Критерии эффективности технологического процесса

Основные понятия химической технологии

Химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт.

Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трех основных стадий:

 

Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный ХТП. Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой, так и в побочных реакциях. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом  или вторичным сырьем. Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом.

Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью, называют сырьем. Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции, называется реагентом. Реагент – это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют, обычно, примесями.

В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и «непревращенный» реагент. Превращенный реагент – это то количество реагента, которое вступило в реакции (как целевые, так и побочные). Непревращенный реагент – это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии. Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента.

Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальное протекание ХТП (катализаторы, растворители и др.).

Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения. Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Мы можем говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции.

Пример:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

4NH₃ + 4O₂ → 2N₂O + 6H₂O

Первая реакция является целевой, две другие – побочные. Оксид азота (II) – NO – целевой продукт на стадии окисления аммиака и полупродукт в производстве азотной кислоты. Вода, азот и оксид азота (I) – побочные продукты. Реагентами в этом процессе являются аммиак и кислород; сырьем – аммиак, содержащий некоторое количество примесей, и воздух, в котором примесями являются азот и другие газы. Вспомогательным материалом является платина, используемая в процессе в качестве селективного катализатора, ускоряющего только первую реакцию. Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака 9,5 – 11,5 % об. Реакционная смесь – нитрозные газы, содержащие NO, N₂O, N₂, пары H₂O, а также непревращенные О₂ и NН₃.

 

Классификация химических реакторов

1) По организационной структуре процесса (по способу подвода сырья и отвода продуктов):

- реакторы непрерывного действия

- реакторы периодического действия

- реакторы полупериодического или полунепрерывного действия.

Периодические реакторы характеризуются единством места завершения всех стадий процесса. Исходное сырье загружают в реактор и через определенное время выгружают продукты реакции, затем все операции повторяют. Реактор работает циклически. Время одного цикла равно

τ_цикла = τ_хим.р. + τ_{вспомог. операций}.

Так как режим работы периодических реакторов нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Реакторы периодического действия обладает низкой производительностью, высокой материало- и энергоемкостью, их трудно автоматизировать. Достоинствами этих реакторов является низкая стоимость и большая экономическая гибкость. Реакторы такого типа незаменимы при малотоннажном производстве продуктов широкого ассортимента, а также для отработки режимов процессов и исследования кинетических закономерностей.

Реакторы непрерывного действия (проточный) – это реакторы, в которых непрерывно загружается сырье и также непрерывно выгружаются продукты; все стадии процесса осуществляются параллельно и одновременно. В этих реакторах невозможно непосредственно изменить время реакции, поэтому пользуются понятием условного времени пребывания реагентов в реакторе.

,

где V_p – объем реактора (м³);

v_об. – объемная скорость подачи сырья (м³/ч)

Проточные реакторы характеризуются высокой производительностью, стационарностью работы, качеством продукции, позволяют рационально использовать энергию, легко автоматизировать процесс. Их недостатками является трудность запуска и установки, поэтому проточные реакторы используются в случае крупнотоннажных производств.

Реакторы полунепрерывного и полупериодического действия  - это различные комбинации непрерывной и периодической организации работы реактора.

1) По гидродинамическому режиму:

- реакторы смешения

- реакторы вытеснения.

В ректорах смешения конвективный перенос реагентов происходит путем интенсивного перемешивания, например, механической мешалкой или циркуляционным насосом.

В реакторах вытеснения перемешивания нет, а конвективный перенос реагентов осуществляется путем направленного движения потока реакционной смеси вдоль оси реактора.

В первом случае интенсивность конвективного переноса определяется скоростью вращения мешалки, во втором – линейной скоростью движения потока.

2) По тепловому режиму:

- адиабатические

- изотермические

- политропические

В адиабатических реакторах отсутствует теплообмен с окружающей средой и весь тепловой эффект реакции расходуется на изменение температуры реакционной смеси. Это идеальный реактор; такой тепловой режим практически нереализуем.

В изотермических реакторах обеспечивается такой теплообмен с окружающей средой, который компенсирует полностью тепловой эффект реакции. В результате температура реакционной смеси остается строго постоянной. Это тоже идеальный реактор; на практике такое осуществить очень трудно. Близко к изотермическому режиму работают реакторы, в которых проводят процессы с очень малыми тепловыми эффектами или очень малой скоростью реакции, а также процессы, протекающие в растворе, где концентрация реагентов небольшая и тепло аккумулируется большим объемом растворителя.

Ближе к реальным условиям работы относится модель политропического реактора, в котором тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично – за счет изменения температуры реакционной смеси.

3) По фазовому составу реакционной смеси:

- реакторы для проведения гомогенных процессов (газофазных и жидкофазных)

- реакторы для проведения гетерогенных процессов

- реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов (контактные аппараты).

4) По конструктивным характеристикам:

- емкостные реакторы

- колонны

- трубчатые реакторы

- печи (реакторы для высокотемпературных процессов)

- и другие.

Модель идеального смешения

Для модели реактора идеального смешения принимаются допущения:

1. В результате интенсивного перемешивания достаточно быстро устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реакционного объёма (температура, степень превращения, концентрации продуктов и реагентов, скорость химической реакции). Таким образом в произвольный момент времени во всех точках реактора выполняется условие:

 

 

Где Xi;Yi;Zi – пространственные координаты

2. В проточном реакторе идеального смешения концентрации участников реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени строго равны концентрациям веществ в реакторе.

3. Переход от исходной концентрации С_J0 во входном потоке в момент времени  до концентрации C_J должен происходить мгновенно.

Приблизиться к режиму идеального смешения возможно только при обеспечении интенсивного перемешивания механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Смешение, близкое к идеальному, легче осуществлять в ёмкостных аппаратах имеющих примерно одинаковую высоту и диаметр.

Так как в реакторе смешения концентрации участников реакции равномерно распределены по объёму, уравнение материального баланса, выведенное для элементарного объёма, можно распределить на весь аппарат.

В отличие от реактора вытеснения, реакторы смешения могут эксплуатироваться в двух режимах: периодическом и непрерывном стационарном.

В стационарном режиме

При необходимости получения большого количества продукта одинакового качества химический процесс предпочитают проводить в непрерывно действующих реакторах работающих в стационарном режиме.

При составлении уравнения материального баланса для проточного реактора идеального смешения, работающего без рециркуляции из выражения можно исключить оператор, описывающий диффузионный перенос.

Кроме того, при стационарном режиме работы реактора из уравнения исключается производная dC/dt которая не равна 0 только при наличии накопления вещества в аппарате.

Таким образом остаются только два члена уравнения описывающие конвективный перенос вещества (вызванный движением жидкости) и член учитывающий протекание химической реакции.

Кроме того в проточном реакторе происходит не мгновенное, а дискретное изменение концентрации DС_J сразу же на входе в реактор. По этому можно заменить градиент концентрации на отношение конечного изменения концентрации DС_J к изменению координаты DZ при прохождении реакционного потока через аппарат со средней линейной скоростью , а среднюю линейную скорость потока через реактор заменить отношением объёмного расхода к площади поперечного сечения реактора:

, где

 (разность концентраций на входе и выходе из реактора)

Окончательно уравнение материального баланса примет вид:

   или    

Величина измеряется в единицах времени и характеризует среднее время в течении которого обновляется содержание проточного реактора. Эту величину называют средним временем пребывания реагентов в проточном реакторе. Действительное время пребывания является случайной величиной которое может изменяться от 0 до бесконечности и может быть задано при помощи вероятностных характеристик.

Использование характеристики среднее время пребывания является удобным способом усреднения действительного времени пребывания, так как эта величина связана конструктивными особенностями реактора, а именно его объёмом и объёмным расходом реакционной смеси.

Для решения практических задач концентрацию реагента C_Jf выражают через его степень превращения X_Jf.

Уравнение материального баланса для проточного реактора идеального смешения работающего в стационарном режиме отличается от соответствующих уравнений для периодического реактора смешения. Они записаны сразу в алгебраической форме в отличие от дифференциальной формы для периодического реактора.

В уравнении для периодического реактора скорость химической реакции следует подставлять в виде функциональной зависимости от концентрации r_J=f(C_J) или от степени превращения r_J=f(Х_J) и только после интегрирования возможна подстановка числовых значений.

