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1、环境工程原理反应动力学基础现在学习的是第1页，共84页 利用化学和生物反应，使污染物转化成为无毒无害或易于分离的物质，从而使污染介质得到净化的技术，即转化技术是去除污染物和净化环境的重要手段。沉淀反应：水中重金属的沉淀分离 氧化反应：还原性无机污染物和有机污染物氧化分解 生物降解：反应常用于有机废水、挥发性有机废气、恶臭气体和有机固体废弃物的处理 生物硝化反硝化：水中硝酸氮的生物去除第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理现在学习的是第2页，共84页 将化学和生物反应原理应用于污染控制工程，需要借助适宜的装置，即反应器来实现。系统掌握反应器的基本类型及其操作原理和设计计算方法，对于优化反应器的
2、结构型式、操作方式和工艺条件，提高污染物去除效率有重要意义。第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理现在学习的是第3页，共84页相同的环境条件（温度、压力）相同的反应器体积同一反应 相同的反应物料组成和浓度反应结果（反应速率、反应进度）是否相同？不同的反应器结构不同的操作方式影响反应结果（反应速率、反应进度）的主要因素第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理利用“转化原理”高效、快速去除污染物的关键是什么？现在学习的是第4页，共84页第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理 本篇主要阐述化学与生物反应的计量学、动力学及其研究方法，环境工程中常用的各类化学和生物反应器及其基本设计计算方法等。现在
3、学习的是第5页，共84页第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理背景：反应工程：开发工业反应器的工程活动，是研究如何开发，设计适于特定化学反应进行的环境的科学。研究目的：反应器的优化设计重要性：反应器在工程中的重要性现在学习的是第6页，共84页反应本身特性：反应热力学、动力学反应器的特性：质量传递、混和状态等传递工程影响反应速率和转化率的主要因素是什么？第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理现在学习的是第7页，共84页第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理反应工程的研究方法：一.数学模型动力学模型物料衡算式、热量衡算式、动量衡算式参数计算式二.数学模拟现在学习的是第8页，共84页第十一章
4、反应动力学基础第十二章 反应动力学的解析方法第十三章 均相化学反应器第十四章 非均相化学反应器第十五章 微生物反应器第第III篇篇 反应工程原理反应工程原理本篇的主要内容现在学习的是第9页，共84页第十一章反应动力学基础 现在学习的是第10页，共84页第十一章 反应动力学基础 第一节 反应器和反应操作反应器的主要类型与特点、常见的反应器操作方式及其特点第二节 反应的计量关系反应组分(参与反应的各物质)间的定量关系第三节 反应动力学反应速率与反应条件之间的关系本章主要内容现在学习的是第11页，共84页第一节 反应器与反应操作一、反应操作二、反应器三、反应器的操作方式四、反应器内物料的流动与混和状
5、态五、反应器的类型六、反应器的设计七、反应器的放大本节的主要内容现在学习的是第12页，共84页第一节 反应器与反应操作一、反应操作 利用化学或生物反应进行工业生产或污染物处理时，需要通过反应条件等的控制，使反应向有利的方向进行。为达到这种目的而采取的一系列工程措施通称为反应操作(Operation of reaction)。二、反应器反应器(Reactor)：进行化学或生物反应的容器的总称。化学反应器(Chemical reactor)生物反应器(Bioreactor/Biological reactor)反应器是实现反应的外部条件，同一反应在具有不同特性的反应器内进行，也会产生不同的反应结果
6、。现在学习的是第13页，共84页反应器研究开发的主要目的：选择合适的反应器型式；反应器的设计计算（确定反应器的尺寸）；确定操作方式和优化操作条件；反应器性能的评价。反应器内反应物的流动状态、混合状态、浓度与温度分布、质量和能量传递性能等反应器的特性及其决定因素反应器的结构型式、操作方式、操作条件等第一节 反应器与反应操作现在学习的是第14页，共84页三、反应器的操作方式 间歇操作（分批操作）(Batch operation)充/排式操作(Fill and draw operation)连续操作(Continuous operation)半间歇操作(Semi-batch operation)半连
