温度对反应速率的影响 (2)精选课件.ppt
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1、关于温度对反应速率的影响(2)第一页,本课件共有40页1.4.1 温度对单反应速率的影响及最佳温度温度对单反应速率的影响及最佳温度1)温度对不同类型单反应速率的影响及最佳温度)温度对不同类型单反应速率的影响及最佳温度不可逆吸热反应不可逆吸热反应不可逆放热反应不可逆放热反应可逆吸热反应可逆吸热反应可逆放热反应可逆放热反应温度温度反应速率常数反应速率常数平衡常数平衡常数第二页,本课件共有40页(1)1)不可逆吸不可逆吸热热反反应应 对对于于单单反反应应 温度温度对对化学反化学反应应的影响包括平衡常数和反的影响包括平衡常数和反应应速率常数两个速率常数两个方面,不可逆反方面,不可逆反应应不受不受平衡常
2、数的限制,因此只考虑温度对反应速平衡常数的限制,因此只考虑温度对反应速率常数的影响。对不可逆吸热反应当温度升高时,率常数的影响。对不可逆吸热反应当温度升高时,k k会增大,反应会增大,反应速率也相应增大。速率也相应增大。(2 2)不可逆放热反应不可逆放热反应 当温度升高当温度升高时时,k k会增大,会增大,反应速率也相应增大。反应速率也相应增大。由于反应速率常数随温度的升高而升高,因此,无论是放热反由于反应速率常数随温度的升高而升高,因此,无论是放热反应还是吸热反应,都应该在尽可能高的温度下进行,以获得应还是吸热反应,都应该在尽可能高的温度下进行,以获得较大的反应速率,但在实际生产中,要考虑以
3、下问题:较大的反应速率,但在实际生产中,要考虑以下问题:a a)温度过高,催化剂活性下降或失活;)温度过高,催化剂活性下降或失活;b b)设备材质的选取)设备材质的选取c c)热能的供应)热能的供应d d)伴有副反应时,会影响反应的选择性)伴有副反应时,会影响反应的选择性第三页,本课件共有40页例例1 1 硫铁矿的焙烧反应:硫铁矿的焙烧反应:4FeS4FeS2 2+11O+11O2 2=2Fe=2Fe2 2O O3 3+8SO+8SO2 2 是一个不可逆的放热反应,实际上是一个不可逆的放热反应,实际上FeSFeS2 2高于高于400400就开始分解,就开始分解,温度越高反应速率越快,工业上一般
4、在温度越高反应速率越快,工业上一般在850-950 850-950 之间操作,之间操作,反应器炉内衬耐火砖,但温度再高会使烧渣熔化,物料熔结反应器炉内衬耐火砖,但温度再高会使烧渣熔化,物料熔结会影响正常操作。会影响正常操作。FeFe2 2O O3 3的熔点的熔点1560 1560,FeOFeO的熔点的熔点1377 1377。例例2 2 煅烧石灰石制取煅烧石灰石制取COCO2 2及及CaOCaO的反应:的反应:CaCOCaCO3 3=CaO+CO=CaO+CO2 2是一个不可拟的吸热反应,通常靠燃烧焦炭和无烟煤供给热量,是一个不可拟的吸热反应,通常靠燃烧焦炭和无烟煤供给热量,理论上常压下理论上常
5、压下800800开始分解,温度越高反应速率越快,可以缩短开始分解,温度越高反应速率越快,可以缩短煅烧时间,工业上控制在煅烧时间,工业上控制在1100-1200 范围之内,温度再过高,范围之内,温度再过高,可能会出现熔融状态,发生挂壁或结瘤。而且还会使石灰石可能会出现熔融状态,发生挂壁或结瘤。而且还会使石灰石变成坚硬不易消化的变成坚硬不易消化的“过烧石灰过烧石灰”。第四页,本课件共有40页(3)可逆吸热反应)可逆吸热反应随温度的升高,随温度的升高,k1升高,升高,升高,升高,升高,升高,也升高也升高总的结果,随温度的升高,总的反应速率提高。因此,对于可逆吸总的结果,随温度的升高,总的反应速率提高
