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文档简介

第一节 动力学实验及实验数据的解析方法 第二节 间歇反应器的解析 间歇反应器实验及其数据解析方法 第三节 连续反应器的解析 连续反应器实验及其数据解析方法,第十二章 反应动力学的解析方法,本章主要内容,第一节 反应速率的一般解析方法,一、动力学实验的一般步骤 二、动力学实验数据的一般解析方法 三、反应器的物料衡算,本节的主要内容,一、动力学实验的一般步骤,确定反应速率与反应物浓度之间的关系; 确定反应速率与pH值、共存物质、溶剂等反应条件的关系; 确定反应速率常数及其与温度、pH值等反应条件的关系。,(一)动力学实验的目的,第一节 反应速率的一般解析方法,一般步骤: 保持温度和pH值等反应条件不变,找出反应速率与反应物浓度的关系; 保持温度不变,研究pH值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的关系; 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,在此基础上求出(表观)活化能。,(二)动力学实验的一般方法,第一节 反应速率的一般解析方法,(1)直接测量关键组分的浓度 (2)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: (1)不同反应时间关键组分的浓度(间歇反应器) (2)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),测量对象:,第一节 反应速率的一般解析方法,(一)间歇反应动力学实验及其数据的解析方法 积分法: 判断实验数据与某积分形式的速率方程是否一致 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。,二、动力学实验数据的一般解析方法,第一节 反应速率的一般解析方法,(二)连续反应动力学实验及其数据的解析方法 1管式反应器,“积分反应器(integral reactor)”:反应器出口处的转化率5;反应器内反应组分的浓度变化显著,“微分反应器(differential reactor)”:反应器出口处的反应速率5;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,第一节 反应速率的一般解析方法,特点:动力学数据的解析比较容易。转化率的大小没有限制,因此对分析的要求也不太苛刻。 应用:污水处理特性以及污水处理新技术、新工艺的研究。,2槽式反应器,第一节 反应速率的一般解析方法,A的进入量A的排出量A的反应量A的积累量 qnA0qnA(rA)VdnA/dt,三、反应器的物料衡算,单位时间内A的物料衡算式如下:,A的流入量 qnA0 (kmol/s),体积V,A的存在量 nA,A的反应量 RA(kmol/s),A的排出量 qnA (kmol/s),反应器的基本方程,第一节 反应速率的一般解析方法,本节思考题,第一节 反应速率的一般解析方法,(1) 动力学实验的主要目的有哪些? (2) 用槽式反应器进行动力学实验有哪些优点? (3) 对反应器进行物料衡算时,一般应注意哪些问题? (4) 对于全混流槽式反应器和推流式反应器,分别如何选择物料衡算单元,为什么?,一、间歇反应器的基本方程 二、间歇反应器的动力学实验方法 三、实验数据的积分解析法 四、实验数据的微分解析法,第二节 间歇反应器的解析,本节的主要内容,一、间歇反应器的基本方程,间歇反应器的物料衡算图,-dnA/dt=-rAV,恒容反应,浓度 cA,物质量 nA,体积V,第二节 间歇反应器的解析,(12.2.3),(12.2.6),二、间歇反应器的动力学实验方法,实验方法:测定cA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 数据解析的目的:确定反应级数和反应速率常数,第二节 间歇反应器的解析,三、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,由表11.3.1可知,对于一级反应:,F(cA)ln(cA0/cA),F(cA)=(k)t G(xA)= (k)t,由表11.3.1找一般规律?,第二节 间歇反应器的解析,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); 计算出不同反应时间时的F(cA)或G(xA); 以F(cA)或G(xA)对时间作图。