7、续操作(Semi-continuous operation)第一节 反应器与反应操作现在学习的是第15页，共84页（一）间歇操作（分批操作）将反应原料一次加入反应器，反应一段时间或达到一定的反应程度后一次取出全部的反应物料，然后进入下一轮操作。浓度CA物质量nA体积V第一节 反应器与反应操作现在学习的是第16页，共84页 操作特点反应过程中既没有物料的输入，也没有物料的输出，不存在物料的进与出。基本特征间歇反应过程是一个非稳态的过程，反应器内组成随时间变化而变化。反应时间浓度完全混合流反应器反应物反应产物 主要优点操作灵活，设备费低，适用于小批量生产或小规模废水的处理。主要缺点设备利用率低，劳
8、动强度大，每批的操作条件不易相同，不便自动控制。间歇操作的主要特点 第一节 反应器与反应操作现在学习的是第17页，共84页化粪池第一节 反应器与反应操作现在学习的是第18页，共84页由于筒仓式静态发酵仓结构简单、螺杆出料较方便可靠，在我国已得到广泛应用。例如无锡、杭州等地堆肥厂均用此种类型或其改进形式，取得较好效果。第一节 反应器与反应操作现在学习的是第19页，共84页充/排式操作(Fill and draw)应用：微生物的培养、驯化；污水处理特性的研究操作：将废水或培养液一次加入反应器(培养器)，同时添加微生物菌种。培养一定时间后，取出部分培养液，并加入新鲜的废水或培养液，进入下一批培养，如
9、此反复。第一节 反应器与反应操作进水工序反应工序沉淀工序 排水工序 静置工序污水处理水空气充/排式操作的应用序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，简称SBR)现在学习的是第20页，共84页连续地将原料输入反应器，反应产物也连续地流出反应器（二）连续操作处理水污水曝气池二沉池回流污泥剩余污泥初沉池连续操作的应用（污水的活性污泥处理系统）反应量-rAV浓度CA体积VA的流入量00A0ACQFA的流出量AAQCF 第一节 反应器与反应操作现在学习的是第21页，共84页操作特点物料连续输入，产物连续输出，时刻伴随着物料的流动。基本特征连续反应过程是一个稳态过程，反应器内各
10、处的各处的组成不随时间变化。（反应组分、浓度可能随位置变化而变化。）主要优点便于自动化，劳动生产率高，反应程度与产品质量较稳定。规模大或要求严格控制反应条件的场合，多采用连续操作。主要缺点灵活性小，设备投资高。连续操作的主要特点第一节 反应器与反应操作现在学习的是第22页，共84页操作：原料与产物中的一种或一种以上为连续输入或输出，而其它成分分批加入或取出的操作称为半间歇操作或半连续操作。（三）半间歇操作/半连续操作主要特点：半间歇操作具有间歇操作和连续操作的某些特点。反应器内的组成随时间变化而变化。反应量-rAV浓度CA，CB体积VA的流入量00AAQCF应用：生物反应器的分批补料操作(fe
11、dbatch operation)，又称“补料分批操作”，俗称“流加操作”第一节 反应器与反应操作现在学习的是第23页，共84页水压式沼气池。常于农村家庭产沼，属于半连续式进出料，家用水压式常温发酵工艺流程。第一节 反应器与反应操作现在学习的是第24页，共84页 简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留时间分布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。反应持续时间(Reaction time)：（四）有关反应器
12、操作的几个工程概念停留时间(Retention time)：第一节 反应器与反应操作现在学习的是第25页，共84页空间时间（空时、空塔接触时间）(Space time)反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。空间时间 (11.1.1)注意：具有时间的单位，但不是反应时间也不是接触时间 可视为处理与反应器体积相同的物料所需要的时间。30秒 表示了什么？每30秒处理与反应器有效体积相等的流体第一节 反应器与反应操作/vV q现在学习的是第26页，共84页空间速度（空速）(Space velocity)单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度注意：单位为时间的倒数。表示单位时间
13、内能处理几倍于反应器体积的物料，反映了一个反应器的强度。（SV2 h-1表示1h处理2倍于反应体积的流体。）空速越大，反应器的负荷越大。第一节 反应器与反应操作(11.1.2)v(SV)/qV现在学习的是第27页，共84页四、反应器内反应物的流动与混合状态 在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和反应速率。返混(back mixing)：处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团”不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器的反应特性。第一节 反应器与反应操作现在学习的是
