第6章化学反应动力学及反应器解析
第6章 固定床反应器
流体在固定床中的流动，与空管中的流体流动相似，只是流 道不规则而已。故此可将空床中流体流动的压力降计算公式修正 后用于固定床。
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.2 床层压降
《化学反应工程》
2 um 1 B p a. 厄根方程 f '( )( ) 固定床压力降计算公式： 3 L dS B
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
气－固相催化反应器
固定床 反应器
流化床 反应器
绝热式
换热式
自热式
单段绝热
多段绝热
内冷式
外冷(热)式
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（1）绝热式反应器
单段绝热床反应器
多段绝热床反应器
第6章 固定床反应器
6.1 概述
s （dV / da )2
第6章 固定床反应器
6.2 固定床中的传递过程 6.2.1 粒子直径和床层空隙率
《化学反应工程》
平均直径dP:是指不同大小颗粒直径的平均值。
①算术平均法 :
d p xi d i
i 1
xi为直径等于di的颗粒所占的质量分数。
n
②调和平均法:
n xi 1 d p i 1 d i
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
固定床反应器的种类
（3）自热式反应器
甲烷化炉 CO+3H2 CH4+H2O
CO2+4H2
CH4+2H2O
强放热反应
第6章 固定床反应器
6.1 概述
《化学反应工程》
第六章 酶反应器
3．流化床式反应器 流化床式反应器(fluidized reactor，FBR)是一种装 流化床式反应器(fluidized bed reactor，FBR)是一种装 有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等) 有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。 底物以一定速度由下向上流过， 底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状 态下进行反应。 如图所示： 态下进行反应。 如图所示：
Section 2 酶反应器的发展
一、含有辅助因子再生的酶反应器 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、 许多酶反应都需要辅因子（如辅酶、辅基、能量供给体 的协助，而这些辅因子的价格较贵。 等）的协助，而这些辅因子的价格较贵。如采用简单的添加 方法，经济上很不合算。因此， 方法，经济上很不合算。因此，发展了含有辅因子再生的酶 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 反应器，使辅因子能反复使用，降低生产成本。 例如：①利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 例如： 利用固定化的脱氢酶，可将固定化NADH再生 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 为固定化NAD。而依靠半透膜，能将固定化NAD保留在反 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 应器内。这样，在反应过程中，固定化NAD不断变成固定 NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 化NADH，又不断再生为固定化NAD，以满足反应所需。 美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等 再生酶反应器等。 ②美国的麻省理工学院有关人员设计的ATP再生酶反应器等。
2．填充床式反应器 填充床式反应器(packed reactor，PCR)是把颗 填充床式反应器(packed column reactor，PCR)是把颗 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床， 粒状或片状固定化酶填充于填充床(也称固定床，床可直立 或平放) 底物按一定方向以恒定速度通过反应床。 或平放)内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。是一 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。 种单位体积催化剂负荷量多、效率高的反应器。当前工业 上多数采用此类反应器。如图所示： 上多数采用此类反应器。如图所示：
化学反应动力学
计算例题
