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化学反应工程第二章

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湘潭大学化学反应工程专业课考研复习课件 第2章均相反应动力学2

湘潭大学化学反应工程专业课考研复习课件 第2章均相反应动力学2

三、化学反应速率 r 的定义
定义：单位时间、单位反应体积、关键组分A的摩尔数变化量称 为A组分的反应速率。
反应
rA
dnA Vdt
AABB SS PP
rB
dnB Vdt
rS
dnS Vdt
rP
dnP Vdt
式中：t为时间，nA、nB、nR和nS分别为反应时间t时候组分A、B、 R和S的摩尔数；V为反应体积；rA、rB、rR、rS分别为组分A、B、 R和S的反应速率。
2NO＋H2 k1 N2＋H2O2 （控制步骤） （3）
H2O2＋H2 k2 2H2O（快速）
（4）
将(3)、(4)式相加即可得式(1)，即按该机理的最终反应
结果，各组分之间量的变化关系仍满足计量方程。同时，
反应机理假定反应(3)为速率控制步骤，∴
rN2
r
1
k1C
2 NO
C
H
2
(5)
上式与实验结果是相一致的。所以，机理(Ⅰ)可以用来解 析实验现象。
机理(Ⅱ)：设反应(1)由下述三个基元反应所构成，即
2NO
N2O2 (快速)
N2O2＋H2 k5 N2＋H2O2 （控制步骤）
H2O2＋H2 k6 2H2O （快速）
上述三式之和满足计量关系，
(6) (7) (8)
式(7)为速率控制步骤，得：
rN2 r5 k5C N2O2 CH2
(9)
式(3)达“拟平衡态”，得
ⅱ.对CA0＝CB0情况， rA
dCA dt
k CA2
，积分式同于③
ⅲ.对B过量CA0<<CB0情况，在整个反应过程CB≈CB0，
rA
dCA dt

化学反应工程-第2章

化学反应工程-第2章
rA
移项并积分得：
dCA kCA a CB b dt
CA 0
kt

dCA CA mCBn
CA
这时假设a，b分别为m， n ，则以时间t为横 坐标，以积分项 C

A0
CA
dC A m n C A CB
为纵坐标，当以具体数据代入时，作图就可 以得到斜率为k的直线。如果得到直线，则表明此 动力学方程是适合于所研究的反应的。若得到曲 线，则表明此动力学应被排除，应该重新假设a， b的值而加以检验。
即：
ln
C Ae
C A0 C Ae C A C Ae
1 k1 1 t K
代入2-20式得：
将实验测得的CA-t数据，按照上式 C
ln
C A0
A
C Ae C Ae
与t作图可以得一条直线，斜率为k1+k2, 又因为k1/k2可知，因此可以求出 k1,k2 值。
2.2 等温恒容过程 ⑵ 反应转化率
第二章 均相反应动力学基础
反应物A的转化率可以用下式定义
反应物A的转化量 n A 0 n A xA ＝ A的起始量 n A0
注意： ① 转化率恒为正。 ② 反应物一般指关键反应物（限制反应物、着眼反应物）， 其是以最小化学计量量存在的反应物。 ③ 根据nA0的选择不同，有单程转化率（以反应器进口物料 为基准，如氨合成过程的合成塔进口循环气。）和总转化率 （以过程进口物料为基准，如氨合成过程的新鲜气。）。
如果cA0远远小于cB0，cB在全部反应时间里近似 于不变，则二级反应可以作为拟一级反应处理。
适用范围：
利用积分法求取动力学方程式的过程， 实际上是个试差的过程，它一般在反应级 数是简单整数时使用。当级数为分数时， 试差就比较困难，这时应该用微分法。 其他不可逆反应动力学方程式的 积分式见书上表2-4.

