温对反应速率的影响学习教案

1、会计学1温对反应速率温对反应速率(sl)的影响的影响第一页，共41页。温度温度(wnd)反应速率反应速率(sl)常数常数平衡常数平衡常数第1页/共40页第二页，共41页。（1) 1) 不可逆吸热反应不可逆吸热反应 对于对于(duy)(duy)单反应单反应 0CgEkk expR T（） 温度对化学反应的影响包括平衡常数和反应速率常数两个方面，不可逆反应不受平衡常数的限制，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，k会增大，反应速率也相应增大。 （2) 不可逆放热反应 当温度升高时，k会增大，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，无论是放热反应还是

2、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，要考虑以下问题：a）温度过高，催化剂活性下降或失活；b）设备(shbi)材质的选取c）热能的供应d）伴有副反应时，会影响反应的选择性第2页/共40页第三页，共41页。第3页/共40页第四页，共41页。)()(1)()()(1)()()(12111122112211yfKyfyfkyfkyfkyfkyfkyfkryA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，对于可逆吸热反应，也

3、应尽可能在较高温度下进行，这样既有利可逆吸热反应，也应尽可能在较高温度下进行，这样既有利于提高平衡转化率，又可提高反应速率。同时于提高平衡转化率，又可提高反应速率。同时(tngsh)，也应考虑一些因素的限制。也应考虑一些因素的限制。yKyK)()(112yfKyfy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转是可逆吸热反应，提高温度有利于提高反应速率并提高甲烷的平衡转化率，但考虑到设备材质化率，但考虑到设备材质(ci zh)等条件限制，一般转化炉内温度小等条件限制，一般转化炉内温度小于于800-850。224HCOOHCH第4

4、页/共40页第五页，共41页。)()(1)()()(1)()()(12111122112211yfKyfyfkyfkyfkyfkyfkyfkryA随温度的升高，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。yKyK)()(112yfKyfy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，此时(c sh)，温度，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，反应速率提高。的影响，总的结果，温度升高，反应速率提高。随

5、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。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，反应速率随温度的增加而降低。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。yK)()(112yfK

6、yfy)()(112yfKyfyyK第5页/共40页第六页，共41页。0yATr Top TrA0yATr0yATr最佳温度最佳温度(wnd)：对于某一可逆放热反应，在一定的反应物：对于某一可逆放热反应，在一定的反应物系组成下，具有最大反应速率的温度系组成下，具有最大反应速率的温度(wnd)称为相应于这个称为相应于这个组成的最佳温度组成的最佳温度(wnd)。第6页/共40页第七页，共41页。第7页/共40页第八页，共41页。)exp()()exp()()()(220211012211TREkyfTREkyfyfkyfkrggA1212ln1EEEEeTgReTOPT第8页/共40页第九页，共4

7、1页。121 1221102201122101202221212( )( )( )exp( )exp0exp( )exp( )0expAggAopygopgopgopgopgopEErk f yk fyf y kfy kR TR TrTTTEEEEkf ykfyR TR TR TR TEEEER T对上式求导，使其等于零,即，并以代替2021011210120220221101( )A( ),0,:exp( )exp( )( )expB( )eAgegegekfyk f yTrEEkf ykfyR TR TkfyEER Tk f y（ ）当反应处于平衡时 相应的平衡温度为此时则有（ ）令 式（

8、A）=式（B）(a) TopTe关系关系(gun x)第9页/共40页第十页，共41页。1212121212122121eop22211211:11T1TT11gopgegopgegopeggeeEEEEEexpexpER TR TEEEEElnER TR TEEElnRTTERREElnlnTEEEEEE两边取对数（172）第10页/共40页第十一页，共41页。(b) 最佳温度最佳温度(wnd)曲线曲线 由（由（TexA）关系）关系xATe曲线曲线(平衡曲线平衡曲线)计算同计算同一一xA的的Top曲线（最佳温度曲线（最佳温度(wnd)曲线）。曲线）。 温度温度转化率转化率平衡曲线TKxBTA

