Przebieg procesu technologicznego

W czasie prowadzenia procesów technologicznych następują zmiany

chemiczne struktury, własności, kształtu lub wyglądu przerabianych materiałów
wyjściowych. Głównym zadaniem technologii jest opracowanie najbardziej
racjonalnych pod względem technicznym i ekonomicznym metod wytwarzania
określonego produktu oraz ustalenie optymalnych warunków prowadzenia
procesu technologicznego. Wybór metod wytwarzania polega na wyborze
postępowania, które prowadzi do uzyskania określonego, z góry
zaplanowanego, pełnowartościowego wyrobu gotowego.

Przebieg procesu technologicznego jest przedstawiony na rysunkach

zwanych schematami. Obrazują one za pomocą napisów, umownych symboli
oraz uproszczonych rysunków aparatów kolejne, następujące po sobie procesy i
operacje jednostkowe.

Procesy jednostkowe dotyczą przemian chemicznych i biochemicznych,

w wyniku których powstają nowe substancje, np. neutralizacja, sulfonowanie,
uwodornianie, reakcje enzymatyczne itp.

Natomiast w operacjach jednostkowych substraty ulegają jedynie

przemianom fizycznym, np. rozdrobnieniu, rozdzieleniu, zagęszczeniu itp.

Zestawienie procesów i operacji jednostkowych zachodzących w

proponowanym rozwiązaniu technologicznym nazywa się schematem ideowym
procesu. Schemat taki zestawia się z prostokątnych kratek, symbolizujących
poszczególne procesy i operacje jednostkowe. Schemat taki powinien
uwzględniać zestawienie procesów i operacji jednostkowych w kolejności
zgodnej z rzeczywistym biegiem całego procesu produkcyjnego. Symbole
umieszcza się w układzie pionowym, rozpoczynając od góry. Poszczególne
symbole łączy się za pomocą strzałek zaznaczając kierunek ich przepływu.
Jeżeli proces produkcyjny składa się z więcej niż jednego ciągu
technologicznego, lub gdy występują dodatkowe obiegi, umieszcza się je obok.

Doprowadzenie do procesu surowców, energii oraz materiałów

pomocniczych zaznacza się strzałkami umieszczonymi po lewej stronie
poszczególnych symboli. Odpływ produktów ubocznych, odpadów i ścieków
oznacza się w podobny sposób przez zaznaczenie strzałek po prawej stronie
symbolu procesu lub operacji. W pole prostokątów wpisuje się nazwę procesu
względnie operacji jednostkowej oraz ewentualnie zasadnicze ich parametry np.
temperatura, ciśnienie.

Bilans materiałowy

Bilans materiałowy stanowi podsumowanie prac wykonanych nad

technologiczną koncepcją metody, pozwala na wstępną ocenę ich jakości i jest
podstawą doboru i projektowania aparatury i urządzeń dla prawidłowej
realizacji projektu w skali technicznej.

1

Podstawą do sporządzania każdego bilansu jest prawo zachowania masy,

które mówi, że masa surowców wprowadzona do procesu technologicznego
musi być równa masie substancji otrzymanych w wyniku dokonanych przemian:

Σ G

isur

=

Σ G

iprod

Przy założeniu, że w procesie stosuje się czyste składniki, tzn. wydajność

przemian jest 100% i nie występują straty, otrzymuje się bilans teoretyczny,
który obrazuje teoretycznie możliwą wydajność danego procesu
technologicznego.

