Укладання матеріальних балансів для процесів з рециклами

Процеси з рециклами є дуже розповсюдженими у хімічній промисловості. Повернення частини мас на початкові стадії процесу дозволяють більш повно економити сировину там, де її необхідно виконувати у збитку.

Для укладанні балансів процесів, що містять рецикли, неможливо використовувати спрощений метод розрахунку, оскільки структура рівнянь балансу не дозволяє виконувати послідовні розрахунки. Тому задачі слід розв’язувати за допомогою явного укладання і розв’язку систем рівнянь матеріального балансу.

Розглянемо укладання балансів на прикладі процесу монохлорування бензолу за рівнянням:

 

С₆Н₆ + Cl₂ = C₆H₅Cl + HCl. (2.19)

 

Процес проводять у збитку бензолу для запобігання утворення продуктів діхлорування. На кінцевої стадії відбувається поділ суміші бензолу і хлорбензолу і повернення поворотного хлорбензолу, що містить бензол і хлорбензол, на стадію хлорування.

Схему матеріальних потоків наведено на рис. 2.2. Метаопис процесу у відповідності до схеми:

 

 

Рисунок 2.2 – Схема матеріальних потоків виробництва хлорбензолу.

 

 

а) процес містить послідовні стадії хлорування і ректифікації;

б) на стадії хлорування:

1) завантажуються:

- свіжий бензол;

- поворотний бензол зі стадії ректифікації;

- хлор;

2) мольне співвідношення бензол: хлор складає 1: 0,5;

3) ступень перетворення по хлору складає 100 %;

4) втрати бензолу на стадії хлорування складають 1 % від маси бензолу, що був завантажений.

Склад вхідних вихідних і проміжних продуктів наведений у таблиці 2.5.

Необхідно скласти матеріальний баланс у розрахунку на 1000 кг товарного хлорбензолу.

Оскільки маса і склад товарного хлорбензолу є відомими, розрахуємо маси компонентів товарного продукту:

а) хлорбензол: 1000×99,5 % = 995 кг;

б) бензол: 1000×0,5 % = 5 кг

Позначимо невідомі компоненти (таблиця 2.6). Всього компонентів: 8, тобто необхідно скласти замкнену систему з 8 рівнянь балансу та зв’язків між компонентами.

 

Таблиця 2.5 – Склад вхідних, проміжних і вихідних продуктів хлорування бензолу

 

Наименование	Склад, % мас.
Сl2	HCl	бензол	хлорбензол
Бензол свіжий
Бензол повернений
Хлорбензол сирой
Хлорбензол товарн.			0,5	99,5
Втрати бензола
Хлористый водень
Хлор

 

 

Складаємо рівняння по стадіям:

а) стадія хлорування:

1) закон збереження маси: сума мас на вході на стадію дорівнює сумі мас на виході:

 

х₁+х₂+х₃+х₄ = х₅+х₆+х₇+х₈; (2.20)

 

2) за рівнянням (2.13) та мета опису кількість молів Сl₂, що завантажено, дорівнює кількості молів HCl, що створюється (вихід по хлору 100%):

Таблиці 2.6 – Позначення невідомих

 

Реакційна маса	Компонент	Формула	Позначення, кг
Бензол свіжий	Бензол	С6Н6	х1
Бензол поворотний	Бензол	С6Н6	х2
Хлорбензол	С6Н5Сl	х3
Хлор	Хлор	Сl2	х4
Хлористий водень	Хлористий водень	HCl	x5
Втрати бензолу	Бензол	С6Н6	х6
Хлоробензол сирий	Бензол	С6Н6	х7
Хлорбензол	С6Н5Сl	х8

 

, або 36,5×х₄ - 71×х₅ = 0, (2.21)

 

де 71 і 36,5 кг/кмоль – молярні маси хлору і хлористого водню;

3) втрати бензолу складають 1 % від того, що завантажений (в сумі):

 

, або х₆-0,01×х₁-0,01×х₂ = 0; (2.22)

 

 

4) мольне співвідношення бензол: хлор дорівнює 2: 1:

 

, (2.23)

 

де 78 кг/кмоль – молярна маса бензолу

 

5) кількість молів хлорбензолу, що створилось за реакцією (2.13), дорівнює кількості молів хлору. Кількість молів хлорбензолу, що створилась, дорівнює різниці між кількістю хлорбензолу на виході зі стадії (х₈) і на вході на стадію (х₃, рис. 2.2):

 

або 112,5×х4 - 71×х₈+71×х₃ = 0, (2.24)

 

де 112,5 кг/кмоль – молярна маса хлорбензолу;

6) співвідношення продуктів у поворотному бензолі:

 

або х₂-9×х₃ = 0; (2.25)

 

б) стадія ректифікації:

7) закон збереження маси при ректифікації:

 

х₇+ х₈ – х₂ – х₃ = 1000; (2.26)

 

8) збереження кількості бензолу: кількість на вході (х₇) дорівнює кількості на виході (х₂ + 5) зі стадії:

 

