反应动力学基础
化学反应动力学及其在化工工艺中的应用
化学反应动力学及其在化工工艺中的应用一、引言化学反应动力学是研究化学反应速率和反应机理的科学，是化学工程和化学工业的重要基础。
化学反应动力学的研究不仅能够揭示反应过程中物质的转化路径和速率规律，还能够指导和优化化工工艺的设计和操作。
二、化学反应动力学基础1. 反应速率反应速率是指单位时间内反应物消失或生成物产生的量，可以通过实验数据计算得出。
反应速率与反应物浓度之间存在一定的关系，常用的反应速率方程为：速率 = k[反应物A]ᵐ[反应物B]ⁿ其中，k为速率常数，m和n为反应物A和B的反应级数，反应级数代表了反应物对于反应速率的贡献程度。
2. 反应机理反应机理是指化学反应按照一定的步骤进行，每一步都有特定的速率常数和反应物。
通过研究反应机理，可以了解反应的分子层面过程，揭示反应物的中间体和过渡态的形成和消失规律。
三、常见的反应动力学模型1. 零级反应在零级反应中，反应速率与反应物浓度无关，常用于描述固体表面催化反应。
2. 一级反应一级反应中，反应速率与反应物浓度成正比，即速率 = k[反应物]。
一级反应多用于描述溶液中的分解反应或放射性衰变等。
3. 二级反应二级反应中，反应速率与反应物浓度的平方成正比，即速率 = k[反应物]²。
二级反应常用于描述分子间反应或双分子碰撞等。
四、反应动力学在化工工艺中的应用1. 反应速率常数的测定通过实验测定不同条件下的反应速率，可以计算出反应速率常数k的数值。
反应速率常数的大小和温度密切相关，可以借此来优化反应条件或选取合适的催化剂。
2. 反应速率方程的推导根据实验数据，可以通过最小二乘法等数学方法推导出反应速率方程。
反应速率方程可以预测反应速率对反应物浓度的依赖关系，从而指导反应工艺的设计和调节。
3. 反应动力学的模拟和优化设计借助计算机模拟和反应动力学模型，可以预测不同反应条件下的反应速率和产物分布。
通过模拟和优化设计，可以降低反应温度、减少副反应或降低能耗。
化学反应动力学基础及应用
化学反应动力学基础及应用化学反应动力学是化学反应过程中时间和速率的关系的研究。
在化学反应中，随着反应的进行，原料的浓度会发生变化，反应速率也会发生变化。
动力学研究反应速率的变化与反应条件的关系，从而为合理地控制反应提供依据。
反应动力学不仅对于学术研究有重要意义，而且对于化学工程的实际操作有着广泛的应用。
反应动力学基本理论反应动力学基本理论主要有三个方面：反应级数、反应速率常数和反应机理。
反应级数是指化学反应中与反应物浓度成正比的阶数，通常可以通过实验数据来确定。
例如，一级反应速率与单个反应物浓度成正比，二级反应速率与两个反应物浓度的乘积成正比。
反应速率常数是化学反应速率与反应物浓度的比值，通常在一定温度下保持不变。
反应机理描述了反应物中化学键的断裂和形成过程以及中间体和过渡态的形成和消失过程。
了解反应机理有助于确定哪些反应可以进行并可以得出所需的最佳反应条件，从而能够优化反应生产工艺流程。
应用反应动力学在化学领域的应用非常广泛，无论是精细的实验设计，还是产业上的生产过程优化，都涉及到反应动力学的研究。
以下列举了一些典型的应用。
1. 分析药物动力学药物在人体内的吸收、分布、代谢和排泄过程都涉及到反应动力学题目。
对药物动力学进行研究有助于优化治疗方案，避免药物过量和毒副作用。
2. 优化生产操作反应动力学的研究可以优化生产操作，改进工艺流程，提高化学品生产的效率和能源利用率。
生产过程中需要充分考虑反应动力学对反应产物的影响，以便设计最佳的反应装置和反应操作条件。
3. 调节环境工程环境工程领域获取有关反应速率和反应机理的数据能够帮助环境科学家对于污染物作出最好的回应。
例如，反应动力学研究有助于优化废水处理设备，使废水能够在较短的时间内得到有效的处理。
结论反应动力学是研究化学反应过程时间与速率关系的基础学科，包括反应级数、反应速率常数和反应机理。
反应动力学的应用在化学、医药、冶金和环境保护等各个领域中都非常广泛。
最新第11章反应动力学基础ppt课件
• 非等分子反应：计量系数的代数和非为零（可正、可
负），A物质膨胀因子如下 APQ AAB
膨胀因子的计算
• 例题：已知某反应反应计量式如下：A+2B=3C+4D B物质的膨胀系数
B342 122
D物质的膨胀系数
D344 121
计算膨胀因子的意义
