Лекция 6 Роль материального баланса в проектировании систем

1. Виды материального баланса

2. Место материального баланса в проектной документации

3. Методика составления материального баланса

 

 

1. Виды материального баланса

Расчет материального баланса является важнейшим этапом си­стемного проектирования. На основании материального баланса рассчитываются:

• потребность предприятия в сырье и вспомогательных материалах;

• количество единиц и объем оборудования ХТС;

• количество единиц и объем емкостного парка ХТС;

• технологические и некоторые технические и экономические показатели эффективности функционирования ХТС;

• тепловой баланс ХТС как частный случай энергетического ба­ланса, а также эксергетический баланс и экономико-матема­тические модели ХТС для выполнения задач системного ана­лиза.

В практике технологических расчетов составляется несколько материальных балансов: по участвующим в процессе веществам и степени надежности используемых для расчета баланса данных.

По веществам, участвующим в процессе, различают общий, или брутто-баланс, баланс по компоненту, или частный баланс, и баланс по элементу, или элементный баланс.

Общий баланс составляют по всем компонентам сырьевого и продуктового потоков, а частный баланс - по одному из компонентов сырья. Этот вид баланса является одним из этапов расчета общего баланса. К составлению элементного баланса прибегают в том случае, когда нельзя или сложно разделить покомпонентно сырьевые и продуктовые потоки. При этом выбирают тот элемент молекулы полезного компонента сырья, который в процессе химическо­го превращения образует желаемую функциональную группу в мо­лекуле продукта. Чаще всего такими элементами являются углерод - для углеводородных смесей сложного состава; азот — для нитросоединений или других азотсодержащих соединений, сера и др. Для со­ставления элементного баланса достаточно определить содержание балансируемого элемента в известных массах сырьевой и продукто­вой смесей. Указанные балансы могут быть составлены на основе те­ории (теоретический баланс) и производственной практики (факти­ческий баланс). Более надежным для проектирования является фак­тический материальный баланс.

Теоретический баланс рассчитывают исходя из стехиометрии реакции и известных молекулярных масс реагентов и продуктов. Этот вид баланса составляют при проектировании производства нового продукта в условиях неполной информации о процессе. Тео­ретический баланс необходим в системном анализе при составлении экономико-математической модели процесса, а также сопостави­тельного анализа работы действующей установки в качестве осно­вы для сравнения.

Фактический материальный баланс составляютна основе анали­за работы лабораторных, пилотных, полупромышленных и про­мышленных установок. При изменении масштаба производства сте­пень надежности данных возрастает. В этих балансах учитываются состав сырья и размер производственных потерь, которых нельзя избежать при массовом производстве продуктов. Производственные потери представляют собой расход сырья, материалов и готового продукта на разлив, утечку через неплотности аппаратов, емкостей и аппаратуры, потери при сливе и перекачках, унос из реакторов абгазами (отходящими газами), потери через вентиляционные ли­нии и пр.

При расчете баланса величиной производственных потерь зада­ются исходя из данных работы аналогичных производств или сред­нестатистическим значением потерь для соответствующих процес­сов. Каждый технологический процесс превращения сырья в гото­вый продукт вносит свою долю в величину потерь. Статистика приводит следующие усредненные данные по величине потерь для различных процессов химической технологии: фильтрация — 1—2 %, сушка — 1—10 %, размол, дробление, смешение — 0,5 %, выпарка, дистилляция, ректификация — 5—15 %, упаковка — 0,5 % от загруз­ки сырья. Фактические потери на действующем производстве опре­деляют по разности между загрузками сырья и выгруженными продук­тами. Минимизация потерь возможна только при высоком уровне организации производства, высокой технологической дисциплине, а также при техническом и технологическом совершенстве ХТС на всех ее уровнях.

2. Место материального баланса в проектной документации

Основным технологическим документом производства хими­ческого продукта является технологический регламент. Технологи­ческий регламент определяет оптимальный технологический режим, порядок проведения операций технологического процесса, обеспе­чивающий выпуск продукции требуемого качества, безопасные ус­ловия эксплуатации производства, а также требования по охране окружающей среды. Материальный баланс в технологическом рег­ламенте помещается после описания технологической схемы и дан­ных по правовой защите технологического процесса и основного оборудования.

3. Методика составления материального баланса

Выбор метода расчета материального баланса зависит от типа принятой технологической схемы (прямая или циркуляционная) и технологического класса реакций (простая или сложная, обратимая или необратимая).

Прежде чем приступить к составлению материального баланса, следует иметь четкое представление о самом процессе, его стадиях, составе сырья, организационной структуре процесса и условиях его протекания. Исходные данные для расчета баланса приводятся в проектном задании. Основой для них служит проектируемый объем выпуска готовой продукции (производительность установки) либо пропускная способность установки по исходному сырью в натураль­ных единицах за год (млн т/год или тыс.т/год). Остальные данные (конверсия, выход продуктов, химические схемы, вид и состав сырья, технологические схемы и т.д.) приводятся в соответствующих раз­делах технологического регламента.

