Виды материального баланса

В практике технологических расчётов составляется несколько материальных балансов: по участвующим в процессе веществам и по степени надёжности используемых для расчёта баланса данных.

По веществам, участвующим в процессе, различают общий или брутто-баланс, баланс по компоненту, или частный баланс, и баланс по элементу, или элементарный баланс.

Общий баланс составляют по всем компонентам сырьевого и продуктового потоков,     а частный баланс – по одному из компонентов сырья. Этот вид баланса является одним из этапов расчёта общего баланса. К составлению элементарного баланса прибегают в том случае, когда нельзя или сложно разделить покомпонентно сырьевые и продуктовые потоки. При этом выбирают тот элемент молекулы полезного компонента сырья, который в ходе химического превращения образует желаемую функциональную группу в молекуле продукта. Чаще всего такими элементами являются углерод – для углеродных смесей сложного состава; азот – для нитросоединений или других азотсодержащих соединений, сера и др. Для составления элементарного баланса достаточно определить содержание балансируемого элемента в известных массах сырьевой и продуктовой смесей. Указанные балансы могут быть составлены на основе теории (теоретический баланс) и производственной практики (фактический баланс). Более надёжным для проектирования является фактический материальный баланс.

Теоретический баланс рассчитывают исходя из стехиометрии реакции и известных молекулярных масс реагентов и продуктов. Этот вид баланса составляют при проектировании производства нового продукта в условиях неполной информации о процессе. Теоретический баланс необходим в системном анализа при составлении экономико-математической модели процесса, а также сопоставительного анализа работы действующей установки в качестве основы для сравнения.

Фактический материальный баланс составляют на основе анализа работы лабораторных, пилотных, полупромышленных и промышленных установок. При изменении масштаба производства степень надёжности данных возрастает. В этих балансах учитываются состав сырья и размер производственных потерь, которых нельзя избежать при массовом производстве продуктов. Производственные потери представляют собой расход сырья, материалов и готового продукта на разлив, утечку через неплотности аппаратов, ёмкостей и аппаратуры, потери при сливе и перекачках, унос из реакторов абгазами (отходящими газами), потери через вентиляционные линии и пр. При расчёте баланса величиной производственных потерь задаются, исходя из данных работы аналогичных производств или среднестатистическим значением потерь для соответствующих процессов. Каждый технологический процесс в ходе превращения сырья в готовый продукт вносит свою долю в величину потерь. Статистика приводит следующие усреднённые данные по величине потерь для различных процессов химической технологии: фильтрация 1-2 %, сушка 1-10 %, размол, дробление, смешение 0,5 %, выпарка, дистилляция, ректификация 5-15 %, упаковка 0,5 % от загрузки сырья. Фактические потери на действующем производстве определяют по разности между загрузками сырья и выгруженными продуктами. Минимизация потерь возможна только при высоком уровне организации производства, высокой технологической дисциплине, а также техническом и технологическом совершенстве ХТС на всех её уровнях.

3.2 Место материального баланса в проектной документации

Основным технологическим документом производства химического продукта является технологический регламент. Технологический регламент определяет оптимальный технологический режим, порядок проведения операций технологического процесса, обеспечивающий выпуск продукции требуемого качества, безопасные условия эксплуатации производства, а также требования по охране окружающей среды. Материальный баланс в технологическом регламенте помещается после описания технологической схемы и данных по правовой защите технологического процесса и основного оборудования.

3.3 Методика составления материального баланса

Выбор метода расчёта материального баланса зависит от типа принятой технологической схемы (прямая или циркуляционная) и технологического класса реакций (простая или сложная, обратимая или необратимая).

Прежде чем приступить к составлению материального баланса, следует иметь чёткое представление о самом процессе, его стадиях, составе сырья, организационной структуре процесса и условиях его протекания. Исходные данные для расчёта баланса приводятся в проектном задании. Основой для них служит проектируемый объём выпуска готовой продукции (производительность установки) либо пропускная способность установки по исходному сырью в натуральных единицах за год (млн.т/год или тыс.т/год). Остальные данные (конверсия, выходы продуктов, химические схемы, вид и состав сырья, технологические схемы и т.д.) приводятся в соответствующих разделах технологического регламента.

