1.3. Технологічні критерії ефективності хіміко-технологічного процесу

На сучасному рівні розвитку хімічної технології відомо безліч органічних і неорганічних речовин, які отримують різними способами. Кожен спосіб складається з декількох етапів переробки сировини або вихідного продукту. Таке велике число хімічних виробництв і хіміко-технологічних процесів зростає ще в зв'язку з тим, що окремі продукти отримують декількома способами. Вибір прийнятного в тому або іншому випадку способу припускає порівняння цих способів на основі прийнятих критеріїв ефективності. Для оцінки хімічного виробництва і кожного етапу переробки сировини (хіміко-технологічного процесу) виділяють чотири групи критеріїв ефективності:

технологічні: вихід цільового продукту;ступінь перетворення сировини в цільовий продукт; селективність; інтенсивність хіміко-технологічного процесу, хімічного виробництва;

експлуатаційні: безпека функціонування хіміко технологічних процесів, складових хімічного виробництва, і всього виробництва; надійність функціонування хімічних виробництв і хіміко-технологічних процесів, рівень і система їх автоматизації;

техніко-економічні: потужність виробництва і його складових частин; продуктивність праці;собівартість продукту, прибуток виробництва; питомі капітальні витрати; витратні коефіцієнти сировини, матеріалів і енергії;

соціальні: екологічна безпека виробництва і складових його хіміко-технологічних процесів; ступінь автоматизації виробництва.

Про ефективність здійснення будь-якого промислового процесу судять перш за все за економічними показниками, такими, як приведені витрати, собівартість продукції тін.

Природно, що остаточна оцінка ефективності хіміко-техно-логічного процесу виводиться з цих критеріїв. Проте вони характеризують увесь процес в цілому, його кінцевий результат, не входячи в детальний розгляд внутрішньої суті, особливостей процесу.

Для оцінки ефективності окремих етапів процесу необхідно крім загальних економічних показників використовувати такі критерії ефективності, які більш повно відображали б хімічну і фізико-хімічну суть явищ, що відбуваються в окремих апаратах технологічної схеми. В якості таких показників прийнято перш за все використовувати ступінь перетворення вихідного реагенту, вихід продукту, селективність. Вони з різних сторін характеризують повноту використання можливостей здійснення конкретної хімічної реакції.

Ступінь перетворення реагенту показує, наскільки повно в хіміко-технологічному процесі використовується вихідна сировина. Ступінь перетворення — це частка вихідного реагенту, що використовується на хімічну реакцію.

Так для реакції:

aA+bB=rR+sS (1.1)

ступінь перетворення реагенту А:

(1.2)

де:

n_Ао— кількість реагенту А в вихідній реакційній суміші;

n_А — кількість реагенту А в реакційній суміші, що виходить з апарату або знаходиться в реакторі;

∆n - зміна кількості реагенту А під час хімічної реакції.

Найчастіше в хімічній реакції бере участь не один, а два реагенти (або навіть більше). Ступінь перетворення може бути розрахований по першому, другому або третьому реагенту, причому в загальному випадку не обов'язково виходять рівні результати. Якщо перебігає реакція (1.1), то відповідно до її стехіометричного рівняння зміни кількостей її учасників ∆n_j, зв'язані між собою наступними співвідношеннями:

(1.3)

Ступені перетворення реагентів А та В, які приймають участь в реакції (1.1):

Із рівнянь (1.3-1.4) слідує:

(1.5)

або

(1.6)

Рівняння (1.6) встановлює зв'язок між ступенями перетворення реагентів А і В і дозволяє розрахувати невідомий ступінь перетворення одного реагенту, знаючи ступінь перетворення іншого. Якщо

тобто реагенти А і В узяті для проведення реакції в стехіометричному співвідношенні (кількості реагентів А і В відносяться між собою як відповідні цим речовинам стехіометричні коефіцієнти в рівнянні реакції), то ступені перетворення х_А і х_В рівні між собою: х_А = х_В. Якщо

тобто реагент А взятий в надлишку, то, як слідує з рівняння (1.6), х_А< х_в.

тобто взятий в надлишку реагент В, то х_А>х_В.

