化学反应工程知识点13讲义.docx

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1、个人收集整理 勿做商业用途学问点 1. 绪论一、主要讲解内容介绍化学反响工程相关的根本学问，包括化学反响工程的定义、化学反响工程学科的进展、化学反响工程的任务、化学反响工程和其他学科的关系。二、学习要求本章要求学生能够把握化学反响工程的定义，明确化学反响工程的任务。三、视频已录制完成四、讲义1.1 化学反响工程的定义在工业规模上开发和应用化学反响的工程活动。1.2 化学反响工程学科的进展自然界的物质的运动或变化过程由物理或化学的两类,物理过程不牵涉化学反响，但化学过程却总是与物理因素有着严密联系。所以化学反响过程是物理与化学两类因素综合体.远溯古代，陶瓷制作、酿酒等工艺,但直到本世纪五十年月始

2、终还未形成一门特地争论的独立学科,到 1957 年进展的第一次欧洲反响工程会议上确立了这一学科的名称。1.3 化学反响工程的任务化学反响工程学是一门争论化学反响的工程问题的科学，既以化学反响作为争论对象,又以工程问题为争论对象，把二者结合起来的学科体系。其主要任务包括:分析化学反响的特点、确定适宜的反响条件；选择适宜的反响器并对其进展最优化设计；对反响器进展最优操作和把握。1.4 化学反响工程和其他学科的关系a。 数学，微积分、方程的解析求解和数值求解、极值问题等，均是化学反响工程问题求解的根底。b。 反响动力学：特地说明学反响速率与各项物理因素如温度、压力、催化剂等) 之间的定量关系。为实现

3、某一反响，要选定合易的条件及反响器的构造型式、尺寸和处理力气等,这些都依靠于对反响动力学特性的生疏。c. 化工热力学:确定物系的各种物性常数热容、研所引资、反响热等，看化学反响是否能进展及其反响程度。为化学反响工程供给反响热、反响平衡常数等根底数据.d. 催化作用e。 传递工程和流体力学：装置中有动量、热量、质量传递三传，当规模放大时,消灭放大效应.“三传一反”是三传和反响动力学.五、小结本章介绍了化学反响工程的定义、学科的进展、任务极其与数学、化工热力学、催化作用及传递工程等学科之间的亲热关系。六、自测题1.三传一反是指动量传递、热量传递、质量传递和反响动力学 。学问点 2. 计量方程及反响

4、分类一、主要讲解内容主要介绍计量方程的含义，并对反响从不同的角度进展分类.二、学习要求把握计量方程的含义，把握不同的反响分类方法。三、视频(已录制完成四、讲义1。 化学计量方程计量方程是表示各反响物、生成物在反响过程的计量关系的方程.化学计量方程仅是表示由于反响而引起的各个参与反响的物质之间量的变化关系，计量方程本身与反响的实际历程无关。计量方程两侧同乘以一非零的系数后,可得一个计量系数不同的的计量方程。2。 反响分类反响可依据不同的方式进展分类：a. 依据参与反响的相数分类可分成均相反响和非均相反响。均相反响:参与反响的相数为 1，例如在均一的液相或气相中进展的反响.非非均相反响:反响的进展

5、需要至少两相或两相以上存在不愿定各相都参与反响)。b。 依据催化作用分类可分成催化反响和非催化反响。例：煤球的燃烧为非催化非均相反响，石油的催化裂化催化反响为非均相反响.c. 依据计量方程的个数分类可分成单一反响和复合反响.只用一个计量方程即可唯一的给出各反响组分之间的变化关系的反响体系为单一反响;必需用两个或多个)计量方程方能确定各反响组分在反响时量的变化关系的反响,称为复合反响,例如:CO+2H2=CH3OH CO+ 3H2=CH4+ H2Od. 依据反响中体积的变化分类可分为恒容反响和变容反响，例如恒温、恒压、恒摩尔的气相反响为恒容反响，压力不是很高的状况下的液相反响。e. 依据反响的热

6、效应分类可分为吸热反响和放热反响f. 依据反响的可逆性分类可分为可逆反响与不行逆反响。g. 依据反响机理分类可分为基元反响与非基元反响。计量方程能够表示反响机理或实际的反响历程的反响为基元反响 .计量方程不能够表示反响机理的反响为非基元反响，非基元反响可以假定为一系列的基元步骤。例如Br + H22 2HBr 可看假定为如下的基元步骤：Br 2BrBr +H HBr + H H +Br HBr + Br222五、小结计量方程是表示各反响物、生成物在反响过程的计量关系的方程，计量方程与反响历程之间无必定联系。化学反响依据不同的基准可分为不同的类别，把握各种反响分类的基准。六、自测题1. 化学计量