В проточном реакторе идеального смешения, работающим в стационарном режиме, в любой точке реактора в любой промежуток времени концентрация постоянна и, следовательно, характеризуется конкретным числовым значением. Это число может быть сразу подставлено в уравнение материального баланса.

Уравнение материального баланса для проточного реактора может быть использоваться не только для расчёта размеров реактора при заданной глубине химического превращения, но и для решения обратной задачи, при заданном объёме реактора и заданной производительности по исходному реагенту определить его концентрацию на выходе из реактора если кинетика его превращения описывается простым уравнением первого или второго порядка. Так для реакции первого порядка А®R

    отсюда 

Если скорость сложной реакции описывается кинетическим уравнением дробного порядка, то аналитическое решение становится невозможным. В таких случаях пользуются аналитическими методами расчёта.

В качестве примера рассмотрим графический метод определения концентрации реагентов на выходе из проточного стационарного реактора идеального вытеснения.

Преобразуем уравнение материального баланса к виду:

В левой части уравнения записана кинетическая зависимость скорости данной реакции. В соответствии с законом действующих масс скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагентов, следовательно r_A =f (С_А) возрастающая функция, которая может быть представлена графически (кривая 1). Она пересекает ось абсцисс в точке, соответствующей равновесной концентрации для обратимых реакций или выходит из начала координат для необратимых реакций.

В правой части уравнения записана соответствующая уравнению материального баланса стационарного реактора идеального смешения линейная функция скорости реакции от концентрации исходного реагента. Эта функция имеет отрицательный угловой коэффициент . График этой линии – прямая, пересекающая ось концентраций в точке С_А0 (линия 2). Как видно, линии 1 и 2 пересекаются в единственной точке М. Абсцисса этой точки и есть искомая концентрация реагента на выходе из реактора идеального смешения.

 

 

Основные понятия химической технологии

Химическое производство – совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимый продукт.

Химико-технологический процесс (ХТП) – часть химического производства, состоящая из трех основных стадий:

 

Целевой продукт – продукт, ради которого организован данный ХТП. Все остальные продукты называют побочными. Побочные продукты могут получаться как в целевой, так и в побочных реакциях. Если побочный продукт не находит применения, его называют отбросом; если он используется, то его называют отходом  или вторичным сырьем. Если целевой продукт используется в качестве исходного материала в другом производстве, то он называется полупродуктом.

Исходный материал, поступающий на переработку и обладающий стоимостью, называют сырьем. Вещество, принимающее непосредственное участие в целевой химической реакции, называется реагентом. Реагент – это главный, но не единственный компонент сырья. Все компоненты сырья, которые не участвуют в целевой реакции, называют, обычно, примесями.

В технологии часто пользуются понятиями «превращенный» и «непревращенный» реагент. Превращенный реагент – это то количество реагента, которое вступило в реакции (как целевые, так и побочные). Непревращенный реагент – это то количество реагента, которое выходит из реактора в непревращенном, первоначальном состоянии. Сумма масс превращенного и непревращенного реагента равна массе поданного в реактор реагента.

Вспомогательные материалы – химические вещества, которые обеспечивают нормальное протекание ХТП (катализаторы, растворители и др.).

Исходная смесь – смесь веществ, поступающих в реактор, на стадию химического превращения. Реакционная смесь – смесь веществ, находящихся в реакторе или выгружаемых из него. Ее состав меняется в процессе реакции. Мы можем говорить о составе реакционной смеси в определенный момент времени от начала реакции.

Пример:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

4NH₃ + 4O₂ → 2N₂O + 6H₂O

Первая реакция является целевой, две другие – побочные. Оксид азота (II) – NO – целевой продукт на стадии окисления аммиака и полупродукт в производстве азотной кислоты. Вода, азот и оксид азота (I) – побочные продукты. Реагентами в этом процессе являются аммиак и кислород; сырьем – аммиак, содержащий некоторое количество примесей, и воздух, в котором примесями являются азот и другие газы. Вспомогательным материалом является платина, используемая в процессе в качестве селективного катализатора, ускоряющего только первую реакцию. Исходная смесь представляет собой аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака 9,5 – 11,5 % об. Реакционная смесь – нитрозные газы, содержащие NO, N₂O, N₂, пары H₂O, а также непревращенные О₂ и NН₃.