Uwzględniając udziały masowe poszczególnych składników otrzymuje

się następujące zależności:

•

dla procesów jednostkowych (n

i

M

i

)

sub

= (n

i

M

i

)

prod

•

dla operacji jednostkowych (w

i

G

i

)

sub

= (w

i

G

i

)

prod

M

i

- masa cząsteczkowa [kg/mol]

n

i

- współczynnik stechiometryczny

w

i

- udział masowy składnika

G

i

– masa rozpatrywanego surowca [kg]

Tak więc dla procesu jednostkowego, którego przebieg można przedstawić w
formie równania:

n

A

M

A

+ n

B

M

B

= n

p

M

P

+ n

r

M

r

teoretyczne zapotrzebowanie na wytworzenie określonej ilości produktu wyraża
zależność:

(

)

[

G

G

n M

n M

kg

A teoretyczne

P

A

A

p

p

=

]

a teoretyczna ilość powstałego produktu z określonej ilości surowca przedstawia
równanie:

(

)

[

G

G

n M

n M

kg

A teoretyczne

A

p

p

A

A

=

]

Dla dowolnej operacji jednostkowej można ułożyć dwa podstawowe równania:

G

1

+ G

2

= G

3

+ G

4

w

1

G

1

+ w

2

G

2

= w

3

G

3

+ w

4

G

4

które pozwalają na wyliczenie dwu poszukiwanych niewiadomych.

2

Na przykład dla operacji suszenia:

G

S

- G

P

= G

W

w

1

G

S

- w

2

G

P

= w

3

G

W

gdzie

:

G

S

, G

P

, G

W

– masa początkowa i końcowa suszonego wyrobu oraz masa

wody

w

1

, w

2

, w

3

– udziały masowe suchego składnika

W bilansie teoretycznym w

3

= 0, stąd znając w

1

,

G

S

, w

2

otrzymuje się :

G

G

w

w

P

S

=

1

2

G

W

= G

S

– G

P

= G

S

(1–

w

w

1

2

)

Bilans teoretyczny stanowi podstawę do obliczania wydajności praktycznej.
W

przemysłowej realizacji procesu technologicznego nie spotykamy się z

substancjami chemicznie czystymi, występują odchylenia od teoretycznego
przebiegu procesu, a realne osiągnięcie wydajności wynikają ze stanów
równowagi. Przy opracowaniu bilansu praktycznego wszystkie te czynniki
należy uwzględnić. W związku z tym wzór na zaopatrzenie składnika A do
wyprodukowania G

P

kilogramów produktu przybierze postać:

G

G

w

G

w

n M

n M

A

A teoretyczne

A

A

P

A

A

A

A

p

p

=

=

(

)

η

η

gdzie: w

A

– udział masowy składnika A w surowcu wyjściowym

η

A

– sumaryczna sprawność procesu

Sumaryczna

sprawność procesu jest iloczynem sprawności cząstkowych

wynikających z niecałkowitego przereagowania, reakcji ubocznych oraz innych
strat:
η

A

=

η

A1

η

A2

η

A3

η

A4

η

5

...

η

An

Przykład:
Opracować bilans materiałowy dla produkcji kwasu mlekowego spożywczego w
ilości 20 ton/rok.
Wydajność: 20 ton/rok
Sposób pracy instalacji: periodyczny
Liczba roboczogodzin w roku: 300 dób

3

4

Przerwy:
- na remonty technologiczne: 26 dób na rok

65 dób na rok

- na remont kapitalny: 28 dób na rok
- nieprzewidziane: 11 dób na rok.
Czas fermentacji: 6 dni
Wielkość szarży produkcyjnej = 20000*6 dni/300 dób = 400 kg

Skład ilościowy surowców:
- sacharoza

100%

- woda
- węglan wapnia 93% CaCO

3

- kwas siarkowy 98% H

2

SO

4

- węgiel aktywny 100%
- kiełki słodowe suszone 95% s.s.

