chap 1 均相单一反应动力学和理想反应器 2

1、12sSrRbBaA345CO2H2 =CH3OHOHCHHCOnnn3221 CO2H2 CH3OH 06sSrRbBaA0sSrRBbAa 0IaI0SaRaBaAaSRBA7SRBAS0SR0RB0BA0A:)n -(n: )n -(n: )n -(n: )n-(naaaasSrRbBaA8SRBAaaaa)n -(n)n -(n)n -(n)n-(n S0SR0RB0BA0AIIIIIannan0IIIann0910组分量起始的组分量转化了的AAxA00AAAAnnnx11123223222221SOOSOSOOSO130AAAnaxIIAAAIIIanxnaann00014 1513

2、1113 1 1 1 smkmoldtdVrskgkmoldtdWrsmkmoldtdVrcatcatcatcat或或16分别采用摩尔数、转化率及某组分的浓度等表示分别采用摩尔数、转化率及某组分的浓度等表示 摩尔数摩尔数为反应物为生成物I 1I 1 1313smkmoldtdnVrsmkmoldtdnVrIIII17 转化率： 浓度：一般式 130smkmoldtdxVnrAAA恒容一般式 1313smkmoldtdCrsmkmoldtdVVCdtdCrAAAAA18注意：注意： 一个化学反应只有一个反应速率，就是以反应程度表示的反应速率。而rA，rB等都是以各反应物或生成物表示的该物质的消耗

3、或生成速率。这些速率可能在数值上等于该反应的反应速率，但具有不同的意义。19202113BAcAsmmolSRBAnmcckrsrbaRTEkk/c0ce22现有两个反应的活化能分别为100kJ/mol和150kJ/mol ，试计算两者分别（a）温度由300K上升10K，（b）温度由400K上升10K时速率常数k的增大倍数。E（KJ/mol)温度（K）速率常数增大倍数100300-3103.64100400-4102.08150300-3106.96150400-4103.0023m，n分别为A和B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。如果反应级数与反应组份的化学计量系数相同，即m=a并且n

4、=b，此反应可能是基元反应。基元反应的总级数一般为1或2，极个别有3，没有大于3级的基元反应。对于非基元反应，m，n多数为实验测得的经验值，可以是整数，小数，甚至是负数。13BAcAsmmolSRBAnmcckrsrba24与一个反应只有一个反应速率，而存在以其它反应物（或产物）表示的反应速率一样，反应动力学方程也可表示反应物浓度与某一反应物的速率间的关系。 因此就有以-rA，-rB，rS等等表示的动力学方程，彼此之间存在换算关系。 DCBA413121 4D3C2BArrrr必有对于反应25对于气相反应，以分压代替浓度表示动力学速率方程更为方便。13A13BAcAsmmolsmmol SRB

5、AnBmAPnmppkrcckrsrba要特别注意kc与kP之间的换算关系。26把化学反应速率定义式和化学反应动力学方程相结合，可以得到：直接积分，可获得化学反应动力学方程的积分形式。对一级不可逆反应，恒容过程，有：nmckctnVrBAAAdd1AA0AAAA11lnln ddxccktkctcr 由上式可以看出，对于一级不可逆反应，达到一定转化率所需要的时间与反应物的初始浓度cA0无关。27280A21AA0A0AA2AA1 1111 dd kctxxcccktkctc半衰期动力学方程积分式动力学方程微分式293031bxayTREkkekkRTE1)(lnln00 lnk1/T3233t

6、/hr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 醋醋酸酸转转化化量量 102/kmol.m-3 0 1.636 2.732 3.662 4.525 5.405 6.086 6.833 7.398 34ktccnktccnccktnkccckdtdcrAAAAAAnAnAmBAA00011 2 ln 1 0 )( 时，当时，当时，当积分上式得：35t/hrcAcA0-cA0AAlncc0AA11cc00.233200010.21680.016360.072980.324420.20590.027320.12450.568630.19660.036620.17070.798340.18790.0452

