環(huán)境工程原理反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

環(huán)境工程原理反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)第1頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用化學(xué)和生物反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化成為無毒無害或易于分離的物質(zhì)，從而使污染介質(zhì)得到凈化的技術(shù)，即轉(zhuǎn)化技術(shù)是去除污染物和凈化環(huán)境的重要手段。沉淀反應(yīng)：水中重金屬的沉淀分離氧化反應(yīng)：還原性無機污染物和有機污染物氧化分解生物降解：反應(yīng)常用于有機廢水、揮發(fā)性有機廢氣、惡臭氣體和有機固體廢棄物的處理生物硝化反硝化：水中硝酸氮的生物去除第III篇反應(yīng)工程原理第2頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

將化學(xué)和生物反應(yīng)原理應(yīng)用于污染控制工程，需要借助適宜的裝置，即反應(yīng)器來實現(xiàn)。系統(tǒng)掌握反應(yīng)器的基本類型及其操作原理和設(shè)計計算方法，對于優(yōu)化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作方式和工藝條件，提高污染物去除效率有重要意義。第III篇反應(yīng)工程原理第3頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月相同的環(huán)境條件（溫度、壓力）相同的反應(yīng)器體積同一反應(yīng)相同的反應(yīng)物料組成和濃度反應(yīng)結(jié)果（反應(yīng)速率、反應(yīng)進度）是否相同？不同的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不同的操作方式影響反應(yīng)結(jié)果（反應(yīng)速率、反應(yīng)進度）的主要因素第III篇反應(yīng)工程原理利用“轉(zhuǎn)化原理”高效、快速去除污染物的關(guān)鍵是什么？第4頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第III篇反應(yīng)工程原理

本篇主要闡述化學(xué)與生物反應(yīng)的計量學(xué)、動力學(xué)及其研究方法，環(huán)境工程中常用的各類化學(xué)和生物反應(yīng)器及其基本設(shè)計計算方法等。第5頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第III篇反應(yīng)工程原理背景：反應(yīng)工程：開發(fā)工業(yè)反應(yīng)器的工程活動，是研究如何開發(fā)，設(shè)計適于特定化學(xué)反應(yīng)進行的環(huán)境的科學(xué)。研究目的：反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計重要性：反應(yīng)器在工程中的重要性第6頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)本身特性：反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)反應(yīng)器的特性：質(zhì)量傳遞、混和狀態(tài)等——傳遞工程影響反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的主要因素是什么？第III篇反應(yīng)工程原理第7頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第III篇反應(yīng)工程原理反應(yīng)工程的研究方法：一.數(shù)學(xué)模型動力學(xué)模型物料衡算式、熱量衡算式、動量衡算式參數(shù)計算式二.數(shù)學(xué)模擬第8頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第十一章反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)第十二章反應(yīng)動力學(xué)的解析方法第十三章均相化學(xué)反應(yīng)器第十四章非均相化學(xué)反應(yīng)器第十五章微生物反應(yīng)器第III篇反應(yīng)工程原理本篇的主要內(nèi)容第9頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第十一章反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

