化学反应过程及设备.ppt

中央中央电电大开放教育大开放教育专专科科应应用化工技用化工技术专业术专业 化学反化学反应过应过程与程与设备设备 课课程程辅导课辅导课件件 辅导时间辅导时间：2013年年9月月-12月月 辅导辅导教教师师：余：余欢欢 第一讲 本讲内容：1.化学反应过程与设备概述2.化学反应器的分类3.化学反应器的操作方式、基本方法 4.均相反应的基本概念5.反应动力学2.1.绪论1.1化学反化学反应应与与设备设备概述概述任何化学品的生产，都离不开三个阶段：原料预处理、化学反应、产品精制。化学反应过程是化工生产过程的核心物理过程的原理和操作设备流体流动与传热和传质与分离技术化学反应过程的原理和反应设备化学反应过程与设备，属于化学反应工程的范畴 3.化学反化学反应过应过程与程与设备设备研究的目的研究的目的 研究目的：使化学工业生产中的反应过程最优化。（1）设计最优化：由给定的生产任务，确定反应器的型式和适宜的尺寸及其相应的操作条件 （2）操作最优化：在反应器投产运行之后，还必须根据各种因素和条件的变化作相应的修正，以使它仍能处于最优的条件下操作4.化学反化学反应过应过程与程与设备设备的研究内容的研究内容从实验室开发到工业生产存在放大效应。在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过程，如热量的传递、物质的流动、混和和传递等，所有这些传递过程使得反应器内产生温度分布和浓度分布，从而影响反应的最终结果。5.化学动力学特性的研究：在实验室的小反应器内进行，完全排除传递过程的影响。流动、传递过程对反应的影响处理整个反应工程的问题需要具备三个方面的知识（三传一反）：a.化学反应的规律（反应动力学）；b.传递过程的规律（质量、热量和动量的传递）；c.上述两者的结合。6.化学反应过程与设备的研究作用作用：（1）反应器的合理选型（2）反应器操作的优选条件（3）反应器的工程放大7.化学反应过程与设备的基本研究方法 以相似以相似论论和因次和因次论为论为基基础础的的经验经验法法 基本程序：确定影响因素；用因次分析法确定准数；实验数据回归，得出准数关联式；根据相似论，用准数关联式进行放大。8.数学模型法数学模型方法 用数学模型来分析和研究化学反应过程与设备的工程问题。数学模型就是用数学语言来表达过程各种变量之间的关系。数学模型方法的一般过程:基本特征是过程的分解和过程的简化 将化学反应器内进行的过程分解为化学反应过程和物理传递过程，然后分别研究化学反应规律和传递过程规律。经过合理简化，这些子过程都能建立数学方程表述，化学反应过程的性质、行为和结果通过方程的联立求解获得。9.合理地简化来源于对过程有深刻的、本质的理解。要求：不失真；能满足应用的要求；能适应当前实验条件，以便进行模型鉴别和参数估值;能适应现有计算机的能力。数学模型方法的实质 将复杂的实际过程按等效性原则做出合理的简化，使之易于数学描述。实验是基础，数学方法和计算技术是成功的关键。10.1.2 1.2 化学反化学反应应器的分器的分类类按物料的聚集状按物料的聚集状态态分分 均相：气相：如石油烃管式裂解炉 液相：如乙酸丁酯的生产 非均相：g-l相：如苯的烷基化 g-s相：如合成氨 l-l相：如已内酰胺缩合 l-s相：如离子交换 g-l-s相：如焦油加氢精制实质实质是按宏是按宏观动观动力学特性分力学特性分类类，相同聚集状态反应有相同的动力学规律。均相反应，反应速率主要考虑温度、浓度等因素，传质不是主要矛盾；非均相反应过程，反应速率除考虑温度、浓度等因素外还与相间传质速率有关。11.据反应器结构分（a）管式反应器；（b）釜式反应器；（c）板式塔；（d）填料塔；（e）鼓泡塔；（f）喷雾塔；（g）固定床反应器；（h）流化床反应器；（i）移动床反应器；（j）滴流床反应器 实质实质是按是按传递过传递过程的特征分程的特征分类类，相同结构反应器内物料具有相同流动、混和、传质、传热等特征。12.根据温度条件和传热方式分类 根据温度条件分：等温、非等温式反应器 根据传热方式分 绝热式：不与外界进行热交换 外热式：由热载体供给或移走热量，又有间壁传热式、直接传热式、外循环传热式 之分。蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶剂的蒸发移除热量。13.按操作方式分按操作方式分分批(或称间歇)式操作 一次性加入反应物料，在一定条件下，经过一定的反应时间，达到所要求的转化率时，取出全部物料的生产过程。属属非非定定态态过过程程，反应器内参数随时间而变。适用：小批量、多品种的生产过程。半分批(或称半连续)式操作 原料与产物只要其中的一种为连续输入或输出而其余则为分批加入或卸出的操作。属属于于非非定定态态过过程程，反应器内参数随时间而变，也随反应器内位置而变。