Конверсия (химия)

Конверсия и связанные с ней термины, выход и селективность, являются важными терминами в технике химических реакций . Они описываются как отношения того, сколько реагента прореагировало ( X — конверсия, обычно между нулем и единицей), сколько образовалось желаемого продукта ( Y — выход, обычно также между нулем и единицей) и сколько желаемого продукта образовалось пропорционально нежелательному продукту(ам) ( S — селективность).

В литературе существуют противоречивые определения селективности и урожайности, поэтому предполагаемое определение каждого автора должно быть проверено.

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

Предположения

Сделаны следующие предположения:

• Происходит следующая химическая реакция:

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

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

• Периодическая реакция предполагает, что все реагенты добавляются вначале.
• Полупериодическая реакция предполагает, что некоторые реагенты добавляются вначале, а остальные подаются во время партии.
• Непрерывная реакция предполагает, что реагенты подаются, а продукты покидают реактор непрерывно и в установившемся состоянии .

Конверсия

Преобразование можно разделить на мгновенное преобразование и общее преобразование. Для непрерывных процессов эти два процесса одинаковы, для периодических и полупериодических процессов имеются важные различия. Кроме того, для нескольких реагентов конверсию можно определить в целом или по каждому реагенту.

Мгновенное преобразование

Полупериодический

В этой ситуации существуют разные определения. Одно из определений рассматривает мгновенную конвертацию как отношение мгновенно конвертируемой суммы к количество корма в любой момент времени:

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

с ${\dot {n}}_{i}$ как изменение родинок со временем вида i.

Это соотношение может стать больше 1. Его можно использовать для указания того, построены ли водохранилища. вверх и в идеале близко к 1. Когда подача прекращается, его значение не определяется.

При полупериодической полимеризации мгновенная конверсия определяется как общая масса полимера, деленная на общую массу подаваемого мономера :

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

Общая конверсия

Пакетная обработка (это общепринятая форма)

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

Полупериодический

Полная конверсия состава:

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

Общая конверсия подаваемых реагентов:

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

Непрерывный (это общепринятая форма)

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

Урожай

Выход в целом относится к количеству определенного продукта ( p в 1 м ), образующегося на моль израсходованного реагента (Определение 1). ). Однако он также определяется как количество произведенной продукции на количество продукции, которая может быть произведена (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 основываться на ограничивающем реагенте ( k в 1.. n ):

Непрерывный

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

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

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

Селективность

Мгновенная селективность — это скорость производства одного компонента на производительность другого компонента.

При общей избирательности существует та же проблема противоречивых определений. Обычно его определяют как количество молей желаемого продукта на количество молей нежелательного продукта (Определение 1). ). Однако используются определения общего количества реагента, образующего продукт, на общее количество израсходованного реагента (Определение 2), а также общего количества образовавшегося желаемого продукта на общее количество израсходованного лимитирующего реагента (Определение 3). Это последнее определение такое же, как определение 1 для доходности.

Партия или полупартия

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

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

Непрерывный

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

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

Комбинация

Для реакторов периодического и непрерывного действия (полупериодический режим необходимо проверять более тщательно) и определений, отмеченных как те, которые обычно встречаются в литературе, три концепции можно объединить:

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

Для процесса с единственной реакцией

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

это означает, что = 1 и Y = X. S

Абстрактный пример

Сравнение и связь между конверсией (X), селективностью (S) и выходом (Y) химической реакции. А : реагент; Б , С : продукты.

Для следующего абстрактного примера и количеств, изображенных справа, следующий расчет может быть выполнен с использованием приведенных выше определений либо в реакторе периодического действия, либо в реакторе непрерывного действия.

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

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

B – желаемый продукт.

В начале или на входе в реактор непрерывного действия имеется 100 моль А и в конце реакции или на выходе из реактора непрерывного действия 10 моль А, 72 моль В и 18 моль С. Обнаружено, что эти три свойства:

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

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

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

Недвижимость $Y_{p}=X_{i}\cdot S_{p}$ держит. В этой реакции 90% вещества А преобразуется (расходуется), но только 80% из 90% превращается в нужное вещество Б и 20% в нежелательные побочные продукты С. Итак, конверсия А составляет 90%, селективность для В 80% и выход вещества В 72%.

Литература

• Вернер Кульбах: Количественные расчеты в химии . Verlag Chemie, Вайнхайм, 1980 г., ISBN   3-527-25869-8 .
• Эберхард Ауст, Буркхард Биттнер: Стехиометрия - химические вычисления , CICERO-Verlag, Pegnitz, 4-е издание, 2011 г., ISBN   978-3-926292-47-6 .
• Уве Хиллебранд: Стехиометрия , введение в основы с примерами и упражнениями, 2-е издание, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, 2009 г., ISBN   978-3-642-00459-9 .