1.2. Основные технологические критерии эффективности

^{Для оценки качества ХТП используют количественные технологические показатели: степень превращения сырья, селективность образования и выход продукта, производительность реактора или установки, интенсивность работы реактора или катализатора, расходные коэффициенты по реагентам, другим веществам (в ходе ХТП расходуются катализаторы, инерты и т.д.) и энергии. Эти показатели характеризуют степень совершенства ХТП.}

^{Рассмотрим основные показатели на примере реакции (1.18), которую будем считать основной реакцией ХТП.}

^{aA + bB = pP (1.18)}

1.2.1 Степень превращения (степень конверсии) реагента (х) – это отношение количества превращенного реагента к введенному в реакционную систему количеству этого реагента.

^{Количества реагента могут быть выражены в единицах массы, молях, в мольных потоках (количество молей вещества, поступающее в реактор или выходящее из реактора в единицу времени) и, даже, в единицах объема, взятых при одинаковых условиях (температуре и давлении).}

^{; (1.19)}

^{где и - массы введенного и непрореагировавшего реагента А, соответственно;}

^{и – те же величины, выраженные в молях.}

^{Если объем реакционной системы остается постоянным в ходе ХТП, то во всех расчетах количества веществ могут быть заменены их молярными концентрациями. При использовании формул (1.19) степень превращения получают в долях единицы. Умножив полученное значение на сто процентов, получим величину Х в процентах.}

1.2.2 Выходом продукта по данному реагенту называют отношение количества реагента, превратившегося в данный продукт, к количеству этого реагента, введенного в систему.

^{Эквивалентная формулировка: - Выход продукта по данному реагенту – это отношение количества продукта, полученного практически, к количеству этого продукта, которое должно быть получено из введенного количества данного реагента в соответствии с уравнением реакции.}

^{Обе формулировки выражаются одной формулой. Для уравнения (1.18) выходы продукта Р на реагенты А и В выражаются формулами (1.20).}

^(1.20)

^{где , и количества молей продукта Р, полученное в реакции (1.18), и реагентов А и В, введенные в реакционную систему, соответственно, а, b и p – стехиометрические коэф- фициенты реакции (1.18).}

^{Для уточнения связи формулы (1.20) с двумя формулировками определения выхода перепишем ее для реагента А в двух видах: (1.21) – для первой формулировки, (1.22) – для второй.}

(1.21)

(1.22)

^{Выражение в формуле (1.21) – это количество молей реагента А, из которого образуется NP молей продукта Р в соответствии с уравнением (1.18) и т.д.}

Выход можно рассчитывать для каждого из продуктов по любому из реагентов (а если необходимо, то и по всем реагентам основной реакции). Чаще выход рассчитывают для наиболее ценного (целевого) продукта на наиболее дорогой из реагентов.

^{Например, в синтезе метанола из синтез-газа наряду с основной (1.23) идут побочные реакции (1.24 - 1.26).}

^{СО + 2Н2 = СН3ОН (1.23)}

^{2СО + 2Н2 = СН4 + СО2 (1.24)}

^{СО + 3Н2 = СН4 + Н2О (1.25)}

^{2СН3ОН = СН3ОСН3 + Н2О (1.26)}

^{Выход метанола (ηCH3OH) в соответствии со стехиометрией уравнения (1.23) по оксиду углерода(II) рассчитывают по формуле (1.27), а по водороду – по формуле (1.28).}

^(1.27)

^(1.28)

^{где – полученное количество молей метанола,}

^{и – введенные в систему количества молей СО и Н2.}

Аналогичным образом может быть рассчитан выход по каждому из побочных продуктов. Очевидно, что практический выход не может превышать равновесный выход при условиях проведения процесса.

