Параллельные и последовательные реакции

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

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 долю 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

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 количества 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 реакторы 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.

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

Ф = φ χ

Для РИВ эти же величины меняются по длине реактора, поэтому для него применяют выражение

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 ω_R/ω_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 .