На материальных и тепловых расчетах основано определение практических расходных коэффициентов по сырью, материалам, энергоресурсам (природный газ, пар, электроэнергия), определение состава и массы отходов, выбор технологического оборудования.

В расчетно-графической работе расчеты материальных балансов производятся для всех стадий процесса, где происходят качественные или количественные изменения в материальных потоках в результате химических или физических процессов (химическое взаимодействие, испарение, абсорбция, пылеунос и др.). Точность материальных расчетов проверяется по потокам и компонентам. Критерием правильности расчетов является равенство масс, поступающих («приход») и уходящих («расход») потоков веществ. Допускается конечная «невязка» материального баланса до 2 %.

Количественные показатели должны быть представлены в массовых единицах (процентные и объемные показатели имеют вспомогательное значение). Следует помнить, что в случае газофазных процессов, идущих с изменением объема, в объемных единицах баланс может не сойтись.

Материальные балансы составляются на часовую или на суточную производительность (в килограммах или тоннах в час или сутки) или на одну тонну исходного сырья или готового продукта с дальнейшим пересчетом на заданную производительность. Не допускается вести технологические расчеты в таких единицах, как килограмм в секунду, тонна в секунду, моль в час, моль в сутки.

При непрерывном методе производства продукта, составляется материальный расчет на часовую производительность, при периодическом – на суточную, месячную или годовую.

Балансы составляются в виде таблиц, в заголовке которых должны быть указаны название технологической стадии процесса и базис расчета (масса, на которую рассчитывали баланс).

Методы материальных расчетов в химической технологии подробно излагаются в учебных пособиях [1–7].

В расчетно-графической работе по общей химической технологии рассчитывают материальные балансы не менее трех технологических стадий процесса. Кроме того, должен быть составлен общий (сводный) материальный баланс производства, равный сумме частных балансов с исключением потоков промежуточных полупродуктов. Пример оформления таблицы материальных балансов дан в приложении Б.

Прежде всего определяют затраты сырья по стехиометрическим соотношениям. Затем учитывают степень использования сырья. Потери сырья должны быть учтены на всех стадиях переработки сырья и полупродуктов. Потери сырья и полупродуктов могут быть в основном связаны:

- с явлением обратимости химических процессов, что обусловливает неполноту выхода продукта в прямоточных открытых схемах;

- влиянием кинетических факторов;

- наличием примесей в сырье и влиянием условий процесса на протекание побочных реакций;

- давлением выделяющихся газообразных веществ;

- пылеуносом, проливами, отходами производства.

Например, при получении кальцинированной соды в качестве исходного сырья используют известняк и раствор хлорида натрия. Процесс проводят в несколько технологический стадий:

- Обжиг известняка, для получения диоксида углерода.

- Гашение извести и получение известкового молока.

- Насыщение аммиаком (аммонизация) раствора хлорида натрия.

- Насыщение диоксидом углерода (карбонизация) раствора хлорида натрия с получением бикарбоната натрия и хлорида аммония.

- Фильтрация гидрокарбоната натрия.

- Регенерация аммиака.

- Кальцинация гидрокарбоната натрия с получением соды.

Суммарно процесс получения соды можно описать уравнением:

2NaCl + 2NH₃ + CO₂ + H₂O = 2NH₄Cl + Na₂CO₃                         (2)

Для получения одной тонны соды, с содержанием основного компонента (карбоната натрия) 93.5 мас.% в соответствии с уравнением (2) требуется рассола хлорида натрия с концентрацией NaCl 26.7 мас.%.

                                             (3)

где 1000 – количество соды, кг;

0.93 – массовая доля Na₂CO₃ в соде, доли;

58.5 – молекулярная масса NaCl, г/моль;

106 – молекулярная масса Na₂CO₃, г/моль;

0.267 – массовая доля NaCl в исходном рассоле, доли.

Тогда теоретический расходный коэффициент по сере составляет 3.8653.

Практический расходный коэффициент будет выше, что обусловлено потерями исходных компонентов на разных стадиях процесса. Допустим, что потери хлорида натрия суммарно на всех стадиях производства соды составят
17 мас.% (эта цифра условная, все потери должны быть обоснованы или согласованы с преподавателем). Тогда с учетом потерь в конечный продукт перейдет 83 мас.% натрия от всего натрия содержащегося в исходном сырье. Соответственно практический расходный коэффициент по исходному рассолу хлорида натрия в расчете на то, что в конечном продукте будет содержаться 93.5 мас.% карбоната натрия составит:

                                                                       (4)

и практический расходный коэффициент будет равен 4.657.

Для оценки удельной доли потерь в общем потоке материалов они должны быть отнесены к затратам сырья в целом либо к единице готовой продукции. Если потери основного сырья представлены в виде доли или процентов к исходному сырью, то они пересчитываются на конкретную величину материального потока с учетом химического превращения вещества. Рассчитанные таким образом потери учитываются в материальном расчете следующей стадии.

По данным материальных балансов рассчитывают практические расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты рассчитывают по уравнениям химических реакций с учетом массовой доли основного вещества в исходном сырье и конечном продукте. Далее составляют таблицу расходных коэффициентов. Значения практических расходных коэффициентов являются основой для расчета на предприятии себестоимости продукции. Таблицу расходных коэффициентов оформляют в соответствии с приложением В.

По данным общего материального баланса строят диаграмму материальных потоков Санкея в целом по производству (приложение Г).