实验室讲师和研究人员通过将测得的入口和出口组成转换为反应进度，然后利用这些反应进度确定哪种反应物先被消耗，以及目标反应与副反应竞争的有效程度，从而应用反应进度法。 对于化学计量系数为 (\nu_i) 的反应，反应进度计算为 (\xi = (n_i-n_{i0})/\nu_i)；对于连续运行的中试装置，则为 (\dot{\xi} = (\dot n_i-\dot n_{i0})/\nu_i)。比较每种反应物可能达到的最大反应进度，可以确定限制反应物；而对平行反应分别计算反应进度，则可以得到转化率、收率和选择性。
限制反应物由化学计量上允许的最小最大反应进度确定，而选择性则通过比较目标反应路径和非目标反应路径对应的反应进度或产物量来评估。 中试装置的测量使这些计算具有实际可操作性，因为出口流量、组成和转化率可以直接与物料衡算联系起来。
确定反应进度
将组成变化与反应进程联系起来
对于表示为
[ \sum_i \nu_i A_i = 0 ]
的反应，化学计量系数对反应物为负值，对产物为正值。因此，反应后任意组分的摩尔量为
[ n_i = n_{i0}+\nu_i\xi. ]
在连续稳态中试装置中，相应关系使用摩尔流量表示：
[ \dot n_i=\dot n_{i0}+\nu_i\dot\xi. ]
因此，可以利用某一种可靠物质的测得出口流量来计算反应进度，并估算其他物质的出口量。
使用实验测量结果
学生和研究人员通过出口流量测量、气相色谱、光谱分析、折射率测量或其他组成分析方法获得 (n_i) 或 (\dot n_i)。入口进料确定 (n_{i0}) 或 (\dot n_{i0})。
对于反应物，可以根据其消耗量计算反应进度：
[ \xi=\frac{n_{i0}-n_i}{|\nu_i|}. ]
对于产物，则可以根据其生成量计算：
[ \xi=\frac{n_i-n_{i0}}{\nu_i}. ]
使用一种以上的物质可以进行物料衡算检查。计算出的反应进度之间若存在明显差异，可能表明存在测量误差、未测量物质、泄漏、积累或不完整的反应模型。
确定限制反应物
计算每种反应物的最大反应进度
对于每种反应物 (i)，讲师计算假设该反应物完全消耗时对应的反应进度：
[ \xi_{\max,i}=-\frac{n_{i0}}{\nu_i}, ]
其中对于反应物，(\nu_i<0)。
对于连续运行过程，用入口摩尔流量替代摩尔量：
[ \dot\xi_{\max,i}=-\frac{\dot n_{i0}}{\nu_i}. ]
对参与反应的每一种反应物分别进行计算。
比较最大反应进度
最小的最大反应进度所对应的物质就是限制反应物，因为在假定的化学计量关系下，该物质会首先耗尽。对应较大数值的反应物则处于过量状态。
例如，考虑反应
[ 2A+B\rightarrow C. ]
如果进料中含有 (10) mol 的 (A) 和 (8) mol 的 (B)，则
[ \xi_{\max,A}=\frac{10}{2}=5 ]
以及
[ \xi_{\max,B}=\frac{8}{1}=8. ]
由于 (5<8)，因此 (A) 是限制反应物，而 (B) 处于过量状态。
将反应进度与转化率联系起来
由于停留时间有限、平衡限制、混合不完全或存在竞争反应，实际反应进度通常小于理论最大值。以限制反应物为基准的转化率为
[ X_{\text{lim}}= \frac{\text{已反应的限制反应物摩尔数}} {\text{进料中限制反应物的摩尔数}}. ]
对于单一反应，也可以写成
[ X_{\text{lim}}=\frac{\xi_{\text{actual}}}{\xi_{\max,\text{lim}}}. ]
这一关系可以让学生将测得的反应器性能与化学计量最大值进行比较。
评估多反应体系中的选择性
为每条反应路径分别指定反应进度
当目标反应与一个或多个副反应同时发生时，单一的总反应进度是不够的。应为每个独立反应分别指定反应进度。
例如：
[ A\rightarrow P ]
[ A\rightarrow U ]
其中 (P) 是目标产物，(U) 是非目标产物。相应的反应进度为 (\xi_1) 和 (\xi_2)。
对于 (A) 的物料衡算为
[ n_A=n_{A0}-\xi_1-\xi_2. ]
产物量为
[ n_P=n_{P0}+\xi_1 ]
以及
[ n_U=n_{U0}+\xi_2. ]
因此，可以利用测得的产物浓度估算每条反应路径的反应进度。
计算选择性
一种常见的基于产物的选择性定义为
[ S_{P/U}= \frac{\text{生成的目标产物摩尔数}} {\text{生成的非目标产物摩尔数}}. ]
对于上述示例，
[ S_{P/U}=\frac{\xi_1}{\xi_2}, ]
前提是两种产物分别按照各自反应以一比一的化学计量关系生成。
数值越高，表示相对于副反应，反应器越倾向于目标反应路径。报告选择性时应同时说明其定义，因为某些工艺采用质量选择性、摩尔选择性、瞬时选择性或累积选择性。
区分选择性与收率