14、第28页，共84页完全混合流（亦称全混流、理想混合）(complete mixing)：反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流可以认为返混为无限大。（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(Plug/piston flow)：反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反应物在反应器内齐头并进。在径向充分混合，但不存在轴向混合，即返混为零。理想流动状态：全混流和推流是两种极端的流动状态，通称为理想流。介于全混流和推流之间的流态为非理想流态。第一节 反应器与反应操作现在学习的是第29页，共84页五、反应器的类型（一）按反应器的结构分类釜（槽）式反应器、管式反应器、塔式反
15、应器、固定床、膨胀床、流化床等。第一节 反应器与反应操作现在学习的是第30页，共84页下表中列出了一些常用工业反应器类型种种 类类特特 点点应用范围应用范围管式反应器长度远大于管径，内部没有任何构件 多用于均相反应 过程釜式反应器高度与直径比约为2-3，设搅拌装置和档板 均相、多相反应 过程均可塔 式(填料塔板式塔)高度远大于直径，内部设有填料、塔板等以提高相互接触面积用于多相反应过程第一节 反应器与反应操作现在学习的是第31页，共84页固定床内部装有不动的固体颗粒，固体颗粒可以是催化剂或是反应物 用于多相反应系统流化床反应过程中器内部有固体颗粒的悬浮和循环运动，提高器内流体的混合性能多相反应
16、体系，可 以提高传热速率移动床固体颗粒自上而下作定向移动与反应流体逆向接触用于多相体系，催化剂可以连续再生滴流床是固定反应器的一种，但反应物还包括气液两种属于固定床的一种，用于使用固体催化剂的气液反应过程现在学习的是第32页，共84页反应器的特点反应器的特点1.反应器内包含有传递过程传递过程和化学反应化学反应过程，两者不可分割。2.客观存在的工程因素造成物料的流况不同，其结果之一是物料的停留时间不同。3.基于化学反应器的特点，传统的研究方法 -经验归纳法已不适用于化学反应过程。化学反应工程的研究方法是数学模型方法。第一节 反应器与反应操作现在学习的是第33页，共84页第一节 反应器与反应操作含
17、尘气体进入收缩段后，流速增大，进入喉管是达到最大值。洗涤液从收缩段或喉管加入，气液两相间相对流速很大，液滴在高速气流下雾化，气体湿度达到饱和，尘粒被水湿润。尘粒与液滴或尘粒之间发生激烈碰撞和凝聚。在扩散段，气液速度减小，压力回升，以尘粒为凝结核的凝聚作用加快，凝聚成直径较大的含尘液滴，进而在除雾器内被捕集 现在学习的是第34页，共84页五、反应器的类型（二）按反应物的聚集状态分类：均相反应器、非均相反应器（如气液反应器等）（三）按反应操作分类：间歇反应器（分批反应器）、连续反应器和半连续反应器以及恒温反应器、非恒温反应器等。（四）按流态分类：理想流反应器和非理想流反应器。完全混合流（全混流）反
18、应器和推流反应器。第一节 反应器与反应操作现在学习的是第35页，共84页六、反应器的设计 选择合适的反应器型式；确定最佳的操作条件；计算达到规定的目标所需要的反应体积，确定反应器的主要尺寸。反应器设计用到的基本方程：反应动力学方程、物料/能量/动量衡算式七、反应器的放大从实验室到实际规模应用：逐级经验放大、数学模型设计第一节 反应器与反应操作现在学习的是第36页，共84页 简称反应时间，主要用于间歇反应器，指达到一定反应程度所需的时间。亦称接触时间，指连续操作中一物料“微元”从反应器入口到出口经历的实际时间。平均停留时间：在实际的反应器中，各物料“微元”的停留时间不尽相同，存在一个分布，即停留
19、时间分布。各“微元”的停留时间的平均称平均停留时间。反应持续时间(Reaction time)：（四）有关反应器操作的几个工程概念停留时间(Retention time)：上节回顾现在学习的是第37页，共84页空间时间（空时、空塔接触时间）(Space time)反应器有效体积(V)与物料体积流量(qv)之比值。空间时间 (11.1.1)/vV q上节回顾空间速度（空速）(Space velocity)单位反应器有效体积所能处理的物料的体积流量。空间速度(11.1.2)v(SV)/qV现在学习的是第38页，共84页四、反应器内反应物的流动与混合状态 在实际的反应器中，一般存在浓度、温度和流速的
20、分布，从而可能造成不同的“流团”间有不同的停留时间、组分、浓度和反应速率。返混(back mixing)：处于不同停留时间的“流团”间的混合称返混。混合后形成的新“流团”的组分和浓度与原来的“流团”不同，反应速率亦可能随之发生变化，这将影响整个反应器的反应特性。上节回顾现在学习的是第39页，共84页完全混合流（亦称全混流、理想混合）(complete mixing)：反应物进入反应器后，能瞬间达到完全混合，反应器内的浓度、温度等处处相同。全混流可以认为返混为无限大。（平）推流（亦称活塞流、挤出流）(Plug/piston flow)：反应物以相同的流速和一致的方向移动，即反应物在反应器内齐头并