Алгоритм расчета материального баланса предусматривает вы­полнение следующего ряда операций:

1. Анализ исходных данных (проектное задание, технологичес­кий и экономический разделы технологического регламента) для получения необходимой информации о процессе, для которого рас­считывается материальный баланс.

2. Декомпозиция технологической схемы с целью выявления операторного состава и структуры.

3. Составление функциональной и операторной схем для опре­деления числа и направлений материальных связей между подсис­темами и операторами.

4. Составление химических уравнений реакций, протекающих в подсистеме (подсистемах) химического превращения. Каждую ре­акцию следует пронумеровать, затем этот номер использовать в опи­сании стехиометрических расчетов. Сложные химические формулы веществ, участвующих в реакции, можно заменить буквами латин­ского алфавита.

 

 

можно написать

А→ В + 2С.

Над каждым компонентом уравнения реакции пишут его молекулярную массу. Руководствуясь законом сохранения материи (72 = 68 + 4), можно проверить правильность написания стехиометрического уравнения и при необходимости уточнить уравнение.

5. Выявление типа технологической схемы и классификация химической реакции по типу механизма для выбора метода расчета баланса.

6. Составление схемы материальных потоков на основании фун­кциональной или операторной схемы. В случае использования опе­раторной схемы из нее исключают те операторы, в которых не из­меняются состав и масса потока (подогреватели, холодильники,емкости и пр.). Схема материальных потоков является общепринятым методом количественного описания взаимосвязи потоков сы­рья, продуктов, вспомогательных материалов и отходов на всем про­тяжении процесса. Эта схема представляет собой взвешенный ори­ентированный граф, вершинами которого служат подсистемы (опе­раторы), а ребрами — материальные потоки, связывающие их. Направление потоков указывают стрелками. Материальные потоки, поступающие в подсистему (оператор), изображают прямыми лини­ями, сходящимися в вершине графа, а потоки, покидающие опера­тор (подсистему) — расходящимися линиями. Разрешается взамен схемы материальных потоков использовать операторные схемы. Над каждым потоком указывается «цена», т.е. все известные данные о потоке (масса, качественный и количественный составы, парамет­ры состояния газов).

7. Определение качественного состава сырьевых и продуктовых потоков выполняется на основе анализа состава сырья, реакцион­ной схемы и технологического показателя — конверсии (доли пре­вращенного сырья). Например, если в системе протекает реакция А+ В = R + S, а в качестве сырья используется смесь А + j, где j -инертная примесь, и сырье В не содержит примесей, то качествен­ный состав исходной и реакционной смесей можно представить на следующей операторной схеме:

 

 

Схему материальных потоков составляют с целью определения структуры баланса и получения недостающих данных для его рас­чета.

 

8. Подбор единиц расчета баланса, физических и химических констант, технологических показателей.

9. Расчет недостающих данных. Чтобы составить баланс нужно знать массу потоков, входящих в систему и покидающих ее. Масса каждого потока слагается из масс составляющих его компонентов. Если масса потока или отдельных его компонентов неизвестна, то прибегают к ее расчету, используя стехиометрию реакции и исход­ные данные о процессе. Расчет производят на основе стехиометри­ческих уравнений реакций, оперируя количествами исходных ве­ществ, расходуемых в реакции, и количествами получаемых продук­тов. Вычисления ведут в расчете на чистые (100 %-ные) реагенты и продукты. Примеси сырья, исключенные из этой стадии расчета, учитывают при составлении окончательного баланса.

Материальный баланс рассчитывают только в единицах массы (кг или т). Однако в качестве промежуточной единицы расчета лучше использовать киломоли, причем число киломолей, поданных в про­цесс или полученных в ходе процесса, следует считать с точностью до третьего или четвертого знаков, что в дальнейшем обеспечит луч­шую сходимость приходной и расходной частей баланса. Перевод киломолей в килограммы выполняют только для компонентов по­токов, представляющих внешние связи системы (вход-выход).

10. Составление общего материального баланса и представление его в удобной для выполнения дальнейших расчетов форме.

Форма представления материального баланса. Материальный баланс может быть представлен в форме уравнения, таблицы или диаграммы. Наиболее часто материальный баланс представляют в виде табл. 13. Частный и элементарный балансы, а также экономи­ко-математическую модель приводят обычно в форме уравнения.

						Таблица 13
Материальный баланс производства
					Наименование продукта
Приход	Расход
№ п/п	Компонент	кг/ч	% масс.	№ п/п	Компонент	кг/ч	% масс.

