)
поверхности топки;
3 – барабан котла;
4 – пароперегреватель;
5 , 6 – экономайзер I и II
ступени;
7,8 – воздухоподогреватель
I и II ступени;
9 – горелка.

Основной продукт – пп – идет дальше для производства электрической энергии.

Снп и внп – на собственные нужды и потребителю.
Для пароводяного тракта можно записать:
М_пв = М_пп + М_нп (в общем виде) (1.8)
или М_пв = М_пп + М_потр + М_соб (1.9)
М_пв – количество питательной воды, поступающей в котел;
М_пп – производительность котла по перегретому пару;
М_потр – производительность котла по НП, выдаваемому потребителю;
М_соб – количество пара на собственные нужды (отопление и т.п.) и на продувку для удаления из воды нелетучих загрязняющих примесей (водоподготовка).


Топочная часть.
В общем случае уравнение МБ имеет вид:
М_Т + М_ОК + М_ОК = М_ДГ + М_ШО (1.10)
Приходная часть МБ.
М_Т – расход топлива (любого: твер., жид., газ) [кг/с];
М_ОК – расход окислителя (воздуха), организованно поступающего в топку для сжигания топлива;
М_ОК – присосы воздуха – подсасываемый воздух при работе котла под разрежением и воздух на разбавление дымовых газов;
М_ОК = М₁ + М₂ +М₃ +М₄ , (1.11)
М₁ – в топке (₁);
М₂, М₃ – за топкой (₂) и в зоне хвостовых поверхностей (экономайзеры и воздухоподогреватели) (₃);
М₄ –разбавление ДГ до допустимых температур (согласно СНиП) (₄),
расходная часть МБ.
М_ДГ – газообразные продукты сгорания, покидающие котельный агрегат через дымовую трубу;
М_ШО – твердые минеральные остатки, т.е шлак (зола), выпадающие на входе М_ШО1 и выходе М_ШО2 из топки и в газоходах, улавливаемые в золоуловителях М_ШО3 и уносимые через дымовую трубу газообразными продуктами сгорания М_ШО4.
При работе на газообразном и жидком топливе М_ШО =0.
При работе котла под наддувом в формуле (1.11) не будет присосов воздуха.
В качестве примера технологического аппарата второго типа можно привести контактный аппарат для окисления метилового спирта (рис.1.3.). Рассмотрим его более детально.
При контактном окислении метилового спирта в формальдегид на серебряном катализаторе, кроме основной реакции
СН₃ОН + 0,5 О₂ = НСНО + Н₂О,
протекает ряд побочных реакций, в результате которых образуются муравьиная кислота (НСООН), окись углерода (СО), углекислый газ (СО₂), метан (СН₄), водород (Н₂) и вода (Н₂О).
Задание: составить материальный баланс процесса окисления, если:

1. 
   степень окисления спирта в формальдегид 60%, а общая степень окисления (за счет основной и побочных реакций) 82 %;
   
2. 
   углеродсодержащие побочные продукты образуются в соотношениях (N_i):
   

[НСООН] : [СО₂] : [СО] : [СН₄] = 5,2 : 1,6 : 0,1 : 0,3 (N_i = 7,2);

3. 
   в спирто-воздушной смеси, поступающей на окисление на 1 кг метилового спирта приходится 1 нм³ воздуха;
   
4. 
   расчет вести на 100 кг метилового спирта, поступающего в контактный аппарат.
   

3	1 Вода 2 Вода 4