11. Технологиялық процестегі материалдық және энергетикалық баланс

Материалдық баланс – масса сақталу заңына негізделген. Барлық тұйықталған жүйеде рекцияға түсетін заттың массасы реакция нәтижесінде алынған заттың массасына тең болады.Егер осыны кез келген технологиялық процестің материалдық балансына сәйкестесек технологиялық операцияға түсетін заттың массасы, операция нәтижесінде алынған барлық заттың массасына тең немесе заттардың кірісі оның шығысына тең. Сонымен материалдық баланстың теңдеуі:

Σ В _кіріс = Σ В_шығыс (1)

Материалдық баланс-технолгиялық процестің айнасы. Периодтық процестер үшін материалдық баланс бір операцияға есептеліп, ал үздіксіз процестер үшін бірлік уақытқа арналып жасалады. Материалдық баланс барлық процеске немесе оның жеке бір сатыларына құрылады. Материалдық баланс қатты, сұйық және газдың массасына жеке-жеке түрде беріледі. Соныдықтан жалпы жағдайда материалдық баланс келесі теңдеумен өрнекетеледі:

В_қ+В_с+В_г = В_қ+В_с+В_г (2)

Мұндағы В_қ,В_с,В_г - бірлік уақытта операцияға түсетін қатты, сұйық және газ тәрізді заттардың массасы ; В_қ,В_с,В_г - алынатын өнімнің массасы.

Кейбір уақытта іс жүзінде есептегенде жеке фазаларды еске алмауға тура келеді немесе бір фазаның ішінде бірнеше заттың болуын есекеруге тура келеді, сондықтан (2) теңдеу кейде азайып, кейде күрделене түседі.

Нәтижесенде бірнеше өнімдер түзетін химиялық процестердің материалдық балансын жасаумен танысу үшін байытылған колчеданды күйдіруге арналған КС-450 пешінің қайнаушы қабатының материалдық балансын жасауды мысалға алып қарастырайық (1,2-кесте)

Байытылған колчедан – минерал пириттен (FeS₂) тұрады. Колчеданды күйдіргенде күкіртті ангидрид (SO₂) түзеді, ол күкірт қышқылын алу үшін шикізат болып табылады. Колчеданды күйдіру рекциясының жалпы теңдеуі:

4 FeS₂ + 11О₂ 2Ғе₂О₃ + 8 SO₂ +3416кДж

Есептеу шарттары

1-кесте

Күкірт қышқылына (100%H2SO4) есептегенде КС – 450 пешінің өнімділігі, кг*сағ-1	В H2SO4 =20833
Колчедандағы күкіртті пайдалану дәрежесі	β = 0.885
Құрғақ колчедандағы күкірт	Cs=41
Колчедандағы ылғал	C ылғ=6
Өртендідегі күкірт	Сөрт =1
Құрғақ күйдіру газындағы SO2	C SO2 = 14.5
Құрғақ күйдіру газындағы SO3	C SO3 = 14.5
Ауаның салыстырмалы ылғалдылығы	Φ=50

Күйдіру процесінде түзілген күкіртті ангидридтің біраз мөлшері күкірт ангидридіне дейін тотығады:

SO₂ + ½ O₂ SO₃ + 96 кДж

КС-450 пешінің материалдық балансы

Кіріс	Мөлшері		Шығыс	Мөлшері
	кг*сағ -1	м3*сағ-1		кг*сағ -1	м3*сағ-1
Колчедан	18768	-	Өртенеді, күйдіру газы	14038
Колчедан ылғалдылығы	1198	-	SO2 SO3	15337 129	5243 36
Құрғақ ауа	49400	38147	O2	1063	744
Ауамен бірге ылғал	358	445	N2 H2O	37600 1556	30136 1936
Барлығы	69724	38592	Барлығы	69724	38092

