Conversão (química) - Conversion (chemistry)

Conversão e seus termos relacionados rendimento e seletividade são termos importantes na engenharia de reação química . Eles são descritos como razões de quanto de um reagente reagiu ( X - conversão, normalmente entre zero e um), quanto de um produto desejado foi formado ( Y - rendimento, normalmente também entre zero e um) e quanto produto desejado foi formado em proporção ao (s) produto (s) indesejado (s) ( S - seletividade).

Existem definições conflitantes na literatura para seletividade e rendimento, portanto, a definição pretendida por cada autor deve ser verificada.

A conversão pode ser definida para reatores (semi-) batch e contínuos e como conversão instantânea e geral.

Premissas

As seguintes suposições são feitas:

• A seguinte reação química ocorre:

${\ displaystyle \ sum _ {i = 1} ^ {n} \ nu _ {i} A_ {i} = \ sum _ {j = 1} ^ {m} \ mu _ {j} B_ {j}}$ ,

onde e são os coeficientes estequiométricos. Para múltiplas reações paralelas, as definições também podem ser aplicadas, por reação ou usando a reação limitante. ${\ displaystyle \ nu _ {i}}$${\ displaystyle \ mu _ {j}}$

• A reação em lote assume que todos os reagentes são adicionados no início.
• A reação de semi-lote assume que alguns reagentes são adicionados no início, o resto é alimentado durante o lote.
• A reação contínua assume que os reagentes são alimentados e os produtos deixam o reator continuamente e em estado estacionário .

Conversão

A conversão pode ser separada em conversão instantânea e conversão geral. Para processos contínuos, os dois são iguais, para lote e semilote existem diferenças importantes. Além disso, para reagentes múltiplos, a conversão pode ser definida globalmente ou por reagente.

Conversão Instantânea

Semi-lote

Neste cenário, existem diferentes definições. Uma definição considera a conversão instantânea como a proporção da quantidade convertida instantaneamente para a quantidade fornecida a qualquer momento:

${\ displaystyle X_ {i, {\ text {inst}}} = {\ frac {{\ dot {n}} _ {i, {\ text {react}}}} {{\ dot {n}} _ { i, {\ text {in}}}}}}$ .

com a mudança de moles com o tempo das espécies i. ${\ displaystyle {\ dot {n}} _ {i}}$

Esta relação pode ser maior que 1. Pode ser usada para indicar se os reservatórios estão acumulados e é idealmente próxima de 1. Quando a alimentação para, seu valor não é definido.

Na polimerização em semilote , a conversão instantânea é definida como a massa total do polímero dividida pela massa total do monômero alimentado:

${\ displaystyle X _ {\ text {poly}} = {\ frac {m _ {\ text {Pol}}} {\ sum _ {i} \ int _ {0} ^ {t} {\ dot {m}} _ {i, {\ text {in}}} (\ tau) d \ tau}}}$ .

Conversão Geral

Lote (esta é a forma geralmente declarada)

${\ displaystyle X_ {i} = {\ frac {n_ {i} (t = 0) -n_ {i} (t)} {n_ {i} (t = 0)}} = 1 - {\ frac {n_ {i} (t)} {n_ {i} (t = 0)}}}$

Semi-lote

Conversão total da formulação:

${\ displaystyle X_ {i} = {\ frac {n_ {i} (t = 0) + \ int _ {0} ^ {t} {\ dot {n}} _ {i, {\ text {in}} } (\ tau) d \ tau -n_ {i} (t)} {n_ {i} (t = 0) + \ int _ {0} ^ {t _ {\ text {end}}} {\ ponto {n }} _ {i, {\ text {in}}} (\ tau) d \ tau}}}$

Conversão total dos reagentes alimentados:

${\ displaystyle X_ {i} = {\ frac {n_ {i} (t = 0) + \ int _ {0} ^ {t} {\ dot {n}} _ {i, {\ text {in}} } (\ tau) d \ tau -n_ {i} (t)} {n_ {i} (t = 0) + \ int _ {0} ^ {t} {\ dot {n}} _ {i, { \ text {in}}} (\ tau) d \ tau}}}$

Contínuo (esta é a forma geralmente declarada)

${\ displaystyle X_ {i} = {\ frac {{\ dot {n}} _ {i, in} - {\ dot {n}} _ {i, out}} {{\ dot {n}} _ { i, in}}} = 1 - {\ frac {{\ dot {n}} _ {i, out}} {{\ dot {n}} _ {i, in}}}}$

Produção

O rendimento em geral se refere à quantidade de um produto específico ( p em 1 .. m ) formado por mol de reagente consumido (Definição 1). No entanto, também é definido como a quantidade de produto produzida por quantidade de produto que poderia ser produzida (Definição 2). Se nem todos os reagentes limitantes reagiram, as duas definições se contradizem. Combinar esses dois também significa que a estequiometria precisa ser levada em consideração e que o rendimento deve ser baseado no reagente limitante ( k em 1 .. n ):

Contínuo

${\ displaystyle Y_ {p} = {\ frac {{\ dot {n}} _ {p, {\ text {out}}} - {\ dot {n}} _ {p, {\ text {in}} }} {{\ dot {n}} _ {k, {\ text {in}}} \ underbrace {-n_ {k, {\ text {out}}}} _ {\ text {apenas para Definição 1}} }} \ left | {\ frac {\ mu _ {k}} {\ nu _ {p}}} \ right |}$

A versão normalmente encontrada na literatura:

${\ displaystyle Y_ {p} = {\ frac {{\ dot {n}} _ {p, {\ text {out}}} - {\ dot {n}} _ {p, {\ text {in}} }} {{\ dot {n}} _ {k, {\ text {in}}}}} \ left | {\ frac {\ mu _ {k}} {\ nu _ {p}}} \ right | }$

Seletividade

Seletividade instantânea é a taxa de produção de um componente por taxa de produção de outro componente.

