ХИМИЧЕСКАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Лекция №3
Технико-экономические показатели химической
технологии
Реагент – это полезный компонент сырья, который благодаря химическому процессу превращается в целевой продукт.
|
Технологический расчет сначала ведут по реагенту, |
Практическая целесообразность и |
||
|
а затем вычисляют загрузку сырья. |
рентабельность всякого процесса |
||
Для оценки качества ХТП используют |
производства характеризуется |
|||
технико-экономическими показателями: |
||||
количественные технологические показатели: |
G = G1 + G2 + G3 |
|||
1. |
Степень превращения сырья, |
|||
2. |
Селективность образования и выход продукта, |
G – сырье |
||
3. |
Производительность реактора или установки, |
G1 – целевой продукт |
||
4. |
Интенсивность работы реактора или катализатора, |
G2 – побочные продукты |
||
5. |
Расходные коэффициенты по реагентам, другим |
G3 – отходы |
||
веществам и энергии. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
aA +bB = pP – основная реакция ХТП |
|
|
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 и, даже, в единицах объема, взятых при одинаковых
условиях. |
|
|
; |
X A |
|
( N A N A ) |
|
|
|
|
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N A |
|
GA |
и G |
|
|
|
|
0 |
|
A |
– массы введенного и непрореагировавшего реагента А, |
||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
N A и N A |
– те же величины, выраженные в молях |
2 |
|
|
|
0 |
|
|
Теоретический расходный коэффициент ( стех ) |
Практический расходный коэффициент |
||||
|
|
|
|
|
GA |
|
|
|
|
|
GP |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
GA |
и Gстех – массы реагента и продукта из |
||
|
|
0 |
P |
уравнения реакции |
|
|
|
|
|
||
MA |
и MP |
– молекулярные массы реагента и продукта |
|
Практический расходный коэффициент |
|
а |
и р |
– стехиометрические коэффициенты. |
|
отражает реальный расход поступившего в |
|
|
|
|
|
|
процесс сырья на единицу массы продукта, т.е. |
|
|
Расходные коэффициенты по сырью |
|||
К основным показателям ХТП относятся расходные коэффициенты, характеризующие затраты |
|||||
|
|
сырья, воды, топлива, электроэнергии, пара на единицу массы целевого продукта. |
|||
В связи с большим вкладом затрат на реагенты (сырье) в себестоимость продуктов в химической технологии особое значение имеют расходные коэффициенты по реагентам
Теоретический расходный коэффициент |
его рассчитывают как отношение массы |
|
характеризует минимальный расход сырья на |
||
поступившего в процесс сырья к массе |
||
единицу массы продукта |
||
получившегося продукта GР. |
||
|
Практический расходный коэффициент по реагенту можно найти, зная теоретический расходный коэффициент и выход целевого продукта по этому реагенту:
A |
|
стехA |
P |
|
P |
|
|
|
где PA – выход Р по реагенту А в долях единицы. |
A |
|
|||
|
|
P |
|
3 |
Выход продукта – отношение количества практически получаемого продукта к теоретически возможному (выход по сырью):
|
Gпр |
Gт – определяют из равновесного превращения исходного |
|
|
|
100% вещества или по полному превращению исходного сырья в |
|
Gт |
|||
|
продукт (исключается образование побочных продуктов). |
||
|
|
Для простых реакций выход по сырью прямопропорционален общей концентрации.
Для основной реакции химико-технологического процесса выходы продукта Р на реагенты А и В выражаются формулами:
PA |
NP a |
PB |
NP b |
||
NA p |
|
||||
|
|
N |
B |
p |
|
0 |
|
|
|
||
|
|
|
|
0 |
|
где Np, NA0, NB0 количества молей продукта Р, полученное в реакции, и
реагентов А и В, введенные в реакционную систему, соответственно, а, b и p – стехиометрические коэффициенты реакции
4
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
A |
|
|
NP a |
|
интегральная |
B |
|
|
NP b |
|
P |
|
|
|
|
P |
|
|
|
||
|
|
|
( NB |
NB ) p |
||||||
( N A |
N A |
) p |
||||||||
|
|
селективность |
|
|
||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
||
Дифференциальая селективность – это отношение скорости расходования реагента А на образование продукта Р к суммарной скорости превращения А.