解：苯的单程转化率: 39/100＝0.39 苯的总转化率: 39/40=0.975 氯苯的选择性: 38/39= 0.974 氯苯的总收率 38/40= 0.95 或 0.975×0.974＝0.95
很低，但总转化率和总收率可以很高。 29
循环物料 原料 反 应 器
换热器 分 离 器 产品
7
转化率
转化率：转化率是用来表示化学 反应进行的程度一个参数。一般 指关键反应组分的转化量与其起 始量的比值。 XA = ( nA0 – nA )／ nA0 XA = ( NA0 – NA )／ NA0
8
单程与全程转化率
单程转化率：以 反应器入口组成 原料 及出口组成为基 准计算的转化率。 全程转化率：以 初始原料组成与 离开反应系统的 组成为基准计算 的转化率
4
复杂反应系统特点
复杂反应系统是指在反应器中同时进行这两个 复杂反应系统是指在反应器中同时进行这两个 或两个以上的反应。 或两个以上的反应。 主要讨论的两种复杂反应系统是：连串反应与 主要讨论的两种复杂反应系统是：连串反应与平 k2 行反应。 A k 1 → P → S
动力学方程： rA = k 1c A rS = k 2 c P rP = k 1 c A − k 2 c P
17
反应器中的Leabharlann 想流动平推流模型平推流模型： 平推流模型： （活塞流） 一般流动
无返混； 无返混； 所有物料在反应器中停留时间均相同； 所有物料在反应器中停留时间均相同； 物料组成随反应器位置变化。 物料组成随反应器位置变化。 符合平推流模型特点的反应器称为平推流反应器 推流反应器（ 符合平推流模型特点的反应器称为平推流反应器（活 塞流反应器简称 简称PFR） 塞流反应器简称 ）
化学反应工程第二讲(化学反应动力学)
国家精品课程
SO2 浓度（%）
5
6
7
8
9
O2 浓度 （%）
温度/ ℃
Kp
13.9 12.4 11.0 10.5 8.1 p=0.1Mpa 时的平衡转化率
400 446 99.3 99.3 99.2 99.1 98.8
440 177 98.3 98.2 97.9 97.8 97.1
480 72.8 96.2 95.8 95.4 95.2 93.7
520 34.2 92.2 91.5 90.7 90.3 87.7
560 17.6 85.7 84.7 83.4 82.8 79.0
600 9.4 76.6 75.1 73.4 72.6 68.1
二氧化硫催化氧化：不同二氧化硫浓度的 炉气在不同温度下的平衡转化率
国家精品课程
一转一吸流程：SO2的转化率只能达到96~97%
H R RgT 2
dT
22.06 1.987
[
1 T
]T 298
ln K PT
10.183 22.6 ( 1 1 ) 5.84 1.987 298 298 250
K p 0.0029
国家精品课程
CO＋
2H2＝＝
CH3OH
1/3
2/3
0
1
1/3-x
2/3-2x
x
1-2x
y
* m
1
x 2
反应精馏提高可逆反应转化率的原理
对可逆反应过程
AB PS
若 P 和 S 分别为系统中沸点最低和沸点最高的组
分，即 TbP TbA TbB TbS ，在反应精馏塔内反应生成
的 P 和 S 将分别向塔顶和塔釜富集而脱离接触，若进料 中 A 和 B 的配比符合化学计量关系，在反应精馏塔内这 两种组分可克服化学平衡的限制而全部转化为 P 和 S。
第6章 化学反应动力学及反应器 题解
最大的是 ( ) （1） k1/k2=1, 平推流 （3） k1/k2=10, 平推流
（2） k1/k2=1, 全混流 （4） k1/k2=10, 全混流
• 6-14 • 反应A(g) +B(l)→C(l)气相反应物A被B的 水溶液吸收，吸收后 A 与 B 生成 C 。反应 动力学方程为：-rA=kCACB。由于反应物 B在水中的浓度远大于A，在反应过程中 可视为不变，而反应物A溶解于水的速率 极快，以至于A在水中的浓度恒为其饱和 溶解度。试求此反应器中液相体积为 5[m3]时C的生成量。 • 已 知 k=1[m3kmol-1hr-1] ， CB0=3[kmol.m-3] ， CA 饱 和 =0.02[kmol.m-3] ， 水 溶 液 流 量 为 10[m3hr-1]。
m 1.2m 0.8949 反应器总体积 0.75
3 3
反应器有效体积 0.9834m 3hr 1 0.91hr 0.8949m 3
54.6min 0.91hr 60min/hr
• 6-16
• 等摩尔比的己二酸和己二醇在间歇反应 器中以硫酸作为催化剂反应。
C A0
Biblioteka PA0 C Pa : N .m 2 N : kg.m.s 2 Pa : kg.m 1 .s 2 A0 RT R 8.314 kJ .km ol1 K 1 J Nm kg.m 2 s 2 R 8.314 kg.m 2 m ol1 s 2 K 1 3 1 2 P 0 . 5 400 10 kg . m s 3 C A0 52 . 51 m ol . m A0 2 1 2 1 RT 8 . 314 kg . m m ol s K (185 273.15)K x A dx xA dxA V V A 0 r 0 C 1 x A FA 0 FA 0 A k A0 1 A xA