转化率衡量反应物消失了多少。选择性衡量已反应物质在各种产物之间的分配情况。收率则结合了转化率和相对于理论最大值的产物生成情况。
如果大部分已转化的反应物形成了非目标产物，反应器可能表现出高转化率但选择性较差。相反，低转化率下的高选择性可能表明目标反应受到促进，但反应器需要更长的停留时间或不同的操作条件。
在中试装置中应用该方法
进行物料衡算
典型的练习从测得的进料流量和进料组成开始。反应器达到稳定运行后，学生测量出口流量和产物组成。
他们根据测得的变化计算反应进度，并利用
[ \dot n_i=\dot n_{i0}+\sum_j\nu_{ij}\dot\xi_j ]
对多反应体系中的所有物质进行平衡协调。
其中，(\nu_{ij}) 是物质 (i) 在反应 (j) 中的化学计量系数，(\dot\xi_j) 是反应 (j) 的反应进度率。
检查限制反应物假设
将计算得到的反应进度与每种进料反应物所允许的最大反应进度进行比较。这可以验证假定的限制反应物是否与测得的转化率一致。
如果推断出的反应进度意味着消耗的某种反应物超过进料中的含量，则必须重新审视数据、化学计量模型或限制反应物的判定。
测试操作条件
学生改变温度、进料比、流量、压力或停留时间，并重复进行物料衡算。每种条件都会产生一组新的反应进度和性能指标。
结果可以显示某项改变是否增加了目标产物的生成、抑制了副反应、提高了限制反应物的转化率，或仅增加了总反应程度而没有改善产品质量。
优化进料比
对于理想的单一反应，化学计量进料比可以减少未利用反应物，但当过量进料能够提高转化率或抑制副反应时，采用过量进料可能更有利。反应进度法可以量化这一选择的影响，而不只是依赖名义进料比。
研究人员可以将实际反应进度与理论最大值进行比较，并追踪离开装置的过量反应物数量。这有助于制定关于回收、分离负荷、运行成本和放大规模的决策。
理解其中的权衡关系
高转化率并不保证高选择性
提高温度或停留时间可能会提高总转化率，同时也会加快非目标反应。因此，必须分别评估每条反应路径的反应进度。
当产品纯度或收率十分重要时，不应仅依据限制反应物的转化率来评价工艺。
多反应会使限制反应物概念复杂化
在包含多个反应的网络中，对某一反应路径而言的限制反应物，可能并不是另一条路径的限制反应物。简单的最小-(\xi_{\max}) 规则直接适用于指定的反应和进料基准；复杂网络则需要同时进行物料衡算，并确保反应进度具有物理可行性且为非负值。
测量质量决定结论的可靠性
当反应进度计算依赖于较大入口量和出口量之间的小差值时，误差会被放大。校准、统一的流量基准、完整的物质分析以及重复的稳态测量都是必不可少的。
在气相体系中，压力、温度、压缩性以及体积流量的变化也会影响从测得体积流量到摩尔流量的换算。
选择性定义不同可能导致不同结果
摩尔选择性、质量选择性、瞬时选择性和总选择性不可互换。只有在采用相同定义和基准时，中试装置运行结果之间的比较才有意义。
如何将其应用于您的项目
将反应进度法作为一个相互衔接的流程使用：确定化学计量关系，计算允许的反应进度，根据测量结果推断实际反应进度，然后评估性能。
- 如果您的主要目标是确定限制反应物： 对每种反应物计算 (\xi_{\max,i}=-n_{i0}/\nu_i)，并将最小值对应的反应物判定为限制反应物。
- 如果您的主要目标是测量转化率： 根据限制反应物的消耗量确定实际反应进度，然后将其除以限制反应物的最大理论反应进度。
- 如果您的主要目标是评估选择性： 为每条独立反应路径分别指定反应进度，并比较目标产物量与非目标产物量。
- 如果您的主要目标是优化中试装置运行： 在不同进料比和操作条件下重复进行物料衡算，然后选择能够改善转化率、收率和选择性之间理想平衡的条件。
- 如果您的主要目标是为放大规模做准备： 使用出口组成和基于反应进度的物料衡算来验证化学计量关系、量化过量反应物，并确定分离或回收方面的影响。
正确应用反应进度分析，可以将中试装置测量结果转化为可靠依据，用于确定反应物限制因素并提高产品选择性。
总结表：
| 重点 | 关键方法 | 实际意义 |
|---|---|---|
| 反应进度 | 根据入口和出口组成计算 (\xi) 或 (\dot{\xi}) | 利用中试装置数据量化反应进程 |
| 限制反应物 | 比较每种反应物的 (\xi_{\max,i}=-n_{i0}/\nu_i) | 最小的最大反应进度确定限制反应物 |
| 转化率 | 将实际反应进度除以限制反应物的最大反应进度 | 衡量限制反应物的反应程度 |
| 选择性 | 为目标反应和副反应分别指定反应进度 | 显示工艺促进目标产物生成的有效程度 |
| 中试装置优化 | 改变温度、进料比、流量、压力或停留时间 | 确定能够改善转化率和产品质量的操作条件 |
| 数据验证 | 比较根据多种物质计算的反应进度并协调物料衡算 | 揭示测量误差、泄漏、未测量物质或模型局限性 |
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