Алгоритм расчёта материального баланса предусматривает выполнение следующих операций:

1. Анализ исходных данных (проектное задание, технологический и экономический разделы технологического регламента) для получения необходимой информации о процессе, для которого рассчитывается материальный баланс.

2. Декомпозиция технологической схемы с целью выявления операторного состава и структуры.

3. Составление функциональной и операторной схем для определения числа и направлений материальных связей между подсистемами и операторами.

4. Составление химических уравнений реакций, протекающих в подсистеме (подсистемах) химического превращения. Каждую реакцию следует пронумеровать, затем этот номер использовать в описании стехиометрических расчётов. Сложные химические формулы веществ, участвующих в реакции, можно заменить буквами латинского алфавита. Например, вместо реакции

можно написать А®В + 2С. Над каждым компонентом уравнения реакции надписывают его молекулярную массу. Следует проверить правильность написания стехиометрического уравнения, руководствуясь законом сохранения материи (72 = 68 + 4) и при необходимости уточнить уравнение.

5. Выявление типа технологической схемы и классификация химической реакции по типу механизма для выбора метода расчёта баланса.

6. Составление схемы материальных потоков на основании функциональной или операторной схем. В случае использования операторной схемы их неё исключают те операторы, в которых не изменяются состав и масса потока (подогреватели, холодильники, ёмкости и пр.). Схема материальных потоков является общепринятым методом количественного описания взаимосвязи потоков сырья, продуктов, вспомогательных материалов и отходов на всём протяжении процесса. Эта схема представляет собой взвешенный ориентированный граф, вершинами которого являются подсистемы (операторы), а рёбрами – материальные потоки, связывающие их. Направление потоков указывают стрелками. Материальные потоки, поступающие в подсистему (оператор), изображают прямыми линиями, сходящимися в вершине графа, а потоки, покидающие оператор (подсистему) – расходящимися линиями. Разрешается взамен схемы материальных потоков использовать операторные схемы. Над каждым потоком указывается «цена», т.е. все известные данные о потоке (масса, качественный и количественный составы, параметры состояния для газов).

7. Определение качественного состава сырьевых и продуктовых потоков. Выполняется на основе анализа состава сырья, реакционной схемы и технологического показателя – конверсии (доли превращённого сырья). Например, если в системе протекает реакция А + В = R + S, а в качестве сырья используется смесь A + j, где j – инертная примесь, а сырьё В не содержит примесей, то качественный состав исходной и реакционной смесей можно представить на следующей операторной схеме.

 

 

Схема материальных потоков, для указанной системы, выполненная в форме графа, будет выглядеть следующим образом:

Схему материальных потоков составляют с целью определения структуры баланса и обнаружения недостающих данных для его расчёта. В качестве примера составления схемы материальных потоков баланса используем описание технологии производства метанола (рис.7).

Пример 19.

(1)     (2)     (3)

Свежую газовую смесь сжимают компрессором К-1 до 5 МПа, смешивают с циркуляционным газом и подают в теплообменники Т-1 и Т-2, где она нагревается до 230°С за счёт теплоты реакционной смеси. Нагретая газовая смесь поступает в контактный аппарат Р-1, заполненный окисным ZnO-Cu-Al₂O₃ – катализатором. В реакторе протекает сложная реакция:

Реакционная смесь, содержащая продукты реакции и непревращённое сырьё, после выхода из реактора отдаёт своё тепло в теплообменниках Т-1 и Т-2 и подаётся через холодильник-конденсатор Х-1 в сепаратор С-1. Здесь конденсат продукта реакции отделяется от непревращённых газов, которые циркуляционным компрессором К-1 дожимаются до давления свежего газа, смешиваются с ним и вновь поступают на реакцию. Жидкая фаза (метанол – сырец) поступает в сборник Е-1.

Принципиальная технологическая схема производства представлена ниже

 

 

 

Рис. 7. Принципиальная технологическая схема производства метанола: К – компрессор; Т-1,2 – теплообменники; Р – реактор; Х – холодильник; С – сепаратор; Е - сборник

На основании описания составим функциональную схему (рис.8), выполнив декомпозицию технологической схемы, расчленив её на отдельные подсистемы.

