Основные технологические критерии эффективности

Для оценки качества ХТП используют количественные

технологические показатели: степень превращения сырья,

селективность образования и выход продукта, производительность

реактора или установки, интенсивность работы реактора или

катализатора, расходные коэффициенты по реагентам, другим

веществам (в ходе ХТП расходуются катализаторы, инерты и т.д.) и

энергии. Эти показатели характеризуют степень совершенства ХТП.

Рассмотрим основные показатели на примере реакции (1.18),

которую будем считать основной реакцией ХТП.

aA +bB = pP (1.18)

Степень превращения (степень конверсии) реагента (Х) – это

отношение количества превращенного реагента к введенному в

реакционную систему количеству этого реагента. Количества реагента

могут быть выражены в единицах массы, молях, в мольных потоках

(количество молей вещества, поступающее в реактор или выходящее из

реактора в единицу времени) и, даже, в единицах объема, взятых при

одинаковых условиях (температуре и давлении).

Х_A=(G_A0-G_A)/ G_A0 , Х_A=(N_A0-N_A)/ N_A0

Если объем реакционной системы остается постоянным в ходе

ХТП, то во всех расчетах количества веществ могут быть заменены их

молярными концентрациями. При использовании формул (1.19) степень

превращения получают в долях единицы. Умножив полученное значение

на сто процентов, получим величину Х в процентах.

Выходом продукта по данному реагенту называют

отношение количества реагента, превратившегося в данный продукт, к

количеству этого реагента, введенного в систему. Эквивалентная

формулировка: выход продукта по данному реагенту – это отношение

количества продукта, полученного практически, к количеству этого

продукта, которое должно быть получено из введенного количества

данного реагента в соответствии с уравнением реакции. Обе

формулировки выражаются одной формулой. Для уравнения (1.18)

выходы продукта Р на реагенты А и В выражаются формулами (1.20).

n_P^A=N_p*a/N_A0*p, n_P^B=N_p*b/N_b0*p

Для уточнения связи формулы (1.20) с двумя формулировками

определения выхода перепишем ее для реагента А в двух видах: (1.21)

– для первой формулировки, (1.22) – для второй.

n_P^A=N_p*(a/p)/N_A0, n_P^A=N_p/N_A0*(p/a)

Выход можно рассчитывать для каждого из продуктов по любому

из реагентов (а если необходимо, то и по всем реагентам основной

реакции). Чаще выход рассчитывают для наиболее ценного (целевого)

продукта на наиболее дорогой из реагентов.

Аналогичным образом может быть рассчитан выход по каждому из

побочных продуктов. Очевидно, что практический выход не может

превышать равновесный выход при условиях проведения процесса.

Для процессов, в которых трудно выделить одну

стехиометрическую реакцию образования целевого продукта, и поэтому

нельзя рассчитать выход описанным способом, рассчитывают

показатель, который также называют выходом или массовым выходом и

который представляет собой отношение массы полученного продукта к

массе затраченного сырья. Например, выход этилена для процесса

пиролиза фракций нефти находят как отношение массы этилена к массе

поступившей в реактор фракции нефти.

Селективность – важнейший показатель сложного ХТП,

характеризующий эффективность превращения сырья в целевой

продукт. Селективность образования продукта по реагенту (φ) – это

отношение количества этого реагента, превратившегося в продукт, к

общему количеству превратившегося реагента. В отличие от выхода,

селективность не учитывает не превратившийся реагент, поэтому этот

показатель более чувствителен к соотношению различных направлений

химического превращения. Для реакции (1.18) селективность

образования продукта Р по реагентам А и В выразится формулами

(1.29) и (1.30), в знаменателе которых, в отличие от формул для выхода

(1.21) и (1.22), количество превращенного реагента. Символом N

обозначены мольные количества веществ или мольные потоки (для

открытых систем, работающих в стационарном режиме).

ϕ_P^A=N_p*a/(N_A0-N_A)*p, ϕ_P^B=N_p*b/(N_B0-N_B)*p

Для селективности, также как для выхода, есть второе

определение: селективность – это отношение количества полученного

практически продукта, к количеству этого продукта, которое должно

было быть получено из прореагировавшего количества реагента в

соответствии со стехиометрией реакции, по которой образуется этот

продукт. Если продукт образуется по нескольким реакциям, то

селективность, как правило, рассчитать нельзя.