Таблица материального баланса состоит из двух частей. Левая часть именуется приходной и обозначается словами «Приход» или «Подано». Здесь записываются все сырьевые потоки, поступающие в ХТС, подсистему или отдельный аппарат, с покомпонентной рас­шифровкой. Правая часть именуется расходной и обозначается сло­вами «Расход» или «Получено». В этой части баланса записывают все потоки, покидающие ХТС, подсистему (установку) или отдельный аппарат. Сюда относятся потоки продуктов (целевого и побочных), непревращенного сырья и потери. Следует подчеркнуть, что в рас­ходной части записывают массу непревращенного сырья, т.е. его ос­таток. Израсходованное на реакцию сырье определяют как разность между поданным на переработку сырьем и его остатком, т.е. раз­ность между приходной и расходной частями баланса. Таким обра­зом, слово «Расход» для обозначения правой части баланса вовсе не вторяется снова. Все технологические операции, применяемые в подсистемах подготовки сырья и химического превращения, выпол­няются в одном аппарате последовательно. В связи с тем что состав реакционной смеси в периодическом процессе изменяется во вре­мени, расчет выполняют на весь производственный цикл аппарата. В качестве единицы расчета используют килограммы или тонны на цикл (кг/цикл или т/цикл). Баланс можно составить не только на цикл работы реактора, но и на сутки, месяцы или год. Например, производительность перио­дического реактора составляет 5 т/цикл. Время производственного цикла -6 ч. Тогда пересчитанная производительность реактора со­ставит (5 • 24)/6 — 20 т/сут или 20 • 340 = 6800 т/год, где 340 - коли­чество рабочих дней в году.

В непрерывных схемах технологические операции проводят в разных аппаратах (смесителях, реакторах, подогревателях, разделя­ющих устройствах и пр.) в потоке непрерывно движущегося через них сырья со скоростью, достаточной для обеспечения заданной конверсии. Методика расчета материального баланса для непрерыв­ной схемы отличается от методики расчета баланса для периодичес­кого процесса только единицами измерения: баланс непрерывного процесса обычно рассчитывают в кг/ч. Расчет баланса во времени важен для непрерывно действующего оборудования. В зависимости от технологических маршрутов сырья различают прямые и циркуляционные схемы.

Прямые схемы используют для процессов с высокой конверсией сырья за один проход через реак­тор или один производственный цикл (рис. 11).

Циркуляционные схе­мы выбирают для процессов с низкой конверсией сырья, когда в ре­акционной смеси, кроме продуктов, будет содержаться непревращенное сырье. В этом случае продукты отделяют, а непревращенное сырье возвращают в реактор вплоть до его полного использования. Одним из недостатков циркуляционных схем является накопление в рецикле (возвращаемом сырье) инертных примесей сырья, которые по тем или иным соображениям не отделяют от сырья в подсистеме подготовки.

Рис. 11.Материальный баланс прямой схемы

 

Количество примесей в таком случае увеличивается за счет много­кратного добавления к рециклу потока свежего сырья взамен пре­вращенного. Для поддержания постоянной концентрации примесей в рецикле часть рециркулируемого потока сбрасывают в процессе продувки, т.е. поток возвращаемого сырья делят на два: рецикл и газ продувки. Уравнения материального баланса без продувки и с про­дувкой имеют соответственно следующий вид:

G₀ + G_R = G_p + G_R и G₀ + G_R ⁼ G_p+ G_R + G_c6p.

На рис. 11 и 12 приведены структуры материальных балансов прямой и рециркуляционной схем. Очевидно, что специфика рас­чета процесса с рециркуляцией заключается в том, что полная заг­рузка реактора оказывается больше, чем для прямой схемы, на ве­личину потока рецикла. Главная задача расчета — определить по за­данному количеству свежего сырья (часть сырья, еще не побывав­шего в реакторе) или целевого продукта полную загрузку реактора, необходимую для определения его основных размеров.

Циркуляционная схема может включать один или несколько потоков рецикла. При установившемся состоянии количество вво­димого в систему свежего сырья будет равно количеству отводимых из нее продуктов:

 

В формулах G₀ — загрузка реактора свежим сырьем взамен про­реагировавшего (прямой поток); G_p — масса выводимых из системы продуктов; G_∑ — полная загрузка реактора (главный поток); G_R поток рецикла (побочный поток). Если для сброса инертов в системе организуется продувка, то поток рецикла уменьшается на величину массы сбрасываемого продукта G _сбр.

Работа схемы с рециклом характеризуется отношением рецир­куляции R (степенью рециркуляции), либо коэффициентом рециркуляции K _R. Отношение рециркуляции R показывает, какая доля главного потока после его разветвления возвращается в процесс:

-