Технологические критерии эффективности химико-технологического процесса - Химические процессы и реакторы
Об эффективности осуществления любого промышленного процесса судят прежде всего по экономическим показателям, таким, как приведенные затраты, себестоимость продукции и т. д. Естественно, что окончательная оценка эффективности химико-технологического процесса выводится из этих критериев. Однако они характеризуют весь процесс в целом, его конечный результат, не входя в детальное рассмотрение внутренней сущности, особенностей процесса.
Для оценки эффективности отдельных этапов процесса необходимо помимо общих экономических показателей использовать такие критерии эффективности, которые более полно отражали бы химическую и физико-химическую сущность явлений, происходящих в отдельных аппаратах технологической схемы.
В качестве таких показателей принято, прежде всего, использовать степень превращения исходного реагента, выход продукта, селективность. Они с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной химической реакции.
Степень превращения. Степень превращения реагента показывает, насколько полно в химико-технологическом процессе используется исходное сырье.
Степень превращения - это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию.
Степень превращения реагента J
Где NJ, 0 - количество реагента J в исходной реакционной смеси;
ПJ, F - количество реагента J в реакционной смеси, выходящей из аппарата или находящейся в реакторе; ?nJ - изменение количества реагента J в ходе химической реакции.
Чаще всего в химической реакции участвует не один, а два реагента (или даже больше). Степень превращения может быть рассчитана по первому, второму или третьему реагенту, причем в общем случае не обязательно получаются равные результаты.
Если протекает реакция (I), то в соответствии с ее стехиометрическим уравнением изменения количеств ее участников ?nJ связаны между собой следующими соотношениями:
(1.3)
Степени превращения реагентов А и В, участвующих в реакции (I):
(1.4)
Из уравнений (1.3) и (1.4) следует
,
Или (1.5)
Уравнение (1.5) устанавливает связь между степенями превращения реагентов А и В и позволяет рассчитать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого.
Если т. е. реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом соотношении (количество реагентов А и В соотносится между собой как соответствующие этим веществам стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции), то степени превращения ХА И ХВ равны между собой: ХА = ХВ.
Если т. е. реагент А взят в избытке, то, как следует из уравнения (1.5), ХА < ХВ.
Если же (1.6)
Т. е. взят в избытке реагент В, то ХА > хВ.
Необходимо помнить, что степень превращения - это доля первоначального количества реагента, т. е. пределы изменения Х Определяются соотношением
0 ? Х ? 1.
Следовательно, если один из реагентов (например, реагент В) взят в избытке, то с учетом выражений (1.5) и (1.6) всегда ХВ < 1, даже в том случае, когда ХА = 1.
Обычно при выборе первоначального состава реакционной смеси берут в избытке более дешевый реагент (например, воздух, воду и т. д.) с целью повышения степени использования более ценного сырья.
Не всегда возможно достичь полного использования реагента (т. е. условия Х = 1). Большинство химических реакций обратимы. Для обратимых реакций при заданных условиях их осуществления предельным является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения
Где NА,Е - количество реагента А в условиях равновесия; | NА,Е | - изменение количества реагента А к моменту наступления равновесия (максимально возможное при данных условиях осуществления химической реакции).
Используя степень превращения реагентов, можно определить количество продуктов R и S, образовавшихся в результате реакции (I), не осложненной наличием побочных взаимодействий. Изменение количества продукта реакции (I), например продукта R, в соответствии со стехиометрическими соотношениями (1.2) можно выразить через изменение количества реагента А или реагента В. Если первоначальное количество продукта R равно нулю (ПR,0 = 0), то
, (1.7)
Или.