第10頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第十一章反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)反應(yīng)器和反應(yīng)操作反應(yīng)器的主要類型與特點、常見的反應(yīng)器操作方式及其特點第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系反應(yīng)組分(參與反應(yīng)的各物質(zhì))間的定量關(guān)系第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)條件之間的關(guān)系本章主要內(nèi)容第11頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作一、反應(yīng)操作二、反應(yīng)器三、反應(yīng)器的操作方式四、反應(yīng)器內(nèi)物料的流動與混和狀態(tài)五、反應(yīng)器的類型六、反應(yīng)器的設(shè)計七、反應(yīng)器的放大本節(jié)的主要內(nèi)容第12頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作一、反應(yīng)操作利用化學(xué)或生物反應(yīng)進行工業(yè)生產(chǎn)或污染物處理時，需要通過反應(yīng)條件等的控制，使反應(yīng)向有利的方向進行。為達到這種目的而采取的一系列工程措施通稱為反應(yīng)操作(Operationofreaction)。二、反應(yīng)器反應(yīng)器(Reactor)：進行化學(xué)或生物反應(yīng)的容器的總稱?；瘜W(xué)反應(yīng)器(Chemicalreactor)生物反應(yīng)器(Bioreactor/Biologicalreactor)反應(yīng)器是實現(xiàn)反應(yīng)的外部條件，同一反應(yīng)在具有不同特性的反應(yīng)器內(nèi)進行，也會產(chǎn)生不同的反應(yīng)結(jié)果。第13頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)器研究開發(fā)的主要目的：選擇合適的反應(yīng)器型式；反應(yīng)器的設(shè)計計算（確定反應(yīng)器的尺寸）；確定操作方式和優(yōu)化操作條件；反應(yīng)器性能的評價。反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動狀態(tài)、混合狀態(tài)、濃度與溫度分布、質(zhì)量和能量傳遞性能等反應(yīng)器的特性及其決定因素反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)型式、操作方式、操作條件等第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第14頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三、反應(yīng)器的操作方式

間歇操作（分批操作）(Batchoperation)

充/排式操作(Fillanddrawoperation)

連續(xù)操作(Continuousoperation)

半間歇操作(Semi-batchoperation)

半連續(xù)操作(Semi-continuousoperation)第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第15頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）間歇操作（分批操作）

將反應(yīng)原料一次加入反應(yīng)器，反應(yīng)一段時間或達到一定的反應(yīng)程度后一次取出全部的反應(yīng)物料，然后進入下一輪操作。濃度CA物質(zhì)量nA體積V第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第16頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月操作特點∶反應(yīng)過程中既沒有物料的輸入，也沒有物料的輸出，不存在物料的進與出?；咎卣鳌瞄g歇反應(yīng)過程是一個非穩(wěn)態(tài)的過程，反應(yīng)器內(nèi)組成隨時間變化而變化。反應(yīng)時間濃度完全混合流反應(yīng)器反應(yīng)物反應(yīng)產(chǎn)物主要優(yōu)點∶操作靈活，設(shè)備費低，適用于小批量生產(chǎn)或小規(guī)模廢水的處理。主要缺點∶設(shè)備利用率低，勞動強度大，每批的操作條件不易相同，不便自動控制。間歇操作的主要特點

第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第17頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月化糞池第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第18頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月由于筒倉式靜態(tài)發(fā)酵倉結(jié)構(gòu)簡單、螺桿出料較方便可靠，在我國已得到廣泛應(yīng)用。例如無錫、杭州等地堆肥廠均用此種類型或其改進形式，取得較好效果。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第19頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月充/排式操作(Fillanddraw)應(yīng)用：微生物的培養(yǎng)、馴化；污水處理特性的研究操作：將廢水或培養(yǎng)液一次加入反應(yīng)器(培養(yǎng)器)，同時添加微生物菌種。培養(yǎng)一定時間后，取出部分培養(yǎng)液，并加入新鮮的廢水或培養(yǎng)液，進入下一批培養(yǎng)，如此反復(fù)。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作進水工序反應(yīng)工序沉淀工序排水工序靜置工序污水處理水空氣充/排式操作的應(yīng)用序批式活性污泥法(SequencingBatchReactor，簡稱SBR)

