7. Расходные коэф-ты. Избирательность хтп (φ)

Расходные коэф-ты: теоретические и практические.

Одним из осн-ых элементов ХТП, определяющим эконом-ие и технолог-ие показатели пр-ва явл-ся сырье.

Сырье – природные материалы, используемые для пр-ва целевых продуктов.

Исх-ым материалом мног7их хим-их пр-в явл-ся сырье, уже подвергающееся пром-ой переработке. Такое сырье наз-ся полупродуктом.

Конц-ция осн-ого исх-ого компонента в сырье или полупродуктах (с_с), исп-ых в хим-ой пром-ти м составлять от долей % до 100%.

Показателями эф-ти исп-ия сырья явл-ся расходные коэф-ты.

Расходные коэф-ты – это отношение кол-ва сырья, затраченного при проведении ХТП, к кол-ву полученного целевого продукта.

Различают теоретический (η_т) и практический (η_п) расходные коэф-ты.

Теор-ий расходный коэф-т рассчитывается по стех-му ур-ию основной р-ции с учетом содержания исходного реагента А в сырье (с_А,с). Напр., для р-ции типа

где М_А, М_D – молекулярные массы.

При расчете практич-ого расходного коэф-та учитывается степень превращения (х_А) исх-ого реагента, выход продукта (Ф_D(A)) и суммарная избирательность (φ_D,Сум ). Поэтому ф-ла слеующая:

Избирательность (селективность) ХТП – это важнейшая хар-ка ХТ пр-сов, к-ые наряду с основной р-цией протекания пр-са происходит побочная – парал-ые или послед-ые р-ции с обр-ем нежелательных или менее ценных продуктов.

Различают конечную суммарную (интегральную) избирательность (φ_сум) и мгновенную (диф-ую) избирательность (φ_мгн).

Суммарная изб-ть опр-ют как отношение кол-во исх-ого в-ва превратившегося в целевой продукт к общему кол-ву прореагировавшего исх-ого в-ва.

а) парал-ая , б) послед-ая .

Напр., для парал-ых р-ций, целевым продуктом к-ого явл-ся в-во В. Суммарная избир-ть выр-ся ур-ем:

где n_A0, n_A – нач-ое и кон-ое кол-во молей исх-ого в-ва А;

n_B, n_D – кол-во молей, образующегося продукта основного В и побочного D.

Связь м/д степенью превращения, выходом целевого продукта и суммарной изб-тью нах-ся из следующих соотношений:

Из ур-ий (2.13), (2.14) и (2.1) следует

Мгновенная изб-ть измеряется отношением инвариантной скорости (см. ниже) обр-ия целевого продукта к скорости потребления исх-ого реагента на обр-ие всех продуктов р-ции.

Мгновенная изб-ть = отношению скорости осн-ой р-ции к общей скорости пр-са, выраженной ч/з кол-во исх-ого реагента.

φ_В,мгн имеет смысл мгновенного выхода целевого продукта. Сум-ая изб-ть = сумме мгновенных выходов.

Мгновенную изб-ть оценивают отношением скорости обр-ия целевого и любого конечного продукта.

8. Скорость хтп. Способы увеличения скорости

Скорость ХТП выр-ют изменением кол-ва к-либо компонента, прореагировавшего или образовавшегося в рез-те хим-ой р-ции в ед. времени в ед. реакционного объема (для гомогенных ХТП) или на ед. пов-ти раздела фаз (для гетерогенных ХТП).

Если при протекании пр-са не происходит обмен в-вом с окр-ей средой, скорость ( ) расходования исх-ого в-ва или обр-ия продукта за интервал времени в общем виде равна:

При получаем мгновенную или истинную скорость, соответствующую конкретному моменту времени. Ее выражают так:

Если υ = const.

Пользоваться ур-ем (2.19) можно при соблюдении следующих 2-х условий:

а) реакционный объем остается постоянным, т.е. υ = const.

б) систему можно считать замкнутой.

