均相單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)1課件

1均相單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

和理想反應(yīng)器

前提條件：反應(yīng)是在均相中進(jìn)行相內(nèi)有良好的分子尺度混合溫度、濃度均勻一致

化學(xué)反應(yīng)速率：

-rA=-dnAdtV?1

基元反應(yīng)：指反應(yīng)物粒子在碰撞中相互作用直接轉(zhuǎn)變?yōu)樾庐a(chǎn)物的反應(yīng)。而反應(yīng)分子數(shù)是指各基元反應(yīng)中同時(shí)直接參加反應(yīng)所必需的反應(yīng)物粒子數(shù)目。若正反應(yīng)是基元反應(yīng)，逆反應(yīng)也是基元反應(yīng)。復(fù)雜反應(yīng)對(duì)于恒容過程：-dCAdt=dtV-dnA=-rA對(duì)于變?nèi)葸^程：

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程(基于剛性球碰撞模型提出的）

1.分子—?jiǎng)傂郧?.碰撞才反應(yīng)3.碰撞分子能量大于活化能才反應(yīng)半衰期（t1/2)：反應(yīng)轉(zhuǎn)化率從0變?yōu)?0%所需時(shí)間。常見簡單級(jí)數(shù)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)積分式：積分法確定動(dòng)力學(xué)方程注：對(duì)于簡單反應(yīng)，通過測(cè)定半衰期與反應(yīng)物濃度之間的變化關(guān)系并根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)積分表達(dá)式可以很容易求出反應(yīng)級(jí)數(shù)n和反應(yīng)速率常數(shù)k。微分法確定動(dòng)力學(xué)方程1、步驟：（1）在等溫下實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同時(shí)間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)（2）以t為橫坐標(biāo)，濃度c為縱坐標(biāo)作圖，繪出光滑曲線（3）測(cè)量各點(diǎn)斜率的方法進(jìn)行數(shù)值或圖解微分，得到各點(diǎn)反應(yīng)速率rA的數(shù)值（4）將不可逆反應(yīng)速率方程線性化，兩邊取對(duì)數(shù)，以IncA為橫坐標(biāo)，In(-rA)為縱坐標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖（5）所得直線的斜率為反應(yīng)級(jí)數(shù)n，截距為Ink。2、優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是可以得到非整數(shù)的反應(yīng)速率，缺點(diǎn)是繪圖時(shí)人為誤差較大，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算可以極大地降低人為誤差。過量法確定反應(yīng)速率與不同反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系，就是讓反應(yīng)物之一的濃度大大過量，使之在反應(yīng)過程中濃度基本不變反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)反應(yīng)器的三項(xiàng)任務(wù)：（1）根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性選擇合適的反應(yīng)器；（2）結(jié)合動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器兩方面特性來確定操作方式和優(yōu)化操作條件；（3）根據(jù)給定的產(chǎn)量對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算反應(yīng)器的分類（1）返混：反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不同的物料間均勻化過程。返混對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不存在影響，但對(duì)反應(yīng)速率的影響很大。（2）根據(jù)返混程度的不同反應(yīng)器被分為：間歇反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器和非理想流動(dòng)反應(yīng)器。反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)方程反應(yīng)器設(shè)計(jì)所涉及的基礎(chǔ)方程式包括：動(dòng)力學(xué)方程式、物料衡算式、熱量衡算式物料衡算方程單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入體積元的物料A量Fin[mol/s]單位時(shí)間內(nèi)排出體積元的物料A量Fout[mol/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元消失的物料A量Fr[mol/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元中物料A的積累量Fb[mol/s]