Para a seletividade geral, existe o mesmo problema das definições conflitantes. Geralmente, é definido como o número de moles do produto desejado pelo número de moles do produto indesejado (Definição 1). No entanto, as definições da quantidade total de reagente para formar um produto por quantidade total de reagente consumido são usadas (Definição 2), bem como a quantidade total do produto desejado formado por quantidade total de reagente limitante consumido (Definição 3). Esta última definição é igual à definição 1 para rendimento.

Lote ou Semi-Lote

A versão normalmente encontrada na literatura:

${\ displaystyle S_ {p} = {\ frac {n_ {p} (t = 0) -n_ {p} (t)} {n_ {k} (t = 0) + \ int _ {0} ^ {t } {\ dot {n}} _ {k, {\ text {in}}} (\ tau) d \ tau -n_ {k} (t)}} \ left | {\ frac {\ mu _ {k} } {\ nu _ {p}}} \ right |}$

Contínuo

A versão normalmente encontrada na literatura:

${\ displaystyle S_ {p} = {\ frac {{\ dot {n}} _ {p, {\ text {out}}} - {\ dot {n}} _ {p, {\ text {in}} }} {{\ dot {n}} _ {k, {\ text {in}}} - {\ dot {n}} _ {k, {\ text {out}}}}} \ left | {\ frac {\ mu _ {k}} {\ nu _ {p}}} \ right |}$

Combinação

Para reatores descontínuos e contínuos (o semi-lote deve ser verificado com mais cuidado) e as definições marcadas como as geralmente encontradas na literatura, os três conceitos podem ser combinados:

${\ displaystyle Y_ {p} = X_ {i} \ cdot S_ {p}}$

Para um processo com a única reação

${\ displaystyle {\ ce {A -> B}}}$

isso significa que S = 1 e Y = X .

Exemplo Abstrato

Comparação e relação entre conversão (X), seletividade (S) e rendimento (Y) para uma reação química. A : reagente; B , C : produtos.

Para o seguinte exemplo abstrato e as quantidades representadas à direita, o seguinte cálculo pode ser executado com as definições acima, seja em lote ou em um reator contínuo.

${\ displaystyle {\ ce {A -> B}}}$

${\ displaystyle {\ ce {A -> C}}}$

B é o produto desejado.

Existem 100 mol de A no início ou na entrada do reator contínuo e 10 mol A, 72 mol B e 18 mol C no final da reação ou na saída do reator contínuo. As três propriedades são consideradas:

${\ displaystyle X _ {{\ ce {A}}} = {\ frac {n _ {{\ ce {A}}} (t = 0) -n_ {A} (t)} {n _ {{\ ce {A }}} (t = 0)}} = 1 - {\ frac {n _ {{\ ce {A}}} (t)} {n _ {{\ ce {A}}} (t = 0)}} = {\ frac {100-10} {100}} = 0,9 = 90 \%}$

${\ displaystyle Y _ {{\ ce {B}}} = {\ frac {n _ {{\ ce {B}}} (t) -n _ {{\ ce {B}}} (t = 0)} {n_ {{\ ce {A}}} (t = 0) + \ int _ {0} ^ {t} {\ dot {n}} _ {{\ ce {A, {in}}}} (\ tau) d \ tau}} \ left | {\ frac {\ mu _ {k}} {\ nu _ {p}}} \ right | = {\ frac {72-0} {100 + 0}} \ cdot {\ frac {1} {1}} = 0,72 = 72 \%}$

${\ displaystyle S _ {{\ ce {B}}} = {\ frac {{n} _ {{\ ce {B}}} (t = 0) - {\ ponto {n}} _ {{\ ce { B}}} (t)} {{\ ponto {n}} _ {{\ ce {A}}} (t = 0) -n _ {{\ ce {A}}} (t)}} \ left | {\ frac {\ mu _ {k}} {\ nu _ {p}}} \ right | = {\ frac {0-72} {100-10}} \ cdot {\ frac {1} {1}} = 0,8 = 80 \%}$

A propriedade se mantém. Nesta reação, 90% da substância A é convertida (consumida), mas apenas 80% dos 90% são convertidos na substância B desejada e 20% em subprodutos indesejáveis ​​C. Então, a conversão de A é 90%, seletividade para B 80% e rendimento da substância B 72%. ${\ displaystyle Y_ {p} = X_ {i} \ cdot S_ {p}}$

Literatura

• Werner Kullbach: Mengenberechnungen in der Chemie . Verlag Chemie, Weinheim 1980, ISBN   3-527-25869-8 .
• Eberhard Aust, Burkhard Bittner: Stöchiometrie - Chemisches Rechnen , CICERO-Verlag, Pegnitz, 4. Auflage, 2011, ISBN   978-3-926292-47-6 .
• Uwe Hillebrand: Stöchiometrie , Eine Einführung in die Grundlagen mit Beispielen und Übungsaufgaben, 2. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2009, ISBN   978-3-642-00459-9 .

Referências