连续式操作 连续加入反应物料和取出产物的生产过程。属定定态态过过程程，反应器内参数不随时间而改变，适于大规模生产。1114.1.3 化学反化学反应应器的操作方式器的操作方式间歇式操作：一次性投料、卸料，反应物系数参数（浓度或组成等）随时间变化。连续操作：原料不断加入，产物不断引出，反应物内物系参数均不随时间变化。半间歇操作：半连续（或半间歇）兼有以上两种过程的特点，情况比较复杂。15.2.均相反均相反应动应动力学基力学基础础2.1 基本概念基本概念（1）化学化学计计量方程量方程化学反化学反应应方程如：方程如：N2+3H2=2NH3化学化学计计量方程量方程为为：2NH3-2N2-3H2=0一般式：一般式：aA+bB+cC+=0a,b,c称称为计为计量系数，量系数，对产对产物物为为正正，反，反应应物物为为负负。化学化学计计量方程量方程仅仅仅仅表示了参与反表示了参与反应应的各物的各物质间质间的量的的量的变变化化关系，并不代表关系，并不代表实际实际反反应历应历程程(反反应应机理机理)。16.均相反均相反应应在均一液相或气相中在均一液相或气相中进进行的反行的反应应均相反均相反应动应动力学是解决均相反力学是解决均相反应应器的器的选选型、操型、操作与作与设计计设计计算算所需的重要理所需的重要理论论基基础础 ！研究均相反！研究均相反应应的首先掌握的首先掌握反反应动应动力学力学17.（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示对对于均相反于均相反应应aA+bB=rR+sS反反应应速率定速率定义为义为：我们选中哪个组分求反应速率，就称做是着眼组分式中式中r A取取负值负值表示反表示反应应物消失的速率物消失的速率18.因因为为反反应应物在化学反物在化学反应过应过程中不断消耗，所以程中不断消耗，所以为为避免反避免反应应速率出速率出现负值现负值，在反，在反应应速率前加个速率前加个负负号号。而。而若若A为产为产物物则为则为：对对于物料体于物料体积变积变化化较较小的反小的反应应，液相反，液相反应应即使不是即使不是等摩等摩尔尔反反应应体体积变积变化也都很小都可以看做是恒容反化也都很小都可以看做是恒容反应应，即可即可视为视为恒容反恒容反应应，V可可视视作恒定作恒定值值，则则n/V=CA反反应应速率速率还还可用可用浓浓度表示度表示V直接除到微分式里，摩直接除到微分式里，摩尔尔数除以体数除以体积积就是摩就是摩尔尔浓浓度度C反反应应式就式就变变的更的更简单简单。（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示19.对对于反于反应应：aA+bB=rR+sS，若无副反，若无副反应应，则则反反应应物与物与产产物的物的浓浓度度变变化化应应符合化学符合化学计计量式的量式的计计量系数关系，可量系数关系，可写成：写成：前提是前提是恒容恒容恒容恒容反反应应（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示20.或可或可说说，我，我们们用不同的着眼用不同的着眼级级分来描述化学反分来描述化学反应应速速率，那么反率，那么反应应速率与速率与计计量系数之比是相等的。量系数之比是相等的。若以若以浓浓度表示度表示则为则为：（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示21.实验实验研究得知，均相反研究得知，均相反应应速率取决于物料的速率取决于物料的浓浓度和温度，度和温度，反反应应速率符合下述方程，称之速率符合下述方程，称之为为冪数型冪数型动动力学方程力学方程，是，是经验经验方程。方程。冪数型冪数型动动力学方程和力学方程和双曲型双曲型动动力学方程力学方程 式中式中kA称作反称作反应应速率常数；速率常数；、是反是反应级应级数。数。1）幂幂数型数型动动力学方程力学方程aA+bB=rR+sS反反应应速率定速率定义为义为：（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示22.对对于于(恒容恒容)气相反气相反应应，由于分，由于分压压与与浓浓度成正比，也可用度成正比，也可用分分压压来表示来表示。注意各参数的量注意各参数的量纲单纲单位要一致位要一致，若分，若分压压的的单单位位为为Pa，则则kp的的单单位：位：（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示23.2）双曲型）双曲型动动力学方程力学方程H2Br22HBr实验实验得知得知此反此反应应系由以下几个基元反系由以下几个基元反应组应组成：成：如：如：氢氢气与溴反气与溴反应应生成溴化生成溴化氢氢（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示24.