Практичні роботи № 3 – 4 розрахунок технологічних (матеріальних та енергетичних) балансів

Мета роботи: ознайомитись з методикою та оволодіти навичками балансових технологічних розрахунків технологічних процесів.

Методика розрахунку та теоретичні відомості

Під технологічним балансом розуміють результати розрахунків, виражених у формі рівнянь або таблиць, в яких відображають кількість введених та отриманих у технологічному процесі матеріалів та енергії (їх прихід та вихід).

Будь-яку технологію з позиції теорії системного аналізу можна уявити як абстрактну модель “чорного ящика”, який має вхід та вихід (рис. 2).

вхід вихід

Рис. 2. Схема технологічного процесу виготовлення продукції

Така модель для конкретних виробничих умов технологічних процесів на вході повинна мати сировину, матеріали, речовини як види матерії, теплову, електричну, світлову, ядерну та інші енергії.

На виході технологічного процесу може бути: готова та побічна продукція, напівфабрикати, відходи та енергія у різних видах. Крім того, в процесі технологічних перетворень можливі втрати матерії та енергії.

Тоді модель технологічного процесу на рівні використання матерії та енергії буде мати вигляд (рис. 3).

В основу складання балансів матерії та енергії в технологічних процесах покладені модель і закони збереження матерії та енергії.

В матеріальному балансі кількість введених у прцес матеріалів повинна дорівнювати кількості отриманих (готових) і проміжних продуктів та відходів виробництва. Так само повинні дорівнювати кількість введеної теплової, електричної та ін. енергії та виведеної з процесу енергії. Неузгодженість говорить про втрати матерії або енергії.

Витрати матеріалів

Витрати енергії

Прихідна частина

Витратна частина

Рис. 3. Модель технологічного процесу на рівні використання матерії та енергії

Матеріальні та енергетичні баланси мають велике значення для аналізу та здійснення виробничого процесу. За їх допомогою встановлюють фактичний вихід продукції, коефіцієнти використання енергії та матеріалів, витрати і втрати сировини, палива та ін. матеріалів.

За даними балансових розрахунків приймаються організаційні і технічні рішення з вдосконалення роботи обладнання, уточнення схем технологічних процесів, встановлення оптимальних розмірів, потужності та продуктивності обладнання.

Складання технологічних балансів відбувається у дві стадії. Спочатку складають матеріальний баланс, а потім на його основі – енергетичний або тепловий.

Матеріальний баланс являє собою кількісний вираз закону збереження маси і стосовно технологічного процесу вказує, що маса речовин, які надійшли на технологічний процес (прихід), дорінвює масі отриманих продуктів (витрата).

В більшості випадків визначення маси речовини відбувається окремо для твердої, рідкої та газоподібної фаз за виразом 1.

М_м + М_р + М_г = М^’_г + М^’_р + М’_г (1)

де, М_м, М_р, М_г – відповідно маси твердих, рідких та газоподібних матеріалів, що надійшли на переробку, тобто прихід матеріалів; М^’_г, М^’_р, М’_г – маси продуктів, що отримані внаслідок переробки, тобто витрата.

В практичних розрахунках не завжди приймають участь усі три фази. Крім того треба враховувати, що частина матеріалів може не приймати участь у перетвореннях, частина отримується у вигляді викидів, відходів.

Матеріальний баланс складається у перерахунку на одиницю готової продукції, на одиницю маси або одиницю часу.

Для складання матеріального балансу необхідно знати хімічний склад, деякі фізичні та фізико-хімічні властивості сировини, всі компоненти, що приймають участь у технологічному процесі, склад і властивості основної та побічної продукції та відходів.

Результати розрахунків оформляють у вигляді таблиці, яка складається із двох частин: прихідної та витратної (табл. 1).

Таблиця 1.

Матеріальний баланс технологічного процесу

Прихід			Витрата
матеріали, сировина	одиниці маси	%	продукція	одиниці маси	%
Мм			М’м
Мр			М’р
Мг			М’г
Всього		100	Всього		100

В кожній із частин всі статті балансу відображають у вагових одиницях та відсотках до загального приходу і витрати. Це дозволяє давати відносну оцінку використання матеріалів та полегшує аналіз даних розрахунку.

Балансові розрахунки дозволяють шляхом математичного аналізу визначити абсолютну або відносну кількість матеріалів, яку неможливо отримати вимірюванням.

При цьому аналізують: яка сукупність прихідних матеріалів та витратних; які дані при них відомі, а які дані відсутні; яка загальна маса матеріалів, які види продукції отримані, чи були відходи та втрати матеріалів?

Тепловий баланс (енергетичний) є кількісним виразом закону збереження енергії. Стосовно хіміко-технологічних процесів, він може бути сформульований як: кількість теплової та ін. енергії, що внесена в зону взаємодії речовин, дорівнює кількості енергії, що виноситься з речовинами із цієї зони.

При розрахунках враховують фізичну теплоту, теплоту екзотермічних та фізичних переходів із одного агрегатного стану в інший, втрати теплоти в навколишнє середовище.

Складові теплового балансу розраховують за загальновідомими залежностями фізики. Так, фізичну теплоту, що вводиться з початковою сировиною, або виводиться з продуктами реакції, розраховують за виразом 2.

Q_ф = М · с · t, (2)

де, М – маса матеріалу; с – середня теплоємкість матеріалу при температурі його надходження; t – температура матеріалу.

Тепловий баланс розраховують на основі матеріального балансу в одиницях теплоти (Дж, кДж, Вт) і отримують також у вигляді таблиць.

Дані теплового балансу дозволяють оцінити нераціональне використання тепла, його втрати і намітити шляхи та об’єми використання теплових відходів.

Аналіз матеріальних та теплових балансів різних технологічних процесів переробки сировини дозволяє визначити найбільш раціональні, з меншими витратами матеріалів та енергії.

Задача 2. Початкова сировина масою А + N (кг) включає Б % + N домішок. В процесі переробки сировини №1 отримують В₁ + N (кг) готової продукції, Г₁ + N (кг) – допоміжної та Д₁ + N (кг) – напівфабрикатів. В другому процесі отримують В₂ + N готової продукції, Г₂ + N допоміжної та Д₂ + N (кг) – напівфабрикатів (табл. 2).

Складіть матеріальні баланси першого і другого технологічних процесів та визначте найбільш раціональний.

Таблиця 2.

Вихідні дані до задачі 2

Передостання цифра зал. кн.	Сировина, матеріали, продукція
	А	Б	В1	Г1	Д1	В2	Г2	Д2
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	500	3	350	60	50	360	80	10
2	400	2	310	50	20	320	50	10
3	800	9	680	30	20	700	10	15
Продовження таблиці 2.
1	2	3	4	5	6	7	8	9
4	700	8	550	70	30	540	100	15
5	600	7	470	75	15	480	70	10
6	1000	5	800	120	50	810	100	60
7	100	8	75	7	8	70	10	10
8	1000	7	750	50	70	740	100	30
9	100	6	65	5	10	60	10	10
0	1000	10	800	20	50	790	30	55

Примітка: у всіх задачах цих методичних вказівок N – це порядковий номер студента в журналі викладача.