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1、word化学反响工程 课程教案课次2课时2课 型请打理论课 讨论课实验课 习题课其他授课题目教学章、节或主题：第1章 均相单一反响动力学和理想反响器根本概念 1.2建立动力学方程的方法教学目的、要求分掌握、熟悉、了解三个层次：1.掌握根本概念。2.掌握积分法、微分法处理实验数据教学重点与难点：重点：积分法、微分法难点：最小方差分析法教 学 基 本 内 容方法与手段第1章 均相单一反响动力学和理想反响器根本概念化学反响式与化学反响计量方程1、化学反响式：将反响物经过化学反响生成产物的过程用定量关系式予以描述，该定量关系式称为化学反响式：注意：貌似方程式，其实并非方程式。a、b、r、s为参与反响的
2、各组分的分子数，恒大于零，称为计量系数。2、化学反响计量式：化学计量方程表示的是反响物、生成物在化学反响过程中量的变化关系。为组分I计量系数。习惯上，如果I组分是反响物，为负值，如果I组分是产物，为正值。区别：化学反响计量式中的计量系数与化学反响式中的计量系数之间有以下关系：假如是产物，二者相等；假如是反响物，二者数值相等，符号相反。化学计量方程特点：1只表示反响过程中参与反响组分间量的变化关系，与反响的历程无关；2将计量方程乘以非零常数以后，可得到一个新的计量方程，不会改变组分之间量的变化关系；为了消除计量系数在数值上的这种不确定性，规定计量系数之间不应含有除1以外的任何公因子。反响程度 (
3、 ksi 克西)引入“反响程度反响进度来描述反响进展的深度。 对于任一化学反响 定义反响程度 1.1-3式中，为体系中参与反响的任意组分I的摩尔数，为其计量系数，为起始时刻组分I的摩尔数。对于反响物，；对反响产物，并且由化学反响的计量关系决定，各组分生成或消耗的量与其计量系数的比值均一样，即 因此，该量可以作为化学反响进展程度的度量。 恒为正值，具有广度性质，因次为mol。 反响进展到某时刻，体系中各组分的摩尔数与反响程度的关系为：反响进展到某时刻，体系中各组分的物质的量与反响程度的关系为： 1.1-4注意： 反响程度是一个函数，其值随时间变化而变化； 反响程度是一个累积量，其数值恒为正； 是
4、一广度性质的量，与体系的量有关。将某一均相系统人为地划分为假如干局部，如果某一性质与其中所含物质的量成正比，如此称为广延性质，也称为容量性质。 1.1.3转化率目前普遍使用关键组分A的转化率来描述一个化学反响进展的程度。其定义为： 组分A的选取的原如此： A必须是反响物，它在原料中的量按照化学计量方程计算应当可以完全反响掉与化学平衡无关，即转化率的最大值应当可以达到100%，如果体系中有多于一个组份满足上述要求，通常选取重点关注的、经济价值相对高的组分定义转化率。转化率与反响程度的关系 结合 得到：注意：1、目前普遍使用关键组分的转化率来表示反响进展的程度；2、关键组分只针对反响物而言；3、针
5、对不同的反响物，计算出来的转化率不一样。4、计算转化率的基准，也即初始状态的选择问题。 连续反响器：进口处的状态； 间歇反响器：开始反响时的状态； 串联反响器：可以进入第一个反响器的原料为准总转化率，也可以某一反响器入口进料组成为基准分段转化率。1.1.4化学反响速率 反响程度是一个广度量，不能代表速度。反响速率：严格定义:单位反响物系中反响程度随时间的变化率。 在反响系统中，在单位反响时间内，单位反响区中反响物的反响量或产物的生成量浓度、分压、摩尔数。注意： 反响速率是对于某一物质而言的：如果是反响物，其总量总是随反响进展而减少，反响速率前赋予负号，如(-rA)(OR: rA)表示反响物A的
6、消失速率；如果是产物，其总量总是随反响进展而增加，反响速率前赋予正号，如rP表示产物P的生成速率；因此，按不同物质计算的反响速率在数值上常常是不相等的。反响量一般用物质的摩尔数来表示，也可用物质的质量数或分压等来表示。由于反响的持续进展，故反响物不断减少，产物不断增多，各组分量随时间是变化的，所以反响速率是指某一瞬间状态下的“瞬时反响速率。定量描述反响速率与影响反响速率因素之间的关系式称为反响动力学方程。大量实验明确，均相反响的速率是反响物系组成、温度和压力的函数。而反响压力通常可由反响物系的组成和温度通过状态方程来确定，不是独立变量。所以主要考虑反响物系组成和温度对反响速率的影响。化学反响动
