1. 2. 1. Степень превращения

Совершенство процесса с позиции полного использования сырья оценивают с помощью степени превращения (конверсии).

Степень превращения – это отношение количества (массы, объема) одного из реагентов, вступившего в реакцию, к начальному количеству (массе, объему) этого реагента. Например, для реакции

степень превращения веществ Х рассчитывают по соотношениям:

Здесь п_А,0, п_В,0, т_А,0, т_В,0, V_А,0, V_В,0 - число молей, масса и объем реагентов А и В в начале процесса; п_А, п_B,_, т_А,, т_В, V_А, V_В – то же в конце процесса. В принятых обозначениях степень превращения безразмерна, но часто ее выражают в процентах.

Если реагенты А и В взяты в стехиометрическом соотношении, то X_А = Х_В. Степень превращения реагента, взятого с избытком от стехиометрического соотношения, всегда ниже, чем для реагента, поступающего в недостатке. Если a_В – коэффициент избытка В по отношению к стехиометрии, то

,

при этом

Если реакция протекает без изменения объема, то концентрация (С, моль/м³) реагента или его объемная доля (φ, %) в начале и в конце процесса равны:

;

;

где V – объем реагирующей смеси; V _A,0, V_A – объем реагента А.

Тогда степень превращения реагента А можно выразить:

Для реакций, протекающих с изменением объема:

Здесь e_А — относительное изменение объема реакционной смеси при полном превращении реагента А.

Для необратимых реакций максимальное значение степени превращения реагента, поступающего в реактор в недостатке, равно 1. Для обратимых реакций значение максимальная степень превращения меньше 1. Такую степень превращения называют равновесной.

Для процессов межфазной массопередачи (испарение, конденсация, абсорбция, десорбция и др.) степень превращения называют степенью межфазного перехода, например степенью абсорбции, степенью десорбции, степенью конденсации и т.п.

1. 2. 2. Выход продукта

Совершенство процесса с позиции полного использования сырья оценивают также с помощью «выхода продуктов».

Выход продукта В – это отношение фактически полученного продукта п (или т) к его максимальному количеству п_max (или т_max), рассчитанному по стехиометрическому уравнению реакции при степени превращения исходных реагентов, равной 1:

Если в реакции участвуют два или более веществ, например А+В®D, то различают выход целевого продукта D по исходному веществу A(В_D(а)) и по веществу В (В_D(В)).

Если А и В содержатся в исходной смеси не в стехиометрическом соотношении, то В_D(а) ¹ В_D(В)

(при X_A = 1); (при X_B = 1)

Для простых реакций (т.е. в отсутствие параллельных и последовательных превращений) выход продукта по какому-либо компоненту исходного сырья численно равен степени превращения этого компонента, т.е.:

В_D(A) = X_A: В_D(B) = X_B

Для ХТП со сложными (параллельными, последовательными) реакциями выход продукта всегда меньше степени превращения соответствующего исходного реагента, превращение которого проходит по нескольким направлениям (реакциям):

; В_D(B) < X_B

Для простых необратимых реакций максимальный фактический выход равен 1. Для обратимых реакций исходное вещество превращается в продукт не полностью, так как при установлении равновесия скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. В этом случае максимальное количество продукта равно его равновесному количеству, т. е. n_max = n_равн.

Для характеристики степени приближения обратимого процесса к равновесию на практике используют так называемый выход от теоретического или выход от равновесного В_т, который равен:

Выход от равновесия наиболее объективно характеризует совершенство процесса по эффективности использования ресурсов.

Выход продукта выражают в долях единицы или в процентах. Этот показатель во многом отражает степень совершенства техно­логического процесса, затраты сырья на единицу продукта и эконо­мические показатели производства.

1. 2. 3. Расходные коэффициенты сырья

Расходные коэффициенты (РК) характеризуют затраты сырья на производство товарных продуктов.

Расходный коэффициент – это отношение количества сырья, затраченного при проведении ХТП, к количеству полученного целевого продукта. Различают теоретические и практические РК. Теоретический расходный коэффициент рассчитывают по стехиометрическому уравнению основной реакции с учетом содержания исходного реагента в сырье. Например, для реакции аА®bВ теоретический расходный коэффициент h_т для получения продукта В определяют по соотношению:

Здесь М_A, М_В — молекулярное массы реагента А и продукта В; w_а – массовая доля компонента А в сырье.

При расчете практических расходных коэффициентов учитывают степень превращения исходного реагента X_а, выход продукта B_в(а), избирательность Φ_B:

Практический расходный коэффициент всегда выше теоретического. Задача уменьшения отношения h_п/h_т сводится к повышению степени превращения, избирательности и как следствие – выхода продукта. При этом финансовые затраты на повышение этих показателей в области низких значений h_п/h_т могут существенно превышать эффект от уменьшения затрат на сырье (рис. 1).