'PA rA P |
|
rP a |
|
rP a |
– скорость расходования А на образование Р |
|||
|
|
p |
|
|||||
rA |
|
rA p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Количество готовой продукции – |
|
|
Производительность аппарата П – |
|
||||
должно удовлетворять требованиям |
|
количество готового продукта фактически |
|
|||||
ГОСТ и характеризуется содержанием |
|
вырабатываемого данным аппаратом в единицу |
|
|||||
основного вещества и посторонних |
|
|
|
времени при данном расчете процесса |
|
|||
примесей и зависит в первую очередь |
|
|
|
производства: (кг/ч, т/ч, м3/ч) |
|
|||
от характера побочных реакций и |
|
|
|
|
|
|||
степени очистки исходных и конечных |
|
|
|
|
|
|||
продуктов. |
|
|
|
|
G – масса (или объем) продукта, полученная за |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
время t |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Мощность – максимальная производительность аппаратуры. W Пмах
Интенсивность работы процесса или аппарата – производительность отнесенная к единице полезного объема или рабочей поверхности аппарата. Обычно производительность относят к объему аппарата V или к площади его сечения S:
I VП (кг/м3 ч), I ПS (кг/м2 ч)
В каталитических процессах рассчитывают интенсивность работы катализатора, для чего массу полученного за единицу времени целевого продукта относят к объему катализатора Vk:
I П |
(кг/м 3 ч) |
||
Vk |
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
Производительность труда – количество |
|
|
Себестоимость продукции – это |
вырабатываемой продукции в единицу |
|
|
сумма затрат в денежном выражении на |
времени на одного рабочего. |
|
|
единицу продуктов в конкретном |
увеличение интенсивности труда |
|
|
производстве. (заготовка и хранение |
увеличение интенсивности процесса: |
|
|
сырья и топлива, оплата труда |
- рационализация |
|
|
работников, оплата энергии, |
- введение более совершенных методов |
|
|
амортизация оборудования и |
- увеличение количества сырья |
|
|
помещений). Себестоимость тем ниже, |
- уровень технической культуры |
|
|
чем выше производительность. |
Балансы производства
1. Материальный баланс
Материальный баланс ХТП является следствием закона сохранения массы вещества. Это означает, что масса веществ, поступивших на технологическую операцию - приход, равна массе полученных веществ - расходу. Материальный баланс должен соблюдаться для ХТП всех типов, синтеза, разделения, очистки целевых продуктов. Данные о материальном балансе позволяют дать оценку целесообразности осуществления процесса в заданных условиях. Эти данные нужны как при проектировании новых, так и при анализе работы существующих производств. По данным материального баланса рассчитывают технологические показатели процесса: выход целевого продукта, степень превращения сырья, селективность процесса, расходные коэффициенты по сырью и т.д. Материальный баланс является необходимым элементом при расчете энергетического и эксергетического балансов.
три основные формы составления материального баланса:
•Мистема уравнений,
•Таблица
•Поточная диаграмма
7
Уравнение материального баланса в общем виде:
GAO + GBO + ... = GR + ...+ GD +...+ GA + GB + G
GAO, GBO – массы исходных реагентов (сырья). |
Невязка баланса является |
|
следствием потерь сырья и |
||
GR – масса целевого продукта, |
||
продуктов при проведении |
||
GD – масса побочного продукта, |
||
процесса, неточности |
||
GА, GВ – массы не прореагировавших веществ, |
эксперимента и расчета, а |
|
G – невязка баланса. |
также принятых допущений. |
|
|
|
Таблица материального баланса
|
Приход |
|
|
Расход |
|
|
Наименование |
Масс. |
% масс. |
Наименование |
Масс. |
% масс. |
|
|
ед. |
|
|
ед. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Реагент А |
... |
... |
Целевой |
... |
... |
|
|
|
|
продукт R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Реагент В |
... |
... |
Побочный |
... |
... |
|
|
|
|
продукт D |
|
|
|
|
|
|
Реагент А |
... |
... |
|
|
|
|
(остаток) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Реагент В |
... |
... |
|
|
|
|
(остаток) |
|
|
|
|
|
|
Невязка |
... |
... |
|
Всего |
... |
100 |
Всего |
... |
100 |
8 |
Поточная диаграмма материального баланса:
Поточная диаграмма это блок-схема. Материальные потоки изображают в виде полос, ширина которых пропорциональна массе в выбранном масштабе. Основным преимуществом данного способа изображения является его наглядность.
1 |
|
СИНТЕЗ |
|
|
АММИАКА |
2
КОНДЕНСАЦИЯ И СЕПАРАЦИЯ
3 |
4 |
Поточная диаграмма колонны синтеза аммиака: 1 - свежий газ;
2 - циркулирующий газ;
3 - жидкий аммиак и растворенные в нем газы;
4 - отдувочные газы
9
2. Энергетический (тепловой) баланс
Составляется на основе закона сохранения энергии. Наиболее распространенные статьи:
1.Тепловой эффект химической реакции: экзотермических веществ – приход; эндотермических веществ – расход;
2.Физическое тепло (теплосодержание) исходных веществ – приход или конечных –
расход продуктов: |
Q c m t |
|
с– теплоемкость вещества
3.Теплота, вносимая из вне если нагреваем – приход; охлаждаем – расход;
4.Потери в окружающую среду:
Qприхода Qрасхода
2. Экономический баланс
Выражен в денежном эквиваленте. Составляется на основе материального и энергетических балансов; бух. Отчетах о стоимости сырья, заработной платы. Рассчитывают себестоимость и сравнивают рентабельность производств.
10