均相反应过程
化学反应工程-第2章
移项并积分得：
dCA kCA a CB b dt
CA 0
kt
dCA CA mCBn
CA
这时假设a，b分别为m， n ，则以时间t为横 坐标，以积分项 C
A0
CA
dC A m n C A CB
为纵坐标，当以具体数据代入时，作图就可 以得到斜率为k的直线。如果得到直线，则表明此 动力学方程是适合于所研究的反应的。若得到曲 线，则表明此动力学应被排除，应该重新假设a， b的值而加以检验。
即：
ln
C Ae
C A0 C Ae C A C Ae
1 k1 1 t K
代入2-20式得：
将实验测得的CA-t数据，按照上式 C
ln
C A0
A
C Ae C Ae
与t作图可以得一条直线，斜率为k1+k2, 又因为k1/k2可知，因此可以求出 k1,k2 值。
2.2 等温恒容过程 ⑵ 反应转化率
第二章 均相反应动力学基础
反应物A的转化率可以用下式定义
反应物A的转化量 n A 0 n A xA ＝ A的起始量 n A0
注意： ① 转化率恒为正。 ② 反应物一般指关键反应物（限制反应物、着眼反应物）， 其是以最小化学计量量存在的反应物。 ③ 根据nA0的选择不同，有单程转化率（以反应器进口物料 为基准，如氨合成过程的合成塔进口循环气。）和总转化率 （以过程进口物料为基准，如氨合成过程的新鲜气。）。
如果cA0远远小于cB0，cB在全部反应时间里近似 于不变，则二级反应可以作为拟一级反应处理。
适用范围：
利用积分法求取动力学方程式的过程， 实际上是个试差的过程，它一般在反应级 数是简单整数时使用。当级数为分数时， 试差就比较困难，这时应该用微分法。 其他不可逆反应动力学方程式的 积分式见书上表2-4.
化学反应工程第二章
1 1 - xA kt
=
nA0
CA nA
CA C A0
=1 - x A
ln
ln
1 1 - xA
斜率﹦k 或
ln
C A0 CA
t
二级不可逆反应 A﹢B→产物
若 CA0﹦CB0
CA
( rA ) kC A
2
dC A dt
kC A C B
dC A dt
1 CA
dC A CA
2.13 93 k 5.02 86.8 k 0.0181 0.0309 1 2.13 K 1 5.02 K B B
2
2
2
9.58 89.3 k 6.46 86.3 k 0.0408 0.0338 1 9.58 K 1 6.46 K B B 3.3 92.2 k 0.0263 1 3.3 K B
第2章 均相反应动力学基础
2.1 概述
均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均 处同一个相内进行的化学反应。
烃类的高温裂解为气相均相反应，酸碱中 和、酯化反应为典型的液相均相反应。
2.1.1化学反应速率及其表示
化学反应速率 ：单位时间、单位反应体积、组分A 的摩尔数变化量称为A组分的反应速率。 例 反应物
1 xA C A0 1 xA
斜率﹦k 或
1 CA
1 C A0
t
若 CA0≠CB0 ,设β﹦ CB0 ／CA0
dC A dt
kC A C B
CA
均相反应动力学
理解反应级数时应特别注意： a.反应级数不同于反应的分子数，前者是在动力学意义上讲的， 后者是在计量化学意义上讲的。 对基元反应，反应级数 α1, α 2 …即等于化学反应式的计量系数 值，而对非基元反应，应通过实验来确定。 b.反应级数高低并不单独决定反应速率的快慢，反应级数只反 映反应速率对浓度的敏感程度。级数愈高，浓度对反应速率的 影响愈大。
对于多组分单一反应系统，各个组分的反应速率受化学计量关系的 约束，存在一定比例关系。例如 aA + bB rR + sS 反应，各组分的 → 反应速率满足下列关系：
n A0 − n A n B 0 − n B n R − n R 0 n S − n S 0 = = = a b r s