第20頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)地將原料輸入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)地流出反應(yīng)器（二）連續(xù)操作處理水污水曝氣池二沉池回流污泥剩余污泥初沉池連續(xù)操作的應(yīng)用（污水的活性污泥處理系統(tǒng)）反應(yīng)量-rAV濃度CA體積VA的流入量A的流出量第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第21頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月操作特點∶物料連續(xù)輸入，產(chǎn)物連續(xù)輸出，時刻伴隨著物料的流動?；咎卣鳌眠B續(xù)反應(yīng)過程是一個穩(wěn)態(tài)過程，反應(yīng)器內(nèi)各處的組成不隨時間變化。（反應(yīng)組分、濃度可能隨位置變化而變化。）主要優(yōu)點∶便于自動化，勞動生產(chǎn)率高，反應(yīng)程度與產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。規(guī)模大或要求嚴格控制反應(yīng)條件的場合，多采用連續(xù)操作。主要缺點∶靈活性小，設(shè)備投資高。連續(xù)操作的主要特點第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第22頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月操作：原料與產(chǎn)物中的一種或一種以上為連續(xù)輸入或輸出，而其它成分分批加入或取出的操作稱為半間歇操作或半連續(xù)操作。（三）半間歇操作/半連續(xù)操作主要特點：半間歇操作具有間歇操作和連續(xù)操作的某些特點。反應(yīng)器內(nèi)的組成隨時間變化而變化。反應(yīng)量-rAV濃度CA，CB體積VA的流入量應(yīng)用：生物反應(yīng)器的分批補料操作(fed–batchoperation)，又稱“補料分批操作”，俗稱“流加操作”第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第23頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月水壓式沼氣池。常于農(nóng)村家庭產(chǎn)沼，屬于半連續(xù)式進出料，家用水壓式常溫發(fā)酵工藝流程。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第24頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

簡稱反應(yīng)時間，主要用于間歇反應(yīng)器，指達到一定反應(yīng)程度所需的時間。

亦稱接觸時間，指連續(xù)操作中一物料“微元”從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的實際時間。平均停留時間：在實際的反應(yīng)器中，各物料“微元”的停留時間不盡相同，存在一個分布，即停留時間分布。各“微元”的停留時間的平均稱平均停留時間。①反應(yīng)持續(xù)時間(Reactiontime)：（四）有關(guān)反應(yīng)器操作的幾個工程概念②停留時間(Retentiontime)：第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第25頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月③空間時間（空時、空塔接觸時間）(Spacetime)反應(yīng)器有效體積(V)與物料體積流量(qv)之比值?？臻g時間

(11.1.1)注意：具有時間的單位，但不是反應(yīng)時間也不是接觸時間可視為處理與反應(yīng)器體積相同的物料所需要的時間。τ＝30秒表示了什么？

每30秒處理與反應(yīng)器有效體積相等的流體 第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第26頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月④空間速度（空速）(Spacevelocity)單位反應(yīng)器有效體積所能處理的物料的體積流量。空間速度注意：單位為時間的倒數(shù)。表示單位時間內(nèi)能處理幾倍于反應(yīng)器體積的物料，反映了一個反應(yīng)器的強度。（SV＝2h-1表示1h處理2倍于反應(yīng)體積的流體。）空速越大，反應(yīng)器的負荷越大。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作(11.1.2)第27頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月四、反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動與混合狀態(tài)

在實際的反應(yīng)器中，一般存在濃度、溫度和流速的分布，從而可能造成不同的“流團”間有不同的停留時間、組分、濃度和反應(yīng)速率。返混(backmixing)：處于不同停留時間的“流團”間的混合稱返混。混合后形成的新“流團”的組分和濃度與原來的“流團”不同，反應(yīng)速率亦可能隨之發(fā)生變化，這將影響整個反應(yīng)器的反應(yīng)特性。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第28頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月完全混合流（亦稱全混流、理想混合）(completemixing)：反應(yīng)物進入反應(yīng)器后，能瞬間達到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等處處相同。全混流可以認為返混為無限大。（平）推流（亦稱活塞流、擠出流）(Plug/pistonflow)：反應(yīng)物以相同的流速和一致的方向移動，即反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)齊頭并進。在徑向充分混合，但不存在軸向混合，即返混為零。理想流動狀態(tài)：全混流和推流是兩種極端的流動狀態(tài)，通稱為理想流。介于全混流和推流之間的流態(tài)為非理想流態(tài)。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第29頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月五、反應(yīng)器的類型（一）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分類釜（槽）式反應(yīng)器、管式反應(yīng)器、塔式反應(yīng)器、固定床、膨脹床、流化床等。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第30頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月下表中列出了一些常用工業(yè)反應(yīng)器類型種

類特

點應(yīng)用范圍管式反應(yīng)器長度遠大于管徑，內(nèi)部沒有任何構(gòu)件

多用于均相反應(yīng)

過程釜式反應(yīng)器高度與直徑比約為2-3，設(shè)攪拌裝置和檔板

均相、多相反應(yīng)

過程均可塔

式

(填料塔板式塔)

高度遠大于直徑，內(nèi)部設(shè)有填料、塔板等以提高相互接觸面積用于多相反應(yīng)過程第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第31頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月固定床內(nèi)部裝有不動的固體顆粒，固體顆?？梢允谴呋瘎┗蚴欠磻?yīng)物

用于多相反應(yīng)系統(tǒng)流化床反應(yīng)過程中器內(nèi)部有固體顆粒的懸浮和循環(huán)運動，

提高器內(nèi)流體的混合性能多相反應(yīng)體系，可

以提高傳熱速率移動床固體顆粒自上而下作定向移動與反應(yīng)流體逆向接觸用于多相體系，催化劑可以連續(xù)再生滴流床是固定反應(yīng)器的一種，但反應(yīng)物還包括氣液兩種屬于固定床的一種，用于使用固體催化劑的氣液反應(yīng)過程第32頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)器的特點1.反應(yīng)器內(nèi)包含有傳遞過程和化學(xué)反應(yīng)過程，兩者不可分割。2.客觀存在的工程因素造成物料的流況不同，其結(jié)果之一是物料的停留時間不同。3.基于化學(xué)反應(yīng)器的特點，傳統(tǒng)的研究方法--經(jīng)驗歸納法已不適用于化學(xué)反應(yīng)過程。

化學(xué)反應(yīng)工程的研究方法是數(shù)學(xué)模型方法。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第33頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作含塵氣體進入收縮段后，流速增大，進入喉管是達到最大值。洗滌液從收縮段或喉管加入，氣液兩相間相對流速很大，液滴在高速氣流下霧化，氣體濕度達到飽和，塵粒被水濕潤。塵粒與液滴或塵粒之間發(fā)生激烈碰撞和凝聚。在擴散段，氣液速度減小，壓力回升，以塵粒為凝結(jié)核的凝聚作用加快，凝聚成直徑較大的含塵液滴，進而在除霧器內(nèi)被捕集

第34頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月五、反應(yīng)器的類型（二）按反應(yīng)物的聚集狀態(tài)分類：均相反應(yīng)器、非均相反應(yīng)器（如氣－液反應(yīng)器等）（三）按反應(yīng)操作分類：間歇反應(yīng)器（分批反應(yīng)器）、連續(xù)反應(yīng)器和半連續(xù)反應(yīng)器以及恒溫反應(yīng)器、非恒溫反應(yīng)器等。（四）按流態(tài)分類：理想流反應(yīng)器和非理想流反應(yīng)器。完全混合流（全混流）反應(yīng)器和推流反應(yīng)器。第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第35頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月六、反應(yīng)器的設(shè)計選擇合適的反應(yīng)器型式；確定最佳的操作條件；計算達到規(guī)定的目標(biāo)所需要的反應(yīng)體積，確定反應(yīng)器的主要尺寸。反應(yīng)器設(shè)計用到的基本方程：

反應(yīng)動力學(xué)方程、物料/能量/動量衡算式七、反應(yīng)器的放大從實驗室到實際規(guī)模應(yīng)用：逐級經(jīng)驗放大、數(shù)學(xué)模型設(shè)計第一節(jié)反應(yīng)器與反應(yīng)操作第36頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月

簡稱反應(yīng)時間，主要用于間歇反應(yīng)器，指達到一定反應(yīng)程度所需的時間。

亦稱接觸時間，指連續(xù)操作中一物料“微元”從反應(yīng)器入口到出口經(jīng)歷的實際時間。平均停留時間：在實際的反應(yīng)器中，各物料“微元”的停留時間不盡相同，存在一個分布，即停留時間分布。各“微元”的停留時間的平均稱平均停留時間。①反應(yīng)持續(xù)時間(Reactiontime)：（四）有關(guān)反應(yīng)器操作的幾個工程概念②停留時間(Retentiontime)：上節(jié)回顧第37頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月③空間時間（空時、空塔接觸時間）(Spacetime)反應(yīng)器有效體積(V)與物料體積流量(qv)之比值?？臻g時間

(11.1.1)上節(jié)回顧④空間速度（空速）(Spacevelocity)單位反應(yīng)器有效體積所能處理的物料的體積流量。空間速度(11.1.2)第38頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月四、反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的流動與混合狀態(tài)

在實際的反應(yīng)器中，一般存在濃度、溫度和流速的分布，從而可能造成不同的“流團”間有不同的停留時間、組分、濃度和反應(yīng)速率。返混(backmixing)：處于不同停留時間的“流團”間的混合稱返混?；旌虾笮纬傻男隆傲鲌F”的組分和濃度與原來的“流團”不同，反應(yīng)速率亦可能隨之發(fā)生變化，這將影響整個反應(yīng)器的反應(yīng)特性。上節(jié)回顧第39頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月完全混合流（亦稱全混流、理想混合）(completemixing)：反應(yīng)物進入反應(yīng)器后，能瞬間達到完全混合，反應(yīng)器內(nèi)的濃度、溫度等處處相同。全混流可以認為返混為無限大。（平）推流（亦稱活塞流、擠出流）(Plug/pistonflow)：反應(yīng)物以相同的流速和一致的方向移動，即反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)齊頭并進。在徑向充分混合，但不存在軸向混合，即返混為零。理想流動狀態(tài)：全混流和推流是兩種極端的流動狀態(tài)，通稱為理想流。介于全混流和推流之間的流態(tài)為非理想流態(tài)。上節(jié)回顧第40頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一、反應(yīng)式與計量方程二、反應(yīng)的分類三、反應(yīng)進度與轉(zhuǎn)化率第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系本節(jié)的主要內(nèi)容第41頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月反應(yīng)物(reactants)：反應(yīng)的出發(fā)物質(zhì)產(chǎn)物(products)：反應(yīng)中產(chǎn)生的物質(zhì)反應(yīng)組分(reactionmixture)：參與反應(yīng)的物質(zhì)的總稱反應(yīng)式：描述反應(yīng)物經(jīng)過反應(yīng)生成產(chǎn)物(products)的過程的關(guān)系式一、反應(yīng)式與計量方程第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第42頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月計量方程(stoichiometricequation)：描述各反應(yīng)物、生成物在反應(yīng)過程中的量的關(guān)系的方程。αAA+αBB=αPP+αQQ(-αA)A+(-αB)B+αPP+αQQ=0方程中A、B、P和Q的物理意義是什么？表示各組分的摩爾質(zhì)量。第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第43頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月等分子反應(yīng)：計量方程中計量系數(shù)的代數(shù)和等于零非等分子反應(yīng)：計量系數(shù)的代數(shù)和非為零（可正、可負）膨脹因子：每消耗1摩爾的某反應(yīng)物所引起的反應(yīng)系統(tǒng)總摩爾數(shù)的變化量(δ)稱為該反應(yīng)物的膨脹因子?！暗确肿臃磻?yīng)”與“非等分子反應(yīng)”第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系(11.2.4)(11.2.5)第44頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月丙烷在870K附近時的熱分解反應(yīng)的計量方程為：試計算1摩爾的丙烷分解后反應(yīng)體系的總摩爾數(shù)將增加多少？解：丙烷的膨脹系數(shù)為：故每分解1摩爾的丙烷反應(yīng)體系的總摩爾數(shù)將增加0.968摩爾。例題11.2.1第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第45頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）根據(jù)獨立的計量方程的個數(shù)分類：簡單反應(yīng)（單一反應(yīng)）(singlereaction)

包括可逆反應(yīng)(reversiblereaction)

復(fù)雜反應(yīng)（復(fù)合反應(yīng)）(multiplereaction)

平行反應(yīng)(parallelreaction)、串聯(lián)反應(yīng)(consecutivereaction)

平行－串聯(lián)反應(yīng)(consecutive－parallelreaction)等。

掌握各反應(yīng)的特征二、反應(yīng)的分類第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第46頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)物的相態(tài)及其數(shù)量分類：均相反應(yīng)非均相反應(yīng)

均相內(nèi)反應(yīng)(如反應(yīng)只發(fā)生在液相的氣液相反應(yīng))界面反應(yīng)(反應(yīng)只發(fā)生在相界面上的反應(yīng)：如固相催化反應(yīng))第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第47頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三、反應(yīng)進度與轉(zhuǎn)化率反應(yīng)過程中系統(tǒng)內(nèi)各物理量的變化不發(fā)生變化的物理量：反應(yīng)組分的總質(zhì)量可能發(fā)生變化的物理量：總摩爾數(shù)體積（不變時稱恒容反應(yīng)）壓力（不變時稱恒壓反應(yīng)）溫度（不變時稱恒溫反應(yīng)）第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第48頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）反應(yīng)進度αAA+αBB=αPP+αQQ(nA0－nA)≠(nB0－nB)≠(nP

－nP0)≠(nQ-nQ0)αI：反應(yīng)組分I的計量系數(shù)反應(yīng)程度ξ定義為：在沒有特別說明的情況下指左側(cè)的定義式第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系(11.2.17)第49頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月間歇反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率的定義:xA=(nA0－nA)/nA0=1－nA/nA0 在環(huán)境工程中，污染物的轉(zhuǎn)化率稱去除率(removalefficiency，fractionalremoval)轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)進度的關(guān)系：

xA=ξ(αA/nA0)

（二）轉(zhuǎn)化率(conversion，fractionalconversion)連續(xù)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率的定義：xA=(qnA0－qnA)/qnA0=1－qnA/qnA0式中qnA0和qnA分別為流入和排出反應(yīng)器的A組分的量。

第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系(11.2.20)(11.2.21)(11.2.23)第50頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)化率的應(yīng)用：關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率→其它任一反應(yīng)組分在反應(yīng)體系中的量的計算質(zhì)量分率摩爾分率濃度如何求轉(zhuǎn)化率：關(guān)鍵組分的轉(zhuǎn)化率(xA)反應(yīng)組分（反應(yīng)前后）任一反應(yīng)物的量的計算第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系αAA+αBB=αPP+αQQ第51頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)化率與質(zhì)量分數(shù)(xm)的關(guān)系（反應(yīng)前后總質(zhì)量不變）轉(zhuǎn)化率與摩爾分數(shù)(z)的關(guān)系（反應(yīng)前后摩爾總數(shù)可能

變化）（表11.2.1）

轉(zhuǎn)化率與濃度的關(guān)系（適用于恒容體系）

(表11.2.2）

(11.2.28)xA=(xmA0－xmA)/xmA0

xA=(cA0－cA)/cA0

非恒容體系？第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第52頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月例題11.2.2一間歇反應(yīng)器中含有10.0mol的反應(yīng)原料A，反應(yīng)結(jié)束后，A的剩余量為1.0mol。若反應(yīng)按2A+B→P的反應(yīng)式進行，且反應(yīng)開始時A和B的摩爾比為5:3。試分別計算A和B轉(zhuǎn)化率。根據(jù)反應(yīng)式，故故A和B的轉(zhuǎn)化率分別為90%和75%。解：第二節(jié)反應(yīng)的計量關(guān)系第53頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一、反應(yīng)速率的定義及表示方法二、反應(yīng)速率方程三、均相反應(yīng)動力學(xué)第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

本節(jié)的主要內(nèi)容第54頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一、反應(yīng)速率的定義及表示方法

（一）一般定義單位時間單位體積反應(yīng)層中某組分的反應(yīng)量或生成量。第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

(11.3.1)第55頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）氣－固相反應(yīng)的反應(yīng)速率表示方法以固體催化劑的質(zhì)量(m)、表面積(S)、顆粒體積(Vp)為基準的反應(yīng)速率(－rA)V=(－rAm)m=(－rAS)S=(－rAvp)Vpm、S、Vp第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