^{Для процессов, в которых нельзя выделить одну стехиометрическую реакцию образования целевого продукта и поэтому нельзя рассчитать выход описанным способом, определяют показатель, который также называют выходом или массовым выходом и который представляет собой отношение массы полученного продукта к массе затраченного сырья. Например, выход этилена для процесса пиролиза фракций нефти находят как отношение массы этилена к массе поступившей в реактор фракции нефти.}

^{1.2.3 Селективность – важнейший показатель сложного ХТП, характеризующий эффективность превращения сырья в целевой продукт.}

^{Селективность образования продукта по реагенту (φ) – это отношение количества этого реагента, превратившегося в продукт, к общему количеству превратившегося реагента.}

^{В отличие от выхода, селективность учитывает только превратившийся реагент, поэтому этот показатель более чувствителен к соотношению различных направлений химического превращения. Для реакции (1.18) селективность образования продукта Р по реагентам А и В выразится формулами (1.29) и (1.30), в знаменателе которых, в отличие от формул для выхода (1.21) и (1.22), количество превращенного реагента. Символом N обозначены мольные количества веществ или мольные потоки (для открытых систем, работающих в стационарном режиме).}

^(1.29)

^(1.30)

^{Для селективности, также как для выхода, есть второе определение: селективность – это отношение количества полученного практически продукта, к количеству этого продукта, которое должно было быть получено из прореагировавшего количества реагента в соответствии со стехиометрией реакции, по которой образуется этот продукт.}

^{Если продукт образуется по нескольким реакциям, то селективность, как правило, рассчитать нельзя.}

^{Селективность, рассчитанную по формулам (1.29,1.30) называют интегральной в отличие от дифференциальной селективности.}

^{Дифференциальной селективностью () образования продукта Р по реагенту А называют отношение скорости расходования реагента А на образование продукта Р к суммарной скорости превращения А. Рассчитывают дифференциальную селективность как отношение скоростей образования продукта и расходования реагента, умноженное на обратное отношение стехиометрических коэффициентов (1.31 для реакции 1.18). Член в уравнении (1.31) равен скорости расходования А на образование Р.}

^(1.31)

^{Например, для реакции синтеза метанола (1.23) интегральную селективность образования метанола по СО и по Н2 рассчитывают по формулам (1.32) и (1.33), соответственно.}

^(1.32)

^(1.33)

^{1.2.4. Взаимосвязь степени превращения реагента, выхода и интегральной селективности образования продукта по этому реагенту легко получить, перемножив выражения для степени превращения (1.19) и селективности (1.29). Сократив одинаковые члены в числителе и знаменателе, получим (1.34) (сравнить с (1.21)).}

^(1.34)

Очевидно, что для простых ХТП селективность равна единице (100%) для всех продуктов единственной реакции (стехиометрического уравнения). В этом случае выход каждого из продуктов реакции по любому из реагентов равен степени превращения этого реагента ().

В случае сложных ХТП для получения высокого выхода необходимо иметь высокие значения и степени превращения, и селективности. Если процесс протекает с полным превращением реагента, то выход продуктов по этому реагенту равен селективности образования каждого из продуктов по данному реагенту.

Например, в контактном окислении аммиака весь поступающий в процесс аммиак реагирует, превращаясь в оксид азота и побочные продукты. Выход оксида азота на аммиак в этом случае равен селективности образования NO по аммиаку.

1.2.5. Производительность аппарата. Производительность аппарата (П) - это масса (или объем) выработанного целевого продукта за единицу времени:

(^кг/_ч, ^т/_ч,/_ч)

где G – масса (или объем) продукта, полученная за время t/

1.2.6. Интенсивность работы аппарата. Интенсивностью работы аппарата (I) называют его производительность, отнесенную к какой-либо величине, характеризующей размеры данного аппарата. Обычно производительность относят к объему аппарата V или к площади его сечения S:

(^кг/_м3_ч), (^кг/_м2_ч)

В каталитических процессах рассчитывают интенсивность работы катализатора, для чего массу полученного за единицу времени целевого продукта относят к объему катализатора V_k:

(^кг_ч)