均相反应速率其他形式的表达式 流动系统的反应： 恒容下进行的反应： 气相反应：
预混和指物料在反应前能否达到分子尺度的均匀混和。 实现装置：机械搅拌和高速流体造成的射流混和
均相反应的特点：反应过程不存在相界面，过程总速度由化学反应本身 均相反应的特点 过程总速度由化学反应本身 决定。 决定。
均相反应速率
均相反应速率的表达式
± ri = ± 1 V d ni dτ
Kmol/m3.h
1 = kτ 如用转化率表示，则可写成： ln 1 − xA
若着眼于反应物料的利用率，或者着眼于减轻后分离的任务，应用转 化率积分表达式较为方便；若要求达到规定的残余浓度，即为了适应后 处理工序的要求，例如有害杂质的除去即属此类，应用浓度积分表达式 较为方便。
思 考 题
1、均相反应动力学方程有哪两种表达形式？ 2、反应速率常数的单位如何确定？ 3、下列术语的理解： 单一反应与复杂反应、基元反应与非基元反应、单分子与双分子、 三分子、反应级数、活化能
均相反应器操作规程
均相反应器操作规程均相反应器操作规程一、操作目的均相反应器是一种广泛应用于化工生产中的反应器，其操作规程的目的是为了确保反应器操作的安全性、稳定性和有效性，以达到预期的生产效果。
二、操作前准备1. 检查反应器和相关设备的完整性和安全性，确保无泄漏和损坏。
2. 检查反应器的温度、压力等参数是否符合要求，并准备好所需的原料和催化剂。
3. 进行必要的装置和设备清洁，确保无杂质和污染。
4. 根据实际需要，准备好必要的工具和仪器设备。
三、操作步骤1. 打开反应器的进料阀门，并将原料逐渐投入反应器中，注意控制投料的速度和量。
2. 启动搅拌机械，根据反应物性质和反应过程控制要求调整搅拌速度。
3. 在反应过程中，根据需要适时添加催化剂或其他添加剂，注意控制添加量和添加方式。
4. 关注反应温度，根据反应动力学和反应条件及时调整加热或冷却设备，保持反应温度在合适的范围内。
5. 监测反应物的消失情况和生成物的形成情况，根据实际反应进程调整反应时间。
6. 反应结束后，关闭进料阀门和加热设备，停止搅拌机械，将反应液排空。
四、安全操作措施1. 在操作过程中严格遵守相关的安全操作规程，佩戴个人防护装备，如手套、护目镜等。
2. 在投料和添加剂时要注意控制速度和量，避免产生剧烈反应。
3. 要时刻关注反应温度和压力的变化，及时调整控制设备，避免过高的温度和压力造成反应器失控。
4. 反应物排空时要注意排气和排污的安全，避免产生有害气体的泄漏和环境污染。
五、事故应急处理1. 在发生反应过程中突发事故时，立即切断供料和加热设备，并启动应急救援措施。
2. 在发生泄漏、爆炸等情况时，根据现场实际情况采取安全措施，确保人员安全并防止事态扩大。
3. 及时报告相关部门和管理人员，积极参与事故处理和调查，总结经验教训并采取措施防范类似事故的发生。
六、操作记录和验收1. 对每一次反应操作都要进行详细记录，包括反应条件、操作过程和关键参数等。
2. 严格按照相关操作规程进行操作，并进行验收，确保符合生产要求和质量标准。
均相反应和非均相反应
均相反应和非均相反应1. 引言化学反应是物质之间发生变化的过程，根据反应参与物质的相态可以将化学反应分为均相反应和非均相反应。
均相反应指的是反应中所有参与物质都处于同一相态，而非均相反应则是指反应中参与物质处于不同的相态。
本文将详细介绍均相反应和非均相反应的特点、机理和相关实例。
2. 均相反应均相反应是指在化学反应中，所有参与物质都处于同一相态，通常为气体、液体或溶液。
这种类型的化学反应具有以下特点：•速率快：由于所有参与物质都能直接接触到彼此，分子之间的碰撞频率较高，因此均相反应通常具有较快的速率。
•热量传导方便：在均相系统中，热量可以通过传导迅速平衡，从而保持系统温度稳定。
•溶剂起催化作用：在溶液中进行的均相反应，溶剂可以起到催化作用，加速化学反应进程。
