Технологические критерии эффективности химико-технологических систем
Наиболее объективную информацию об эффективности функционирования химико-технологической системы несут экономические параметры качества, которые имеют вполне определенную корреляционную связь с технологическими показателями качества. К технологическим показателям качества (ТПК), определяющим производственную эффективность протекания химико-технологических процессов, работы аппаратов и функционирования ХТС, относятся степень превращения компонентов сырья, выход продуктов по соответствующим компонентам, расходные коэффициенты сырья для производства получаемых продуктов, скорость процесса, избирательность процесса.
1. 2. 1. Степень превращения Совершенство процесса с позиции полного использования сырья оценивают с помощью степени превращения (конверсии). Степень превращения – это отношение количества (массы, объема) одного из реагентов, вступившего в реакцию, к начальному количеству (массе, объему) этого реагента. Например, для реакции
степень превращения веществ Х рассчитывают по соотношениям:
Здесь пА, 0, пВ, 0, тА, 0, тВ, 0, VА, 0, VВ, 0 - число молей, масса и объем реагентов А и В в начале процесса; пА, пB, , тА, , тВ, VА, VВ – то же в конце процесса. В принятых обозначениях степень превращения безразмерна, но часто ее выражают в процентах. Если реагенты А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то XА = ХВ. Степень превращения реагента, взятого с избытком от стехиометрического соотношения, всегда ниже, чем для реагента, поступающего в недостатке. Если a В – коэффициент избытка В по отношению к стехиометрии, то
при этом
Если реакция протекает без изменения объема, то концентрация (С, моль/м3) реагента или его объемная доля (φ, %) в начале и в конце процесса равны:
где V – объем реагирующей смеси; V A, 0, VA – объем реагента А. Тогда степень превращения реагента А можно выразить: Для реакций, протекающих с изменением объема:
Здесь e А — относительное изменение объема реакционной смеси при полном превращении реагента А. Для необратимых реакций максимальное значение степени превращения реагента, поступающего в реактор в недостатке, равно 1. Для обратимых реакций значение максимальная степень превращения меньше 1. Такую степень превращения называют равновесной. Для процессов межфазной массопередачи (испарение, конденсация, абсорбция, десорбция и др.) степень превращения называют степенью межфазного перехода, например степенью абсорбции, степенью десорбции, степенью конденсации и т.п.
1. 2. 2. Выход продукта Совершенство процесса с позиции полного использования сырья оценивают также с помощью «выхода продуктов». Выход продукта В – это отношение фактически полученного продукта п (или т) к его максимальному количеству п max(или т max), рассчитанному по стехиометрическому уравнению реакции при степени превращения исходных реагентов, равной 1:
Если в реакции участвуют два или более веществ, например А+В®D, то различают выход целевого продукта D по исходному веществу A( В D(а)) и по веществу В ( В D(В)). Если А и В содержатся в исходной смеси не в стехиометрическом соотношении, то В D(а) ¹ В D(В)
Для простых реакций (т.е. в отсутствие параллельных и последовательных превращений) выход продукта по какому-либо компоненту исходного сырья численно равен степени превращения этого компонента, т.е.: В D(A) = XA: В D(B) = XB Для ХТП со сложными (параллельными, последовательными) реакциями выход продукта всегда меньше степени превращения соответствующего исходного реагента, превращение которого проходит по нескольким направлениям (реакциям):
Для простых необратимых реакций максимальный фактический выход равен 1. Для обратимых реакций исходное вещество превращается в продукт не полностью, так как при установлении равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. В этом случае максимальное количество продукта равно его равновесному количеству, т. е. n max = n равн. Для характеристики степени приближения обратимого процесса к равновесию на практике используют так называемый выход от теоретического или выход от равновесного Вт, который равен:
Выход от равновесия наиболее объективно характеризует совершенство процесса по эффективности использования ресурсов. Выход продукта выражают в долях единицы или в процентах. Этот показатель во многом отражает степень совершенства технологического процесса, затраты сырья на единицу продукта и экономические показатели производства.
1. 2. 3. Расходные коэффициенты сырья Расходные коэффициенты (РК) характеризуют затраты сырья на производство товарных продуктов. Расходный коэффициент – это отношение количества сырья, затраченного при проведении ХТП, к количеству полученного целевого продукта. Различают теоретические и практические РК. Теоретический расходный коэффициент рассчитывают по стехиометрическому уравнению основной реакции с учетом содержания исходного реагента в сырье. Например, для реакции аА ® bВ теоретический расходный коэффициент hт для получения продукта В определяют по соотношению:
Здесь МA, МВ — молекулярное массы реагента А и продукта В; w а – массовая доля компонента А в сырье. При расчете практических расходных коэффициентов учитывают степень превращения исходного реагента Xа, выход продукта B в(а), избирательность Φ B:
Практический расходный коэффициент всегда выше теоретического. Задача уменьшения отношения hп/hт сводится к повышению степени превращения, избирательности и как следствие – выхода продукта. При этом финансовые затраты на повышение этих показателей в области низких значений hп/hт могут существенно превышать эффект от уменьшения затрат на сырье (рис. 1).
1. 2. 4. Производительность и интенсивность Производительностью П называют количество n (массу, объем) выработанного продукта или переработанного сырья за единицу времени τ:
Интенсивность работы реактора I или другого аппарата выражают как отношение производительности к объему реактора V р:
1. 2. 5. Избирательность Избирательность (селективность) – важнейшая характеристика процессов, в которых наряду с основной реакцией образования целевого продукта протекают побочные параллельные или последовательные реакции с образованием нежелательных или менее ценных продуктов. Различают конечную суммарную (интегральную) избирательность и мгновенную (дифференциальную). Суммарная избирательность Ф определяется как отношение количества исходного вещества i, превратившегося в целевой продукт (j), к общему количеству прореагировавшего исходного вещества.
ni(j) – количество реагента, перешедшее в целевой продукт ni – общее количество превратившегося реагента Например, для параллельных реакций аА®bВ и aA®dD, целевым продуктом которых является вещество В, суммарная избирательность Ф В , выражается в виде:
В принятых обозначениях суммарная избирательность безразмерна и может изменяться от 0 до 1, но ее часто выражают и в процентах. Связь между степенью превращения ХА, выходом продукта В в(а) и суммарной избирательностью Ф В определяется из выражения: XA Φ B = В B(A) Для выбора рациональных приемов управления селективностью проводят анализ влияния управляющих параметров на мгновенную избирательность φ B. Мгновенная избирательность измеряется отношением скорости образования целевого продукта wB к скорости потребления исходного реагента на образование всех продуктов реакции wA. Иными словами, мгновенная избирательность равна отношению скорости основной реакции к общей скорости процесса, выраженной через количества исходного реагента:
Связь между суммарной и мгновенной избирательностями описывается соотношением:
Установив уравнения связи между экономическими и технологическими показателями качества и воздействуя на технологические процессы, можно управлять эффективностью работы реакторов и ХТС, выражая эту эффективность в натуральном или денежном выражении.
|
,
; 
; 
(при XA = 1); 
(при XB = 1)
; В D(B) < XB
