Конверсия (химия)

Конверсия и связанные с ней термины, выход и селективность являются важными терминами в химической инженерии. Они описываются как отношения того, сколько реагента прореагировало ( X - конверсия, обычно от нуля до единицы), сколько желаемого продукта было образовано ( Y - выход, обычно также между нулем и единицей) и сколько желаемого продукта по отношению к нежелательному продукту (-ам) ( S - селективность).

В литературе встречаются противоречивые определения селективности и урожайности, поэтому определение каждого автора следует проверить.

Конверсию можно определить для реакторов (полу) периодического и непрерывного действия, а также как мгновенную и полную конверсию.

Предположения [ править ]

Сделаны следующие предположения:

• Происходит следующая химическая реакция:

${\ displaystyle \ sum _ {i = 1} ^ {n} \ nu _ {i} A_ {i} = \ sum _ {j = 1} ^ {m} \ mu _ {j} B_ {j}}$,

где и - стехиометрические коэффициенты. Для множественных параллельных реакций также могут применяться определения либо для каждой реакции, либо с использованием ограничивающей реакции.${\ displaystyle \ nu _ {я}}$${\displaystyle \mu _{j}}$

• Периодическая реакция предполагает, что все реагенты добавляются в начале.
• Полупериодическая реакция предполагает, что некоторые реагенты добавляются в начале, а остальные вводятся во время загрузки.
• Непрерывная реакция предполагает подачу реагентов и выход продуктов из реактора непрерывно и в установившемся состоянии .

Конверсия [ править ]

Преобразование можно разделить на мгновенное преобразование и общее преобразование. Для непрерывных процессов они одинаковы, для периодических и полупериодических процессов есть важные различия. Кроме того, для нескольких реагентов конверсия может быть определена в целом или для каждого реагента.

Мгновенное преобразование [ править ]

Полупакет [ править ]

В этой настройке есть разные определения. Одно определение рассматривает мгновенное преобразование как отношение мгновенно преобразованного количества к количеству, подаваемому в любой момент времени:

${\displaystyle X_{i,{\text{inst}}}={\frac {{\dot {n}}_{i,{\text{react}}}}{{\dot {n}}_{i,{\text{in}}}}}}$.

с изменением родинок со временем у видов i.${\displaystyle {\dot {n}}_{i}}$

Это отношение может быть больше 1. Его можно использовать, чтобы указать, накопились ли резервуары, и в идеале оно близко к 1. Когда подача прекращается, его значение не определяется.

При полупериодической полимеризации мгновенное превращение определяется как общая масса полимера, деленная на общую массу подаваемого мономера: ^{[1] [2]}

${\displaystyle X_{\text{poly}}={\frac {m_{\text{Pol}}}{\sum _{i}\int _{0}^{t}{\dot {m}}_{i,{\text{in}}}(\tau )d\tau }}}$.

Общая конверсия [ править ]

Пакетная (это общепринятая форма) [ править ]

${\displaystyle X_{i}={\frac {n_{i}(t=0)-n_{i}(t)}{n_{i}(t=0)}}=1-{\frac {n_{i}(t)}{n_{i}(t=0)}}}$

Полупакет [ править ]

Полная конверсия рецептуры:

${\displaystyle X_{i}={\frac {n_{i}(t=0)+\int _{0}^{t}{\dot {n}}_{i,{\text{in}}}(\tau )d\tau -n_{i}(t)}{n_{i}(t=0)+\int _{0}^{t_{\text{end}}}{\dot {n}}_{i,{\text{in}}}(\tau )d\tau }}}$

Общая конверсия подаваемых реагентов:

${\displaystyle X_{i}={\frac {n_{i}(t=0)+\int _{0}^{t}{\dot {n}}_{i,{\text{in}}}(\tau )d\tau -n_{i}(t)}{n_{i}(t=0)+\int _{0}^{t}{\dot {n}}_{i,{\text{in}}}(\tau )d\tau }}}$

Непрерывный (это общепринятая форма) [ править ]

${\displaystyle X_{i}={\frac {{\dot {n}}_{i,in}-{\dot {n}}_{i,out}}{{\dot {n}}_{i,in}}}=1-{\frac {{\dot {n}}_{i,out}}{{\dot {n}}_{i,in}}}}$

Доходность [ править ]

Под выходом в целом понимается количество определенного продукта ( p на 1 .. m ), образовавшегося на моль израсходованного реагента (определение 1 ^[3] ). Однако он также определяется как количество произведенного продукта на количество продукта, которое может быть произведено (Определение 2). Если не весь ограничивающий реагент прореагировал, два определения противоречат друг другу. Объединение этих двух также означает, что необходимо учитывать стехиометрию, и что выход должен быть основан на ограничивающем реагенте ( k в 1 .. n ):

Непрерывный [ править ]

${\displaystyle Y_{p}={\frac {{\dot {n}}_{p,{\text{out}}}-{\dot {n}}_{p,{\text{in}}}}{{\dot {n}}_{k,{\text{in}}}\underbrace {-n_{k,{\text{out}}}} _{\text{only for Definition 1}}}}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|}$

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

${\displaystyle Y_{p}={\frac {{\dot {n}}_{p,{\text{out}}}-{\dot {n}}_{p,{\text{in}}}}{{\dot {n}}_{k,{\text{in}}}}}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|}$

Избирательность [ править ]

Мгновенная селективность - это производительность одного компонента на производительность другого компонента.