•易于控制：由于所有参与物质处于同一相态，均相反应的条件易于控制，有利于实验操作。
2.1 均相反应的机理均相反应的机理主要包括以下几个步骤：1.反应物的扩散：在均相系统中，反应物分子通过扩散作用互相接近，增加碰撞机会。
2.碰撞与活化：当反应物分子发生碰撞时，必须具备一定的能量以克服活化能垒，使得分子结构发生改变。
3.中间体生成：在反应过程中，可能会生成一些中间体或过渡态，这些物质在后续步骤中进一步转化为产物。
4.产物生成：经过一系列反应步骤后，最终形成产物，并释放出能量。
2.2 均相反应的实例2.2.1 氧化还原反应氧化还原反应是常见的均相反应类型之一。
铁和氧气在高温下发生氧化还原反应：2Fe + O₂ → 2FeO在这个反应中，铁和氧气都处于气体相态，反应快速进行。
2.2.2 酸碱中和反应酸碱中和反应也是均相反应的一种。
盐酸和氢氧化钠在水溶液中发生中和反应：HCl + NaOH → NaCl + H₂O在这个反应中，盐酸和氢氧化钠都处于溶液相态，水起到了溶剂催化作用。
3. 非均相反应非均相反应是指在化学反应中，参与物质处于不同的相态，例如气体与固体、液体与固体之间的反应。
均相单一化学反应的不可逆过程热力学
均相单一化学反应的不可逆过程热力学热力学是研究能量转化和能量传递的科学，它揭示了自然界中物质和能量变化的规律。
化学反应作为能量转化的重要过程，也遵循热力学的基本原理。
在化学反应中，热力学描述了反应物和生成物之间的能量变化。
通过热力学可以判断反应是否会发生，以及反应的方向。
而不可逆过程则指的是反应无法逆转的过程，即反应只能从反应物向生成物进行，无法逆向进行。
对于均相单一化学反应来说，反应物和生成物处于相同的物理状态，即都是气体、液体或固体。
这种反应通常发生在同一相中，例如气体之间的反应或溶液中的化学反应。
均相单一化学反应的不可逆过程热力学研究的是这类反应中的能量变化和方向性。
我们来介绍化学反应中的能量变化。
根据热力学第一定律，能量在化学反应中是守恒的。
化学反应会涉及到能量的转化，包括放热反应和吸热反应。
放热反应释放出能量，使反应的总能量降低，而吸热反应则吸收外界能量，使反应的总能量增加。
不可逆过程热力学研究的是放热反应和吸热反应中的方向性。
根据热力学第二定律，自发进行的反应具有一定的方向性，即放热反应会自发向放热方向进行，而吸热反应则会自发向吸热方向进行。
这是因为自然趋向于增加熵（混乱度），而放热反应会增加系统的熵，而吸热反应则会减少系统的熵。
不可逆过程热力学还研究了反应的平衡态。
平衡态是指反应物与生成物浓度不再发生变化的状态。
根据热力学第三定律，当温度趋近于绝对零度时，物质的熵趋于零，而在有限温度下，物质的熵不可能达到零。
因此，化学反应在有限温度下通常无法达到完全平衡态。
不可逆过程热力学还考虑了反应的速率。
反应速率受到温度、浓度、催化剂等因素的影响。
不可逆过程热力学研究了这些因素对反应速率的影响，并建立了相应的数学模型来描述反应速率与温度、浓度和催化剂浓度之间的关系。
均相单一化学反应的不可逆过程热力学研究了反应中的能量变化、方向性、平衡态和速率等方面的问题。
通过研究这些问题，可以更好地理解化学反应，并为实际应用中的化学过程提供指导。
化学反应均相与异相催化机理解析
化学反应均相与异相催化机理解析化学反应是指化学物质相互作用而发生物理或化学变化的过程。
化学反应的速率通常很低，因此需要一种被称为催化剂的物质来加速反应速率。
催化剂可以分为均相催化剂和异相催化剂两种类型。
本文将对化学反应的均相催化和异相催化机理进行解析。
一、均相催化机理均相催化是指催化剂和反应物分布在同一相内的催化过程。
催化剂通常是一个物质，在反应物中以少量存在。
在均相催化反应中，催化剂必须能够吸附并激发反应物，催化化学键的断裂和新键的形成。
接着，产物分离，催化剂回到原始形式，等待下一轮反应。