化学反应工程：固定床反应器
B
式中，RH —— 水力半径。
6.2.2 床层压降 床层压降是固定床反应器设计的重要参数，要求床层压 降不超过床内压力的15%。 床层压降的计算 （1）
p d S 2 u L m
3 B 150 1 R 1.75 B eM
h0可由经验公式计算
（6-31）
h0 d p
d p e 2 (b) [a1 ] dt y
（6-32） （适用范围：y > 0.2）
式中， y —— 无量纲数
4e L 4(d p / dt )(L / dt )(e / ) y 2 Gcp dt Pr Rep
b —— 无量纲数
（6-44）
其中
Re G /(Se )
6.3 拟均相一维模型
概述
一、拟均相模型 忽略床层中催化剂颗粒与流体之间温度与浓度差别，将气相反应 物与催化剂看成均匀连续的均相物系。 （1）一维拟均相模型 只考虑沿气体流动方向的温度和浓度变化。根据流动形式还可分 为平推流一维模型和轴向分散一维模型。 （2）二维拟均相模型 同时考虑轴向和径向的温度和浓度分布。 二、非均相模型 考虑颗粒与流体之间的温度差和浓度差。 一般来说，模型考虑得越全面，对过程模拟越精确，但计算工作 量也越大，甚至无法求解。因此，在工程计算允许的误差范围内应尽 可能选用简单模型。
流体与颗粒间传热温差的计算 热量平衡
H ArA hp am (tG tS ) hp amt
式中，am Se / B —— 单位重量催化剂的外表面积； —— 床层比表面积Se的校正系数。
球形： 1 圆柱形： 0.9 片状： 0.81 无定形： 0.9 ； ； ；
高等燃烧学讲义第6章(郑洪涛4学时)
• 初始的浓度可以根据给出的化学当量比求出。氧化剂和燃 料的摩尔分数为
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 物质的量浓度[Xi]=χiP/(RuT)为
• 对反应速率微分方程和能量微分方程进行数值积分，结果 如图6.4所示。 • 由图可见，在前3ms中温度只上升了200K，而后却在O.1ms 内上升到绝热火焰温度(大约3300K)。 • 这一温度迅速上升并伴随快速的燃料消耗的现象，称为热 爆。 • 这是由于反应速度依式[-Ea/RuT]随温度强烈地变化。由图还 可见，爆震的压力导数很大，最大可达1.9×1013Pa/s。
高等燃烧学
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合
主讲人：郑洪涛
Hale Waihona Puke 第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合
• 6.1 概述 • 6.2 定压-定质量反应器 – 6.2.1 守恒定律的应用 – 6.2.2 反应器模型小结 • 6.3 定容-定质量反应器 – 6.3.1 守恒方程的应用 – 6.3.2 反应器模型小结 • 6.4 全混流反应器 – 6.4.1 守恒定律的应用 – 6.4.2 反应器模型小结 • 6.5 柱塞流反应器 – 6.5.1 假设 – 6.5.2 守恒方程的应用. . • 6.6 在燃烧系统建模中的应用 • 6.7 小结
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.1 定压· 定质量反应器——守恒定律的应用
• 对上式进行微分得 • 假设是理想气体，焓值只与温度有关。则：
• 上式提供了与系统温度的联系；同时浓度[Xi](单 位体积的摩尔数)的定义和质量作用表达式 则 提供了与系统组成Ni和化学动力学dNi/dt的联系。 其表示为
反应工程第二版 第六章气固相催化固定床反应器
dxA RA B
dl
u0cA0
：催化剂堆密度
B
dxA
RA B
dl u0cA0
L 0
dl u0
cA0
xA出 0
dxA
RA B
•
•
对照平推流反应器模型 二者相同
VR V0
cA0
dx xA出
A
0 rA
23
• 热量衡算：（仍然是那块体积）
输入热量－输出热量+反应热效应
=与外界的热交换+积累
x1in,T1in x1out, T2in x2out T3in x3out T4in x4out
35
x
在T－x图上看：
0
二氧化硫氧化反应T－x图示意
T
斜线为段内操作线，斜率为1/λ。 水平线表示段间为间接冷却，只是温度降低，转化率不变。
36
• 调用最优化程序，就可以求得W最小值？
• 可以，但很困难。
输入：G cp T G质量流量, cp恒压热容
输出：G cp(T+dT)
反应热效应：(-RA)(1-εB)(-ΔH)Aidl
热交换：U(T-Tr)πdidl
di反应器直径
积累：0
U:气流与冷却介质之间的换热系数
Tr：环境温度
24
• 将各式代入，得
dT
RA 1 B H U
4 di
T
Tr
dl
ucp g
粒径 ds/mm 质量分率 w
3.40 0.60
4.60 0.25
6.90 0.15
• 催化剂为球体，空隙率εB=0.44。在反应 条 件 下 气 体 的 密 度 ρg=2.46kg.m-3 ， 粘 度 μg=2.3×10-5kg.m-1s-1 ， 气 体 的 质 量 流 速 G=6.2kg.m-2s-1。求床层的压降。
生物燃料反应器中的化学反应动力学分析
生物燃料反应器中的化学反应动力学分析生物燃料反应器是一种通过合成生物生成物来生产燃料的装置，是实现可持续发展的一个重要方向。
在生物燃料反应器中，一些微生物利用废弃物或可再生物质，通过自身的代谢过程产生副产物，最终形成可再生的能源。
因此，生物燃料反应器被认为可以在未来成为一种更加环保和可持续的能源生产方式。
本文将重点探讨生物燃料反应器中的化学反应动力学分析，探究其反应机制和控制因素。
一、生物燃料反应器的基本原理生物燃料反应器的基本原理是利用微生物的代谢过程，将废弃物或可再生物质生产出生物柴油、生物乙醇、甲烷等多种可再生能源。
通常情况下，生物燃料反应器可以分为两个主要部分：生物反应器和化学反应器。
在生物反应器中，微生物分解有机废弃物，最终产生可再生燃料前体。
不同的废弃物和微生物会产生不同的燃料前体。
例如，葡萄糖等单糖可以被厌氧菌发酵为乙醇，而木糖等多糖则可以被酵母发酵为生物柴油。
在化学反应器中，燃料前体会被进一步反应，最终产生可再生燃料。
例如，乙醇可以通过酯化反应制备生物柴油。
大部分的化学反应需要特定的反应条件和催化剂的存在。
这些反应中的化学反应组成了生物燃料反应器的主体。
二、生物燃料反应器中的化学反应动力学分析动力学是研究化学反应速率和化学反应机理的科学。
对于生物燃料反应器，动力学分析可以揭示化学反应的复杂性。
生物燃料反应器中的化学反应动力学分析通常包括反应速率、反应机理和控制因素。
本文将分别探讨这些方面。
1. 反应速率反应速率是化学反应动力学分析的核心，它描述了反应速度随反应物浓度变化的趋势。
生物燃料反应器中的反应速率受到多种因素的影响，如反应物浓度、温度、催化剂等。
一般来说，浓度越高，反应速率越快。
而温度则可以增强反应速率，因为热能可以提高分子的活动和碰撞概率。
催化剂则可以降低活化能、加快反应速率。
2. 反应机理生物燃料反应器中的反应机理是指化学反应中各种反应物和产物之间的相互作用。
一般来说，生物燃料反应器中的反应机理比较复杂，涉及多种反应路径和副反应。
化学反应动力学和反应器设计原理
化学反应动力学和反应器设计原理近代工业得以发展的关键之一就是反应动力学。
反应动力学的研究使我们了解了化学反应的速率和机理，这为制造更高效的反应器提供了基础。
反应器设计原理，则是在反应动力学的基础上，将反应器的研究和设计与产品成本、能源效率、环境和安全等方面相结合的学科。
理解反应动力学和掌握反应器设计原理对于化学工业的生产、效率和环境等因素都具有重要意义。
一、化学反应动力学化学反应动力学是一门研究化学反应速率及其机理的学科。
反应速率是指反应出现的速度，化学反应速率受到反应物物质浓度、温度、压力、催化剂等因素的影响。
反应动力学研究的主要任务是建立反应速率方程并探讨反应机理。
反应速率方程可以对快速反应的速率进行测量。
通过反应动力学的研究，可以为工业上的反应器的设计提供基础。
反应速率方程是描述化学反应速率的定量关系式，它能够说明不同因素对反应速率的影响。
反应速率方程可以分类为零级、一级、二级甚至高级反应速率方程。
零级反应速率方程指反应速率与反应物浓度无关，一级反应速率方程指反应速率与反应物浓度成正比，二级反应速率方程指反应速率与反应物浓度的平方成正比。
这些方程可以被利用来设计反应器和确定反应参数的值。
反应机理是指化学反应的分子层面反应过程。
化学反应通常是由微观的分子或离子相互碰撞而引起的。
反应物的形成和分解由分子间的化学键的形成和断裂反应来实现。
了解反应机理可以揭示反应过程中不同化学物质和其间的相互作用。
对于这些信息的了解可以增强了对反应的理解和控制，而且可以为反应器的设计提供重要的信息。
二、反应器设计原理反应器是化学反应的基本设备，它的设计和操作能够影响化学制品的制造成本、产品效率和环境安全。
反应器设计原理的研究需要考虑化学反应动力学和工程学原理。
反应器是一种将物料与反应剂混合并控制反应进程的装置，使得反应剂之间结合并产生新的物质。
反应器的类型包括平流和混流反应器、继承型反应器、突触反应器、离子交换反应器等。
化工原理习题答案第六章
RT n 8.314 10 3 700 0.45 m 3 0.45 kmol ) kw ( ) 0.0535 0.333( ) p 0 .1 kmol kg h
4. 在等温下进行液相反应 A+B→C+D，在该条件下的反应速率方程为：
0.5 rA 0.8c1.5 A cB mol/(L min )
所以，反应器出口气体组成为： 组分 CH3OH HCHO H2O CO2 O2 N2 摩尔数（mol） 7.672 18.96 38.3 0.7672 0.8788 43.28 摩尔分率% 6.983 17.26 34.87 0.6983 0.7999 39.39
2. 在一体积为 4L 的恒容反应器中进行 A 的水解反应，反应前 A 的含量为 12.23%（重量） ， 混合物的密度为 1g/mL，反应物 A 的分子量为 88。在等温常压下不断取样分析，测的组分 A 的浓度随时间变化的数据如下： 反应时间（h） cA(mol/L) 1.0 0.9 2.0 0.61 3.0 0.42 4.0 0.28 5.0 0.17 6.0 0.12 7.0 0.08 8.0 0.045 9.0 0.03
(4)以摩尔浓度表示反应物系组成时的速率常数 kC。 解： (1) k v b k w 1.13 103 0.0535 60.64kmol/(m 3 h )
b b kw k w 1.78 10 6 kmol/(m 2 h ) av b 3 103 1 1 kmol (3) k p ( ) n k w ( ) 0.45 0.0535 0.1508 p 0.1013 kg h (Mpa ) 0.45
(3)求平衡温度 Te
化学反应动力学和反应器工程
化学反应动力学和反应器工程化学反应动力学是研究化学反应速率和反应机理的一门科学。
它是化学工业的基础和核心，与反应器工程密切相关，是实现化学工艺优化和工业生产的重要工具。
反应器是化工过程中进行化学反应的设备，反应器工程是指为了实现化学反应的特定目的而设计、开发和制造反应器的工程领域。
化学反应动力学化学反应动力学研究原理和方法主要包括化学反应速率、化学反应机理和反应动力学方程等方面。
化学反应的速率决定化学反应的快慢，与反应物浓度、反应物之间的关系以及环境条件等因素有关。
反应机理研究化学反应的反应物、反应产物和反应过程之间的联系，揭示化学反应的主要特点，确定化学反应所需的反应条件。
反应动力学方程是表达化学反应速率和反应机理的数学式子，能够定量描述化学反应的速率及变化规律。
反应动力学方程通常包括反应级数、速率常数和微观反应机理三个因素，对化学反应的研究有着十分重要的作用。
反应级数指的是反应过程中反应物的摩尔数指数和反应速率的关系，速率常数与反应温度、反应物性质等因素有关，微观反应机理可以用反应物和产物的摩尔数指数表示。
反应器工程反应器是进行化学反应的设备，主要包括化学反应器、物理反应器、生物反应器等。
反应器的种类和结构各不相同，反应器的性能和功能对化学工业生产起着重要作用。
反应器工程从反应器设计、工艺优化、工艺自动化等角度出发，对反应器的结构和性能进行研究和开发，以此来满足工业生产的需要。
反应器工程的研究主要涉及流体力学、传热学、传质学等方面。
其中，流体力学研究反应器内流体流动规律和流场结构，传热学研究反应中传热过程和对反应速率的影响，传质学研究反应中物质传输和对反应速率的影响。
反应器工程的研究旨在改善反应器的效率和生产成本，实现工业化生产的可持续发展。
结语化学反应动力学和反应器工程是化学工业发展的重要支撑和基础，对于实现化学工艺优化和工业生产的安全、高效、可持续具有重要意义。
随着科学技术的不断发展和创新，化学反应动力学和反应器工程将会在化学工业中发挥越来越重要的作用，推动化学工业的快速、稳定地发展。
高等反应工程第六章PPT
原料在反应器内循环流动。
反应器性能评价
01
02
03
04
转化率
转化率是衡量原料在反应过程 中被转化的程度，通常以百分
比表示。
选择性
选择性是衡量产物中所需产物 的比例，通常以百分比表示。
收率
收率是实际获得的产物量与理 论可获得的最大产物量之间的 比值，通常以百分比表示。
06 本章小结
主要内容回顾
重点讲述了反应工程中的化学反应动力学和传 递过程，包括反应速率方程、反应机理、反应
动力学参数的确定方法等。
介绍了反应工程中的热力学基础，包括热力学第一定 律、热力学第二定律和平衡常数等。
介绍了反应工程的定义、发展历程和反应工程 的核心问题。
讨论了反应器类型和设计，包括釜式反应器、管 式反应器、塔式反应器等，以及反应器的优化和 放大。
自适应控制
鲁棒控制
随着反应过程的进行，不断更新控制策略 以适应变化的情况。
设计控制器，使其在存在不确定性和干扰 的情况下仍能保持良好的控制性能。
优化与控制的案例分析
案例一
某化学反应过程的优化与控制：介绍如何应用上述策略和方法对 某具体化学反应过程进行优化和控制。
案例二
某生物反应过程的优化与控制：介绍如何应用上述策略和方法对 某具体生物反应过程进行优化和控制。
反应器集成技术
将多个反应步骤集成在一个反应器中，实现多步骤反应的连续化、 高效化，降低能耗和物耗。
反应过程强化技术
超声波强化技术
利用超声波的振动和空化作用，强化反应物料的混合、传热和传 质，提高反应速度和产物收率。
微波强化技术
利用微波的电磁场作用，促进分子间的振动和摩擦，加速化学反应 的进行，提高反应速度和选择性。
化学反应速率的测定和反应机理的分析
实验结果
反应速率随 时间的变化
图
展示了反应速率 随时间变化的趋
势
不同条件下 反应速率的
比较
对比不同实验条 件下的反应速率
数据
● 04
第四章 反应机理分析
化学平衡
化学平衡是指反应物 和生成物浓度达到动 态平衡的状态。在化 学反应中，可以利用 平衡常数推断反应机 制。
中间体的生成
中间体作用
在反应机理中扮 演重要角色
的精度
通过改进实验设 计和技术手段
深入研究反 应机理的细
节
探索反应过程中 的微观过程
展望
01 反应速率研究的发展前景
拓展应用领域，提升研究成果的实用性
02 在化学领域中的重要性
为其他领域的研究提供参考和借鉴
03
结语
总结全书内容
系统梳理了反应速率测定 及反应机理分析的基础知 识 强调了实验方法的重要性 和实践意义
推断反应机 理
通过中间体的生 成来推断实际反
应机理
反应机制的变化
01 变化条件
不同条件下反应机制会发生变化
02 深入分析
对反应机制进行更加深入的分析
03
实验验证
通过实验
验证反应机制的正确性 与理论分析进行比较
实验结果
实验结果将支持理论模型 提供反应机理的实际证据
总结
反应机理分析是化学研究中的重要环节，通过实 验数据和理论分析相结合，可以更好地理解反应 过程的本质。对于化学反应速率的测定和反应机 理的分析具有重要意义。
数据处理
反应速率计 算
利用实验数据计 算反应速率
结果分析
对实验结果进行 深入分析
实验装置
反应釜
第六章 化学反应动力学
υA
υB
υY
υZ
A、B的消耗速率 Y、Z的生成速率
即： v ? ? vA ? ? vB ? vL ? vM
?A ?B ?L ?M
?结论：不同物质的消耗速率或生成速率，与该物质 的化学计量系数的绝对值成正比。
例如:
N2(g) ? 3H2 (g) ? 2NH3 (g)
反应物消耗速率为 :
vN2
?
?
dcN2 dt
② 反应的 t1/2与cA,0 成反比
1 t1/ 2 ? kcA,0
③ 1/cA～t 为直线关系， 1/cA
由直线的斜率可求 k。
t
(2) 有两种反应物的情况 aA+bB ? 产物
若实验确定其微分速率方程为
?
d cA dt
?
k A cAcB
积分求解需找出 cA与cＢ的关系，分如下几种 情况考虑：
(i) a=b，且cA,0= cB,0 ，则任意时刻 cA= cB ，于
υA
?
?
dcA dt
?
kc
0
A
?
k
积分:
? ? ?
d c C A
C A ，0
A
?
ktBiblioteka dt0cA,0 ? cA ? kt
动力学特征
(1) k 的单位是：浓度 ?时间-1； (2) cA与 t 成线性关系； (3) t1/2 = cA,0 /2k，半衰期正比于反应物的初浓
度，即 t1/2∝cA,0 。
各级反应的动力学特征可作为确定反应级数的依据
1 H 2 ? 2 O 2 ? H 2O (l)
需一定的 T，p和催化剂
点火，加温或催化剂
化学动力学发展简史
第六章 连续式操作反应器
◆ CSTR内的所有质点的物理化学性质是一致的，即各质 点的温度等物理性质和化学组成是一致的； (定态操作)
◆ CSTR内的反应液中的各组分的浓度不随时间变化。
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6.1 概述
二、理想流动反应器的模型方程
1、CSTR基本设计方程
流入速率=流出速率+反应 消耗速率+累积量
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第6章 >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）
一、单级CSTR的生化反应特征
2、细胞反应的单级CSTR的反应特征 当稀释速率D =Dc=max，且在CSTR内的细胞浓度CX=0，Dc 称为临界稀释速率，稀释速率D≥Dc的操作为“冲出”。
KS 1 max K S CS 0
在连续稳定态时，
dcs 0 dt
VR CS 0 X S CS 0 CS m V0 rS rS
图解法 161图6-3
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第6章 >> >>
6.1 概述
dVR cS+dcS
二、理想流动反应器的模型方程
2、CPFR基本设计方程 对底物S的物料衡算式： cs0 V0 cs V0
单级CSTR在稳定状态下，有:
dC S dt 0
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第6章 >> >> 6.2 连续完全返混型反应器（CSTR）
化学反应的热力学与动力学分析及应用展示
热力学平衡 常数的应用
用于评估反应的 平衡位置和反应
条件的选择
总结
化学反应的热力学分析是研究反应热、焓变、熵 变和平衡常数等热力学参数对化学反应行为的影 响和规律性的过程。通过热力学分析，可以揭示 反应的热力学性质、平衡条件和动力学过程，为 化学工程和材料科学领域提供理论支持和实际应 用价值。
研究展望
未来发展方 向
研究更高效的反 应条件
环境友好化
发展绿色反应技 术
工业应用
推动化学反应在 工业生产中的应
用
新技术应用
探索新型催化剂 的应用
结束语
研究成果
对反应机理的深入了解 新型催化剂的研发 绿色反应技术的探索
感谢
感谢团队成员的辛勤付出 感谢资助单位的支持 感谢实验室的技术支持
展望
通过研究不断创新 拓展化学反应领域的应用 推动科学技术的发展
化学反应的动力学分析
01 实验方法
观察反应过程细节
02 实际应用
工业生产化学反应控制
03
总结
动力学分析 的重要性
帮助理解和控制 化学反应过程
应用展示
展示实际应用案 例和研究成果
● 04
第4章 化学反应的热力学与 动力学综合应用
热力学与动力学 的关联
热力学参数与动力学 参数之间存在密切的 关系，二者相互影响 并共同决定了化学反 应的性质与规律。通 过分析热力学和动力 学参数，可以揭示反 应过程中的能量变化 和速率控制步骤，进 而解释反应机理和性 质。
反应速率与温度的综合考虑
温度变化影 响反应速率
温度升高通常导 致反应速率加快
案例分析
实际案例展示热 力学和动力学在 分析反应速率与 温度关系中的应
化学工程中的反应器设计和动力学模拟
化学工程中的反应器设计和动力学模拟反应器是化学工程中的核心设备之一，其设计和动力学模拟对于化学工程产品的研发、生产和优化都具有重要的意义。
本文将从反应器设计和动力学模拟两个方面深入探讨其应用价值和基本原理。
一、反应器设计反应器是进行化学反应的设备，其设计需要考虑反应物的物理化学特性、反应条件、反应产物的理化特性以及设备本身的特点等多个方面。
在反应器设计时需要考虑以下几个问题：1.反应器类型选择反应器的类型有很多种，如浴式反应器、批式反应器、连续式反应器、管式反应器等。
根据具体的反应条件和反应过程选择最合适的反应器类型是必不可少的。
2.反应器尺寸反应器的尺寸需要根据反应物质的种类、操作条件、反应程度等因素进行计算。
尺寸太小会影响反应效果，尺寸太大则会造成浪费和节约能源的问题。
3.反应器材料选择反应器材料选择需要考虑反应物的腐蚀性、耐高温、耐压等特性，一般来说选择耐腐蚀的不锈钢或镍质合金材料。
4.反应器搅拌搅拌是促进化学反应进行的重要条件之一，反应器的搅拌方式和搅拌速度需根据反应物的特性进行选择。
5.反应器附加设备反应器附加设备包括加热冷却系统、加料系统、排放系统等，这些设备的设计需考虑到反应条件和设备本身的特点。
二、反应器动力学模拟反应器动力学模拟是使用数学和计算机技术对反应器内化学反应进行模拟和预测的一种方法。
该方法能够提供反应器的动态特性、反应器内反应物体积分布等信息，为反应器优化和控制提供指导，其应用领域包括新产品研发、反应器优化、工艺设计、过程控制等。
反应器动力学模拟主要包括以下几个方面：1.反应动力学模拟反应动力学模拟是根据一定的反应机理，通过数学方程对反应过程进行模拟，计算反应速率、反应程度等重要参数。
2.流体动力学模拟流体动力学模拟是对反应器内的物质流动进行建模，计算各个位置的物质浓度分布、流速分布等信息，可用于优化设计反应器的结构。
3.传热动力学模拟传热动力学模拟是对反应器内的传热过程进行模拟，包括对反应器内部温度分布、传热系数等参数进行预测和计算。
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6.2 化学反应过程的基本术语定义
反应级数
对于基元反应 aA bB k pP sS
恒容条件下
rA
dCA dt
k
CAaC
b B
对于反应物A，反应级数为a，对反应物B，
反应级数为b，总反应级数为a b
对于非基元反应，反应级数与化学计量系数无关。
3
基元反应
nA k1 P rA kCAn 反应级数与反应的计量系数相等
nt 0 nA0
A
A yA0 A
9
循环比 循环物料的量
离开反应器的量
通常为体积或质量比
反应速率的温度效应
E
k k0e RT
k反应速率常数，k0指前因子
E活化能，决定反应速率对温度的敏感程度
10
11
40 100
60 61,38
苯 氯苯
单程转化率＝ 某一反应物的转化量 该反应物的总进料量
38 100
60
95.00%
12
CA
C A0
1 xA 1 AxA
nt nt0 1 AxA
nA nA0 1 xA
设反应物总量为1mol
A
13
6.3 均相化学反应动力学
化学反应速率表达 若反应体积为常数
rA
1 V
dnA dt
A为反应物
rA
d nA
dt
V
dCA dt
