Введение в анализ химических реакторов: Учебное пособие по дисциплинах «Химические процессы и реакторы» и «Макрокинетика химических процессов и расчет реакторов», страница 4

 (моль/с),                                                (2.5)

где n_i0, n_i - число молей i- го компонента в реакторе в начальный и рассматриваемый моменты [моль]; F_i0, F_i - расход i- го вещества на входе в реактор и выходе из реактора [моль/с].

Иногда ξ называют координатой реакции.

В случае, если в системе одновременно протекает R реакций  (,) величина ξ_j для каждой реакции определяется следующим образом:

- для закрытой системы

;                                       (2.6)

- для открытой системы

.                                      (2.7)

Химическая переменная ξ_j не зависит от компонента, участвующего в реакции, но зависит от того, к какой реакции относится. В случае одновременно протекающих реакций для определения R величин ξ_j необходимо рассмотреть систему из R уравнений (2.6) или (2.7). Если же величины ξ_j известны, то легко определить изменение в результате химических превращений количества любого из S компонентов на основе уравнений (2.8) или (2.9).

Условие постоянства объема или расхода при протекании химической реакции в изотермическом реакторе

, то есть расход постоянен, если сумма стехиометрических коэффициентов равна нулю для каждой реакции

.

Или, если ,

.

2.3 Степень превращения (X_i)

Степень превращения (X_i) - характеризует относительное изменение содержания i-го компонента в результате химических реакций (относительную глубину переработки исходного продукта).

Для закрытой системы (периодический реактор)

 или ;       .                 (2.8)

Для открытой системы (проточный реактор)

,            .                                 (2.9)

В литературе величина X_i имеет второе эквивалентное название - конверсия.

2.4 Селективность S_i,i¢

Рассмотрим селективность S_i,i¢ процесса превращения исходного вещества i' в продукт i. Различают интегральную селективность и мгновенную. Обычно интегральная мольная селективность определяется как отношение количества (в молях) исходного вещества , необходимого для образования определенного количества целевого продукта  в случае идеального процесса (без образования побочных веществ), к количеству вещества , затраченному фактически в рассматриваемом процессе при получении того же количества  целевого продукта.

Для закрытых и открытых систем соответственно из этого определения следует:

;                                          (2.10)

,                                         (2.11)

где i' - исходное; i - продукт; id - идеальный; f - фактический. Эти формулы соответствуют и другому определению селективности, в соответствии с которым величина селективности определяется как доля вещества i, образовавшегося из (при участии) вещества i' на практике от того количества вещества i, которое получилось бы в идеале, из того же количества вещества i', если бы вещество i' расходовалось только на целевой продукт.

Формулы (2.10) и (2.11) удобны тем, что отношения ,  можно определить из стехиометрического уравнения, а фактические изменения  и  могут быть определены экспериментально.

Пример. Рассмотрим процесс окисления сероводорода в предположении, что только две простые реакции могут иметь место:

2nH₂S + nO₂ = 2S_n + 2nH₂O;                                  (2.12)

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O.                                   (2.13)

Рассчитаем селективность окисления сероводорода в серу в данном случае.

Сделаем переобозначения: , , , . Пусть фактическое изменение числа молей сероводорода , фактическое изменение числа молей серы . При идеальной ситуации протекает единственная целевая реакция (2.12), поэтому в соответствии с (2.7)

, ,

.

Следовательно, интегральная селективность

.                 (2.14)

Таким образом, селективность характеризует процессы, в которых протекает несколько химических реакций или стадий, благодаря чему исходный реагент может превращаться в разные продукты (побочные и целевые), и указывает эффективность течения процесса в рассматриваемом направлении (в направлении целевого продукта).

Мгновенная селективность () определяется аналогичным образом при рассмотрении бесконечно малых изменений  и , т.е., чтобы записать соотношения для , достаточно в (2.10), (2.11) заменить  и  на dn и dF (или на dn/dt и dF/dt) соответственно:

;                     (2.15)

.                      (2.16)

2.5 Выход продукта R_i,i¢

Выход продукта  - определяется как отношение количества полученного продукта к теоретически возможному (стехиометрическому или равновесному), т.е.

.                                                     (2.17)

Следовательно, для рассмотренного в п. 2.4. примера

.                             (2.18)

Вместо рассмотренных молярных селективности и выхода можно ввести аналогичные понятия в терминах массы.