Процеске түсетін байытылған колчеданмен ауа арқылы берілетін оттек құрамында ылғал болғандықтан баланс жасау кезінде «кіріс» бабында колчеданмен ауадан басқа колчеданның ылғалдылығы және ауа құрамындағы су буында ескерту қажет «шығыс» бабында Fe₂O₃ өртенді массасын және газ қоспаларының массасын ескерту керек. Осы айтылғандарды ескере отырып, қарастырып отырған жағдайда материалдық баланстың жалпы теңдеуі:

В_кол+_{Вкол.ылғ}+В_ауа+В_{ауа ылғ}= В_өрт+В_SO2+В_SO3+В_O2+В_N2+В _H2O (3)

Мұндағы, В_кол,В_{кол.ылғ},В_ауа,В_{ауа ылғ} – жанған колчеданның (құрғақ), колчедандағы су, ауа (құрғақ), ауадағы су массасы , кг/сағ.

Энергетикалық баланс - энерияның сақталу заңына негізделген. Соған сәйкес процеске енгізілген энергия мөлшері, бөлінетін энергияның мөлшеріне тең, яғни энергияның кірісі оның шығысына тең.

Химиялық- технологиялық процестер энергияның әртүрінің (жылу,механикалық,электр энергия) жұмсалуымен байланысты. Бұл процестерде жылу энергиясының маңызы зор болғандықтан, жылу балансы жасалынады. Бұл жағдайда энергияның сақталу заңы былай айтылады: берілген өндірістік операциядағы жылудың кірісі - ΣQ_кіріс осы операциядағы жылудың шығысына – ΣQ_шығыс тең болуы қажет, яғни:

ΣQ_кіріс= ΣQ_шығыс (4)

Жылу балансы материалдың баластың деректеріне сүйене отырып жасалады. Балас жасағанда берілетін және алынатын жылуды, аппартт өтетін физикалық өзгертулерді және химиялық реакциялардың жылу эффектілерін ескереді.

Жылу балансы жалпы түрде мына теңдеумен беріледі:

Q_қ+Q_с+Q_г+Q_физ.пр+Q_Р+Q_n= Q`<sub>қ</sub>+Q`_с+Q`<sub>г</sub>+Q`_физ.пр+Q`<sub>Р</sub>+Q`_n (5)

Мұндағы, Q_қ,Q_с,Q_г – қатты, сұйық және газтәріздес материалдармен аппаратқа берілетін жылу: Q`<sub>қ</sub>,Q`_с,Q`<sub>г</sub> - шығарылатын материалдармен кететін жылу: Q<sub>физ.пр</sub> ,Q`_физ.пр - физиалық процестерде сіңірілетін және бөлінетін жылу:

Q_Р ,Q`<sub>Р</sub> - экзо және эндотермиялық реакциялардың жылуы: Q<sub>n</sub> , Q`_n - аппараттан шығарылатын және аппаратқа сырттан берілетін жылу.

КС-450 пешінде колчеданды күйдіру процесінің теңдеуі бойынша жылу балансының теңдеу былай жазылады:

Q_кол+Q_{кол.ылғ}+Q_ауа+Q_{ауа ылғ.}+Q_Р= Q`<sub>өрт</sub>+Q`_г+Q`<sub>φ</sub>+Q`_Р+Q`_n

Мұндағы, Q_кол,Q_{кол.ылғ},Q_ауа,Q_{ауа ылғ} - ылғалды ауамен және құрғақ ауамен пешке берілетін , жылу мөлшері, кДж*сағ^-1 ; Q_Р- реакция бойынша бөлінетін жылу мөлшері, кДж*сағ^-1 ; Q_өрт,Q_n – өртенеді және күйдіру газымен бірге пештен шығарылатын жылу мөлшері, кДж*сағ^-1 ; Q`<sub>φ</sub>- судың булануына жұмсалатын жылу мөлшері, кДж*сағ<sup>-1</sup> ; Q`_φ – қоршаған ортаға келетін жылу шығыны, кДж*сағ^-1 .

Реакциясы бойынша күкірт ангидриді аз түзілетіндіктен (5) теңдеуінде оның түзілу жылуы ескерілмейді.