Необхідно пам'ятати, що ступінь перетворення — це частка вихідної кількості реагенту, тобто межі зміни х визначаються співвідношенням О < х< 1.Отже, якщо один з реагентів (наприклад, реагент В) узятий в надлишку, то з урахуванням виразів (1.5) і (1.6) завжди х_В< 1, навіть у тому випадку, коли х_А= I. Зазвичай при виборі вихідного складу реакційної суміші беруть в надлишку дешевший реагент (наприклад, повітря, воду і т. ін.) з метою підвищення ступеня використання ціннішої сировини. Не завжди можливо досягти повного використання реагенту (тобто умови х = 1). Більшість хімічних реакцій оборотні. Для оборотних реакцій за заданих умов їх здійснення граничним є стан хімічної рівноваги. Цьому стану відповідає і гранично досяжний за даних умов рівноважний* ступінь перетворення де n_Ае,— кількість реагенту А в умовах рівноваги; |∆n_Ае,|¹ зміна кількості реагенту А до моменту настання рівноваги (максимально) можливе за даних умов здійснення хімічної (1.7)

реакції). Використовуючи ступінь перетворення реагентів, можна визначити кількість продуктів R і S, що утворилися в результаті реакції (1.1), не ускладненої наявністю побічних взаємодій. Зміна кількості продукту реакції (1.1), наприклад продукту R, відповідно до стехіометричних співвідношень (1.2) можна виразити через зміну кількості реагенту А або реагенту В. Якщо первинна кількість продукту R рівна нулю (n_Ro= 0), то

(1.8)

(1.9)

Як ключовий реагент, через ступінь перетворення якого виражають кількості продуктів, зручно брати реагент, узятий або в недостачі, або в стехіометричному співвідношенні до іншого. Наприклад, якщо в якості такого вибраний реагент А, повинна виконаються умова:

Максимально можлива кількість продукту R, яка може бути отримана при проведенні оборотної реакції:

аА+ bB rR + sS (1.10)

розраховують як рівноважну кількість цього продукту nRе:

(1.11)

Якщо реакційний об'єм V—стала величина (V=const), то у всіх приведених вище співвідношеннях кількості реагентів і продуктів можуть бути замінені молярними концентраціями. Наприклад:

(1.12)

(1.13)

Вихід продукту. Ступінь перетворення характеризує ефективність проведення процесу з погляду використання вихідної сировини, але цієї величини не завжди достатньо для характеристики процесу з погляду отримання продукту реакції. Тому вводять ще один критерій ефективності — вихід продукту. Вихід продукту — відношення реально отриманої кількості продукту до максимально можливої його кількості, яка могла б бути отримана за даних умов здійснення хімічної реакції. Позначимо вихід продукту R через Ф_R. Тоді:

(1.14)

Величина n_Rmax в рівнянні (1.14) залежить від типу здійснюваної хімічної реакції. Розглянемо декілька різних реакцій. Необоротна хімічна реакція (1.1). Максимально можлива кількість продукту R в такій реакції буде отримана, якщо увесь реагент А (n_A,o) вступить в реакцію [при цьому як реагент А повинен бути вибраний такий, який задовольняє умові ]:

(1.15)

В цьому випадку

(1.16)

Так як у відповідності з рівнянням (1.8) n_R= , то

(1.17)

тобто для простих необоротних реакцій вихід продукту і ступінь перетворення реагенту співпадають. Проте для інших типів хімічних реакцій ці два критерії ефективності розрізняються.

Оборотна хімічна реакція (1.10). Для такої реакції максимально можлива кількість продукту R визначається за рівнянням (1.13) як рівноважна кількість продукту R за даних умов здійснення реакції (температура, тиск, співвідношення вихідних концентрацій реагентів). Тоді з урахуванням рівняння (1.8)

(1.18)

Таким чином, для оборотних реакцій вихід продукту рівний частці, яку складає реально досягнутий ступінь перетворення від рівноважного для даних умов проведення реакції.

Приклад 1.1. Перебігає реакція А + 2B<=>2R + S Вихідна кількість реагентів n_А,о= 10 кмоль; n_В,о =25 кмоль. У реакційній суміші, що виходить з реактора, міститься 12 кмоль продукту R. Відомо, що в рівноважній суміші за даних умов проведення реакції міститься 2,5 кмоль реагенту А. Визначимо вихід продукту R (Ф_R). Відповідно до рівняння (1.13) Ф_R= х_A/х_A,e. Визначимо ступінь перетворення х_A, використовуючи рівняння (1.7):

Рівноважна ступінь перетворення

Для визначення виходу продукту Ф_R в даному прикладі можна також розрахувати n_Re =(n_A,o- n_A,e)(r/a) = 15 кмоль і скористатися рівнянням (1.14): Ф_R = n_R/ n_R,e =12/15= 0,8.

