Параллельные и последовательные реакции

Рассмотрим две параллельно протекающие реакции, в которых наряду с целевым продуктом R получаются продукты побочной реакции.

aA + bB rR + sS

aA + bB zZ + yY

Максимально возможное количество продукта R будет получено в том случае, если весь исходный реагент А будет реагировать только по первой реакции.

Следует помнить, что выразить n_R через степень превращения и начальное количество А нельзя, т. к. расход вещества А проходит не только по целевой реакции, но и по побочной. Выход продукта характеризует полученный результат как доля от предельно возможного, целесообразно оценить и реальную ситуацию, т.е. дать количественную оценку эффективности целевой реакции по сравнению с побочными. Критерием такой оценки является селективность.

Селективность, выход, степень превращения

Допустим, что в результате сложного химического превращения получается несколько продуктов – целевой и нежелательный (побочный). В упрощенной стехиометрической записи

aA Rr R

aA sS или А S

Под селективностью понимается отношение целевого продукта R, полученного в результате реакции, к количеству превращенного исходного вещества А

,

где N_R и N_A – количество молей вещества R и А.

Значение селективности изменяется от 0 до 1.

Выход определяется как отношение концентрации полученного целевого продукта R к количеству вещества, загруженного в реактор

Выход может меняться от 0 до 1.

Степень превращения

Получаем зависимость Ф = φ χ

Полная или интегральная селективность – это отношение количества исходного реагента, расходуемого на целевую реакцию, к общему количеству исходного реагента, пошедшего на реакцию.

Мгновенная или дифференциальная селективность - отношение скорости превращения исходных реагентов в целевой продукт, к суммарной скорости расходования исходных реагентов.

Влияние температуры на селективность

Влияние температуры на селективность связано с типом модели реактора. Т. к. реакторы смешения работают в изотермическом режиме, а реактор вытеснения имеют либо адиабатический режим, либо политермический..

Влияние температуры выражается уравнением Аррениуса

,

где k₀ – предэкспоненциальный множитель;

Е₁, Е₂ – энергии активации основной и побочной реакции.

Влияние температуры на селективность зависит от соотношения энергий активации параллельных реакций. Если энергия активации основной реакции выше Е₁ > Е₂ , то при низких температурах скорость побочной реакции выше, чем основной. Поэтому при низкой температуре селективность мала. Повышение температуры приводит к росту скорости и увеличению селективности. Если же Е₁ < Е₂ , то повышение температуры нецелесообразно.

В зависимости от соотношения Е₁ и Е₂ влияние температуры на селективность различно. Изменить это соотношение можно проведением процесса в присутствии селективного катализатора, который будет снижать энергию активации целевой реакции и мы будем получать высокий выход при низкой температуре.

Д ля РИС – Н величины Х, Ф_R и φ во всем объеме постоянны и поэтому связь между этими параметрами можно выразить уравнением

Ф = φ χ

Д ля РИВ эти же величины меняются по длине реактора, поэтому для него применяют выражение Ф_R =

Графическое изображение этих уравнений позволяет установить тип реактора, обеспечивающий максимальный выход целевого продукта.

Для параллельных реакций

Селективность можно выразить уравнением

,

т.е. является функцией отношения W_R/W_S .

Из уравнения следует, что по постоянной температуре в каждом конкретном случае, когда известен порядок основной и побочной реакции, селективность зависит только от концентрации С_А, так как отношение констант скорости реакции k₁/k₂ в этих условиях постоянная. Поэтому в зависимости от разности n₁ – n₂ влияние С_А на φ_R может быть либо положительным, либо отрицательным.

1. Если порядок основной реакции выше порядка побочной реакции, т.е. n₁ > n₂ , то n₁ – n₂ = а.

Т. е. при увеличении концентрации исходного вещества С_А селективность возрастает. Следовательно, для достижения высокой селективности выгодно поддерживать высокую концентрацию исходного вещества, т.е. выгодно применять РИВ или К – РИС, т.к. в этих реакторах средняя концентрация реагента С_А выше, чем в РИС – Н.

2. Если порядок основной реакции ниже порядка побочной реакции, т.е. n₁ < n₂ то n₁ – n₂ = -а.

Из этого уравнения видно, что при увеличении С_А селективность снижается. При этом выгодно применять РИС – Н, т. к. концентрация исходного вещества в нем ниже, чем в РИВ. В данном случае изменение величины С_А оказывает на эти параметры противоположное действие (интенсивность и селективность). При снижении С_А интенсивность уменьшается, а селективность возрастает. Что лучше – можно решить технико – экономическим анализом.

Если n₁ = n₂ , то n₁ – n₂ = 0

,

т.е. селективность не зависит от концентрации исходного реагента и тип реактора не влияет на селективность. В этом случае изменяют температуру или применяют катализатор селективного действия, который может изменить соотношение k₁/k₂ .