Рис 8. Функциональная схема синтеза метанола.

На схеме показаны все материальные потоки, поэтому её можно использовать для расчёта баланса: G₀ + G_R = G_m + G_R + G_п

Операторная схема (рис.9) может быть получена из технологической схемы:

Рис. 9. Операторная схема синтеза метанола.

Исключив из операторной схемы подогреватель, компрессор и холодильник, можно построить схему материальных потоков баланса с указанием «цены» каждого из них:

Если известны массы всех потоков на входе и на выходе, то материальный баланс будет выглядеть так же, как и баланс, снятый с функциональной схемы:

G₀+G_R=G_m+G_R+G_П

8. Далее следует подбор единиц расчёта баланса, физических и химических констант, технологических показателей.

9. Расчёт недостающих данных. Чтобы составить баланс нужно знать массу потоков, входящих в систему и покидающих её. Масса каждого потока слагается из масс, составляющих его компонентов. Если масса потока или отдельных его компонентов неизвестна, то прибегают к её расчёту, используя стехиометрию реакции и исходные данные о процессе. Расчёт производят на основе стехиометрических уравнений реакций, оперируя количествами исходных веществ, расходуемых в реакции, и количествами получаемых продуктов. Вычисления ведут в расчете на чистые (100 %-ные) реагенты и продукты. Примеси сырья, исключённые из этой стадии расчёта, учитывают при составлении окончательного баланса. Материальный баланс рассчитывают только в единицах массы (кг или тоннах). Однако в качестве промежуточной единицы счёта лучше использовать киломоли, причём число киломолей, поданных в процесс или полученных в ходе процесса, следует считать с точностью до 3-го или 4-го знаков, что в дальнейшем обеспечит лучшую сходимость приходной и расходной частей баланса. Перевод киломолей в килограммы выполняют только для компонентов потоков, представляющих внешние связи системы (вход-выход).

10. Составление общего материального баланса и представление его в удобной для выполнения дальнейших расчётов форме.

 

3.3.1. Форма представления материального баланса

Материальный баланс может быть представлен в форме уравнения, таблицы или диаграммы. Наиболее часто материальный баланс представляют в виде таблицы (табл.13). Частный и элементарный балансы, а также экономико-математическую модель приводят обычно в форме уравнения.

Таблица 13.   Материальный баланс производства __________________________________

                                                                                                         наименование продукта

Приход				Расход
№ п/п	Компоненты сырья	К-во, кг/ч	%-мас.	№ п/п	Компоненты продукта	К-во, кг/ч	%-мас.

 

Таблица материального баланса состоит из двух частей. Левая часть именуется приходной и обозначается словами «Приход» или «Подано». Здесь записываются все сырьевые потоки, поступающие в ХТС, подсистему или отдельный аппарат, с покомпонентной расшифровкой. Правая часть именуется расходной и обозначается словами «Расход» или «Получено». В этой части баланса записывают все потоки, покидающие ХТС, подсистему (установку) или отдельный аппарат. Сюда относятся потоки продуктов (целевого и побочных), непревращённого сырья и потери. Следует подчеркнуть, что в расходной части записывают массу непревращённого сырья, т.е. его остаток. Израсходованное на реакцию сырьё определяют по разности между поданным в процесс сырьём и остатком сырья, т.е. по разности между приходной и расходной частями баланса. Таким образом, слово «Расход» для обозначения правой части баланса вовсе не означает, что здесь перечислены вещества, израсходованные в ходе процесса. Просто наименование заимствовано технологией из бухгалтерской терминологии, но потеряло первоначальный смысл.

Под первым номером в расходной части баланса записывают целевой продукт, на последнем помещают потери. Не следует размещать компоненты реакционных смесей как простую последовательность веществ. Лучше компоновать их по принадлежности к отдельным потокам: газообразному, жидкому или твёрдому.

