环境工程原理第九章 反应动力学ppt课件.ppt
第九章 反应动力学,第一节 反应的计量关系,第二节 反应动力学计算,反应物 (reactants)：反应的出发物质产物 (products)：反应中产生的物质反应组分 (reaction mixture)：参与反应的物质的总称反应式：描述反应物经过反应生成产物(products)的过程的关系式注意：反应式表示反应历程，并非方程式，不能按方程式的运算规则将等式一侧的项移到另一侧。,一、反应式与计量方程,第一节 反应的计量关系,计量方程 (stoichiometric equation)：描述各反应物、生成物在反应过程中的量的关系的方程。AA + BB = PP + QQ(-A)A + (-B)B +PP +QQ=0,方程中A、B、P和Q的物理意义是什么？,表示各组分的摩尔质量。,第一节 反应的计量关系,（一）根据独立的计量方程的个数分类： 简单反应（单一反应） (single reaction) 包括可逆反应 (reversible reaction ) 复杂反应（复合反应） (multiple reaction) 平行反应 (parallel reaction)、 串联反应 (consecutive reaction) 平行-串联反应 (consecutive-parallel reaction)等。,掌握各反应的特征,二、反应的分类,第一节 反应的计量关系,（二）根据反应系统中反应物的相态及其数量分类： 均相反应 非均相反应,均相内反应(如反应只发生在液相的气液相反应) 界面反应(反应只发生在相界面上的反应：如固相催化反应),第一节 反应的计量关系,三、反应进度与转化率,反应过程中系统内各物理量的变化,不发生变化的物理量：,反应组分的总质量,可能发生变化的物理量：,总物质的量体积（不变时称恒容反应）压力（不变时称恒压反应）温度（不变时称恒温反应）,第一节 反应的计量关系,（一）反应进度,第一节 反应的计量关系,间歇反应器的转化率的定义:xA=(nA0nA)/nA0=1nA/nA0在环境工程中，污染物的转化率称去除率(removal efficiency， fractional removal)转化率与反应进度的关系： xA=(A/ nA0),（二）转化率 (conversion，fractional conversion),连续反应器的转化率的定义：xA=(qnA0qnA)/qnA0=1qnA/qnA0式中qnA0和qnA分别为流入和排出反应器的A组分的量。,第一节 反应的计量关系,转化率的应用：关键组分的转化率其它任一反应组分在反应体系中的量的计算,任一反应物的量的计算,第一节 反应的计量关系,转化率与质量分数(xm)的关系（反应前后总质量不变）,转化率与摩尔分数(z)的关系（反应前后摩尔总数可能变化）,转化率与浓度的关系（适用于恒容体系）,xmA = xmA0(1xA),cA = cA0(1 xA),xA = (xmA0 xmA)/ xmA0,xA = (cA0 cA)/ cA0,非恒容体系？,第一节 反应的计量关系,一、反应速率的定义及表示方法（一）均相,单位时间单位体积反应层中某组分的反应量或生成量。,第二节 反应动力学计算,（二）气-固相反应的反应速率表示方法,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)V=(rAm)m= (rAs)S= (rAVp)Vp,第二节 反应动力学计算,（三）气-液相反应的反应速率表示方法,以液相界面积(S)、液相体积为基准的反应速率,(rA)V= (rAS)S= (rAVL)VL,VL,VG,V=VL+ VG,第二节 反应动力学计算,二、反应速率方程（一）反应速率方程与反应级数rk(T)f(cA，cB，cP)rk(T)g(xA，xB)rAkcAacBb,注意点反应级数不能独立地预示反应速率的大小，只表明反应速率对浓度变化的敏感程度。反应级数是由实验获得的经验值，只有基元反应时，才与计量系数相等。反应级数可以是整数，也可以是分数和负数。但在一般情况下反应级数为正值且小于3。反应级数会随实验条件的变化而变化。为什么？,第二节 反应动力学计算,(四)反应速率与反应程度和转化率的关系1反应速率与反应进度的关系,反应的反应速率,各组分的反应速率不尽相同 同一组分的反应速率与计量方程的书写形式无关 反应的反应速率随计量方程的书写形式变化而变化,注意：,（计量方程的反应速率）单位时间内反应进行的“次数”,rA/A =rB/B= rP/P = rQ/Q = r,第二节 反应动力学计算,2反应速率与浓度的关系,对于恒容反应，dV/dt=0rAdcA/dt,第二节 反应动力学计算,二、反应速率方程（一）反应速率方程与反应级数rk(T)f(cA，cB，cP)rk(T)g(xA，xB)rAkcAacBb,注意点反应级数不能独立地预示反应速率的大小，只表明反应速率对浓度变化的敏感程度。反应级数是由实验获得的经验值，只有基元反应时，才与计量系数相等。反应级数可以是整数，也可以是分数和负数。但在一般情况下反应级数为正值且小于3。反应级数会随实验条件的变化而变化。为什么？,第二节 反应动力学计算,（二）反应速率常数,对于化学反应： k的大小与温度和催化剂等有关 与反应物浓度无关,对于生物化学和微生物：温度、酶、基质浓度,第二节 反应动力学计算,k与温度的关系,第二节 反应动力学计算,三、均相反应动力学,求出浓度、转化率随时间的变化式（反应速率方程的积分形式）,核心,微分形式的速率方程,各组分间的计量及平衡关系,反应条件（温度、压力、体积）,掌握不同类型反应的特征,第二节 反应动力学计算,（一）不可逆单一反应1单组分反应,（n1）,第二节 反应动力学计算,(1) 零级反应(n=0),cA=cA0kt,反应速率与反应物的浓度无关。半衰期为t1/2=cA0/(2k)，即与初始浓度成正比。 在生物化学以及微生物反应中，当基质浓度足够高时往往属于零级反应。,零级反应的特点,第二节 反应动力学计算,(2)一级反应(n1),cAcA0ekt,反应物浓度与反应时间成指数关系，只有t时，反应物浓度才趋近于零。反应物浓度的对数与反应时间成直线关系，以lnk对t作图可得一直线，其斜率为k。半衰期与k成反比，与反应物的初始浓度无关。,一级反应的特点,第二节 反应动力学计算,(3)二级反应(n2),反应物浓度的倒数与反应时间成直线关系，直线的斜率为k。达到一定的转化率所需的时间与反应物初始浓度有关，反应物的初始浓度越大，达到一定的转化率所需的时间越短。半衰期与k和cA0的积成反比,二级反应的特点,第二节 反应动力学计算,单一反应（恒温恒容）的速率方程,第二节 反应动力学计算,（二）可逆单一反应,A,P,P,A,cPe,cAe,在恒温恒容条件下有：,-dcA/dtk1cA-k2cP,(11.3.51),(11.3.60),第二节 反应动力学计算,（三）平行反应,APP；AQ Q,cP,cQ,cA0,cA,同时存在2个以上反应的复合反应，将同时产生多种产物。,产物P:,产物Q:,第二节 反应动力学计算,（四）一级串联反应,APQ,cQ,cP,cA,cA0,在恒温恒容条件下有：,(11.3.73),(11.3.75),第二节 反应动力学计算,