化学反应工程(第三版)第二章

化学反应工程(第三版)第二章

得
dnA Vdt
12.34cA2
[mol/L h]
14
2.2 单一反应速率式的解析
反应速率的定义式是微分式，将其与动力学方程关联并积分，可
得到反应物浓度随时间变化的关系。该过程称为反应速率式的解析。
本节介绍等温、恒容、间歇操作条件下单一反应速率式的解析。
2.2-1 不可逆反应
一、一级不可逆反应
A
5
2.1 基本概念及术语
二、膨胀因子（气相反应）
物理意义：每消耗1mol反应物K，引起整个物系总物质的量的变化。
（1）由化学计量式计算
K
i K
（2-1-16）
（2）由总物料衡算计算
K
n n0 nK 0 xK
n n0 n0 yK 0 xK
（2-1-17）
整理得
n n0 (1 K yK 0 xK )
行分析的基本依据。
9
2.1.2 均相反应动力学方程
解：将Arrhenius式取对数，则有
E ln k RT ln k0
由式可见，lnk与1/T之间为线性关系。整理表2.1-1中数据可得
10
lnk
B
-7.2
-7.4
-7.6
-7.8
-8.0
-8.2
-8.4
2.30
2.32
2.34
2.36
2.38
nk nk0 (1 xk )
则组分A的反应速率可用转化率表示为：
(rA )
dnA Vdt
nA0 V
dxA dt
恒容条件下
(rA )
cA0
dxA dt
讨论：转化率是衡量反应物转化程度的量，若存在多种反应物

化学反应工程第二章习题答案

化学反应工程第二章习题答案

化学反应工程第二章习题答案化工103班2-1银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应2CH3OHO22HCHO2H2O2CH3OH3O22CO24H2O进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸气=2：4:1.3（摩尔比），反应后甲醇转化率达72％，甲醛的收率为69.2%，试计算：（1）反应的总选择性；（2）反应器出口组成。

解：根据甲醇：空气：水蒸气=2：4:1.3（摩尔比），以100mol进料为基准设χy分别为HCOH和co2生成量2CH3OHO22HCHO2H2O2CH3OH3O22CO24H2O对上式积分(n1)kct1cn1kcAcn1AOn111cn1n1AcA①0①式为无量纲对数形式可判别出kc的单位molm3n1kt111同理pn1pn1n1kn11ApAp的单位pa02-4在间歇反应器中进行等温二级、一级、零级均相反应，求出转化率由0变为0.9所需的时间，与转化率由0.9变为0.99所需时间之比。

解：等温二级反应111kt1ckt21AcA0cA2cA某A0.9某A0.999t190A0kcA0t1:t21:10等温一级反应ktlncA0cAln10同上解得t1t2kt1:t21:1等温零级反应ktcA0cA同上解得t10.9cA0A0kt20.09ck10:12-5某一反应在间歇反应器中进行，经8min后反应物转化了80%，经过18min后转化了90%，求表达此反应的动力学方程。

解dnrAAVdt积分后：tcA0dcArACcA0dcAcAcAn111n1n1AkcAkn1cA0cAt8min某A180%t18min某A290%28111kn1cn1cn1n1A0A01某A11811kn1cn11n1n1A0cA01某A2n2r2AkcA2-6某一气相一级反应A2RS，在恒温、恒压的实验反应器中进行，原料含75%A及25%惰性气体（摩尔比），经8min后其体积增加一倍。

求此时的转化率及该反应在此温度下的速率常数。

化学反应工程第二章

化学反应工程第二章

nA = nA0(1− xA )
亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数 可得到任意组分在任意时刻的摩尔数 αI nI = nI0 + nA0xA (−αA )
7
1.计算转化率起始状态的选择： 计算转化率起始状态的选择： 计算转化率起始状态的选择 反应起始原料组成； （1）间歇反应器 ：反应起始原料组成； ） （2）连续流动反应器：进口原料组成； ）连续流动反应器：进口原料组成； 2.等容反应 CA=CA0(1- XA) 等容反应 3.可逆等容反应 CAe=CA0(1- XAe) 可逆等容反应 4.单程转化率：原料通过反应器一次达到 单程转化率： 单程转化率 的转化率 5.全程转化率：新鲜原料进入反应系统到 全程转化率： 全程转化率 离开系统所达到的转化率。 离开系统所达到的转化率。
4
(－a)A + (− b)B +L+ rR+ sS +L= 0
a A A + a B B + L + a R R + aS S + L = 0
∑a I = 0
I
•特点： 特点： 特点 •1 只反映组份间的计量关系 •2 乘以非零常数，计量关系不变 乘以非零常数， •3 不得含有除 之外的其它公因子 不得含有除1之外的其它公因子
• 必有
1 1 − rA = (− rB ) = (rC ) = (rD ) 2 2
−r I r= −αI
• 当I为反应物时， 为反应物时， 为反应物时 • I为产物时， 为产物时， 为产物时
r=
αI
19
r I
• 用转化率表示反应速率： 用转化率表示反应速率： nA0 dx A kmol －rA = 一般式 3 V dt m s • 用浓度表示反应速率： 用浓度表示反应速率：

