《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 ( ) ( ) aAbB 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
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