实验实验得知得知H2和和Br2反反应应生成溴化生成溴化氢氢反反应应由几个基元反由几个基元反应组应组成成 计量方程反应历程（机理）计量方程仅表示参与反应的各物质间的量的变化关系与实际反应历程（反应机理）无关 整个反应为非基元反应而每一步都是一个基元反应。基元反应中反应物分子或离子的个数称为分子数。左边的反应中除第一步反应的分子数是1其它都是2化学化学计量式量式仅表示参与反表示参与反应的各物的各物质间的量的的量的变化关系，与化关系，与实际反反应历程程(反反应机理无关机理无关)。（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示25.第一步第一步链引引发第二步第二步链传递对于化学反于化学反应的机理的研究是困的机理的研究是困难的：的：中中间物种物种浓度低、寿命短度低、寿命短捕捉困捕捉困难，又，又不具不具备正常化合物正常化合物的性的性质，就算捕捉到，就算捕捉到也也难测定。定。反反应机理就有一定的不确机理就有一定的不确定性。我定性。我们是通是通过实验求求动力学参数，力学参数，反反过来来验证机理是否反正确，是正确的机理是否反正确，是正确的往往称做本征往往称做本征动力学方程。力学方程。如果已知反如果已知反应机理，机理，则可根据一定的假可根据一定的假设，推，推导出反出反应的速率方程。的速率方程。（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示26.如果反如果反应应物分子在碰撞中一步直接物分子在碰撞中一步直接转转化化为为生成物分子，生成物分子，则则称称该该反反应为应为基元反基元反应应，反之，反之为为非基元反非基元反应应。基元反基元反应-计量方程与量方程与实际反反应历程一致；非基元反程一致；非基元反应与与实际反反应历程不一致的程不一致的。通常通常规规定定计计量系数之量系数之间间不含不含1以外的任何公因子，以避免以外的任何公因子，以避免计计量方程的不确定性。量方程的不确定性。（2）化学反化学反应应速率及其表示速率及其表示27.（3）单一反一反应单单一反一反应应：只用一个化学：只用一个化学计计量方程可以表示出反量方程可以表示出反应应体系的体系的计计量关量关系系 的反的反应应。复合反复合反应应：是有几个反：是有几个反应应同同时进时进行的用几个行的用几个动动力学方程才能描述力学方程才能描述的反的反应应。28.（3）单一反一反应RAS平行反平行反应应RAS连连串反串反应应RAS平行平行连连串反串反应应T常常见见的复合反的复合反应应有有29.（3）单一反一反应表表21列列举举了一些不同反了一些不同反应应的的动动力学方程，式中力学方程，式中浓浓度度项项的的幂幂次有的与次有的与计计量系数不一致，是因量系数不一致，是因为为有的是有的是单单一反一反应应有的有的是是复合反复合反应应。30.对于基元反于基元反应：A+B=rR+sS 分子数：分子数：基元反基元反应中反中反应物分子或离子的个数物分子或离子的个数 。对于基元反于基元反应来来讲,必必须须是正整数，是正整数，+是基元反是基元反应应的的分分子数子数，不能大于，不能大于3（根据碰撞理（根据碰撞理论论，+的取的取值值不能大于不能大于3，必，必须须是一个小于等于是一个小于等于3的正整数）。的正整数）。（3）单一反一反应 分子数分子数31.（3）单一反一反应 反反应级数数 反反应级应级数数指指动动力学方程中力学方程中浓浓度度项项的的幂幂数，如式中的数，如式中的和和，和和分分别别称作称作组组分分A和和组组分分B的反的反应级应级数数+=n，n是基是基元反元反应应的的总总反反应级应级数。数。AR与与2A2R意意义义不同，前者不同，前者rA=kACA 后者后者rA=kACA232.（3）单一反一反应 反反应级数数非基元反非基元反应应：aA+bB=rR+Ss +=n，n为为非基元反非基元反应应的的总总反反应级应级数，取数，取值值可以可以是小于或等于是小于或等于3的任何数，的任何数，和和的的值值与与计计量系数量系数a和和b的的值值无关。取无关。取值值是通是通过实验测过实验测定的。定的。33.（3）单一反一反应 反反应级数数相同点：相同点：非基元反非基元反应应中的反中的反应级应级数与基元反数与基元反应应中中的分子数，取的分子数，取值值n3；、仍称做反仍称做反应应物物A或或B的的反反应级应级数。数。不同点：不同点：非基元反非基元反应应n的取的取值还值还可以是可以是负负数、数、0、小数；分子数是小数；分子数是专对专对基元反基元反应应而言的，非基元而言的，非基元过过程因程因为为不反映直接碰撞的情况，故不能称作不反映直接碰撞的情况，故不能称作单单分分子或双分子反子或双分子反应应。