9、KxfKPPPlg)(反应物浓度生成物浓度6455. 45 .4905lg),(2332235 . 0epsososoososopTkpppxpppk6455. 4lg5 . 05 . 05 . 0100lg5 . 01lg5 .4905paxbaxxxTe平衡(pnghng)曲线第11页/共40页第十二页，共41页。对于纵坐标对于纵坐标xA和横坐标和横坐标T，若是平衡，若是平衡(pnghng)曲线，则为曲线，则为AexTAopxT 若是最佳温度若是最佳温度(wnd)曲线，则为曲线，则为 对于可逆放热反应对于可逆放热反应(fnyng)，随着反应，随着反应(fnyng)的进行，的进行，xA不断升

10、高，相应的最佳温度随之降低，一直保持反应不断升高，相应的最佳温度随之降低，一直保持反应(fnyng)速率最大。速率最大。温度温度转化率转化率平衡曲线最佳温度曲线1212ln1EEEEeTgReTOPT最佳温度曲线第12页/共40页第十三页，共41页。0.00.200.400.600.80 xr(x,T)第13页/共40页第十四页，共41页。第14页/共40页第十五页，共41页。转化率转化率最佳最佳(zu ji)温度温度最佳最佳(zu ji)温度温度转化率转化率第15页/共40页第十六页，共41页。3 3）最佳温度的实现）最佳温度的实现（1 1）问题的提出）问题的提出(t ch)(t ch)：由

11、：由ToeToe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16页/共40页第十七页，共41页。1.4.2 1.4.2 温

12、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；A2A2大量过剩；均为拟一级不可逆反大量过剩；均为拟一级不可逆反应；应；C10=C10, C30=0, C40=0C10=C10, C30=0, C40=0。分析：分析：S3=C3/(C10-C1)S3=C3/(C10-C1)思路：要求思路：要求(yoqi)S3=?,(yoqi)S3=?,先求先求C1C1和和C3C3，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LAS=A生成目的产物 所消耗的关键组分 的量转化了的

13、关键组分 的量第17页/共40页第十八页，共41页。r)(expccln1)()(2110110121121101211110tkkcckktckkdcdtckkdcdtcct第18页/共40页第十九页，共41页。)(exp1)(exp)(exp2121101302110103211011133tkkkkckcdttkkckdctkkckckdtdctc第19页/共40页第二十页，共41页。)(exp121211013tkkkkckc)(exp21101tkkccS3=C3/(C10-C1)第20页/共40页第二十一页，共41页。第21页/共40页第二十二页，共41页。)exp(1121010

14、2TREEkkgs第22页/共40页第二十三页，共41页。第23页/共40页第二十四页，共41页。 组分组分A3A3是第一个反应的产物，又是第二个反应的反应物，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，由于化学计量系数相等，因而也等于组分差，由于化学计量系数相等，因而也等于组分A1A1的消耗速率与的消耗速率与组分组分A4A4的生成速率之差，即的生成速率之差，即 如果目的产物是如果目的产物是A4A4，即，即A4A4的生成量应尽可能大，的生成量应尽可能大，A3A3的生成量的生成量应

15、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，的。因为升高反应温度，k1k1和和k2k2都增大。都增大。 如果目的产物为如果目的产物为A3A3，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(jnxng)(jnxng)，反应速率可以，反应速率可以dc/dtdc/dt表示，经过推导，可得出组分表示，经过推导，可得出组分A3A3的收率的收率Y3Y3与组分与组分A1A1的转化率的转化率x1x1及反应速率常数之比值及反应速率常数之比值k2/k1k2/k1的的函数，如图函数，如图1-41-4所示

16、。所示。第24页/共40页第二十五页，共41页。 其中每一曲线相应于一定其中每一曲线相应于一定(ydng)(ydng)的的 k2/k1 k2/k1值。由图可见，转化率一定值。由图可见，转化率一定(ydng)(ydng)时，时，A3A3的收率的收率Y3Y3总是随总是随k2/k1k2/k1值的增加而减少。图中的虚线为极大值的增加而减少。图中的虚线为极大点的轨迹。点的轨迹。第25页/共40页第二十六页，共41页。第26页/共40页第二十七页，共41页。)40000exp()80000exp()(20210121TRkkTRkkMALAggkk 主反应第27页/共40页第二十八页，共41页。)9000

