[理学]化学反应工程第一章.ppt

第一章 均相单一反应动力学和理想反应器 化学反应式 反应物经化学反应生成产物的过程用定量关系式予以描述时,该定量关系式称为化学反应式: 化学反应计量式 化学反应计量式（化学反应计量方程） 是一个方程式，允许按方程式的运算规则进行运算，如将各相移至等号的同一侧。 化学反应计量式只表示参与化学反应的各组分之间的计量关系，与反应历程及反应可以进行的程度无关。 化学反应计量式不得含有除1以外的任何公因子。具体写法依习惯而定， 与 均被认可，但通常将关键组分（关注的、价值较高的组分）的计量系数写为1。 反应程度（反应进度） 引入“反应程度”来描述反应进行的深度。 对于任一化学反应 定义反应程度 式中，nI为体系中参与反应的任意组分I的摩尔数，αI为其计量系数，nI0为起始时刻组分I的摩尔数。 因此，该量ξ可以作为化学反应进行程度的度量。 ξ恒为正值，具有广度性质，因次为[mol]。 反应进行到某时刻，体系中各组分的摩尔数与反应程度的关系为： 转化率 目前普遍使用着眼组分A的转化率来描述一个化学反应进行的程度。 定义 组分A的选取原则 A必须是反应物，它在原料中的量按照化学计量方程计算应当可以完全反应掉（与化学平衡无关），即转化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。 转化率与反应程度的关系，结合 得到： 亦可得到任意组分在任意时刻的摩尔数 对A组分本身，将上式中的I用A代替，可得 化学反应速率 反应速率定义为单位反应体积内反应程度随时间的变化率 常用的还有以反应体系中各个组份分别定义的反应速率。 nA：反应体系内，反应物A的摩尔数； V：反应体积 t：时间 必有 当I为反应物时， I为产物时， 化学反应动力学方程 定量描述反应速率与影响反应速率因素之间的关系式称为反应动力学方程。大量实验表明，均相反应的速率是反应物系组成、温度和压力的函数。而反应压力通常可由反应物系的组成和温度通过状态方程来确定，不是独立变量。所以主要考虑反应物系组成和温度对反应速率的影响。 化学反应动力学方程有多种形式，对于均相反应，方程多数可以写为（或可以近似写为，至少在一定浓度范围之内可以写为）幂函数形式，反应速率与反应物浓度的某一方次呈正比。 对于体系中只进行一个不可逆反应的过程， 式中： cA，cB：A，B组分的浓度 mol.m-3 kc为以浓度表示的反应速率常数，随反应级数的不同有不同的因次。kc是温度的函数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌斯关系。 阿累尼乌斯关系 kc0 ：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反应速率常数相同的因次。 E：活化能，[J·mol-1]，从化学反应工程的角度看，活化能反映了反应速率对温度变化的敏感程度。 反应级数 m，n：A，B组分的反应级数，m+n为此反应的总级数。 如果反应级数与反应组份的化学计量系数相同，即m=a并且n=b，此反应可能是基元反应。基元反应的总级数一般为1或2，极个别有3，没有大于3级的基元反应。对于非基元反应，m，n多数为实验测得的经验值，可以是整数，小数，甚至是负数。 把化学反应定义式和化学反应动力学方程相结合，可以得到： 直接积分，可获得化学反应动力学方程的积分形式。 对一级不可逆反应，恒容过程，有： 由上式可以看出，对于一级不可逆反应，达到一定转化率所需要的时间与反应物的初始浓度cA0无关。 半衰期 定义反应转化率达到50%所需要的时间为该反应的半衰期。除一级反应外，反应的半衰期是初始浓度的函数。 例如，二级反应 2．2．2 二级反应 Irreversible Bimolecular-Type Second-Order Reaction Consider the reaction A+A?P with corresponding rate equation Consider the reaction A+B?P . The definition second-order differential equation becomes Which on separation and formal integration becomes The figures show two equivalent ways of obtaining a linear plot between the concentration function and time for this second-order rate law. 2.2.3 n级反应 Irreversible nth-order Rea