Паралельні і послідовні реакції. Розглянемо дві паралельно перебігаючі реакції, в яких поряд з цільовим продуктом R одержують продукти побічної реакції:

a₁A+b₁B→rR+ sS (цільова реакція), (1.19)

а₂A+b₂B→ zZ+ yY (побічна реакція)

Максимально можлива кількість продукту R буде отримана в тому випадку, якщо увесь вихідний реагент А при дотриманні

умови (1.8) реагуватиме тільки за цільовою реакцією. Тоді:

(1.20)

Слід пам'ятати, що виразити n_R через ступінь перетворення і початкову кількість А у разі складної реакції не можна, оскільки витрачання речовини А відбувається не тільки в цільовому напрямі, але і в побічному. Так само буде виглядати і вираз для виходу цільового продукту R для послідовних реакцій, наприклад реакцій типу aA→rR→sS. При перебіганні оборотних паралельних і послідовних реакцій максимально можливою кількістю цільового продукту буде та кількість R, яка була б отримана, якби реагент А витрачався тільки на цільову реакцію і у момент рівноваги продуктів побічних реакцій не було б. Таким чином, для оборотних складних реакцій:

(1.21)

Як і ступінь перетворення, вихід продукту для реакційних систем зі сталим об'ємом може бути визначений як відношення концентрацій. Слід також пам'ятати, що вихід, який виражається як частка від деякої гранично можливої величини, змінюється від

0 до 1.

Селективність. Вихід продукту характеризує отриманий результат як частку від гранично можливого. Доцільно оцінити і реальну ситуацію, тобто дати кількісну оцінку ефективності цільової реакції в порівнянні з побічними взаємодіями. Критерієм для такої оцінки є селективність. Селективність, як і два попередні критерії ефективності, виражають в долях одиниці або відсотках. Повна, або інтегральна, селективність — це відношення кількості вихідного реагенту, що витрачається на цільову реакцію, до загальної кількості вихідного реагенту, що витрачається на всі реакції (і цільову, і побічні):

(1.22)

Миттєвою, або диференціальною, селективністю ́ називають відношення швидкості перетворення вихідних реагентів в цільовий продукт до сумарної швидкості витрачання

вихідних реагентів:

φ΄= (1.23)

де υ_{(A R}) — швидкість витрачання реагенту А за цільовою реакцією; υ_А—сумарна швидкість витрачання реагенту А. Використання диференціальної селективності при аналізі технологічних процесів буде описано далі. Тут розглянемо тільки повну селективність. Для реакцій (1.19) повна селективність за цільовим продукту R може бути виражена через кількість отриманого продукту R і кількість реагенту А, сумарно витраченого на реакцію. З урахуванням стехіометричних співвідношень кількість реагенту А, що вступив в реакцію утворення цільового продукту , рівне (a/r) R. Тоді повна селективність:

(1.24)

Знаменник в рівнянні (1.24) можна замінити через кількість отриманих продуктів цільової і побічної реакції з урахуванням стехіометричних співвідношень:

(1.25)

Приклад 1.2. Розглянемо як приклад паралельні реакції

Цільовою є реакція отримання оксиду азоту N0.Селективність можна розрахувати за кількістю отриманих на виході з реактора продуктів цільової реакції (оксиду азоту)

і побічної реакції (азоту):

(1.26)

Між виходом цільового продукту, ступенем перетворення вихідного реагенту і селективністю існує простий зв'язок. Розглянемо її спочатку на прикладі необоротних паралельних реакцій (1.19). Відповідно до рівняння (1.20) вихід продукту R:

(1.27)

Реально отриману кількість продукту R можна виразити через селективність, користуючись рівнянням: (1.28)

Після підстановки рівняння (1.28) в рівняння (1.27)

отримаємо:

(1.29)

Якщо паралельні реакції оборотні, то максимально можлива кількість продукту R, яка могло б вийти за відсутності побічної реакції, визначається умовами рівноваги. Тоді для визначення виходу продукту потрібно застосувати рівняння (1.21). Підставляючи в нього значення кількості реально отриманого продукту R, вираженого за допомогою рівняння (1.28), матимемо більш загальне рівняння зв'язку між виходом, селективністю і ступенем перетворення:

(1.31)

З рівнянь (1.30) і (1.31) виходить, що при виборі умов проведення складних хімічних реакцій недостатньо забезпечити тільки високе значення ступеня перетворення реагентів або тільки високу селективність; високе значення виходу цільового продукту визначається деякою сукупністю цих критеріїв ефективності. Оптимальними значеннями виходу, селективності і ступеню перетворення будуть, як правило, такі, досягнення яких дозволяє забезпечити максимальну економічну ефективність процесу

Продуктивність і інтенсивність. Важливим критерієм ефективності роботи окремих апаратів, цехів або заводів в цілому є продуктивність.