7、力学方程有多种形式，对于均相反响，方程多数可以写为或可以近似写为，至少在一定浓度X围之内可以写为幂函数形式，反响速率与反响物浓度的某一方次呈正比。 对于体系中只进展一个不可逆反响的过程， 式中：、：A、B组分的浓度-3 kc为以浓度表示的反响速率常数，随反响级数的不同有不同的因次。kc是温度的函数，在一般工业精度上，符合阿累尼乌斯关系。阿累尼乌斯关系式kc0：指前因子，又称频率因子，与温度无关，具有和反响速率常数一样的因次。E：活化能，Jmol-1，从化学反响工程的角度看，活化能反映了反响速率对温度变化的敏感程度。反响级数 m，n：A，B组分的反响级数，为此反响的总级数。 如果反响级数与反响组
8、份的化学计量系数一样，即m=a并且n=b，此反响可能是基元反响。基元反响的总级数一般为1或2，极个别有3，没有大于3级的基元反响。对于非基元反响，m，n多数为实验测得的经验值，可以是整数，小数，甚至是负数。把化学反响定义式和化学反响动力学方程相结合，可以得到：直接积分，可获得化学反响动力学方程的积分形式。对一级不可逆反响，恒容过程，有：由上式可以看出，对于一级不可逆反响，达到一定转化率所需要的时间与反响物的初始浓度cA0无关。半衰期 定义反响转化率达到50%所需要的时间为该反响的半衰期。除一级反响外，反响的半衰期是初始浓度的函数。 例如，二级反响恒容过程1.2 建立动力学方程的方法 动力学方程
9、表现的是化学反响速率与反响物温度、浓度之间的关系。而建立一个动力学方程，就是要通过实验数据回归出上述关系。对于一些相对简单的动力学关系，如简单级数反响，在等温条件下，回归可以由简单计算手工进展。主要方法有积分法、微分法和最小方差分析法。1、积分法(1)首先根据对该反响的初步认识，先假设一个不可逆反响动力学方程，如(-rA)=kf (cA)，经过积分运算后得到，f(cA)=kt的关系式。例如，一级反响(2)将实验中得到的ti下的ci的数据代入f(ci)函数中，得到各ti下的f(ci)数据。(3)以t为横座标，f(ci)为纵座标，将ti-f(ci)数据标绘出来，如果得到过原点的直线，如此明确所假设
10、的动力学方程是可取的(即假设的级数是正确的)，其直线的斜率即为反响速率常数k。否如此重新假设另一动力学方程，再重复上述步骤，直到得到直线为止。为了求取活化能E，可再选假如干温度，作同样的实验，得到各温度下的等温、恒容均相反响的实验数据，并据此求出相应的k值。故以lnk对1/T作图，将得到一条直线，其斜率即为-E/R，可求得E。可将n次实验所求得k和与之相对应的1/T取平均值作为最后结果。例1-1 等温条件下进展醋酸 (A)和丁醇(B)的醋化反响：CH3COOH+C4H9OH=CH3COOC4H9+H2O醋酸和丁醇的初始浓度分别为和-3。测得不同时间下醋酸转化量如表所示。试求反响的速率方程。解：
11、由于题目中给的数据均是醋酸转化率较低时的数据，可以忽略逆反响的影响，而丁醇又大大过量，反响过程中丁醇浓度可视为不变。所以反响速率方程为： 将实验数据分别按0、1和2级处理并得到t-f(cA)的关系 从图可知，以 对t作图为一直线，如此说明n=2是正确的，故该反响对醋酸为二级反响，从直线的斜率可以求得在此温度下包含丁醇浓度的k值。而丁醇的反响级数m可以用保持醋酸浓度不变的方法求得，二者结合可以求得反响在此温度下的速率常数k2、微分法微分法是根据不同实验条件下在间歇反响器中测得的数据cA-t直接进展处理得到动力学关系的方法。在等温下实验，得到反响器中不同时间反响物浓度的数据。将这组数据以时间t为横
12、坐标，反响物浓度cA为纵坐标直接作图。将图上的实验点连成光滑曲线要求反映出动力学规律，而不必通过每一个点，用测量各点斜率的方法进展数值或图解微分，得到假如干对不同t时刻的反响速率数据。再将不可逆反响速率方程如 线性化，两边取对数得： 以对作图得到直线 其斜率为反响级数n，截距为lnk，以此求得n和k值。 微分法的优点在于可以得到非整数的反响级数，缺点在于图上微分时可能出现的人为误差比拟大。讲解作业、讨论题、思考题：1、名称解释转化率、反响程度、化学反响速率、化学反响动力学方程、半衰期、积分法、微分法参考资料含参考书、文献等化学反响工程第二版，郭 锴， 化学工业， 2015年出版；化学反响工程第三版，陈甘棠， 化学工业， 2011年出版；反响工程第三版，李绍芬 主编，化学工业 ，2013年出版。教学反思：8 / 8
化学反应工程教案设计2化工13-胡江良
