《化学反应工程》课程教学资源（课件讲稿）第2章 均相反应动力学 Homogeneous Reaction Kinetics

Chemical Reaction Engineering 第二章 均相反应动力学 Homogeneous Reaction Kinetics 化学动力学-研究化学反应速率及其影响因素的科学。 动力学类型 •本征动力学一消除了物理过程影响的动力学 如：均相反应动力学 ·表观动力学一包含了物理过程影响的动力学 如：气固相反应的颗粒动力学，床层动力学 物理过程，传递过程 物理因素，工程因素

Chemical Reaction Engineering 动力学类型 •本征动力学—消除了物理过程影响的动力学 如：均相反应动力学 •表观动力学—包含了物理过程影响的动力学 如：气固相反应的颗粒动力学，床层动力学 物理过程，传递过程 物理因素，工程因素 化学动力学-研究化学反应速率及其影响因素的科学。 第二章 均相反应动力学 Homogeneous Reaction Kinetics

Chemical Reaction Engineering 2.1化学反应速率的工程表示 Bacth Recator 化学反应速率 反应量 反应时间反应场所 反应量：mol,kmol CSTR 反应场所（反应区）：体积，质量，面积等 PFR (-r):kmol/(m3.h),kmol/(kg.h) “”消失速率-rA “+”生成速率rp

Chemical Reaction Engineering 2.1化学反应速率的工程表示   反应时间 反应场所 反应量 化学反应速率＝ 反应量：mol，kmol 反应场所（反应区）：体积，质量，面积等 （-rA )：kmol/（m3 .h），kmol/（kg.h） “-”消失速率 -rA “+”生成速率 rp Bacth Recator CSTR PFR

Chemical Reaction Engineering 对于多组分反应 aA+bB→pP+sS n40-n4=n0-n8=n,-np0=s-”s0=专 a b p S V4）=a=2=s b eg. A+B→2P+S 2 (←)=2-=5 Ip=2(-r4) 21 Is =(-ra) 2

Chemical Reaction Engineering 对于多组分反应          s n n p n n b n n a n n A0 A B0 B P P0 S S 0 s r p r b r a rA B P S     ( ) ( ) aAbB  pP sS eg A B  2P  S 2 1 . S B P A r r r r      2 2 1 ( ) ( ) ( ) 2( ) ( ) 2 1 ( ) S A P A B A r r r r r r       

Chemical Reaction Engineering 反应场所（反应区）： ·均相液相反应一液相反应体积(kmol/m3hr) .气固催化反应过程一催化剂体积(r。-kmo/m3hr) 催化剂重量(rw-kmol/kghr) 催化剂堆积体积(r,-kmol/m3hr) 堆积密度p kg(催化剂)m3(堆积体积) 颗粒密度pskg(催化剂)m3(颗粒体积) =Pbw= ps

Chemical Reaction Engineering 反应场所(反应区）: •均相液相反应—液相反应体积（kmol/m3hr） •气固催化反应过程—催化剂体积（rs -kmol/m3hr） 催化剂重量（rw -kmol/kghr） 催化剂堆积体积（rv -kmol/m3hr） S S b V b W r  r  r    S b   颗粒密度 堆积密度 kg(催化剂）/m3（堆积体积） kg(催化剂）/m3（颗粒体积）

Chemical Reaction Engineering 2.2均相反应动力学(homogeneous) 一、均相与予混合 均相反应一在同一相中进行的反应 均相一达到分子尺度均匀的物料 达到分子尺度均匀的措施一混合(mixing) 混合技术①机械搅拌②射流混合 原理一流体破碎（宏观混合） →微团均匀（微观混合） →分子尺度（分子扩散） 混合尺度一设备尺度、微团尺度、分子尺度

Chemical Reaction Engineering 2.2 均相反应动力学（homogeneous) 一、均相与予混合 A B 均相反应—在同一相中进行的反应 均相—达到分子尺度均匀的物料 达到分子尺度均匀的措施—混合(mixing) 混合技术①机械搅拌②射流混合 原理—流体破碎（宏观混合） →微团均匀（微观混合） →分子尺度（分子扩散） 混合尺度—设备尺度、微团尺度、分子尺度

