1.2. Показатели химико-технологического процесса

Эффективность любого химического производства оценивается рядом технологических, экономических, эксплуатационных и социальных показателей.

Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства. К ним относятся себестоимость продукции, производительность труда и др.

Эксплуатационные показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний. Основными эксплуатационными показателями являются надежность, безопасность функционирования, чувствительность, управляемость и регулируемость.

Социальные показатели, определяющие комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду, включают безвредность обслуживания, степень механизации и автоматизации, а также экологическую безопасность

В качестве технологических показателей, которые отражают физико-химическую сущность явлений, происходящих при том или ином химико-технологическом процессе, принято использовать, прежде всего, следующие:

 расходные коэффициенты;

 степень превращения исходного реагента;

 селективность;

 выход продукта;

 производительность;

 мощность;

 интенсивность.

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

Расходные коэффициенты — величины, характеризующие рас­ход сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара, вспомогательных материалов на производство единицы продукции. Расходные коэффициенты по сырью определяют, используя химические уравнения. Расход сырья, вычисленный по уравнению реакции, на основании стехиометрических соотношений называют теоретическим.

Рк_теор = m₁ / m₂, (13)

где Рк_теор – теоретический расходный коэффициент (т/т, кг/т, м³/т); m₁ – масса сырья; m₂ – масса целевого продукта.

Практический расход сырья, как правило, превышает теоретический. Это связано с неполным превращением исходного сырья, наличием примесей в сырье, образованием побочных продуктов реакций и отходов производства, с механическими потерями и т. д. Расходные коэффициенты по сырью на 5070% определяют себестоимость продукции. Для расчета расходных коэффициентов необходимо знать все стадии производства, в результате осуществления которых проис­ходит превращение исходного сырья в готовый продукт. Расходные коэффициенты для одного и того же целевого продукта за­висят от состава исходного сырья и могут значительно от­личаться. Поэтому необходима предваритель­ная оценка экономической целесооб­разности использования того или иного типа сырья с учетом образования побочных продуктов, степени превращения и других факторов.

Степень превращения показывает, насколько полно в химико-технологическом процессе используется сырье. Иными словами, степень превращения – это отношение массы (химического количества) исходного реагента, превратившегося в результате химической реакции в продукт, к его первоначальной массе (химическому количеству). Для конкретного реагента J она определяется по уравнению

х_i = (m _{i, 0} – m _i) / m _{i, 0}, (14)

где х_i – степень превращения реагента I; m_{i, 0} – масса реагента I в исходной реакционной смеси; m _i – масса реагента I в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе.

Аналогично можно рассчитать степень превращения, используя химическое количество реагента I

х_i = (n _{i, 0} – n _i) / n _{i, 0},

где n_{i, 0} – химическое количество реагента I в исходной реакционной смеси; n_i – химическое количество реагента I в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе.

Большинство химических реакций обратимы. Для обратимых реакций предельным состоянием при заданных условиях является состояние химического равновесия. Важной характеристикой обратимых процессов является равновесная степень превращения х_А*:

х_А*= (m _{i, 0} – m _i*) / m _{i, 0} или х_i* = (n _{i, 0} – n _i*) / n _{i, 0},

где m _i* и n _i* – масса и количество реагента А в условиях равновесия.

Часто для удобства расчета степени превращения используют концентрации реагентов.

х_i = (С _{i, 0} – С _i) / С _{i, 0}. (15)

В случае, когда процесс протекает с изменением объема, необходимо учитывать поправочный коэффициент β:

β = V_н  V_к / V_н,

где V_н и V_к – объемы начальной и конечной реакционной смеси соотвественно при х = 0 и х = 1.

С учетом β расчет текущей концентрации С_А при степени превращения х_А можно проводить следующим образом:

С_А = С_{А, 0}(1 – х_А) / (1 + β х_А),

где С_А – текущая концентрация реагента А.

Селективность процесса. Многие технологические процессы протекают одновременно по нескольким параллельным или последовательным реакциям с образованием целевого и побочного продуктов. Важным показателем для таких процессов является селективность.

Селективность  – это отношение массы (химического количества) целевого продукта, полученного практически, к общей массе (химическому количеству) образовавшихся продуктов.

 = m_R / , (16)

где m_R – масса целевого продукта R; – суммарная масса продуктов.

Выход продукта. Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но эта величина не всегда достаточно полно ее характеризует с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности – выход продукта.

Выход продукта (α) – это отношение реально полученной массы (химического количества) продукта к максимально возможной его массе (химическому количеству), которая могла бы быть получена при данных условиях осуществления химической реакции:

α_R = m_R / m_{R, max}, или α_R = n_R / n_{R, max}. (17)

Величина m_R, max зависит от того, каков тип осуществляемой химической реакции. Рассмотрим несколько различных реакций.

Необратимая химическая реакция

аА + bB  rR + sS.

Будем считать, что реагент А берут либо в количестве, соответствующем стехиометрическому соотношению реагентов А и В, либо в недостатке по отношению к нему, т. е. 

n_{А, 0} / n_{В, 0}  а / b.

Тогда максимально возможное количество продукта R будет получено, если весь реагент А (n_{А, 0}) вступит в реакцию, т. е.

n_{А, 0} = n_{R, max} .

В таком случае

α_R = n_R / n_{А, 0} ,

Так как

х_А = (n_{А, 0}  n_A) / n_A,0, а n_R = n_A,0  n_A,

то

х_А = α_R, (18)

т. е. для простых необратимых реакций выход продукта равен степени превращения реагента. Селективность процесса в этом случае равна 1.

Однако для других типов реакций выход продукта и степень превращения реагента различаются.

Обратимая химическая реакция

аА + bB  rR + sS.

Максимально возможная масса продукта R – это такая его масса, которую теоретически можно получить в момент равновесия, т. е.

m_{R, max} = m_R* или n_{R, max} = n_R*, (19)

где m_R* и n_R*  масса и химическое количество продукта в момент равновесия соответственно.

Тогда

α_R = n_R / n_R* = n_{А, 0}  х_А  _AR / (n_{А, 0}  х_А*  _AR) = х_А / х_А*. (20)

Таким образом, для обратимых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения от равновесной для данных условий проведения реакции.

Сложная химическая реакция.

Для сложных химических реакций, т. е. параллельных и последовательных, х_А > α_R. Выход для таких реакций можно рассчитать согласно выражению

α_R = х_А   . (21)

Производительность. Важным критерием эффективности работы отдельных аппаратов, реакторов, цехов или заводов в целом является производительность.

Производительность – это масса полученного продукта или переработанного сырья в единицу времени.

П = m_R / , (22)

где П – производительность, кг/ч, т/сут; m_R – масса продукта, кг;  – продолжительность, мин, ч.

Максимально возможная для данного агрегата, машины производительность (проектная) называется мощностью. Одним из основных направлений химической промышленности является увеличение единичной мощности агрегатов, так как оно ведет к снижению удельных капитальных затрат, повышению производительности труда.

Интенсивность. Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же процессы, используется понятие интенсивность.

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

I = П / V = m_R / (V  ) = n_R / (F  ), (23)

где I – интенсивность, кг/(м³  ч), т/(м²  сут); V – объем аппарата, м³; F – поверхность аппарата, м².

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