A A B B P P Q Q
• 计量方程：表示参与反应的各组分量的变化，与反应
历程无关。 A M A B M B P M P Q M Q
• 计量方程中M表示各组分的摩尔质量
膨胀因子的计算
• 每消耗1mol的某反应物所引起的反应系统总物质的量
的变化量(δ)称为该反应物的膨胀因子。
A(nn0)nA 0nA
反应速率的定义
• 单位时间单位体积反应层中某组分的反应量或生成量
ri
1 V
dni dt
• 对于简单反应 A P
rA
dnA Vdt
rP
dnP Vdt
• rA 视为一整体
气-固相反应的反应速率
以固体催化剂的质量(m)、表面积(S)、颗粒体积(Vp)为
基准的反应速率
rA
dnA Vdt
m、S、Vp
(－rA)V=(－rAm)m= (－rAs)S= (－rAVp)Vp
rAm,rAs,rAVp
• 【例题11.3.1】某气固相催化反应在一定温度和浓度 条件原料A的反应速率为 rA m3.0 1 3 0 m/o s[g l催 ( 化 )。] 剂 已知催化剂填充层的填充密度为 ＝ 1.20g/cm 3，填充层
空隙率 ＝0.40 。试分别计算以反应层体积和催化剂
化学反应动力学的基础理论
化学反应动力学的基础理论化学反应是化学变化的基本形式，而反应动力学则是研究反应速率及其影响因素的学科。
反应动力学为我们揭示了化学反应发生的原因和过程，并在工业生产、材料科学、环境保护、生命科学等领域发挥着极其广泛的应用。
本文将对化学反应动力学的基础理论进行阐述。
一、反应速率反应速率是反应物摩尔浓度的函数，可以描述单位时间内反应物消耗量的变化率。
一般来说，反应速率越大，反应物的消耗也就越快。
反应速率是一个动态的过程，反应物的浓度和反应条件的变化都会对其产生影响。
因此，在不同的反应条件下，反应速率常常具有不同的数值。
二、动力学常数及其联立方程动力学常数是衡量反应速率的主要参数，通常以k表示。
在某些情况下，可以利用反应物质的初始浓度和反应物所摄取的溶液体积，求出动力学常数。
对于一般的化学反应，其反应速率通常可以表示为以下的联立方程：r=k·[A]^x·[B]^y其中，r表示反应速率，A和B是反应物，k是动力学常数，x 和y是反应物浓度的反应级数。
三、反应级数反应物浓度是反应速率的主要驱动力，因此，理论上来看，反应速率应该是反应物浓度的一阶函数。
然而，实际情况并非总是如此，很多反应物质的浓度与反应速率之间并不是简单的一阶关系。
通过实验数据的分析，可以发现反应速率与反应物质浓度之间存在一定的正次方关系。
因此，我们将反应速率与反应物浓度之间的幂指数定义为反应级数。
四、反应速率常数的温度依赖性反应速率与温度之间存在着密切的关系。
一般来说，随着温度的升高，反应物的能量也随之提高。
能量的提高使得反应物的活化能降低，从而提高了反应速率。
为了描述反应速率与温度之间的关系，化学家提出了热力学理论反应速率常数与温度之间的关系式，即阿伦尼乌斯方程。
k=A·e^(-Ea/RT)其中，A是常数，Ea是活化能，R为气体常数，T为温度。
根据阿伦尼乌斯方程，我们可以计算出在不同温度下的反应速率常数，从而预测反应速率的变化趋势。
反应动力学基础
一氧化氮氧化动力学方程建立
由于第二步为速率的控制步骤因此有:
r k2C( NO ) 2Co2
2 C K C 1 NO 第一步达到平衡，则 有: ( NO) 2
代入上式得
r k2 K1C Co2 k2C Co2
2 NO 2 NO
因此,当得到的速率方程与由质量作用定律得到的形
r dW
8
空速与接触时间
空速：单位反应体积所处理的混合物的体积流量。因
次为时间的倒数(1／h)。
VS 0 VSP VR
计算空速时的体积流量一般使用标态体积，特殊说明
时可使用操作状态流量。也有使用摩尔流量的，称为 摩尔空速。 是衡量反应器生产强度的重要操作参数。例如：氨合 成反应，压力为10Mpa时，空速为10000(1/h)；而当压 力为30Mpa时，空速则为28000-30000(1/h)。
例：NO氧化反应速率方程
对于反应 2 NO O2 2 NO2 得到的速率方程为: r kC 2 C NO O 2 该动力学方程并非是由基元反应的质量
作用定律得出.有学者认为该反应由下列 两步组成 :
NO NO ( NO) 2 ( NO) 2 O2 2 NO2
并且第二步为速率的控制步骤.