Закрытым объемом считают такие условия, когда реагирующая система не обменивается в-вом с окр-ей средой. Это положение относится к пр-сам, протекающим в реакторах периодического действия.

Если скорость опр-ся по продукту р-ции, то (2.19) исп-ся со знаком “+”, а если по исх-му в-ву, то со знаком “-”. Скорость р-ции почти всегда положительна.

Ур-ие (2.19) явл-ся строгим матем-им выр-ем для скорости гомогенных ХТП, пригодно в общем случае и для реагирующей системы, объем к-рой изм-ся в пр-се р-ции. На практике чаще пользуются более простым ур-ем для сокрости гомогенных пр-сов, пригодных для ХТП, протекающих при υ = const.

Т.о. скорость гомогенного ХТП при υ = const п.с. изм-ие конц-ции в ед. времени.

Для гетерогенных ХТП.

Для гетерогенных ХТП, когда р-ция протекает на границе раздела фаз, скорость часто относят к ед. межфазной пов-ти (S).

Для гетерогенно-кат-их пр-сов скорость хим-ой р-ции удобно выр-ть на ед. массы кат-ра:

Способ выр-ия скорости пр-са зав-ит от конкретных условий протекания ХТП. Иногда скорость измеряют ч/з изм-ие массы реагир-их в-в или ч/з изм-ие степени превращения т(х_i):

Для пр-сов с газообр-ми в-вами скорость пр-са удобно выр-ть ч/з изм-ие парц-ых давлений компонентов смеси:

Взаимосвязь м/д значениями U, U’, U” и U’” опис-ся следующим соотношением:

Понятие об инвариантной скорости.

Численное значение скорости ХТП (не зависимо от способа ее опр-ия), выраженной отн-но разл-ых реагентов будет зав-ть от соотношения соотв-их коэф-тов в стехиом-ом ур-ии.

Численное значение скорости пр-са, выр-ая ч/з изм-иеконц-ции реагентов А, В, …, D, F, … будет различно

Для однозначного опр-ия скорости р-ции достаточно знать скорость обр-ия или расходования одного к-либо реагента

Это значение скорости связано со скоростями др. реагентов следующим соотношением:

Если скорость р-ции выр-ть ур-ем

где v_i – стехиом-ий коэф-т при соотв-ем реагенте.

То она будет иметь одинаковое значение не зависимо от того к какому из реагентов ее отнести. Такое значение скорости и наз-ся инвариантным.

Скорость пр-са.

Скорость ХТП в общем случае зав-ит от скоростей хим-их и физ-их пр-сов, к-рые в свою очередь опр-ся гидродинамическими параметрами движения реагентов, Условиями перемешивания, диф-зии, конц-циями, давлением, тем-рой и др. факторами, оказывающими влияние на массо- и теплоперенос.

Ф-ла для расчета скорости ХТП:

«К» зависит от области протекания процесса и является функцией констант скоростей прямой, обратной и побочной реакций (k₁,k₂,k_п), коэффициентов диффузии исх реагентов к поверхности раздела фаз (Д₁,Д₂), доставки продуктов реакции от пов-ти в поток (Д^/₁,Д^/₂), зависит от физико-химических свойств реагирующих фаз (Ф) и геометрических параметров структурных единиц (Г) – это размеры частиц твердой фазы, элементов их внутр структуры, пузырьков газа и капель жидкостей и др.

Зная область протекания процесса, технологи выбирают основные параметры, наиболее сильно влияющие на процесс и можно пользоваться математическим аппаратом кинетики.

Для гомогенных и гетерогенных, но протекающих только в кинетической области «К» зависит лишь от констант скоростей основной и побочной реакции.

Для гетерогенных пр-сов, протекающих во внутри-ДО, влияние оказывает?

Для внеше-ДО основное влияние на скорость пр-са оказывает интенсивность массопереноса, зависящая от коэф-та массопереноса (β)

где Д_э – коэф-т эффективной диф-зии, δ – толщина пограничного слоя.

Движущая сила пр-са в общем случае явл-ся ф-цией текущих и равновесных конц-ций реагирующих в-в: