第1章應(yīng)用學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件

第一章應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一節(jié)化學(xué)計(jì)量學(xué)第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式第三節(jié)動(dòng)力學(xué)方程第四節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響第五節(jié)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一章應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一節(jié)化第一節(jié)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)(stoichiometry)是一門通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)或數(shù)學(xué)方法將對(duì)化學(xué)體系的測(cè)量值與體系的狀態(tài)之間建立聯(lián)系的學(xué)科。是以化學(xué)反應(yīng)式形式表達(dá)的質(zhì)量守恒定律，用于計(jì)算某一時(shí)刻的化學(xué)組成和各組分的數(shù)量變化?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其他相關(guān)學(xué)科的理論與方法，優(yōu)化化學(xué)測(cè)量過(guò)程，并從化學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)中最大限度地提取有用的化學(xué)信息?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)的研究對(duì)象是有關(guān)化學(xué)量測(cè)的基礎(chǔ)理論和方法學(xué)。它所研究的內(nèi)容包括：統(tǒng)計(jì)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法；分析信息理論；采樣；試驗(yàn)優(yōu)化與設(shè)計(jì)；分析校正理論；分析信號(hào)檢測(cè)和分析信號(hào)處理；化學(xué)模式識(shí)別；圖像分析；構(gòu)效關(guān)系研究；人工智能和專家系統(tǒng)；人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)化學(xué)模式識(shí)別；庫(kù)檢索等。

第一節(jié)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)(stoichiometry)是1－1化學(xué)計(jì)量式(stoichiometricequation)表達(dá)反應(yīng)組分間的數(shù)量關(guān)系，(聯(lián)系chemicalequation，拉瓦錫首創(chuàng))如果有m個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，則第j個(gè)反應(yīng)和總反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式可分別表達(dá)為反應(yīng)物取負(fù)值，生成物取正值－N2－3H2＋2NH3=0－SO2－0.5O2＋1.5SO3＝01－1化學(xué)計(jì)量式(stoichiometricequat1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extentofreaction,conversion,factorofexpansion一、反應(yīng)程度二、轉(zhuǎn)化率1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extento1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extentofreaction,conversion,factorofexpansion三、化學(xué)膨脹因子每轉(zhuǎn)化掉1mol的反應(yīng)物A時(shí)，反應(yīng)混合物物質(zhì)的量的變化，用符號(hào)表示。對(duì)于反應(yīng)：1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extento三、化學(xué)膨脹因子在恒溫恒壓下進(jìn)行Expansionratio

膨脹率三、化學(xué)膨脹因子在恒溫恒壓下進(jìn)行Expansionrati1－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定Simpleandcomplexreactionsystem單一反應(yīng)(singlereact.)

簡(jiǎn)單反應(yīng)體系一個(gè)參數(shù)即可決定組成多重反應(yīng)(multiplereact.)

復(fù)雜反應(yīng)體系需要多個(gè)參數(shù)所需的參數(shù)個(gè)數(shù)=獨(dú)立反應(yīng)數(shù)。獨(dú)立反應(yīng)是不能由其他反應(yīng)線性組合而得到的反應(yīng)。例：CH4+H2OCO+3H2CH4+2H2OCO2+4H2CO+H2OCO2+H21－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定Simpleandc1－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定求反應(yīng)體系中獨(dú)立反應(yīng)的一般方法有:①觀察法。適用于反應(yīng)數(shù)較少的體系

②計(jì)量系數(shù)矩陣法(原子矩陣法)例：CH4+H2OCO+3H2CH4+2H2OCO2+4H2CO+H2OCO2+H2可以看出，（1）＋（3）＝（2）1－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定求反應(yīng)體系中獨(dú)立反應(yīng)的一②計(jì)量系數(shù)矩陣法寫成矩陣秩k=2,有兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)：-CH4-H2O+CO+3H2=0-H2O–CO+CO2+H2=0②計(jì)量系數(shù)矩陣法寫成矩陣秩k=2,有兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)：

1－4多重反應(yīng)的收率及選擇性

YieldSelectivity

多重反應(yīng)是指有多個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的體系同時(shí)反應(yīng)：Simultaneousreactions連串反應(yīng)：Consecutivereactions平行反應(yīng)：Parallelreactions復(fù)合反應(yīng)（平行－連串反應(yīng)）Combinationreactions

1－4多重反應(yīng)的收率及選擇性

多重反應(yīng)舉例氧與氨苯氧化制順酐CO加氫乙烯氧化多重反應(yīng)舉例氧與氨氨的氧化氨的氧化苯氧化制順酐苯氧化制順酐CO加氫、乙烯氧化CO加氫、乙烯氧化選擇率和收率的定義關(guān)鍵組分keycomponentALMAY＝S＝X＝選擇率和收率的定義關(guān)鍵組分keycomponentALMA選擇率和收率的定義對(duì)于單一反應(yīng)，收率等于轉(zhuǎn)化率，而選擇性等于1轉(zhuǎn)化率是針對(duì)反應(yīng)物的，而收率選擇率則是針對(duì)目的產(chǎn)物的。選擇率和收率的定義對(duì)于單一反應(yīng)，收率等于轉(zhuǎn)化率，而選擇性等于例題乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷，進(jìn)料：乙烯15mol，氧氣7mol,出料中乙烯為13mol,氧氣為4.76mol,試計(jì)算乙烯的轉(zhuǎn)化率，環(huán)氧乙烷的收率及選擇率。解：C2H4＋0.5O2→C2H4OC2H4＋3O2→2CO2＋2H2OxA=(15mol－13mol)/15mol=0.133第一個(gè)反應(yīng)所消耗的乙烯＝轉(zhuǎn)化的乙烯×S第二個(gè)反應(yīng)所消耗的乙烯＝轉(zhuǎn)化的乙烯×（1－S）故有：2mol×S×0.5+2mol×(1－S)×3=7mol－4.76molS=0.752Y=第一個(gè)反應(yīng)所消耗的乙烯÷加入的乙烯總量（15mol）故Y＝2×0.752÷15=0.100或Y＝xAS=0.100例題乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷，進(jìn)料：乙烯15mol，氧氣7mol第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式！上式右端的負(fù)號(hào)是針對(duì)反應(yīng)物；對(duì)于生成物，則不加此負(fù)號(hào)。當(dāng)反應(yīng)是在相界面上（如固體催化劑表面上）進(jìn)行時(shí)：于是作為反應(yīng)物和生成物的速率式（1－20）一間歇系統(tǒng)BATCHSYSTEM

平均速率表達(dá)式瞬時(shí)速率表達(dá)式第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式！上式右端的負(fù)號(hào)是針對(duì)反應(yīng)物；二連續(xù)系統(tǒng)FLOWSYSTEMS

連續(xù)系統(tǒng)中反應(yīng)速率表示為單位反應(yīng)體積中（或單位反應(yīng)表面積上、或單位質(zhì)量固體、或催化劑上）某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流量的變化對(duì)于氣固相催化反應(yīng)，反應(yīng)體積是反應(yīng)器中催化劑床層的體積空間速度SpaceVelocity（空速

）是單位反應(yīng)體積所能處理的反應(yīng)混合物的體積流量。二連續(xù)系統(tǒng)FLOWSYSTEMS連續(xù)系統(tǒng)中反應(yīng)速率表示對(duì)于多個(gè)串連的多級(jí)反應(yīng)器，不以某一級(jí)反應(yīng)器的進(jìn)口狀態(tài)計(jì)算空速，而以標(biāo)準(zhǔn)狀況下初態(tài)的反應(yīng)混合物體積流量來(lái)計(jì)算。按單位質(zhì)量催化劑計(jì)算空速，稱為質(zhì)量空速Wsp空速的的倒數(shù)定義為接觸時(shí)間(空時(shí)）。標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)間為反應(yīng)體積VR與標(biāo)準(zhǔn)狀況初態(tài)體積流量VS0之比對(duì)于多個(gè)串連的多級(jí)反應(yīng)器，不以某一級(jí)反應(yīng)器的進(jìn)口狀態(tài)計(jì)算空速對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，按反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的定義NA0為初態(tài)組成反應(yīng)物A的摩爾流量，NA為瞬時(shí)摩爾流量由于，而標(biāo)準(zhǔn)狀況下反應(yīng)物A的初始濃度即所以對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，按反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的定義N第三節(jié)動(dòng)力學(xué)方程

(ChemicalReactionKineticsEquation)(1)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的概念：

定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式。22第三節(jié)動(dòng)力學(xué)方程

(ChemicalReactionK23均相反應(yīng)（HomogeneousReaction)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通常可由反應(yīng)物系的組成和溫度通過(guò)狀態(tài)方程來(lái)確定，不是獨(dú)立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。23均相反應(yīng)（HomogeneousReaction)的速(2)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的形式：24

對(duì)于均相反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程多數(shù)采用冪函數(shù)形式。

★寫出的冪函數(shù)形式通常都是近似的，或在一定濃度范圍內(nèi)成立。反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的某一方次呈正比。(2)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的形式：24對(duì)于均相反應(yīng)，化學(xué)25●對(duì)于體系中只進(jìn)行一個(gè)不可逆反應(yīng)，

式中：cA，cB：A，B組分的濃度，mol.m-325●對(duì)于體系中只進(jìn)行一個(gè)不可逆反應(yīng)，式中：cA，c

kc：為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級(jí)數(shù)的不同有不同的因次。

kc是溫度的函數(shù)，在一般情況下，符合阿累尼烏斯關(guān)系。26kc：為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級(jí)數(shù)的不同有阿累尼烏斯關(guān)系kc0

：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。27阿累尼烏斯關(guān)系kc0：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，28●

E：活化能，[J·mol-1]，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，活化能反映了反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度。28●E：活化能，[J·mol-1]，從化學(xué)反應(yīng)工程的角反應(yīng)級(jí)數(shù)29

m，n：A，B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)；m+n為此反應(yīng)的總級(jí)數(shù)。如果反應(yīng)級(jí)數(shù)與反應(yīng)組份的化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同，即m=a并且n=b，此反應(yīng)可能是基元反應(yīng)。反應(yīng)級(jí)數(shù)29m，n：A，B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)；如果反應(yīng)級(jí)數(shù)與反基元反應(yīng)的總級(jí)數(shù)一般為1或2，極個(gè)別有3，沒(méi)有大于3級(jí)的基元反應(yīng)。對(duì)于非基元反應(yīng)，m，n多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的經(jīng)驗(yàn)值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。30基元反應(yīng)的總級(jí)數(shù)一般為1或2，極個(gè)別有3，沒(méi)有大于3級(jí)的基元質(zhì)量作用定律(lawofmassaction)基元反應(yīng)的反應(yīng)速率與各反應(yīng)物的濃度的冪的乘積成正比，其中各反應(yīng)物的濃度的冪的指數(shù)即為元反應(yīng)方程式中該反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量數(shù)的絕對(duì)值。

質(zhì)量作用定律(lawofmassaction)基元反應(yīng)

直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式。獲得反應(yīng)組分不同時(shí)刻的變化規(guī)律。32化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合應(yīng)用：直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式。獲得反應(yīng)33例如：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有：33例如：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有：

結(jié)論：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間與反應(yīng)物的初始濃度cA0無(wú)關(guān)。34結(jié)論：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間與半衰期反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一級(jí)反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。35半衰期概念：半衰期反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一36例如，二級(jí)反應(yīng)36例如，二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式的建立方法37動(dòng)力學(xué)方程式的建立思想：通常采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸方法，建立動(dòng)力學(xué)方程。動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物溫度、濃度之間的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)方程式的建立方法37動(dòng)力學(xué)方程式的建立思想：通常采用實(shí)對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)，在等溫條件下，回歸可以由簡(jiǎn)單手工計(jì)算進(jìn)行。單一反應(yīng)速率式解析38對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)，在等溫條件下，積分法39積分法的思想：(1)首先根據(jù)對(duì)該反應(yīng)的初步認(rèn)識(shí)，先假設(shè)一個(gè)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，如(-rA)=kf(cA)，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算后得到，f(cA)=kt的關(guān)系式。積分法39積分法的思想：(1)首先根據(jù)對(duì)該反應(yīng)的初步認(rèn)識(shí)，先例如，一級(jí)反應(yīng)40(2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f(ci)函數(shù)中，得到各ti下的f(ci)數(shù)據(jù)。(3)以t為橫座標(biāo)，f(ci)為縱座標(biāo)，將ti-f(ci)數(shù)據(jù)標(biāo)繪出來(lái)。例如，一級(jí)反應(yīng)40(2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f●(4)如果得到過(guò)原點(diǎn)的直線，則表明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取的(即假設(shè)的級(jí)數(shù)是正確的)，其直線的斜率即為反應(yīng)速率常數(shù)k。41(5)否則重新假設(shè)另一動(dòng)力學(xué)方程，再重復(fù)上述步驟，直到得到直線為止。●(4)如果得到過(guò)原點(diǎn)的直線，則表明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取424243為求取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下的等溫、恒容均相反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此求出相應(yīng)的k值。43為求取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度●以lnk對(duì)1/T作圖，將得到一條直線，其斜率即為-E/R，可求得E。將n次實(shí)驗(yàn)所求得k和與之相對(duì)應(yīng)的1/T取平均值作為最后結(jié)果。44●以lnk對(duì)1/T作圖，將得到一條直線，其斜率即為-E454546例1-1等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的酯化反應(yīng)：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O。醋酸和丁醇的初始濃度分別為0.2332和1.16kmolm-3。測(cè)得不同時(shí)間下醋酸轉(zhuǎn)化量如表所示。46例1-1等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的酯化反試求反應(yīng)的速率方程。47試求反應(yīng)的速率方程。47解：由于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時(shí)的數(shù)據(jù)，可以忽略逆反應(yīng)的影響，而丁醇又大大過(guò)量，反應(yīng)過(guò)程中丁醇濃度可視為不變。所以反應(yīng)速率方程為：48解：由于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時(shí)的數(shù)據(jù)，可以忽略逆將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級(jí)處理并得到t-f(cA)的關(guān)系49將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級(jí)處理并得到t-f(cA)的關(guān)系45050

對(duì)t作圖為一直線，則說(shuō)明n=2是正確的，故該反應(yīng)對(duì)醋酸為二級(jí)反應(yīng)，從直線的斜率可以求得在此溫度下包含丁醇濃度的k’值。而丁醇的反應(yīng)級(jí)數(shù)m可以用保持醋酸濃度不變的方法求得，二者結(jié)合可以求得反應(yīng)在此溫度下的速率常數(shù)k。51從圖可知，以對(duì)t作圖為一直線，則說(shuō)明n=2是正確的，故該反應(yīng)對(duì)醋微分法52微分法的思想：根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測(cè)得的數(shù)據(jù)cA-t直接進(jìn)行處理得到動(dòng)力學(xué)關(guān)系的方法。微分法52微分法的思想：根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測(cè)得（1）在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反應(yīng)器中不同時(shí)間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)。將這組數(shù)據(jù)以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，反應(yīng)物濃度cA為縱坐標(biāo)直接作圖。53微分法的步驟：（1）在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反應(yīng)器中不同時(shí)間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)。將（2）將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線（要求反映出動(dòng)力學(xué)規(guī)律，而不必通過(guò)每一個(gè)點(diǎn)），用測(cè)量各點(diǎn)斜率的方法進(jìn)行數(shù)值或圖解微分，得到若干對(duì)不同t時(shí)刻的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。再將不可逆反應(yīng)速率方程如線性化，兩邊取對(duì)數(shù)得：54（2）將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線（要求反映出動(dòng)力學(xué)規(guī)律，而不55（3）以對(duì)作圖得到直線；（4）其斜率為反應(yīng)級(jí)數(shù)n，截距為lnk，以此求得n和k值。55（3）以對(duì)

優(yōu)點(diǎn)在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級(jí)數(shù)；

缺點(diǎn)在于圖上微分時(shí)可能出現(xiàn)的人為誤差比較大。56微分法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級(jí)數(shù)；56微分法的優(yōu)點(diǎn)和缺第四節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及

最佳溫度1－16溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度一、溫度對(duì)不同類型單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度1，不可逆反應(yīng)2，可逆吸熱反應(yīng)3，可逆放熱反應(yīng)二、可逆放熱反應(yīng)的最佳溫度曲線1－17溫度對(duì)多重反應(yīng)速率的影響第四節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及

最佳溫度1－16溫度對(duì)單反1－16溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度一、溫度對(duì)不同類型單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度1.不可逆反應(yīng)：盡可能高的溫度下反應(yīng)，以提高反應(yīng)速率。受限：催化劑，高溫材料，供熱，副反應(yīng)等1－16溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度一、溫度對(duì)不同類型2.可逆反應(yīng)（1）反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)于可逆反應(yīng)（均相，一級(jí)，恒容）反應(yīng)速率可用下式表示：(1)2.可逆反應(yīng)反應(yīng)速率可用下式表示：(1)當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，則有：由上式可求得：代入式（1）得：（2）當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，則有：由上式可求得：代入式（1對(duì)可逆反應(yīng)過(guò)程，沒(méi)有副產(chǎn)物的形成，故優(yōu)化的目標(biāo)為反應(yīng)速率最大，即達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的反應(yīng)器體積最小。由式（2）可見(jiàn)，在反應(yīng)溫度恒定下，提高反應(yīng)物初始濃度（CA0），降低轉(zhuǎn)化率，有利于反應(yīng)速率的提高。對(duì)可逆反應(yīng)過(guò)程，沒(méi)有副產(chǎn)物的形成，故優(yōu)化的目標(biāo)為反應(yīng)速率最大對(duì)可逆放熱反應(yīng)，k1、k2隨溫度升高而增大，而平衡轉(zhuǎn)化率（xAe

）則隨溫度升高而減少，因此對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)化率應(yīng)存在一個(gè)使反應(yīng)速率為最大的最優(yōu)反應(yīng)溫度。對(duì)可逆吸熱反應(yīng)，k1、k2和xAe均隨溫度升高而增大。由式（2）可見(jiàn)，反應(yīng)速率也隨溫度升高而增大。所以最優(yōu)反應(yīng)溫度也就是反應(yīng)體系能承受的最高溫度。（2）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)可逆放熱反應(yīng)，k1、k2隨溫度升高而增大，而平衡轉(zhuǎn)化率（對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，顯然，最優(yōu)反應(yīng)溫度應(yīng)滿足如下條件：(3)將式（1）改寫為：(4)對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，顯然，最優(yōu)反應(yīng)溫度應(yīng)滿足如下條件：(3)將由（3）和（4）可求得最優(yōu)反應(yīng)溫度為：(5)式中：由（3）和（4）可求得最優(yōu)反應(yīng)溫度為：(5)式中：由式（5）可見(jiàn)，最優(yōu)反應(yīng)溫度不僅與反應(yīng)特性有關(guān)，而且隨轉(zhuǎn)化率的變化而變化，并隨xA增加而降低。即對(duì)可逆放熱反應(yīng)，其最優(yōu)溫度序列總是先高后低的。圖1－3中所示的最優(yōu)溫度曲線。圖1－3最優(yōu)溫度線與平衡溫度線由式（5）可見(jiàn)，最優(yōu)反應(yīng)溫度不僅與反應(yīng)特性有關(guān)，而且隨轉(zhuǎn)化率當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，由式（4）可求得化學(xué)平衡的反應(yīng)溫度：（6）將式（6）標(biāo)繪在T－xA相平面上，得到圖1－3所示的平衡溫度曲線。當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，由式（4）可求得化學(xué)平衡的反應(yīng)由以上分析可知，存在最優(yōu)溫度序列是可逆放熱反應(yīng)的一個(gè)重要特征，對(duì)反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化具有重要的意義。為使達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)器體積最小，反應(yīng)溫度應(yīng)隨轉(zhuǎn)化率增加沿最優(yōu)溫度曲線逐步降低。由以上分析可知，存在最優(yōu)溫度序列是可逆放熱反應(yīng)的一個(gè)重要特征3.平行反應(yīng)（均相，恒容）（1）濃度對(duì)平行反應(yīng)產(chǎn)物選擇性的優(yōu)化①一種反應(yīng)物生成兩種生成物的平行分解反應(yīng)其反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物R和副產(chǎn)物P的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式為：（7）（8）3.平行反應(yīng)（均相，恒容）其反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物R和副產(chǎn)物P的反選擇性：（9）可見(jiàn)優(yōu)化的目標(biāo)是使SR盡可能增大，亦得到較多的R。對(duì)于給定溫度下的反應(yīng)系統(tǒng)，k1、k2、a1、a2均為常數(shù)。故改善產(chǎn)物分布和選擇性的唯一手段是調(diào)節(jié)反應(yīng)物濃度CA，這取決于主反應(yīng)和副反應(yīng)級(jí)數(shù)的相對(duì)高低。選擇性：（9）可見(jiàn)優(yōu)化的目標(biāo)是使SR盡可能增大，亦得到較多的a.當(dāng)a1＜a2時(shí)，CA↓，SR↑有利于生成較多的產(chǎn)物R，所以全混流反應(yīng)器有利于提高R的選擇性，但所需的反應(yīng)器體積較間歇反應(yīng)器或管式活塞流反應(yīng)器大。故應(yīng)做全面分析，再作選擇。b.當(dāng)a1＞a2時(shí)，CA↑，SR↑所以應(yīng)選擇間歇反應(yīng)器或活塞流反應(yīng)器，有利于生成較多的產(chǎn)物R。b.當(dāng)a1=a2時(shí)，SR=k1/k2=constant,選擇性與反應(yīng)物濃度無(wú)關(guān)a.當(dāng)a1＜a2時(shí)，CA↓，SR↑反應(yīng)物為兩種反應(yīng)物生成一種主產(chǎn)物和一種副產(chǎn)物的平行反應(yīng)，即：其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式分別為：反應(yīng)物為兩種反應(yīng)物生成一種主產(chǎn)物和一種副產(chǎn)物的平行反應(yīng)，即：故反應(yīng)的選擇性為：(10)故反應(yīng)的選擇性為：(10)(2)溫度對(duì)平行反應(yīng)產(chǎn)物分布（即選擇性）的優(yōu)化當(dāng)反應(yīng)溫度改變時(shí)，式（9）或（10）中的k1/k2將隨之改變，從而影響產(chǎn)物分布。根據(jù)Arrhennius方程代入k1/k2得出:(11)(2)溫度對(duì)平行反應(yīng)產(chǎn)物分布（即選擇性）的優(yōu)化(11)由式（11)可知，當(dāng)E1＞E2時(shí)，T↑，k1/k2↑,SR↑,R產(chǎn)率↑當(dāng)E1＜E2時(shí)，T↑，k1/k2↓,SR↓,R產(chǎn)率↓由式（11)可知，4.連串反應(yīng)A1的反應(yīng)速率A4的反應(yīng)速率A2的反應(yīng)速率A3的反應(yīng)速率4.連串反應(yīng)A1的反應(yīng)速率A4的反應(yīng)速率A2的反應(yīng)速率A3的①若A4是目的產(chǎn)物，則T↑，k1↑，k2↑，A4收率↑②若A3是目的產(chǎn)物，則分為以下幾種情況：A3的收率Y3與組分A1的轉(zhuǎn)化率x1及k2/k1的函數(shù)如右圖若E1＞E2，T↑，k2/k1↓，A3的收率Y3↑，Y4↓若E1＜E2，T↑，k2/k1↑，A3的收率Y3↓，Y4↑①若A4是目的產(chǎn)物，則T↑，k1↑，k2↑，A4收率↑若E1第五節(jié)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)物料衡算方程物料衡算所針對(duì)的具體體系稱體積元。體積元有確定的邊界，由這些邊界圍住的體積稱為系統(tǒng)體積。在這個(gè)體積元中，物料溫度、濃度必須是均勻的。在滿足這個(gè)條件的前提下盡可能使這個(gè)體積元體積更大。在這個(gè)體積元中對(duì)關(guān)鍵組分A進(jìn)行物料衡算。77第五節(jié)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)物料衡算方程物料衡算所針對(duì)的具7878●用符號(hào)表示：79●更普遍地說(shuō)，對(duì)于體積元內(nèi)的任何物料，進(jìn)入、排出、反應(yīng)、積累量的代數(shù)和為0。不同的反應(yīng)器和操作方式，某些項(xiàng)可能為0?！裼梅?hào)表示：79●更普遍地說(shuō)，對(duì)于體積元內(nèi)的任何物料，進(jìn)入幾個(gè)時(shí)間概念80（1）反應(yīng)持續(xù)時(shí)間tr

。簡(jiǎn)稱為反應(yīng)時(shí)間，用于間歇反應(yīng)器。指反應(yīng)物料進(jìn)行反應(yīng)達(dá)到所要求的反應(yīng)程度或轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間，其中不包括裝料、卸料、升溫、降溫等非反應(yīng)的輔助時(shí)間。幾個(gè)時(shí)間概念80（1）反應(yīng)持續(xù)時(shí)間tr。簡(jiǎn)稱為反應(yīng)時(shí)間，用81（2）停留時(shí)間t和平均停留時(shí)間。

停留時(shí)間又稱接觸時(shí)間，用于連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器，指流體微元從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的時(shí)間。81（2）停留時(shí)間t和平均停留時(shí)間。停留時(shí)間又稱接82（3）空間時(shí)間（SpaceTime),τ

●其定義為反應(yīng)器有效容積VR與流體特征體積流速V0之比值。即82（3）空間時(shí)間（SpaceTime),τ●其定義為反●空間時(shí)間是一個(gè)人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個(gè)反應(yīng)體積的流體所需要的時(shí)間。83●空間時(shí)間不是停留時(shí)間●空間時(shí)間是一個(gè)人為規(guī)定的參量，它表示處理在進(jìn)口條件下一個(gè)反第一章應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一節(jié)化學(xué)計(jì)量學(xué)第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式第三節(jié)動(dòng)力學(xué)方程第四節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響第五節(jié)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一章應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第一節(jié)化第一節(jié)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)(stoichiometry)是一門通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)或數(shù)學(xué)方法將對(duì)化學(xué)體系的測(cè)量值與體系的狀態(tài)之間建立聯(lián)系的學(xué)科。是以化學(xué)反應(yīng)式形式表達(dá)的質(zhì)量守恒定律，用于計(jì)算某一時(shí)刻的化學(xué)組成和各組分的數(shù)量變化。化學(xué)計(jì)量學(xué)運(yùn)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及其他相關(guān)學(xué)科的理論與方法，優(yōu)化化學(xué)測(cè)量過(guò)程，并從化學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)中最大限度地提取有用的化學(xué)信息?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)的研究對(duì)象是有關(guān)化學(xué)量測(cè)的基礎(chǔ)理論和方法學(xué)。它所研究的內(nèi)容包括：統(tǒng)計(jì)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法；分析信息理論；采樣；試驗(yàn)優(yōu)化與設(shè)計(jì)；分析校正理論；分析信號(hào)檢測(cè)和分析信號(hào)處理；化學(xué)模式識(shí)別；圖像分析；構(gòu)效關(guān)系研究；人工智能和專家系統(tǒng)；人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)化學(xué)模式識(shí)別；庫(kù)檢索等。

第一節(jié)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)(stoichiometry)是1－1化學(xué)計(jì)量式(stoichiometricequation)表達(dá)反應(yīng)組分間的數(shù)量關(guān)系，(聯(lián)系chemicalequation，拉瓦錫首創(chuàng))如果有m個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，則第j個(gè)反應(yīng)和總反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量式可分別表達(dá)為反應(yīng)物取負(fù)值，生成物取正值－N2－3H2＋2NH3=0－SO2－0.5O2＋1.5SO3＝01－1化學(xué)計(jì)量式(stoichiometricequat1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extentofreaction,conversion,factorofexpansion一、反應(yīng)程度二、轉(zhuǎn)化率1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extento1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extentofreaction,conversion,factorofexpansion三、化學(xué)膨脹因子每轉(zhuǎn)化掉1mol的反應(yīng)物A時(shí)，反應(yīng)混合物物質(zhì)的量的變化，用符號(hào)表示。對(duì)于反應(yīng)：1-2反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率及化學(xué)膨脹因子

extento三、化學(xué)膨脹因子在恒溫恒壓下進(jìn)行Expansionratio

膨脹率三、化學(xué)膨脹因子在恒溫恒壓下進(jìn)行Expansionrati1－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定Simpleandcomplexreactionsystem單一反應(yīng)(singlereact.)

簡(jiǎn)單反應(yīng)體系一個(gè)參數(shù)即可決定組成多重反應(yīng)(multiplereact.)

復(fù)雜反應(yīng)體系需要多個(gè)參數(shù)所需的參數(shù)個(gè)數(shù)=獨(dú)立反應(yīng)數(shù)。獨(dú)立反應(yīng)是不能由其他反應(yīng)線性組合而得到的反應(yīng)。例：CH4+H2OCO+3H2CH4+2H2OCO2+4H2CO+H2OCO2+H21－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定Simpleandc1－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定求反應(yīng)體系中獨(dú)立反應(yīng)的一般方法有:①觀察法。適用于反應(yīng)數(shù)較少的體系

②計(jì)量系數(shù)矩陣法(原子矩陣法)例：CH4+H2OCO+3H2CH4+2H2OCO2+4H2CO+H2OCO2+H2可以看出，（1）＋（3）＝（2）1－3多重反應(yīng)系統(tǒng)中獨(dú)立反應(yīng)數(shù)的確定求反應(yīng)體系中獨(dú)立反應(yīng)的一②計(jì)量系數(shù)矩陣法寫成矩陣秩k=2,有兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)：-CH4-H2O+CO+3H2=0-H2O–CO+CO2+H2=0②計(jì)量系數(shù)矩陣法寫成矩陣秩k=2,有兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)：

1－4多重反應(yīng)的收率及選擇性

YieldSelectivity

多重反應(yīng)是指有多個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的體系同時(shí)反應(yīng)：Simultaneousreactions連串反應(yīng)：Consecutivereactions平行反應(yīng)：Parallelreactions復(fù)合反應(yīng)（平行－連串反應(yīng)）Combinationreactions

1－4多重反應(yīng)的收率及選擇性

多重反應(yīng)舉例氧與氨苯氧化制順酐CO加氫乙烯氧化多重反應(yīng)舉例氧與氨氨的氧化氨的氧化苯氧化制順酐苯氧化制順酐CO加氫、乙烯氧化CO加氫、乙烯氧化選擇率和收率的定義關(guān)鍵組分keycomponentALMAY＝S＝X＝選擇率和收率的定義關(guān)鍵組分keycomponentALMA選擇率和收率的定義對(duì)于單一反應(yīng)，收率等于轉(zhuǎn)化率，而選擇性等于1轉(zhuǎn)化率是針對(duì)反應(yīng)物的，而收率選擇率則是針對(duì)目的產(chǎn)物的。選擇率和收率的定義對(duì)于單一反應(yīng)，收率等于轉(zhuǎn)化率，而選擇性等于例題乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷，進(jìn)料：乙烯15mol，氧氣7mol,出料中乙烯為13mol,氧氣為4.76mol,試計(jì)算乙烯的轉(zhuǎn)化率，環(huán)氧乙烷的收率及選擇率。解：C2H4＋0.5O2→C2H4OC2H4＋3O2→2CO2＋2H2OxA=(15mol－13mol)/15mol=0.133第一個(gè)反應(yīng)所消耗的乙烯＝轉(zhuǎn)化的乙烯×S第二個(gè)反應(yīng)所消耗的乙烯＝轉(zhuǎn)化的乙烯×（1－S）故有：2mol×S×0.5+2mol×(1－S)×3=7mol－4.76molS=0.752Y=第一個(gè)反應(yīng)所消耗的乙烯÷加入的乙烯總量（15mol）故Y＝2×0.752÷15=0.100或Y＝xAS=0.100例題乙烯氧化生成環(huán)氧乙烷，進(jìn)料：乙烯15mol，氧氣7mol第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式！上式右端的負(fù)號(hào)是針對(duì)反應(yīng)物；對(duì)于生成物，則不加此負(fù)號(hào)。當(dāng)反應(yīng)是在相界面上（如固體催化劑表面上）進(jìn)行時(shí)：于是作為反應(yīng)物和生成物的速率式（1－20）一間歇系統(tǒng)BATCHSYSTEM

平均速率表達(dá)式瞬時(shí)速率表達(dá)式第二節(jié)化學(xué)反應(yīng)速率的表示方式！上式右端的負(fù)號(hào)是針對(duì)反應(yīng)物；二連續(xù)系統(tǒng)FLOWSYSTEMS

連續(xù)系統(tǒng)中反應(yīng)速率表示為單位反應(yīng)體積中（或單位反應(yīng)表面積上、或單位質(zhì)量固體、或催化劑上）某一反應(yīng)物或產(chǎn)物的摩爾流量的變化對(duì)于氣固相催化反應(yīng)，反應(yīng)體積是反應(yīng)器中催化劑床層的體積空間速度SpaceVelocity（空速

）是單位反應(yīng)體積所能處理的反應(yīng)混合物的體積流量。二連續(xù)系統(tǒng)FLOWSYSTEMS連續(xù)系統(tǒng)中反應(yīng)速率表示對(duì)于多個(gè)串連的多級(jí)反應(yīng)器，不以某一級(jí)反應(yīng)器的進(jìn)口狀態(tài)計(jì)算空速，而以標(biāo)準(zhǔn)狀況下初態(tài)的反應(yīng)混合物體積流量來(lái)計(jì)算。按單位質(zhì)量催化劑計(jì)算空速，稱為質(zhì)量空速Wsp空速的的倒數(shù)定義為接觸時(shí)間(空時(shí)）。標(biāo)準(zhǔn)接觸時(shí)間為反應(yīng)體積VR與標(biāo)準(zhǔn)狀況初態(tài)體積流量VS0之比對(duì)于多個(gè)串連的多級(jí)反應(yīng)器，不以某一級(jí)反應(yīng)器的進(jìn)口狀態(tài)計(jì)算空速對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，按反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的定義NA0為初態(tài)組成反應(yīng)物A的摩爾流量，NA為瞬時(shí)摩爾流量由于，而標(biāo)準(zhǔn)狀況下反應(yīng)物A的初始濃度即所以對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，按反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的定義N第三節(jié)動(dòng)力學(xué)方程

(ChemicalReactionKineticsEquation)(1)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的概念：

定量描述反應(yīng)速率與影響反應(yīng)速率因素之間的關(guān)系式。105第三節(jié)動(dòng)力學(xué)方程

(ChemicalReactionK106均相反應(yīng)（HomogeneousReaction)的速率是反應(yīng)物系組成、溫度和壓力的函數(shù)。而反應(yīng)壓力通?？捎煞磻?yīng)物系的組成和溫度通過(guò)狀態(tài)方程來(lái)確定，不是獨(dú)立變量。所以主要考慮反應(yīng)物系組成和溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響。23均相反應(yīng)（HomogeneousReaction)的速(2)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的形式：107

對(duì)于均相反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程多數(shù)采用冪函數(shù)形式。

★寫出的冪函數(shù)形式通常都是近似的，或在一定濃度范圍內(nèi)成立。反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的某一方次呈正比。(2)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的形式：24對(duì)于均相反應(yīng)，化學(xué)108●對(duì)于體系中只進(jìn)行一個(gè)不可逆反應(yīng)，

式中：cA，cB：A，B組分的濃度，mol.m-325●對(duì)于體系中只進(jìn)行一個(gè)不可逆反應(yīng)，式中：cA，c

kc：為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級(jí)數(shù)的不同有不同的因次。

kc是溫度的函數(shù)，在一般情況下，符合阿累尼烏斯關(guān)系。109kc：為以濃度表示的反應(yīng)速率常數(shù)，隨反應(yīng)級(jí)數(shù)的不同有阿累尼烏斯關(guān)系kc0

：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，具有和反應(yīng)速率常數(shù)相同的因次。110阿累尼烏斯關(guān)系kc0：指前因子，又稱頻率因子，與溫度無(wú)關(guān)，111●

E：活化能，[J·mol-1]，從化學(xué)反應(yīng)工程的角度看，活化能反映了反應(yīng)速率對(duì)溫度變化的敏感程度。28●E：活化能，[J·mol-1]，從化學(xué)反應(yīng)工程的角反應(yīng)級(jí)數(shù)112

m，n：A，B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)；m+n為此反應(yīng)的總級(jí)數(shù)。如果反應(yīng)級(jí)數(shù)與反應(yīng)組份的化學(xué)計(jì)量系數(shù)相同，即m=a并且n=b，此反應(yīng)可能是基元反應(yīng)。反應(yīng)級(jí)數(shù)29m，n：A，B組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)；如果反應(yīng)級(jí)數(shù)與反基元反應(yīng)的總級(jí)數(shù)一般為1或2，極個(gè)別有3，沒(méi)有大于3級(jí)的基元反應(yīng)。對(duì)于非基元反應(yīng)，m，n多數(shù)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的經(jīng)驗(yàn)值，可以是整數(shù)，小數(shù)，甚至是負(fù)數(shù)。113基元反應(yīng)的總級(jí)數(shù)一般為1或2，極個(gè)別有3，沒(méi)有大于3級(jí)的基元質(zhì)量作用定律(lawofmassaction)基元反應(yīng)的反應(yīng)速率與各反應(yīng)物的濃度的冪的乘積成正比，其中各反應(yīng)物的濃度的冪的指數(shù)即為元反應(yīng)方程式中該反應(yīng)物化學(xué)計(jì)量數(shù)的絕對(duì)值。

質(zhì)量作用定律(lawofmassaction)基元反應(yīng)

直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式。獲得反應(yīng)組分不同時(shí)刻的變化規(guī)律。115化學(xué)反應(yīng)定義式和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程結(jié)合應(yīng)用：直接積分，可獲得化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的積分形式。獲得反應(yīng)116例如：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有：33例如：對(duì)一級(jí)不可逆反應(yīng)，恒容過(guò)程，有：

結(jié)論：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間與反應(yīng)物的初始濃度cA0無(wú)關(guān)。117結(jié)論：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需要的時(shí)間與半衰期反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一級(jí)反應(yīng)外，反應(yīng)的半衰期是初始濃度的函數(shù)。118半衰期概念：半衰期反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%所需要的時(shí)間為該反應(yīng)的半衰期。除一119例如，二級(jí)反應(yīng)36例如，二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式的建立方法120動(dòng)力學(xué)方程式的建立思想：通常采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸方法，建立動(dòng)力學(xué)方程。動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)的是化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物溫度、濃度之間的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)方程式的建立方法37動(dòng)力學(xué)方程式的建立思想：通常采用實(shí)對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)，在等溫條件下，回歸可以由簡(jiǎn)單手工計(jì)算進(jìn)行。單一反應(yīng)速率式解析121對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，如簡(jiǎn)單級(jí)數(shù)反應(yīng)，在等溫條件下，積分法122積分法的思想：(1)首先根據(jù)對(duì)該反應(yīng)的初步認(rèn)識(shí)，先假設(shè)一個(gè)不可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，如(-rA)=kf(cA)，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算后得到，f(cA)=kt的關(guān)系式。積分法39積分法的思想：(1)首先根據(jù)對(duì)該反應(yīng)的初步認(rèn)識(shí)，先例如，一級(jí)反應(yīng)123(2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f(ci)函數(shù)中，得到各ti下的f(ci)數(shù)據(jù)。(3)以t為橫座標(biāo)，f(ci)為縱座標(biāo)，將ti-f(ci)數(shù)據(jù)標(biāo)繪出來(lái)。例如，一級(jí)反應(yīng)40(2)將實(shí)驗(yàn)中得到的ti下的ci的數(shù)據(jù)代f●(4)如果得到過(guò)原點(diǎn)的直線，則表明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取的(即假設(shè)的級(jí)數(shù)是正確的)，其直線的斜率即為反應(yīng)速率常數(shù)k。124(5)否則重新假設(shè)另一動(dòng)力學(xué)方程，再重復(fù)上述步驟，直到得到直線為止?！?4)如果得到過(guò)原點(diǎn)的直線，則表明所假設(shè)的動(dòng)力學(xué)方程是可取12542126為求取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度下的等溫、恒容均相反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此求出相應(yīng)的k值。43為求取活化能E，可再選若干溫度，作同樣的實(shí)驗(yàn)，得到各溫度●以lnk對(duì)1/T作圖，將得到一條直線，其斜率即為-E/R，可求得E。將n次實(shí)驗(yàn)所求得k和與之相對(duì)應(yīng)的1/T取平均值作為最后結(jié)果。127●以lnk對(duì)1/T作圖，將得到一條直線，其斜率即為-E12845129例1-1等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的酯化反應(yīng)：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O。醋酸和丁醇的初始濃度分別為0.2332和1.16kmolm-3。測(cè)得不同時(shí)間下醋酸轉(zhuǎn)化量如表所示。46例1-1等溫條件下進(jìn)行醋酸(A)和丁醇(B)的酯化反試求反應(yīng)的速率方程。130試求反應(yīng)的速率方程。47解：由于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時(shí)的數(shù)據(jù)，可以忽略逆反應(yīng)的影響，而丁醇又大大過(guò)量，反應(yīng)過(guò)程中丁醇濃度可視為不變。所以反應(yīng)速率方程為：131解：由于題目中給的數(shù)據(jù)均是醋酸轉(zhuǎn)化率較低時(shí)的數(shù)據(jù)，可以忽略逆將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級(jí)處理并得到t-f(cA)的關(guān)系132將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按0、1和2級(jí)處理并得到t-f(cA)的關(guān)系413350

