6. Технологические критерии эффективности производства

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 – это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.

Степень превращения реагента x_j определяется по уравнению

x_j=(n_{j ,o}-n_j)_/ n_j,o=ΙΔn_jΙ/n_j,o,

где n_j,o – количество реагента J в исходной реакционной смеси; n_{j –} количество реагента J в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе; ∆n_j – изменение количества реагента J в ходе химической реакции.

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

Обозначим выход продукта R через Ф_R. Тогда

Ф_R=n_R/n_R,max ,

где n_R – количество полученного продукта, n_R,max – максимально возможное количество продукта.

Величина n_R,max в уравнении (2) зависит от того, каков тип осуществляемой химической реакции.

Селективность. Критерием для оценки эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями является селективность. Селективность, как и два предыдущих критерия эффективности, выражают в долях единицы или в процентах.

Полная, или интегральная селективность (φ) – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшему на все реакции (и целевую, и побочные):

φ=Δn_A,цел /Δn_A,Σ .

Мгновенной, или дифференциальной, селективностью φ^\ называют отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов:

φ^\ =ω_{r(A → R)} /ω_rA ,

где ω_{r(A → R)} – скорость расходования реагента А по целевой реакции; ω_rA – суммарная скорость расходования реагента А.

Оптимальными значениями выхода, селективности и степени превращения будут, как правило, такие достижения, которые позволяют обеспечить максимальную экономическую эффективность процесса.

Производительность и интенсивность. Производительность – это количество продукта, полученное в единицу времени:

П=n_R/τ,

где П – производительность; n_{R –} количество продукта; τ – время.

Производительность измеряется в кг/ч, т/сут, т/год и т. д.

Максимально возможная для данного агрегата, машины производительность (проектная) называется мощностью.

Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размеров, 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.

Например,

I=П/V=n_RVτ ,

где V- объем аппарата. Интенсивность измеряется в кг/(ч·м³), т/(сут. м²) и т. д.

Величину, численно равную количеству продукта, полученного с единицы объема или массы катализатора, называют производительностью катализатора или его напряженностью.

7. Классификация химических процессов по направлению движения тепловых и материальных потоков

Знание основных закономерностей химико-технологического процесса позволяет найти оптимальные условия его проведения и интенсификации, улучшить технико-экономические показатели. Одним из главных факторов, обеспечивающих нормальное функционирование процесса, является технологический режим производства, представляющий собой совокупность большого числа технологических параметров. Поэтому по общепринятой технологической классификации все химические процессы делятся на: высокотемпературные, низкотемпературные, некаталитические, каталитические (проходящие под повышенным или пониженным давлением), электрохимические, биохимические, радиационно-химические, плазмохимические, фотохимические и некоторые другие. Здесь за основу классификации выбраны параметры, оказывающие решающее влияние на процесс.

Помимо указанных параметров для подобных процессов большое значение имеет их непрерывность, цикличность и энергоемкость, а для улучшения технико-экономических показателей процесса очень важным оказывается направление движения материальных и тепловых потоков, агрегатное состояние взаимодействующих веществ, тепловой эффект реакции.

По направлению движения тепловых и материальных потоков в аппаратах различают прямоточные, противоточные процессы и процессы с перекрестным и смешанным током.

В прямоточном процессе тепловые или материальные потоки движутся параллельно друг другу в одном и том же направлении. При наличии разделяющей стенки такой вариант процесса используется для теплообмена, в результате которого более горячий поток охлаждается и отдает теплоту более холодному потоку. Последний при этом нагревается.

При отсутствии разделяющей перегородки прямоток может использоваться как для теплообмена (например, сушка материалов горячими газами), так и для смещения газов, паров и жидкостей (например, разбавление серной кислоты водой, смешение аммиака или паров метилового спирта с воздухом перед их окислением на катализаторе). В отдельных случаях смешение и теплообмен происходят одновременно.

В противоточных процессах тепловые или материальные потоки движутся в противоположных направлениях. Теплообмен через стенку при противотоке протекает более интенсивно, чем при прямотоке. При прочих равных условиях осуществление такого процесса требует меньшей поверхности теплопередачи, что способствует уменьшению габаритов теплообменников, снижению их материалоемкости.

Противоточное движение потоков без разделяющей их стенки широко используется в технологии для интенсификации таких типовых процессов, как улавливание и очистка газов жидкими и твердыми поглотителями, разделение жидких многокомпонентных смесей ректификацией и экстракцией, очистка и избирательное разделение многокомпонентных и жидких смесей твердыми поглотителями.

Обычно перечисленные процессы совмещаются с процессами теплообмена и проводятся в одном и том же аппарате. Это снижает себестоимость продукции за счет использования более компактного и интенсивно работающего оборудования, способствует сокращению производственных площадей.

В процессах с перекрестным током тепловые и материальные потоки движутся перпендикулярно друг другу. При смешанном токе один из потоков движется в одном направлении, а другой – как прямотоком, так и противотоком.

Перекрестный и смешанный токи широко используются для интенсификации тепловых процессов, связанных с нагреванием, охлаждением, выпариванием веществ и конденсацией паров.