(11.3.2)第56頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月例題11.3.1某氣固相催化反應(yīng)在一定溫度和濃度條件原料A的反應(yīng)速率為

。已知催化劑填充層的填充密度為，填充層空隙率。試分別計算以反應(yīng)層體積和催化劑顆粒體積為基準的A的反應(yīng)速率-rA和-rAVP.解：又式中V空隙為填充層空隙的體積故：因為：第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第57頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月(四)反應(yīng)速率與反應(yīng)程度和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

1．反應(yīng)速率與反應(yīng)進度的關(guān)系

反應(yīng)的反應(yīng)速率

各組分的反應(yīng)速率不盡相同同一組分的反應(yīng)速率與計量方程的書寫形式無關(guān)反應(yīng)的反應(yīng)速率隨計量方程的書寫形式變化而變化注意：（計量方程的反應(yīng)速率）單位時間內(nèi)反應(yīng)進行的“次數(shù)”第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

－rA/αA=－rB/αB=rP/αP=rQ/αQ=r

第58頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）氣－液相反應(yīng)的反應(yīng)速率表示方法以液相界面積(S)、液相體積為基準的反應(yīng)速率S、VL(－rA)V=(－rAS)S=(－rAVL)VL第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第59頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月【例11.3.2】在一定條件下，二氧化硫氧化反應(yīng)在計量式為(1)時的反應(yīng)速率r＝6.36kmol/(m3h)，試計算SO2、O2和SO3的反應(yīng)速率。若反應(yīng)計量式改寫成計量式(2)的形式，試求出所對應(yīng)的反應(yīng)速度r′。2SO2＋O2＝2SO3

(1)SO2＋1/2O2＝SO3 (2)第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第60頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月2．反應(yīng)速率與濃度的關(guān)系

對于恒容反應(yīng)，dV/dt=0

－rA＝－dCA/dt

4．反應(yīng)速率與半衰期

xA＝(nA0－nA)/nA0,故dnA＝－nA0dxA3．反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

注意：xA的式前沒有負號第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

(11.3.19)第61頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、反應(yīng)速率方程（一）反應(yīng)速率方程與反應(yīng)級數(shù)均相反應(yīng)r＝k(T)f(CA，CB，CP，……)r＝k(T)g(xA，xB，……) 均相不可逆反應(yīng)

－rA＝kCAaCBb

第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

定量描述反應(yīng)速率與其影響因素的關(guān)系反應(yīng)物A、B反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)總級數(shù)n=a+b定T第62頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月注意點反應(yīng)級數(shù)不能獨立地預(yù)示反應(yīng)速率的大小，只表明反應(yīng)速率對濃度變化的敏感程度。反應(yīng)級數(shù)是由實驗獲得的經(jīng)驗值，只有基元反應(yīng)時，才與計量系數(shù)相等。反應(yīng)級數(shù)可以是整數(shù)，也可以是分數(shù)和負數(shù)。但在一般情況下反應(yīng)級數(shù)為正值且小于3。反應(yīng)級數(shù)會隨實驗條件的變化而變化。為什么？

第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

－rA＝kCAaCBb

－rA＝kppAapBb

定T第63頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一級反應(yīng)二級反應(yīng)零級反應(yīng)凡是反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度無關(guān)的均屬零級反應(yīng)，在已知的零級反應(yīng)中，最常見的是在表面上發(fā)生的多項反應(yīng)。如N2O在顆粒表面分解反應(yīng)，酶的催化反應(yīng)，光敏反應(yīng)也是屬于零級反應(yīng)。第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第64頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一、反應(yīng)速率的定義及表示方法

（一）一般定義單位時間單位體積反應(yīng)層中某組分的反應(yīng)量或生成量。(11.3.1)上節(jié)回顧第65頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月二、反應(yīng)速率方程（一）反應(yīng)速率方程與反應(yīng)級數(shù)均相反應(yīng)r＝k(T)f(CA，CB，CP，……)r＝k(T)g(xA，xB，……) 均相不可逆反應(yīng)