21、进。在径向充分混合，但不存在轴向混合，即返混为零。理想流动状态：全混流和推流是两种极端的流动状态，通称为理想流。介于全混流和推流之间的流态为非理想流态。上节回顾现在学习的是第40页，共84页一、反应式与计量方程二、反应的分类 三、反应进度与转化率第二节 反应的计量关系本节的主要内容现在学习的是第41页，共84页反应物(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)的过程的关系式一、反应式与计量方程 第二节 反应的计量关系ABPQA+BP+Q现在
22、学习的是第42页，共84页计量方程(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。第二节 反应的计量关系现在学习的是第43页，共84页等分子反应：计量方程中计量系数的代数和等于零非等分子反应：计量系数的代数和非为零（可正、可负）膨胀因子：每消耗1摩尔的某反应物所引起的反应系统总摩尔数的变化量()称为该反应物的膨胀因子。“等分子反应”与“非等分子反应”AAAnnnn00ABAQPA第二节 反应的计量关系(11.2.4)(1
23、1.2.5)现在学习的是第44页，共84页丙烷在870K附近时的热分解反应的计量方程为：2442626383300.0635.0668.0065.0300.0HCHHCHCHCHC试计算1摩尔的丙烷分解后反应体系的总摩尔数将增加多少？解：丙烷的膨胀系数A为：968.011968.111)300.0635.0668.0065.0300.0(A故每分解1摩尔的丙烷反应体系的总摩尔数将增加0.968摩尔。例题11.2.1第二节 反应的计量关系现在学习的是第45页，共84页（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 re
24、action)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(consecutiveparallel reaction)等。掌握各反应的特征二、反应的分类 第二节 反应的计量关系现在学习的是第46页，共84页（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)第二节 反应的计量关系现在学习的是第47页，共84页三、反应进度与转化率反应过程中系统内各物理量的变化
25、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：总摩尔数体积（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）第二节 反应的计量关系现在学习的是第48页，共84页（一）反应进度AA+BB =PP+QQ(nA0nA)(nB0nB)(nP nP0)(nQ-nQ0)QQQPPPBBBAAAnnnnnnnn0000I：反应组分I的计量系数IIInn0VnnIII0反应程度定义为：在没有特别说明的情况下指左侧的定义式第二节 反应的计量关系(11.2.17)现在学习的是第49页，共84页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
26、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。第二节 反应的计量关系(11.2.20)(11.2.21)(11.2.23)现在学习的是第50页，共84页AAAIIIxnnn00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质量分率摩尔分率浓 度如何求转化率：关键组分的转化
27、率(xA)反应组分（反应前后）任一反应物的量的计算第二节 反应的计量关系AA+BB =PP+QQ现在学习的是第51页，共84页转化率与质量分数(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）（表11.2.1）转化率与浓度的关系（适用于恒容体系）(表11.2.2）)1(00AAAAAAzzzzxAAAAAAxzxzz001)1(11.2.28)xA=(xmA0 xmA)/xmA0 xA=(cA0 cA)/cA0 非恒容体系？第二节 反应的计量关系AAAAAAxzxcc0011现在学习的是第52页，共84页例题11.2.2一间歇反应器中含有10.0mol
28、的反应原料A，反应结束后，A的剩余量为1.0mol。若反应按2A+BP的反应式进行，且反应开始时A和B的摩尔比为5:3。试分别计算A和B转化率。9.00.100.1110AAAnnx根据反应式，2A1B故AABBxnnn0021ABABBxnnnn00021175.09.03521211000ABABBBxnnnnx故A和B的转化率分别为90%和75%。解：第二节 反应的计量关系现在学习的是第53页，共84页一、反应速率的定义及表示方法二、反应速率方程三、均相反应动力学第三节 反应动力学 本节的主要内容现在学习的是第54页，共84页一、反应速率的定义及表示方法（一）一般定义dtdnVrii1V
