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 определение, предложенное каждым автором, 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:

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

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

• 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 конверсию как отношение мгновенно конвертируемой суммы к сумме, подаваемой в любой момент времени:

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

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

Это соотношение может стать больше 1. Его можно использовать для указания того, застроены ли резервуары, и в идеале оно 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 : ^{[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 обработка (это общепринятая форма)

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

Полупериодический

Полная конверсия состава:

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

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)

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

Урожай

Выход в целом относится к количеству определенного продукта ( р в 1 м ), образовавшегося на моль израсходованного реагента (Определение 1 ^[3] ). 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

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

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 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 ^[3] ). 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). Последнее определение аналогично определению 1 доходности.

Партия или полупартия

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

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

Для процесса с единственной реакцией

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

это означает, что S = 1 и Y = X.

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.

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

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

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:

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

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

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

Имущество удерживается. 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%. ${\displaystyle Y_{p}=X_{i}\cdot S_{p}}$

Литература

• Вернер Кульбах: Mengenberechnungen in der Chemie . Verlag Chemie, Вайнхайм, 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: Stöchiometrie , Eine Einführung in die Grundlagen mit Beispielen und Übungsaufgaben, 2. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009, ISBN 978-3-642-00459-9 . 

Рекомендации

1. Лазаридис, Никос; Алексопулос, Алек Х.; Кипариссидес, Костас (2001). «Полупериодическая эмульсионная сополимеризация винилацетата и бутилакрилата с использованием олигомерных неионогенных поверхностно-активных веществ». Макромолекулярная химия и физика . 202 (12): 2614–2622. doi :10.1002/1521-3935(20010801)202:12<2614::AID-MACP2614>3.0.CO;2-E.
2. Уэйн Ф. Рид, Алина М. Альб: «Мониторинг реакций полимеризации: от основ к приложениям», Wiley, 2014
3. Фоглер, Х. Скотт (1992). Элементы химической реакции (2-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 9780132635349.