式中 A为指前因子,其因次与k相同;E为活化 能;R为气体常数。
30
反应速率常数因次
反应速率常数的因次与反应速率的表示方式，速率方
程的形式以及反应物系组成的表示方式有关。 反应级数（一级、二级）、反应速率的因次（以反应 体积计、以催化剂质量计、以相界面计的反应速率）、 对于气相反应，常用分压、 浓度和摩尔分率 来表示 反应物系的组成， 则 之间有下列关系 k ,k ,k
化学反应动力学基础
为了计算各组分的摩尔分率，先计算A、 yA0和A的值：
A = ( -2 – 1 + 2 )/2 = -0.5
yA0= 2/（2+5+1+10）= 0.111
A=AyA0=(-0.5)(0.111) = -0.0555
. 1 + AxA = 1 + (-0.0555)(0.8) = 0.956
2 化学反应动力学基础 2.1 转化率与摩尔分率
nB = nB0 – (b/a)nA0xA = nA0[B – (b/a)xA]
另一方面，每反应1 mol组分A就会生成 (c/a) mol组分C和(d/a) mol组分D。时刻t=t时 两种产物的摩尔量分别为：
nC = nC0 + (c/a)nA0xA = nA0[C + (c/a)xA]
nD = nD0 + (d/a)nA0xA = nA0[D + (d/a)xA]
n A 0 (1 x A )
同样，
CB = CA0 [B - (b/a)xA ]
=(2)[2.5–(1/2)(0.8)]=4.2[kmol· -3] m
CC = CA0 [ C + (c/a)xA ] =(2)[0.5+(2/2)(0.8)]=2.6 [kmol· -3] m
CI = CA0I = (2)(5) = 10 [kmol· -3] m
若出口处的转化率（最终转化率）表示为 xAf：
xAf = ( FA0 – FAf ) / FA0
用FA替代nA，参照间歇反应器中推导出的 关系式可得下列各式：
FA = FA0 – FA0xA = FA0(1- xA) FB = FB0 – (b/a)FA0xA
化学反应动力学的基本原理和方法
化学反应动力学的基本原理和方法化学反应动力学是研究化学反应速率与反应机理的科学。
它是化学动力学的一个重要分支，涉及化学反应过程中物质转化的速率和速率常数的研究，是化学工程、物理化学、材料科学等领域研究的重要内容。
本文从基础概念、反应速率规律、影响速率的因素和测定速率常数等方面介绍化学反应动力学的基本原理和方法。
一、基础概念化学反应是物质发生变化的过程，会伴随一定的能量变化。
化学反应时，物质发生转化并释放或吸收能量，在反应前和反应后分子的分布、自由能、速率等也会发生变化。
所有这些变化构成了化学反应动力学的研究对象。
反应物是化学反应中参与反应的原料，产物是反应结束后形成的物质。
在反应过程中，反应物的浓度降低，而产物的浓度升高。
反应速率是反应物变化的速度。
化学反应速率的大小受到许多因素的影响，包括温度、浓度、催化剂、压力、光照等。
化学反应遵循质量守恒与能量守恒的规律，它们之间的关系描述了化学反应的动力学过程。
在化学反应中，原子和分子的数量不发生改变，不能从无中生有，反应前的能量等于反应后的能量。
化学反应的速率常由反应物的摩尔浓度变化率表示，在一段时间内发生的反应量与时间的比值。
二、反应速率规律化学反应的速率不是常数，而是与反应进度有关。
在反应的初期，反应速率较快，随着反应进度的增加，反应速率逐渐变慢。
反应速率与反应物摩尔浓度之间有一定的关系，一般为某一反应物浓度的代数幂关系。
在一次反应中，反应物的浓度与反应速率成正比。
例如：A +B → C反应物 A 的初始摩尔浓度为 [A]0，速率常数为 k，第 t 时刻摩尔浓度为 [A]t，那么反应速率可以表示为：v = - d[A]/dt = k[A]t其中，- d[A] 表示反应物 A 的浓度变化量，dt 是时间的微小变化量。
反应速率的单位是 mol/(L·s)。
三、影响速率的因素温度对化学反应速率的影响非常显著。
通常情况下，温度每升高 10℃，反应速率就增加至少一倍。
反应动力学基础复习
第二章反应动力学基础一、化学反应速率的定义1、均相反应单位时间内单位体积反应物系中某一组分的反应量。
恒容反应：连续流动过程：2、多相反应单位时间内单位相界面积或单位固体质量反应物系中某一组分的反应量。
二、反应速率方程1、速率方程（动力学方程）：在溶剂及催化剂和压力一定的情况下，定量描述反应速率和温度及浓度的关系。
即：2、反应速率方程的形式主要有两类：双曲函数型和幂级数型。
