第十二章反应动力学的解析方法课件.ppt
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- 第十二 反应 动力学 解析 方法 课件
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1、反应工程原理 反应动力学解反应动力学解 析方法析方法本 章 主 要 内 容 第一节第一节 动力学实验及实验解析方法动力学实验及实验解析方法 动力学实验的一般步骤动力学实验的一般步骤 动力学实验数据的一般解析方法动力学实验数据的一般解析方法 反应器的物料衡算反应器的物料衡算 第二节第二节 间歇反应器的解析间歇反应器的解析 间歇反应器的基本方程和动力学实验方法间歇反应器的基本方程和动力学实验方法 实验数据的积分解析法和微分解析法实验数据的积分解析法和微分解析法 第三节第三节 连续反应器的解析连续反应器的解析 槽式连续反应器和平推流反应器实验及其数据槽式连续反应器和平推流反应器实验及其数据解析方法解
2、析方法第一节、动力学实验及实验解析方法第一节、动力学实验及实验解析方法 动力学实验的动力学实验的目的目的:确定确定反应速率反应速率与反应物浓度之间的关系;与反应物浓度之间的关系;确定确定反应速率反应速率与与pHpH、共存物质、溶剂等反应条件、共存物质、溶剂等反应条件 的关系;的关系;确定确定反应速率常数反应速率常数及其与温度、及其与温度、pHpH等反应条件的等反应条件的 关系。关系。动力学一般步骤:动力学一般步骤:1 1)保持温度和)保持温度和pHpH等反应条件不变,找出反应速率与等反应条件不变,找出反应速率与反应物浓度的关系;反应物浓度的关系;2 2)保持温度不变,研究)保持温度不变,研究p
3、HpH等其它反应条件对反应速等其它反应条件对反应速率的影响,确定反应速率常数与温度以外的反应条件率的影响,确定反应速率常数与温度以外的反应条件的关系;的关系;3 3)保持温度以外的反应条件不变,测定不同温度下)保持温度以外的反应条件不变,测定不同温度下的反应速率常数,确定反应速率常数与温度的关系,的反应速率常数,确定反应速率常数与温度的关系,在此基础上求出(表观)活化能。在此基础上求出(表观)活化能。直接测量关键组分的浓度;直接测量关键组分的浓度;或测定反应混合物或反应系统的物理化学性质或测定反应混合物或反应系统的物理化学性质获取的第一手数据:获取的第一手数据:(1)(1)不同反应时间关键组分
4、的浓度(间歇反应器)不同反应时间关键组分的浓度(间歇反应器)(2)(2)不同反应条件下反应器出口处的关键组分的浓度(连不同反应条件下反应器出口处的关键组分的浓度(连续反应器)续反应器)浓度与反应时间关系常见三种表示形式浓度与反应时间关系常见三种表示形式 p441p441测量对象测量对象:(一)间歇反应动力学实验及其数据的解析方法(一)间歇反应动力学实验及其数据的解析方法积分法积分法:判断实验数据与某积分形式的速率方程是否一致判断实验数据与某积分形式的速率方程是否一致 (先假设,再证明)(先假设,再证明)微分法微分法:根据试验数据求出不同浓度时的反应速率(作图法或计根据试验数据求出不同浓度时的反
5、应速率(作图法或计算法),之后根据反应速率与反应物浓度的关系,确定反应算法),之后根据反应速率与反应物浓度的关系,确定反应速率方程。速率方程。(根据已知数据归纳出结果)(根据已知数据归纳出结果)例例12.2.21 p44812.2.21 p448(二)连续反应动力学实验及其数据的解析方法(二)连续反应动力学实验及其数据的解析方法 1 1管式反应器管式反应器“积分反应器积分反应器(integral reactor)”(integral reactor)”:反应器出口处的转化率反应器出口处的转化率55;反应器内反应组分的浓度变化显著;反应器内反应组分的浓度变化显著“微分反应器微分反应器(diffe
6、rential reactor)”(differential reactor)”:反应器出口处的反应器出口处的反应速率反应速率55;反应器内的反应组分的浓度变化微小;反应器内的反应组分的浓度变化微小;可以通过反应器进出口的浓度差直接计算出反应速率可以通过反应器进出口的浓度差直接计算出反应速率微分反应器A0A0cnqnAA0AA0ddccnnqnA0A00cnqnAAcnqn积分反应器特点:特点:1 1)内部均一,动力学数据的)内部均一,动力学数据的解析比较容易。解析比较容易。2 2)转化率的大小没有限制,)转化率的大小没有限制,对分析的要求也不太苛刻。对分析的要求也不太苛刻。对象:均相反应对象
7、:均相反应优点:便于进行动力学的研究优点:便于进行动力学的研究应用:污水处理特性以及污水处理新应用:污水处理特性以及污水处理新技术、新工艺的研究。技术、新工艺的研究。2 2槽式反应器槽式反应器A的输入量A的输出量A的反应量A的积累量qnA0qnA(rA)VdnA/dt三、反应器的物料衡算三、反应器的物料衡算单位时间内A的物料衡算式如下:A的输入量qnA0(kmol/s)体积VA的存在量nAA的反应量RA(kmol/s)A的输出量qnA(kmol/s)反应器的基本方程间歇反应器的基本方程间歇反应器的基本方程 间歇反应器的物料衡算图间歇反应器的物料衡算图-dnA/dt=-rAVAAA00Adxxt
8、nr VA0AAAdccrct恒容反应恒容反应浓度cA物质量nA体积VqnA0qnA(rA)VdnA/dt(12.2.3)(12.2.6)第二节第二节 间歇反应器的解析间歇反应器的解析间歇反应器的动力学实验方法间歇反应器的动力学实验方法 实验方法:测定实验方法:测定c cA A随反应时间的变化随反应时间的变化 获取的数据:不同反应时间关键组分的浓度获取的数据:不同反应时间关键组分的浓度 数据解析的目的:确定反应级数和反应速率常数数据解析的目的:确定反应级数和反应速率常数实验数据的积分解析法实验数据的积分解析法反应速率方程的积分式的一般形式反应速率方程的积分式的一般形式t(k)F(cA)或A)A
9、G(xA)由表由表11.3.111.3.1可知,可知,对于一级反应对于一级反应:F(cA)ln(cA0/cA)F(cA)=(k)tG(xA)=(k)t第一种形式第一种形式首先假设一个反应速率方程,求出它的积分式;首先假设一个反应速率方程,求出它的积分式;利用间歇反应器测定不同时间的关键组分的浓度(或转化率);利用间歇反应器测定不同时间的关键组分的浓度(或转化率);计算出不同反应时间的计算出不同反应时间的F F(c cA A)或或G G(x xA A);以以F F(c cA A)或或G G(x xA A)对时间作图。对时间作图。积分解析法的一般步骤积分解析法的一般步骤如果得到一条通过原点的如果得
10、到一条通过原点的直线,说明假设是正确的,直线,说明假设是正确的,则可以从该直线的斜率求则可以从该直线的斜率求出反应常数出反应常数k k。F(cA)=(k)tG(xA)=(k)tt(k)F(cA)或A)AG(xA)lglgt t1/21/2lglgc cA0A0n n=1=11 1-1 1-1 1-1 1-半衰期解析法半衰期解析法 )1()12(1A0121nkctnnA01lg)1()1()12(lglg21cnnktnn n级反应的半衰期级反应的半衰期(表(表11.3.111.3.1)(12.2.11)(12.2.11)(n n1)1)1)把把c cA A对时间作图,并描出圆滑的曲线对时间作
11、图,并描出圆滑的曲线c cAiAi的切线的切线斜率斜率r rA Ac cAiAit tc cA A微分解析的一般步骤微分解析的一般步骤把得到的反应速率值对把得到的反应速率值对浓度浓度f f(c cA A)作图。作图。假设一个速率方程,若假设一个速率方程,若与实验数据相符,则假与实验数据相符,则假设成立,之后可以求出设成立,之后可以求出动力学参数。动力学参数。利用图解法(切线法)或计算法,求得不利用图解法(切线法)或计算法,求得不同同c cA A时的反应速率,即时的反应速率,即d dc cA A/d/dt t。实验数据的微分解析法实验数据的微分解析法让反应在让反应在A A大量过剩的情况下进行,在
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