х₇ – х₂ = 5. (2.26)

 

Поєднуючи рівняння (2.20) – (2.27), отримаємо систему рівнянь в матричному виді:

 

	х1	х2	х3	х4	х5	х6	х7	х8	Св.чл
					-1	-1	-1	-1
				36,5	-71
	-0,01	-0,01
				-156
				112,5				-71
			-9
		-1	-1
		-1

 

Після розв’язання системи отримуємо:

 

х1	х2	х3	х4	х5	х6	х7	х8
707,20	679,47	75,50	631,11	324,44	13,87	679,47	1075,50

 

Виходячи з одержаних результатів, складаємо таблиці матеріального балансу з кожної стадії (таблиця 2.7). Для скорочення у таблиці не наведені розрахунки об’ємів мас, а також – спрямування продуктів.

Детально з побудовою таблиці можна познайомитися на робочому аркуші у електронному задачнику, де у проекті наведено усі зв’язки між комірками проекту.

 

 

Таблиця 2.7 - Матеріальний баланс виробництва хлорбензолу

 

Стадія 1. Хлорування. Прихід
Найменування продуктів та компонентів	Мол. маса	Мас. частка, %	Маса, кг	кг-моль
техніч.	100%
1. Бензол свіжий			707,20	707,20	9,0667
2. Бензол поворотний, в т.ч.			754,96
- Бензол				679,47	8,7111
- Хлорбензол	112,5			75,50	0,6711
3. Хлор			631,11	631,11	8,8889
Підсумок			2093,27	2093,27
Витрата
1. Хлорбензол сирий, в т.ч.			1754,96
- Хлорбензол	112,5			1075,50	9,5600
- Бензол				679,47	8,7111
2 Хлористий водень	36,5		324,44	324,44	8,8889
3. Втрати бензолу			13,87	13,87	0,1778
Підсумок			2093,27	2093,27
Стадія 2. Ректифікація Прихід
1. Хлорбензол сирий, в т.ч.			1754,96
- Хлорбензол	112,5	61,28		1075,50	9,5600
- Бензол		38,72		679,47	8,7111
Підсумок			1754,96	1754,96

Продовження табл. 2.7

 

Найменування продуктів та компонентів	Мол. маса	Мас. частка, %	Маса, кг	кг-моль
Витрата
1.Хлорбензол товарний	112,5
2. Бензол поворотний, в т.ч.			754,96
- бензол				679,47	8,7111
-хлорбензол	112,5			75,50	0,6711
Итого			1754,96	1754,96

 

Контрольні запитання

1 Чому в реальних умовах зімічні реакції не завжди перебігають до кінця?

2 Які є кількісні характеристики перебігу хімічних реакцій, Яка х них відноситься до вхідних речовин, а яка – до продуктів?

3 Зміст поняття «ступінь перетворення»

4 Як можна розрахувати ступінь перетворення?

5 Зміст поняття вихід

6 У хімічній реакції А + 2В = С завантаження А: 1,5 моль, В = 2 моль. Кількість речовини С наприкінці процесу складає 1 моль. Розрахувати вихід і ступінь конверсії.

7 Для чого використовуються таблиці завантажень, Яка їх структура?

8 Який нормативний документ є основним для виробництва продукції в хімічної промисловості?

9 Які основні типи регламентів використовуються на практиці? Якими є галузі їх призначення.

10 Яку роль в технології грає матеріальний баланс процесу?

11 Основні вимоги до розрахунку матеріального балансу

12 Таблиці матеріального балансу, їх структура.

13 Якими можуть бути схеми матеріальних потоків технологічних процесів?

14 Сутність поняття «рецикл». Навіщо використовується ре цикл?

15 До чого зводиться розрахунок матеріальних балансів з точки зору математики?

16 Сутність спрощеного розрахунку матеріального балансу для лінійних процесів

17 Для якої кількості і якої речовини відбувається на практиці розрахунок матеріального балансу?

18 Що попереджає укладанню матеріального балансу?

Завдання для самостійної роботи

Користуючись метаописом, що наведений нижче, побудувати систему рівнянь матеріального балансу процесу нитрування, а на їх основі – таблиці матеріального балансу на 1000 кг нітропродукту.

Процес виробництва нітропродуктів містить наступні стадії

нітрування,

промивки,

осушки.

Схему матеріальних потоків наведено на рис. 2.3

 

 

Рисунок 2.3 Схема матеріальних потоків одержання моно нітросполук

 

 

На стадію нітрування подаються:

- нітросуміш, що містить 60 % мас. H₂SO₄, 35 % HNO₃ й 5 % води,

- свіжа речовина RH,

- оборотний розчин зі стадії осушки, що містить мононітропродукт й вхідну речовину RH.

При нітрування перебігає реакція:

 

RH + HNO₃ = RNO₂ + H₂O

 

Співвідношення кількості молів RH ¸ HNO₃ складає a: 1. Ступінь конверсії HNO₃ складає 95 %.

