1、第二章第二章 化學反應工程基礎化學反應工程基礎第一節第一節 化學反應和反應器分類化學反應和反應器分類第二節第二節 均相反應動力學均相反應動力學第三節第三節 理想反應器的設計理想反應器的設計第四節第四節 理想混合反應器的熱穩定性理想混合反應器的熱穩定性第五節第五節 連續流動反應器的停留時間分布連續流動反應器的停留時間分布第六節第六節 流動模型流動模型第七節第七節 停留時間分布與化學反應停留時間分布與化學反應3、連續流動反應器內流體流動的兩種理想形態連續流動反應器內流體流動的兩種理想形態平推流反應器平推流反應器理想混合流反應器理想混合流反應器平推流反應器平推流反應器反應物反應物A反應物反應物B 活

2、塞流反應器活塞流反應器生成物生成物R平推流反應器特點：平推流反應器特點：1 1、在穩態操作時，在反應器的每個截面上，物料、在穩態操作時，在反應器的每個截面上，物料濃度不隨時間變化。濃度不隨時間變化。2 2、所有物料質點在反應器中的停留時間都相同。、所有物料質點在反應器中的停留時間都相同。2 2、反應器內物料濃度沿著流動方向改變，故反應、反應器內物料濃度沿著流動方向改變，故反應速率隨空間位置改變，即反應速率的變化只限于速率隨空間位置改變，即反應速率的變化只限于反應器的軸向。反應器的軸向。理想混合流反應器理想混合流反應器反應物反應物A反應物反應物B生成物生成物R理想混合流反應器特點：理想混合流反應

3、器特點：1. 1. 物料連續以恒定的流速物料連續以恒定的流速流入、流出反應器，穩態流入、流出反應器，穩態操作。操作。2. 2. 反應器內各空間位置溫反應器內各空間位置溫度、濃度均一。度、濃度均一。3. 3. 反應器內濃度、溫度反應器內濃度、溫度與出口處濃度、溫度相同。與出口處濃度、溫度相同。第二節第二節 均相反應動力學均相反應動力學 均相反應均相反應是指在均一的液相或氣相中進行的反應是指在均一的液相或氣相中進行的反應 均相反應動力學內容：研究化學反應本身的速度均相反應動力學內容：研究化學反應本身的速度規律，即物料的濃度，溫度，催化劑等因素對化規律，即物料的濃度，溫度，催化劑等因素對化學反應速度

4、的影響。學反應速度的影響。 即：即： Rp(C, T, Cats) 均相反應動力學沒有考慮到物理因素的影響，僅均相反應動力學沒有考慮到物理因素的影響，僅研究化學反應內在規律研究化學反應內在規律研究方法 動力學方程式的建立，是以實驗數據為基礎，一般的是在維持等溫的條件下進行化學反應，然后利用化學分析的方法，得到不同反應時間的各物料濃度的數據，對這些數據進行適當的數據處理，就可以得到動力學方程式。單一反應單一反應是指用一個化學反應式和一個動力學方程式便能是指用一個化學反應式和一個動力學方程式便能代表的反應代表的反應。一、等溫、恒容、單一反應動力學方程式一、等溫、恒容、單一反應動力學方程式1、不可逆

5、方程、不可逆方程ASrA1VdnAdt=恒容dCAdt一級KCA組分A的消耗速率可表達為：（1）一級不可逆反應對于等溫系統，k為常數,初始條件： t=0 , CA=CA0rA1VdnAdt=恒容dCAdt一級KCA 若以轉化率表示，上式可改寫為： 式中XA為物料A的轉化率，定義為：恒容時，則：tCA1-xACA01斜率klnln一級不可逆反應一級不可逆反應C Ct t關系關系 通過lnCA0/CA或ln1/(1-xA)對t作圖，對于一級不可逆反應，可得到一條通過原點的直線。直線的斜率即為k，通過不同溫度的k值，可以求出反應活化能。（2）二級不可逆反應因為在任何反應時間內，反應物A和B是等摩爾消

6、耗，所以CA0 xA = CB0 xB令：MCB0/CA0，代入速率方程，A + B SrA= =kCACBdCAdt可按一級不可逆反應的情況作類似的處理，有如下反應：rA = kCA0 (1-xA)(M-xA)2i) 當M1時： 即 CA0=CB0 CA=CBii) 當M1 時， 即 CA0CB0 CACB積分可得：積分可得：txA/(1-xA)斜率= CA0ktln(CB0CA)/(CA0CB)斜率=(CA0-CB0)k不可逆二級反應的不可逆二級反應的Ct關系關系左：左：；右右：將濃度與時間作圖，可得： 如果所得的為一條直線，表明所研究的反應為不可逆二級反應。 若反應中某一組分大大過量，則