Байытылған колчеданды күйдіру процесі бойынша жылу балансын есептеу нәтижелері кіріс сатысында - 98% жылу, реакция жылуын құрайтынын көрсетеді (3-кесте)

КС-450 пешінің жылу балансы

3-кесте

Кіріс	Мөлшері		Шығыс	Мөлшері
	10-3 кДж*сағ-1	%		10-3 кДж*сағ-1	%
Құрғақ колчедан жылуы	204	0.20	Өртенді жылуы	8380	8,2
Колчедан ылғалының жылуы	101	0.10	Күйдіру газының жылу	46128	45,3
Құрғақ ауа жылуы	993	0.97	Қайнаушы қабатта бу алу үшін қажет жылу	46437	45,5
Ауа ылғалының жылуы	13.4	0.01	Жылу шығыны	1022	1,0
Колчеданның жану жылуы	100656	98.72
Барлығы	101954	100	Барлығы	101967	100

Бөлінетін жылудың мөлшері түзілетін күйдіру газымен шығарылады (45,3%) және бу алу үшін жұмсалады (45,5%). Бу қосымша өнім, оның бағасы жоғары, сондықтан да оны алу және процесте немесе басқа жағдайларда қолдану мақсатты өнімнің өзіндік құнын төмендету үшін практикалық маңызы зор болып табылады. Қоршаған ортаға таралатын жылу шығыны (1%-ке жуық) аз, алайда оның мөлшері біртіндеп азаюда, себебі КС-450 пешінің, сондай-ақ өндірістік агрегаттардың қуаты артуда (кесте-3)

Қайталауға арналған және өздік бақылауға арналған сұрақтар (11)

1. Химиялық өндірстің материалдың балансы деген не?

2. Химиялық өндірісте матералдық ағыстың қандай түрлері бар?

3. Химиялық өндірістің энергиялық балансы деген не?

4. Химиялық өндіріс үшін энергия үнемдейтін технологияның мәні неде?

5. Аппараттың жылулық баланысы негізінде не анықталады?

ІІ-тарау. ХИМИЯ ӨНДІРІСТЕРІНІҢ ШИКІЗАТЫ

Химия өндірістерінде қажетті төрт элементтің болуы міндет, олар. Шикізат, су, энергия және жұмыс күші. Осылардың ішінен ең негізгі өнімнің өзіндік құнын , сапасын және технологиялық процестің дәрежесін анықтайтын элемент - шикізат.

Шикізат - өндіріс өнімдерін өндіруге пайдаланатын табиғи заттар және жартылай өнімдер. Өндіріс дамыған сайын шикізаттың түрі де, мандық-сапалық жағы да өзгереді. Кейбір химиялық өнімдерді өндіруге жартылай өнімді немесе басқа өндірістің қалдықтарын пайдаланады. Бастапқы шикізат та және өндірілген өнімде МЖСТ және ЖОСТ – стандарттарының талаптарына сәйкес болуы міндет.

2.1 Шикізат қоры және түрі

Химия өндірістерінің шикізаттары әртүрлі белгімен топтастырылады. Жаратылыс тегіне байланысты – минерал, өсімдік және мал-хайуан шикізаттары. Химиялық құрамына байланысты- бейорганикалық және органикалық шикізаттар. Агрегаттық күйіне байланыты – қатты, сұйық (мұнай, тұздық) және газ күйіндегі (ауа, табиғи газ және мұнай өнімдерінің газдары) шикізаттар.

Минералдық шикізаттар- рудалық (кен) емес және жанғыш шикізаттарға бөлінеді.

Рудалық (кен) шикізаттар - табиғи минералдар құрамында металл оксидтері және металл сульфидтері (Fe₃O₄, Fe₂O₃,Cu₂S₃, CuS, CuS₂,ZnS және т.б) тағы басқа тау жыныстары (бос жыныстары – пустая парода) SiO2, Al3O3, CaO, Mg О тағыда басқа болады. Құрамында әр түрлі металл қосындылары бар кендерді палимус металлды кен деп атайды.