17、0exp()50000exp(20210121TRkkTRkkMLAggkk第28页/共40页第二十九页，共41页。（1 1）根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进）根据反应过程的化学基础和生产工艺的基本要求，进行反应器的选型设计。行反应器的选型设计。（2 2）根据化学反应与有关流体力学、热量、质量传递过程）根据化学反应与有关流体力学、热量、质量传递过程综合的宏观反应动力学，计算综合的宏观反应动力学，计算(j sun)(j sun)反应器的结构尺寸反应器的结构尺寸，主要是影响催化床内温度分布和流体流动状态的结构尺，主要是影响催化床内温度分布和流体流动状态的结构尺寸。寸。（3 3）反应器

18、的机械设计）反应器的机械设计 第29页/共40页第三十页，共41页。（4 4）在机械设计可行的前提下）在机械设计可行的前提下. .进行改变结构尺寸和操作温度、流体进行改变结构尺寸和操作温度、流体流动条件对反应器的稳定操作和适应一定幅度的催化剂失活和产量、流动条件对反应器的稳定操作和适应一定幅度的催化剂失活和产量、产品质量和选择率、收率等方面的工艺要求的工程分析，然后确定产品质量和选择率、收率等方面的工艺要求的工程分析，然后确定(qudng)(qudng)反应器的设计。反应器的设计。（5 5）反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果改进今后同一类）反应器投产后，还要综合生产实践反馈来的效果改进

19、今后同一类型化学反应器的设讨。型化学反应器的设讨。（6 6）开发新型反应器。）开发新型反应器。 化学反应器是为了进行指定产品生产及其原料制备化学反应器是为了进行指定产品生产及其原料制备(zhbi)过程的反应设备，必须对所面向的产品的化学特过程的反应设备，必须对所面向的产品的化学特征和现有生产方法、流程及操作条件等工艺内容有足够征和现有生产方法、流程及操作条件等工艺内容有足够的认识。的认识。 第30页/共40页第三十一页，共41页。1 1）化学基础）化学基础 （1 1）应掌握化学及催化剂研究工作者所获有关反应网络，催化剂对主）应掌握化学及催化剂研究工作者所获有关反应网络，催化剂对主、副反应的促进

20、及抑制能力，对反应温度、原料、副反应的促进及抑制能力，对反应温度、原料(yunlio)(yunlio)组成、压组成、压力、空速的要求和在一定条件下能获得的转化率、选择率和收率的研力、空速的要求和在一定条件下能获得的转化率、选择率和收率的研究成果。究成果。 （2 2）应掌握反应过程的热力学数据和黏度、导热系数及扩散系数等物）应掌握反应过程的热力学数据和黏度、导热系数及扩散系数等物性数据。性数据。 （3 3）研究工作者所进行的反应动力学研究大多是本征动力学，缺少反）研究工作者所进行的反应动力学研究大多是本征动力学，缺少反应器设计需要的宏观动力学数据。在这种情况下，反应器设计工作者应器设计需要的宏观

21、动力学数据。在这种情况下，反应器设计工作者往往只能按本征动力学计算，再加以校正，或先研究宏观反应动力学往往只能按本征动力学计算，再加以校正，或先研究宏观反应动力学，再加以校正。，再加以校正。 第31页/共40页第三十二页，共41页。（4 4）许多与流体、固体颗粒流动状况密切相关的反应器，如流化床反）许多与流体、固体颗粒流动状况密切相关的反应器，如流化床反应器，按工业反应器考虑的反应动力学，又称为反应器级或床层级宏应器，按工业反应器考虑的反应动力学，又称为反应器级或床层级宏观反应动力学，必须在颗粒级宏观反应动力学的基础上考虑流动状况观反应动力学，必须在颗粒级宏观反应动力学的基础上考虑流动状况的影

22、响，这些问题往往是当今的影响，这些问题往往是当今(dngjn)(dngjn)反应工程研究工作者的重点研反应工程研究工作者的重点研究内容。究内容。 （5 5）尽管催化剂开发的研究工作者对催化剂的失活与毒物的品种及含）尽管催化剂开发的研究工作者对催化剂的失活与毒物的品种及含量，起始活性温度量，起始活性温度 和耐热温度等问题进行过必要的实验研究，但最好和耐热温度等问题进行过必要的实验研究，但最好多了解工业反应器中催化剂的实际操作运行情况，以便对反应器的设多了解工业反应器中催化剂的实际操作运行情况，以便对反应器的设计、操作和原料气制备方面提出必要的改进建议。计、操作和原料气制备方面提出必要的改进建议。