Отдельные слагаемые приходной и расходной частей называют статьями баланса. Приходная часть должна равняться расходной. В случае неравенства частей баланса следует установить причину расхождения – «невязки» баланса. Причины могут быть различными: не принятые во внимание примеси сырья, неучтённые потери, в том числе испарение, утечки через неплотности, мёртвые остатки в резервуарах, ошибки анализа при определении покомпонентного состава потоков, невысокий класс точности расходомерных устройств. Среди других причин может быть заимствование данных для расчёта из источников с разной степенью надёжности, ошибки в расчётах, связанные чаще всего с округлением результатов. Чтобы отличить элементарные арифметические ошибки от систематической ошибки счёта определяют величину относительной погрешности, которая считается приемлемой, если составляет 2-3 % отн.

Пример расчёта относительной погрешности.

Приход Y ₁ составил 5,62 т, расход Y ₂ – 5,42 т. Следует найти относительную погрешность невязки баланса. Считаем приближённым значением истинной величины статьи баланса среднее её значение:      т. Тогда предельная абсолютная погрешность                                                   т.

В этом случае истинный вес статьи баланса можно приять равным Y + A = 5,52 т ± 0,1 т.

Относительная погрешность составит: %.

Брутто-баланс рассчитывают только в единицах массы. Остальные столбцы таблицы используют для получения информации о составе потоков, выраженном в других абсолютных и относительных единицах (кмолях, м³, %-мол. или %-об., или кмоль/×м³) для удобства последующих расчётов, поскольку указанную информацию лучше сосредоточить в одном месте.

Недостатком табличной формы баланса является отсутствие возможности проследить связи между отдельными потоками и аппаратами, т.е. баланс в табличной форме не позволяет выявить структуру системы или отдельных её элементов. Указанный недостаток ликвидируется при использовании диаграммной формы баланса. В этом случае материальные потоки изображают в форме полос, толщина которых соответствует мощности потока (рис.10).

 

Рис. 10. Диаграмма материального баланса циркуляционного процесса.

3.3.2. Особенности составления материального баланса для различных типов

технологических схем

Технологические схемы классифицируют по ряду признаков: организационной структуре процесса, технологическим маршрутам материальных потоков, числу химических стадий, номенклатуре выпускаемой продукции, способам рекуперации энергии, уровню экологизации и пр.. Каждая схема обладает признаками нескольких классов. Имеются некоторые отличия в методике расчёта баланса для некоторого типа схем. Прежде всего это касается первых двух типов.

В зависимости от организационной структуры процесса различают периодические и непрерывные схемы. В периодической схеме сырьё загружают в реактор, где его выдерживают при заданных условиях до заданной конверсии. Продукты выгружают и процесс повторяется снова. Все технологические операции, применяемые в подсистемах подготовки сырья и химического превращения, выполняются в одном аппарате последовательно. В связи с тем, что состав реакционной смеси в периодическом процессе изменяется во времени, расчёт производят на весь производственный цикл аппарата. В качестве единицы расчёта используют кг/цикл, или т/цикл. Баланс можно составить не только на цикл работы реактора, но и на сутки, месяцы или год. К примеру, производительность периодического реактора составляет 5 т/цикл. Время производственного цикла – 6 ч.. Тогда пересчитанная производительность реактора составит (5×24)/6=20 т/сут или 20×340 = 6800 т/год, где 340 – количество рабочих дней в году.

В непрерывных схемах технологические операции проводят в разных аппаратах (смесителях, реакторах, подогревателях, разделяющих устройствах и пр.) в потоке непрерывно движущегося через эти аппараты сырья со скоростью, достаточной для обеспечения заданной конверсии. Методика расчёта материального баланса для непрерывной схемы мало отличается от методики расчёта баланса периодического процесса. Разница заключается в единицах измерения: баланс непрерывного процесса обычно рассчитывают в кг/ч. Расчёт баланса во времени важен, так как без него становится невозможным расчёт непрерывно действующего оборудования.

В зависимости от технологических маршрутов сырья различают прямые и циркуляционные схемы. Прямые схемы используют для процессов с высокой конверсией сырья (рис. 11) за один проход через реактор или один производственный цикл.