－rA＝kCAaCBb

定量描述反應(yīng)速率與其影響因素的關(guān)系反應(yīng)物A、B反應(yīng)級數(shù)反應(yīng)速率常數(shù)反應(yīng)總級數(shù)n=a+b定T上節(jié)回顧第66頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月注意點反應(yīng)級數(shù)不能獨立地預(yù)示反應(yīng)速率的大小，只表明反應(yīng)速率對濃度變化的敏感程度。反應(yīng)級數(shù)是由實驗獲得的經(jīng)驗值，只有基元反應(yīng)時，才與計量系數(shù)相等。反應(yīng)級數(shù)可以是整數(shù)，也可以是分數(shù)和負數(shù)。但在一般情況下反應(yīng)級數(shù)為正值且小于3。反應(yīng)級數(shù)會隨實驗條件的變化而變化。為什么？

－rA＝kCAaCBb

－rA＝kppAapBb

定T上節(jié)回顧第67頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月一級反應(yīng)二級反應(yīng)零級反應(yīng)上節(jié)回顧第68頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）反應(yīng)速率常數(shù)（比反應(yīng)速率，specificreactionrate）

對于化學(xué)反應(yīng)：

k的大小與溫度和催化劑等有關(guān)

與反應(yīng)物濃度無關(guān)

對于生物化學(xué)和微生物：溫度、酶、基質(zhì)濃度第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

(11.3.30)(11.2.31)第69頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月2物理意義根據(jù)碰撞理論，指前因子k0表示單位濃度的總碰撞數(shù)。反應(yīng)活化能Ea是進行反應(yīng)客觀上必須越過的能量，是反應(yīng)進行難易程度的度量，也是反應(yīng)速率對溫度敏感性高低的標(biāo)志。

T是體系本身能量高低的標(biāo)志。RT就表示反應(yīng)體系能量的大小。依據(jù)能量分布規(guī)律，

exp(-Ea/RT)就表示有效碰撞占總碰撞數(shù)的分率。反應(yīng)速率常數(shù)表示發(fā)生反應(yīng)的有效碰撞數(shù)。第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第70頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月k與溫度的關(guān)系1/TlnKEa大Ea小1/TlnKcd第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

(11.3.31)第71頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月例題11.3.3溫度(K)6106206306406503.056.128.2011.525.1氣－固相反應(yīng)A→P的反應(yīng)速率在常壓條件下可表示為A的摩爾分率ZA的一次函數(shù)：在不同溫度下測得k的值如下表所示，試求出該反應(yīng)的活化能：解：根據(jù)表中數(shù)據(jù)求出1/T和lnk列表如下：1/T(1/K)0.001640.001610.001590.001560.00154lnk10.3311.0211.3111.6512.43以1/T~lnk作圖可得一直線：

第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第72頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月由直線斜率可得故第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第73頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月三、均相反應(yīng)動力學(xué)求出濃度、轉(zhuǎn)化率隨時間的變化式（反應(yīng)速率方程的積分形式）核心微分形式的速率方程各組分間的計量及平衡關(guān)系反應(yīng)條件（溫度、體積）掌握不同類型反應(yīng)的特征第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第74頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）不可逆單一反應(yīng)1．單組分反應(yīng)AP-rA=－dcA/dt＝kcAn＝kcA0n(1－xA)n

（n不等于1）kt＝ln(cA0/cA)=lncA0－lncA

（n等于1）第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

(11.3.34)第75頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)零級反應(yīng)(n=0)cA=cA0－kt反應(yīng)速率與反應(yīng)物的濃度無關(guān)。半衰期為t1/2=cA0/(2k)，即與初始濃度成正比。在生物化學(xué)以及微生物反應(yīng)中，當(dāng)基質(zhì)濃度足夠高時往往屬于零級反應(yīng)。

零級反應(yīng)的特點Ct第三節(jié)反應(yīng)動力學(xué)

第76頁，課件共84頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)一級