23、 第32页/共40页第三十三页，共41页。2 2）生产工艺及反应器的设计参数）生产工艺及反应器的设计参数 化学反应器虽是过程工业众多化学反应器虽是过程工业众多(zhngdu)(zhngdu)装置中的主要装置，装置中的主要装置，但设计和操作要从属于多尺度、多层次的整个工业过程大系统的要但设计和操作要从属于多尺度、多层次的整个工业过程大系统的要求。求。 工业过程有关规模、选址、采用的原料和主要生产工艺须首先工业过程有关规模、选址、采用的原料和主要生产工艺须首先经项目论证，由政府主管部门根据国家建设和科学发展观的经济需经项目论证，由政府主管部门根据国家建设和科学发展观的经济需要来批准，其次，要根据投

24、资、原料消耗、能量消耗和回收等方面要来批准，其次，要根据投资、原料消耗、能量消耗和回收等方面的经济效益和环保安全方面的要求来考虑，确定整个生产工艺中各的经济效益和环保安全方面的要求来考虑，确定整个生产工艺中各有关工序的流程、装备和主要操作条件，大型工业过程含有多个生有关工序的流程、装备和主要操作条件，大型工业过程含有多个生产工序，往往其中许多工序都有化学反应器，它们的设计参数相互产工序，往往其中许多工序都有化学反应器，它们的设计参数相互有机地联系。有机地联系。 第33页/共40页第三十四页，共41页。3 3）安全生产技术）安全生产技术 有一项十分重要的技术，即安全生产技术，主要是防爆、防泄漏有

25、一项十分重要的技术，即安全生产技术，主要是防爆、防泄漏、防污染，防压力设备、防污染，防压力设备 系统因超压导致爆炸，以及加工不良系统因超压导致爆炸，以及加工不良(bling)(bling)导致可燃、有毒气体逸出。导致可燃、有毒气体逸出。 反应器的工艺设计包括两个方面。一方面是在确定的生产任务条反应器的工艺设计包括两个方面。一方面是在确定的生产任务条件下，即已知原料量、原料组成和对产品要求，通过设计计算，确定件下，即已知原料量、原料组成和对产品要求，通过设计计算，确定反应器的工艺尺寸，即反应器的直径、高度等。另一方面是反应器的反应器的工艺尺寸，即反应器的直径、高度等。另一方面是反应器的校核计算，

26、即已有一给定的反应器（已知反应器大小）确定产品达到校核计算，即已有一给定的反应器（已知反应器大小）确定产品达到一定质量要求的前提下，能否完成产量；或保持一定产量时，质量是一定质量要求的前提下，能否完成产量；或保持一定产量时，质量是否合格。否合格。第34页/共40页第三十五页，共41页。反应器设计的基本反应器设计的基本(jbn)内容内容(1)(1)选择合适的反应器型式选择合适的反应器型式 (2)(2)确定最佳的工艺条件确定最佳的工艺条件 (3)(3)计算所需反应器体积计算所需反应器体积 反应系统的动力学特性反应系统的动力学特性 反应器的流动特征和传递特性反应器的流动特征和传递特性 最大反应效果最

27、大反应效果反应器的操作稳定性反应器的操作稳定性反应器结构和尺寸的优化反应器结构和尺寸的优化目标目标第35页/共40页第三十六页，共41页。动力学方程式动力学方程式 物料物料(w lio)衡算方程式衡算方程式 热量热量(rling)衡算方程式衡算方程式 动量动量(dngling)衡算方程式衡算方程式 反应速率，过程速率反应速率，过程速率反应体系中各组分浓度反应体系中各组分浓度反应温度，各物料温度反应温度，各物料温度反应压力反应压力1.5.2 1.5.2 反应器设计的基本方程反应器设计的基本方程第36页/共40页第三十七页，共41页。1) 1) 物料物料(w lio)(w lio)衡算方程式衡算方程式 物料衡算以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基本方物料衡算以质量守恒定律为基础，是计算反应器体积的基本方程。对间歇反应器与全混流反应器，由于反应器中浓度均匀，可对程。对间歇反应器与全混流反应器，由于反应器中浓度均匀，可对整个反应器作物料衡算。对于反应器中物料浓度沿长度具有分布的整