化学反应工程第二章

化学反应工程第二章
V
1 1 - xA kt
=
nA0
CA nA
CA C A0
=1 - x A
ln
ln
1 1 - xA
斜率﹦k 或
ln
C A0 CA
t
二级不可逆反应 A﹢B→产物
若 CA0﹦CB0
CA
( rA ) kC A
2
dC A dt
kC A C B

dC A dt


1 CA

dC A CA
2.13 93 k 5.02 86.8 k 0.0181 0.0309 1 2.13 K 1 5.02 K B B
2
2
2
9.58 89.3 k 6.46 86.3 k 0.0408 0.0338 1 9.58 K 1 6.46 K B B 3.3 92.2 k 0.0263 1 3.3 K B
第2章 均相反应动力学基础
2.1 概述
均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均 处同一个相内进行的化学反应。
烃类的高温裂解为气相均相反应，酸碱中 和、酯化反应为典型的液相均相反应。
2.1.1化学反应速率及其表示
化学反应速率 ：单位时间、单位反应体积、组分A 的摩尔数变化量称为A组分的反应速率。 例 反应物
1 xA C A0 1 xA
斜率﹦k 或
1 CA

1 C A0
t
若 CA0≠CB0 ,设β﹦ CB0 ／CA0

dC A dt
kC A C B

CA

化学反应工程__第2章_理想反应器讲解

化学反应工程__第2章_理想反应器讲解

平推流反应器（活塞流、理想置换反应器） Plug Flow Reactor(PFR)（无返混）
2020年8月15日星期六
返 混：不同停留时间的粒子间的混合 平推流：反应物料以相同的流速和一致的方向进行移动，
所有的物料在器内具有相同的停留时间。
2020年8月15日星期六
第一节 间歇反应器
1 物料衡算 2 热量衡算 3 反应容积的计算 4 间歇反应器的最优操作时间
例题2- 1
用间歇反应器进行乙酸和乙醇的酯化反应，每天生
产乙酸乙酯12000kg，其化学反应式为：
k1
CH3COOH C2H5OH
CH3COOC2H5 H2O
k2
原料中反应组分的质量比为A:B:S=1:2:1.35, 反应液的
密度为1020kg/m3, 并假定在反应过程中不变，每批装
料，卸料及清洗等辅助操作时间为1h，反应在100℃
Kg/m3)；
△Hr----反应焓变(KJ/Kmol)；
Tm----冷却（或加热）介质的温度（K）
对于恒容过程：
dT dt
dxA dt
UA CvV
(Tm
T)
（操作方程）
式中： ( H r )C A0 （物理意义：最大温升） Cv
对于恒容变温操作的间歇反应器的设计计算，就是联立设计方 程、操作方程及动力学方程式求解的过程。
11 ln
k 1 xA
VRv(tt0)v( 1 kln
1 1 xA
t0)
Return
◇2热量衡算
变温操作（绝热操作和变温（非等温非绝热））
要求反应时间，需要对反应器进行热量衡算。 由于间歇反应器任何瞬间都具有相同的温度，可就整个反 应器进行热量衡算：

化学反应工程-第二章 复合反应与反应器选型

化学反应工程-第二章 复合反应与反应器选型
VR 4 0.537 2.15m3
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，

化学反应工程第二章解析

化学反应工程第二章解析

第二章 均相反应动力学基础均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。

在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度一、计量方程反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。

计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。

二、化学反应速率单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。

反应物：生成物：对于反应三、化学反应速率方程r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。

32223NH H N =+032223=--N H NH A A Adn r Vd d t C dt=-=-R R Rdn r Vdt dC dt==A B S R A B S Rαααα+=+SABRABSRr r r r αααα===AA AB r [k (T)][f(C ,C ,)]=有两类；双曲函数型和幂函数型。

k -化学反应速率常数； a(b)-反应级数。

(1)反应级数(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。

(2)反应速率常数k[k]: s -1·(mol/m 3)1-nE ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。

E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。

k 0 —指前因子,其单位与 反应速率常数相同；E— 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。

a b A A B r kC C=2220.512H Br HBrHBrBr k c c r c k c =+0exp[]E k k RT=-01ln ln E k k R T=-⨯ln klnk 0 slop=-E/R1/T⏹ 反应速率的温度函数关系● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。

