均相单一反应动力学1课件

1、1 均相单一反应动力学和理想反应器 前提条件： 反应是在均相中进行 相内有良好的分子尺度混合 温度、浓度均匀一致 化学反应速率： -rA=-dnAdtV1 基元反应：指反应物粒子在碰撞中相互作用直接转变为新产物的反应。而反应分子数是指各基元反应中同时直接参加反应所必需的反应物粒子数目。若正反应是基元反应，逆反应也是基元反应。复杂反应对于恒容过程：-dCAdt=dtV-dnA=-rA对于变容过程： 化学反应动力学方程 (基于刚性球碰撞模型提出的） 1.分子刚性球2.碰撞才反应 3.碰撞分子能量大于活化能才反应 反应速度参数k E大反应速度对T敏感 E小反应速度对T不敏感 E=常数时， T大高温区

2、，反应速度对T不敏感 T小低温区，反应速度对T敏感 kTTT范特霍夫规则（1884）在室温附近t10，r02-4倍由于为指数函数Arrhenius经验式（1903诺贝尔化学奖）半衰期（t1/2)：反应转化率从0变为50%所需时间。常见简单级数不可逆反应动力学积分式：积分法确定动力学方程注：对于简单反应，通过测定半衰期与反应物浓度之间的变化关系并根据反应动力学积分表达式可以很容易求出反应级数n和反应速率常数k。微分法确定动力学方程1、步骤：（1）在等温下实验测得不同时间反应物浓度的数据（2）以t为横坐标，浓度c为纵坐标作图，绘出光滑曲线（3）测量各点斜率的方法进行数值或图解微分，得到各点反应速率

3、rA的数值（4）将不可逆反应速率方程线性化，两边取对数，以IncA为横坐标，In(-rA)为纵坐标，将实验数据绘图（5）所得直线的斜率为反应级数n，截距为Ink。2、优缺点：优点是可以得到非整数的反应速率，缺点是绘图时人为误差较大，通过计算机计算可以极大地降低人为误差。过量法确定反应速率与不同反应物浓度之间的关系，就是让反应物之一的浓度大大过量，使之在反应过程中浓度基本不变反应器设计基础设计反应器的三项任务：（1）根据反应动力学特性选择合适的反应器；（2）结合动力学和反应器两方面特性来确定操作方式和优化操作条件；（3）根据给定的产量对反应装置进行设计计算反应器的分类（1）返混：反应器内停留时间

4、不同的物料间均匀化过程。返混对反应动力学不存在影响，但对反应速率的影响很大。（2）根据返混程度的不同反应器被分为：间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器和非理想流动反应器。间歇反应器平推流反应器全混流反应器非理想流动反应器进/出料方式间歇连续连续连续混合简单混合/无返混径向完美混合/轴向无返混完美混合/返混最大简单混合/存在返混 反应器槽式反应器（理想）管式反应器（理想）槽式反应器 （理想）一般反应器注：简单混合与完美混合是对于宏观混合而言的，宏观混合是由大尺度(如设备尺度)的流动将流体微团带至反应器各处的过程 ，混合的均匀程度通常用调匀度定量地表示。若调匀度达100，可称之为完美混合。 反应

5、器设计基础方程反应器设计所涉及的基础方程式包括：动力学方程式、物料衡算式、热量衡算式物料衡算方程单位时间内进入体积元的物料A量Fin mol/s单位时间内排出体积元的物料A量Fout mol/s单位时间内体积元消失的物料A量Fr mol/s单位时间内体积元中物料A的积累量Fb mol/s 热量衡算方程单位时间内随物料流入体积元的热量Qin kJ/s单位时间内随物料流出体积元的热量Qout kJ/s单位时间内体积元与周围环境交换的热量Qu kJ/s单位时间内体积元中化学反应的热效应Qr kJ/s单位时间内体积元中积累的热量Qr kJ/s时间的概念反应时间：用于间歇反应器，指反应物料进行反应到达所

6、要求的反应程度所需要的时间。停留时间 t：指流体微元从反应器入口到出口经历的时间。平均停留时间t：各流体微元从反应器入口到出口所经历的平均时间。空间时间：反应器有效容积VR与流体体积流率V0之比值。注：空间时间不是停留时间。空间速度SV：在单位时间内投入单位有效反应器容积内的物料体积。即：等温条件下理想反应器设计分析间歇反应器（BR，Barch Reactor)多用于液相和液固相反应方便灵活，小生产，多品种。有辅助时间，质量不稳定。手工操作多，不宜大型化，自动化。通常用于产值高、批量小的精细化工产品生产。特性反应器内各位置的物料温度、浓度都相同物料在反应器内停留时间都相同单位时间内进入体积元的

7、物料A量Fin mol/s单位时间内排出体积元的物料A量Fout mol/s单位时间内体积元消失的物料A量Fr mol/s单位时间内体积元中物料A的积累量Fb mol/s结论：间歇反应器内为达到一定转化率所需反应时间t，只是动力学方程式的直接积分，与反应器大小及物料投入量无关。平推流反应器（Plug Flow Reactor, PFR）：指通过反应器的物料沿同一方向以相同速度向前流动，象活塞一样在反应器中向前推进，典型代表是湍流下的管式反应器。管式反应器优点：结构简单，无搅拌，单位体积传热面积大，转化率高，连续操作，操作简单，易放大。特性：流体以相同速度向前推进，反应物料无返混，物料在反应器内

8、停留时间相等，即t=t；在垂直流动方向的同一截面内，不同径向位置的流体特性相同；在定常态下操作，反应器内状态只随轴向位置改变，不随时间变化。进入量排出量反应量=累积量注：可以看出平推流反应器积分设计方程与间歇反应器的非常相似，原因就是由于二者都不存在物料返混问题。平推流反应器中物料停留时间t全混流反应器（Continuous Stirred-Tank Reactor, CSTR）：反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流可以认为返混为无限大。全混流反应器优点：连续操作，有利于大规模生产，易于自动控制，产品质量稳定。特性：流体在反应器内充分返混，返混程度最大

9、；反应器内各处物料参数均一，调匀度为100%；反应器出口组成与器内物料组成相同；反应过程中连续进料和出料，是一定常态过程。进入量排出量反应量=累积量全混流反应器物料平均停留时间物料微元在反应器内的停留时间范围很宽，有的很短，有的很长，其平均停留时间为非等温条件下理想反应器的设计间歇反应器的热量衡算单位时间内随物料流入体积元的热量Qin kJ/s单位时间内随物料流出体积元的热量Qout kJ/s单位时间内体积元与周围环境交换的热量Qu kJ/s单位时间内体积元中化学反应的热效应Qr kJ/s单位时间内体积元中积累的热量Qr kJ/s单位时间内物料流入的热量=0单位时间内物料流出的热量=0单位时间

10、内体积元与周围交换的热量=KA(TW-T)单位时间内体积元中化学反应的热效应=VR(-rA)(-Hr)单位时间内体积元中积累热量=则热量衡算式为：（1）结合物料衡算方程及反应动力学方程：（2）（3）平推流反应器的热量衡算单位时间内流入物料带入热=GcpT单位时间内流出物料带走热=Gcp(T+dT)单位时间内体积元与外界换热=KA(TW-T)=Kd (TW-T)dl单位时间内体积元中反应放热= (-rA)(-H)dVR单位时间内体积元内积累热量=0热量衡算式为：-GcpdT +Kd (TW-T)dl+(-rA)(-H)dVR=0平推流反应器的物料衡算式：化学反应动力学方程式：（1）（2）（3）全混流反应器的热量衡算单位时间内流入物料带入热=GcpT1单