7、50.21601.0337550.17920.054050.26301.292260.17230.060860.30301.515770.16490.068330.34701.776180.15920.073980.38201.99323637nAAkcr 38nAAAkcdtdcr39的方差最小。与等待定参数，使整等，代入实验数据，调或：式，多个待定参数，如假设多种动力学模型形计算实验AApmBnAAqImBnAAIBAArrpqmnRcqkcrcckcrccckfr,.,.,40000)(),(2122121miicmnaaayyaaaxxxfy微分微分 令令 对于函数对于函数4142非理

8、想流动反应器）、理想流动反应器（按流动（返混）状况分列管式反应器等釜式反应器管式反应器按反应器外形分应器非等温、非绝热操作反等温操作反应器绝热操作反应器按物料受热情况分连续操作反应器半间歇操作反应器间歇操作反应器按操作方式分CSTRPFRBR43444546 47非理想流动模型型理想混合（全混流）模、平推流）模型理想置换流动（活塞流ModelTank -Stirredly Continuous Model Flow n)Plug(Pisto 4849非理想反应器理想混合反应器理想置换反应器（间歇反应器）搅拌槽式反应器间歇操作的充分理想反应器化学反应器 ReactorTank Stirredly

9、 Continuous Reactor Flow Plug ReactorBatch CSTRPFRBR50合格时，质量是否确定一定产量成任务要求下能否完确定一定质量校核型：给定反应器等设计所需的反应器尺寸求等）原料组成、产品量及要（原料处理量、设计型：给定生产任务反应器设计 . . , BA51 ）动量方程（热量衡算方程物料衡算方程动力学方程基础设计方程p系统积累量化学反应生成量与外部交换量输出量输入量总体衡算方程 52broutinbroutinFFFFFAFAFAFA mol/s mol/s mol/s mol/s 的积累量积元内物料单位时间体的消失量积元内物料单位时间体的排出量积元内物

10、料单位时间体的输入量积元内物料单位时间体530 0 0 0 routinbbroutinFFFFFFFF物料衡算方程简化为：系统无物料积累物料衡算方程简化为：无进料、无出料连续、定态操作连续、定态操作作作 操操 歇歇 间间0 0 0 0 kJ/s kJ/s kJ/s kJ/s kJ/s routinubruoutinbbruoutinQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQbruoutin热量衡算方程简化为：、与外界无热量交换无热量积累定态、绝热操作：系统热量衡算方程简化为：积累定态操作：系统无热量积累量积元内热量单位时间体反应放出热量元内物料化学单位时间体积量与外界交换热积元内物料单位时间体

11、带出热量积元内物料单位时间体带入热量积元内物料单位时间体545556非等温、非等压）动量方程（等压、非等温热量衡算方程等温、等压物料衡算方程动力学方程基础设计方程p57间歇反应器设计方程间歇反应器设计方程AxRAAArAAAAArAAAAAAARAbroutinbroutinVrdxntxxxorxxttdx-ndnnnxdtdnVrFFFFFFFF0010A0)( ), ( , 0, , 0)x-(1 )( 0 积分代入上式和在引入转化率特点：通式：58AAAACCAAxAAAxAARArRrdCrdxCrdxVntconstV0)()()( .0000此时上式变为恒容时间歇反应器中，无论是

12、液相或气相，绝大多数为间歇反应器中，无论是液相或气相，绝大多数为恒容操作，因为在间歇反应过程中不断改变反应恒容操作，因为在间歇反应过程中不断改变反应体积在技术上有相当的难度而且没有意义。体积在技术上有相当的难度而且没有意义。 恒温、恒压、恒容时恒温、恒压、恒容时 trxA有关，而与有关，而与VR和和Fin无关无关即，反应时间只与关键组分初始浓度和要即，反应时间只与关键组分初始浓度和要求的转化率有关，而与反应器大小和物料投入量求的转化率有关，而与反应器大小和物料投入量无关。无关。这一特点被经常用于动力学实验研究中。这一特点被经常用于动力学实验研究中。596085060VVhrmtVVRR3tR0