В качестве ключевого реагента, через степень превращения которого выражают количества продуктов, удобно брать реагент, взятый либо в недостатке, либо в стехиометрическом соотношении к другому реагенту. Например, если в качестве такого выбран реагент А, должно выполнятся условие
. (1.8)
Максимально возможное количество продукта R, которое может быть получено при проведении обратимой реакции
АА+ bB rR + sS,(IV)
Рассчитывают как равновесное количество этого продукта R, E:
. (1.9)
Если реакционный объем V - постоянная величина (V = const), то во всех приведенных выше соотношениях количества реагентов и продуктов могут быть заменены молярными концентрациями. Например,
И т. д.
Выход продукта. Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но этой величины не всегда достаточно для характеристики процесса с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности - выход продукта.
Выход продукта - отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.
Обозначим выход продукта R через ФR. Тогда
ФR = nR / nR,max. (1.10)
Величина NR,max в уравнении (1.10) зависит от типа осуществляемой химической реакции. Рассмотрим несколько различных реакций.
Необратимая химическая реакция (I). Максимально возможное количество продукта R в такой реакции будет получено, если весь реагент А (NА,0) вступит в реакцию [при этом в качестве реагента А должен быть выбран такой, который удовлетворяет условию (1.8)]
NR, max = na,0(r / a).
В этом случае
. (1.11)
Так как в соответствии с уравнением (1.7) NR = nA,0XA(R/a), то
Т. е. для простых необратимых реакций выход продукта и степень превращения реагента совпадают. Однако для других типов химических реакций эти два критерия эффективности различаются.
Обратимая химическая реакция (III). Для такой реакции максимально возможное количество продукта R определяется по уравнению (1.9) как равновесное количество продукта R при данных условиях осуществления реакции (температура, давление, соотношение начальных концентраций реагентов). Тогда с учетом уравнения (1.7)
(1.12)
Таким образом, для обратимых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения от равновесной для данных условий проведения реакции.
Пример 1.1. Пусть протекает реакция
А + 2В 2R + S.
Начальное количество реагентов NА,0 = 10 кмоль; NB,0 = 25 кмоль. В реакционной смеси, выходящей из реактора, содержится 12 кмоль продукта R. Известно, что в равновесной смеси при данных условиях проведения реакции содержится 2,5 кмоль продукта А.
Определим выход продукта R (ФR). В соответствии с уравнением (1.12)
ФR = xA - XA,E.
Определим степень превращения ХА, используя уравнение (1.7):
Равновесная степень превращения
Тогда
ФR = ХА/XA,E = 0,6 / 0,75 = 0,8.
Для определения выхода продукта ФR в данном примере можно также рассчитать NR,E = (NA,0 - nA,E)(R/a) = 15 кмоль и воспользоваться уравнением (1.10): ФR = NR / NR,E = l2 / 15 = 0,8.
Параллельные и последовательные реакции. Рассмотрим две параллельно протекающие реакции, в которых наряду с целевым продуктом R получаются продукты побочной реакции:
(V)
Максимально возможное количество продукта R будет получено в том случае, если весь исходный реагент А при соблюдении условия (1.8) будет реагировать только по целевой реакции. Тогда
. (1.13)
Следует помнить, что выразить NR через степень превращения и начальное количество А в случае сложной реакции нельзя, так как расходование вещества 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
AА 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 обратимых сложных реакций
(1.14)
Как и степень превращения, выход продукта для реакционных систем с постоянным объемом может быть определен как отношение концентраций. Следует также помнить, что выход, выражаемый как доля от некоторой предельно возможной величины, изменяется от 0 до 1.
Селективность. Выход продукта характеризует полученный результат, как долю от предельно возможного результата. Целесообразно оценить и реальную ситуацию, т. е. дать количественную оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.
Критерием для такой оценки является селективность. Селективность, как и два предыдущих критерия эффективности, выражают в долях единицы или процентах.
Полная, или интегральная, селективность ц - это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на все реакции (и целевую, и побочные):
.
Мгновенной, или дифференциальной, селективностью ц/ называют отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов:
,
Где - скорость расходования реагента А по целевой реакции; - суммарная скорость расходования реагента А.