《化学反应工程》(朱炳辰 第四版)课后习题第二章 答案详解

《化学反应工程》(朱炳辰 第四版)课后习题第二章 答案详解

10
15
C
2 A
(
RT
)2
mol
/(g s)
7.696
10 15
8.314
2
773 2
10
12
C
2 A
3.1787
10
5
C
2 A
[
mol
/( g
s)]
k w 3.1787 10 5 [cm6 /(mol g s)]
kV P kw 0.8 3.1787105[cm3 /(mol s)]
2-7
西南科技大学应化 0902
2011-10-31
解：由
dcA dt
k cA K cA
可得， ( K
k
1 . cA
1 k )dcA
dt
即，
K k
lnc A
1 k
cA
t
代入表格中数据有， K ln 1 1 (1.0 10.0) 7.45103
k 10.0 k
K ln 0.25 1 (0.25 10.0) 9.56103 k 10.0 k
化学反应工程朱炳辰第四版课后习题第二章答案详解
西南科技大学应化 0902
2011-10-31
《化学反应工程》教材 P75-76 作业参考答案
2-5 解：（1）分别写出 a、c 为控制步骤的均匀吸附动力学方程；
(a) (1) rA＝raA rdA＝kaA pA0 kdA A
(2)
0＝1＋bA
1 pA＋bB
1
n
yj yAN j / NA
n
y j 0.09
17 / M j
即 DAm
jA
DAj
jA

化学反应工程课件-PPT

化学反应工程课件-PPT

k/
k
K
1/ p
E
E
1
H
r
ln
k
ln
k
1
ln
K
p
d ln k dT
d ln k dT
1
d ln K p dT
1
H r 1R4T 2
E
E
1
H r
对于吸热反应，ΔHr>0 对于放热反应，ΔHr<0
EE
EE
●反应 速率与 温度的 关系
r k f (X A) k g(X A)
r
dk
dk
( T ) xA f ( X A ) dT g( X A ) dT
kcA0 (1 X A ) (cB0
B A
cA0 X A )
(2.48)
XA——t
● 变
AA BB PP
ci
ni V
XA
容
过 程
* rA kcAcB
1 V
dnA dt
kcA cB
30
AA BB PP
组分
A B
反应前(XA=0)
nA0
1 j A1 2 j A2 ij Ai 0 rj
1M A1 2M A2 iM Ai 0 rM
M
i ij r j (*) j 1
rj
？
i
●忽略次要反应，确定独立反应数M；
●测M个组分的 i
●对每个组分按（*）式,建立M个线 性方程；
●求解代数方程组，得 rj.
22
例：乙苯催化脱氢反应可以用下列方程式表示
不受其他反应的反应组分浓度的影响。
特殊 情况
●多相催化反应； ●变容气相反应.

均相反应的动力学基础

均相反应的动力学基础

均相反应的动力学基础化学反应工程第二章均相反应动力学基础1§2.1基本概念和术语若参于反应的各物质均处同一个相内进行化学反应则称为均相反应。

均相反应动力学：研究各种因素如温度、催化剂、反应物组成和压力等对反应速率、反应产物分布的影响，并确定表达这些影响因素与反应速率之间定量关系的速率方程。

§2.1.1化学计量方程化学计量方程：表示各反应物、生成物在反应过程中量的变化关系的方程。

一个由S个组分参予的反应体系，其计量方程可写成：Si1iAi0式中：Ai表示i组分，i为i组分的计量系数。

通常反应物的计量系数为负数，反应产物的计量系数为正值。

注意：1．计量方程本身与反应的实际历程无关，仅表示由于反应引起的各个参予反应的物质之间量的变化关系。

2．规定在计量方程的计量系数之间不应含有除1以外的任何公因子。

这是为了消除计量系数在数值上的不确定性。

单一反应：只用一个计量方程即可唯一给出各反应组分之间量的变化关系的反应体系。

复杂反应：必须用两个或多个计量方程方能确定各反应组分之间量的变化关系的反应体系例如，合成氨反应的计量方程通常写成：N23H写成一般化的形式为：N23H而错误的形式有：2N26H2222NH32NH304NH30§2.1.2反应程度和转化率反应程度是各组分在反应前后的摩尔数变化与其计量系数的比值，用符化学反应工程第二章均相反应动力学基础2号ξ来表示，即：n1n10nini0nknk01ik或写成：nini0ii1．不论哪一个组分，其反应程度均是一致的，且恒为正值。