13、.:/装料系数，取61间歇反应器设计方程的应用间歇反应器设计方程的应用62降温、清洗等卸料、升、为辅助时间，包括投料其中：计算每批物料处理时间计算反应时间/ )2()()(or )( ) 1 (00000ttttrdcrdxctVrdxntrTccAAxAAArxRAAArAAAA63/ )5(/or / )4(/24 A /24 3 00RRRRRAARATAATVVVVcFV cFVnFtFFFnnFtFF辅助容积有效容积计算反应器总体积计算反应器有效容积量关键组分每天处理总量每天生产批数；其中：总量）量（按每天生产任务计计算每批生产投放物料）（64)1 ( 1)1 ( 1 , , , 0

14、00AfAAfAfAAfAAfAfAAfARxccxxccxtrccV恒容过程：变容过程：求定最终转化率）（量或处理量校核产和给定设备 校核步骤：校核步骤：B165)()( )4(/ )3()()(or )( )2(000000ATRTRArTccAAxAAArxRAAArctVtVFFttttrdcrdxctVrdxntAAAA或或求处理量降温、清洗等升卸料、为辅助时间，包括投料其中：计算每批物料处理时间计算反应时间660000 3/ )2(/ ) 1 ( ,),( , , 2tttVVtcFVcFtrcVTrRTAAAfAAAR反应时间计算每批物料所允许的）（总操作时间计算每批物料所允许的

15、求单位时间物料处理量是否满足要求反应终态校核和给定设备：校核步骤校核步骤B67)1 ( 1)1 ( )()(or )( )4(0000000AfAAfAfAAfAAfccAAxAAArxRAAArAfxccxxccrdcrdxctVrdxntCAfAAfAf恒容过程：变容过程：求6869AfAf0A02A2A0AA00AAA0r111ddAfAfxxkcxkcxcrxctxxh10. 26015 . 015 . 041097. 113rt703RR3t0R130A0A010Am 17. 275. 063. 1m 63. 15 . 9171. 0hm 171. 04684. 0 hkmol 68

16、4. 0146242400 VVtVVcFVF实际反应器体积：反应器有效容积：处理体积为：717273RAAAAAARAAAAAARAARAAAARbroutindVrdxF rdxFdVdxFdF -xFFdVrdFdVrdFFFAdVFFFF)( or )( )1 ( )( 0)()( 0000代入上式得由进行物料衡算：内对在物料衡算方程通式：74AAAfAAfAAfARAfAxAAAxifxxAAARxxAAAAARARxxAAARVxxAARArdxcrdxcVVrdxccVFVVFVrdxFVrdxdVF 000 00000000000)()( )( )/ )( )(1 00000空

17、间时间（而积分：000)()()(000AAfAfAAfAccAAccAARxxAAARrdcrdcVVrdxcVV恒容：通式：算方程为算方程为理想置换反应器物料衡理想置换反应器物料衡757633R33RAA0A02A20AA0A0RAA0A0R130A0A010Am 26. 36019 . 019 . 041097. 1171. 09 . 0m 45. 16018 . 018 . 041097. 1171. 08 . 0111d d PFRhm 171. 04684. 0 hkmol 684. 0146242400 1462400kg222A2A1AVxVxxxkcxkcxcVVrxcVVc

18、FVFAAxxx时：代入数据时：代入数据对处理体积为：每小时进料量：，则其，己二酸分子量为理量为解：已知每天己二酸处777879AAAttiAIAAtAAASRBAttAAAIIItiISRBAtiISRBASRBAIxnnnaaxnnxnaaaaannxnaannnnnnnnnnnnnnSaRaBaAaIasSrRbBaA00000000000000 0 ：总mol数t时t总mol数0时t计量方程化学式80小）数减少的反应（体积减）反应（体积不变等加）数增加的反应（体积增molmolmolaaAAAiAIA 0 0 0 系总mol变化的量每消耗1mol引起体物理意义：关键组分A膨胀因子定义膨

19、胀因子定义810010 )1 ( AAAxxxAAAVVVxVV：定义82AAAAAAtAAAtAAAttttyxyVnxnnVVxnnnnnVVnRTPV00000000000 )1 ( 而83AAAAAIIAAAAAAIIAAAIAAAIItIIAAAAAIIAAAAAIIIIxxyaayxyxyaayxnnxnaannnyxxcaacxVxnaanVnc1 11100000000000000分率分率浓度浓度molmolmolmol84AAAAAIIAAAAAIIIIxxpaapxxyaayppyp11 0000 压压以转化率表示的组分分以转化率表示的组分分dtdxxcdtdxxycxnd