用转化率表示 CA CA0 1 xA
dxA
dt
k
Cn1 A0
1
xA
n
亦可用分压表示 PA RTCA
dPA dt
k
RT n1
PAn
15
16
17
均相变容反应
• 反应体系中，物料密度变化不大，可以 认为反应体积不变，为恒容反应，如液 －液相反应。
• 对气相反应，反应前后总摩尔数变化而 压力不变，反应体积将发生变化，为变 容反应。
由计量式 A 2 1 1 yA0 0.5
A yA0 A 0.5 1 0.5
或者 A
VxA 1 VxA 0 VxA 0
32 2
0.5
20
21
复杂反应动力学 可逆反应
• 基本性质
A
k1
P
k2
• 由正逆两个反应组成，反应达到平衡时，
正逆反应速率相等
• 定义正逆反应速率常数的比值为平衡常
某一反应物的转化量 x 该反应物的起始量
仅对反应物而言，不同反应物可能有不同值 若有多个反应物，通常以关键组份计
单程转化率
单程转化率＝某一反应物的转化量 仅对循环反应器而言 该反应物的总进料量
总转化率＝ 某一反应物的转化量 该反应物的新鲜进料量
若无循环，二者相等
6
收率 针对多个产物中的某一个而言 Y＝生成某一该产反物应所物消关耗键的组反份应的物起关始键量组份的量
100 61 39% 100
总转化率＝ 某一反应物的转化量 该反应物的新鲜进料量
100 61 97.5% 100 60
1
选择性 收率
S＝反应反物应生物成实目际的消产耗物的消全耗部的摩摩尔尔量的量
38 100
61
97.44%
Y＝生成某一该产反物应所物消关耗键的组反份应的物起关始键量组份的量
可逆反应
k1
A
P
k2
4
平行反应
A k1 P 生成目的产物的为主反应 A k2 Q 生成副产物的为副反应
连串反应
A k1 P k2 S 通常P为目的产物
空速
SV v0 V
反应器进口体积流量与反应器体 积之比，表示反应器的生产能力。
5
空时
＝V 1
v0 SV 转化率
物料在反应器进口条件下通过反 应器所需时间，与空速互为倒数
18
对反应 aA bB pP sS
A组份的膨胀因子
A
p
s
a
a
b
膨胀率 A y A0 A
或者 A
VxA 1 VxA 0 VxA 0
二者意义相同
1 V
dnA dt
V0 1
1
d nA0 1 xA
y A0 A xA
dt
C A0 1 xA dxA
1 A xA dt
CA
CA0 1 xA
A组份的膨胀因子
＝
A
p
s
a
a
b
A组份反应1摩尔时，引起的总摩尔数的变化
由化学反应式决定
总摩尔数 nt n0 AnA0 xA
8
膨胀率
＝VxA 1 VxA 0
A
Vx A 0
V V0 1 AxA nt nt0 1 AxA
不仅与反应式有关，而且与该组份
在体系中的初始浓度有关
A＝
H
r
为负值，放热反应，平衡常数随温度的升高下降 23
一级可逆反应
A
k1
B
Ke 平衡常数
k2
生成物与反应物的初始摩尔比 M CB0 /CA0
反应速率
- dCA dt
数
K＝ k1
k2
22
平衡常数与温度的关系
对反应 aA rR sS
G0 rGR0 sGS0 aGA0 RT ln K
Van't Hoff方程
d ln K dT
H r RT 2
如果近似认为反应热与温度无关，积分
ln
K2 K1
Hr R
1 T2
1 T1
H r 为正值，吸热反应，平衡常数随温度的升高升高
选择性
S＝反反应应物物生实成际目消的耗产的物全消耗部摩的尔摩量尔量
对
A k1 P A k2 S
瞬时选择性S
＝
P
单位时间生成的产物P的摩尔量 单位时间生成的产物S的摩尔量
＝
dC p dCs
dt dt
总选择性S0＝生生成成的产产物物PS的的全全部部摩摩尔尔量量
＝
Cp Cs
7
膨胀因子
对反应 aA bB pP sS
6 化学反应动力学
• 6.1 概述 • 6.2 化学反应过程的基本术语定义 • 6.3 均相化学反应动力学 • 6.4 理想反应器 • 6.5 理想反应器的特殊操作
1
6.1 概述
• 化学反应动力学－－研究化学反应本身 速率规律－－反应速率与温度浓度之间 的关系。
• 化学反应动力学分为均相反应动力学与 非均相反应动力学，根据复习指南，本 考试只涉及均相动力学。
1 AxA
rA
k CAn
k
C A0 1
1
xA AxA
n
19
例
气相反应A 2P 反应开始时只有A，求膨胀率 A
由计量式 A 2 1 1 yA0 1
A yA0 A 1 1 1
或者 A
VxA 1 VxA 0 VxA 0
时有50% A，
50%惰性物，求膨胀率 A
rA
C A0
dxA dt
C
可以用分压表示
A
PA RTCA
rA
1 RT
dPA dt
14
简单级数反应
化学反应速率表达
rA
1 V
dnA dt
A为反应物
简单级数反应反应速率与浓度关系 rA kCAn
二者结合：
1 V
dnA dt
k CAn
若反应体积为常数
d nA
dt
V
dCA dt
kCAn
用转化率表示 CA CA0 1 xA