Технологические критерии эффективности ХТП

Работу химических производств в целом оценивают по экономическим показателям, таким как, прибыль, себестоимость продукции, капитальные затраты и т.д.

Экономические показатели процесса в значительной мере зависят от технологических: конверсия (степень превращения), селективность, выход продукта, расходные коэффициенты по сырью, вспомогательным материалам (растворители, катализаторы) и др. Эти показатели с разных сторон характеризуют глубину протекания химико-технологического процесса, его полноту и направленность в сторону образования целевого продукта.

1. Конверсия X (степень превращения) исходного реагента это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию – показывает, насколько полно в ХТП используется исходное сырье.

Для реакции аА + bВ ® rR + sS

степень превращения реагента А:

(Исходное число молей реагента А – оставшееся в реакционной смеси)/Исходное число молей реагента А.

Или через концентрации

через массы

Зная конверсию одного из реагентов можно выразить конверсии других реагентов, участвующих в реакции.

Из конечного уравнения следуют частные случаи:

а) если , то реагенты взяты в стехиометрическом количестве , т.е. Х(А) = Х(В);

б) если – реагент А взят в избытке, Х(А) < Х(В);

в) если – реагент В взят в избытке, Х(А) > Х(В);

Пределы конверсии: 0 < X < 1 (это доля от первоначального количества реагента)

В избытке берут более дешевый реагент для повышения степени использования более дорогого.

Для обратимых химических реакций предельно состояние химического равновесия. Предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения

(Исходное число молей реагента А – Число молей реагента А в условиях равновесия)/Исходное число молей реагента А

(индекс е от лат. equilibrium – "равновесие").

Степень превращения Х_А характеризует процесс не полностью: даже прореагировав целиком, реагент может послужить образованию не целевого, а побочного продукта.

2. Селективность (j - позволяет оценить эффективность целевой реакции по сравнению с побочными).

Полная, или интегральная селективность j – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству реагента, расходуемого на целевую и побочную реакции вместе:

, также можно выразить через концентрацию, число молей.

Пределы селективности: 0 < j < 1. Чем выше селективность, тем меньше побочных продуктов образуется в ходе процесса, тем меньше расход сырья на побочные реакции.

Дифференциальная селективность j' – может рассматриваться как функция соотношения скоростей целевой и побочной реакции:

А ® R (целевая)

А ® S (побочная)

3. Выход Ф готового продукта – отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло быть получено при этих условиях.

Если в основе процесса лежит химическая реакция, описываемая конкретным уравнением, то для необратимых реакций выход определяется как отношение массы, полученной на практике m_np к массе, теоретически возможной по стехиометрическому уравнению m_теор.

Для простых необратимых реакций Выход = Конверсии ХА.

Выход для обратимой реакции определяется как отношение практически полученной массы продукта к максимально возможной массе его, которая может быть получена в данных условиях производства. Максимально возможное количество продукта рассчитывается по стехиометрическому уравнению реакции.

4. Расходные коэффициенты РК (К_теор, К_пр.) по сырью количество сырья или энергии каждого вида, затрачиваемое на производство единицы массы или объема готовой продукции. РК по сырью выражаются в т/т, кг/кг, и т.д.; по энергии, соответственно, в кВт×ч/т.

Теоретические РК рассчитываются на основе стехиометрического уравнения целевой реакции, как отношение молярной массы реагента к молярной массе целевого продукта с учетом стехиометрических коэффициентов.

Практические РК рассчитывают из практических данных по материальным балансам производств.

РК показывает расход чистого реагента при полной конверсии без протекания побочных реакций и без учета потерь на получение единицы продукции.

5. Показателем, характеризующим эффективность работы машин, аппаратов, цехов и заводов в целом, служит производительность. Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени:

где П – производительность; m – количество продукта; τ – время.

Производительность измеряется в килограммах в час (кг/ч), тоннах в сутки (т/сут), или, кубических метрах в сутки (м³/сут) и т.д. Максимально возможная в данных условиях производства производительность называется мощностью.

Производительность может быть отнесена к отдельному аппарату, технологической линии, цеху, предприятию в целом.

6. Для сравнения работы аппаратов и установок различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же химические процессы, используется понятие интенсивность. Интенсивность I аппарата (машины, реактора) это его производительность, отнесенная к единице величины, характеризующей размеры рабочей части аппарата объема V или площади сечения S:

где V – объем аппарата (реактора).

Интенсивность может измеряться количеством продукта, получаемого в течение единицы времени с единицы объема аппарата. Например, (кг/ч×м³), или с единицы сечения аппарата (т/сут×м²) и т.д.

Интенсивность по катализатору

7. Качество продукции – совокупность технических, эксплуатационных, экономических и других свойств, обуславливающих ее пригодность для удовлетворения личных или производственных потребностей в соответствии с ее назначением. В большинстве случаев качество химических продуктов определяется их чистотой или содержанием в них основного вещества. Производство высокочистых или концентрированных продуктов важно не только с точки зрения качества конечного продукта, идущего на народное потребление, но и по многим другим причинам. Например, применение концентрированных продуктов повышает интенсивность процессов, в которых они используются в качестве сырья. Это приобретает особое значение для химической промышленности, продукция которой представляет собой главным образом сырье или средство производства, а не непосредственного потребления.

Особенно большие требования к чистоте химических продуктов предъявляются при производстве химических реактивов и особо чистых веществ, применяемых в некоторых технологических процессах. Так, например, содержание окислов азота и хлора в реактивной серной кислоте должно быть не более 10^-4 %, а содержание мышьяка – не более 3×10^-6 %.

Качество продукции измеряется системой показателей, охватывающих различные области использования продукции: надежности, долговечности. Эти показатели задаются государственными стандартами (ГОСТ) и техническими условиями (ТУ) на продукцию.

По мере совершенствования химико-технологических процессов, а также по требованию потребителей химических продуктов стандарты систематически пересматриваются. При этом проводится большая исследовательская работа по оценке возможностей промышленности, вырабатывающей тот или иной продукт, а также по установлению обоснованности выдвигаемых потребителями требований. В результате такой работы составляется новый стандарт, в котором предусматриваются более качественные показатели продукции (все или некоторые из них).