2.2.2 转化率、选择性和收率(产率)
化工总过程的核心是化学反应,提高反应的转化率、选择性和产率是提高化工过程效率的关键。
1.转化率
转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的比例或百分率,用符号X表示,其定义式为
转化率表征原料的转化程度,反映了反应进度。对于同一反应,若反应物不仅只有一个,那么不同反应组分的转化率在数值上可能不同。对于反应
反应物A和B的转化率分别是
式中,X A、X B分别为组分A和B的转化率;n A.0、n B.0分别为组分A和B的起始量;n A、n B分别为组分A和B在反应器内某一时刻的剩余量。
人们常常对关键反应物的转化率感兴趣,所谓关键反应物指的是反应物中价值最高的组分,为使其尽可能转化,常使其他反应组分过量。对于不可逆反应,关键组分的转化率最大为100%;对于可逆反应,关键组分的转化率最大为其平衡转化率。
计算转化率时,反应物起始量的确定很重要。对于间歇过程,以反应开始时装入反应器的某反应物的量为起始量;对于连续过程,一般以反应器进口物料中某反应物的量为起始量。但对于采用循环流程(图2-1)的过程来说,则有单程转化率和全程转化率之分。
图2-1 循环流程方框图
单程转化率指原料每次通过反应器的转化率,例如原料中组分A的单程转化率为
式中,反应器进口物料中组分A的量为新鲜原料中组分A的量与循环物料中组分A的量之和。
全程转化率又称总转化率,系指新鲜原料进入反应系统到离开该系统所达到的转化率,例如原料中组分A的全程转化率为
2.选择性
对于复杂反应体系,同时存在有生成目的产物的主反应和生成副产物的许多副反应,只用转化率来衡量是不够的。尽管有的反应体系原料转化率很高,但大多数转变成副产物,目的产物很少,意味着许多原料浪费了。所以需要用选择性这个指标来评价反应过程的效率。选择性系指体系中转化成目的产物的某反应物的量与该反应物参加所有反应而转化的总量之比,用符号S表示,其定义式为(https://www.daowen.com)
选择性也可按式(2-7)计算:
式(2-7)中的分母是按主反应式的化学计量关系来计算的,并假设转化的所有反应物全部转变成目的产物。
在复杂反应体系中,选择性是一个很重要的指标,它表达了主、副反应进行程度的相对大小,能确切反映原料的利用是否合理。
3.收率(产率)
收率亦称为产率,是从产物角度来描述反应过程的效率,符号为Y,其定义式为
当有循环物料时,也有单程收率和总收率之分。与转化率相似,对于单程收率,式(2-8)中的分母系指反应器进口处混合物中的该原料量,即新鲜原料与循环物料中该原料量之和。而对于总收率,式(2-8)中分母系指新鲜原料中该原料量。
4.质量收率
质量收率的定义系指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量,即
例1 乙烷脱氢生产乙烯时,原料乙烷处理量为8 000 kg/h,产物中乙烷为4 000 kg/h,获得产物乙烯为3 200 kg/h,求乙烷转化率、乙烯的选择性及收率。
解:乙烷转化率=(8 000-4 000)/8 000×100%=50%
乙烯的选择性=(3 200×30/28)/(8 000-4 000)×100%=85.7%
乙烯的收率=50%×85.7%×100%=42.9%
例2 丙烷脱氢生产丙烯时,原料丙烷处理量为3 000 kg/h,丙烷单程转化率为70%,丙烯选择性为96%,求丙烯产量。
解:丙烯产量=3 000×70%×96%×42/44=1 924.4(kg/h)