Skład produktu:
- kwas mlekowy 50%
- siarczan wapnia 50%

Sprawność operacji i procesów jednostkowych:
- pasteryzacja

η

1

=1

-

fermentacja

η

2

=0,90

-

filtracja

I

η

3

=0,99

-

rozszczepianie

η

4

=1

-

filtracja

II

η

5

=0,95

- zatężanie

η

6

=0,99

-

filtracja

III

η

7

=0,98

sumaryczna sprawność procesu

η = η

1

*

η

2

*

η

3

*

η

4

*

η

5

*

η

6

*

η

7

= 0,82

Stężenia i proporcje surowców:
- roztwór sacharozy

13%

- kiełki słodowe

1,0% w stosunku do ilości brzeczki

- węglan wapnia

5% nadmiaru w stosunku do ilości stechiometrycznej

- kwas siarkowy

5% nadmiaru w stosunku do ilości stechiometrycznej

- węgiel aktywny

1% w stosunku do roztworu po zatężeniu

- kultura bakterii

1,2% w stosunku do ilości brzeczki

Reakcje chemiczne procesu
C

12

H

22

O

11

+ H

2

O + 2CaCO

3

2Ca(C

3

H

5

O

3

)

2

+ 2H

2

O + 2CO

2

bakterie

342 18 2*100 2*218 2*18 2*44

Ca(C

3

H

5

O

3

)

2

+ H

2

SO

4

2C

3

H

6

O

3

+ CaSO

4

218 98 2*90 136

5

Obliczenia bilansowe na szarżę

Zapotrzebowanie sacharozy

G

G

w

n M

n M

kg

A

P

A

A

A

A

p

p

=

=

=

η

400 0 5

1 0 82

1 342

4 90

231 7

* ,

* ,

*

*

,

G

p

– wielkość szarży = 400kg

Bilans rozpuszczania

G

1

+ G

2

= G

3

G

1

– masa sacharozy

G

2

– masa wody

G

3

– masa otrzymanego roztworu

231,7=(231,7 + G

2

) * 0,13

G

2

= 1550,61

G

3

= G

1

+ G

2

G

3

= 1782,31 kg

Bilans pasteryzacji

G

3

+ G

4

+ G

5

= G

6

G

4

– masa kiełków słodowych

G

5

– masa węglanu wapnia

G

6

– masa brzeczki

G

G

w

kg

4

3

3

0 01

0 01 1782 31

0 95

18 76

=

=

=

,

, *

,

,

,

Zapotrzebowanie węglanu wapnia

G

G n M x

w n M

kg

5

1 5

5 5

5 1

1

231 7 2 100 1 05

0 93 342

152 98

=

=

=

, * *

* ,

, *

,

G

6

= G

3

+ G

4

+ G

5

G

6

= 1782,31 + 18,76 + 152,98 = 1954,05 kg

Bilans fermentacji

G

6

+ G

7

= G

8

+ G

9

6

G

7

– masa zaszczepu

G

8

– masa brzeczki po fermentacji

G

9

– masa wydzielonego dwutlenku węgla

G

7

= 0,012 G

6

= 0,012*1954,05 = 23,45 kg

G

G n M

n M

kg

9

1 9

9

2

1

1

231 7 2 44 0 9

1 342

53 66

=

=

=

η

, * *

* ,

*

,

G

8

= G

6

+ G

7

– G

9

G

8

= 1954,05 + 23,45 – 53,66 = 1923,84 kg

Bilans filtracji I

G

8

= G

10

+ G

11

G

10

– masa brzeczki po filtracji

G

11

– masa osadu odpadowego

G

11

= G

CaCO

3

+ G

kiełków

+ G

R

G

R

– masa roztworu zaabsorbowanego na wilgotnym osadzie

G

CaCO

3

= G

5

– G

CaCO

3 przereagowanego

G

CaCO

3 przereagowanego

=

=

=

G n

M

n M

kg

CaCO

CaCO

1

1

1

3

3

231 7 2 100

1 342

135 5

, * *

*

,

G

CaCO

3

= 152,98 – 135,5 = 17,48 kg

Masa pozostałych kiełków około 25% ilości dodanej:

G

kiełków

=0,25* G

4

= 0,25*18,76 = 4,69 kg

Straty roztworu przy filtracji wynoszą 1%.

