Если протекает реакция

то в соответствии с ее стехиометрическим уравнением (I) изменения количеств ее участников связаны между собой следующими соотношениями:

Уравнение (1.4) устанавливает связь между степенями превращения реагентов А и В и позволяет рассчитать неизвестную степень превращения одного реагента, зная степень превращения другого. Если

т. е. реагенты А и В взяты для проведения реакции в стехиометрическом соотношении (количества реагентов А и В относятся между собой как соответствующие этим веществам стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции), то степени превращения x_A и x_B равны между собой: х_A = х_{B .} Необходимо помнить, что степень превращения — это доля первоначального количества реагента, т. е. пределы изменения хопределяются соотношением

Обычно при выборе первоначального состава реакционной смеси берут в избытке более дешевый реагент (например, воздух, воду и т. д.) с целью повышения степени использования более ценного сырья.

Не всегда возможно достичь полного использования реагента (т. е. условия x =1). Большинство химических реакций обратимы. Для обратимых реакций при заданных условиях их осуществления предельным состоянием является состояние химического равновесия. Этому состоянию соответствует и предельно достижимая при данных условиях равновесная степень превращения

где n _{A , e} — количество реагента А в условиях равновесия; — изменение количества реагента. А к моменту наступления равновесия (максимально возможное при данных условиях осуществления химической реакции).

Используя степень превращения реагентов, можно определить количество продуктов R и S, образовавшихся в результате реакции (1), не осложненной наличием побочных взаимодействий. Изменение количества продукта реакции (I), например продукта R, в соответствии со стехиометрическими соотношениями (1.2) можно выразить через изменение количества реагента. А или реагента В. Если первоначальное количество продукта R равно нулю (n_R,,0=0), то

(1.12)

В качестве ключевого реагента, через степень превращения которого выражают количества продуктов, удобно брать реагент, взятый либо в недостатке, либо в стехиометрическом соотношении к другому. Например, если в качестве такого выбран реагент А, то должно выполняться условие

Максимально возможное количество продукта R, которое может быть получено при проведении обратимой реакции

(II)

рассчитывают как равновесное количество этого продукта n_R,_е.

Если реакционный объем V — постоянная величина (V = const), то во всех приведенных выше соотношениях количества реагентов и продуктов могут быть заменены молярными концентрациями. Например,

и т. д

Выход продукта. Степень превращения характеризует эффективность проведения процесса с точки зрения использования исходного сырья, но этой величины не всегда достаточно для характеристики процесса с точки зрения получения продукта реакции. Поэтому вводят еще один критерий эффективности — выход продукта.

Выход продукта — это отношение реально полученного количества продукта к максимально возможному его количеству, которое могло бы быть получено при данных условиях осуществления химической реакции.

Обозначим выход продукта R через Ф_к. Тогда

Величина n_R,max в уравнении (1.16) зависит от того, каков тип осуществляемой химической реакции. Рассмотрим несколько различных реакций.

а. Необратимая химическая реакция (1).Максимально возможное количество продукта R в такой реакции будет получено, если весь реагент А (п _А,₀) вступит в реакцию, при этом в качестве реагента А должен быть выбран такой, который удовлетворяет условию (1.12)

б. Обратимая химическая реакция (II).Для такой реакции максимально возможное количество продукта R определяется по уравнению (1.13) как равновесное количество продукта R при данных условиях осуществления реакции (температура, давление, соотношение начальных концентраций реагентов).

Таким образом, для обратимых реакций выход продукта равен доле, которую составляет реально достигнутая степень превращения от равновесной для данных условий проведения реакции.

Как и степень превращения, выход продукта для реакционных систем с постоянным объемом может быть определен как отношение концентраций. Следует также помнить, что выход, выражаемый как доля от некоторой предельно возможной величины, изменяется в пределах от 0 до 1.

Селективность. Выход продукта характеризует полученный результат, как долю от предельно возможного Целесообразно оценить и реальную ситуацию, т. е. дать количественную оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными взаимодействиями.

Критерием для такой оценки является селективность Селективность, как и два предыдущих критерия эффективности, выражают в долях единицы или в процентах.

Полная, или интегральная, селективность j — это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшему на все реакции (и целевую, и побочные)

Мгновенной, или дифференциальной, селективностью j' называют отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт к суммарной скорости расходования исходных реагентов

где w_r(A®R) - скорость расходования реагента А по целевой реакции; w_rA – суммарная скорость расходования реагента А*

Рассмотрим полную селективность.

Для реакций (III) полная селективность по целевому продукту R может быть выражена через количество полученного продукта А и количество реагента А, суммарно израсходованного на реакцию.

С учетом стехиометрических соотношений количество реагента А, вступившего в реакцию образования целевого продукта, равно

Тогда полная селективность j будет равна

Знаменатель в уравнении (1.25) можно заменить через количество полученных продуктов целевой и побочной реакций с учетом стехиометрических соотношений:

Целевой является реакция получения оксида азота NO

Селективность можно рассчитать по количеству полученных на выходе из реактора продуктов целевой реакции (оксида азота) и побочной реакции (азота).

Между выходом целевого продукта, степенью превращения исходного реагента и селективностью существует простая связь. Рассмотрим ее сначала на примере необратимых параллельных реакций (III).

В соответствии с уравнением (1.21) выход продукта R

Реально полученное количество продукта R можно выразить через селективность, пользуясь уравнением (1.25):

Если параллельные реакции обратимы, то максимально возможное количество продукта R, которое могло бы получиться при отсутствии побочной реакции, определяется условиями равновесия. Тогда для определения выхода продукта нужно применить уравнение (1.22) Подставляя в него значение количества реально полученного продукта R, выраженного с помощью уравнения (1.28), будем иметь более общее уравнение связи между выходом, селективностью и степенью превращения:

Из уравнений (1.29) и (1.30) следует, что при выборе условий проведения сложных химических реакций недостаточно обеспечить только высокое значение степени превращения реагентов или только высокую селективность; высокое значение выхода целевого продукта определяется некоторой совокупностью этих критериев эффективности.

Оптимальными значениями выхода, селективности и степени превращения будут, как правило, такие, достижение которых позволяет обеспечить максимальную экономическую эффективность процесса.

Производительность и интенсивность. Важным критерием эффективности работы отдельных аппаратов, цехов или заводов в целом является производительность.

Производительность — это количество продукта, полученное в единицу времени:

где П — производительность; n_R — количество продукта; t — время. Производительность измеряется в кг/ч, т/сут, т/год и т. д. Например, производительность современного агрегата синтеза аммиака составляет 1360 т аммиака в сутки; производительность агрегата по производству серной кислоты — 1 млн. т серной кислоты в год и т. д. Иногда производительность оценивают по количеству переработанного сырья, например производительность печи обжига колчедана 450 т в сутки. Если известны концентрация продукта в реакционной смеси на выходе из реактора и объемный расход реакционной смеси, то для определения производительности удобно воспользоваться следующей формулой:

где c_R — концентрация продукта; u — объемный расход реакционной смеси.

Максимально возможная для данного агрегата, машины произво­-дительность (проектная) называется мощностью. Одним из основных направлений развития химической промышленности является увеличение единичной мощности агрегатов, так как оно ведет к снижению удельных капитальных затрат, повышению производительности труда.

Для сравнения работы аппаратов различного устройства и размеров, в которых протекают одни и те же процессы, используют понятие интенсивность:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: