3-周二-第五次課--化學(xué)反應(yīng)工程-第一章-5-zhousan

1、第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)速率及動(dòng)力學(xué)方程化學(xué)反應(yīng)速率及動(dòng)力學(xué)方程3.1 3.1 間歇系統(tǒng)及連續(xù)系統(tǒng)間歇系統(tǒng)及連續(xù)系統(tǒng)間歇系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)速率化學(xué)反應(yīng)速率第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ))/( dd13hmkmoltnVrii第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)間）（定義用的基準(zhǔn)）（時(shí)組分生成的摩爾數(shù)AtnBriidd1第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)tnVriidd1)/( dd3hmkmoltcriiMLBAMLBArrrr:dtdcdtdcdtdcdtdcMMLLBBAA1111MLBAMLBA第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、 連續(xù)系

2、統(tǒng)：第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ))/( dd3RhmkmolVNrii第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ))/( dd2hmkmolSNrii)/( ddhkgkmolWNrii第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2.連續(xù)系統(tǒng)中常用的兩個(gè)重要概念連續(xù)系統(tǒng)中常用的兩個(gè)重要概念1)1)空間速度空間速度( (空速空速) )：表示表示速，以速，以量催化劑計(jì)算得到的空量催化劑計(jì)算得到的空質(zhì)量空速：按單位質(zhì)質(zhì)量空速：按單位質(zhì)；量計(jì)算在內(nèi)得到的空速量計(jì)算在內(nèi)得到的空速蒸汽的體積流蒸汽的體積流中含有水蒸汽，不把水中含有水蒸汽，不把水干空速：反應(yīng)混合物干空速：反應(yīng)混合物；也計(jì)算在內(nèi)得到的空速也

3、計(jì)算在內(nèi)得到的空速汽的體積流量汽的體積流量中含有水蒸汽，把水蒸中含有水蒸汽，把水蒸濕空速：反應(yīng)混合物濕空速：反應(yīng)混合物出的空速；出的空速；的液體體積流量計(jì)算的液體體積流量計(jì)算是液體，以是液體，以液空速：反應(yīng)混合物液空速：反應(yīng)混合物。SPWC25SV第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)0-1h RSVVSV 100h SRVVSV第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)00AAAANNNxAAAAAAxNNxNNdd )1 (00 ddRVNrAA ddR0VxNrAAA0000dd SRSRVVVV dddddd000000R0AASAAAAAxcVxNVxNr第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)

4、計(jì)基礎(chǔ)3.2 動(dòng)力學(xué)方程的表示方式MLBAMLcBAcAcckcckrmMlLcbBaAcAcckcckrmMlLbBaApmMlLbBaApAppppkppppkrMLBAMLBA第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)cBAMLccMLcBAcKcccckkcckcckBAMLMLBA)()()()()()()()(0*pbbBaaAmmMllLppKppppkk)(*)(*)(*)(*)()()()(qmiiMLBAApKppkppkrMLBA)1 (21第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.3 3.3 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)速

5、率常數(shù)的影響第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)TREkkgcexp0第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) , )( , )( , )(iwAisAivAcfkdWdNcfkdSdNcfkdVdN , )( , )( , )(iwbAisRAivAcfkdVdNcfkSdVdNcfkdVdN第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)igiigiicTRpVnTRnVpmMlLbBaAngcmgMlgLbgBagAcppppTRkTRpTRpTRpTRpkr1正pngcngcpkTRkTRkk1yngckPTRkmMlL

6、bBaAymMlLbBaApmMlLbBaAcyyyykppppkcccckr正第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)nApnACAPkCkdtdCnAAPkdtdPPTRcPgAAngnnAAgA)TR(CkPkdtdCTRdtdPAPP1ngcTRkkppngckTRk TRkkgPp第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)00ln1lnexpkTREkTREkkgcgc第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)練習(xí)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課堂習(xí)題第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第四節(jié)第四節(jié) 溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及最佳溫度溫度對(duì)反應(yīng)速率的

7、影響及最佳溫度4.1 4.1 溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度)()(1)()()(1)()()(12111122112211yfKyfyfkyfkyfkyfkyfkyfkryA對(duì)于單一反應(yīng)對(duì)于單一反應(yīng),nnnn 112211有有:第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一一、兩個(gè)方面的影響兩個(gè)方面的影響: :(1)反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)k1的影響的影響;yK(2)平衡常數(shù)平衡常數(shù) 的影響的影響.第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)Arrhenius公式公式:0CgEkk expR T（）1 1、 溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)k k的影響的影響當(dāng)溫度升

8、高時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)，k會(huì)增大會(huì)增大；反之反之, k會(huì)減小。會(huì)減小。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2 2、 溫度對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的影響溫度對(duì)化學(xué)平衡常數(shù)的影響化學(xué)反應(yīng)的等壓方程化學(xué)反應(yīng)的等壓方程TRHdTKdgpln對(duì)于放熱反應(yīng)對(duì)于放熱反應(yīng)H0，升高溫度，則，升高溫度，則Kp增大，也增大，也就是說(shuō)平衡向產(chǎn)物方向進(jìn)行就是說(shuō)平衡向產(chǎn)物方向進(jìn)行;第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二二、不可逆反應(yīng)不可逆反應(yīng) )()(1)()()(1)()()(12111122112211yfKyfyfkyfkyfkyfkyfkyfkryA 只有正反應(yīng)，上式中中括號(hào)部分為只有正反應(yīng)，上式中中括號(hào)部分為1。由于反

9、應(yīng)速率常。由于反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度的升高而升高，因此，無(wú)論是放熱反應(yīng)還是吸熱數(shù)隨溫度的升高而升高，因此，無(wú)論是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)，都應(yīng)該在盡可能高的溫度下進(jìn)行，以獲得較大的反反應(yīng)，都應(yīng)該在盡可能高的溫度下進(jìn)行，以獲得較大的反應(yīng)速率。應(yīng)速率。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 在充分考慮這些因素影響的基礎(chǔ)上，盡可在充分考慮這些因素影響的基礎(chǔ)上，盡可能選用較高的溫度。能選用較高的溫度。a）溫度過(guò)高，催化劑活性下降或失活；溫度過(guò)高，催化劑活性下降或失活；但在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮以下問(wèn)題：但在實(shí)際生產(chǎn)中，要考慮以下問(wèn)題：b）設(shè)備材質(zhì)的選?。辉O(shè)備材質(zhì)的選??；c）熱能的供應(yīng)；熱能的供應(yīng)；d）伴有副反應(yīng)時(shí)

10、，會(huì)影響反應(yīng)的選擇性。伴有副反應(yīng)時(shí)，會(huì)影響反應(yīng)的選擇性。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)三三、 可逆吸熱反應(yīng)可逆吸熱反應(yīng)TRHdTKdgpln對(duì)于吸熱反應(yīng)對(duì)于吸熱反應(yīng)H0，升高溫度，則升高溫度，則Kp增大，增大，也就是說(shuō)平衡向產(chǎn)物方向進(jìn)行。也就是說(shuō)平衡向產(chǎn)物方向進(jìn)行。分析：分析：第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ))()(1)()()(1)()()(12111122112211yfKyfyfkyfkyfkyfkyfkyfkryA 隨溫度的升高，隨溫度的升高，k1升高，升高， 升高，升高， 升高，升高， 也升高。也升高。yKyK)()(112yfKyfy總的結(jié)果，隨溫度的升高，總的反應(yīng)速

11、率提高?？偟慕Y(jié)果，隨溫度的升高，總的反應(yīng)速率提高。因此，因此，對(duì)于可逆吸熱反應(yīng)，也應(yīng)盡可能在較高對(duì)于可逆吸熱反應(yīng)，也應(yīng)盡可能在較高溫度下進(jìn)行溫度下進(jìn)行，這樣既有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率，這樣既有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率，又可提高反應(yīng)速率。又可提高反應(yīng)速率。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 例如，天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)：例如，天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)： 224HCOOHCH同時(shí)，也應(yīng)考慮一些因素的限制。同時(shí)，也應(yīng)考慮一些因素的限制。是可逆吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于提是可逆吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于提高反應(yīng)速率并提高甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率，高反應(yīng)速率并提高甲烷的平衡轉(zhuǎn)化率，但考慮到設(shè)備材質(zhì)等條件限制，一般但考慮到設(shè)備材

12、質(zhì)等條件限制，一般轉(zhuǎn)化爐內(nèi)溫度小于轉(zhuǎn)化爐內(nèi)溫度小于800-850。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)四四、可逆放熱反應(yīng)可逆放熱反應(yīng))()(1)(1211yfKyfyfkryA總的結(jié)果，反應(yīng)速率受兩種相互矛盾的因素影響總的結(jié)果，反應(yīng)速率受兩種相互矛盾的因素影響。隨溫度的升高，隨溫度的升高，k1升高，升高， 降低，降低， 也降低，也降低，)()(112yfKyfyyK第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)溫度較低時(shí)，由于溫度較低時(shí)，由于 數(shù)值較大，數(shù)值較大， 1，此時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響要大于對(duì)，此時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響要大于對(duì) 的影響，總的結(jié)果，溫度升高，反應(yīng)速的影響，總的結(jié)果，

13、溫度升高，反應(yīng)速率提高。率提高。yK)()(112yfKyfy)()(112yfKyfy)y(fK)y(f)y(fkryA12111第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)隨著溫度的升高，隨著溫度的升高， 的影響越來(lái)越顯著，的影響越來(lái)越顯著，也就是說(shuō)，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率隨溫度的也就是說(shuō)，隨著溫度的升高，反應(yīng)速率隨溫度的增加量越來(lái)越小，當(dāng)溫度增加到一定程度后，溫增加量越來(lái)越小，當(dāng)溫度增加到一定程度后，溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)和平衡常數(shù)的影響相互抵消，度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)和平衡常數(shù)的影響相互抵消，反應(yīng)速率隨溫度的增加量變?yōu)榱?。反?yīng)速率隨溫度的增加量變?yōu)榱?。yK隨著溫度的增加，由于溫度對(duì)平衡常數(shù)的影隨著溫

14、度的增加，由于溫度對(duì)平衡常數(shù)的影響發(fā)展成為矛盾的主要方面，因此，反應(yīng)速率隨響發(fā)展成為矛盾的主要方面，因此，反應(yīng)速率隨溫度的增加而降低。溫度的增加而降低。0yATr0yATr)y(fK)y(f)y(fk)y(fk)y(fkryA121122111第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)0yATrTrA0yATr0yATr把上面關(guān)系繪成把上面關(guān)系繪成rA與與T的曲線圖如下：的曲線圖如下：反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系曲線反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系曲線最佳溫度最佳溫度第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)最佳溫度：最佳溫度：最佳溫度曲線：最佳溫度曲線： 對(duì)于一定的反應(yīng)物系組成，某一可逆放熱反應(yīng)對(duì)于一定的反應(yīng)物系組成，

15、某一可逆放熱反應(yīng)具有最大反應(yīng)速率的溫度稱為相應(yīng)于這個(gè)組成的最具有最大反應(yīng)速率的溫度稱為相應(yīng)于這個(gè)組成的最佳溫度。佳溫度。 相應(yīng)于各轉(zhuǎn)化率的最佳溫度所組成的曲線，稱相應(yīng)于各轉(zhuǎn)化率的最佳溫度所組成的曲線，稱為最佳溫度曲線。為最佳溫度曲線。平衡曲線平衡曲線: 由各平衡溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率所組成的曲線，由各平衡溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率所組成的曲線，稱為平衡曲線。稱為平衡曲線。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)AexTAopxT對(duì)于縱坐標(biāo)對(duì)于縱坐標(biāo)xA和橫坐標(biāo)和橫坐標(biāo)T，若是最佳溫度曲線，若是最佳溫度曲線,則為則為對(duì)于縱坐標(biāo)對(duì)于縱坐標(biāo)xA和橫坐標(biāo)和橫坐標(biāo)T，若是平衡曲線，則為，若是平衡曲線，則為平衡溫度曲線

16、與最佳溫度曲線平衡溫度曲線與最佳溫度曲線平衡曲線平衡曲線溫度溫度轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率最佳溫度曲線最佳溫度曲線第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二氧化硫氧化反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率二氧化硫氧化反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率及溫度的關(guān)系圖及溫度的關(guān)系圖第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)a）當(dāng)轉(zhuǎn)化率不變時(shí)，存在著最佳反應(yīng)溫度；當(dāng)轉(zhuǎn)化率不變時(shí)，存在著最佳反應(yīng)溫度；b）轉(zhuǎn)化率增加時(shí)，最佳溫度及最佳溫度下的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率增加時(shí)，最佳溫度及最佳溫度下的反應(yīng)速率都降低。速率都降低。從圖中可以看出：從圖中可以看出：第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)根據(jù)：0yATrTREkyfTREkyfyfkyfkrggA220211012211e

17、xp)(exp)()()(TTTropyA代代替替于于零零，并并以以，對(duì)對(duì)上上式式求求導(dǎo)導(dǎo)，使使其其等等由由條條件件00exp)(exp)(222202121101opgopgopgopgTRETREkyfTRETREkyf1012021221)()(expkyfkyfTREEEEopg最佳溫度曲線的求解第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)egegTREkyfTREkyf22021101exp)(exp)(當(dāng)反應(yīng)處于平衡時(shí)，相應(yīng)的平衡溫度為當(dāng)反應(yīng)處于平衡時(shí)，相應(yīng)的平衡溫度為Te，此時(shí)此時(shí)rA=0，則有：則有：10120212)()(expkyfkyfTREEeg0exp)(exp)()()(

18、220211012211TREkyfTREkyfyfkyfkrggA第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)egopgTREETREEEE121221ln2112ln11EETTREEeopg1ln1ln121122112EEEETRTTEEEERTegeegopegopgTREETREEEE121221expexp結(jié)合上面分析的兩種情況得：結(jié)合上面分析的兩種情況得：等式兩邊取自然對(duì)數(shù)等式兩邊取自然對(duì)數(shù)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)下面是兩個(gè)反應(yīng)的下面是兩個(gè)反應(yīng)的T-XT-X圖，圖中圖，圖中ABAB是平衡曲線，是平衡曲線，NPNP是最佳溫度曲線，是最佳溫度曲線，AMAM是等溫線，是等溫線

19、，HBHB是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答：是等轉(zhuǎn)化率線。根據(jù)下面兩圖回答：（1 1） 是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？是可逆反應(yīng)還是不可逆反應(yīng)？（2 2） 是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)？（3 3） 在等溫線上，在等溫線上，A,D,O,E,MA,D,O,E,M點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？點(diǎn)中哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最小？（4 4） 在等轉(zhuǎn)化率線上，在等轉(zhuǎn)化率線上，H,C,R,O,FH,C,R,O,F及及B B點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？點(diǎn)中，哪一點(diǎn)速率最大，哪一點(diǎn)速率最??？（5 5） 在在C,RC,R兩點(diǎn)中，誰(shuí)的速率大？?jī)牲c(diǎn)中，誰(shuí)的速率大？（6 6） 根據(jù)圖中所給

20、的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大？根據(jù)圖中所給的十點(diǎn)中，判斷哪一點(diǎn)速率最大？解：解：（1 1）可逆反應(yīng)）可逆反應(yīng) （2 2）放熱反應(yīng)）放熱反應(yīng) (3)M(3)M點(diǎn)速率最大，點(diǎn)速率最大，A A點(diǎn)速率最小點(diǎn)速率最小 (4)O (4)O點(diǎn)速率最大，點(diǎn)速率最大，B B點(diǎn)速率最小點(diǎn)速率最小 (5)R(5)R點(diǎn)速率大于點(diǎn)速率大于C C點(diǎn)速率點(diǎn)速率 (6)M(6)M點(diǎn)速率最大點(diǎn)速率最大第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4.2 4.2 溫度對(duì)多重反應(yīng)速率的影響溫度對(duì)多重反應(yīng)速率的影響一、平行反應(yīng)一、平行反應(yīng)考察溫度對(duì)主副反應(yīng)的影響考察溫度對(duì)主副反應(yīng)的影響考察溫度對(duì)主反應(yīng)收率和選擇率的影響考察溫度對(duì)主反應(yīng)收率和

21、選擇率的影響 設(shè)等溫、等容的條件下有下列兩個(gè)均為不可逆的平行設(shè)等溫、等容的條件下有下列兩個(gè)均為不可逆的平行反應(yīng)，目的產(chǎn)物為反應(yīng)，目的產(chǎn)物為A2A1 A2k1A1 A3k2A1 + A2 A3k1A1 + A2 A4k1第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)物產(chǎn)物A2和和A3的生成速率可分別表示為：的生成速率可分別表示為：1122ckdtdcr1233ckdtdcr反應(yīng)物反應(yīng)物A1反應(yīng)速率可表示為：反應(yīng)速率可表示為：12112113211)(ckkckckrrdtdcr第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)如反應(yīng)的初始條件為如反應(yīng)的初始條件為:t=0時(shí)，時(shí)，c1=c10，c20=c30=0積分

22、上式可得：積分上式可得：)(exp21101tkkcc分別代入到分別代入到r2和和r3的生成速率式中積分可得：的生成速率式中積分可得：)(exp121211012tkkkkckc)(exp121211023tkkkkckc12112113211)(ckkckckrrdtdcr第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)反應(yīng)物反應(yīng)物A1的轉(zhuǎn)化率為：的轉(zhuǎn)化率為：)(exp1)(exp2110211010101101tkkctkkcccccX第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物A2的收率為：的收率為：)(exp1)(exp1212111021211011022tkkkkkctkkkkck

23、ccY目的產(chǎn)物目的產(chǎn)物A2的選擇率為：的選擇率為：211211010212110111022)(exp)(exp1kkktkkcctkkkkckcccS第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)TREEkkTREkTREkTREkkkkSgggg2110202201101102112exp11expexpexp把反應(yīng)選擇率變?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)可得：把反應(yīng)選擇率變?yōu)闇囟鹊暮瘮?shù)可得：第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)分析討論：分析討論：（1）若主反應(yīng)活化能）若主反應(yīng)活化能E1大于副反應(yīng)活化能大于副反應(yīng)活化能E2時(shí)，時(shí)，溫度升高，反應(yīng)的選擇率溫度升高，反應(yīng)的選擇率S2增加，并且目的產(chǎn)物的增加，并且目的產(chǎn)物

24、的收率收率Y3也相應(yīng)增加。也相應(yīng)增加。這種情況，為使收率和選擇率較高，通常采用高溫這種情況，為使收率和選擇率較高，通常采用高溫反應(yīng)。反應(yīng)。（2）若）若E1 E2，溫度升高，溫度升高，S2降低，需采用較降低，需采用較低溫度，才能獲得較高目的產(chǎn)物低溫度，才能獲得較高目的產(chǎn)物A2的收率，但的收率，但在隨著溫度的降低，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率在隨著溫度的降低，關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率X1降低。降低。這種情況存在一個(gè)最佳溫度的選擇。這種情況存在一個(gè)最佳溫度的選擇。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二、連串反應(yīng)二、連串反應(yīng)設(shè)連串反應(yīng)：設(shè)連串反應(yīng)：APS （均為一級(jí)反應(yīng)）k1k2假定：假定：1.1.計(jì)量系數(shù)為計(jì)量系數(shù)為

25、1 1 2. 2.均為等溫定容反應(yīng)均為等溫定容反應(yīng)第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)各反應(yīng)組分的速率方程：各反應(yīng)組分的速率方程：AAACkdtdCr1PAPPCkCkdtdCr21PSSCkdtdCr2exp10tkCCAA第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)dtCkdttkCkdCPAP2101)exp(乘以)exp(2tktdtkkCkdttkCkdCtkAPP)exp()exp()exp(1201222tdtkkCktkCdAP)exp()exp(12012 1)exp()exp(12120102tkkkkCkCtkCAPPPAPAPCktkCkCkCkdtdC210121)exp

26、(第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)物料衡算物料衡算)()(000PPAASSCCCCCC 1)exp()exp()exp()exp(1 20211201100tkCtktkkkCktkCCCPAASS當(dāng)原始反應(yīng)混合物中無(wú)當(dāng)原始反應(yīng)混合物中無(wú)P P和和S,S,則則)exp()exp()exp(21120120tktkkkCktkCCAPP第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ))exp()exp(211210tktkkkkCCYAPP1212210)exp()exp(1kktkktkkCCYASS根據(jù)上式可作出各組份濃度隨時(shí)間變化根據(jù)上式可作出各組份濃度隨時(shí)間變化曲線曲線存在存在 求出相應(yīng)最