区分反区分反应级应级数和反数和反应应的分子数。的分子数。34.（3）单一反一反应 反反应级数数 动动力学方程也可用分力学方程也可用分压压表示表示 对对于：于：aA+bB=rR+sS35.（3）单一反一反应 反反应级数数可逆反可逆反应应速率方程的表示速率方程的表示对对于：于：aA+bB rR+sS反反应级应级数的大小反映了数的大小反映了该该物料物料浓浓度度对对反反应应速率速率影响的程度。影响的程度。级级数愈高，数愈高，则该则该物料物料浓浓度的度的变变化化对对反反应应速率的影响愈速率的影响愈显显著。著。36.（3）单单一反一反应应 速率常数速率常数K化学反应速率方程体现了浓度和温度两方面的影响，浓度的影响体现在浓度项上，反应级数表明了反应速率对浓度变化的敏感程度。温度的影响则是由速率常数k体现的，根据阿伦尼乌斯方程 37.（3）单单一反一反应应 速率常数速率常数K式中k0频率因子或指前因子E活化能，J或J/molR通用气体常数，(国际单位)8.314J/molKT绝对温度K，呈指数变化 k0指前因子或指前因子或频率因子，看做与温度无关的常数率因子，看做与温度无关的常数(理理论上上讲温度是有关的，只是当温度反温度是有关的，只是当温度反应变化化时对k0的影的影响很小响很小)38.（3）单单一反一反应应 速率常数速率常数K k之所以称之之所以称之为常数，是指当反常数，是指当反应温度不温度不变时，k是个是个常数，当反常数，当反应温度温度变化化较大大时它就不再是常数。它就不再是常数。活化能活化能E，根据，根据过度状度状态理理论，反，反应物生成物生成产物，要物，要超超过一个能一个能垒，因此，因此E的取的取值永永远是正是正值。39.（3）单单一反一反应应 速率常数速率常数K温度温度对反反应速率的影响速率的影响以速度常数体以速度常数体现，速率常数用阿，速率常数用阿伦尼尼乌斯方程展开。斯方程展开。对阿阿伦尼尼乌斯方程斯方程两两边取取对数数得到以得到以E/R为斜率以斜率以lnk0为截距的一条直截距的一条直线。40.lnk与与1/T是直是直线关系关系E/R为斜率斜率lnk0为截距截距图21通通过实验测出不同温度下的出不同温度下的速率常数速率常数k，作，作图根据截距根据截距就可以求出指前因子就可以求出指前因子k0，再，再根据直根据直线的斜率求出活化能的斜率求出活化能E对给定的反定的反应，反，反应速率与速率与温度的关系在低温温度的关系在低温时比高温比高温时更加敏感更加敏感 41.（3）单单一反一反应应 速率常数速率常数K注意：注意：实验的温度范的温度范围不能太窄，否不能太窄，否则根本做不出一条直根本做不出一条直线；用什么温度范用什么温度范围求得的活化能，只能用其求得的活化能，只能用其计算算实验范范围内内的温度，否的温度，否则将不具有代表性；将不具有代表性；温度范温度范围不能太不能太宽。（很可能影响反（很可能影响反应机理，活化能就改机理，活化能就改变了反了反应速率取决于速率取决于整个反整个反应机理中最慢的步机理中最慢的步骤，温度太，温度太宽可能影响到反可能影响到反应步步骤的控制速率改的控制速率改变从而从而导致不再是一条直致不再是一条直线，可能是好多，可能是好多条直条直线，我，我们称做称做补偿效效应。）。）42.活化能是一个极重要的参数，它的大小不活化能是一个极重要的参数，它的大小不仅是反是反应难易程度易程度的一种衡量，也是反的一种衡量，也是反应速率速率对温度敏感性的一种温度敏感性的一种标志。从式志。从式对数方程中数方程中 k 与与 E 的关系可以的关系可以说明明这一点。表一点。表（22）所所示示则更更为直直观，如反，如反应温度温度为 400 ，活化能，活化能 E41868J/mol 时，为使反使反应速率加倍所需的温升速率加倍所需的温升为 70 ，而当，而当 E167500J/mol 时，所需温升就降，所需温升就降为 17 了。了。表22反应温度和活化能值一定时使反应速率加倍所需的温升 43.（3）单单一反一反应应 速率常数速率常数K上表表明了反上表表明了反应速率速率对温度的敏感性温度的敏感性取决于活化能的大小和温度的高低取决于活化能的大小和温度的高低 反反应速率与速率与E、R的函数关系的函数关系 44.2.2 等温衡容等温衡容过程程1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立 对于不可逆反于不可逆反应（把它看做恒容反（把它看做恒容反应）aA+bB产物物假定其假定其动力学方程力学方程为：45.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立整理并整理并积分得分得 只有知道只有知道k、n(+)的的值，才能求得速率方程。求解，才能求得速率方程。