在均相催化机理中，催化剂和反应物的分子相互作用，可能改变反应动力学，速率常数和反应机理。
例如，酸催化的酯化反应。
在此反应中，甲酸和乙醇在硫酸存在下反应，形成甲酸乙酯和水。
CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O硫酸通常是均相酸催化剂，它在反应物中以极小浓度存在。
在如此低的浓度下，硫酸能够吸附并激发反应物，促进反应。
硫酸的酸性能使之通过质子传递，使甲酸和乙醇的碱性增强，因此更容易发生反应。
二、异相催化机理异相催化是指催化剂和反应物分布在不同相中的催化过程。
催化剂往往是一种与反应物分离的粉末或块状物质，通常在气-液或气-固体界面上起作用。
在异相催化机理中，催化剂和反应物之间的相互作用存在于催化剂表面上，因此，催化剂的表面活性是异相反应的关键。
例如，在汽车排放中，三元催化器促进了有害气体的脱除。
三元催化器通常由铂（Pt），钯（Pd）和铑（Rh）等稀有金属催化剂组成。
这些催化剂吸附在芯片的表面并与存在于汽车尾气中的氧气和污染物反应。
三元催化器最重要的功能是将一氧化碳（CO），氮氧化物（NOx）和氢气（H2）转化为二氧化碳（CO2），氮气和水蒸汽。
三元催化器将氧气和污染物吸附在金属表面上，形成一个与污染物反应的州。
反应的过程发生在金属的表面上，因此催化剂的表面活性是异相反应的关键。
这个过程被称为催化剂的“化学逆反应”。
《均相催化过程》课件
副反应与产物选择性的控制
要点一
总结词
要点二
详细描述
副反应和产物选择性是均相催化过程中的常见问题，有效 的控制策略对于提高目标产物的收率和质量至关重要。
在均相催化过程中，副反应的发生会导致目标产物收率的 降低和分离纯化成本的增加。产物选择性则决定了目标产 物的纯度和质量。通过优化反应条件、选择合适的催化剂 和添加剂，可以有效控制副反应和产物选择性，从而提高 目标产物的收率和质量。
羰基化反应
总结词
羰基化反应是一种在催化剂的作用下，将有机化合物中的羟基或氨基替换为羰基的过程 。
详细描述
羰基化反应通常在高温和高压力条件下进行，催化剂为金属络合物或金属氧化物等。反 应过程中，羰基化试剂与被羰基化物质在催化剂的作用下反应，生成新的有机化合物。
03
均相催化过程的应用
石油化工
01
石油化工是均相催化过程的重要 应用领域之一，主要涉及石油的 加工和转化，如烷基化、异构化 、加氢裂化等。
加氢反应
总结词
加氢反应是一种在催化剂的作用下，将有机化合物中的双键或三键加氢的过程。
详细描述
加氢反应通常在高温和高压力条件下进行，催化剂为金属催化剂，如铂、钯和镍 等。反应过程中，氢气与被加氢物质在催化剂的作用下反应，生成新的有机化合 物。
氧化反应
总结词
氧化反应是一种在催化剂的作用下，将 有机化合物中的氢原子替换为氧原子的 过程。
《均相催化过程》PPT 课件
目录
• 均相催化过程简介 • 均相催化反应过程 • 均相催化过程的应用 • 均相催化过程的优化与控制 • 均相催化过程的挑战与展望
01
均相催化过程简介
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n n 多釜串连的总 VR ,t VR ,i qV , 0 i 有效容积： i 1 i 1
2014-12-18 25
1. 解析法： 一级反应：
(rA ) kCA kCA,0 (1 x A )
i C A,0 ( x A,i x A,i 1 ) kCA,0 (1 x A,i ) x A,i x A,i 1 k (1 x A,i )
4.自催化反应：（－rA）与生成物浓度有关，返 混程度越大越有利于反应，此时全混流反应器所 需容积最小。
2014-12-18 31
不同转化率
不同级数
图9-16
2014-12-18 32
6－2 以产率和选择性为优化目标 对于复杂反应，应考虑返混对产物分布的影响：