7、這種組分在反應過程中基本保持不變，可認為一常數，則為擬一級反應。2、可逆反應可逆反應A Rk1k2rA= = k1CAk2CRdCAdt= ( k1+ k2) CA k2CA0dCAdt若若t=0，CR0=0，則則 CR = CA0 - CA，代入上式，可得：，代入上式，可得：( k1+ k2) t = lnk1CA0( k1+ k2) CA k2CA0（1）一級可逆反應積分可得：積分可得：rA= = k1CAk2CRdCAdt當反應達到平衡時: dCA/dt，由 可得： k1CAe = k2CRe = k2 (CA0 - CAe)CAe = k2CA0/( k1+k2 )( k1+ k2)

8、t = lnk1CA0( k1+ k2) CA k2CA0式中CAe, CRe分別為達到平衡時A及R的濃度,代入下式可得：tln(CA0-CAe)/(CA-CAe)斜率=(k1+k2)可逆一級反應可逆一級反應C Ct t圖圖 以ln(CA0-CAe)/(CA-CAe)對t作圖，若為直線，則為一級可逆反應，斜率為(k1+k2)，進一步求出k1和k2。（2）二級可逆反應組分A的消耗速率為：若t=0時，CA0=CB0, CR0=CS0=0,上式積分可得：其中：m=2對于其他二級可逆反應，該動力學方程同樣適用，只不過把式中m值取用相應的數值：(1) 當達到平衡時，由一級可逆反應動力學方程可得：當達到平

9、衡時，由一級可逆反應動力學方程可得：殘留甲酸的分率為：殘留甲酸的分率為：將將CA代入式代入式 可得：可得：二、復合反應二、復合反應 復合反應是由幾個反應同時進行的，常見的復合反應有平行反應，連串反應，平行連串反應等。rR = dCR/dt = k1CA rS = dCS/dt = k2CA ARSk1k2rA= = k1CA+ k2CA= ( k1+k2)CAdCAdt1、平行反應、平行反應當當t = 0, CR0=CS0=0時，時，積分可得積分可得: : A012AClnk +ktCrA= = k1CA+ k2CA= ( k1+k2)CAdCAdttlnCA0/CA)斜率=(k1+k2)一級

10、平行反應一級平行反應C-t圖圖平行反應的判別依據平行反應的判別依據：2、連串反應連串反應rA=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CRA R Sk1k2 連串反應是指第一步反應的產物，又可以作為第二步的反應物，進一步發生化學反應，如：水解反應，鹵化反應，氧化反應等等，最簡單的連串反應可表達為： A、R、S三個組分的變化速率分別表示為：CA=CA0e-k1tCR= CA0(e-k2t-e-k1t)k1k1-k2CS=CA01+ (k2e-k1t-k1e-k2t)k1-k21若 t=0 時，CA=CA0，CR0=CS0=0，對上述三式積分可得：rA

11、=-dCA/dt=k1CArR=dCR/dt=k1CA-k2CRrS=dCS/dt=k2CR連串反應中，最慢的一步反應，對過程的總速率影響最大CACtt最佳CSCRk1k2CtCSCRCAk1k2tCRCSCACk1k2連串反應各組分濃度連串反應各組分濃度-時間變化示意圖：時間變化示意圖： 將上式對t微分，并令 dCR/dt =0，可求出Rmax出現所需的時間tmax，再代入上式，可得： tmax=ln(k2/k1)k2-k1CRmax=CA0( )(k2-k1)k1k2k2連串反應的判別依據：連串反應的判別依據：結論結論a、對于單一反應，除零級反應，為達到相同轉化率下的生、對于單一反應，除零級反應，為達到相同轉化率下的生 產能力，平推反應器所需的反應器體積比理想混合反應產能力，平推反應器所需的反應器體積比理想混合反應 器小。器小。b、復雜反應中，對于平行反應，主要控制反應器內物料的、復雜反應中，對于平行反應，主要控制反應器內物料的 濃度，高濃度有利于反應級數高的反應；連串反應，應濃度，高濃度有利于反應級數高的反應；連串反應，應 控制反應器內物料的平均停留時間；連串控制反應器內物料的平均停留時間；連串-平行反應可采平行反應可采 用不同的加料方