熱量衡算方程單位時(shí)間內(nèi)隨物料流入體積元的熱量Qin[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)隨物料流出體積元的熱量Qout[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元與周圍環(huán)境交換的熱量Qu[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元中化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)Qr[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元中積累的熱量Qr[kJ/s]時(shí)間的概念反應(yīng)時(shí)間：用于間歇反應(yīng)器，指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)到達(dá)所要求的反應(yīng)程度所需要的時(shí)間。停留時(shí)間t：指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。平均停留時(shí)間t：各流體微元從反應(yīng)器入口到出口所經(jīng)歷的平均時(shí)間?？臻g時(shí)間τ：反應(yīng)器有效容積VR與流體體積流率V0之比值。注：空間時(shí)間不是停留時(shí)間?？臻g速度SV：在單位時(shí)間內(nèi)投入單位有效反應(yīng)器容積內(nèi)的物料體積。即：等溫條件下理想反應(yīng)器設(shè)計(jì)分析間歇反應(yīng)器（BR，BarchReactor)多用于液相和液固相反應(yīng)方便靈活，小生產(chǎn)，多品種。有輔助時(shí)間，質(zhì)量不穩(wěn)定。手工操作多，不宜大型化，自動(dòng)化。通常用于產(chǎn)值高、批量小的精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)。特性反應(yīng)器內(nèi)各位置的物料溫度、濃度都相同物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間都相同平推流反應(yīng)器（PlugFlowReactor,PFR）：指通過反應(yīng)器的物料沿同一方向以相同速度向前流動(dòng)，象活塞一樣在反應(yīng)器中向前推進(jìn)，典型代表是湍流下的管式反應(yīng)器。管式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，無攪拌，單位體積傳熱面積大，轉(zhuǎn)化率高，連續(xù)操作，操作簡單，易放大。特性：流體以相同速度向前推進(jìn)，反應(yīng)物料無返混，物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間相等，即t=t；在垂直流動(dòng)方向的同一截面內(nèi)，不同徑向位置的流體特性相同；在定常態(tài)下操作，反應(yīng)器內(nèi)狀態(tài)只隨軸向位置改變，不隨時(shí)間變化。進(jìn)入量—排出量—反應(yīng)量=累積量注：可以看出平推流反應(yīng)器積分設(shè)計(jì)方程與間歇反應(yīng)器的非常相似，原因就是由于二者都不存在物料返混問題。平推流反應(yīng)器中物料停留時(shí)間t全混流反應(yīng)器（ContinuousStirred-TankReactor,CSTR）：反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)器后，能瞬間達(dá)到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等處處相同。全混流可以認(rèn)為返混為無限大。全混流反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)操作，有利于大規(guī)模生產(chǎn)，易于自動(dòng)控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。特性：流體在反應(yīng)器內(nèi)充分返混，返混程度最大；反應(yīng)器內(nèi)各處物料參數(shù)均一，調(diào)勻度為100%；反應(yīng)器出口組成與器內(nèi)物料組成相同；反應(yīng)過程中連續(xù)進(jìn)料和出料，是一定常態(tài)過程。非等溫條件下理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)間歇反應(yīng)器的熱量衡算單位時(shí)間內(nèi)隨物料流入體積元的熱量Qin[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)隨物料流出體積元的熱量Qout[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元與周圍環(huán)境交換的熱量Qu[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元中化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)Qr[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)體積元中積累的熱量Qr[kJ/s]單位時(shí)間內(nèi)物料流入的熱量=0單位時(shí)間內(nèi)物料流出的熱量=0單位時(shí)間內(nèi)體積元與周圍交換的熱量=KA(TW-T)單位時(shí)間內(nèi)體積元中化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)=VR(-rA)(-△Hr)單位時(shí)間內(nèi)體積元中積累熱量=則熱量衡算式為：（1）結(jié)合物料衡算方程及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：（2）（3）平推流反應(yīng)器的熱量衡算單位時(shí)間內(nèi)流入物料帶入熱=GcpT單位時(shí)間內(nèi)流出物料帶走熱=Gcp(T+dT)單位時(shí)間內(nèi)體積元與外界換熱=KA(TW-T)=Kπd(TW-T)dl單位時(shí)間內(nèi)體積元中反應(yīng)放熱=(-rA)(-△H)dVR單位時(shí)間內(nèi)體積元內(nèi)積累熱量=0熱量衡算式為：-GcpdT+Kπd(TW-T)dl+(-rA)(-△H)dVR=0平推流反應(yīng)器的物料衡算式：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式：（