Продуктивність — це кількість продукту, яка отримана в одиницю часу:П = n_R| , де П — продуктивність; n_R — кількість продукту; -час. Продуктивність вимірюється в кг/год, т/доб, т/рік і т. ін.

Наприклад, продуктивність сучасного агрегатa синтезу аміаку складає 1360 т аміаку за добу; продуктивність агрегатa з виробництва сульфатної кислоти —1 млн. т сульфатної кислоти за рік і т. ін. Іноді продуктивність оцінюють за кількістю переробленої сировини, наприклад продуктивність печі випалення колчедану 450 т колчедану за добу. Якщо відомі концентрація продукту в реакційній суміші, для визначення продуктивності зручно скористатися наступною формулою: П = С_R∙ _0, де С_R— концентрація продукту; ₀ — об'ємні витрати реакційної суміші. Максимально можлива для даного агрегату, машини продуктивність (проектна) називається потужністю. Одним з основних напрямів розвитку хімічній промисловості є збільшення одиничної потужності агрегатів, оскільки воно веде до зниження питомих капітальних витрат, підвищення продуктивності праці. Для порівняння роботи апаратів різної будови і розмірів, в яких перебігають одні і ті ж процеси, використовують поняття «інтенсивність».

Інтенсивністю називається продуктивність, яка віднесена до якої-небудь величини, що характеризує розміри апарату, - його об'єму, площі поперечного перерізу і т. ін. Наприклад:

(1.32)

де V— об'єм апарату.

Інтенсивність вимірюється в кг/(г м³), т/(доб м³) і т.ін. При розробці нових процесів або вдосконаленні існуючих прагнуть до створення високо інтенсивних апаратів. Збільшення інтенсивності апарату часто можливо при створенні таких умов проведення процесу, які забезпечують його перебігання з високою швидкістю. При аналізі роботи каталітичних реакторів прийнято відносити продуктивність апарату в цілому до одиниці об'єму або маси каталізатора, що завантажений в реактор. Таку величину, чисельно рівну кількості продукту, отриманого з одиниці об'єму або маси каталізатора, називають продуктивністю каталізатора, або його напруженістю.

Якість продукту – набір властивостей і характеристик, що визначають споживчу цінність продукту. Сюди належать показники чистоти продукту, наявність домішок, а також хімічні, фізико-хімічні, фізичні, механічні й інші властивості. Вони визначаються державними і галузевими стандартами (ГОСТ, ДСТУ, ГСТУ) і технічними умовами на продукцію.

Економічні показники характеризують економічну ефективність виробництва і докладно вивчаються в курсі "Економіка хімічної промисловості". Технічні й економічні показники зв'язані між собою, і тому деякі з них називають техніко - економічними показниками. До них можна віднести потужність виробництва, питомі капітальні витрати, продуктивність праці, собівартість продукту і зведені витрати.

Капітальні витрати або питомі капітальні витрати показують витрати на устаткування, комунікації, будівельну частину, які віднесені до виробництва в цілому - К_кап або – до одиниці потужності виробництва – К_пит:

К_пит = К_кап / П (1.33)

Вони мають розмірності ''кг металу на 1 т продукції в рік", "грн на 1 т продукції” та інш.

Продуктивність праці П_пр – кількість виробленого продукту за визначений час, що приходиться на одного працівника:

П_пр = G / N_прац (1.34)

П_пр = GЦ/ N_прац (1.35)

де N_прац – чисельність персоналу, що обслуговує дане виробництво; Ц – ціна одиниці продукту.

Продуктивність праці має кількісні чи вартісні вирази і, відповідно, розмірність “тонн у рік на працюючого “ або грн.у рік на працюючого".

Собівартість продукту і зведені витрати показують витрати на одиницю продукції в грошовому виразі.

Експлуатаційні показники характеризують досконалість створеного виробництва як промислового об'єкта. До них належать: керованість або регульованість, чутливість до відхилень умов роботи, надійність апаратів і виробництва в цілому, пожежо - і вибухобезпека.

Соціальні показники визначають умови роботи обслуговуючого персоналу і нешкідливість виробництва для навколишнього середовища; нешкідливість обслуговування, ступінь автоматизації і механізації, екологічну безпеку.

Інженер-технолог повинен вирішувати одночасно безліч задач. Їхні найкращі рішення нерідко суперечать одне одному, тому потрібно знаходити компромісні варіанти, у якомусь розумінні найкращі. Знаходити такі найкращі рішення дозволяє наука – хімічна технологія, що орієнтується на фундаментальні знання як окремих процесів і явищ, так і хімічного виробництва в цілому, тобто хіміко-технологічних систем, а також знання економічних і соціальних законів.