Химико-технологических процессов

В качестве технологических критериев чаще всего используют следующие:

– степень превращения исходного реагента (Х);

– выход готового продукта (В);

– селективность или избирательность (φ).

Степень превращения – это доля исходного реагента, используемого на химическую реакцию:

,

где Х_j – степень превращения реагента j;

– количество реагента j в исходной реакционной смеси;

– количество реагента j в реакционной смеси, выходящей из реактора;

– изменение количества реагента j в ходе реакции.

 

0≤ Х ≤1

Х → 1 в необратимых реакциях, для обратимых реакций максимальная степень превращения сырья ограничена состоянием равновесия:

,

где е – количество реагента j в состоянии равновесия (буква «е» означает «эквилибри» – равновесие).

Для повышения степени превращения более ценного реагента (ключевого) в обратимых реакциях используют большой избыток другого менее ценного реагента.

Например, паровая конверсии метана осуществляется по обратимой реакции:

СН₄ + Н₂О_(пар) Û СО + 3Н₂ – Q.

Для повышения степени превращения метана на практике используют практически четырехкратный избыток водяного пара. Однако при этом степень превращения самого водяного пара, естественно, снижается.

Степень превращения характеризует полноту использования исходного сырья, однако это характеристика недостаточна для оценки эффективности получения продукта реакции. Для этого используется следующий критерии – выход продукта.

Выход продукта – это отношение реально полученного количествапродукта к максимально возможному, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Если обозначить выход продукта реакции R как В_R, то можно записать:

_,

где n_R,max – это максимально возможное количество образующегося продукта R.

Величина n_R,max, в свою очередь, зависит от типа реакции.

 

Рассмотрим необратимую простую реакцию типа:

а×А + в×В → r×R + s×S,

где a, b, r, s – стехиометрические коэффициенты. A, B, R, S – реагенты и продукты реакции.

Для данной реакции максимальное количество продукта R может быть получено, если все количество ключевого реагента А вступит в реакцию, тогда:

,

Таким образом, для простых необратимых реакций выход продукта и степень превращения ключевого реагента совпадают.

 

Для обратимой химической реакции

а×А + в×В Û r×R + s×S

.

Для обратимых простых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения ключевого реагента от максимально возможной (равновесной).

Селективность

Выход продукта характеризует полученный результат реакции как долю от предельно-возможного.

Но на практике для сложных реакций очень важно оценить эффективность протекания целевой реакции по сравнению с побочными. Для этого служит понятие селективность. В свою очередь, различают полную или интегральную селективность (φ) и дифференциальную или мгновенную селективность (φ¢).

Полная или интегральная селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию к общему количеству исходного реагента, израсходованного на все реакции (целевую и побочные):

_.

Мгновенная или дифференциальная селективность – это отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов.

φ¢ = W_{r ( A→R )} / ∑ W_rA,

где W_{r ( A → R )} – скорость расходования реагента А по целевой реакции, ∑ W_rA – суммарная скорость расходования реагента А.

 

Связь между выходом, степенью превращения и селективностью имеет следующий вид:

В = Х × φ.

П р и м е р. Пусть степень превращения сырья Х = 0,9; однако, из-за протекания побочных реакций селективность φ = 0,8.

Тогда: В = φ × Х = 0,8 × 0,9 = 0,72.