Селективность, рассчитанную по формулам (1.29,1.30) называют

интегральной в отличие от дифференциальной селективности.

Дифференциальной селективностью образования продукта Р по реагенту А называют отношение скорости расходования реагента А на образование продукта Р к суммарной скорости превращения А. Рассчитывают дифференциальную селективность как отношение скоростей образования продукта и расходования реагента, умноженное на обратное отношение стехиометрических

коэффициентов. (1.31 для реакции 1.18). Член (r_p*a/p)в уравнении (1.31)

равен скорости расходования А на образование Р.

ϕ_p^A =r_p*a/r_a*p

Взаимосвязь степени превращения реагента, выхода и

интегральной селективности образования продукта по этому реагенту

легко получить, перемножив выражения для степени превращения (1.19)

и селективности (1.29). Сократив одинаковые члены в числителе и

знаменателе, получим (1.34) (сравнить с (1.21)).

n_P^A= Х_A * ϕ_P^A =(N_A0-N_A)/ N_A0 * N_p*a/(N_A0-N_A)*p = N_p*a/ N_A0 *p

Очевидно, что для простых ХТП селективность равна единице

(100%) для всех продуктов единственной реакции (стехиометрического

уравнения). В этом случае выход каждого из продуктов реакции по

любому из реагентов равен степени превращения этого реагента.

В случае сложных ХТП для получения высокого выхода

необходимо иметь высокие значения и степени превращения, и

селективности. Если процесс протекает с полным превращением

реагента, то выход продуктов по этому реагенту равен селективности

образования каждого из продуктов по данному реагенту.

Например, в контактном окислении аммиака весь поступающий в

процесс аммиак реагирует, превращаясь в оксид азота и побочные

продукты. Выход оксида азота в этом случае равен селективности

образования NO по аммиаку.

Производительность аппарата. (П) - это масса (или объем)

выработанного целевого продукта за единицу времени:

П=G/t (кг/ч, т/ч, м 3 /ч)

где G – масса (или объем) продукта, полученная за время t

Интенсивностью работы аппарата (I) называют его производительность, отнесенную к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата.

Обычно производительность относят к объему аппарата V или к

площади его сечения S:

I=П/V (кг/м 3 *ч),

I= П/S (кг/м 2 *ч)

В каталитических процессах рассчитывают интенсивность работы

катализатора, для чего массу полученного за единицу времени целевого

продукта относят к объему катализатора V k:

I=П/V _k (кг/м _k 3 *ч),

Расходные коэффициенты по сырью. К основным

показателям ХТП относятся расходные коэффициенты,

характеризующие затраты сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара

на единицу массы целевого продукта. В связи с большим вкладом

затрат на реагенты (сырье) в себестоимость продуктов в химической

технологии особое значение имеют расходные коэффициенты по

реагентам. Различают теоретические и практические расходные

коэффициенты. Теоретический расходный коэффициент γ_стех

рассчитывают, пользуясь стехиометрическим уравнением,

описывающим химическое превращение (1.18):

γ_стех=G_ao/G_p ^стех =M_A*a/M_p*P

Теоретический расходный коэффициент характеризует

минимальный расход сырья на единицу массы продукта.

Практический расходный коэффициент γ отражает реальный

расход поступившего в процесс сырья на единицу массы продукта, т.е.

его рассчитывают как отношение массы поступившего в процесс сырья

к массе получившегося продукта G_Р:

γ_практ.=G_ao/G_p

Расходные коэффициенты рассчитывают по всем реагентам.

Практические расходные коэффициенты всегда больше

стехиометрических из-за неполноты превращения сырья, а также из-за

расходования сырья на побочные реакции. Данные для расчета

практических расходных коэффициентов берут из материального

баланса процесса. Практический расходный коэффициент по реагенту

можно найти, зная теоретический расходный коэффициент и выход

целевого продукта по этому реагенту:

γ_p ^A=γ^p_cnt[/N_p ^A