7、方程反映的是A。A。 反响中各反响物、产物之间的计量关系；B。 实际的反响历程。2。 基元反响和非基元反响之间的区分在于 A.A. 计量方程是否反映了实际的反响历程；B。 表示反响所需的计量方程数不同；C. 参与反响的相数不同.学问点 3。 反响速率及动力学方程一、主要讲解内容本局部介绍了反响速率的定义方法、反响速率方程的形式、反响级数和基元反响分子数、反响速率对温度的依靠关系。二、学习要求把握反响速率的定义式，了解两种反响速率方程的形式，把握反响级数和基元反响分子数之间的区分和联系,把握 Arrehenius定律。三、视频已录制完成四、讲义1。 反响速率反响速率定义:ri1 dN=iVdt=

8、moles i formed(volume offluid )(time)mol/m3.s)其中，i 关键组分;dNidt 时间内反响生成的 i 的摩尔数;V反响器的有效体积。对于气相反响：流体体积=反响器有效体积=反响器体积； 对于液相反响：流体体积=反响器有效体积，但不愿定等于反响器体积.对于任意的反响，例如,AR,对反响物， dNA 为负值,而产物 dNR 是正值。对于反dtdt1 dN应物，为了保证速率数值为正，反响速率通常表示为： -r = -i 。iVdt对于恒容的状况， -r= - 1 dNi = -i .dCiVdtdt依据计量方程可得给定反响中各个物质反响速率之间的关系：Sa

9、A + bB rR + sS=-r-rrAB=R = r即： (-rA) : (-rB) : r : rRS= a : b : r : sabrs其他速率定义方式：对于流固非均相反响，以其中固体的质量为基准：1 dN其中 W-固相质量,kg。r” =iWdti mol/(kg 固体.s对于两流体体系或者流固反响体系：其中 S界面面积， m2； 针对流固反响体系：r” =i1 dN Sdtimol/m2.s)1 dN其中 Vs固相体积，m3;r ” =iiVdtS1 dNmol/(m3solid.s)r ” =iiVdtrr其中 V 反响器体积，m3。mol/(m3。s)不同基准的速率之间的关系

10、：V r= W r” = S r” = Vr” = Vr ”2 速率方程/动力学方程iiiSir i均相反响动力学是争论各种因素如温度、催化剂、反响物组成和压力等对反响速率反响产物分布的影响，并确定表达这些因素与反响速率间定量关系的速率方程。r = f (C,T , Cat,.)i目前主要考虑温度、浓度的影响；其它影响因素视为恒定:r = f (Concentration,Temperture)i首先考虑单一反响,动力学方程的形式分为双曲函数型与幂函数型。1双曲型动力学方程双曲函数型动力学方程由反响机理导得。例如:C1k C1C2g=1H 2BrHBrk+HBr2CBr2依据反响机理可将反响分

11、类为基元反响和非基元反响，对于基元反响, aA + bB Products动力学方程可直接写出，动力学方程与计量方程之间存在对应关系:-r= kAC aC b AAB-r= k CBBa C bABA其中，a+b分子数，只能是 1、2 或者 3,不行能大于 3。由(-r) : (-rB) = a : b 得。k: k= a : bAB留意：a. 如下的两个基元反响不等价：A B分子数为 12A 2B分子数为 2b. 分子数只能是整数例如反响 A + 1 B R ,动力学方程为 -r2A1= k C C 2AAB，计量方程和动力学方程之间存在对应关系，但是该反响假设是基元反响，就消灭了分子数为小

12、数的状况，所以该反响确定不是基元反响。对于非基元反响，通常可假定为一系列的基元步骤。例如Br + H22 2HBr 可看假定为如下的基元步骤：Br 2BrBr +H HBr + H H +Br HBr + Br222实际上真正的反响历程是不是这样，其中存在很大的不确定性。这些基元步骤中涉及到了 Br及 H等这样的中间物种，实际反响中涉及的中间物种是不是这些?我们并不能确定,其中的缘由有以下几点：a。 中间物种寿命格外短暂, 很难捕获到其存在的信息。b。 其浓度格外低，低于一般的仪器设备的检测极限。c. 中间物种不具有正常化合物的构造和性质，即使有时候我们能够检测到一些信息, 也很难确定这些物种

