化学反应工程-第二章化学动力学-1讲义

1－3多重反应系统中独立反应数的确定
求反应体系中独立反应的一般方法有: ① 观察法。适用于反应数较少的体系 ② 计量系数矩阵法 ③ 原子矩阵法 例： CH4 + H2O CO + 3H2 CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 CO + H2O CO2 + H2 可以看出，（1）＋（3）＝（2）
0 0 2
1 0 0
1 C
10
O N
行初等变换后：
H2 ,CO2 ,H2O,N2 ,CH4 ,CO
1 0 0 0 4 1 H H2
0
1
0
0
1
1
C
CO2
0
0
0 0
1 0
0 1
-2 0
-1
0
O N
H2O N2
于是获得：
CH4 = 4H2 + CO2 - 2H2O CO = H2 + CO 2 - H2O
② 计量系数矩阵法
写成矩阵
1 1 0
1 2 1
1 0 1
0 1 1
3 4 1
CH 4 H2O CO
CO2 H2
0 0 0
1 1 1 0 3 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1
1 1 1 0 3 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0
秩k=2, 有两个独立反应：
Simple and complex reaction system 单一反应(single react.)
简单反应体系一个参数即可决定组成 多重反应(multiple react.)
复杂反应体系需要多个参数 所需的参数个数 = 独立反应数。 独立反应是不能由其他反应线性组合而得到的反应。 例： CH4 + H2O CO + 3H2 CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 CO + H2O CO2 + H2
i Ai 0(i 1, 2,...n)
反应物取负值，生成物取正值
i 1
如果有m个反应同时进行，则第j个反应和总反应的化学计量式可分别表 达为
n
ij Ai 0(i 1, 2,...n)
i 1
11 21 ... n1 A1 0
12
22
...
n1
A2
0
... ... ... ... ... 0
① 选择关键组分： 所选择的CH4和 CO排在矩阵的最 后两列。
② 非关键组分应 包括所有元素。
1－4多重反应的收率及选择性 Yield Selectivity
1－1 化学计量式(stoichiometric equation)
表达反应组分间的数量关系，(联系chemical equation，拉瓦锡首创)
－N2－3H2＋2NH3=0
1 A1 2 A2 ..... .... n1An1 n An －SO2－0.5O2＋1.5SO3＝0
n
1 A1 2 A2 ..... n1 An1 n An 0
第一章 气-固相催化反应本征 及宏观动力学
本章内容
第一节 化学计量学 第二节 化学反应速率的表示方式 第三节 动力学方程 第四节 气固相催化反应本征动力学方程 第五节 温度对反应速率的影响 第六节 固体催化剂的失活
第一节 化学计量学
(stoichiometry)
化学计量学——以化学反应式形式表达的质量守恒定律， 用于计算某一时刻的化学组成和各组分的数量变化。 (not chemometrics) 对化学反应过程各参数进行计量 化学统计学(Chemometrics) 是一门化学与统计学、数学、 计算机科学交叉所产生的新兴的化学学科分支。它运用数学、 统计学、计算机科学以及其他相关学科的理论与方法，优化 化学量测过程，并从化学量测数据中最大限度地提取有用的 化学信息。
V
V0 (1
nA0 n0
xA A )
V V0 (1 A xA )
A＝
nA0 n0
A
Expansion ratio
膨胀率
等容条件下： A＝0， A＝0
CA
nA V
nA0 (1 xA ) V0 (1 A xA )
CA
nA V
nA0
(1 V0
xA
)
=CA0
(1
xA
)
1－3多重反应系统中独立反应数的确定
xA
nA0 nA nA0
nA nA0
A nA0
ξ>0,xA >0
1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子 extent of reaction, conversion, factor of expansion
三、化学膨胀因子
每转化掉1mol的反应物A时，反应混合物物质的量的 变化，用符号 A 表示。
第一节 化学计量学
计算化学(Computational Chemistry)——不同之点在于化学计 量学是以化学量测量为其基点，实质上是化学量测的基础理论 与方法学。 化学计量学——为化学量测提供理论和方法，为各类波谱及化 学量测数据的解析，为化学化工过程的机理研究和优化提供新 途径，它涵盖了化学量测的全过程，包括采样理论与方法、试 验设计与化学化工过程优化控制、化学信号处理、分析信号的 校正与分辨、化学模式识别、化学过程和化学量测过程的计算 机模拟、化学定量构效关系、化学数据库、人工智能与化学专 家系统等，是一门内涵相当丰富的化学学科分支。
1m
2m
...
nm
An
0
1-2 反应程度、转化率及化学膨胀因子 extent of reaction, conversion, factor of expansion
一、反应程度
ni ni0 i
二、转化率
AA BB RR 0
ni ni0 ni i
转化率＝ amount of A reacted total amount of A supplied
-CH4 -H2O + CO + 3H2 =0 -H2O – CO + CO 2 + H2 =0
③ 原子矩阵法
体系含有CO, H2O, H2, CH4, CO2, N2等6个组分, 其原子矩阵为
H2 CO2 H2O N2 CH4 CO
2 0 2 0 4 0 H
ji
0
0 0
1 2 0
0 1 0
对于反应：
n
i Ai 0(i 1, 2,...n)
i 1
则 A
1
A
n
i
i=1
三、化学膨胀因子
在恒温恒压下进行
A A BB LL M M
A
L A
＋M A
－1－B AA1ALMAB
n
n0
(nA ) A
n0
nA0 xA A
n0 (1
nA0 n0
xA A )
n PV RT
nV
n0 V0