反应动力学的实验研究方法

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1、主讲人指导教师反应动力学的实验研究方法1动力学研究工作框图实验装置建立设定模型采集数据模型优选及参数估值贯序设计反应动力学：是研究各种物理、化学因素对反应速率的影响以及相应的机理和数学表达式的化学反应工程的分支学科。研究意义：用其研究结果指导反应过程开发和反应器的设计。1实验装置的建立反应器分类：按反应气体流动方式：流动反应器、循环流动反应器按反应率大小：积分反应器、微分反应器按进出料方式：连续式反应器、间歇式反应器（反应釜）按实验压力：常压反应器、加压反应器按催化剂状态：固定床反应器、流化床反应器1实验装置的建立在选择实验反应器时，通常需要考虑以下因素：①取样和分析简便②等温性（或绝热性）

2、好③流型接近循环流或全混流④停留时间能精确确定⑤实验数据容易处理⑥结构简单，造价低一种实验反应器很难同时满足这六个条件，所以需要根据研究目的和反应过程的特征进行权衡和选择。1实验装置的建立1.积分反应器特征：催化剂装填的较多，气体进出口反应物浓度变化较大。根据浓度变化计算得出的反应率是床层逐步反应的积分结果。优点：反应随反应条件变化比较直观，乐于为人们采用。缺点：数据处理比较麻烦，床层不易保持等温。从方法论的角度，其主要类型有：积分反应器、微分反应器、无梯度循环反应器、脉冲反应器、瞬态响应反应器1实验装置的建立1实验装置的建立2.微分反应器：特征：催化剂装填的较少，从而降低反应率和床层温度的

3、变化，数据可认为在等温、等浓的条件下取得。反应器内各处反应速率接近相等。反应速率为：式中，-rA是浓度为时的反应速率。优点：易实现等温操作。缺点：浓度分析的精度。所得的反应速率仅是低转换率下的初速度1实验装置的建立3.无梯度循环反应器外循环无梯度反应器：配料用的产物直接由反应器出口返回。优点：直接获得单一浓度、单一温度下的反应速率，没有难以解决的组成分析问题，缺点：①反应器达到定常操作状态所需时间较长；②外循环系统的自由体积较大，对同时存在均相反应的非均相催化反应系统会造成较大的误差；③对循环泵的一些特殊要求，如不能污染物料，不易满足；④特别对高温、高压下操作的反应系统更难适应。固定床外循环

4、流动反应器1实验装置的建立内循环无梯度反应器：在各种搅拌装置的驱动下，反应物料在反应器内部快速循环流动，使反应器内达到浓度和温度的均一。就固体催化剂所处的状态而言，内循环反应器又可分为两类：一类固体催化剂处于运动状态，另一类则处于静止状态。1实验装置的建立4.脉冲反应器脉冲反应器：实际上是一种特殊的微分反应器，催化剂的装量通常仅为0.01~1g，所以只要反应热效应不是特别大，不难做到等温操作。反应器直接与气象色谱仪相连接，反应物以脉冲方式输入反应器。优点：脉冲反应器能对反应物与催化剂的相互作用作快速观察，反应物用量少。缺点：①实验结果的定量处理将涉及微分方程的求解，脉冲输入的定量描述，往往也

5、要借助专门的实验测定；②在脉冲反应器中，反应物和催化剂表面间不一定能达到吸附平衡。1实验装置的建立5.瞬态响应反应器瞬态响应反应器：通过对定态连续流动反应器施加一扰动，观察达到新的定态过程中反应器的行为来提供有助于阐明反应机理和各基元反应步骤速率的信息。瞬态响应反应器应满足一下要求：⑴反应器提供的瞬态响应数据应易于解释和分析；⑵反应器应配置一套能对反应器的操作施加函数形式精确描述的扰动装置；⑶反应器应配备适当的分析手段，以便精确地、最好是连续地分析反应器的出口物流，记录所有需要的组分的浓度变化。1实验装置的建立6.实验反应器的比较反应器形式取样和分析等温性（或绝热型）停留时间流型数据处理建造

6、难易间歇搅拌釜FGGGFG等温积分搅拌釜GF—GGGFG绝热积分搅拌釜GF—GGGPG微分反应器P—FGFGGG外循环反应器GGGGGF内循环反应器F—GGGGGF脉冲反应器GGPGPG瞬态响应反应器GGGGPF注：G＝好（Good），F＝尚好（Fair），P＝差（Poor）。2动力学模型的设定动力学模型是用数学语言来描述反应速率与各种变量之间关系的一种数学表达式。只要建立了优化模型，所揭示的动力学规律可适用于不同大小规模的反应物系。动力学模型按化学反应的不同特点和不同的应用要求，常用的动力学模型有:机理的动力学模型、经验的动力学模型、半经验的动力学模型。2动力学模型的设定1.机理的动力学模

7、型机理的动力学模型：根据测定的动力学数据和物理化学的观察研究，来确定完成整个反应过程的一系列简单步骤——基元反应及其速率控制步骤，在如此确定的反应机理上建立的反应动力学模型。优点：①可外推到较宽的领域模拟预测，具有较大的应用价值；②针对反应不太复杂、生产规模大的工艺过程能从基础动力学研究中获益。缺点：①大多数工业反应详细机理和速率方程仍未完全弄清；②模型建立耗时耗力。2动力学模型的设定2.经验的动力学模型经验