Селективность, выход и путь реакции. Отношение количеств полученного целевого продукта и загруженного основного реагента

Страницы работы

Фрагмент текста работы

7.5. Селективность, выход и путь реакции

Выше были рассмотрены элементарные расчеты реакторов в применении к простым реакциям, причем особое внимание уделялось зависимости степени превращения от времени реакции или объема реактора. В случае более сложных реакции, таких, как параллельные и консекутивные, получается несколько продуктов; некоторые из них могут быть целевыми , другие - побочными . Естественно, что в результате процесса должна быть достигнута не только максимально возможная степень превращения, но и высокая селективность.

Селективность  - отношение количества полученного целевого продукта  к количеству основного превращенного реагента . Когда эти количества выражаются в мольных единицах и учитывается стехиометрия уравнения реакции,  меняется от  до . На основании данного определения  выражается уравнением:

.                                                            (7.38)

Часто для оценки сложного реакционного процесса используют отношение количеств полученного целевого продукта и загруженного основного реагента. Это отношение называется выходом продукта . Легко установить, что

.                                                    (7.39)

Значение  также меняется от  до ; оно велико, если селективность и относительная степень превращения высоки, и наоборот. Выражения (7.38), (7.39) в равной степени относятся как к простым реакционным системам, так и к кубовым реакторам полунепрерывного действия и реакторам с поперечным потоком, если  и  характеризуют реактор в целом.

Мы будем в основном рассматривать параллельные и консекутивные реакции, в которых распределение продуктов между целевыми и побочными существенно различно.

Это отчетливо видно из рис. 7.5. Так, в случае параллельных реакций (рис. 7.5а) и  и  образуются при любых величинах  в интервале от  до . Выход  (на рис. 7.5 характеризуется величиной ) возрастает с увеличением степени превращения.

                              а                                                                        б            

Рис. 7.5. Зависимость концентраций компонентов смеси и селективности от степени превращения для параллельной и консекутивной реакций.

При консекутивных реакциях сначала образуется , который затем превращается в . Поэтому вначале , а по мере приближения реакции к концу эта величина уменьшается до . Следовательно, с изменением степени превращения выход  проходит через максимум.

Форма кривых на диаграмме, приведенной на рис. 7.5, зависит не только от типа сложной реакции, но и от констант скорости (которые могут заметно меняться с температурой) и от типа реактора. Это продемонстрировано для системы параллельных реакций.

На рис. 7.6 приведена зависимость величин  и  от относительной степени превращения  для реактора периодического действия, кубового реактора непрерывного действия и идеализированного реактора с поперечным потоком. Так как компонент  может быть превращен только в целевой продукт , из уравнения (7.38) получаем  и из (7.39) .

Рис. 7.6. Селективность и выход для параллельных реакций: 1 - реактор с поперечным потоком; 2 - кубовый реактор; 3 - реактор периодического действия

7.6. Математическое описание гомогенного реактора

В трубчатых гомогенных реакторах скорость потока, как правило, весьма велика и гидродинамические условия соответствуют области развитой турбулентности. Можно принять, что для этих условий характерен так называемый режим идеального вытеснения, или поршневой режим, который заключается в следующем:

линейная скорость, концентрации и температура постоянны в пределах каждого поперечного сечения (одноосная модель);

перенос вещества и тепла происходит только в результате гидродинамического движения, а перенос за счет турбулентной диффузии и тем более молекулярной диффузии и теплопроводности пренебрежимо мал и может не учитываться.

Перейдем к математическому описанию гомогенных реакторов идеального вытеснения. Материальный баланс бесконечно малого элемента реактора с объемом  по -му компоненту заключается в том, что отношение приращения потока -го компонента к объему элемента равно скорости образования -го компонента, т.е.

,                                              (7.40)

где  - скорость -ой реакции, определяемая как  .

Поток -го компонента выражается через концентрации следующим образом:

                                (7.41)

где  - массовый поток реакционной смеси, ;  - мольный поток реакционной смеси на входе в реактор, ;  - объемный поток реакционной смеси, .

Переходя к массовым концентрациям, получим уравнение

                                                              (7.42а)

где независимая переменная  есть отношение текущего объема реактора и массового потока реакционной смеси:

.                                                                        (7.43а)

Если в качестве переменных используются удельные числа молей, то соответствующее уравнение имеет вид

,                                                             (7.42б)

где независимая переменная  является отношением текущего объема реактора и мольного потока реакционной смеси на входе в аппарат:

.                                                                      (7.43б)

Если плотность и, следовательно, объемный поток смеси не меняются, то удобно перейти к объемным концентрациям

,                                                              (7.42в)

где независимая переменная  есть отношение текущего объема реактора и объемного потока реакционной среды:

.                                                                       (7.43в)

Независимую переменную , определяемую равенствами (7.43), будем называть временем пребывания, хотя это название оправдано лишь для равенства (7.43в). Для контактных каталитических реакторов при определенных условиях справедливы аналогичные уравнения (см. ниже). Здесь переменную  называют временем контакта.

Уравнения (7.42) достаточно написать лишь для ключевых компонентов, т. е. для , поскольку для остальных компонентов справедливы соответствующие

Похожие материалы

Информация о работе

Тип:
Конспекты лекций
Размер файла:
365 Kb
Скачали:
0