Кен емес минералды шикізаттардың химиялық құрамы әр түрлі болады. Олар кейде жаратылыс күйінде қолданылады: құм балшық, асбест, слюда (қатпартас) және басқалар, немесе химиялық өңдеуге түседі – сульфаттар, фосфаттар, карбонаттар, хлоридтер, р

Қазып алынатын минералдар - жанғыс шикізаттар. Шымтезек, қоңыр және тас көмір, тақта тастар, мұнай және табиғи газ - органикалық қосылыстарға жатады, олар – шикізат ретінде және энергия ретінде пайдаланылады.

Химия өндірістерінде өзі арзан және жеңіл түсетін шикізат ретінде су және ауаны кең пайдаланады.

Хайуан және өсімдік шикізаттары – жүн , тері, сүт, май, мақта, ағаш және т.б. бұлардың өздері 2 топқа жіктелінеді: тағамдық азық-түліктер және техникалық өнімдер өндіретін шикізаттар.

Химиялық өндістік шикізат қоры елімізде жеткілікті және қажеттілікті қанағаттандыруға мүмкіншілік толығынан бар.

Барлаушылар мәліметі бойынша фосфаттар, калий тұздары, натрий сульфаты, ас тұзы осылар сияқты кендер: темір, қорғасын, титан, никель, марганец және т.б қорынан бірінші ондыққа кіреміз. Жанғыш шикізатар – көмір, шымтезек – қоры жер жүзіндегі қордың жартысы шамасында. Барлығына мұнай мен газ қоры да алдыңғы қатардан орын алады (Қазақстан дүние жүзінің алағашқы 10 елінің ішінде ).

Химия өндірісінде өнімнің өзіндік құнын анықтағанда шикізат құны 60-70 % шамасында болады, осыған тәуелді шикізаттың құнын төмендеудің проблемасын шешудің өзара байланысты жолдары мыналар: 1. Арзан бағалы шикізаттың іздестіру және оны қолдану; 2. Концентрленген шикізатты қолдану; 3. Шикізатты кешенді түрде пайдалану; 4. Азық-түлік емес шикізатымен, өсімдік шикізатымен минеарлдық шикізатымен алмастыру.

Бірінші проблемены шешу жолдары: шикізат көзін өндіріс орындарын жақындату, яғни жергілікті арзан шикізатты пайдалану. Өндіріс қалдықтарын негізгі өнім өндіргенде газ құрамындағы тозаңдар, сыртқа шығарылатын газдар және т.б жаңа өнім өндіруге пайдалану немесе тікелей қалдық шикізаттарды байытып негізгі шикізаттың концентрациясын артыруға пайдалану. Шикізаттың бір түрін экономды шикізаттың екінші түрімен алмастыру. Мысалы, негізгі химиялық өндірісінің шикізаты көмірдің орнына мұнайды немесе табиғи газды қолданса, өнімнің өзіндік құны төмендейді, себебі шахта әдісімен шығарылған және дайындалған көмірден (бірлік отын өлшеміне ауыстырғанда мұнайды шығару және оны дайндау 3,5 есе, табиғи газды шығару және оны дайындау 12 есе арзан ).

Көпшілік өндірістерде пластикалық массалар, синтетикалық талшықтар, каучуктар, жуғыш заттар және т.б. өнімдердің өзіндік құнын төмендету мақсатпен арзан және жеңіл қол жететін табиғи газ және мұнай өнімдерін қолданады. Кокс газының орнына табиғи газды қолданғанда аммиактың өзіндік құны 2 есе төмендейді, осыған байланысты тыңайтқыштарда өзіндік құны төмендейді.

Мұнай өңдегенде өнетін газды этил спиртін өндіруге азық – түлік шикізаты нан орнына қолданғанда спирттің өзіндік қоры 3 есе төмендейді.