4.3 Материальные и энергетические балансы в технологическом процессе

Под технологическим балансом понимают результаты расчетов, которые отображают количество введенных и полученных в производственном процессе материалов и энергии. В основе материальных и энергетических балансов лежат законы сохранения материи и энергии. В материальном балансе количество введенных в производственный процесс материалов равняется количеству полученных основных и промежуточных продуктов и отходов производства. Точно так же должны быть одинаковыми количество введенной тепловой и электрической энергии и количество энергии, выведенной с продуктами и отходами.

Материальные и энергетические балансы имеют большое значение для анализа эффективности производственного процесса. С их помощью устанавливают коэффициенты полезного использования сырья, энергии, топлива. По результатам анализа принимаются организационные и технические решения, направленные на улучшение работы технологического оборудования.

Составление технологического баланса производства проводится в две стадии. Сначала составляют материальный, а потом на его основе – энергетический (или тепловой) баланс. Материальный баланс является количественным выражением закона сохранения массы. Масса веществ, которые поступают в технологическую операцию, равна массе полученных веществ:

М_Т + М_ж + М_Г = М′_Т + М′_ж + М′_Г, (4.1)

где М_Т, М_ж, М_Г – массы твердых, жидких и газообразных материалов, которые поступают на обработку;

М′_Т, М′_ж, М′_Г – массы продуктов и отходов, которые получены в результате переработки исходных веществ.

Тепловой (энергетический) баланс является количественным выражением закона сохранения энергии. Относительно тепловых процессов химической переработки сырья этот закон формулируется так: количество тепловой энергии, которая поступила в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, которая выведена веществами из этой зоны:

Q_Ф + Q_э + Q_В = Q′_Ф + Q′_П, (4.2)

где Q_Ф – физическая теплота, которую ввели в процесс с исходными веществами;

Q_э – теплота экзотермических и физических переходов из одного агрегатного состояния в другое (например, плавление, выпаривание, кристаллизация);

Q_В – теплота, которую подвели к процессу извне (например, с горючими газами, топливом, водой);

Q′_Ф – физическая теплота, которая выведена из процесса вместе с продуктами реакции;

Q′_П – выделение теплоты в окружающую среду (потери).

Слагаемые теплового баланса рассчитываются по общеизвестным формулам. Так, физическую теплоту Q_Ф, которую ввели с исходными веществами или вывели с продуктами реакции, вычисляют по формуле

Q_Ф = M·c·t, (4.3)

где M, c и t – соответственно масса, теплоемкость и температура вещества.

Теплота экзотермических реакций и физических переходов веществ из одного агрегатного состояния в другого определяется по экспериментальным данным или термохимическим расчетом. Если термохимический процесс эндотермический, то Q_э < 0.

Затраты теплоты в окружающую среду Q_П, которые предопределяются теплопроводностью стенок аппарата, излучением и конвекцией, вычисляют по расчетным зависимостям теплопередачи или берут на основе практических данных.