20、tdxyVdtdnVrAAAAAAAAAAAAAAAA1 1 1)1 (11 000000系反应速率系反应速率以转化率表示的变容体以转化率表示的变容体855155451511) 1(1110010 ,0 ,22222222222222222222HCHCHCxxxHCHCHCHCHCiHCIHCVVVyyaa86A0AA0AA0A0Ad PFR1 5 . 02113 xAArxcyy设计方程：已知：8730R1313008 . 00AA8 . 00AAA8 . 00AAA0AA0A8 . 00AA0A0AA0Am4 .381587. 08 .241sm1587. 0hm2 .571400185

21、15.273314. 85 . 0/30s8 .2411ln2100d1110011dddAVVpRTFVxxxxxxxkcxckcxcrxcx8889)(1 )( )( A000000AxxAAARxxAAARAAxVVrdxFVrdxcVVkcrPFRAfAAfA变容情况物料衡算方程动力学方程: :方程方程等温条件下的基础设计等温条件下的基础设计(kmol/s) .1750 3600124133028/101436001241330/ 330 330 ? 1 )28 , (7024262BBfBABMFFFMCBAHHCHC天计）工作日按乙烯单位时间产量（年天计）（年工作日按）（ : :解

22、解90)(s 23. 31000110010001100314. 8103 .347exp0725. 0 1000110010001100exp )/exp()/exp( )/exp( ? )3()(mol/m 6 .65)1100314. 8/(10600/ / ? (2)(kmol/s) 219. 08 . 0/175. 0/ 1 -3100011002121011003300000000REkkRTERTEkk RTEkkkRTPcRTPVncnRTPVcxFFxFxFFFKKKAAAfBAAfAAfABB而91AfAAfAxxAAKAAAxxAAARRAAAKAAAAAAAiAAAAB

23、AAAAAxckdxxFrdxFVVxxckkcrxxccaayyCHBHCAHCxxccc00)1 ()1 ( )( ? )6()1/()1 ( ? )5()1/()1 ( 1) 1(1111)( )()()( 33) (page 1)1 ( ? (4)011000001100000242620速率方程变容92根（根） 1071 .10612)1050(415 . 241 ? )7()(m 5 . 2 8 . 0)8 . 01ln(2)106 .65(23. 3219. 0 )1ln(2 )0( )1ln(2 1)1 ( 23233011000001100001100000ldVnnxxck

24、FxxxckFxdxxckFVRAfAfAKAAxxAAAKAxxAAAAKARAfAAfA93RVRVdVt0 AfAAfAAfAAfAxxAAAAAxxAAAAAxxAAAAAxxAAAAAAAARRAAAAxrdxcxrdxcVxrdxFVrdxFtxVVrdxFdVdVrdxFdF0000)1)()1)( )1)()( )1 ( )( )( 00000000而由物料衡算方程：94AfARxxAAAAAVRxrdxcVdVt0)1)(00AfAxxAAARrdxcVV0)(009596fAAfARfAAAfARfAAAfARfAAfAAAfARRfAAfAAAAAAArccVVrxxFV

25、rxxcVVrxrxxFVVrxFxFFxFF)()( )()()( 0)()1 ()1 ( ( )1 ( 10101001001000恒容：或通式：整理分解级流量）而算方程为算方程为理想混合反应器物料衡理想混合反应器物料衡97，空间时间，空间时间其中，其中， 而而 定义式：定义式：000)1 ()1 ( )1 ( VVxxVVtxVVVVtRAfAAfARAfAR98993223R3223R2A20A1AAf0AR130110A2A2A0Am6 .329 . 0141097. 19 . 00114. 09 . 0m23. 78 . 0141097. 18 . 00114. 08 . 01 hm171. 0 minkmol0114. 0hkmol684. 0 1 VxVxxkcxxFVCSTRVFxkcrAfAf时：代入数据时：代入数据设计方程：100 101102000)()( )( PFR000AAfAfAAfAccAAccAARxxAAA