 

Критерии эффективности технологического процесса

Для оценки эффективности проведения ХТП служат ряд показателей, которые можно объединить в четыре группы.

 

Об эффективности химического производства в целом судят, прежде всего, по экономическим показателям. Одним из самых значимых экономических показателей является себестоимость, то есть затраты предприятия в денежном выражении, связанные с производством единицы химического продукта. Разница между ценой и себестоимостью продукта, умноженная на объем производства составляет прибыль производителя. Снижение себестоимости продукции является чрезвычайно важной задачей для химика-технолога как производителя химического продукта. Для оценки целесообразности и эффективности различных путей снижения себестоимости продукта оценим вклад затрат различного вида в общую сумму затрат на его производство.

 

№	Вид затрат	% от себестоимости
1	Сырье и материалы	70
2	Энергия	10 - 20
3	Амортизационные отчисления	3 - 4
4	Заплата основных и вспомогательных рабочих	3 - 4
5	Цеховые расходы	1
6	Общезаводские расходы	1
7	Транспортные расходы	1

 

Из проведенного сравнения можно сделать вывод, что наиболее эффективными путями снижения себестоимости является рациональное использование сырья и уменьшение энергоемкости производства.

При оценке эффективности химического производства большое значение имеют также социальные критерии, показывающие степень безопасности производства для людей и окружающей природы.

При определении эффективности отдельных этапов процесса производства химического продукта пользуются технологическими и технико-экономическими показателями.

Конверсия, выход целевого продукта и селективность с разных сторон характеризуют эффективность проведения конкретной химической реакции:

- величина «α» показывает полноту использования сырья;

- величина «β» характеризует полученное количество целевого продукта, как долю от максимально возможного в этих условиях проведения реакции;

- величина «S» оценивает долю реагента, пошедшего на целевую реакцию.

Наиболее обобщенным показателем является выход целевого продукта. Его величина зависит от «α» и «S».

Для простых реакций S = 100% и α = β.

Для сложных реакций, когда наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции, S < 100% и α ≠ β.

Производительность и интенсивность характеризуют эффективность работы отдельных аппаратов. Величина этих показателей определяется эффективностью использования возможностей, как самой химической реакции, так и реактора, в котором она проводится. Производительность и интенсивность в обобщенном виде содержат величины выхода целевого продукта и средней скорости процесса.

Конверсия (степень превращения) реагента рассчитывается по формуле:

,  (1)

где N_под., N_прев., N_{непревр.} – соответственно количество поданного, превращенного и непревращенного реагента. Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Степень превращения выражают в долях или в процентах; в последнем случае выражение (1) для расчета a умножают на 100.

Часто, особенно в непрерывных процессах, конверсию рассчитывают через концентрацию реагента в исходной и реакционной смеси:

                                 ,              (2)

где С₀ –концентрация реагента в исходной смеси, С – концентрация реагента в реакционной смеси. Выражение (2) справедливо лишь в том случае, когда реакция протекает без изменения объема реакционной смеси.

Изменение объема реакционной смеси в процессе реакции можно учесть с помощью коэффициента изменения объема ε.

                                ,                         (3)

где V₀ – начальный объем, V- объем реакционной смеси к определенному моменту времени. Величина ε является положительной при увеличении объема смеси во время реакции и отрицательной при его уменьшении.

Изменение объема при жидкофазных процессах происходит, например, при поглощении какого-либо газа жидкостью или при разложении жидкого вещества с образованием летучих продуктов. Для газофазных процессов изменение объема обычно происходит из-за изменения числа молей веществ во время реакции. В последнем случае ε зависит от начального и конечного числа молей смеси.

                                               .                 (4)

Если реагенты взяты в стехиометрическом соотношении и в реакционной смеси отсутствует разбавитель, то для реакции aA + bB → rR +sS коэффициент изменения объема «ε» равен

                          .           (5)

При избытке одного из реагентов или при наличии в реакционной смеси разбавителя (инертного газа) «ε» рассчитывается по формуле:

                           ,                            (6)

где k – доля стехиометрической смеси исходных реагентов в реакционной смеси. Для стехиометрической смеси k = 1.