6、。因此,对于可逆吸热反应,也应尽可能在较高温度下进行,这样既有利于提高平衡转热反应,也应尽可能在较高温度下进行,这样既有利于提高平衡转化率,又可提高反应速率。同时,也应考虑一些因素的限制。化率,又可提高反应速率。同时,也应考虑一些因素的限制。例如,天然气的蒸汽转化反应例如,天然气的蒸汽转化反应是可逆吸热反应,提高温度有利于提高反应速率并提高甲烷的平衡是可逆吸热反应,提高温度有利于提高反应速率并提高甲烷的平衡转化率,但考虑到设备材质等条件限制,一般转化炉内温度小于转化率,但考虑到设备材质等条件限制,一般转化炉内温度小于800-850。第五页,本课件共有40页(4)可逆放热反应)可逆放热反应随温度
7、的升高,随温度的升高,k k1 1升高,升高,降低,降低,降低,降低,也降低也降低总的结果,反应速率受两种相互矛盾的因素影响。总的结果,反应速率受两种相互矛盾的因素影响。温度较低时,由于温度较低时,由于 数值较大,数值较大,1,此时,温度,此时,温度对反应速率常数的影响要大于对对反应速率常数的影响要大于对 的影响,总的结果,温度升高,反应速率的影响,总的结果,温度升高,反应速率提高。提高。随着温度的升高,随着温度的升高,的影响越来越显著,也就是说,随着温度的升高,反应速率的影响越来越显著,也就是说,随着温度的升高,反应速率随温度的增加量越来越小,当温度增加到一定程度后,温度对反应速率常数和平衡
8、随温度的增加量越来越小,当温度增加到一定程度后,温度对反应速率常数和平衡常数的影响相互抵消,反应速率随温度的增加量变为零。常数的影响相互抵消,反应速率随温度的增加量变为零。随着温度的增加,由于温度对平衡常数的影响发展成为矛盾的主要方面,因此,反应速随着温度的增加,由于温度对平衡常数的影响发展成为矛盾的主要方面,因此,反应速率随温度的增加而降低。率随温度的增加而降低。第六页,本课件共有40页 Top TrA最佳温度:对于某最佳温度:对于某一可逆放热反应一可逆放热反应,在,在一定的反应物系组成一定的反应物系组成下,具有下,具有最大反应速率最大反应速率的温度称为相应于这个组成的最佳温度。的温度称为相
9、应于这个组成的最佳温度。第七页,本课件共有40页2)可逆放热单反应的最佳温度曲)可逆放热单反应的最佳温度曲线线(1)最佳温度曲线最佳温度曲线 由相应于由相应于各转化率的最佳温各转化率的最佳温度度所组成的曲线,称为最佳所组成的曲线,称为最佳 温温度曲线。可通过实验测定和理度曲线。可通过实验测定和理论计算得到。论计算得到。(2)(2)最佳温度曲线的测定最佳温度曲线的测定通过实验测定不同转化率时通过实验测定不同转化率时rAT曲线图。曲线图。如图(如图(13),将各转化率),将各转化率的最佳温度连接起来,即为的最佳温度连接起来,即为最佳温度曲线,如图中的虚最佳温度曲线,如图中的虚线。线。第八页,本课件
10、共有40页(3)最佳温度曲线计算最佳温度曲线计算 对于可逆放热反应,如果没有副反应,则最佳温度曲对于可逆放热反应,如果没有副反应,则最佳温度曲线可由动力学方程用一般求极值的方法求出。线可由动力学方程用一般求极值的方法求出。第九页,本课件共有40页(a)TopTe关系关系第十页,本课件共有40页第十一页,本课件共有40页(b)最佳温度曲最佳温度曲线线 由(由(TexA)关系)关系xATe曲曲线线(平衡曲平衡曲线线)计计算同一算同一xA的的Top曲曲线线(最佳温度曲(最佳温度曲线线)。)。温度温度转转化化率率平衡曲线平衡曲线第十二页,本课件共有40页对对于于纵纵坐坐标标xA和横坐和横坐标标T,若是
11、平衡曲,若是平衡曲线线,则为则为 若是最佳温度曲若是最佳温度曲线线,则为则为 对对于可逆放于可逆放热热反反应应,随着反,随着反应应的的进进行,行,xA不断升高,相不断升高,相应应的最佳温度随之降低,一直保持反的最佳温度随之降低,一直保持反应应速率最大。速率最大。温度温度转转化化率率平衡曲线最佳温度曲线最佳温度曲线第十三页,本课件共有40页reversible exothermic reaction0.00.200.400.600.80 xr(x,T)第十四页,本课件共有40页从图中可以看出,从图中可以看出,a)当转化率不变时,存在着最佳反应温度)当转化率不变时,存在着最佳反应温度b)转化率增加