Использование дифференциальной селективности при анализе технологических процессов будет описано в гл. 3. Здесь рассмотрим только полную селективность.
Для реакций (III) полная селективность по целевому продукту R может быть выражена через количество полученного продукта R и количество реагента А, суммарно израсходованного на реакцию.
С учетом стехиометрических соотношений количество реагента А, вступившего в реакцию образования целевого продукта, равно (A/r) nR.
Тогда полная селективность
(1.15)
Знаменатель в уравнении (1.15) можно заменить через количество полученных продуктов целевой и побочной реакции с учетом стехиометрических соотношений:
Пример 1.2. Рассмотрим в качестве примера параллельные реакции
- 4NH3 + 5О2 4NO + 6Н2О; 4NH3 + ЗО2 2N2 + 6H2O.
Целевой является реакция получения оксида азота NO.
Селективность можно рассчитать по количеству полученных на выходе из реактора продуктов целевой реакции (оксида азота) и побочной реакции (азота):
Между выходом целевого продукта, степенью превращения исходного реагента и селективностью существует простая связь. Рассмотрим ее сначала на примере необратимых параллельных реакций (IV).
В соответствии с уравнением (1.13) выход продукта R
(1.16)
Реально полученное количество продукта R можно выразить через селективность, пользуясь уравнением (1.15)
. (1.17)
После подстановки уравнения (1.17) в уравнение (1.16) получим
. (1.18)
Если параллельные реакции обратимы, то максимально возможное количество продукта R, которое могло бы получиться при отсутствии побочной реакции, определяется условиями равновесия. Тогда для определения выхода продукта нужно применить уравнение (1.14). Подставляя в него значение количества реально полученного продукта R, выраженного с помощью уравнения (1.17), будем иметь более общее уравнение связи между выходом, селективностью и степенью превращения:
,
Или
. (1.19)
Из уравнений (1.18) и (1.19) следует, что при выборе условий проведения сложных химических реакций недостаточно обеспечить только высокое значение степени превращения реагентов или только высокую селективность; высокое значение выхода целевого продукта определяется некоторой совокупностью этих критериев эффективности.
Оптимальными значениями выхода, селективности и степени превращения будут, как правило, такие, достижение которых позволяет обеспечить максимальную экономическую эффективность процесса.
Производительность и интенсивность. Важным критерием эффективности работы отдельных аппаратов, цехов или заводов в целом является производительность.
Производительность - это количество продукта, полученное в единицу времени:
,
Где П - производительность; NR - количество продукта; ф - время. Производительность измеряется в кг/ч, т/сут, т/год и т. д. Например, производительность современного агрегата синтеза аммиака составляет 1360 т аммиака в сутки; производительность агрегата по производству серной кислоты - 1 млн т серной кислоты в год и т. д. Иногда производительность оценивают по количеству переработанного сырья, например производительность печи обжига колчедана - 450 т колчедана в сутки. Если известны концентрация продукта в реакционной смеси, для определения производительности удобно воспользоваться следующей формулой:
П = cRV,
Где CR - концентрация продукта; V - Объемный расход реакционной смеси.
Максимально возможная для данного агрегата, машины производительность (проектная) называется Мощностью. Одним из основных направлений развития химической промышленности является увеличение единичной мощности агрегатов, так как оно ведет к снижению удельных капитальных затрат, повышению производительности труда.
Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же процессы, используют понятие "интенсивность".
Интенсивностью называется производительность, отнесенная к какой-либо величине, характеризующей размеры аппарата, - его объему, площади поперечного сечения и т. д.
Например,
,
Где V - Объем аппарата. Интенсивность измеряется в кг/(ч - м3), т/(сут - м3) и т. д.
При разработке новых процессов или усовершенствовании существующих стремятся к созданию высокоинтенсивных аппаратов. Увеличение интенсивности аппарата часто возможно при создании таких условий проведения процесса, которые обеспечивают его протекание с высокой скоростью.
