Технологические критерии оценки эффективности химико-технологического процесса

Об эффективности осуществления любого промышленного процесса судят прежде всего по экономическим показателям, та­ким, как приведенные затраты, себестоимость продукции и т.д. Естественно, что окончательная оценка эффективности химико-технологического процесса выводится из этих критериев. Однако они характеризуют весь процесс в целом, его конечный результат, не входя в детальное рассмотрение внутренней сущности, особен­ностей процесса.

Для оценки эффективности отдельных этапов процесса необ­ходимо помимо общих экономических показателей использовать такие критерии эффективности, которые более полно отражали бы химическую и физико-химическую сущность явлений, проис­ходящих в отдельных аппаратах технологической схемы.

В качестве таких показателей принято, прежде всего, использовать степень превращения исходного реагента, выход продукта, селек­тивность. Они с разных сторон характеризуют полноту использова­ния возможностей осуществления конкретной химической реакции.

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

Степень превращения—это доля исходного реагента, использо­ванного на химическую реакцию, которая рассчитывается как отношение количества прореагировавшего вещества к его исходному количеству:

, (3.1)

где N_i1 - количество реагента i в исходной реакционной смеси; N_i2 — количество реагента i в реакционной смеси, выходящей из аппарата; ΔN_i— изменение количе­ства реагента i в ходе химической реакции.

Чаще всего в химической реакции участвует не один, а два реагента (или даже больше). Степень превращения может быть рассчитана по первому, второму или третьему реагенту, причем в общем случае не обязательно получаются равные результаты.

Если протекает реакция

aA + bB = cC + dD, (3.2)

где А, В – исходные реагенты; C, D – продукты реакции, a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты, то в соответствии с ее стехиометрическим уравнением изменения количеств ее участников ΔN_i связаны между собой следующими соотношениями:

(3.3)

степени превращения веществ А и В можно выразить формулами:

; , (3.4)

используя соотношение (3.3), можно выразить Х_В через Х_А.

Выход продукта.Степень превращения характеризует эффектив­ность проведения процесса с точки зрения использования исходно­го сырья, но этой величины не всегда достаточно для характеристи­ки процесса с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности — выход продукта.

Выход продукта (относительный)—отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Обозначим выход продукта Ф, тогда для модельной реакции (3.2) выход продукта С:

, (3.5)

где N_C2 количество реально полученного продукта С; N_Cmax- максимально возможное количество продукта при данных условиях.

Величина N_Сmaxв уравнении (3.5) зависит от типа осуществляемой химической реакции и может принимать разные значения. Например, максимальное количество продукта С может быть получено при условии полного превращения реагента А, тогда Ф называется выходом по компоненту А и рассчитывается по формуле:

, (3.6)

или при условии полного превращения реагента В, тогда Ф называется выходом по компоненту В:

. (3.7)

Селективность.Выход продукта характеризует полученный результат, как долю от предельно возможного. Целесообразно оценить и реальную ситуацию, т. е. дать количественную оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.

Критерием для такой оценки является селективность. Селективность выражается в долях единицы или процентах.

Полная, или интегральная, селективность — это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на все реакции (и целевую, и побочные)

Мгновенной, или дифференциальной, селективностью называют отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов.

Производительность – это количество продукта, полученное за единицу времени. В зависимости от того в каких единицах измерения выражено количество продукта различают мольную (П), массовую (П´) или объемную (П´´) производительность. Для реакции (3.2) производительность по продукту С в случае проведения непрерывного процесса можно рассчитать:

П = N_C2 - N_C1 (кмоль/ч); (3.8)

П´ = G_C2 - G_C1 (кг/ч); (3.9)

П´´ = V_C2 - V_C1 (м³/ч), (3.10)

где N_C1, N_C2 (кмоль/ч) – мольные потоки продукта С на входе и на выходе из реактора; G_C1, G_C2 (кг/ч) - массовые потоки; V_C1, V_C2 (м³/ч) – объемные потоки.

В случае проведения периодического процесса:

П = N_C /τ (кмоль/ч); (3.11)

П´ = G_C /τ (кг/ч); (3.12)

П´´ = V_C /τ (м³/ч), (3.13)

где N_C (кмоль) – количество, G_C (кг) – масса, V_C (м³) – объем полученного продукта С, соответственно; τ – время (ч).

Интенсивность –это отношение производительности к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата:

I = П/V; I´ = П/S, (3.14)

где V – объем аппарата, при этом интенсивность измеряется в кг/(ч·м³);

S – площадь сечения аппарата, при этом интенсивность измеряется в кг/(ч·м²).

Расходные коэффициенты по сырью (А_i) относятся к технико-экономическим показателям и характеризуют количество каждого вида сырья, израсходованного на получение 1 т (кг) целевого про­дукта. Единицей измерения расходного коэффициента является тонна сырья на тонну продукта (т/т; кг/кг).

Различают теоретический А_iт и фактический А_iф расходные коэффициенты. Теоретические коэффициенты рассчитывают из уравнения реакции, используя молекулярные массы реагентов и продук­тов и стехиометрические коэффициенты. Для реакции (3.2) теоретический расходный коэффициент вещества А по продукту С будет:

, (3.15)

где М_А, М_С – молярные массы веществ А и С; a, c – стехиометрические коэффициенты.

Фактические расходные коэффициенты находят из данных материального баланса, поделив количество i-го сырья на количество полученного продукта или по формуле:

, (3.16)

где Х_А – степень превращения вещества А; Z_А – мольная доля (концентрация) вещества А в исходном сырье.

4.Общие закономерности химических процессов.