求解这类动力学参数的常在已知的力学参数的常在已知的浓度度CA随随时间t的数据的基的数据的基础上，采用上，采用微分法微分法和和积分法分法。46.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立微分法微分法微分法：直接利用微分法：直接利用动力学方程力学方程标绘，得到的，得到的实验数据是数据是否与此否与此动力学方程相力学方程相拟合。合。对于不可逆反于不可逆反应（把它看做恒容反（把它看做恒容反应）aA rR47.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立只要求出只要求出k和和n的的值就可以得到就可以得到这个不可逆反个不可逆反应的速率方程。的速率方程。要想求得要想求得动力学参数力学参数k和和n就要通就要通过实验得出一系列得出一系列对应浓度度和和时间的的值。48.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立微分法微分法求解反求解反应动力学方程的程序力学方程的程序假定机理列出动力学方程实 验 数据 CA t作图求 对 应 时间 点 的 斜率：对速率方程两边取对数进而求出n和k49.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立1、CA对t作作图2、斜率即、斜率即为反反应速率速率3、对速率方程速率方程两两边取取对数得数得ln(-rA)=nlnCA+lnk作作图，斜率，斜率为n，截距，截距为k50.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立通通过实验取得取得t对应CA的数据的数据计算出算出重复重复实验可以得到一系列的速率常数可以得到一系列的速率常数值51.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立根据阿根据阿伦伦尼尼乌乌斯方程两斯方程两边边取取对对数求出指前因子数求出指前因子k0和活化能和活化能E两两边取取对数数注意：要求注意：要求实验要尽可能做的准确，否要尽可能做的准确，否则误差太大。差太大。将将实验得到的数据不同得到的数据不同t下的下的k值画出的直画出的直线，其斜率，其斜率为E/R而而R是已知的常数从而求出活化能是已知的常数从而求出活化能E，再根据截再根据截距距lnk0求出指前因子求出指前因子k0，52.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立积分法分法是根据是根据对一个反一个反应的初步的初步认识，先推，先推测一个一个动力学力学方程的形式，方程的形式，经过积分和数学运算后，在某一特定坐分和数学运算后，在某一特定坐标图上上标绘，将得到表征，将得到表征该动力学方程力学方程浓度（度（C）和）和时间（t）关系的直）关系的直线。如果将。如果将实验所得的数据所得的数据标绘出，也能很出，也能很满意地得到与上述意地得到与上述结果相果相拟合的直合的直线，则表明所推表明所推测的的动力力学方程是可取的，否学方程是可取的，否则，应该另提出另提出动力学方程再加以力学方程再加以检验。下面。下面仅以以幂数型数型的的动力学方程力学方程为例，例，讨论几种几种单一反一反应的的动力学方程的建立。力学方程的建立。积分法分法53.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立积分法分法是根据是根据对一个反一个反应的初步的初步认识，先推，先推测一个一个动力学力学方程的形式，方程的形式，经过积分和数学运算后，在某一特定坐分和数学运算后，在某一特定坐标图上上标绘，将得到表征，将得到表征该动力学方程力学方程浓度（度（C）和）和时间（t）关系的直）关系的直线。如果将。如果将实验所得的数据所得的数据标绘出，也能很出，也能很满意地得到与上述意地得到与上述结果相果相拟合的直合的直线，则表明所推表明所推测的的动力力学方程是可取的，否学方程是可取的，否则，应该另提出另提出动力学方程再加以力学方程再加以检验。下面。下面仅以以幂数型数型的的动力学方程力学方程为例，例，讨论几种几种单一反一反应的的动力学方程的建立。力学方程的建立。积分法分法54.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立若若实验实验数据按以上关系也同数据按以上关系也同样标绘样标绘在同一坐在同一坐标图标图中，能中，能得到与上述直得到与上述直线线很好很好拟拟合的直合的直线线，则则表明此表明此动动力学方程力学方程是适合于所研究的反是适合于所研究的反应应的。若得到的是一条曲的。