При анализе работы каталитических реакторов принято относить производительность аппарата в целом к единице объема или массы катализатора, загруженного в реактор. Такую величину, численно равную количеству продукта, полученного с единицы объема или массы катализатора, называют производительностью катализатора, или его напряженностью.
Вопросы и упражнения
Для повторения и самостоятельной работы
Из каких основных стадий состоит химико-технологический процесс? В каких стадиях химико-технологического процесса участвуют химические реакции?
Что такое химический процесс? Почему химический процесс как единичный процесс химической технологии сложнее по сравнению с тепловыми и массообменными процессами?
Объясните взаимное влияние химической реакции и явлений тепло - и массопереноса на примерах:
- А) сгорание в потоке воздуха частицы колчедана; Б) разложение фторапатита Ca5F(PO4)3 серной кислотой; В) получение аммиачной селитры при взаимодействии газообразного аммиака с раствором азотной кислоты.
Какие технологические критерии эффективности химико-технологического процесса вы знаете? Дайте их определения.
Каковы пределы изменения степени превращения, выхода продукта, селективности?
Что означает выражение "реагенты взяты в стехиометрическом соотношении"?
Выведите уравнение связи между степенями превращения двух реагентов, вступающих в реакцию
АА + bВ RR + SS,
Если известно, что для проведения реакции взято NА,0 моль реагента А и NB,0 моль реагента В.
В химической реакции участвуют два реагента А и В, причем на каждый моль реагента А взято по 2 моль реагента В. В каком случае будет справедливо утверждение, что степень превращения ХА реагента А больше степени превращения ХВ реагента В?
В чем различия между действительной и равновесной степенями превращения реагента?
С какой целью при проведении химических процессов в промышленных условиях один из реагентов часто берут в избытке по отношению к стехиометрии реакции? Каковы пути использования реагента, взятого в избытке и не вступившего в реакцию?
Определите состав смеси (СА, СВ, cR, cS) и степень превращения JcB для реакции А + 2В 2R + S, если ХА = 0,6, СА,0 = 1 кмоль/м3,
СB,0 = 1,5 кмоль/м3.
Выведите уравнение связи между выходом продукта и степенью превращения одного из реагентов для обратимой химической реакции, не сопровождающейся побочными взаимодействиями.
Рассчитайте выход продукта Р, если известно, что при проведении последовательных реакций
А+ В Р + R,
Р + М S + Z
Получено 12 моль продукта Р, 4 моль продукта S, а для проведения реакций было взято по 20 моль реагентов А и В.
В чем различие между полной (интегральной) и мгновенной (дифференциальной) селективностями?
Выведите уравнение взаимосвязи между выходом целевого продукта R, степенью превращения реагента А и полной селективностью ц при проведении двух необратимых последовательных реакций
А R (целевая реакция),
R S (побочная реакция).
Выведите уравнение взаимосвязи между выходом целевого продукта, степенью превращения реагента и полной селективностью при проведении параллельных обратимых реакций
А1А + B1В RR (целевая реакция),
A2А + B2B SS (побочная реакция).
Рассчитайте полную селективность, если при проведении последовательных реакций
A R + М (целевая реакция),
R S + N (побочная реакция)
Получено 6 моль продукта R и 2,5 моль продукта S.
Протекают последовательные реакции А 2R и R 3S, целевым продуктом которых является вещество R. Определите выход продукта R, степень превращения ХА и полную селективность ц, если известен конечный состав реакционной смеси: СА, F = 1 кмоль/м3, CR, F = 2 кмоль/м3, CS, F = 2 кмоль/м3.
Определите выход продукта R и степень превращения ХА реагента А, если обратимая реакция А 2R протекает при условиях, когда равновесная степень превращения XA,Е = 0,75, а отношение концентраций продукта и реагента после окончания реакции СR: сА = 1.