С учетом коэффициента изменения объема реакционной смеси конверсия реагентов рассчитывается по формуле (7).

                                                            (7)

Степень превращения реагентов в реакторе изменяется во времени от нуля до некоторой максимальной величины. В необратимых процессах максимальное значение конверсии равно 100%, т.е. все количество реагентов может превратиться в продукты. Пределом протекания обратимой реакции является достижение равновесного состояния системы, при котором скорость прямой и обратной реакции равны, а состав реакционной смеси остается постоянным во времени. Степень превращения реагентов, достигаемая к этому моменту, называется равновесной конверсией (a^*) и является максимальной для данного процесса при определенных условиях его проведения.

Селективность (избирательность, избирательная конверсия) используется для характеристики сложных процессов, в которых наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции.

Полная (интегральная) селективность    , (8)

где  - количество реагента, пошедшее на образование целевого продукта; N_прев. – общее количество превращенного реагента.

Эти величины можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Полную селективность выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (8) умножают на 100.

Мгновенная (дифференциальная) селективность , (4)

где r_цел.р. – скорость расходования реагента по целевой реакции; r_общ. – суммарная скорость расходования реагента. Понятие мгновенной селективности имеет смысл только для сложных параллельных реакций.

Если в процессе химической реакции объем реакционной смеси не изменяется (V=const), то селективность можно рассчитывать, используя концентрацию реагента и целевого продукта в реакционной смеси. Например, для реакции aA + bB → rR +sS, где R - целевой продукт  

                                          ,    (9)

где М(А), М(R) – молярные массы, и С_А – начальная и текущая концентрация реагента, С_R – концентрация целевого продукта.

Выход целевого продукта – это отношение реально полученного количества продукта (N_факт.) к максимально возможному его количеству (N_max), которое могло быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

     (10)

N_факт. и N_max можно задавать в единицах количества вещества (моль, кмоль) или в единицах массы (г, кг и др.). Выход выражают в долях или процентах; в последнем случае выражение (10) умножают на 100. Расчет величины β зависит от типа химической реакции.

В случае необратимой реакции величину N_max (в молях) рассчитывают по уравнению реакции: aA + bB → rR +sS, где R – целевой продукт

      (11)

Если N_А – количество подаваемого в реактор реагента, полученное значение N_max является максимально возможным для этой реакции, а рассчитанный по уравнению (10) выход называют выходом на поданный реагент А. Если N_А – количество превращенного реагента, то рассчитанная по уравнению (10) величина называется выходом на превращенный реагент А.

В случае обратимой химической реакции пользуются понятием «равновесный выход» - β*.  

,  (12)

где N* - количество продукта, образовавшегося к моменту достижения химического равновесия; N_max – максимальное количество продукта, которое может образоваться по данной реакции при условии, что поданный реагент полностью превращается в целевой продукт. Равновесный выход характеризует степень смещения равновесия в сторону образования целевого продукта.

Отношение   (13), где N_факт. – фактически полученное количество продукта, показывает степень достижения равновесия.

Расчет селективности и выхода продукта можно проводить по любому из реагентов; обычно выбирают тот реагент, который взят в недостатке, или наиболее дорогостоящий реагент.

 Производительность – количество целевого продукта, производимое в единицу времени.

Интенсивность – количество целевого продукта, производимое в единицу времени с единицы объема реактора или с единицы поверхности катализатора.

Пропускная способность установки – количество сырья, пропускаемое через установку в единицу времени.

Расходный коэффициент по сырью  - это масса сырья, которая расходуется на получение единицы массы целевого продукта.

(г/г, кг/кг, т/т и др.) (14)

Расходный коэффициент рассчитывается по таблице материального баланса; он всегда больше теоретического расходного коэффициента, который рассчитывают по уравнению реакции:

             (15)

Качество продукции – совокупность свойств целевого продукта, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.

Качество химического продукта зависит от качества исходного сырья и материалов, уровня развития науки и техники, прогрессивности применяемой технологии, организации труда и производства, квалификации кадров и регулируется различными нормативными документами: