Матеріальні розрахунки

Матеріальні розрахунки зводяться до складання матеріального балансу для кожної стадії процесу на основі закону збереження матерії відповідно до стехіометричних рівнянь реакцій.

В результаті матеріальних розрахунків визначаються маса, об’єм і склад реакційних мас, готової продукції, відходів і втрат на всіх стадіях виробництва.

Основним документом, на підставі якого здійснюються всі розрахунки, є технологічний регламент (виробничий рецепт) і, отже, точність цих розрахунків залежить, насамперед, від якості цього документу.

Технологічний регламент повинен містити:

- кількісні співвідношення реагентів на всіх стадіях виробництва;

- склад і якість вихідної сировини, відходів і готової продукції;

- докладний режим проведення процесу в часі на всіх стадіях виробництва;

- виходи основного продукту на окремих стадіях виробництва і по всьому виробництву загалом;

- фізико-хімічні константи речовин, які використовуються у виробничому процесі;

- дані, які характеризують окремі стадії процесу;

- типи і конструкції апаратів на всіх стадіях виробництва;

- витрати всіх видів енергії;

- відомості щодо корозії апаратури відповідно до умов проведення окремих стадій процесу.

На жаль, дуже часто, цілий ряд вищеперерахованих складових елементів у виробничих рецептах відсутні і розв’язком цих питань займається проектувальник, якому в таких випадках доводиться знаходити необхідні дані теоретичним шляхом, або використовувати результати попередніх лабораторних досліджень і досвід аналогічних діючих виробництв.

Перш ніж перейти до безпосереднього виконання матеріальних розрахунків слід встановити коефіцієнти виходу на кожній технологічній стадії і загальний коефіцієнт виходу.

Складання матеріального балансу для певної стадії зводиться до розрахунку кількості речовин, які завантажуються (коротко позначається “Завантажено”), і кількості речовин, що утворилися у процесі реакції (коротко позначається “Одержано”).

Розрахунок необхідної кількості основного вихідного компоненту здійснюється на підставі стехіометричних співвідношень з урахуванням загального коефіцієнта виходу (η_заг).

Матеріальні розрахунки можуть проводитися на 1 тонну готового продукту або на добову, операційну, годинну чи секундну потужність виробництва.

З огляду спрощення технологічних розрахунків апаратури вигідніше мати матеріальний баланс, віднесений до добової потужності виробництва; з огляду ж виявлення “слабких” місць виробництва, незалежно від заданої потужності, доцільнішим є матеріальний баланс, розрахований на 1 тонну готового продукту.

Поряд з розрахунком необхідної кількості 100%-них компонентів, визначають витрату технічних продуктів і кількість домішок, що з ними вносяться, відповідно до ДСТУ або ТУ, які використовують при виконанні розрахунків.

Розрахувавши таким чином кількість завантажених матеріалів, переходять до визначення кількості речовин, які утворилися в результаті реакцій (стаття “Одержано”). Для цього на підставі стехіометричних співвідношень (рівняння реакцій) розраховують кількості речовин, що утворилися в процесі реакцій. Кількості речовин, що не вступили в хімічну взаємодію (якщо, наприклад, вони були в надлишку), розраховують як різницю між завантаженими кількостями та їх кількостями, що вступили в реакції.

Розраховуючи кількість речовин, які утворилися у процесі реакцій, слід, по можливості, найретельніше встановити, чому вихід основного продукту менший ніж 100%: чи реакція не проходить до кінця (залишаються незмінними вихідні компоненти), чи відбуваються побічні процеси (бажано знати, скільки яких продуктів утворюється), чи мають місце процеси смолоутворення (наприклад, окиснення вихідного продукту або продукту реакції)? Точне знання хімізму процесу в таких випадках дає змогу правильно розрахувати кількості речовин, що утворилися.

У процесі розрахунків однойменні речовини, завантажені з різними вихідними речовинами, або одержані в результаті різних хімічних перетворень, підсумовують.

Деякі особливості є у матеріальних розрахунках процесів фільтрування. Незалежно від того, перебуває основний продукт в осаді чи в розчині (або просто рідкий продукт), його кількість визначається коефіцієнтом виходу на стадії фільтрування. В результаті фільтрування одержують осад (залишається на фільтрі) та фільтрат (рідина, що пройшла крізь фільтр). Осад завжди має вологість, тобто в ньому залишається певна кількість рідкої фази. Зрозуміло, що разом з розчинником до складу вологи входять і всі речовини, що перебувають у рідкій фазі. Для розрахунку складу вологи осаду припускають, що співвідношення всіх компонентів у волозі таке саме, як у рідкій фазі суспензіі, що подається на фільтрацію (без основного продукту). Таким чином, знаючи масу осаду та його вологість, легко знайти масу кожного розчиненого компоненту у вологому осаді. Склад же фільтрату визначають як різницю між кількістю речовин, що подавались на фільтр і їх кількістю, що залишилась на фільтрі. Цим методом слід користуватися і для розрахунку процесів промивання осаду.

При розрахунку ректифікаційних і дистиляційних колон та інших апаратів, призначених для проведення процесів перегонки і випаровування рідин, матеріальні і технологічні розрахунки здійснюють одночасно, виходячи при цьому з пружностей парів, які перебувають у рівновазі з рідкою фазою. Для цього, зазвичай, використовують розрахунково-графічний метод, зв’язаний з побудовою інтегральної кривої.

Результати матеріальних розрахунків для окремої стадії подають у таблиць “Завантажено” і “Одержано” за відомою формою (див. додаток 1).

