Показатели химико-технологического процесса

Об эффективности осуществления любого промышленного химико-технологического процесса судят, прежде всего, по таким экономическим показателям, как приведенные затраты, себестоимость продукции и другим, которые характеризуют весь процесс в целом, его конечный результат без детального рассмотрения внутренней сущности и особенностей процесса.

Для оценки эффективности отдельных этапов химико-технологических процессов необходимо использовать такие показатели эффективности, которые наиболее полно отражают химическую и физико-химическую сущность явлений, происходящих в отдельных аппаратах технологической системы.

В качестве таких показателей принято, прежде всего, использовать:

- степень превращения исходного реагента (конверсию);

- селективность (избирательность);

- выход продукта.

Они с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции.

► Степень превращения реагента показывает, насколько полно в химико-технологическом процессе используется исходное сырье.

Степень превращения – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

Степень превращения, или конверсия, вещества (реагента) определяется по формуле

│n_i0 - n_i │ │∆ n_i │

Х_i = ────── = ──── , (2.1)

n_i0 n_i0

где n_i0 – количество вещества i в исходной реакционной смеси; n_i – количество вещества i в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе; ∆ n_i – изменение количества вещества i в ходе химической реакции.

Количество вещества в формуле может быть представлено массой в граммах или килограммах. Количеством молей или киломолей, объемом в кубических метрах в случае реакций, проводимых в газовой фазе. Степень превращения изменяется от 0 до 1. Часто ее выражают в процентах.

Обычно конверсию определяют по основному исходному продукту. Но можно и по другим исходным реагентам. Степень превращения – очень важный показатель в химической технологии, показывающий расход сырья, она может изменяться в широких пределах – от 4 до 100%.

Зная степень превращения, или задаваясь ею, можно найти количество молей исходного сырья в любой момент времени:

n_i = n_i0 (1 - Х_i ). (2.2)

Реакция протекает в соответствии со стехиометрическим уравнением

_А А + _В В _С С + _Р Р, (2.3)

где А, В – исходные вещества (реагенты); С – целевой продукт; Р – побочный или сопутствующий продукт; _А , _В , _{С, Р} - стехиометрические коэффициенты (в общем виде _i ).

В соответствии с этим стехиометрическим уравнением изменения количеств веществ – участников ∆ n_i связаны между собой следующими соотношениями:

│∆n_А│ │∆n_В│ │∆n_С│ │∆n_Р│ │∆n_i│

──── = ──── = ──── = ──── = n = ────. (2.4)

_{А В С Р I}

Степени превращения реагентов А и В, участвующих в реакции (2.3) определяется по формулам

│n_А0 - n_А│ │∆n_А│ │n_В0 – n_В│ │∆n_В│

Х_А = ─────── = ────; Х_В = ────── = ──── . (2.5)

n_А0 n_А0 n_В0 n_В0

Из соотношений (2.4) и формул (2.5) следует, что

│∆n_В│ _В ∙│∆n_А │ _В ∙ n_А0 ∙Х_А

Х_В = ──── = ─────── = ───────, (2.6)

n_{В0 А} ∙ n_{В0 А}∙ n_В0

или

n_А0 / n_В0

Х_В = ───── ∙ n_i ∙ Х_А. (2.7)

_А / _В

Уравнение (2.7) устанавливает связь между степенями превращения реагентов А и В и позволяет рассчитать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого.

Для простых и обратимых реакций, когда имеется одно независимое превращение и одно ключевое вещество, степень превращения является достаточно полной характеристикой материального баланса. Под ключевыми веществами понимают такие участвующие в химических превращениях вещества, которые позволяют полностью охарактеризовать материальный баланс системы.

Для сложных реакций знания конверсии недостаточно, так как в ней заключена только информация о превращениях основного исходного компонента и нет сведений о реакциях, в которых он расходуется. В таких случаях направление превращения определяется селективностью и выходом.

► Селективность (избирательность) – отношение количества полученного целевого продукта к теоретически возможному его количеству при данной степени превращения с учетом количественных соотношений участников реакции:

S = n_i / n_{i теор} , (2.8)

где n_i – количество, полученного целевого продукта, моль, кмоль;

n_{i теор} – теоретически возможное количество целевого продукта, моль, кмоль;

А – индекс, обозначающий исходное вещество, по которому рассчитывается селективность;

i – индекс, обозначающий продукт реакции, для которого рассчитывается селективность.

Теоретически возможное количество легко рассчитать из уравнений (2.1), (2.2), (2.4):

│ n_{i 0} - n_i │_теор │ n_{i 0} - n_i │ │ _i│

───────── = ──────; n_{i теор} = ─── ∙ n_A0 ∙ Х_А + n_{i0 теор} . (2.9)

_{i A} │ _А│

Принимая, что для продуктов начальное количество n_{i0 теор} равно 0, т.е в начальный момент времени в реакционной смеси отсутствуют продукты реакции

n_i

S = ────────── (2.10)

│ _i │

─── ∙ n_A0 ∙ Х_А

│ _А│

Селективность показывает долю полезно израсходованного на целевой продукт сырья. В технологии селективность изменяется от 40 до 100%. Повышение селективности иногда доже на доли процента дает большой экономический эффект и является путем к интенсификации процессов.

► Выход продукта – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях протекания химической реакции (или отношение количества молей реально полученного продукта к количеству молей взятого исходного сырья с учетом стехиометрических коэффициентов):

│n_i0 - n_i │

А = ──────── (2.11)

│ _i │

─── ∙ n _A0

│ _A │

Принимая, что начальное количество продуктов n_{I 0 теор} = 0,

n_i

А = ──────── (2.12)

│ _i │

─── ∙ n _A0

│ _A │

При анализе уравнений (2.10) и (2.12) видно, что

А = S ∙ Х_А , (2.13)

т.е выход от теории на пропущенное сырье равен произведению селективности на степень превращения. Таким образом, все три показателя химической реакции связаны между собой.

Одним из важных показателей эффективности работы технологического оборудования является его производительность.

► Производительность – это количество продукта, производимого в единицу времени аппаратом, установкой, цехом:

П = n_i / (2.14)

Производительность П может быть измерена в килограммах, тоннах за час, сутки, год и т. д.

Максимально возможная (проектная) для данной установки, агрегата, машины производительность называется мощностью. Одним из основных направлений развития химической промышленности является увеличение единичной мощности агрегатов (производительности одного реактора, установки), так как оно ведет к снижению капитальных затрат на выпуск единицы продукции и повышению производительности труда.

Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размера, в которых протекают одни и те же процессы, используют понятие «интенсивность».

►Интенсивностью называется производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, - его объему, площади поперечного сечения и т. д.

П n_i

I = ── = ─── , (2.15)

V V ∙

где П – производительность; n_i – количество продукта; − время; V – объем аппарата.

Интенсивность измеряется в кг / (ч∙м³), т / (сут ∙м²) и т. д.

Интенсивность является показателем эффективности работы аппарата. Она позволяет сравнивать по эффективности аппараты разной мощности.

При анализе работы каталитических реакторов принято относить производительность аппарата в целом к единице объема или массы катализатора, загреженного в реактор. Такую величину, численно равную количеству продукта, полученного с единицы объема или массы катализатора, называют производительностью катализатора.

При разработке ХТП или совершенствовании существующих стремятся к созданию аппаратов высокой интенсивности.