Протекают параллельные реакции
2А R,
А 3S.
Определите выход продукта R, степень превращения ХА реагента А и полную селективность ц, если на выходе из реактора СА,F = 2 кмоль/м3, CR, F = 3 кмоль/м3, CS, F = 3,5 кмоль/м3.
Что называется производительностью, мощностью, интенсивностью?
Как связаны между собой:
- А) производительность и степень превращения реагента; Б) производительность и выход целевого продукта?
Определите понятия "технологический режим", "технологическая схема процесса".
Похожие статьи
-
Теоретические основы процесса Реакторы смешения - это емкостные аппараты с мешалкой или циркуляционным насосом. Человечество давно пользуется...
-
СО2 + С = 2СО Если известно, что для СО2 ДG2980 = - 394572 Дж/моль и для СО ДG2980 = - 137334 Дж/моль. Рассчитаем ДG2980 = 2ДGСО - ДGСО2 = 2*(137,334)...
-
В современной химии известно большое число различных химических реакций. Многие из них осуществляются в промышленных химических реакторах и,...
-
В промышленности синтез глиоксаля окислением этиленгликоля протекает в адиабатических условиях, оптимальный температурный режим процесса зависит от...
-
Стехиометрия химических реакций - Химические процессы и реакторы
Для описания химических реакций, лежащих в основе промышленных химико-технологических процессов, используют основные законы химии - законы стехиометрии,...
-
В промышленности синтез глиоксаля окислением этиленгликоля протекает в адиабатических условиях, оптимальный температурный режим процесса зависит от...
-
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ЕГО СОДЕРЖАНИЕ - Химические процессы и реакторы
Химико-технологический процесс представляет собой совокупность операций, позволяющих получить целевой продукт из исходного сырья. Все эти операции входят...
-
Реакторами идеального (полного) смешения называются реакторы непрерывного действия, в которых осуществляется турбулентный гидродинамический режим. В них...
-
Один из способов повысить селективность - это правильно подобрать катализатор. Рассмотрим этот метод, на примере получения анизола и крезола. Анизол и...
-
Исходные данные для расчета реакторов - Проектирование химического реактора идеального смешения
При выборе конструкции и определении размеров реактора необходимо принимать во внимание различные факторы и, прежде всего, располагать данными о скорости...
-
Введение - Проектирование химического реактора идеального смешения
Промышленный химический процесс - это экономически и экологически целесообразное производство требуемого продукта из исходного сырья....
-
График зависимости температуры потока 8 от расхода азота представлен на рисунке 2.2. На данном графике по оси абсцисс откладываются значения расхода...
-
Общие понятия и определения. Термодинамический и кинетический критерий реакционной способности химической системы. Скорость химической реакции. Факторы,...
-
Термодинамика - наука о взаимопревращениях различных форм энергии и законах этих превращений. Термодинамика базируется только на экспериментально...
-
Критерии самопроизвольного протекания процессов - Химическая кинетика, равновесия, термодинамика
А) В изолированной системе самопроизвольно идут только процессы с увеличением энтропии. S > 0 - процесс возможен, S Одновременно действуют обе тенденции...
-
Получение синтезированного газа - Анализ и технологическая оценка химического производства
Химические методы переработки нефти проводят при высоких температурах без катализатора (термический крекинг), при высоких температурах в присутствии...
-
Материальный баланс производства Основанием для получения уравнения реактора любого типа является материальный баланс, составленный по одному из...
-
Термодинамика процесса В процессах парофазного каталитического окисления моноатомных спиртов и этиленгликоля возможна реализация следующих превращений...
-
Химическое равновесие - Скорость химических процессов. Химическое равновесие, принцип Ле-Шателье
Химическое равновесие и его признаки. Равновесие истинное и заторможенное (ложное). Принцип Ле-Шателье. Константа равновесия и ее связь с...
