Расходный коэффициент и степень превращения сырья

Масса каждого вида сырья или количество энергии, которое затрачивается на единицу готового продукта, полученного в дан­ном производстве, называется расходным коэффициентом F_p, ко­торый выражается в тоннах на тонну, кубических метрах на тон­ну и киловатт-часах на тонну.

Глубина протекания реакции, от которой зависят степень использования сырья и другие показатели химико-технологического процесса, характеризуется степенью превра­щения, выходом продукта и селективностью.

Степень превращения - это отношение количества вещест­ва, вступившего в реакцию, к его исходному количеству. Допус­тим, протекает простая необратимая реакция типа А→В. Если обозначить через v_АВ исходное количество вещества А, а через v_A - количество вещества А в данный момент, то степень превращения реагента А составит:

х_А=

 

Чем выше степень превращения, тем большая часть исход­ного сырья вступила в реакцию и полнее прошел процесс хими­ческого превращения.

 

Выход продукта и селективность

Выход продукта η - это отношение практически полученной массы продукта G_пр к теоретически возможной массе G_теор (в процентах):

η =

Максимальная масса продукта, которая может быть получе­на из данного сырья, рассчитывается по уравнению реакции, при этом учитывается содержание в сырье реагента, подлежащего превращению.

Для сложных реакций, когда с одним и тем же исходным веществом могут происходить несколько химических превраще­ний и образовываться различные продукты, оценивать ход про­цесса лишь по степени превращения или выходу недостаточно. Степень превращения может быть высокой, т. е. большая часть исходных продуктов вступает в химическую реакцию, но не все­гда приводит к образованию нужных (целевых) продуктов. Наря­ду с целевыми могут образовываться и ненужные (побочные) продукты. Чем больше образуется целевых и меньше побочных продуктов, тем эффективнее протекает процесс. Для характери­стики таких сложных процессов и установления доли целевых продуктов в общем количестве полученных веществ пользуются величиной селективности.

Селективность - это отношение массы целевого продукта к общей массе полученных продуктов. Так, если в процессе проте­кают параллельные реакции А→В, A→D и целевым является про­дукт В, а побочным D масса которых выражается через G_B и G_D соответственно, то селективность составит:

φ _B=

Поскольку общая масса полученных продуктов равна массе прореагировавшего вещества A (G_B+G_D=G_A0 - G_A), селективность можно рассматривать как отношение массы полученного целевого продукта В к массе превращенного реагента А:

φ _B=

 

Производительность, мощность

И интенсивность аппарата

Производительностью аппарата П называется масса готово-
го продукта G_np, фактически вырабатываемого в единицу времени τ при заданных условиях (режиме) процесса производства.
Максимально возможная производительность аппарата при оптимальных условиях процесса производства называется его мощностью W. Таким образом, мощность аппарата есть его максимальная производительность:

П = G_np / τ

W= П_max

 

Интенсивностью J процесса или аппарата называется его производительность, отнесенная к единице полезного объема V или рабочей поверхности аппарата F. Так, ин­тенсивность печей по обжигу колчедана выражается мас­сой колчедана (в килограммах), обжигаемого в сутки на 1 м² рабочих сводов печи (например, 200 кг/(м²·сут)); сернокислотных установок башенной системы — массой безводной серной кислоты (в килограммах), получаемой в сутки с 1 м³ объема продукционных башен (например, 70 кг/(м³·сут)); процесса синтеза аммиака — массой NH₃ (в килограммах), получаемого в час с 1 м³ колонны синтеза, заполненной катализатором (например, 5000кг/ /(м³·ч)), и мартеновских печей — массой стали (в тон­нах), снимаемой в сутки с 1 м² пода печи (например, 8 т/(м²·сут)) и т. д.

Интенсивность и производительность аппарата взаи­мосвязаны между собой:

	.	(6)
	.	(7)

Чем интенсивнее протекает процесс, тем выше производительность аппарата.

III. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНЫХ БАЛАНСОВ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ

Для количественной оценки процессов, сравнения отдельных способов производства, а также выбора реакци­онных и других аппаратов проводятся технологические расчеты. С этой целью составляются материальный, энер­гетический и экономический балансы, которые отража­ют количественные изменения, происходящие в процессе, и позволяют определить его характеристики: расходный коэффициент, коэффициент использования сырья и энер­гии, количество производимых продуктов, основные раз­меры аппаратов для проектирования новых производств, транспортные устройства и др.

Организация нового химического производства или оценка эффективности действующего, предполагает составление технико-экономического доклада, в котором устанавливается оптимальная мощность производства и другие показатели, ха­рактеризующие его деятельность. При этом исходные данные для всех количественных расчетов основываются на матери­альном и энергетическом балансах. Эти балансы составляют­ся с использованием материально-потоковых графов, отража­ющих перемещение и трансформацию всех материальных уча­стников технологического процесса. В ходе химического про­изводства происходит непрерывное перемещение и изменение природы принимающих в нем участие веществ (компонентов процесса). Поэтому любое химическое производство можно рассматривать как совокупность материальных потоков уча­ствующих в нем компонентов сырья, промежуточных и по­бочных продуктов, целевого продукта и отходов производства.

Материальным потоком называется графическое отобра­жение движения и изменения веществ, участвующих в хими­ко-технологическом процессе. Материальный поток выражает­ся в виде материально-потокового графа (МПГ) процесса, то есть графической схемы, в которой отражены природа вещества, направление его перемещения, изменение агрегатного состоя­ния и химического состава. В МПГ различают «узлы», то есть аппараты имашины, и «ребра» — перемещающиеся в процессе вещества. На рис. 2 представлен фрагмент подобного матери­ально-потокового графа, где А, В, С и D — компоненты сырья, участвующие в превращениях в ходе химико-технологическо­го процесса.

Рис. 2. Материально-потоковый граф

 

Например, для процесса обжига железного колчедана при степени превращения равной 1,0 и избытке воздуха сверх стехиометрического количества, МПГ имеет вид:

 

 

где П — инертные примеси (порода), не подвергающиеся из­менениям в ходе химико-технологического процесса обжи­га.

Материальные потоки могут быть трёх видов:

—расходящиеся, в которых число продуктов в результате процесса возрастает (например, электролиз водного раствора хлорида натрия);

—сходящиеся, в которых число продуктов в результате про­цесса уменьшается (например, синтез аммиака);

—перекрещивающиеся, в которых число продуктов в резуль­тате процесса не изменяется явно (например, приведенный выше обжиг колчедана).

На основе анализа материально-потокового графа составля­ется материальный баланс данного процесса, служащий осно­вой для дальнейших расчетов.

Материальный баланс представляет вещественное выраже­ние закона сохранения массы применительно к химико-техно­логическому процессу: масса веществ, поступивших на техно­логическую операцию (приход) равна массе веществ, получен­ных в этой операции (расход), что записывается в виде уравнения баланса ∑m_приход=∑m_расход.

Статьями прихода и расхода в материальном балансе являют­ся массы полезного компонента сырья (m₁), примесей в сырье ( m₂ ), целевого продукта (m₃), побочных продуктов (m₄), отходов производства ( m₅ ) и потерь (m₆), постудивших в производство или на данную операцию:

m₁+ m₂+ m₃+ m₄+ m₅+ m₆

Материальный баланс составляется на единицу массы целе­вого продукта или на отдельный аппарат (реактор) и выражает­ся в массовых единицах (кг, т) или массовых долях (μ ). Для пе­риодических процессов материальный баланс составляется на одну операцию, для непрерывных процессов — на единицу вре­мени. Результаты расчета материального баланса оформляют­ся в таблицу. Например, для процесса, представленного в виде МПГ, таблица материального баланса имеет вид:

Таблица 1

Приход	Расход
Вещество	кг	μ	Вещество	кг	μ
Сырье 1			Целевой продукт
А			ВС
В			Побочный продукт
Сырье 2			AD
С			Отходы
D			BD
			Потери
Итого		1,0			1,0

 

На основе материального баланса рассчитываются расходные коэффициенты, определяются размеры аппаратов и устанавливаются оптимальные значения параметров технологического режима процесса.