Chemical Reaction Engineering 对互溶液体一可达到分子尺度均匀 混合结果 对不互溶液体一不可能达到分子尺度均匀 对液固系统一只能达到某种宏观上的均匀 工程因素 予混合一在发生反应之前， 物料达到分子尺度均匀的混合过程 工程上，均相反应需满足二个条件： (1)反应物系互溶 (2)予混合速率>反应速率 两种情况：（①）反应相对较慢，可作均相处理 (2)反应极快，予混合成为关键问题

Chemical Reaction Engineering 对互溶液体 —可达到分子尺度均匀 对不互溶液体—不可能达到分子尺度均匀 对液固系统 —只能达到某种宏观上的均匀 工程上，均相反应需满足二个条件： ⑴反应物系互溶 ⑵予混合速率 >>反应速率 两种情况：⑴反应相对较慢，可作均相处理 ⑵反应极快，予混合成为关键问题 混合结果 予混合—在发生反应之前， 物料达到分子尺度均匀的混合过程 工程因素

Chemical Reaction Engineering 开发实例： 丁二烯氯化→二氯丁烯→多氯丁烯($) 温度270℃ 气相反应 C4H6:Cl2=(47):1 丁二烯过量 小试 好 中试 差，黑色粉末堵塞 原因一混合过程产生两种微团 推断：此反应极快， 予混合成为重要工程问题 关键问题：射流混合 C2多 CH多

Chemical Reaction Engineering 开发实例： 丁二烯氯化→二氯丁烯→多氯丁烯（s） 温度270℃ 气相反应 C4H6：Cl2 =（4~7）：1 丁二烯过量 推断：此反应极快， 予混合成为重要工程问题 关键问题：射流混合 Cl2多 C4H6多 原因—混合过程产生两种微团 小试 好 中试 差，黑色粉末堵塞

Chemical Reaction Engineering 二、反应动力学表达式 n=f(T,C) 动力学方程一反应速率与温度、浓度的关系 =fr(T)fc(Ci) 一般C、T影响是相互独立的（经验） f(T)一反应速率的温度效应 f(C)一反应速率的浓度效应 例如 aA+bB→pP+sS (-r)=kCAC 反应动力学 包含反应级数的浓度项 反应速率常数（温度项）

Chemical Reaction Engineering ( ) ( ) i T C Cj r  f T f 一般C、T影响是相互独立的（经验） —反应速率的温度效应 —反应速率的浓度效应 f (T ) T f (C) C 二、反应动力学表达式 r f (T,C ) i  动力学方程—反应速率与温度、浓度的关系 例如 ( ) 1 2 反应动力学 n B n rA kCA C aA bB pP sS      反应速率常数（温度项） 包含反应级数的浓度项

Chemical Reaction Engineering 三、影响化学反应速率的温度效应 k=kTme号 温度项 k=ke 式中 k一一反应速率常数 一一频率因子 T一一温度K E-一反应活化能J/mol,cal/mol R一一气体普适常数 (R=8.314J1mol.K)=1.987cal/(mo1.K) k的因次与n有关：=l,k=[时间l E dInk E In k In ko RT dT RT2

Chemical Reaction Engineering k 的因次与 n 有关：n=1, k= [时间] -1 温度项 RT E k k e   0 式中 k——反应速率常数 k0——频率因子 T——温度 K E——反应活化能 J/mol，cal/mol R——气体普适常数 (R  8.314J /(mol.K) 1.987cal /(mol.K)) RT E ln k  ln k0  2 ln RT E dT d k  三、影响化学反应速率的温度效应 RT E k k T e m   0

Chemical Reaction Engineering k=ke后 一阿累尼乌斯(Arrhenius)公式 Svante August Arrhenius 1859-1927 瑞典化学家 近代化学史上的一位著名的 化学家，又是一位物理学家 和天文学家。 因建立电离学说，获1903年 诺贝尔化学奖

Chemical Reaction Engineering RT E k k e   0 —阿累尼乌斯(Arrhenius)公式 Svante August Arrhenius 1859-1927 瑞典化学家 近代化学史上的一位著名的 化学家，又是一位物理学家 和天文学家。 因建立电离学说, 获 1903 年 诺贝尔化学奖