G

R

= 0,01 G

8

= 0,01*1923,84 = 19,24 kg

G

11

= 17,48 + 4,69 + 19,24 = 41,41 kg – masa osadu odpadowego

G

10

= G

8

– G

11

= 1923,84 – 41,41 = 1882,43 kg

Bilans rozszczepiania

G

10

+ G

12

= G

13

7

G

12

– masa dodanego kwasu siarkowego 98%

G

13

– masa po rozszczepianiu

G

G n

M

n M

kg

ml Ca

ml Ca

ml Ca

.

.

.

, * *

*

* * , * ,

,

=

=

1

1

1

1

2

3

231 7 2 218

1 342

1 0 9 0 99 263 18

η η η

=

G

G

n M

w n

M

x

k

ml Ca

ml Ca

ml Ca

12

12

12

12

12

263 18 2 98

0 98 2 218

1 05 120 72

=

=

=

.

.

.

, * *

*

, * *

* ,

,

g

G

13

= 1882,43 + 120,72 = 2003,15 kg

Bilans filtracji II

G

13

= G

14

+ G

15

+ G

16

G

14

– masa roztworu po filtracji II

G

15

– masa siarczanu wapnia

G

16

– masa roztworu na wilgotnym osadzie

G

G

n

M

n

M

kg

ml Ca CaSO

CaSO

ml Ca

ml Ca

15

4

4

263 18 2 136

2 218

164 19

=

=

=

.

.

.

, * *

*

,

G

16

= 0,05 (G

13

– G

15

) = 0,05(2003,15 –164,19) =99,35 kg

G

14

= G

13

– (G

15

+ G

16

) = 2003,15 – (164,19 + 99,35) = 1739,61 kg

Bilans zatężania

G

14

= G

17

+ G

18

+ G

W

G

17

– masa 50% roztworu kwasu mlekowego

G

18

– masa roztworu przy zatężaniu

G

W

– masa odparowanej wody

G

14

= G

15

+ G

W

w

1

G

14

= w

2

G

15

+ w

3

G

W

gdzie w

1

, w

2,

w

3

– udziały

wagowe składnika w roztworze

Zakładamy w

3

= 0

w

1

G

14

= w

2

G

15

→ G

15

= G

14

w

1

/w

2

G

W

= G

14

– G

15

= G

14

(1– w

1

/w

2

),

8

gdzie w

2

– udział wagowy kwasu mlekowego w roztworze wynosi 0,5

W roztworze przed zatężeniem jest:

w

1

= G

kw.Ml

/G

14

G

G n

M

n M

kg

kw ml

kw ml

kw ml

.

.

.

*

, * *

*

* * , * ,

* * ,

,

=

=

1

1

1

1

3

3

4

5

231 7 4 90

1 342

1 0 9 0 99 1 0 95 206 44

η η η η η

=

w

1

= 206,44/1739,61 = 0,12

masa odparowanej wody:

G

W

= G

14

(1– w

1

/w

2

) = 1739,61 (1 – 0,12/0,5) = 1322,1 kg

G

17

+ G

18

= G

14

– G

W

= 1739,61 – 1322,1 = 417,51

Współczynnik sprawności zatężania

η

6

= 0,99

→ G

17

= 417,51*0,99 = 413,33

G

18

= 417,51 – 413,33 = 4,18 kg

Bilans filtracji III

G

17

+ G

19

= G

20

+ G

21

+ G

22

G

19

– masa węgla aktywnego (– 1% w stosunku do zatężania)

G

20

– masa kwasu mlekowego 50% po filtracji

G

21

– masa węgla aktywnego po filtracji = G

19

G

22

– straty roztworu przy filtracji III

G

19

= 0,01G

17

= 0,01*413,33 = 4,13 kg

G

20

= 0,98 G

17

= 0,98*413,33 = 405,06 kg

G

22

= 0,02 G

17

= 0,02*413,33 = 8,27 kg

9