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:
Ł Gisur = Ł Giprod
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 (niMi)sub = (niMi)prod
" dla operacji jednostkowych (wiGi)sub = (wiGi)prod
Mi - masa cząsteczkowa [kg/mol]
ni - współczynnik stechiometryczny
wi - udział masowy składnika
Gi  masa rozpatrywanego surowca [kg]
Tak więc dla procesu jednostkowego, którego przebieg można przedstawić w
formie równania:
nAMA + nBMB = npMP + nrMr
teoretyczne zapotrzebowanie na wytworzenie określonej ilości produktu wyraża
zależność:
nA M
A
(GA)teoretyczne = GP [kg]
np M
p
a teoretyczna ilość powstałego produktu z określonej ilości surowca przedstawia
równanie:
np M
p
(GA)teoretyczne = GA [kg]
nA M
A
Dla dowolnej operacji jednostkowej można ułożyć dwa podstawowe równania:
G1 + G2 = G3 + G4
w1G1 + w2G2 = w3G3 + w4G4
które pozwalają na wyliczenie dwu poszukiwanych niewiadomych.
2
Na przykład dla operacji suszenia:
GS - GP = GW
w1GS - w2GP = w3GW
gdzie: GS, GP, GW  masa początkowa i końcowa suszonego wyrobu oraz masa
wody
w1, w2, w3  udziały masowe suchego składnika
W bilansie teoretycznym w3 = 0, stąd znając w1, GS, w2 otrzymuje się :
w
1
G = G
PS
w
2
w1
GW = GS  GP = GS (1 )
w2
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 GP kilogramów produktu przybierze postać:
(GA)teoretyczne GP nA M A
GA ==
wA�A wA�A np Mp
gdzie: wA  udział masowy składnika A w surowcu wyjściowym
�A  sumaryczna sprawność procesu
Sumaryczna sprawność procesu jest iloczynem sprawności cząstkowych
wynikających z niecałkowitego przereagowania, reakcji ubocznych oraz innych
strat:
�A = �A1�A2�A3�A4�5 ... �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% CaCO3
- kwas siarkowy 98% H2SO4
- węgiel aktywny 100%
- kiełki słodowe suszone 95% s.s.
Skład produktu:
- kwas mlekowy 50%
- siarczan wapnia 50%
Sprawność operacji i procesów jednostkowych:
- pasteryzacja �1=1
- fermentacja �2=0,90
- filtracja I �3=0,99
- rozszczepianie �4=1
- filtracja II �5=0,95
- zatężanie �6=0,99
- filtracja III �7=0,98
sumaryczna sprawność procesu � = �1*�2*�3*�4*�5*�6*�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
C12H22O11 + H2O + 2CaCO3 bakterie 2Ca(C3H5O3)2 + 2H2O + 2CO2
342 18 2*100 2*218 2*18 2*44
Ca(C3H5O3)2 + H2SO4 2C3H6O3 + CaSO4
218 98 2*90 136
5
Obliczenia bilansowe na szarżę
Zapotrzebowanie sacharozy
GP nA M 400*0,5 1*342
A
GA == = 231,7kg
wA� np M 1*0,82 4 *90
A p
Gp  wielkość szarży = 400kg
Bilans rozpuszczania
G1 + G2 = G3
G1  masa sacharozy
G2  masa wody
G3  masa otrzymanego roztworu
231,7=(231,7 + G2) * 0,13
G2 = 1550,61
G3 = G1 + G2
G3 = 1782,31 kg
Bilans pasteryzacji
G3 + G4 + G5 = G6
G4  masa kiełków słodowych
G5  masa węglanu wapnia
G6  masa brzeczki
001G3
,
0,01*1782,31
G4 == = 18,76kg
w3 095
,
Zapotrzebowanie węglanu wapnia
Gn5 Mx5 231,7 * 2 *100 *1,05
1 5
G5 == = 152,98kg
w5n1 M1 093* 342
,
G6 = G3 + G4 + G5
G6 = 1782,31 + 18,76 + 152,98 = 1954,05 kg
Bilans fermentacji
G6 + G7 = G8 + G9
6
G7  masa zaszczepu
G8  masa brzeczki po fermentacji
G9  masa wydzielonego dwutlenku węgla
G7 = 0,012 G6 = 0,012*1954,05 = 23,45 kg
Gn9 M9�2 231,7 *2 *44 *0,9
1
G9 == = 53,66kg
n1 M1 1*342
G8 = G6 + G7  G9
G8= 1954,05 + 23,45  53,66 = 1923,84 kg
Bilans filtracji I
G8 = G10 + G11
G10  masa brzeczki po filtracji
G11  masa osadu odpadowego
G11 = GCaCO3 + Gkiełków + GR
GR  masa roztworu zaabsorbowanego na wilgotnym osadzie
GCaCO3 = G5  GCaCO3 przereagowanego
GnCaCO MCaCO 231,7 * 2 *100
1
3 3
GCaCO == = 135,5kg
3 przereagowanego
n1M1 1* 342
GCaCO3 = 152,98  135,5 = 17,48 kg
Masa pozostałych kiełków około 25% ilości dodanej:
Gkiełków =0,25* G4 = 0,25*18,76 = 4,69 kg
Straty roztworu przy filtracji wynoszą 1%.
GR = 0,01 G8 = 0,01*1923,84 = 19,24 kg
G11 = 17,48 + 4,69 + 19,24 = 41,41 kg  masa osadu odpadowego
G10 = G8  G11 = 1923,84  41,41 = 1882,43 kg
Bilans rozszczepiania
G10 + G12 = G13
7
G12  masa dodanego kwasu siarkowego 98%
G13  masa po rozszczepianiu
Gnml.Ca Mml.Ca 231,7 *2 *218
1
Gml.Ca = �1�2�3 = *1*0,9 *0,99 = 263,18kg
n1 M1 1* 342
Gml.Can12 M12 263,18* 2 *98 *
G12 = x12 = *1,05 = 120,72kg
w12nml.Ca Mml.Ca 098* 2 *218
,
G13 = 1882,43 + 120,72 = 2003,15 kg
Bilans filtracji II
G13 = G14 + G15 + G16
G14  masa roztworu po filtracji II
G15  masa siarczanu wapnia
G16  masa roztworu na wilgotnym osadzie
Gml.CanCaSO MCaSO 263,18 *2 *136
4 4
G15 == = 164,19kg
nml.Ca Mml.Ca 2 * 218
G16 = 0,05 (G13  G15) = 0,05(2003,15  164,19) =99,35 kg
G14 = G13  (G15 + G16) = 2003,15  (164,19 + 99,35) = 1739,61 kg
Bilans zatężania
G14 = G17 + G18 + GW
G17  masa 50% roztworu kwasu mlekowego
G18  masa roztworu przy zatężaniu
GW  masa odparowanej wody
G14 = G15 + GW
w1G14 = w2G15 + w3GW
gdzie w1, w2, w3  udziały wagowe składnika w roztworze
Zakładamy w3 = 0
w1G14 = w2G15 G15 = G14w1/w2
GW = G14  G15 = G14 (1 w1/w2),
8
gdzie w2  udział wagowy kwasu mlekowego w roztworze wynosi 0,5
W roztworze przed zatężeniem jest:
w1 = Gkw.Ml/G14
Gnkw.ml Mkw.ml 231,7 *4 *90
1
Gkw.ml = *�1�3�3�4�5 = *1*0,9 *0,99 *1*0,95 = 206,44kg
n1 M1 1*342
w1 = 206,44/1739,61 = 0,12
masa odparowanej wody:
GW = G14 (1 w1/w2) = 1739,61 (1  0,12/0,5) = 1322,1 kg
G17 + G18 = G14  GW = 1739,61  1322,1 = 417,51
Współczynnik sprawności zatężania �6 = 0,99 G17 = 417,51*0,99 = 413,33
G18 = 417,51  413,33 = 4,18 kg
Bilans filtracji III
G17 + G19 = G20 + G21 + G22
G19  masa węgla aktywnego ( 1% w stosunku do zatężania)
G20  masa kwasu mlekowego 50% po filtracji
G21  masa węgla aktywnego po filtracji = G19
G22  straty roztworu przy filtracji III
G19 = 0,01G17 = 0,01*413,33 = 4,13 kg
G20 = 0,98 G17 = 0,98*413,33 = 405,06 kg
G22 = 0,02 G17 = 0,02*413,33 = 8,27 kg
9