Conversión (química)

La conversión y sus términos relacionados, rendimiento y selectividad, son importantes en la ingeniería de reacciones químicas . Se describen como proporciones de la cantidad de reactivo que ha reaccionado ( X : conversión, normalmente entre cero y uno), la cantidad de producto deseado que se ha formado ( Y : rendimiento, normalmente también entre cero y uno) y la proporción de producto deseado formado con respecto al producto o productos no deseados ( S : selectividad).

En la bibliografía existen definiciones contradictorias de selectividad y rendimiento, por lo que conviene verificar la definición que propone cada autor.

La conversión puede definirse para reactores (semi)continuos y continuos, y como conversión instantánea y global.

Se hacen las siguientes suposiciones:

• Se produce la siguiente reacción química:

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

dónde${\displaystyle \nu _{i}}$y${\displaystyle \mu _{j}}$son los coeficientes estequiométricos. Para reacciones paralelas múltiples, también se pueden aplicar las definiciones, ya sea por reacción o utilizando la reacción limitante.

• En una reacción por lotes, se presupone que todos los reactivos se añaden al principio.
• La reacción semicontinua supone que algunos reactivos se añaden al principio y el resto se alimenta durante el proceso por lotes.
• La reacción continua supone que los reactivos se alimentan y los productos salen del reactor de forma continua y en estado estacionario .

La conversión se puede dividir en conversión instantánea y conversión total. En procesos continuos, ambas coinciden; en procesos por lotes y semilotes, existen diferencias importantes. Además, para múltiples reactivos, la conversión puede definirse como total o por reactivo.

El rendimiento, en general, se refiere a la cantidad de un producto específico ( p en 1.. m ) formado por mol de reactivo consumido (Definición 1 ^{[ 3 ]} ). Sin embargo, también se define como la cantidad de producto producido por cantidad de producto que podría producirse (Definición 2). Si no todo el reactivo limitante ha reaccionado, las dos definiciones se contradicen. Combinar ambas implica que se debe tener en cuenta la estequiometría y que el rendimiento debe basarse en el reactivo limitante ( k en 1.. n ):

La selectividad instantánea es la tasa de producción de un componente por cada tasa de producción de otro componente.

En cuanto a la selectividad global, persiste el mismo problema de definiciones contradictorias. Generalmente, se define como la cantidad de moles del producto deseado por la cantidad de moles del producto no deseado (Definición 1 ^{[ 3 ]} ). Sin embargo, también se utilizan las definiciones de la cantidad total de reactivo necesaria para formar un producto por la cantidad total de reactivo consumido (Definición 2), así como la cantidad total del producto deseado formado por la cantidad total del reactivo limitante consumido (Definición 3). Esta última definición es la misma que la definición 1 para el rendimiento.

Para reactores discontinuos y continuos (los semicontinuos deben revisarse con más cuidado) y las definiciones marcadas como las que generalmente se encuentran en la literatura, los tres conceptos se pueden combinar:

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

Para un proceso con la única reacción

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

Esto significa que S = 1 e Y = X.

Para el siguiente ejemplo abstracto y las cantidades representadas a la derecha, el siguiente cálculo se puede realizar con las definiciones anteriores, ya sea en un reactor discontinuo o continuo .

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

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

B es el producto deseado.

Hay 100  moles de A al inicio o a la entrada del reactor continuo y 10  moles de A, 72  moles de B y 18  moles de C al final de la reacción o a la salida del reactor continuo. Se ha determinado que las tres propiedades son:

${\displaystyle X_{{\ce {A}}}={\frac {n_{{\ce {A}}}(t=0)-n_{A}(t)}{n_{{\ce {A}}}(t=0)}}=1-{\frac {n_{{\ce {A}}}(t)}{n_{{\ce {A}}}(t=0)}}={\frac {100-10}{100}}=0.9=90\%}$

${\displaystyle Y_{{\ce {B}}}={\frac {n_{{\ce {B}}}(t)-n_{{\ce {B}}}(t=0)}{n_{{\ce {A}}}(t=0)+\int _{0}^{t}{\dot {n}}_{{\ce {A,{in}}}}(\tau )d\tau }}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|={\frac {72-0}{100+0}}\cdot {\frac {1}{1}}=0.72=72\%}$

${\displaystyle S_{{\ce {B}}}={\frac {{n}_{{\ce {B}}}(t=0)-{\dot {n}}_{{\ce {B}}}(t)}{{\dot {n}}_{{\ce {A}}}(t=0)-n_{{\ce {A}}}(t)}}\left|{\frac {\mu _{k}}{\nu _{p}}}\right|={\frac {0-72}{100-10}}\cdot {\frac {1}{1}}=0.8=80\%}$

La propiedad ${\displaystyle Y_{p}=X_{i}\cdot S_{p}}$ En esta reacción, el 90% de la sustancia A se convierte (se consume), pero solo el 80% de ese 90% se convierte en la sustancia B deseada y el 20% en subproductos C no deseados. Por lo tanto, la conversión de A es del 90%, la selectividad para B es del 80% y el rendimiento de la sustancia B es del 72%.

• 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, Berlín Heidelberg 2009, ISBN 978-3-642-00459-9.