若得到的是一条曲线线，则则表表明此明此动动力学方程不适合所研究的反力学方程不适合所研究的反应应，需重新假定，需重新假定和和值值以不可逆反以不可逆反应aArR为例例在恒容反在恒容反应体系中以体系中以A为着眼着眼组分的反分的反应速率速率为：（210）55.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立若若实验实验数据按以上关系也同数据按以上关系也同样标绘样标绘在同一坐在同一坐标图标图中，能得中，能得到与上述直到与上述直线线很好很好拟拟合的直合的直线线，则则表明此表明此动动力学方程是适力学方程是适合于所研究的反合于所研究的反应应的。若得到的是一条曲的。若得到的是一条曲线线，则则表明此表明此动动力学方程不适合所研究的反力学方程不适合所研究的反应应，需重新假定，需重新假定和和值值。微分法是求斜率，微分法是求斜率，积分法是分法是对反反应式式积分，首先分，首先假定假定分离分离变量量 应用的用的实验数据一数据一样，但具体的，但具体的处理方法不同。理方法不同。56.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立两两边积分得到（等号左分得到（等号左边由由CA0到到CA积分，等号的右分，等号的右边由由0到到t积分）要想得出分）要想得出这个式子个式子积分，首先要假分，首先要假设反反应级数，数，积分得到一个代数式分得到一个代数式，我，我们先假先假设反反应级数数为257.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立假假设反反应级数数n2后，把后，把浓度的数度的数值代入代入积分就可得到一分就可得到一个代数式，个代数式，对-kt作作图图，应该应该得到一条直得到一条直线线。以以负速率常数速率常数k为斜率的一条直斜率的一条直线。如果做出的。如果做出的图是一条直是一条直线，说明假明假设是正确的。若作是正确的。若作图的每个数据点不在同一条直的每个数据点不在同一条直线上，作上，作图为一条曲一条曲线，那，那说明我明我们反反应级数假数假设错了，就需要重了，就需要重新假新假设n，显然然积分法分法处理理这类问题比微分法复比微分法复杂的多。的多。微分法微分法虽然然简单，但，但对实验数据的精度要求很高否，若数据的精度要求很高否，若实验误差比差比较大，微分斜率偏差就会很大。大，微分斜率偏差就会很大。积分法分法对于于尽管尽管误差比差比较大的大的实验数据，数据，还是照是照样可以可以处理。理。58.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立对于恒容反于恒容反应，也可以，也可以浓度代替。度代替。转转化率化率：转转化了的着眼化了的着眼组组分分A的摩的摩尔尔数与初始摩数与初始摩尔尔数之比数之比或或59.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立例：例：A与与B发生液相反生液相反应生成生成S，计量方程量方程为aAA+aBBaSS对于于A和和B都是一都是一级反反应，那么反，那么反应总级数就是二数就是二级。速率方程速率方程为：求求CA0/CB0=aA/aB和和CA0/CB0aA/aB时的速率方程的速率方程积分形式。分形式。60.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立解：解：(1)当原料的初始当原料的初始浓度之比符合度之比符合计量比量比CA0/CB0=aA/aB（按（按计量比投料）量比投料）时反反应的任意的任意时刻刻计量系数之比都等于量系数之比都等于浓度之比度之比CA0/CB0CA/CBaA/aB CB（aB/aA）CA对于于aAA+aBBaSS开始开始CA0 CB0CA0/CB0=aA/aB（因（因为按按计量比投料）量比投料）61.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立反反应一段一段时间后反后反应掉的掉的A的量和反的量和反应掉的掉的B的量分的量分别是是CA0CA CB0CB62.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立开始开始反反应一段一段时间63.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立也就是反也就是反应掉的掉的A的量和反的量和反应掉的掉的B的量之比等于的量之比等于计量系量系数之比数之比把把CA0/CB0=aA/aBCB0=CA0（aB/aA）代入得：代入得：64.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立而而反反应若按若按计量比投料，那么反量比投料，那么反应在任意在任意时刻反刻反应物的物的浓度之度之比都等于比都等于计量系数之比量系数之比。