Конверсия (химия) - Conversion (chemistry)

Преобразование и связанные с ним термины Уступать и избирательность являются важными терминами в инженерии химических реакций. Они описываются как отношения количества реагента, прореагировавшего (Икс - преобразование, обычно от нуля до единицы), сколько желаемого продукта было образовано (Y - выход, обычно также от нуля до единицы) и сколько желаемого продукта было образовано по отношению к нежелательному продукту (ам) (S - избирательность).

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

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

• 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, что реагенты подаются, а продукты покидают реактор непрерывно и в устойчивое состояние.

Преобразование

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

Полупакет

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 участием ${\displaystyle {\dot {n}}_{i}}$ как изменение родинок со временем у видов i.

Это соотношение может стать больше 1. Его можно использовать для индикации накопления резервуаров, 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

Пакетная (это общепринятая форма)

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

Полупакет

Общее преобразование 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)

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

Уступать

Уступать в целом относится к количеству конкретного продукта (п в 1..м) образуется 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 все ограничивающий реагент отреагировал, эти два определения противоречат друг другу. Комбинирование этих двух также означает, что необходимо учитывать стехиометрию и что выход должен быть основан на ограничивающем реагенте (k в 1..п):

Непрерывный

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

Версия, обычно встречающаяся в литературе:

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

Селективность

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.

Партия или полу-партия

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

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

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=Икс.

Абстрактный пример

Сравнение и соотношение между конверсией (X), селективностью (S) и Уступать (Y) для 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:

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

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

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

Недвижимость ${\displaystyle Y_{p}=X_{i}\cdot S_{p}}$держит. 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%.

Литература

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

использованная литература

1. Lazaridis et al.: «Полупериодическая эмульсионная сополимеризация винилацетата и бутилакрилата с использованием олигомерных неионных поверхностно-активных веществ», Macromol. Chem. Phys. 2001, 202, 2614-2622
2. Уэйн Ф. Рид, Алина М. Альб: «Мониторинг реакций полимеризации: от основ до приложений», Wiley, 2014
3. Фоглер, Х .: "Элементы инженерии химических реакций", 2-е издание, Прентис-Холл, 1992 г.
4. Фоглер, Х .: "Элементы инженерии химических реакций", 2-е издание, Прентис-Холл, 1992 г.