第6章化学反应动力学及反应器解析

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。
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
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
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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
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
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
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＝
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
21 1 1
气相反应A 2P 反应开始时有50% A，
50%惰性物，求膨胀率 A
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。
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
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
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
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
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
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
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
2
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