3、反应级数：速率方程中各浓度项上方的指数分别代表反应对组分的反应级数，而这些指数的代数和称为总反应级数。
反应级数仅表示反应速率对各组分浓度的敏感程度，不能独立地预示反应速率的大小。
4、反应速率常数：方程中的k称为速率常数或比反应速率，在数值上等于是各组分浓度为1时的反应速度。
它和除反应组分浓度以外的其它因素有关，如温度、压力、催化剂、溶剂等。
当催化剂、溶剂等因素固定时，k就仅为反应温度的函数，并遵循阿累尼乌斯Arrhenius方程：可分别用分压、浓度和摩尔分率来表示反应物的组成，则相应的反应速率常数分别用kp，kc，ky来表示；相互之间的关系为：5、化学平衡常数与反应速率常数之间的关系说明：常数称为化学计量数,表示速率控制步骤出现的次数。
（注意不要和化学计量系数相混淆）三、温度对反应速率的影响1、不可逆反应由阿累尼乌斯方程，温度升高，反应速率也升高（例外的极少），而且为非线性关系，即温度稍有变化，反应速率将剧烈改变。
也就是说，反应温度是影响化学反应速率的一个最敏感因素。
2、可逆反应（1）可逆吸热反应反应速率将总是随反应温度的升高而增加（2）可逆放热反应反应速率在低温时将随反应温度的升高而增加，到达某一极大值后，温度再继续升高，反应速率反而下降。
再升高温度，则可能到达平衡点，总反应速率为零。
最优温度与平衡温度关系：四、复合反应1、反应组分的转化速率和生成速率我们把单位之间内单位体积反应混合物中某组分i的反应量叫做该组分的转化速率或生成速率。
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反应器内反应物流动与混合状态
• 理想状态下两种流动状态
1）完全混合流 (complete mixing)：亦称全混流、理 想混合,反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合， 反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流可以认为 返混为无限大。
2）（平）推流 (plug/ piston flow)：亦称活塞流、 挤出流,反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反 应物在反应器内齐头并进。在径向充分混合，但不存 在轴向混合，即返混为零。
反应器的类型
• 按反应器的结构分类：釜（槽）式反应器、管式反应 器、塔式反应器、固定床、膨胀床 、流化床等。塔式 反应器又分为鼓泡非均相反应 器（如气-液反应器等）
• 按反应操作分类：间歇反应器（分批反应器）、连续 反应器和半连续反应器以及恒温反应器、非恒温反应 器等。 • 按流态分类：理想流反应器和非理想流反应器。理想 流反应器又分为完全混合流（全混流）反应器和推流 反应器。
反应器的操作方式（连续操作）
• 原料连续输入反应器， 反应产物也连续地流出 反应器 • 基本特征∶连续反应过 程是一个稳态过程，反 应器内各处的组成不随 时间变化
A的流入量
反应量 -rAV
浓度cA 体积V
A的流出量
反应器的操作方式（连续操作）
• 主要优点∶便于自动化，劳动生产率高，反应程度与 产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的 场合，多采用连续操作。 • 主要缺点∶灵活性小，设备投资高。 • 常见的连续操作反应器
以及质量和能量传递特性）。
同一反应在具有不同特性的反应器内进行， 会产生不同的反应结果。
反应器的操作方式（间歇操作）
• 将反应原料一次加入反 应器，反应一段时间或 达到一定的反应程度后 一次取出全部的反应物 料，然后进入下一轮操 作。 • 基本特征：间歇反应过 程是一个非稳态的过程，
浓度 cA
物质的量 nA 体积V
• 反应组分(参与反应的各物质)间的定量关系
• 第三节 反应动力学
• 反应速率与反应条件之间的关系
第一节 反应器和反应操作
• 反应器 (reactor) ：进行化学或生物反应的容器的总 称。 • 反应器：实现反应的外部条件。 反应器的操作方式和反应器的结构决定反应 器的特性（包括反应器内物料的流动状态、混合状态
流体
反应器操作的工程概念
• 空间速度（空速）(space velocity，SV) 单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。 空间速度 • 注意： 单位为时间的倒数。 表示单位时间内能处理几倍于反应器体积的物料， 反映了一个反应器的强度。（SV＝2 h-1表示1h处理2 倍于反应体积的流体。） 空速越大，反应器的负荷越大。
