反應(yīng)動力學(xué)的解析方法.pptVIP

反應(yīng)工程原理,反應(yīng)動力學(xué)解 析方法,本 章 主 要 內(nèi) 容,第一節(jié) 動力學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)解析方法 動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般步驟 動力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一般解析方法 反應(yīng)器的物料衡算 第二節(jié) 間歇反應(yīng)器的解析 間歇反應(yīng)器的基本方程和動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積分解析法和微分解析法 第三節(jié) 連續(xù)反應(yīng)器的解析 槽式連續(xù)反應(yīng)器和平推流反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)解析方法,第一節(jié)、動力學(xué)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)解析方法,動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的： 確定反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系； 確定反應(yīng)速率與pH、共存物質(zhì)、溶劑等反應(yīng)條件 的關(guān)系； 確定反應(yīng)速率常數(shù)及其與溫度、pH等反應(yīng)條件的 關(guān)系。,動力學(xué)一般步驟： 1）保持溫度和pH等反應(yīng)條件不變，找出反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系； 2）保持溫度不變，研究pH等其它反應(yīng)條件對反應(yīng)速率的影響，確定反應(yīng)速率常數(shù)與溫度以外的反應(yīng)條件的關(guān)系； 3）保持溫度以外的反應(yīng)條件不變，測定不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，確定反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上求出（表觀）活化能。,直接測量關(guān)鍵組分的濃度； 或測定反應(yīng)混合物或反應(yīng)系統(tǒng)的物理化學(xué)性質(zhì) 獲取的第一手?jǐn)?shù)據(jù)： (1)不同反應(yīng)時(shí)間關(guān)鍵組分的濃度（間歇反應(yīng)器） (2)不同反應(yīng)條件下反應(yīng)器出口處的關(guān)鍵組分的濃度（連續(xù)反應(yīng)器） 濃度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系常見三種表示形式 p441,測量對象:,（一）間歇反應(yīng)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)的解析方法 積分法: 判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與某積分形式的速率方程是否一致 （先假設(shè)，再證明） 微分法: 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出不同濃度時(shí)的反應(yīng)速率（作圖法或計(jì)算法），之后根據(jù)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系，確定反應(yīng)速率方程。 （根據(jù)已知數(shù)據(jù)歸納出結(jié)果）,例12.2.21 p448,（二）連續(xù)反應(yīng)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)的解析方法 1管式反應(yīng)器,“積分反應(yīng)器(integral reactor)”：反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率5；反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)組分的濃度變化顯著,“微分反應(yīng)器(differential reactor)”：反應(yīng)器出口處的反應(yīng)速率5；反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)組分的濃度變化微?。豢梢酝ㄟ^反應(yīng)器進(jìn)出口的濃度差直接計(jì)算出反應(yīng)速率,特點(diǎn)：1）內(nèi)部均一，動力學(xué)數(shù)據(jù)的解析比較容易。 2）轉(zhuǎn)化率的大小沒有限制，對分析的要求也不太苛刻。 對象：均相反應(yīng) 優(yōu)點(diǎn)：便于進(jìn)行動力學(xué)的研究 應(yīng)用：污水處理特性以及污水處理新技術(shù)、新工藝的研究。,2槽式反應(yīng)器,A的輸入量A的輸出量A的反應(yīng)量A的積累量 qnA0qnA(rA)VdnA/dt,三、反應(yīng)器的物料衡算,單位時(shí)間內(nèi)A的物料衡算式如下：,A的輸入量 qnA0 (kmol/s),體積V,A的存在量 nA,A的反應(yīng)量 RA(kmol/s),A的輸出量 qnA (kmol/s),反應(yīng)器的基本方程,間歇反應(yīng)器的基本方程,間歇反應(yīng)器的物料衡算圖,-dnA/dt=-rAV,恒容反應(yīng),濃度 cA,物質(zhì)量 nA,體積V,(12.2.3),(12.2.6),第二節(jié) 間歇反應(yīng)器的解析,間歇反應(yīng)器的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)方法：測定cA隨反應(yīng)時(shí)間的變化 獲取的數(shù)據(jù)：不同反應(yīng)時(shí)間關(guān)鍵組分的濃度 數(shù)據(jù)解析的目的：確定反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積分解析法,反應(yīng)速率方程的積分式的一般形式,t,(k),F(c,A,),或,A,),A,G(x,A,),由表11.3.1可知，對于一級反應(yīng)：,F(cA)ln(cA0/cA),F(cA)=(k)t G(xA)=(k)t,第一種形式,首先假設(shè)一個(gè)反應(yīng)速率方程，求出它的積分式； 利用間歇反應(yīng)器測定不同時(shí)間的關(guān)鍵組分的濃度（或轉(zhuǎn)化率）； 計(jì)算出不同反應(yīng)時(shí)間的F(cA)或G(xA)； 以F(cA)或G(xA)對時(shí)間作圖。,積分解析法的一般步驟,如果得到一條通過原點(diǎn)的直線，說明假設(shè)是正確的，則可以從該直線的斜率求出反應(yīng)常數(shù)k。,F(cA)=(k)t G(xA)= (k)t,t,(k),F(c,A,),或,A,),A,G(x,A,),lgt1/2,lgcA0,n = 1,1,-,1,-,1,-,1,-,半衰期解析法,n級反應(yīng)的半衰期 （表11.3.1）,(12.2.11),(n1),n,n,(n1),把cA對時(shí)間作圖，并描出圓滑的曲線,cAi的切線 斜率rA,cAi,t,微分解析的一般步驟,把得到的反應(yīng)速率值對濃度f(cA )作圖。 假設(shè)一個(gè)速率方程，若與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，則假設(shè)成立，之后可以求出動力學(xué)參數(shù)。,利用圖解法（切線法）或計(jì)算法，求得不同cA時(shí)的反應(yīng)速率，即dcA/dt。,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的微分解析法,讓反應(yīng)在A大量過剩的情況下進(jìn)行，在反應(yīng)過程中A的濃度變化微小，可以忽略不計(jì)，則反應(yīng)速率方程可改寫為： (12.2.15),的參數(shù)求法,讓反應(yīng)在B大量過剩的情況下進(jìn)行，在反應(yīng)過程中B的濃度變化微小，可以忽略不計(jì)，則反應(yīng)速率方程可改寫為： (12.2.14),第三節(jié) 連續(xù)反應(yīng)器的解析,（一）基本方程 基本方程的一般形式 全混流槽式連續(xù)反應(yīng)器 (Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR),在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，組成不變，反應(yīng)速率恒定，即dnA/dt=0,qnA0qnA(rA)VdnA/dt,反應(yīng)量 -rAV,濃度cA 體積V,一、槽式連續(xù)反應(yīng)器,反應(yīng)量 -rAV,濃度cA 體積V,A的流入量,A的流出量,rAV qnA0xA,rAV qv0cA0xA,(12.3.7) 恒容反應(yīng),（二）槽式連續(xù)反應(yīng)器的動力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)驗(yàn)方法：改變cA0或/和qVA0 測定反應(yīng)器出口處的cA 獲取的數(shù)據(jù)：不同反應(yīng)條件下的反應(yīng)器出口處的cA,rAVqV0cA0qVcA,數(shù)據(jù)解析方法（類似于間歇反應(yīng)器的微分解析法）： (1)求不同cA時(shí)的反應(yīng)速率rA,(2)根據(jù)rA和cA的關(guān)系求出反應(yīng)級數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)。,【例題12.3.1】 使用一槽式連續(xù)反應(yīng)器測定液相反應(yīng)A R的反應(yīng)速率方程，保持原料中A的濃度為100 mmol /L不變，改變進(jìn)口體積流量qV ，測得不同qV時(shí)的反應(yīng)器出口A的濃度如表所示，試求出A的反應(yīng)速率方程。,解：槽式連續(xù)反應(yīng)器: rAVqV0cA0qVcA,rA=24cA, 該反應(yīng)為一級反應(yīng)，k為24 min-1,二、平推流反應(yīng)器,平推流反應(yīng)器的特點(diǎn)： 在連續(xù)穩(wěn)態(tài)操作條件下，反應(yīng)器各斷面上的參數(shù)不隨時(shí)間變化而變化。 反應(yīng)器內(nèi)各組分濃度等參數(shù)隨軸向位置變化而變化，故反應(yīng)速率亦隨之變化。 在反應(yīng)器的徑向斷面上各處濃度均一，不存在濃度分布。,平推流反應(yīng)器一般應(yīng)滿足以下條件： 管式反應(yīng)器：管長是管徑的10倍以上。 固相催化反應(yīng)器：填充層直徑是催化劑粒徑的10倍以上。,（一）平推流反應(yīng)器的基本方程,在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，dnA/dt=0,qnAqnA dqnA (rA)dVdnA/dt,dV,V,基本方程的不同表達(dá)形式,(12.3.12),(12.3.13a),(12.3.13b),微分形式,(12.3.15),(12.3.18),積分形式,恒容反應(yīng)的基本方程,在恒容條件下： cAcA0(1-xA)，即-cA0dxAdcA,(12.3.19),（二）積分反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)法,實(shí)驗(yàn)方法：一般固定反應(yīng)原料的組成，改變體積流量qV，即改變，測定反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率或關(guān)鍵組分如反應(yīng)物A的濃度(cA)。 獲取的數(shù)據(jù)：不同反應(yīng)條件下的反應(yīng)器出口處的轉(zhuǎn)化率或cA,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積分解析法：（類似于間歇反應(yīng)器的積分法）,將rA與xA的具體函數(shù)， rAkf(xA ) 代入式(12.3.15)積分， 可得k與xA的函數(shù)關(guān)系式,(12.3.21),例如：對于一級反應(yīng)，在等溫恒容條件下,rA=kcA = kcA0(1xA),將上式代入(12.3.21)積分，整理可得：,k=(qnA0/VcA0 )ln(1xA),利用上式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可求得k的值。,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的微分解析法：（類似于間歇反應(yīng)器的微分法）：,式(12.3.13a),變形得：,V/qV0,xA,切線斜率 rA/cA0,(2)假設(shè)一個(gè)反應(yīng)速率方程，判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否與該方程相符,(1)把xA對V/ qV0作圖，利用圖微分法即可求得不同xA 時(shí)的rA,例 12.3.2,（三）微分反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)法,將式(12.3.13a),變形可得：,對于微分反應(yīng)器：,(12.3.28),(12.3.29),(12.3.30),實(shí)驗(yàn)方法：改變反應(yīng)原料的組成或/和體積流量qv，測定反應(yīng)器出口處的反應(yīng)率或關(guān)鍵組分的濃度(cA)。 獲取的數(shù)據(jù)：不同反應(yīng)條件下的反應(yīng)