2．如果在一个反应体系中同时进行数个反应，各个反应各自有自己的反应程度，则任一反应组分i的反应量应等于各个反应所作贡献的代数和，即：Mnini0j1ijj其中：M为化学反应数，ij为第j个反应中组分I的化学计量系数。

转化率是指某一反应物转化的百分率或分率，其定义为：某某一反应物的转化量该反应物的起始量nk0nknk01．如果反应物不只一种，根据不同反应物计算所得的转化率数值可能是不一样的，但它们反映的都是同一个客观事实。

化学反应工程 第二章2

化学反应工程 第二章2

• 定义参数Ѳj=Nj0/NA0=Cj0/CA0=yj0/yA0(与关键反 应物的进料比，feed condition） 所以， CB=[NB0-(b/a)NA0XA]/V=NA0[ѲB-（b/a)XA]/V CC= NA0[ѲC+（c/a)XA]/V CD= NA0[ѲD+（d/a)XA]/V 式中ѲB=NB0/NA0; ѲC=NC0/NA0 ; ѲD=ND0/NA0 • 下一步只需求V与XA的关系V（XA）即可得到 Cj=h(XA)
• • 对于二级反应（-rA)=kACACB,可以得到 (-rA)=f(XA)的表达式，即： （-rA)=kACACB=kACA02(1-XA)[ѲB-（b/a)XA]
{r}= mol体积-1时间-1
• 速率常数的单位
零级（n=0) –rA=kA {kA}=mol体积-1时间-1 一级（n=1) –rA=kACA {kA}=时间-1 二级（n=2）–rA=kACA2 {kA}= 体积mol -1时间-1 n级 –rA=kACAn {kA}= {C} 1-n时间-1
Part 2、化学计量
• A+b/aB c/aC+d/aD 取反应方程式中反应物A为计算基准,即其它物 质以1molA为基准。 2.2.1间歇式反应器 批式反应器主要用于特种化学品的生产，以 及用于实验室速率数据测定。 设反应物A在反应器中起始mol数为NA0 ，转化 率为XA，则反应掉的mol数为NA0XA，未反应的mol 数为： NA=NA0-NA0XA=NA0(1-XA)
• δA: 膨胀因子，关键组分A消耗1mol时，引 起反应物系摩尔数的变化量。对于恒压的 气相反应，摩尔数的变化导致反应体积变 化。δA>0是摩尔数增加的反应，反应体积 增加。δA<0是摩尔数减少的反应，反应体 积减小。δA=0是摩尔数不变的反应，反应 体积不变。

化学反应工程 第二章 均相反应动力学基础

化学反应工程 第二章 均相反应动力学基础

或者，
nK nK 0 (1 xK )
反应转化率和反应程度
以转化率表示的反应速率
rA
1 V
dnA dt
1 V
d[nA0(1 dt
xA )]
nA0 V
dxA dt
反应转化率和反应程度
反应程度
反应各组分在反应前后摩尔数的变化与其计 量系数的比值，即：
ni ni 0 i
不论对哪一组分，反应程度ξ均相同。
Example, THE ROCKET ENGINE
A rocket engine burns a stoichiometric mixture of fuel (liquid hydrogen) in oxidant (liquid oxygen). The combustion chamber is cylindrical, 75cm long and 60cm in diameter, and the combustion process produces 108kg/s of exhaust gases. If combustion is complete, find the rate of reaction of hydrogen and of oxygen.
for the volume of the person in
question
V person
75kg 1000kg / m3
0.075m 3
Next, noting that each mole of glucose
consumed uses 6moles of oxygen and
release 2816kJ of energy, we see that
the reaction equation

化学反应工程课件—第二章（反应速率）（ＰＤＦ）

化学反应工程课件—第二章（反应速率）（ＰＤＦ）
2009-5-3
1
第二章 反应动力学基础
讲授内容
1 基本概念 2 单一反应速率式 3 复合反应 4 链锁反应
2009-5-3
2
2.1 基本概念
1 化学计量方程
本节 讲授 内容
2 化学反应速率的定义 3 转化率等重要概念
4 化学反应速率方程
4 反应机理与速率方程
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3
一、化学计量方程
100 − x / 2
100 − x / 2
解得： x = 1.504mol
y = 0.989mol
乙烯的转化量为 ：1.504 + 0.989 / 2 = 1.999mol
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所以，乙烯的转化率为： 1.999 /15 = 13.33%
环氧乙烷的收率为： 1.504 /15 = 10.03%
和反应后的摩尔数 yk0、yk为着眼组分K的 起始摩尔分率和反应后
yK
= yK 0 (1− xK )
1+ δK yK0xK
对于任何反应组分i有
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的总摩尔数
yi
= yi0(1− xi )
1+δK yK0xK
=
yi0
(1−
αi αK
yK0 yi0
xK )
1+δK yK0xK 27
δK
= n − n0 nK 0 − nK
意
算结果均是如此)，对于复杂反应Φ ≠ x
¾ 收率也有单程和全程之分（循环物料系统）
¾ 无论是收率还是选择性，还有其它的定义(结果不
一样，但说明同样的问题)
¾ 转化率x只能说明总的结果， Φ 说明在转化的反

化学反应工程第二章笔记

化学反应工程第二章笔记

均匀表面吸附 最基本的两类气-固相催化本征动力学模型 不均匀表面吸附动力学模型
均均吸表随附匀匀附面表在的表能吸面表覆，面力附覆面盖即吸，认盖活后E附即为率性a，。认相催的最吸随为同化增高附表催的剂加的所面化吸的而部需覆剂附活减分活盖的活性小，化率活化表，活能的性能面或性愈增表和的气高来加面吸吸体的愈而具附附组表大增有热能分面。加相不力首逐，同均是先渐E的匀不吸被d
化 学吸附本与征气动-固力相学催模化型反应
反应物被活性位吸附，成为活性吸附态
化学吸附的三个基本步骤 活产应性物，表，可面称以上为利活表用性面质吸化量附学作态反用组应定分。律进表行面化化学学反反应应，属生于成基活元性反态
活性吸附态产物的脱附
物理吸附的特征
由单约分分为子子2k间层J/m的吸o引附l〜力，2造也0 k成可J/，以m一是ol。般多没分有子明层显吸的附选，择热性效，应可较以小是，
单反内子位应扩”。时组散间分影内浓响等度的温及反催颗应化粒量剂内）颗表，粒面二中积者实计的际算比反的值应反称量应为小量“内于（扩按即散外不有表计效面入因
概述
催化剂内扩散有效因子
第二章
催化及固体催化剂
固曲关积体、，催内孔化壁道剂不所内光形含滑成有并的具相比有互内一交表定叉面孔，积径与Sg分其，布原m的料2/g孔及，道制远，备大孔方于道法外弯有表面 比孔容Vg mL/g，是每克催化剂内部孔道所占的体积。 孔隙率θ 催化剂孔道所占的孔隙体积与整个颗粒体积之比 概述 床层堆密度 是反应器中单位体积催化床所含固体催化剂的密度 颗粒密度或假密度 是含有孔道在内的单颗颗粒催化剂的密度，g/l催化剂 真密度或⻣架密度 是不含孔道的催化剂密度，g/l催化剂 称床层孔隙率 是之催比化剂床层中颗粒催化剂之间的空隙体积与床层体积

化学反应工程2(第二章-均相反应动力学基础)

化学反应工程2(第二章-均相反应动力学基础)

◆自催化反应：
特点：反应产物中某一产物对反应有催化作用，同时，为了使反应进
行 ， 常 事 先 加 入 一 定 浓 度 的 催 化 剂 C ， 设 浓 度 为 CC0 。
A+C2C+R……
设对各组分均为一级，则： rA
dCA dt
kCCCA
t=0, CA=CA0 CC=CC0 CR=CR0=0
continue
非等分子反应的膨胀因子及相关计算
膨胀因子：
K