平行反应过程优化
A
k1
k2
R（主） (rA, R ) k1C A 1 n S（副） (rA, S ) k2C A 2
进入微元体A 的量 ＝ 离开微元体A的量 + 反应消耗A的量
qV ,0C A,0 (1 x A ) qV ,0C A,0 [(1 ( x A dx A )] (rA )dVR
x A dx VR A C A, 0 0 r qV ,0 A
2014-12-18
C A, 0
CA
x A dx dC A A C A, 0 0 r rA A
反应动力学模型不知或太复杂，难以分析求解
方法：由实验测出多组xA与(-rA)或CA与(-rA)数据，绘出变化 曲线，根据积分区间，阴影部分的面积即为所需的反应时间。
2014-12-18 9
计算反应器有效容积VR
日处理量 VR （t t ' ) 24
VR C A,0－C A C A,0 x A ＝ ＝ ＝ qv ,0 rA rA
rA＝
C A, 0 x A
n kCA
① 反应动力学曲线 ② CSTR反应器操作 线，k=1/τ
2014-12-18 20
宏观混合与微观混合
宏观混合：凝集微团尺度的均匀混合，反应器出口浓 度是不同停留时间物料微团的浓度平均值。 微观混合：分子尺度的均匀混合，物料浓度均一。
CA
2014-12-18
xA 1 e kt
t
C A, 0
C A , 0 C B , 0
CA
dC A 1 1 1 ( ) 2 kCA k C A C A,0
ktCA, 0 1 ktCA, 0
8
C A, 0 1 ktCA, 0
xA
2. 数值积分图解法
t
C A, 0
VR C A,0－C A xA ＝ ＝ ＝C A,0 qv ,0 rA rA
2014-12-18 17
1. 解析法：
简单一级反应：
＝
VR C A,0－C A x ＝ ＝C A,0 A qv ,0 rA rA
＝ C A, 0
xA xA ＝ kC A k (1 x A )
因为各级有效容积相同,且做定常态流动：
1 2 i N
x1 x0 k (1 x1 ) x2 x1 k (1 x2 )
xN xN 1 k (1 xN )
第一级 第二级
k x1 1＋k
N釜出口最 终转化率
1 2 x2 1－（ ） 1＋k
CA
C A, 0 1 k
kC A
k xA 1 k
xA kC A,0 (1 x A )2
1 4kC A,0 1 2kC A,0
18
简单二级反应： ＝ x A 2
CA
2014-12-18
1 4kC A,0 1 2k
xA 1
2. 数值积分图解法
不同的反应器如何影响浓度与温度？
2014-12-18 5
§2 间歇操作反应器（BSTR)
2014-12-18
6
特点：分批操作，所有物料的停留时间相同，物料 在反应器内混合均匀，不存在浓度梯度和温度梯度。 反应转化率随时间的变化规律 取t～t+dt的时间间隔进行衡算：
原有A 的量 ＝ 剩余A的量 + 反应消耗A的量
C A, N C A, 0 1 N 1－（ ） 1＋k
26
第N 级
2014-12-18
x A, N 1
2. 图解法
已知转 化率图解 容积或空 间时间:
说 明
1. t 1 2 3
2. 1 2 3（三个面积相等）VR相同时；
3. N＝1，CSTR；级数越大，越接近平推流 N →∞＝PFR 。 一般不超过5级。
第九章
均相反应过程
Homogeneous reaction
2014-12-18
1
均相反应是指所有参加反应的物质处于 同一相内的化学反应。 本章重点研究在均相反应器内物料流动 状态对于反应过程的影响。 1. 间歇操作釜式反应器 2. 连续操作管式反应器 3. 连续操作釜式反应器 4. 多釜串连反应器
2014-12-18
15
操作特性：物料在反应器内被充分搅拌，混合均匀 时接近于全混流反应器。
定常态操作
2014-12-18