-
Основные технологические показатели процесса - Синтез на основе оксидов углерода и водорода
Конверсию исходного сырья рассчитываем как отношение количества израсходованного сырья (СО+Н2) - (Gн - Gк), где Gк - количество непрореагировавшего...
-
Данные для расчета: Основная реакция: (1) Побочные реакции: Рабочий объем катализатора - 24 м3. Расход оксида углерода и метанола на побочные продукты с...
-
Факторы, от которых зависит электролиз - Характеристика электролиза как химического процесса
Эффективность электролиза оценивают рядом факторов, к которым относятся: сила тока, напряжение, плотность тока, КПД источника тока, выход по току, выход...
-
В термодинамике понятие "энтропия" было введено Р. Клаузиусом (1865), который показал, что процесс превращения теплоты в работу следует общей физической...
-
При использовании разомкнутых химико-технологических систем в большинстве случаев принципиально невозможно проведение процессов при практически полной...
-
Степень превращения - это доля исходного реагента, использованного на химическую реакцию. Степень превращения реагента J Где nJ, 0 - количество реагента...
-
Для химической обратимой реакции, представленной в общем виде: АА+ЬВ ^dD+eE, Установлено, что, независимо от того, каковы были начальные концентрации...
-
Энтропия. Самопроизвольный процесс - Химическая термодинамика и ее процессы
Самопроизвольный процесс - процесс, который может протекать без затраты работы извне, причем в результате может быть получена работа в количестве,...
-
Введение - Характеристика электролиза как химического процесса
Электролиз - окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита....
-
Таким образом, подбор реактора для конкретного химического процесса, его расчет, оптимизация конструкции и условий проведения -- задача очень сложная,...
-
Энтропия. Движущее начало химических процессов - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Убедившись в полезности знания тепловых эффектов химических превращений, мы, тем не менее, не смогли ответить на вопрос: "Почему одни химические реакции...
-
Термодинамика процесса В процессах парофазного каталитического окисления моноатомных спиртов и этиленгликоля возможна реализация следующих превращений...
-
Электрохимические процессы, Электродный потенциал - Систематика химических элементов
Электродный потенциал Электрохимические процессы - Это процессы взаимного превращения химической и электрической форм энергии. Их можно разделить на две...
-
Физико-химические основы процесса производства этилбензола алкилированием в присутствии хлорида алюминия Исходные продукты (бензол и олефины) для...
-
Введение - Химические процессы и реакторы
Под технологией в широком значении этого слова понимают научное описание методов и средств производства в какой-то отрасли промышленности. Например,...
-
Краткая теория Основное уравнение гомогенной кинетики - закон действующих масс, ЗДМ (хотя реально подставляются не массы, а молярные концентрации):...
-
Введение - Разработка технологической схемы получения анизола и крезола
Известно в некоторых случаях невозможно достичь высокой селективности химико-технологических процессов. Это происходит вследствие наличия побочных...
-
Закономерность управления процессом для реакции - Каталитический риформинг
Управлять ХТП - это означает, меняя технологические параметры процесса (температуру, давление, состав сырья, катализатор, скорость перемешивания,...
-
Таблица 2 - Структура сырья в производстве метанола, %. Сырье В мире Беларусь и Россия Природный газ 73,8 70,7 Нефть и нефтепродукты 24,4 4,0 Отходы...
-
Энтальпия. Закон Гесса. Тепловой эффект химической реакции Атом валентность кристалл химический Примем, что единственным видом работы, которую совершает...
-
ТЕРМОХИМИЯ - Химическая термодинамика. Термохимия. Решение задач
Уравнения химических реакций, учитывающие тепловые эффекты, называются термохимическими уравнениями. Например: 2Н2(г.)+О2(г.) = 2Н2О(г.); ДН = - 476 кДж....
Технологические критерии эффективности химико-технологического процесса - Химические процессы и реакторы