12、时,最佳温度及最佳温度下的反应速率都降低。)转化率增加时,最佳温度及最佳温度下的反应速率都降低。第十五页,本课件共有40页最佳温度曲线最佳温度曲线Optimal temperature profile:转化率转化率最最佳佳温温度度最佳温度最佳温度转转化化率率第十六页,本课件共有40页3 3)最佳温度的实现)最佳温度的实现(1 1)问题的提出:由)问题的提出:由T Toeoe曲线可知:曲线可知:X X低时,低时,T T应高;应高;X X高时,高时,T T应低。应低。实际情况:实际情况:开始开始T T 较低,较低,X X也较低;也较低;后期后期T T 较高,较高,X X也较高也较高 正好相反,如何
13、解决?正好相反,如何解决?(2 2)解决办法)解决办法:a a、前期快速升温。前期快速升温。b b、反应过程中后期不断移热。、反应过程中后期不断移热。(3 3)实施方案:)实施方案:a a、分段反应,段间换热。、分段反应,段间换热。b b、边反应,边移热。、边反应,边移热。第十七页,本课件共有40页1.4.2 1.4.2 温度对多重反应速率的影响温度对多重反应速率的影响1 1)平行反应)平行反应(1)1)平行反应的基本模式平行反应的基本模式讨论条件:恒容;等温;讨论条件:恒容;等温;A2大量过剩;均为拟一级不可逆大量过剩;均为拟一级不可逆反应;反应;C C1010=C=C1010,C,C303
14、0=0,C=0,C4040=0=0。分析:分析:S3=C3/(C10-C1)思路:要求思路:要求S S3 3=?,=?,先求先求C C1 1和和C C3 3,如何求?,如何求?(2)2)平行反应的速率方程平行反应的速率方程第十八页,本课件共有40页第十九页,本课件共有40页第二十页,本课件共有40页(3 3)平行反应的选择率)平行反应的选择率S3=C3/(C10-C1)第二十一页,本课件共有40页第二十二页,本课件共有40页(4)讨论)讨论当当当当E E1 1E E2 2时时时时 提高反应温度对主反应有利提高反应温度对主反应有利提高反应温度对主反应有利提高反应温度对主反应有利当当当当E E1
15、1E E2 2时时时时 温度对选择性无影响温度对选择性无影响温度对选择性无影响温度对选择性无影响当当当当E E1 1E E2 2时时时时 降低反应温度对主反应有利降低反应温度对主反应有利降低反应温度对主反应有利降低反应温度对主反应有利第二十三页,本课件共有40页2)连串反应)连串反应第二十四页,本课件共有40页 组分组分A A3 3是第一个反应的产物,又是第二个反应的反应物,故其净是第一个反应的产物,又是第二个反应的反应物,故其净生成速率应等于第一反应生成速率与第二反应消耗速率之差,由于化生成速率应等于第一反应生成速率与第二反应消耗速率之差,由于化学计量系数相等,因而也等于组分学计量系数相等,
16、因而也等于组分A A1 1的消耗速率与组分的消耗速率与组分A A4 4的生成速的生成速率之差,即率之差,即 如果目的产物是如果目的产物是A A4 4,即,即A A4 4的生成量应尽可能大,的生成量应尽可能大,A A3 3的生成量的生成量应尽量减少。这种情况比较简单,只要提高反应温度即可达应尽量减少。这种情况比较简单,只要提高反应温度即可达到目的。因为升高反应温度,到目的。因为升高反应温度,k k1 1和和k k2 2都增大。都增大。如果目的产物为如果目的产物为A A3 3,情况就复杂得多。若反应在等容下进行,情况就复杂得多。若反应在等容下进行,反应速率可以反应速率可以dc/dtdc/dt表示,
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