2.10. Технологические показатели химических реакций: конверсия, выход селективность, производительность. Зависимость селективности от степени превращения для последовательных и параллельных реакций. Время контакта, объемная скорость и их взаимосвязь с количеством катализатора, длиной слоя

Об эффективности осуществления любого пром-го процесса судят  прежде всего по экономическим показателям, таким, как приведенные затраты, себестоимость продукции и т.д.

Для оценки эффективности отдельных этапов процесса необходимо помимо общих экономических показателей использовать такие критерии эффективности, которые более полно отражали бы хим. и физико-хим. сущность явлений, происходящих в отдельных апп. технологической схемы.

В кач-ве таких показателей принято прежде всего использовать степень превращения исходного реагента, выход продукта, селективность. Они с разных сторон характеризуют полноту использования возможностей осуществления конкретной хим. р-ции.

Степень превращения (конверсия) показывает на сколько полно в хим.- технологическом процессе используется исходное сырье.

Степень превращения- это отношение массы сырья, вступившего в р-ию за время t к исходной его массе:

x_a = m_c-m_a/m_c

m_a-кол-во сырья, не вступившего в р-ию;

m_c- кол-во сырья, поданного в р-ию.

Выход продукта. Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но эта величина не всегда достаточно полно ее характеризует с точки зрения получения продукта р-ии. Поэтому вводят еще один критерий эффективности- выход продукта.

Выход продукта- это отношение реально полученного кол-ва продукта из использованного сырья к максимальному кол-ву, которое теоретически можно получить из того же сырья:

Ф_R = n_R / n_R,_max

Селективность. Выход продукта характеризует полученный результат как долю от предельно возможного. Целесообразно оценить и реальную ситуацию, т.е. дать кол-ую оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.

Критерием такой оценки явл. селективность.

Селективность-это отношение массы целевого продукта к общей массе в-в, полученных в данном процессе или к массе превращенного сырья за время t.

S=Gц/Gпр

Выход продукта, степень превращения и селективность характеризуют глубину протекания хим. – технологического процесса, его полноту и направленность.

Производительность и интенсивность. Важным критерием эффективности работы отдельных апп., цехов или заводов в целом явл. производительность.

Производительность-это кол-во продукта полученного в единицу времени:

П = G/t

Для сравнения работы апп. различного устройства и размеров, в которых протекают одни и теже процессы, используют понятие интенсивность.

Интенсивностью – называют производительность, отнесенная к объему апп.V или к площади его сечения S.

И = П/V или И = П/S

 Зависимость селективности от степени превращения для последовательных и параллельных реакций.

 Между выходом целевого продукта, степенью превращения исходного реагента и селективностью существует простая связь.

Рассмотрим ее сначала на примере необратимых параллельных реакций:

a₁A + b₁B → rR + sS (целевая реакция)

a₂A + b₂B → zZ + yY (побочная реакция)

 Выход продукта R равен:

Ф_R = n_R/n_R,max = n_R/[n_A,0(r/a₁)]

Так же будет выглядеть и выражение для выхода целевого продукта R для последовательных реакций, например реакций типа  aA → rR → sS.

Реально полученное количество продукта R можно выразить через селективность:

n_R =S(n_A,0 - n_A)(r/a₁) = S∙n_A,0 x_A (r/a₁)

S - селективность

После подстановки получим

Ф_R = [S∙n_A,0 x_A (r/a₁)]/[n_A,0(r/a₁)]= S∙x_A (I)

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

Ф_R = [S∙n_A,0 x_A (r/a₁)]/[n_A,0 x_A,e(r/a₁)

Или

Ф_R = S (x_A /x_A,e) (II)

х_А,е – равновесная степень превращения.

Из уравнений (I) и (II) 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.

Время контакта, объемная скорость и их взаимосвязь с количеством катализатора, длиной слоя.

 Объемная скорость – объем газа или жидкости, проходящий через единицу объема катализатора в единицу времени.

Время контакта  – это время, необходимое для испарения сырья и нагрева его паров до температуры реакции, адсорбции углеводородов сырья на поверхности пористой структуры катализатора, протекания реакций и вывода образовавшихся продуктов в газопродуктовый поток.

По этому показателю рассчитываются размеры реактора для заданной производительности установки. Для конкретного катализатора время контакта определяется в результате специальных исследований на пилотной установке.

Объем катализатора -  объем необходимый для обеспечения заданной степени превращения.

Объем катализатора определяют по формуле:

 Vк = ξ∙Vс∙τ,

где ξ – коэффициент запаса, применяемый для компенсации понижения активности катализатора вследствие отравления и потерь его из-за истирания;

Vс – расход газовой смеси, проходящей через реактор, м³/с;

τ – время контакта газа с катализатором, с.

Зная объем катализатора Vк и поперечное сечение реактора Q, можно вычислить длину слоя l (см) катализатора по формуле:

l = Vк/Q