ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ХТП

Об эффективности любого технологического процесса судят по следующим экономическим показателям:

- прибыль;

- рентабельность;

- себестоимость;

- производительность труда и т.п.

Но эти показатели не отражают химическую или физико-химическую сущность явлений, происходящих в химических аппаратах.

Для характеристики ХТП используют следующие показатели:

Х_А – степень превращения;

Ф_R – выход продукта;

φ– полную или интегральную селективность;

φ^' – мгновенную или дифференциальную селективность;

П – производительность;

Р – мощность;

I – интенсивность;

τ_K – время контактирования;

S – объемную скорость.

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

Степень превращения реагента показывает, насколько полно в ХТП используется сырье.

Возьмем произвольно в качестве участника реакции вещество Ј, следовательно, степень превращения:

, (2.1)

где n_J,0 – количество реагента J в исходной реакционной смеси;

n_J – количество реагента J в исходной реакционной смеси, выходящей из реактора;

n_J – изменение количества реагента J в ходе химической реакции.

Чаще всего в химической реакции участвуют несколько реагентов, следовательно, для каждого из них можно определить степень превращения. Рассмотрим простую необратимую реакцию aA + bB = = rR + sS.

Степень превращения реагентов А и В:

. (2.3)

Изменение количества вещества в ходе химической реакции связано соотношениями:

(2.4)

. (2.5)

Уравнение позволяет рассчитывать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого. Зная степени превращения реагентов, можно определить и количество продукта:

. (2.6)

Если реакция протекает без изменения объема, то количество реагентов и продуктов можно заменить молярными концентрациями:

. (2.7)

Если , т.е. реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом соотношении (количества реагентов А и В относятся между собой как соответствующие этим веществам стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции), то Х_А = Х_В.

Если , т.е. реагент А взят в избытке по отношению к реагенту В, то Х_А < Х_В.

Если , т.е. реагент B взят в избытке по отношению к реагенту A, то Х_А > Х_В.

; . (2.8)

Если меняется объем реакционной смеси, то в расчетах приходится учитывать значение относительного изменения объема реакционной смеси:

, (2.9)

где V_x=1 – объем реакционной смеси при степени превращения, равной единице;

V_x=0 – объем реакционной смеси в начале химической реакции.

Основная масса химических реакций – обратимые, следовательно, конечное количество реагента будет определяться условиями равновесия.

Рассмотрим простую обратимую реакцию aA + bB rR + sS:

, (2.10)

где n_A,e – количество реагента в условиях равновесия;

n_A,e – изменение количества реагента к моменту наступления равновесия (максимально возможное при данных условиях осуществления химической реакции).

Равновесное количество продукта можно определить:

. (2.11)

Равновесные степени превращения взаимосвязаны:

. (2.12)

Если объем реакционной смеси постоянная величина, то можно использовать молярные концентрации:

; (2.13)

; (2.14)

. (2.15)

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

(2.16)

Из определения следует, что

Выход продукта зависит от типа реакции.

Рассмотрим простую необратимую реакцию aA + bB = rR + sS.

Максимально возможное количество продукта R в такой реакции будет получено, если весь реагент А (n_A,0) вступит в реакцию n_Rmax = r/a n_A,0. Следовательно,

, (2.18)

т.е. выход продукта и степень превращения совпадают.

Рассмотрим простую обратимую реакцию aA + bB rR + sS.

Для такой реакции максимально возможное количество продукта R определяется как равновесное количество продукта R при данных условиях осуществления реакции (температура, давление, соотношение начальных концентраций реагентов). Отсюда

; (2.19)

. (2.20)

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

Рассмотрим параллельные и последовательные реакции:

a₁A + b₁B = rR + sS (целевая реакция);

a₂A + b₂B = xX + yY (побочная реакция).

Максимально возможное количество продукта R будет получено в том случае, если весь исходный реагент А будет расходоваться на целевую реакцию

. (2.21)

Следует помнить, что выразить величину n_R через степень превращения и начальное количество реагента А в случае сложной реакции нельзя, т.к. расходование реагента А происходит не только в целевом направлении, но и в побочном. Так же будет выглядеть и выражение для выхода целевого продукта R для последовательных реакций, например, реакций типа аА rR sS.

При протекании обратимых параллельных и последовательных реакций максимально возможным количеством целевого продукта будет то количество R, которое было бы получено, если бы реагент А расходовался только на целевую реакцию, и в момент равновесия продуктов побочных реакций не было бы.

Таким образом, для сложных реакций

. (2.22)

Полная или интегральная селективность φ – это отношение количества исходного реагента, пошедшего на целевую реакцию, к количеству реагента, пошедшего на целевую реакцию и побочное взаимодействие:

, (2.23)

где – количество реагента А, пошедшего на целевую реакцию;

– количество реагента А, пошедшего на целевую реакцию и побочное взаимодействие.

По определению

Для необратимой реакции выход продукта будет равен

. (2.24)

А для обратимой реакции

. (2.25)

Высокое значение выхода продукта достигается только при высоких значениях степени превращения и полной селективности.

Мгновенная, или дифференциальная, селективность φ^' – это отношение скорости расходования реагента на целевую реакцию к скорости расходования реагента на целевую реакцию и побочное взаимодействие:

, (2.26)

где – скорость расходования реагента А на целевую реакцию;

– скорость расходования реагента А (на целевую реакцию и побочное взаимодействие).

По определению 0 .

эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.

Производительность – это количество продукции, полученное в единицу времени:

; , (2.27)

где С_R – концентрация продукта;

υ – объемный расход реакционной смеси.

Мощность – максимальная производительность аппарата, машины, ХТС:

P = П_max . (2.28)

Интенсивность – это производительность аппарата, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата (объему, площади поперечного сечения и т.д.):

I = П/А . (2.29)

где А – «живое» сечение аппарата.

Интенсивность позволяет сравнивать различные аппараты для проведения одного и того же ХТП.

Время контактирования (соприкосновения) – отношение свободного объема катализатора к объемному расходу реакционной смеси:

, (2.30)

где – свободный объем катализатора;

υ – объемный расход реакционной смеси.

На практике чаще всего пользуются фиктивным временем контактирования:

, (2.31)

где V_кат – объем слоя катализатора.

Объемная скорость – это величина, обратная , и представляет собой

. (2.32)

Объемная скорость – это объемный расход, приходящийся на единицу объема катализатора.

Влияние времени контактирования (объемной скорости) однотипно для многих каталитических реакций. С увеличением времени выход продукта простой каталитической реакции растет.