Циркуляционные схемы выбирают для процессов с низкой конверсией сырья, когда в реакционной смеси, кроме продуктов, будет содержаться непревращённое сырьё. В этом случае продукты отделяют, а непревращённое сырьё возвращают в реактор вплоть до его полного использования. Одним из недостатков циркуляционных схем является накопление в рецикле (возвращаемом сырье) инертных примесей сырья, которые по тем или иным соображениям не отделяют от сырья в подсистеме подготовки. Количество примесей в таком случае увеличивается за счёт многократного добавления к рециклу потока свежего сырья взамен превращённого. Для поддержания постоянной концентрации примесей в рецикле часть рециркулируемого потока сбрасывают в процессе продувки, т.е. поток возвращаемого сырья делят на два: рецикл и газ продувки.

 

 

Рис. 12. Материальный баланс циркуляционной схемы

 

В виде уравнения: без продувки G₀ + G_R = G_P + G_R

с продувкой G₀ + G_R = G_P + G_R + G_сброс

На рис. 11 и 12 приведены структуры материальных балансов прямой и рециркуляционной схем. Очевидно, что специфика расчета процесса с рециркуляцией заключается в том, что полная загрузка реактора оказывается больше, чем для прямой схемы, на величину потока рецикла. Главная задача расчёта – определить по заданному количеству свежего сырья (часть сырья, ещё не побывавшего в реакторе) или целевого продукта полную загрузку реактора, необходимую для определения его основных размеров.

Циркуляционная схема может включать один или несколько потоков рецикла. При установившемся состоянии количество подводимого в систему свежего сырья будет равно количеству отводимых из неё продуктов: G₀ = G_P                                                                      (3.1)

В этом случае полная нагрузка реактора равна G_S = G₀ + G_R                     (3.2),

где G₀ – загрузка реактора свежим сырьём взамен прореагировавшего (прямой поток), G_P – масса выводимых из системы продуктов, G_S – полная загрузка реактора (главный поток), G_R – поток рецикла (побочный поток). Если для сброса инертов в системе организуется продувка, то поток рецикла уменьшается на величину массы сбрасываемого продукта G_сброс.

Работа схемы с рециклом характеризуется отношением рециркуляции (степенью рециркуляции) R, либо коэффициентом рециркуляции K_R. Отношение рециркуляции R показывает, какая доля главного потока после его разветвления возвращается в процесс:

                                         (3.3)

Коэффициент рециркуляции K_R показывает, во сколько раз главный поток больше прямого:

                            (3.4)

Учитывая, что G_S = G₀ + G_R, можно записать:

и

 Коэффициент рециркуляции можно найти из выражения:

                                                               (3.5),

где  - массовая доля рецикла в общей загрузке реактора.

При установившемся состоянии коэффициент рециркуляции необходим для определения:

- полной загрузки реактора                                                         (3.6)

- количеств (выходов) продуктов реакции при работе установки по рециркуляционной схеме, так как при умножении значения выхода продуктов за один проход сырья через реактор на коэффициент рециркуляции получается пересчитанное значение выхода продукта в расчёте на свежее сырьё. В циркуляционных схемах количество продукта задают в виде его массового содержания в потоке реакционной смеси, полученной за один проход через реактор.

Пример 20.  

Для реакции

массовый состав потока реакционной смеси, % мас.: А – 50, В – 10, S – 15, R – 25.

Рассчитать полную загрузку реактора, поток рецикла и количества образовавшихся продуктов S и R, если загрузка реактора свежим сырьём равна 20 т.

1. Масса реакционной смеси, очевидно, равна массе главного потока, по этому a_R может быть вычислена как доля реакционной смеси (А+В), которую следует вернуть в процесс. Рассчитываем коэффициент рециркуляции .

2. Определяем полную загрузку реактора т.

3. Находим поток рецикла т.

4. Образовалось продукта R: % или т;

   продукта S: % или т.

Поток рецикла можно найти по разности  или из выражения .