16
反应转化率随空间时间 的变化规律: 对反应器内的组分A物料衡算： 进入反应器量 ＝ 离开反应器量 + 反应消耗量
qv ,0C A,0＝qv ,0C A＋(rA )VR
-rA
2.在xA轴上标出最终转化率xA,N
3.从原点出发作逐级做全混流 操作线，逐级图解，直至求出 最终一釜出口转化率≥ xA,N为 止，在MN曲线上的交点数，即 为串联釜数。
2014-12-18
自学P358例9-4
28
§6 均相反应过程优化和反应器选择
绝大多数是恒温恒压下进行，因 此返混程度对反应结果影响很大。
0
1 A y A, 0 x A n ( ) dx A 1 xA
13
2. 数值积分图解法
C A , 0 dC x A dx VR A A C A, 0 CA 0 r qv , 0 rA A
P349例9-2
2014-12-18 14
§4 连续操作釜式反应器（CSTR)
2014-12-18
27
已知τ图解各釜出口转化率和串连釜数: C A,0 ( x A,i x A,i 1 ) C A,0 ( x A,i x A,i 1 ) n 原理： i rA,i kCA (rA,i ) i 步骤： 1.用已知动力学数据作－rA对xA 的曲线MN。
以上我们所讲的是微观混合
2014-12-18 21
两者停留时间分布函数相同，反应结果？
设有浓度为CA1和CA2的两个容积为V的物料微团： 微观混合： 宏观混合：
2V C A1 C A2 n C A1 C A2 n (rA ) k( ) k( ) 2V 2 2
n n n n
(VkCA1 VkCA 2 ) k (C A1 C A 2 ) (rA ) 2V 2
t：反应时间,h t’：每批加料、出料、清洗等操作的辅助时间 日处理量：生产任务所规定【m3/天】
VR V
2014-12-18
为装料系数
0.7 ~ 0.85 不沸腾 0.4 ~ 0.6 沸腾
10
§3 连续操作管式反应器
2014-12-18
11
特点：物料流动处于湍流状况时接近平推流。 反应转化率随时间的变化规律: 对微元体积dVR 中的组分A物料 衡算：
VR CA
VRCA VR (CA dCA ) (rA )VR dt
(rA )
t
CA
dC A dt
C A, 0
C A , 0 dC x A dx dC A A A C A, 0 CA 0 r rA rA A
2014-12-18
7
1. 解析法：
反应转化率随空间时间的变化规律
假设：有N个连续操作搅拌釜串联，釜内物料流 动状况均为全混流，各釜有效容积VR相同，定常 态流动，反应前后无物质的量变化。
2014-12-18 24
i级
VR CA
对任意一级组分A做物料衡算：
qv,0 C A, i x A,i
qv , 0 C A,i 1 x A,i 1
n
(1) n1<n2 降低CA可抑制副反应，全混流反应器对选择性最有利; (2) n1>n2 升高CA可抑制副反应，活塞流反应器或间歇搅拌釜较合适； (3) n1=n2 选择性与CA无关，各种连续操作的反应器皆可应用。
2014-12-18 2
§1 均相反应动力学
2014-12-18
3
均相反应动力学的描述多采用幂函数模型。 简单反应：
A R 可逆反应：
k
rA kc
n A
A
k1 k2
R
(rA ) k c k c
n1 1 A
n2 2 A
平行反应： k1 R A k 2 S
2014-12-18
流入 流出 反应消耗 ＝ ＋ qV 0C A0 (1 xA,i1 ) qV 0C A0 (1 xA,i ) VR (rA,i )
C A,0 ( xA,i xA,i1 ) i (rA,i )
n n 物料流经整个反应 C A, 0 ( x A,i x A,i 1 ) i 器的空间时间： t (r ) i 1 i 1 A ,i
2014-12-18 29
6－1 以生产强度为优化目标