,积分解析法的一般步骤,如果得到一条通过原点的直线,说明假设是正确的,则可以从该直线的斜率求出反应常数k。,F(cA)=(k)t G(xA)= (k)t,第二节 间歇反应器的解析,例题12.2.1,污染物A在某间歇反应器中发生分解反应,于不同时间测得反应器中A的浓度如下表所示。试分别利用积分法和微分法求出A的反应速率方程表达式。,第二节 间歇反应器的解析,假设反应为零级反应rA=k,,即dcA/dt=k,cA=kt+cA0。 根据表中数据做cAt的曲线。,积分解析法:,发现没有线性关系。 假设错误!,第二节 间歇反应器的解析,根据表中数据做lncAt的曲线,假设反应为一级反应rA=kcA,即dcA/dt=kcA,lncA=kt+lncA0。,k=0.06341, 即rA=0.06341cA。,发现有线性关系 假设正确!,第二节 间歇反应器的解析,半衰期解析法,n级反应的半衰期 (表11.3.1),第二节 间歇反应器的解析,(12.2.11),四、实验数据的微分解析法,微分解析法的关键? 求出任一时间的反应速率,第二节 间歇反应器的解析,把cA对时间作图,并描出圆滑的曲线,微分解析的一般步骤,把得到的反应速率值对浓度f(cA )作图。 假设一个速率方程,若与实验数据相符,则假设成立,之后可以求出动力学参数。,利用图解法(切线法)或计算法,求得不同cA时的反应速率,即dcA/dt。,第二节 间歇反应器的解析,例题12.2.1,污染物A在某间歇反应器中发生分解反应,于不同时间测得反应器中A的浓度如下表所示。试分别利用积分法和微分法求出A的反应速率方程表达式。,第二节 间歇反应器的解析,微分法解析法,利用切线法求出不同cA对应的反应速率rA。,根据表中数据做cAt的曲线,第二节 间歇反应器的解析,以rA对cA作图,所以该反应为一级反应。反应速率常数为0.0634min-1。,得到线性关系rA=0.06341CA。,第二节 间歇反应器的解析,让反应在A大量过剩的情况下进行,在反应过程中A的浓度变化微小,可以忽略不计,则反应速率方程可改写为: rAkcBb (12.2.15),rAkcAacBb 的参数求法,让反应在B大量过剩的情况下进行,在反应过程中B的浓度变化微小,可以忽略不计,则反应速率方程可改写为: rAkcAa (12.2.14),第二节 间歇反应器的解析,(1) 在环境工程研究中,进行液相反应速率方程的实验测定时,常采用间歇反应器,为什么? (2) 简述利用间歇反应器进行动力学实验的一般步骤。 (3) 试用流程图表达间歇动力学实验数据的积分解析法。 (4) 试用流程图表达间歇动力学实验数据的微分解析法。 (5) 如何利用半衰期确定反应级数?,本节思考题,第二节 间歇反应器的解析,一、槽式连续反应器 二、平推流反应器,第三节 连续反应器的解析,本节的主要内容,一、槽式连续反应器,(一)基本方程 基本方程的一般形式 全混流槽式连续反应器 (Continuous Stirred Tank Reactor,CSTR),在稳态状态下,组成不变,反应速率恒定,即dnA/dt=0,qnA0qnA(rA)VdnA/dt,第三节 连续反应器的解析,rAV qnA0xA,rAV qv0cA0xA,(12.3.7) 恒容反应,第三节 连续反应器的解析,(二)槽式连续反应器的动力学实验方法,实验方法:改变cA0或/和qvA0 测定反应器出口处的cA 获取的数据:不同反应条件下的反应器出口处的cA,rAVqv0cA0qvcA,数据解析方法(类似于间歇反应器的微分解析法): (1)求不同cA时的反应速率rA,(2)根据rA和cA的关系求出反应级数和反应常数。,第三节 连续反应器的解析,使用一槽式连续反应器测定液相反应A R的反应速率方程,保持原料中A的浓度为100 mmol /L不变,改变进口体积流量qv ,测得不同qv时的反应器出口A的浓度如表所示,试求出A的反应速率方程。,例题12.3.1,第三节 连续反应器的解析,解:根据槽式连续反应器的基本方程: rAVqv0cA0qvcA 得到不同cA对应的-rA值如下表所示:,从表中数据可以看出,存在线性关系rA=24cA。 所以该反应为一级反应,反应速率常数为24min-1。