Для общей избирательности существует та же проблема противоречивых определений. Как правило, он определяется как количество молей желаемого продукта на количество молей нежелательного продукта (Определение 1 ^[4] ). Однако используются определения общего количества реагента для образования продукта на общее количество потребляемого реагента (определение 2), а также общего количества образованного желаемого продукта на общее количество потребляемого ограничивающего реагента (Определение 3). Это последнее определение совпадает с определением 1 для yield.

Пакетный или полу-пакетный [ править ]

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

${\displaystyle S_{p}={\frac {n_{p}(t=0)-n_{p}(t)}{n_{k}(t=0)+\int _{0}^{t}{\dot {n}}_{k,{\text{in}}}(\tau )d\tau -n_{k}(t)}}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|}$

Непрерывный [ править ]

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

${\displaystyle S_{p}={\frac {{\dot {n}}_{p,{\text{out}}}-{\dot {n}}_{p,{\text{in}}}}{{\dot {n}}_{k,{\text{in}}}-{\dot {n}}_{k,{\text{out}}}}}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|}$

Комбинация [ править ]

Для реакторов периодического и непрерывного действия (полупериодические реакторы необходимо проверять более тщательно) и определения, отмеченные как те, которые обычно встречаются в литературе, три концепции могут быть объединены:

${\displaystyle Y_{p}=X_{i}\cdot S_{p}}$

Для процесса с единственной реакцией

${\displaystyle {\ce {A -> B}}}$

это означает , что S = 1 и Y = Х .

Абстрактный пример [ править ]

Сравнение и соотношение между конверсией (X), селективностью (S) и выходом (Y) химической реакции. А : реагент; B , C : продукты.

Для следующего абстрактного примера и количеств, изображенных справа, следующий расчет может быть выполнен с приведенными выше определениями либо в периодическом, либо в непрерывном реакторе.

${\displaystyle {\ce {A -> B}}}$

${\displaystyle {\ce {A -> C}}}$

B - желаемый продукт.

Имеется 100 моль A в начале или на входе в реактор непрерывного действия и 10 моль A, 72 моль B и 18 моль C в конце реакции или на выходе из реактора непрерывного действия. Обнаружены три свойства:

${\displaystyle X_{{\ce {A}}}={\frac {n_{{\ce {A}}}(t=0)-n_{A}(t)}{n_{{\ce {A}}}(t=0)}}=1-{\frac {n_{{\ce {A}}}(t)}{n_{{\ce {A}}}(t=0)}}={\frac {100-10}{100}}=0.9=90\%}$

${\displaystyle Y_{{\ce {B}}}={\frac {n_{{\ce {B}}}(t)-n_{{\ce {B}}}(t=0)}{n_{{\ce {A}}}(t=0)+\int _{0}^{t}{\dot {n}}_{{\ce {A,{in}}}}(\tau )d\tau }}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|={\frac {72-0}{100+0}}\cdot {\frac {1}{1}}=0.72=72\%}$

${\displaystyle S_{{\ce {B}}}={\frac {{n}_{{\ce {B}}}(t=0)-{\dot {n}}_{{\ce {B}}}(t)}{{\dot {n}}_{{\ce {A}}}(t=0)-n_{{\ce {A}}}(t)}}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|={\frac {0-72}{100-10}}\cdot {\frac {1}{1}}=0.8=80\%}$

Собственность держится. В этой реакции 90% вещества A превращается (расходуется), но только 80% из 90% превращается в желаемое вещество B и 20% - в нежелательные побочные продукты C. Таким образом, конверсия A составляет 90%, селективность для B 80% и выход вещества B 72%.${\displaystyle Y_{p}=X_{i}\cdot S_{p}}$

Литература [ править ]

• Вернер Кулльбах: Mengenberechnungen in der Chemie . Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN  3-527-25869-8 .
• Эберхард Ост, Буркхард Биттнер: Stöchiometrie - Chemisches Rechnen , CICERO-Verlag, Pegnitz, 4. Auflage, 2011, ISBN 978-3-926292-47-6 . 
• Уве Хиллебранд: Stöchiometrie , Eine Einführung in die Grundlagen mit Beispielen und Übungsaufgaben, 2. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009, ISBN 978-3-642-00459-9 . 

Ссылки [ править ]