Гораздо сложнее расчёт с более чем одним потоком рецикла, когда следует сохранить определённое соотношение между реагентами на входе в реактор, а конверсии реагентов разные. Для такого случая загрузку одного из реагентов в свежем сырье (ключевой компонент) принимают за постоянную величину, а затем рассчитывают загрузку второго реагента. К примеру, в реакторе протекает реакция A + B ®R + S, в которой реагенты А и В находятся в разных агрегатных состояниях. Реагенты загружают в нестехиометрическом соотношении, поэтому конверсия А отличается от конверсии В. Тогда в процессе образуются два потока рецикла: газа и жидкости. В связи с тем, что конверсии А и В неодинаковы, при смешении свежего и возвратного сырья нарушаются заданные пропорции между загрузками А и В на входе в реактор.

Введём следующие обозначения:

; a_А, a_В – массовые доли рециклов А и В в полной загрузке реактора G_S;

 С_А, С_В, С_R, C_S – массовое содержание компонентов A, B, R, S в реакционной смеси, полученной за один проход порции сырья через реактор, в процентах к сумме загрузок свежего сырья с реагентами А (G_0A) и В (G_0В) Фиксируем значение загрузки свежего сырья А в реактор и сохраняем эту величину постоянной в ходе расчёта. Тогда полная нагрузка реактора определится как

                                                 (3.7)

Из условия соблюдения определённого соотношения между реагентами следует

                                                 (3.8),

где a_А×G_S, и a_В× G_S – массы потоков рецикла непревращённого сырья А и В. Сумма  и  - полная загрузка реактора компонентами А и В.

Решаем систему уравнений (3.7) и (3.8) с двумя неизвестными (G_S и G_0B). Из уравнения (3.8) имеем:                                                                           (3.9)

Подставив это выражение в уравнение (3.7), получим:

или

                                                   (3.10)

Коэффициент рециркуляции в расчёте на суммарную нагрузку реактора свежим сырьём может быть получен из соотношения

                                    (3.11)

Тогда количества (выходы) продуктов, удаляемых из системы, составят в расчёте на суммарную загрузку свежим сырьём, %:

R = K_R × C_R

S = K_R × C_S

A = K_R × C_A

B = K_R × C_B

100,0

3.4. Основные технологические показатели эффективности химико-технологического процесса

Расчёт основных технологических показателей позволяет достаточно полно оценить технологическую целесообразность и экономическую эффективность химического производства. К числу наиболее важных технологических показателей, которые рассчитывают на основе материального баланса, относятся конверсия сырья, выход продукта, селективность и расходные коэффициенты по сырью.

С понятием конверсии мы подробно познакомились в главе, посвященной расчету состава реакционных смесей. Не будем здесь повторяться.

Показатель селективности применяется для оценки эффективности целевой реакции по сравнению с побочной в сложных процессах. В простых реакциях, сколько бы побочных продуктов в них не получалось, понятие селективности не имеет смысла, т.к. реакция идет только в одном направлении, повлиять на соотношение продуктов невозможно, и нет собственно выбора (select). С точки зрения управления процессом очень важна дифференциальная селективность – отношение скорости целевой реакции к общей скорости процесса. Здесь и далее под селективностью будем понимать интегральную селективность или, что то же, избирательную конверсию, которая удобнее в технологических расчетах. Селективность (S) рассчитывают как долю реагента А, пошедшего на целевой продукт, от всего превращённого реагента. Следует отметить, что в понятие превращённого реагента включают следующую сумму: , где G₁ – количество реагента А, превращённого в целевой продукт; G₂ – количество реагента А, превращённого в побочные продукты;G₃ – потери А. Количества G₁ и G₂рассчитывают на основе уравнения стехиометрии реакции и фактических выходов целевого и побочных продуктов.

Вторая группа технологических показателей формируется из сопоставления фактически полученного G_Ф и теоретически возможного G_Т количеств продуктов.

 В этой группе рассматривают два показателя: выход продукта по сырью b и выход продукта на превращённое сырьё b^/. Первый показатель является оценкой глубины протекания реакции и в этом смысле идентичен понятию общей конверсии. Второй показатель служит оценкой селективности процесса и идентичен избирательной конверсии.