,第三节 连续反应器的解析,二、平推流反应器,平推流反应器的特点: 在连续稳态操作条件下,反应器各断面上的参数不随时间变化而变化。 反应器内各组分浓度等参数随轴向位置变化而变化,故反应速率亦随之变化。 在反应器的径向断面上各处浓度均一,不存在浓度分布。,平推流反应器一般应满足以下条件: 管式反应器:管长是管径的10倍以上。 固相催化反应器:填充层直径是催化剂粒径的10倍以上。,第三节 连续反应器的解析,(一)平推流反应器的基本方程,在稳态状态下,dnA/dt=0,qnAqnA dqnA (rA)dVdnA/dt,dV,第三节 连续反应器的解析,基本方程的不同表达形式,(12.3.12),第三节 连续反应器的解析,恒容反应的基本方程,在恒容条件下: cAcA0(1-xA),即-cA0dxAdcA,(12.3.19),第三节 连续反应器的解析,(二)积分反应器实验法,实验方法:一般固定反应原料的组成,改变体积流量qv,即改变,测定反应器出口处的反应率或关键组分如反应物A的浓度(cA)。 获取的数据:不同反应条件下的反应器出口处的转化率或cA,第三节 连续反应器的解析,实验数据的积分解析法:(类似于间歇反应器的积分法),将rA与xA的具体函数, rAkf(xA ) 代入式(12.3.15)积分, 可得k与xA的函数关系式,(12.3.21),第三节 连续反应器的解析,例如:对于一级反应,在等温恒容条件下,rA=kCA = kCA0(1xA),将上式代入(12.3.21)积分,整理可得:,k=(qnA0/VcA0 )ln(1xA),利用上式、根据实验数据即可求得k的值。,第三节 连续反应器的解析,实验数据的微分解析法:(类似于间歇反应器的微分法):,式(12.3.13a),变形得:,(2)假设一个反应速率方程,判断实验数据是否与该方程相符,(1)把xA对V/ qv0作图,利用图微分法即可求得不同xA 时的rA,第三节 连续反应器的解析,在直径为1cm长为3m的管式反应器内进行乙酸的水解反应,在温度为298.15K时,测得不同原料供应速率时的出口处的转化率如下表所示。已知反应原料中的乙酸浓度为2.0*10-4mol/cm3,反应液的密度为1.0g/cm3保持不变。 试证明该反应为一级反应 求出该反应在298.15K时的反应速率常数,例题12.3.2,第三节 连续反应器的解析,第三节 连续反应器的解析,由该曲线求出xA0.20,0.40,0.60,0.80时的dxA/d(V/qv0),即(-rA)/cA0值,并继而求得-rA,结果列于下表:,第三节 连续反应器的解析,假设一级反应(等温恒容)-rA=kcA=kcA0(1-xA) 即-rA与(1-xA)成直线关系。,将实验所得的(1-xA)对-rA作图。,得一直线,故假设成立,该反应为一级反应。 图中的连线斜率即为kcA0,由此求得k=0.168min-1。,第三节 连续反应器的解析,(三)微分反应器实验法,将式(12.3.13a),变形可得:,对于微分反应器:,(12.3.28),(12.3.29),(12.3.30),第三节 连续反应器的解析,(三)微分反应器实验法,实验方法:改变反应原料的组成或/和体积流量qv,测定反应器出口处的反应率或关键组分的浓度(cA)。 获取的数据:不同反应条件下的反应器出口处的转化率或cA,第三节 连续反应器的解析,几点注意: 求得的反应速率是该反应器的平均速率,(rA)平均 (rA)平均对应的浓度是进出口的平均浓度(cA0cA)/2 (rA)平均对应的转化率是进出口的平均转化率(xA0xA)/2,(rA)平均,根据以上计算,可获得不同浓度时的反应速率 已知速率方程,即可计算速率常数 借鉴间歇反应的微分法确定速率方程、计算速率常数,第三节 连续反应器的解析,利用微分反应器对化合物A的气相聚合反应进行动力学研究。反应器的压力维持在101.3kPa。温度保持在592。在原料中加入N2,以改变原料中A的分压pA0。改变原料气体体积流量qv0和反应器体积V,以获得不同的空间时间。在不同反应条件下测得的反应器出口处的A的转化率xA如下:,该反应为二级反应,反应式为2AP。已知等温恒压反应系统中反应物浓度CA与转化率xA之间存在以下关系:,,求该反应在592时的反应速率常数。,例题12.3.3,第三节 连续反应器的解析,解:根据题意:A=(1-2)/2=-0.5,P=101

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