27、大濃度時(shí)的求出相應(yīng)最大濃度時(shí)的t toptopt 1012121)/ln(kkkkktopt式中式中: :k k1010為串聯(lián)反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)平均值為串聯(lián)反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)平均值, 0dtdCP第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)不可逆串聯(lián)反應(yīng)的濃度分布和產(chǎn)物分布圖不可逆串聯(lián)反應(yīng)的濃度分布和產(chǎn)物分布圖10第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ))(210max,max.122kkkAPPkkCCY對(duì)于這種一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng)對(duì)于這種一級(jí)不可逆串聯(lián)反應(yīng), ,由由求得值求得值k k1 1, ,exp10tkCCAA122)(210max,kkkAPkkCC可求得：可求得：計(jì)算計(jì)算k k1 1及及

28、k k2 2的方法：的方法：1012121)/ln(kkkkktopt而后從而后從t topt opt 計(jì)算計(jì)算k k2 2。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)分析討論：分析討論：(1)(1)如果目的產(chǎn)物是如果目的產(chǎn)物是S S，則則S S的生成量應(yīng)盡可能大，的生成量應(yīng)盡可能大，P P生成量應(yīng)盡可能減小。生成量應(yīng)盡可能減小。通過(guò)升高溫度，通過(guò)升高溫度，k k1 1和和k k2 2都增大，可以達(dá)到目的。都增大，可以達(dá)到目的。（2 2）如果目的產(chǎn)物是）如果目的產(chǎn)物是P P，由組分由組分P P的收率與反應(yīng)物的收率與反應(yīng)物A A的轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速率常數(shù)之比的關(guān)系圖可知：的轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)速率常數(shù)之比的關(guān)系

29、圖可知：轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，轉(zhuǎn)化率一定時(shí)，P P的收率總是隨著的收率總是隨著k k2 2/k/k1 1值的增加而值的增加而減小，減小，S S的收率總是隨著的收率總是隨著k k2 2/k/k1 1值的增加而增加。值的增加而增加。第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)k k2 2/k/k1 1僅為溫度的函數(shù)僅為溫度的函數(shù)可以通過(guò)考察溫度與可以通過(guò)考察溫度與k k2 2/k/k1 1的關(guān)系的關(guān)系考察考察k k2 2/k/k1 1與收率的關(guān)系與收率的關(guān)系考察溫度與收率的關(guān)系考察溫度與收率的關(guān)系TREEkkkkg21010212exp若若E E1 1 E E E2 2，溫度升高溫度升高，比值比值k k2 2/

30、k/k1 1減小，減小，Y YP P增大，增大，Y YS S減小，如果目的產(chǎn)物是減小，如果目的產(chǎn)物是P P，采用高溫有利；采用高溫有利；第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及基本設(shè)計(jì)方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及基本設(shè)計(jì)方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容選擇合適的反應(yīng)器型式選擇合適的反應(yīng)器型式 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性+ +反應(yīng)器的流動(dòng)特征反應(yīng)器的流動(dòng)特征+ +傳遞特性傳遞特性確定最佳的工藝條件確定最佳的工藝條件 最大反應(yīng)效果最大反應(yīng)效果+ +反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性 進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和最終進(jìn)口物料的配比、流量、反應(yīng)溫度、壓力和

31、最終轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率計(jì)算所需反應(yīng)器體積計(jì)算所需反應(yīng)器體積 規(guī)定任務(wù)規(guī)定任務(wù)+ +反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)the mass balance equationthe energy balance equationthe momentum balance equation講過(guò)講過(guò)計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算反應(yīng)體積計(jì)算溫度變化計(jì)算溫度變化計(jì)算壓力變化計(jì)算壓力變化the kinetic equation第一章 應(yīng)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)間歇反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器：反應(yīng)器中濃度均勻，可對(duì)整個(gè)反應(yīng)器做物料衡算。對(duì)于物料濃度沿軸向分布的反應(yīng)器：選取反應(yīng)器微元體積為基準(zhǔn)，在微元體積中溫度和濃度均勻，對(duì)微元體積物料衡算，再加