В результаті реакції створюються і відділяються:

- відпрацьована кислота, що містить сірчану кислоту, азотну кислоту, й воду,

- кислий мононітропродукт, що містить мононітропродукт, вхідну речовину RH, азотну кислоту у кількості р₁ % від загальної маси.

Відпрацьовану кислоту спрямовують на переробку в цех регенерації кислот.

Кислий мононітропродукт спрямовують на стадію промивки, де обробляють водою в кількості 50 кг/1000 кг кислого мононітропродукта.

В результаті створюються й відділяються:

- промитий мононітропродукт, що містить мононітропродукт й вхідну речовину RH,

- промивну воду, відхід виробництва, що містить воду й азотну кислоту.

Промитий мононітропродукт спрямовують на осушку, в результаті якої створюється технічний мононітропродукт, який вважати за 100 %-ну речовину, й оборотний розчин, що містить мононітропродукт (Р₂ %) й вхідну речовину RH (100-Р₂ %). Кількість технічного мононітропродукту: 1000 кг

Дані, необхідні для виконання, наведені в таблиці варіантів

Вказівки з виконання:

а) виписати на аркуші паперу усі невідомі й позначити їх як х₁, х₂, …;

б) на аркуші паперу (а потім – на робочому аркуші Ехсel) накресліть схему, вкажіть усі продукти на кожній стрілці, позначте невідомі,

в) записати рівняння хімічної реакції, розрахувати молярні маси усіх компонентів сумішей;

г) користуючись даними метаопису, скласти рівняння зв’язку між невідомими, користуючись інформацією з мета опису і прикладом, що розглянутий у 2.5. Кількість рівнянь повинна дорівнювати кількості невідомих;

д) укладати таки рівняння зв’язків:

1) склад сумішей з відомим вмістом речовин (наприклад нітросуміші). При цьому кількість рівнянь повинна бути на 1 менше га кількість компонентів;

2) співвідношення кількостей молів азотної кислоти й RH, що йдуть на нітрування,

3) баланс по воді, з врахуванням кількості води, що міститься у нітросуміші, що утворюється у процесі реакції, що залишається у складі відпрацьованої кислоти. Кількість води, що створюється, одержати з пропорції по реакції нітрування;

4) баланс по сумі мас речовин, що входять у процес нітрування й виходять з нього;

5) баланс по кількості нітропродукту, з врахуванням кількості нітропродукту, що увійшло з оборотним розчином, що утворилося в реакції й що увийшло на стадію промивки. Кількість нітропродукту, що утворилась, розрахувати, виходячи з кількості молів азотної кислоти, з врахуванням ступеня конверсії,

6) баланс по кількості азотної кислоти: загальна кількість азотної кислоти, що залишилась, складається з суми кількостій азотної кислоти у відпрацьованої кислоті й кислому нітропродукті;

7) вираз для співвідношення мас кислого нітропродукту й води з метаопису,

8) вираз для вмісту азотної кислоти у кислому нітропродукті;

9) баланс по RH, що надходить на стадію осушки й виходить з неї;

10) баланс по нітропродукту, що надходить на стадію осушки й виходить з неї (з врахуванням кінцевого товарного продукту);

11) співвідношення між RH й нітропродуктом у оборотному розчині;

д) скласти в Ехсеl або в ОО Calc таблицю для розв’язання системи рівнянь. Розрахувати визначник системи, виявити, чи є серед рівнянь лінійно залежні. У випадку їх наявності переглянути рівняння системи, виключити зайві;

е) розв’язати систему й проаналізувати розв’язок. Якщо серед коренів є негативні – перевірити вірність складання рівнянь, виключити помилкові;

д) скласти таблиці матеріального балансу «прихід – витрата» по кожній стадії у відповідності до вимог, що викладені у 2.5. Для формування в балансі назви нітропродукту користуватися наступним правилом: «мононітро + назва вхідної речовини». Наприклад, якщо RH – толуол, то назва – мононітротолуол. Прийняти щільність нітросуміші 1600 кг/м³, відпрацьованої кислоти: 1700 кг/м³, вхідної речовини RH: 900 кг/м³, нітропродукту: 1350 кг/м³

 

Варіанти завдань:

 

Варіант	RH	Назва	а	Р1	Р2
	С6Н6	бензол		0,5
	С6Н6	бензол	2,5	0,3
	С6Н6	бензол		0,3
	С6Н6	бензол		0,5
	С7Н8	толуол		0,5
	С7Н8	толуол	2,5	0,3
	С7Н8	толуол		0,3
	С7Н8	толуол		0,5
	С8Н10	ксилол		0,5
	С8Н10	ксилол	2,5	0,3
	С8Н10	ксилол		0,3
	С8Н10	ксилол		0,5
	С9Н12	кумол		0,5
	С9Н12	кумол	2,5	0,3
	С9Н12	кумол		0,3
	С9Н12	кумол		0,5
	С6H5Cl	хлорбензол		0,5
	С6H5Cl	хлорбензол	2,5	0,3
	С6H5Cl	хлорбензол		0,3
	С6H5Cl	хлорбензол		0,5