對(duì)t作圖為一直線，則說(shuō)明n=2是正確的，故該反應(yīng)對(duì)醋酸為二級(jí)反應(yīng)，從直線的斜率可以求得在此溫度下包含丁醇濃度的k’值。而丁醇的反應(yīng)級(jí)數(shù)m可以用保持醋酸濃度不變的方法求得，二者結(jié)合可以求得反應(yīng)在此溫度下的速率常數(shù)k。134從圖可知，以對(duì)t作圖為一直線，則說(shuō)明n=2是正確的，故該反應(yīng)對(duì)醋微分法135微分法的思想：根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測(cè)得的數(shù)據(jù)cA-t直接進(jìn)行處理得到動(dòng)力學(xué)關(guān)系的方法。微分法52微分法的思想：根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下在間歇反應(yīng)器中測(cè)得（1）在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反應(yīng)器中不同時(shí)間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)。將這組數(shù)據(jù)以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，反應(yīng)物濃度cA為縱坐標(biāo)直接作圖。136微分法的步驟：（1）在等溫下實(shí)驗(yàn)，得到反應(yīng)器中不同時(shí)間反應(yīng)物濃度的數(shù)據(jù)。將（2）將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線（要求反映出動(dòng)力學(xué)規(guī)律，而不必通過(guò)每一個(gè)點(diǎn)），用測(cè)量各點(diǎn)斜率的方法進(jìn)行數(shù)值或圖解微分，得到若干對(duì)不同t時(shí)刻的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。再將不可逆反應(yīng)速率方程如線性化，兩邊取對(duì)數(shù)得：137（2）將圖上的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑曲線（要求反映出動(dòng)力學(xué)規(guī)律，而不138（3）以對(duì)作圖得到直線；（4）其斜率為反應(yīng)級(jí)數(shù)n，截距為lnk，以此求得n和k值。55（3）以對(duì)

優(yōu)點(diǎn)在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級(jí)數(shù)；

缺點(diǎn)在于圖上微分時(shí)可能出現(xiàn)的人為誤差比較大。139微分法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)在于可以得到非整數(shù)的反應(yīng)級(jí)數(shù)；56微分法的優(yōu)點(diǎn)和缺第四節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及

最佳溫度1－16溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度一、溫度對(duì)不同類型單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度1，不可逆反應(yīng)2，可逆吸熱反應(yīng)3，可逆放熱反應(yīng)二、可逆放熱反應(yīng)的最佳溫度曲線1－17溫度對(duì)多重反應(yīng)速率的影響第四節(jié)溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響及

最佳溫度1－16溫度對(duì)單反1－16溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度一、溫度對(duì)不同類型單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度1.不可逆反應(yīng)：盡可能高的溫度下反應(yīng)，以提高反應(yīng)速率。受限：催化劑，高溫材料，供熱，副反應(yīng)等1－16溫度對(duì)單反應(yīng)速率的影響及最佳溫度一、溫度對(duì)不同類型2.可逆反應(yīng)（1）反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)于可逆反應(yīng)（均相，一級(jí)，恒容）反應(yīng)速率可用下式表示：(1)2.可逆反應(yīng)反應(yīng)速率可用下式表示：(1)當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，則有：由上式可求得：代入式（1）得：（2）當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，則有：由上式可求得：代入式（1對(duì)可逆反應(yīng)過(guò)程，沒(méi)有副產(chǎn)物的形成，故優(yōu)化的目標(biāo)為反應(yīng)速率最大，即達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的反應(yīng)器體積最小。由式（2）可見(jiàn)，在反應(yīng)溫度恒定下，提高反應(yīng)物初始濃度（CA0），降低轉(zhuǎn)化率，有利于反應(yīng)速率的提高。對(duì)可逆反應(yīng)過(guò)程，沒(méi)有副產(chǎn)物的形成，故優(yōu)化的目標(biāo)為反應(yīng)速率最大對(duì)可逆放熱反應(yīng)，k1、k2隨溫度升高而增大，而平衡轉(zhuǎn)化率（xAe

）則隨溫度升高而減少，因此對(duì)每一個(gè)轉(zhuǎn)化率應(yīng)存在一個(gè)使反應(yīng)速率為最大的最優(yōu)反應(yīng)溫度。對(duì)可逆吸熱反應(yīng)，k1、k2和xAe均隨溫度升高而增大。由式（2）可見(jiàn)，反應(yīng)速率也隨溫度升高而增大。所以最優(yōu)反應(yīng)溫度也就是反應(yīng)體系能承受的最高溫度。（2）溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)可逆放熱反應(yīng)，k1、k2隨溫度升高而增大，而平衡轉(zhuǎn)化率（對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，顯然，最優(yōu)反應(yīng)溫度應(yīng)滿足如下條件：(3)將式（1）改寫為：(4)對(duì)于可逆放熱反應(yīng)，顯然，最優(yōu)反應(yīng)溫度應(yīng)滿足如下條件：(3)將由（3）和（4）可求得最優(yōu)反應(yīng)溫度為：(5)式中：由（3）和（4）可求得最優(yōu)反應(yīng)溫度為：(5)式中：由式（5）可見(jiàn)，最優(yōu)反應(yīng)溫度不僅與反應(yīng)特性有關(guān)，而且隨轉(zhuǎn)化率的變化而變化，并隨xA增加而降低。即對(duì)可逆放熱反應(yīng)，其最優(yōu)溫度序列總是先高后低的。圖1－3中所示的最優(yōu)溫度曲線。圖1－3最優(yōu)溫度線與平衡溫度線由式（5）可見(jiàn)，最優(yōu)反應(yīng)溫度不僅與反應(yīng)特性有關(guān)，而且隨轉(zhuǎn)化率當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，由式（4）可求得化學(xué)平衡的反應(yīng)溫度：（6）將式（6）標(biāo)繪在T－xA相平面上，得到圖1－3所示的平衡溫度曲線。當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，－rA=0，由式（4）可求得化學(xué)平衡的反應(yīng)由以上分析可知，存在最優(yōu)溫度序列是可逆放熱反應(yīng)的一個(gè)