1 K
s i1
i

n n0 n0yK0xK
K 的定义：
s
i Ai 0
i 1
的情况
每反应1mol的组分K所引起反应物系总摩尔数的变化量。
（举例：如合成氨的反应，求膨胀因子）
设关键组分K的转化率为xK，则：
yK
反应开始时总mol数（单位体积）：CM0= CA0+ CC0
两参数是无法积 分的，设法变为 单参数微分形式
任何时刻：CC=CC0+（CA0-CA）=CM0- CA
rA
dCA dt
kCA CM 0
CA
积分得C
MO
k
t

ln

C C
A CM 0 A0 CM
C A0 0 CA
●幂函数型
对反应：AA+BB
kC

LL+MM
l CMm

kC'
Ca' A
Cb' B
Cl' L
C m' M
若为不可逆反应，则：
rA

k
c

《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案

《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案

《化学反应工程》第三版(陈甘堂著)课后习题答案第二章均相反应动力学基础2－4三级气相反应2NO+O22NO2，在30℃及1kgf/cm2下反应，已知反应速率常数2kC=2.65×104L2/(mol2 s)，若以rA=kppApB表示，反应速率常数kp应为何值？解：原速率方程rA=dcA2cB=2.65×104cAdt由气体状态方程有cA=代入式（1）2－5考虑反应A课所以kp=2.65×104×(0.08477×303) 3=1.564后当压力单位为kgf/cm2时，R=0.08477，T=303K。

答p p 2rA=2.65×10 A B =2.65×104(RT) 3pApBRT RTp表示的动力学方程。

解：.因，wwnAp=A，微分得RTVdaw案24网pAp，cB=BRTRT3P，其动力学方程为( rA)=dnAn=kA。

试推导：在恒容下以总压VdtVδA=3 1=21dnA1dpA=VdtRTdt代入原动力学方程整理得wdpA=kpAdt设初始原料为纯A，yA0=1，总量为n0=nA0。

反应过程中总摩尔数根据膨胀因子定义δA=n n0nA0 nA若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cn.co（1）mol/[L s (kgf/cm2) 3]m（1）则nA=nA01(n n0)δA1(P P0)δA（2）恒容下上式可转换为pA=P0所以将式（2）和式（3）代入式（1）整理得2－6在700℃及3kgf/cm2恒压下发生下列反应：C4H10发生变化，试求下列各项的变化速率。

（1）乙烯分压；（2）H2的物质的量，mol；（3）丁烷的摩尔分数。

解：P=3kgf/cm2，（1）课MC4H10=58，（2）w.krC2H4=2( rC4H10)=2×2.4=4.8kgf/(cm2 s)PC4H10=PyC4H101 dpC4H10= P dt2.4-1==0.8 s 3w（3）nC4H10=nyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10)yC4H10dnH2dtdnH2dt=hdaw后n0=nC4H10,0=δC4H10rC4H10=反应开始时，系统中含C4H*****kg，当反应完成50%时，丁烷分压以2.4kgf/(cm2 s)的速率dyC4H10dt答1rCH=2.4224wdnC4H10dt案116×1000=2000mol582+1 1==21网dyC4H10=n0(1+δC4H10yC4H10,0xC4H10) dt=2000×(1+2×1×0.5)×0.8=3200 mol/s若侵犯了您的版权利益，敬请来信通知我们！Y http://.cno2C2H4+H2，dP=k[(δA+1)P0 P]=k(3P0 P)dtm（3）dpA1dP= dtδAdt2－9反应APS，( r1)=k1cA , ( r2)=k2cp，已知t=0时，cA=cA0 ，cp0=cS0=0, k1/k2=0.2。