Выходом продукта называют выраженное в процентах отношение фактически полученного продукта к теоретическому. Фактическое количество полученного в процессе целевого продукта можно точно измерить (взвесить). Теоретическим выходом называют максимально возможное количество продукта, которое может быть получено из поданного (G_0i) или превращённого (G_0i – G_K) на установке сырья в соответствии со стехиометрией целевой реакции. Побочные реакции и потери не учитывают. Теоретический выход вычисляют из стехиометрического уравнения реакции для необратимых реакций и уравнения изотермы реакции для константы равновесия в случае обратимых реакций. Следует отметить, что для обратимых реакций, кроме равновесного, определяют и обычный теоретический выход.

Обращаем ваше внимание на то, что на производстве и в технологической литературе зачастую одним и тем же словом выход обозначают разные понятия. Следует четко различать выход как технологический показатель (отношение фактического к теоретическому) и «выход», как количество продукта (фактически полученное и теоретически возможное).

У простых реакций выход продуктов пропорционален общей конверсии. В сложных реакциях такая пропорциональность наблюдается только для консекутивной реакции с конечным целевым продуктом. В общем случае сложную реакцию характеризуют конверсией и селективностью, роль которой выполняет выход продукта на превращённое сырьё.

Выход по сырью определяют по уравнению: %                            (3.12)

причём при расчёте G_Т используют количество поданного сырья (G_0i).

Выход на превращённое сырьё получают на основе того же уравнения, только в качестве теоретического используют выход, рассчитанный исходя из превращённого сырья (G_0i – G_iK):

%                              (3.13)

Конверсию, селективность и выход можно вычислять как через массы, так и через киломоли соответствующих веществ. Сама величина показателя при этом остается одной и той же.

Расходные коэффициенты по сырью ( ) – относятся к технико-экономическим показателям и характеризуют количество каждого вида сырья, израсходованного на получение 1 т (кг) целевого продукта. Единицей измерения величины расходного коэффициента является тонна сырья на тонну продукта (т/т; кг/кг). Вообще говоря, коэффициент должен быть безразмерным, тем не менее, технологи пользуются такой размерностью, поскольку логично говорить: «израсходовано 3,5 килограмма бензола на килограмм фенола».

Различают теоретический  и фактический  расходные коэффициенты. Теоретические коэффициенты рассчитывают из уравнения реакции, используя молекулярные массы реагентов и продуктов и стехиометрические коэффициенты. Фактические расходные коэффициенты находят из данных материального баланса, поделив количество i-го сырья на количество полученного продукта:                                                                                                                  (3.14)

Необходимо обратить внимание на то, что показатели конверсии и выхода продуктов рассчитывают, исходя из массы (киломолей) чистого реагента, которую находят, исключая из массы сырья массу примесей. Только фактические расходные коэффициенты считают по количеству сырья, а не по чистому реагенту. И это логично, поскольку чаще всего химический завод покупает не чистый реагент, а сырье.

Чем совершеннее производство, тем ближе значения фактического и теоретического расходных коэффициентов. Таким образом, теоретический расходный коэффициент является нижним пределом величины фактического расходного коэффициента, которая зависит от низкой селективности (малый выход продукта), потерь сырья и промежуточных продуктов, больших объёмом подлежащих утилизации фильтратов, маточников, промывных вод и других отходов производства, низкого содержания полезного компонента в сырье.

Фактические расходные коэффициенты используют при расчёте экономического показателя себестоимости продукции. Умножая коэффициент  на стоимость i-го вида сырья, получают долю затрат на это сырьё в себестоимости продукции.

 

3.5 Основные технические показатели

На основе баланса можно определить некоторые технические показатели, характеризующие эффективность функционирования оборудования. К таким показателям относятся производительность, пропускная способность, интенсивность аппаратов. Производительность (П) измеряется количеством продукта, произведённым за единицу времени (тыс.т/год, кг/ч или т/сутки). Производительность получают из первой статьи расхода материального баланса. Пропускную способность оценивают количеством сырья, переработанным аппаратом за единицу времени. Это показатель считают по всем видам сырья (суммарный расход сырья в приходной части баланса) либо по отдельным видам сырья (статьи приходной части баланса).

Интенсивность (средняя скорость процесса) J – съём продукта в единицу времени с единицы объёма реакционной смеси (реакционной зоны аппарата) или производительность кубометра реакционной зоны реактора. Интенсивность определяется по формулам:

                                                                        (3.15)

или