Основы технологии НХС

Расчёт показателей полезности и эффективности
химического производства и технологического процесса
Определение полезности и эффективности химического производства и
технологического процесса в нём производится по разным показателям.
Технические показатели определяют качество химико-технологического
процесса. Нефтехимические процессы характеризуются следующими основными показателями:
Конверсия исходного сырья – количество превращенного сырья (компонента сырья), отнесенное к загрузке реактора, выраженное в процентах или
долях единицы.
Рассмотрим простейшую реакцию
А  В + С,
где В – целевой продукт.
Количество компонента А в загрузке реактора равно G A3 , в продуктах
реакции G AK (кг/ч) или N A3 и N AK (кмоль/ч). Тогда конверсию компонента А
(в %) можно выразить следующим образом:
G Aпр
N Aпр
G A3  G AK
N A3  N AK
(1)
K
100 
100  3 100  3 100 .
G A3
N A3
GA
NA
Конверсия характеризует степень превращения сырья в целевые и побочные продукты и, в конечном счете, количество непрореагировшего сырья,
подлежащего рециркуляции.
Выход продукта – отношение реально получаемого количества продукта из использованного сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же сырья. Например, на получение 1 т НNО3
реально расходуется 290-296 кг NH3. Если аммиак полностью превратить в
азотную кислоту, его потребуется 270 кг. Выход продукта – 91-93%. Неполнота выхода продукта зависит от неполноты превращения, потерь, наличия
примесей.
Выход целевого продукта в расчете на пропущенное сырье – количество целевого продукта, отнесенное к загрузке реактора, выраженное
в % (масс.) или массовых долях.
Если количество целевого продукта GА (кг/ч), то выход продукта В в
расчёте на пропущенное сырье G A3 составит
G
B  B3 100 .
(2)
GA
Селективность – доля (или процент) превращенного сырья, израсходованная на образование целевого продукта:
NB
(3)
C  пр
100 .
NA
Селективность процесса характеризует степень полезного использования сырья.
Масса сырья А, превращённого в продукт В:
(4)
G A( B )  N B M A ,
где МА – молярная масса вещества А (кг/кмоль).
Отсюда следует, что
G A( B )
N M
NB
C  пр 100  B пр A 100  пр
100 .
(5)
GA
GA
NA
Селективность также можно определить как отношение выхода целевого продукта к его стехиометрическому выходу, или как отношение количества целевого продукта к его стехиометрическому количеству, которое могло
бы образоваться при отсутствии побочных реакций
Если реакция идет без образования побочных продуктов, то количество
полученного продукта равно:
GBстех  G Aпр М В / М А ,
(6)
а селективность:
GB  GB / GBстех .
(7)
При этом значения селективности, рассчитанные по уравнениям (5) и (6)
одинаковы. Подставим выражение для G Встех из уравнения (6) в уравнение (7):
C B  GB M A /(G Aпр M B )  N B / N Aпр .
(8)
В литературе часто используют понятие «выход от теоретического»,
подразумевая под этим селективность, выраженную как отношение выхода
целевого продукта к его стехиометрическому выходу. Такое выражение селективности («выход от теоретического») неприменимо к обратимым реакциям, так как в этом случае теоретическое или равновесное количество вещества В равно:
(9)
GBтеор  GBстех BBp ,
где ВВр – равновесный выход продукта при данных условиях, доли
единицы.
Селективность равна:
C B  GB /(GBстех ВВР ) .
(10)
Селективность выражают в мольных долях или в процентах.
В технических расчетах под селективностью иногда понимают выход
целевого продукта в расчете на разложенное сырье и выражают её в % (масс.)
или массовых долях:
С /  GB / G Aпр .
(11)
Эта величина связана с селективностью, выраженной в мольных долях,
соотношением:
С  С/М А / М В .
(12)
Выражать селективность в массовых долях или процентах удобно в тех
случаях, когда молярные массы сырья и целевого продукта близки, например, в процессах дегидрирования.
Если реагируют два и более вещества или образуется два и более продуктов реакции, селективность определяют по каждому из них.
Расходный коэффициент – расход сырья на получение одной тонны
целевого продукта. Расходный коэффициент показывает количественно затраты на производство продукта, но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. Последняя определяется выходом продукта.
Расходный коэффициент рассчитывают на основании стехиометрического расхода сырья на реакцию (или реакции), учитывая селективность процесса (или его отдельных стадий), механические потери сырья и продуктов, а
также степень извлечения целевого продукта из продуктов реакции.
Стехиометрический расходный коэффициент для реакции А  В + С:
астех  М А / М В .
(13)
Расходный коэффициент с учетом селективности процесса:
аС  1 / С / ,
аС  астех / С
или
(14)
/
где С – селективность, % (масс.).
Для процессов, протекающих в несколько стадий, расходный коэффициент рассчитывают, учитывая селективность каждой стадии:
аС  астех /(С1  С2 ...Сn ) .
(15)
С учетом потерь расходный коэффициент равен:
а  аС (1  П / 100 ) ,
(16)
где П – суммарные потери на всех стадиях, % (масс.).
Если потери отнесены к количеству целевого продукта, то расходный
коэффициент равен:
аС
.
(17)
а
1  П / 100
В некоторых процессах для расчета расходных коэффициентов пользуются не селективностью, а выходом целевого продукта в расчёте на пропущенное сырье. Так расходные коэффициенты рассчитывают для процессов, в которых сырье представляет собой сложную смесь, а реакция идет с
большой глубиной. Примером такого процесса является пиролиз бензина или
газойлевых фракций, когда не представляется возможным определить конверсию сырья. Расходный коэффициент в этом случае равен:
а  (G A3 / GB )(1  П / 100) .
(18)