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于是得到：
* f( C ) C C A A A * C — 平 衡 浓 度 A— * r k f ( C ) k ( C C ) A s A s A A * ( r ) = k S ( C C ) = k ( C C )S Ag G e A g A s s A s A i ζ
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
宏观动力学 气－固相催化反应速率，是反应物和反应产物在气相主体、 固体颗粒外表面和内表面上进行物理过程和化学过程速率 的“总和”，称之为总体速率。 气－固相催化反应动力学包含了物理过程和化学反应过 程，称之为宏观动力学，其速率称为总体速率。 本章主要内容 讨论 气－固相催化反应宏观动力学的基本理论，主要内 容有以下几方面。 1）催化剂颗粒内气体的扩散； 2）催化剂颗粒内扩散－反应过程的关联方法——内扩散 有效因子； 3）宏观动力学方程，或称之为总体速率方程的建立。
1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； 2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附 4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。
ห้องสมุดไป่ตู้ 第一节 气－固相催化反应的宏观过程
2－2 内扩散有效因子与总体速率 1.内扩散有效因子ζ 在催化剂颗粒内部，反应物的内扩 散过程和化学反应过程同时进行， 扩散－反应过程的表观结果是使A的 浓度下降，A的浓度分布见图2－1 当为等温过程，即整个颗粒上温度 是均匀的，颗粒外表面的浓度比颗 粒内部任一点的都要大，所以按颗 粒外表面浓度计算的反应速率最大， 越到颗粒内部越小。
CA
CA
g
CAS CAC 距离
0
Rp
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
ζ 的定义： 单颗粒催化剂上实际反应速率和按颗粒外表面浓度CAs计 算的理论反应速率之比值，称之为内扩散有效因子，或 内表面 利用率，记作ζ 。
ζ=
Si
k s f (C A ) ds
k s f (C As ) S i
式中，ks为按单位内表面积计算的催化反应速率常数； f( )为动力学方程中的浓度函数，CA随径向距离而变 化；Si为单位体积催化床中催化剂的内表面积。 上式中，分子项是催化剂颗粒内各活性点的反应速率 的总和，由于不可能建立f(CA)与S之间的函数关系， 分子项是无法解析计算的。
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
概述
在化工生产中，有许多重要的反应都是气－固相催化反应。
C H HO 4 2 C O H 2 N 3 H 2 2 C O 3 H 2 H C H O + HO 2 C H C H C N3 HO 2 2 C HO 3 H 2 N H 3
C HO + 0 .5 O 3 H 2
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
2.总体速率通式 在稳定状态下，反应组分A从气相主体扩散通过滞 流边界层到达颗粒外表面的速率和整个催化剂颗粒 的实际反应速率相等，即总体速率的通式如下：
式中：
(rA ) g
( r ) = k f () C S ζ = k S ( C C ) A g s A si G eA g A s
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
在稳定状态下，反应物由颗粒外表面扩散进入颗粒内 部的速率等于反应物在整个颗粒内部的反应速率，因 此，ζ 可以改写为
按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 梯 度 计 算 的 反 应 速 率 ζ = 按 反 应 组 分 外 表 面 浓 度 计 算 的 反 应 速 率
为总体速率； 为外扩散传质系数； 为单位床层体积颗粒的外表面积。
kG
S
e
上式又称为气－固相催化反应宏观动力学方程通式。
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
3.一级可逆反应的总体速率方程 颗粒的本征动力学方程若为一级可逆反应，则有下式：
f (C A) C A r C A k s f( A) kC s A (r k S C C A) g= G e( A g A s)=kC s A sS i ζ
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
2－1 气－固相催化反应过程中反应组分的浓度分布 设某反应的关键组分为A； 催化剂为球形，关径Rp；颗粒内活性组分均匀分布； 颗粒外表面有滞流边界层； A在气相主体、颗粒外表面、内表面的浓度分别为CAg 、 CAs、 CAc；平衡浓度为CA*。 外扩散过程 扩散推动力：CAg －CAs CA 是直线分布 扩散－反应过程 CA为内扩散过程和反应过程的表观浓度，是一条曲线。 在以后的学习过程中会得到证明。
3 C H C H C H N H 2 3 3 2O 2
从上述反应可以得出气－固相催化反应的特点。
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
反应特点 1）反应物和产物均为气体； 2）使用固体催化剂，具有惊人的内表面； 3）反应区在催化剂颗粒内表面。 反应步骤 反应区在颗粒内部，整个反应过程是由物理过程和化学反应 过程组成的，反应分5步进行。
* CAg CA (rA )g = 1 1 kG Se ks Si ζ
第一节 气－固相催化反应的宏观过程
上式的物理含义为：
过 程 的 总 推 动 力 () r = A g 外 扩 散 阻 的 力 " 内 扩 散 反 应 " 的 阻 力
多相催化化学反应过程步骤
⑴ ⑵ ⑶ ⑷ ⑸
A
cAS
cAG
⑹ ⑺
B
A （g）
B（g）
第二章 气－固相催化反应宏观动力学
1）反应物从气相主体扩散到颗粒外表面——外扩散； 2）反应物从颗粒外表面扩散进入颗粒内部的微孔道——内 扩散； 3）反应物在孔道的内表面进行化学反应，反应分三步串联 而成： 反应物在活性位上被吸附； 活性吸附态组分进行化学反应； 吸附态产物的脱附 4）反应产物从内表面上扩散到颗粒外表面； 5）反应产物从颗粒外表面扩散到气相主体。 第1、5步称为外扩散过程，第2、4步称为内扩散过程，第3 步称为本征动力学过程。 在颗粒内表面上发生的内扩散和本征动力学是同时进行的， 相互交织在一起，因此称为扩散－反应过程。