反应器的设计和放大
设计过程 选择合适的反应器型式； 确定最佳的操作条件； 计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应 器的主要尺寸。 反应器设计用到的基本方程： 反应动力学方程、物料/能量/动量衡算式 放大步骤 从实验室到实际规模应用：逐级经验放大、数学模 型设计
第二节 反应的计量关系
• 反应物 (reactants)：反应的出发物质
完全混合流反应器 浓 度
反应器内组成随时间变
化而变化。
反应产物 反应物
反应时间
反应器的操作方式（间歇操作）
• 主要优点：操作灵活，设备费低，适用于小批量生产 或小规模废水的处理。 • 主要缺点：设备利用率低，劳动强度大，每批的操作 条件不易相同，不便自动控制。
• 常见的间歇反应器: 高压锅、序列间歇式活性污泥法
反应器操作的工程概念
空间时间（空时、空塔接触时间）(space time， τ) • 反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。 • • 注意： 具有时间的单位，但和反应时间、接触时间不同 空间时间
处理与反应器等体积的物料所需要的时间。
例：τ＝30s 表示了每30s处理与反应器有效体积相等的
反应器操作的工程概念
反应持续时间 (reaction time)：简称反应时间，主要 用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。 停留时间 (retention time)：亦称接触时间，指连续操 作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际 时间。 平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的 停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。 各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。
• 学习重点： • 1）化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法 • 2）环境工程中常用的各类化学和生物反应器的基本类 型及其操作原理和设计计算方法
反应工程原理
——反应动力学基础
本章主要内容
• 第一节 反应器和反应操作
• 反应器的主要类型与特点、常见的反应器操作方 式及其特点
• 第二节 反应的计量关系
• 目的：利用化学/生物反应，将污染物转化成无毒无害
或易于分离的物质达到去除污染物和净化环境目的。
• 主要研究内容： 1)反应动力学 研究各种因素(如温度、压力、浓度、 反应体系中介质、催化剂、流场和温度场分布、停留 时间分布等)对反应速率的影响以及相应的反应机理和 数学表达式 2)反应器的选择、设计和操作的优化
污水 初沉池
曝气池
回流污泥
二沉池
处理水
剩余污泥
污水的活性污泥处理系统
反应器的操作方式(半间歇操作/半连续操作)
• 原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出， 而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或 半连续操作。 • 半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反 应器内的组成随时间变化而变化。 • 采用半间歇操作/半连续操作主要是为了消除反应过程 中某物质的抑制或提高某类物质的得率或收率
反应器内反应物流动与混合状态
• 非理想流态:介于全混流和推流之间的流态
实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的 分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留 时间、组分、浓度和反应速率。
• 返混(back mixing)： 处于不同停留时间的“流团” 间的混合称返混。 混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的 “流团” 不同，反应速率亦可能随之发生变化，影响 了整个反应器的反应特性。