Як правило, в таблиці завантажених матеріалів густину і об’єм відносять до кожного окремого компоненту, в таблиці ж одержаних речовин об’єм і густину відносять до реакційної маси загалом, причому підсумковий об’єм у таблиці “Завантажено”, може відрізнятись від об’єму в таблиці “Одержано”, оскільки об’єм не є властивістю адитивною.

Для технологічних розрахунків використовують максимальний загальний об’єм реакційної маси, наведений у таблицях “Завантажено” або “Одержано”.

Склавши матеріальні баланси всіх стадій технологічного процесу, ми отримуємо матеріальний баланс для всього виробництва загалом, який і є основою для всіх наступних розрахунків: технологічних, теплових, енергетичних. Для самоконтролю розрахунку матеріального балансу рекомендується спочатку виконати короткий матеріальний розрахунок для всього виробництва за основним продуктом. Цей розрахунок не включають до розрахунково-пояснювальної записки.

На підставі даних цих розрахунків складають таблицю витратних коефіцієнтів, які характеризують витрати різних видів сировини і матеріалів на одиницю готового продукту.

Особливе значення мають витратні коефіцієнти сировини, оскільки для більшості хімічних виробництв 60...70 % собівартості готових продуктів припадає на цю статтю.

Певні особливості є у складанні матеріальних балансів біохімічних процесів. Адже, хімічні перетворення, що мають місце під час цих процесів є дуже складними і багатостадійними. Тому, запис їх у звичній формі хімічного рівняння і розрахунок за звиклою схемою є недоцільним. Розроблено спрощений метод визначення кількісного і якісного складу біомас, які утворюються в результаті біохімічних процесів. Метод не претендує на повний опис хімічної картини процесу, але для технічних розрахунків може бути корисним.

В основі методу лежить уявлення, що будь-який біотехнологічний процес може бути описаний інтегральним хімічним рівнянням:

α^S[S] + α^O2[O₂] + α^N[N]+ αⁱ[i] → Біомаса + α^CО2[СO₂] +

α^Мет[Мет]+ α^H2O[H₂O],

де а^s, α^O2 , α^N , αⁱ, α^CO2, α^Мет, α^H2O - витратні стехіометричні коефіцієнти відповідно карбоновмісного субстрату, аераційного кисню, нітрогеновмісного компоненту, і-ого компоненту, вуглекислого газу, продукту метаболізму чи ендогенної води. Зрозуміло, що в анаеробних процесах член α^O2[O₂] відсутній.

Елементний склад біомас різний, але завжди вміст карбону знаходиться в межах 47-48%, оксигену - 30-31%, нітрогену - 8-10%, гідрогену - близько 6,5%, води - 5-8 %. Якщо взяти повний або обмежений склад біомаси і поділити відсоткову частку кожного елементу на його атомну масу, можна одержати емпіричну формулу біомаси, молекулярна маса якої дорівнює 100.

Рівняння біосинтезу неможливо скласти, якщо відсутні деякі експериментальні кількісні співвідношення або якщо невідомо, що утворюється в результаті процесу. Однак, ці дані можна знайти у відповідній літературі. Як приклад, наведемо літературні дані за масовим співвідношенням (кг/кг) різних субстратів до дріжджів: глюкоза (меляса) - 1,96; метанол - 2,5; н -парафіни - 0,97; метан - 1,6.

Інтегральне стехіометричне рівняння допомагає не тільки у розрахунках матеріальних балансів, але й дає уявлення, чому в тому чи іншому випадку утворюються кислоти або луги і змінюється рН середовища.

Матеріальний баланс біохімічного процесу також завершується складанням таблиці, в яку зведені норми витрат сировини і матеріалів, які необхідні для виробництва одиниці продукії.

3 ПРИНЦИПОВА ТЕХНОЛОГІЧНА СХЕМА ВИРОБНИЦТВА

Проектування принципової технологічної схеми виробництва доцільно починати після виконання матеріальних розрахунків, або одночасно з ними. Умовні графічні позначення апаратів, машин та матеріальних ліній наведені у додатку Б. Апаратуру на кресленні слід розташовувати так, щоб довжина матеріальних ліній була мінімальною і вони якнайменше перетинались між собою. У верхній частині схеми показуються вхідні комунікації, а в нижній – вихідні. Матеріальні потоки направляються переважно зліва направо. На всіх технологічних трубопроводах - матеріальних лініях, комунікаціях для підведення і відведення теплоносіїв і холодоагентів, стиснених газів, вакуумних лініях тощо - треба вказувати напрямок потоків.

Апарати та інше технологічне обладнання бажано розташовувати ярусами, у відповідності до їх реального розташування в технологічному приміщенні. Наприклад, нижній ярус – сховища, збірники, помпи для перекачування рідин; середній ярус – реакційні та перегінні апарати, ректифікаційні колони, фільтри, центрифуги, розділювачі фаз; верхній ярус – мірники, холодильники-конденсатори, скрубери тощо. На схемі необхідно показати все обладнання, яке встановлюється в цеху, включаючи технологічні трубопроводи, запірну і запобіжну арматуру, регулювальні клапани і байпаси до них, оглядові ліхтарі тощо. Дотримуватися масштабу при цьому не обов’язково.

При проектуванні декількох однотипових апаратів чи вузлів з аналогічною обв’язкою, на схемі викреслюють тільки один апарат або вузол з позначенням їх кількості.

Все устаткування, показане на технологічній схемі повинно бути пронумероване і внесене у специфікацію. Номер апарату на схемі повинен відповідати номеру цього ж апарату в описі технологічної схеми розрахунково-пояснювальної записки, а також на планах і розрізах будівельного креслення.

Дата добавления: 2014-10-23