13、到底是何物.所以我们所说的反响机理通常具有很大的主观性。2) 幂函数型动力学方程幂函数型动力学方程通常由阅历推出：r = kC a C bAB其中 k速率常数;、 -分别为 A 和 B 的反响级数；+总反响级数。留意：幂数型动力学方程中通常未排解传递过程的影响；通常只能在试验范围能使用，外延使用范围需慎重；此类动力学方程和计量方程之间无必定联系.幂数型动力学方程可视为双曲型的特例，例如对于如下双曲型动力学方程，Ar =kC m1+ kC nA当kC n1 时,变为幂数型方程 r = k “C m-n ，当kC n1 时，变为幂数型方程 r = kC m .AAAA可以说该反响可视为一个变级数反

14、响,反响级数在 mn 和 m 之间变化。又例如：Ar =kC m1+ kC mAA当kC m1或 C 很高)时，该反响动力学方程变成0 级，这也是零级反响通常存A在的范围，即高浓区。对于如下幂数型动力学方程，-r= kCAn mol/m3。sA可推得动力学常数 k 的单位为浓度1n时间-1，例如 1 级反响，k 的单位应为 s-1， 2 级反响，k 的单位应为 m3.mol1.s-1，0 级反响,k 的单位应为 mol.m-3s-1.其中的反响级数通常3 , 可以是正数、负数、零或者小数。反响速率常数 k 通常满足 Arrehenius定律，k = k e- E / RT0其中 k -指前因子

15、或频率因子； k T m , (0 m 1)00E活化能，大于零,J/mol。由 Arrehenius定律两侧求对数得，Eln k = - RT+ ln k0即，lnk1/T 成线性关系，如图 2-1 所示，其斜率为E/R，截距为lnk0，从而依据不同温度下的速率常数数据可由上述直线关系求得指前因子 k0 和活化能 E.但是需要留意，由此得到的 k0 和 E 值尽量限于此试验温度范围之内，假设用于其它温度范围需要慎重，这是由于通常我们会觉察在较宽的温度范围内， lnk1/T 的关系会发生变化，参见图 2-2,之所以会有这样的变化其中的缘由可能有 3 个方面：速率把握步骤发生转变;机理发生转变；

16、速率常数中包含了平衡常数。lnk0Slope=-E/Rlnklnk1/T1/T图 21 lnk1/T 之间的线性关系图 2-2 宽温度范围内 lnk1/T 之间的关系关于活化能,有几点说明:l 活化能反映了反响速率对温度的敏感程度；l 活化能越高，反响对温度越敏感;l 低温下反响对温度的敏感性较高温下更强；l 指前因子 k0 几乎不影响反响对温度的敏感性。对于复合反响,动力学方程的写法与单一反响类似，例如:A kB-r = kCk An - kC m ABk1R-r = k CAA1n - k C m A2AAk2S， -r= k C n1Ak1k2ARSr = k CR1n - k C m

17、A2R四、小结， r = k C mS2R1。 反响速率定义：1 dNmoles i formedr =iiVdt=(volume offluid )(time)mol/(m3。s2. 依据反响计量方程可知各个反响物速率之间的关系， aA + bB rR + sS=-r-rABrr=R =Sabrs即： (-rA) : (-rB) : r : rRS= a : b : r : s3。 基元反响， aA + bB Products 动力学方程与计量方程之间存在对应关系：-r= kAC aC b AAB-r= k CBBa C bABa+b 称为分子数,只能是 1、2 或者 3,不行能大于 3.4

18、. 幂数型动力学方程，-rA= kCn mol/m3。s 动力学常数 k 的单位为浓度1nA时间1，例如 1 级反响，k 的单位应为 s-1，2 级反响,k 的单位应为 m3。mol1。s1，0 级反响，k 的单位应为 mol。m3s1。5。 反响速率常数 k 通常满足 Arrehenius定律，k = k e- E / RT0；其中 k -指前因子或频率因子；k Tm , (0 m 1)E活化能，大于零，J/mol。000活化能反映了反响速率对温度的敏感程度；活化能越高，反响对温度越敏感; 低温下反响对温度的敏感性较高温下更强；指前因子 k 几乎不影响反响对温度的敏感性。五、自测题推断对错1

19、、 某反响速率常数的单位为 mol / m3.hr)，该反响为二级级反响。X)2、 某反响的计量方程为 A R + S ，则其反响速率表达式为-rA= kCA.X3、 反响级数可能大于 3。X)4、 基元反响的分子数只能是整数，不行能是 0.5。5、 对于反响 A + 2B 2R ，各物质反响速率之间的关系为：rA):(rB):rR2：1:1。X6、 据阿伦尼乌斯定律，活化能越大，反响对温度越不敏感.X7、 指前因子理论上与温度有关，但与指数项相比其随温度的变化可以无视，活化能的取值永久都是正的。()8、 对于任何反响，A B 和2 A 2B 表示的是同一个反响X9、 反响级数仅仅是一个阅历值，可以是任何数值。X