65.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立所以反所以反应任何任何时刻都会是刻都会是 反反应若按若按计量比投料，那么反量比投料，那么反应在任意在任意时刻反刻反应物的物的浓度之比都等于度之比都等于计量系数之比量系数之比任意任意时刻：刻：反反应物的物的浓度之比投料比反度之比投料比反应计量系数之比量系数之比66.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立故有故有C CB B可用可用CA A表示反表示反应的速率方程就可的速率方程就可简化化为：（因（因为只能只能对CA进行定行定积分，分，这样积分分变量就量就统一了）一了）67.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立分离分离变变量量积积分得分得按按计计量比投料，相当于二量比投料，相当于二级级反反应应相当于对的积分68.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立(2)不按不按计量比投料量比投料时即初始即初始浓度之比不符合度之比不符合计量比量比CA0/CB0aA/aB反反应前前CA0CB0反反应一段一段CACBCB0（aB/aA）（CA0CA）对反反应速率方程速率方程积分分CB须得用得用CA表示表示反反应消耗的消耗的A的量的量CA0CA反反应消耗的消耗的B的量的量（aB/aA）(CA0CA)aAA+aBBaSS69.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立又因又因题目中指出是液相反目中指出是液相反应，可以看做是恒容，可以看做是恒容，则摩摩尔数与数与与与浓度成正比反度成正比反应速率方程可写成速率方程可写成70.1、单一反一反应动力学方程的建立力学方程的建立对上式分离上式分离变量量积分分71.相当于相当于对的的积分分变换把化做把化做差的差的积分等于分等于积分的差分的差72.那么不按那么不按计量比投料的量比投料的积分运算分运算则为显然不按然不按计量比投料量比投料积分分结果大不相同，要复果大不相同，要复杂的多的多73.求取求取动动力学参数力学参数微分法微分法积积分法分法假假设设反反应级应级数数n分离分离变变量量积积分分代入数代入数值值实验实验数据数据分分别别做做图图验证验证n得到直得到直线线 n假假设设正确正确否否则则重新假重新假设设n依据依据实验实验数数据做据做CA-t图图对应对应点的斜率：点的斜率：-rA对对-rAkCA两两边边取取对对数数ln(-rA)=nlnCA+lnk斜率斜率n截距截距k做做图图由直由直线线斜率斜率k假假设设正确得到正确得到n74.（1）可逆反）可逆反应(恒容恒容)（假（假设CS00）式中式中kCA-A的消耗速率的消耗速率kCS-A的生成速率的生成速率速率方程速率方程对于一于一级可逆反可逆反应75.（1）可逆反）可逆反应(恒容恒容)将将CS用用CA表示表示可逆反可逆反应A与与S是是1：1的关系的关系开始开始S为0，反，反应到某一到某一时刻刻A的的浓度度为CAS的的浓度度为CSA消耗的量消耗的量CA0CAS的生成量的生成量A的消耗量的消耗量CSCA0CAA除反除反应消耗可逆反消耗可逆反应中中还会增加会增加把把CSCA0CA代入速率方程代入速率方程76.（2）可逆反）可逆反应分离分离变量量积分分77.（2）可逆反）可逆反应78.当反当反应达到平衡达到平衡时A的的浓度不再下降，度不再下降，这时的的浓度就叫度就叫平衡浓度CAe式中式中CA0、CA、CAe都是可都是可测的已知数的已知数 用平衡常数用平衡常数 来表示来表示79.（1）可逆反）可逆反应(恒容恒容)当反当反应达到平衡达到平衡时，设平衡平衡浓度度为CAe和和CSe,t80.（1）可逆反）可逆反应(恒容恒容)由由CA-t 的的实验数据，数据，则可根据上式可根据上式计算速率常数算速率常数k和和k并并由此求出平衡常数由此求出平衡常数K前提是一前提是一级反反应，否，否则对t作作图不是一条不是一条直直线，就必，就必须重新假重新假设反反应级数再数再进行行积分。分。81.（1）可逆反）可逆反应(恒容恒容)通通过实验得到不同得到不同时刻的刻的浓度度值若所作的若所作的图为一条直一条直线，则说明假明假设是是对的，否的，否则就是假就是假设的反的反应级数不数不对。直。直线的斜率的斜率为平衡常数可以通平衡常数可以通过实验得到。得到。这样由由Kk/k 值和斜率就可以求出和斜率就可以求出k和和k 82.