2. Технологические критерии эффективности химико-технологических процесса (производительность, интенсивность, степень превращения для различных видов реакций, селективность, выход продукта).

Производительность, П – это количество полученных продуктов (переработанного сырья) в единицу времени.

П = G/t, кг/ч, Т/год, м³/час, кмоль/мин.

G-количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t.

Максимально достигнутая производительность на реакторе называется мощностью.

Интенсивность, I – это количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата. Этот показатель характеризует интенсивность протекания процесса в технологическом аппарате и совершенство организации процесса.

= ,,

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

, %, доли

n_io – число молей i-го реагента, входящего в элемент ХТС;

n_i - число молей i-го реагента, выходящего из элемента ХТС.

Откуда, ,

Для обратимых реакций, степень превращения обратимая

- равновесное количество, выходящего реагента;

Откуда, .

Для реакций типа: aA+bB=cC+rR

степень превращения вещества рассчитывается для каждого вещества в отдельности. Между которыми существует связь

.

Для реакций, протекающих без изменения объема , степень превращения Х_i можно выразить через концентрации:

Откуда,

- текущая концентрация i-го реагента (концентрация на выходе из реактора);

- начальная концентрация i-го реагента.

Для реакций, протекающих с изменением объема :

,

следовательно ,

- текущий объем системы; - первоначальный объем системы.

Например, для реакции 3А+В=2С

.

Селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству реагента, пошедшего на реакцию (то есть доля реагента, претерпевшего превращение в какой-то продукт).

Селективность бывает полной (интегральной) и мгновенной (дифференциальной).

Полная селективность рассчитывается при полном завершении реакци.

- для параллельных (последовательных) реакций:

aA+bB=cC+rR (целевая)

a₁A+b₁B=zZ+yY (побочная)

или

При протекании последовательных, параллельных и последовательно-селективных реакций, селективность может изменяться по закономерностям, проходя через максимум для той или иной реакции. Вводят мгновенную (в данный момент времени) селективность.

, %, доли

- это отношение скорости расходуемого реагента в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходного реагента.

(целевая реакция)

(побочная реакция)

или

Выход продукта – бывает технологический и химический.

Технологический выход – характеризует потери продукта на стадиях выделения.

Химический выход – характеризует протекание самой химической реакции в реакторе.

Выход (технологический) – это отношение количества продукта, выходящего из элемента ХТС к количеству продукта поступающего в элемент ХТС.

Gio

Gi

Элемент ХТС

, %, доли.

Выделение продукта часто бывает многостадийным.

Для последовательно соединенных элементов ХТС:

Ф_m,1 Ф_m,2 Ф_m,3 Ф_m,n

При проведении многостадийных синтезов снижение технологического выхода при выделении играет существенную роль.

Выход химический Ф – это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству по уравнению реакции.

aA+bB=cC+rR

где R – целевой продукт.

, %, доли.

Конечное выражение для химического выхода зависит от химической схемы.

- для необратимых реакций:

aA=cC+rR, ;

- для обратимых реакций:

, ;

- для параллельных реакций:

(целевая реакция);

(побочная реакция).

.

Расходные коэффициенты - величины, характеризующие расход различных видов сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу полученной продукции. Особое значение имеют расходные коэффициенты по сырью, поскольку для большинства химических производств 60-70% себестоимости продукции приходится на эту статью расхода. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты учитывают расход исходного сырья с учетом стехиометрии реакции.

,

где - теоретический расходный коэффициент;_i , _j – стехиометрические коэффициенты при реагенте и продукте; Mr_i, Mr_j – молекулярная масса реагента и продукта соответственно.

Примечание: при нахождении числа независимых реакций и составлении стехиометрической матрицы для исходных реагентов в стехиометрические коэффициенты ставят знак «-» (см. разд.2).

Практические расходные коэффициенты учитывают селективность процесса, выход продукта, степень превращения и рассчитывают на базе теоретических расходных коэффициентов.

,

где - практический расходный коэффициент;f - технологический выход; x_i - степень превращения i-го реагента;  - селективность процесса; i_i - содержание i-го реагента в исходном веществе.

Расходные коэффициенты для одного и того же продукта зависят от состава исходных реагентов и могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому в тех случаях, когда производство и сырье отдалены друг от друга, необходима предварительная оценка по расходным коэффициентам при выборе того или иного типа сырья с целью определения экономической целесообразности его использования.