(2)复合反复合反应复合反复合反应：一个反：一个反应体系需要两个或两个以上的体系需要两个或两个以上的计量方程量方程 描述的反描述的反应称称为复合反复合反应。由两个以上的由两个以上的计量方程，才能把反量方程，才能把反应计量关系描述清楚。量关系描述清楚。注意区分复合反注意区分复合反应与非基元反与非基元反应复合反复合反应又分又分为平行反平行反应连串反串反应和平行和平行连串反串反应。83.(2)复合反复合反应化学反化学反应应连连串反串反应应复合反复合反应应平行反平行反应应平行平行连连串反串反应应单单一反一反应应84.总总收率收率瞬瞬时时收率收率总选择总选择性性瞬瞬时选择时选择性性得率得率85.总收率收率反反应前后目的前后目的产物物P的的物物质质的量的量之差之差/反反应物物反反应前后前后物物质质的量的量之差之差对于恒容反于恒容反应总收率收率反反应前后目的前后目的产物物P的的浓度之差度之差/反反应物物A反反应前后前后浓度之差度之差瞬瞬时收率收率某一瞬某一瞬间目的目的产物物P的的变化量（摩化量（摩尔数或数或浓度）度）/反反应物物A的消耗量（摩的消耗量（摩尔数或数或浓度）度）得率得率xP转转化化为产为产物物 P 的物的物质质的量的量/反反应应开始开始时时反反应应物物 A 的物的物质质的量的量86.总收率收率反反应前后目的前后目的产物物P的的物物质质的量的量之差之差/反反应物物反反应前后前后物物质质的量的量之差之差对于恒容反于恒容反应总收率收率反反应前后目的前后目的产物物P的的浓度之差度之差/反反应物物A反反应前后前后浓度之差度之差瞬瞬时收率收率某一瞬某一瞬间目的目的产物物P的的变化量（摩化量（摩尔数或数或浓度）度）/反反应物物A的消耗量（摩的消耗量（摩尔数或数或浓度）度）得率得率xP转转化化为产为产物物 P 的物的物质质的量的量/反反应应开始开始时时反反应应物物 A 的物的物质质的量的量87.注意区分注意区分工工业生生产中所指与反中所指与反应工程中的概念不一致工程中的概念不一致收率（工业）反反应前后目的前后目的产物的摩物的摩尔数的数的变化量化量/反反应物初始摩物初始摩尔数数收率（工业中）与反与反应工程中的得率相同。工程中的得率相同。88.反反应工程工程这种定种定义是比是比较麻麻烦，若非目的，若非目的产物只有一种物只有一种还比比较简单，若非目的，若非目的产物不只一种物不只一种计算算选择性就性就变得相当繁复。得相当繁复。反反应工程中所定工程中所定义的的总收率、瞬收率、瞬时收率、收率、总选择性和瞬性和瞬时选择性性仅适用于反适用于反应工程。工程。具体具体应用用时要特要特别注意注意这些概念是如何定些概念是如何定义的。的。总选择性（工性（工业中）中）与反与反应工程中的工程中的总收率相同。收率相同。89.(2)复合反复合反应1）平行反平行反应反反应物能同物能同时分分别地地进行两个或两个或两个行两个或两个或两个以上的反以上的反应。平行反平行反应动力学方程的建立力学方程的建立以一个反以一个反应物物 A 在两个在两个竞争方向的分解反争方向的分解反应为例，例，讨论平行反平行反应的的动力学方力学方程式是如何建立的。程式是如何建立的。SPA平行反平行反应k1k290.(2)复合反复合反应对于于单一反一反应产物只有一种就不存在物只有一种就不存在产物分布物分布问题，而，而对于于复合反复合反应就存在就存在产物分布物分布问题，如收率、，如收率、选择性都与定量性都与定量计算算选择性有关。性有关。速率方程不同，速率方程不同，产物分布随物分布随时间的的变化化趋势也会有区也会有区别。对于平行反于平行反应产物分布是反物分布是反应物物单调递减，减，产物（无物（无论是目的是目的产物或非目的物或非目的产物）分布不同。物）分布不同。91.平行反应产物分布产物（无论是目的产物或非目的产物）单调递增没有极值出现产物（目的产物或非目的产物出现极值）对于平行反应产物分布是1.反应物单调递减，产物（无论是目的产物或非目的产物）单调递增不会有最大值或最小值出现；2.反应物单调递减，产物1单调递增，增加到一定程度，趋于不变。产物2可能出现最大值。92.(2)复合反复合反应对于一于一级不可逆的平行反不可逆的平行反应 SPA平行反平行反应k1k2生成生成P和和S的反的反应都是一都是一级，其速率方程分，其速率方程分别表示表示为93.(2)复合反复合反应复合反复合反应 A的消耗速率的消耗速率A生成生成P和和S的速率之和的速率之和94.本章小本章小结：化学反应过程与设备研究的内容理解化学反应和化学反应器的分类掌握化学反应器的操作方式理解均相反应的特点、基本概念；掌握反应速率的定义及动力学方程；掌握恒容过程的动力学方程的计算；理解可逆反应的规律。95.作作业布置：布置：1.从工程观点上来看，达到分子尺度的均匀有哪两种可能的途径？2.级数对反应速率有什么影响？3.温度对反应速率有什么影响？4.工业反应器为什么要按最佳温度来操作？5.写