29、dtdnrAAVdtdnrPP单位时间单位体积反反应层应层中某组分的反应量或生成量。第三节 反应动力学(11.3.1)PA现在学习的是第55页，共84页（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VdtdnrAA(rA)V=(rAm)m=(rAS)S=(rAvp)Vpm、S、VpAvpAsAmrrr,第三节 反应动力学(11.3.2)现在学习的是第56页，共84页例题11.3.1某气固相催化反应在一定温度和浓度条件原料A的反应速率为)/(100.33催化剂gsmolrAm。已知催化剂填充层的填充密度为3/20.1cmg，填充层空隙率
30、40.0。试分别计算以反应层体积和催化剂颗粒体积为基准的A的反应速率-rA和-rAVP.解：)/(106.32.1100.3)(333cmsmolrVmrrAmAmA又VrVrAPAVP)()(空隙VVVrVVrrAPAAVP式中V空隙为填充层空隙的体积V空隙V故：)/(100.64.01106.311333cmsmolrrAAVP因为：第三节 反应动力学 现在学习的是第57页，共84页(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 dtdVr1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
31、注意：（计量方程计量方程的反应速率）的反应速率）单位时间内反应进行的“次数”第三节 反应动力学 rA/A=rB/B=rP/P=rQ/Q=r ABPQA+BP+Q现在学习的是第58页，共84页（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VdtdnrAAS、VL(rA)V=(rAS)S=(rAVL)VL第三节 反应动力学 LLVS,VSVVGLLLaVVaa1ASLAVrarL-现在学习的是第59页，共84页【例11.3.2】在一定条件下，二氧化硫氧化反应在计量式为(1)时的反应速率r6.36 kmol/(m3h)，试计算SO2、O2和SO3的反应速率。若反应计量
32、式改写成计量式(2)的形式，试求出所对应的反应速度r。2SO2O22SO3 (1)SO21/2O2SO3 (2)第三节 反应动力学 现在学习的是第60页，共84页dtdVVCdtdCdtVCdVVdtdnrAAAAA)(12反应速率与浓度的关系 对于恒容反应，dV/dt=0rAdCA/dt 4反应速率与半衰期 dtdxVnVdtdnrAAAA0 xA(nA0nA)/nA0,故 dnAnA0dxA3反应速率与转化率的关系 注意：注意：xA的式前没有负号的式前没有负号第三节 反应动力学(11.3.19)恒容反应0Ac现在学习的是第61页，共84页二、反应速率方程（一）反应速率方程与反应级数均相反应
33、rk(T)f(CA，CB，CP，)rk(T)g(xA，xB，)均相不可逆反应rAkCAaCBb 第三节 反应动力学 定量描述反应速率与其影响因素的关系ABPQA+BP+Q反应物A、B反应级数反应速率常数反应总级数n=a+b定T现在学习的是第62页，共84页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？第三节 反应动力学 rAkCAaCBb ABPQA+BP+QrAkppAapBb
34、 定T现在学习的是第63页，共84页一级反应二级反应零级反应凡是反应速率与反应物浓度无关的均属零级反应，在已知的零级反应中，最常见的是在表面上发生的多项反应。如N2O在颗粒表面分解反应，酶的催化反应，光敏反应也是属于零级反应。第三节 反应动力学 1,nkcrAA22nckcr,或kcrB,AAAAkrA现在学习的是第64页，共84页一、反应速率的定义及表示方法（一）一般定义dtdnVrii1VdtdnrAAVdtdnrPP单位时间单位体积反反应层应层中某组分的反应量或生成量。(11.3.1)PA上节回顾现在学习的是第65页，共84页二、反应速率方程（一）反应速率方程与反应级数均相反应rk(T)
35、f(CA，CB，CP，)rk(T)g(xA，xB，)均相不可逆反应rAkCAaCBb 定量描述反应速率与其影响因素的关系ABPQA+BP+Q反应物A、B反应级数反应速率常数反应总级数n=a+b定T上节回顾现在学习的是第66页，共84页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？rAkCAaCBb ABPQA+BP+QrAkppAapBb 定T上节回顾现在学习的是第67页，共84
36、页一级反应二级反应零级反应1,nkcrAA22nckcr,或kcrB,AAAAkrA上节回顾现在学习的是第68页，共84页（二）反应速率常数（比反应速率，specific reaction rate）)exp(0RTEkka 对于化学反应：k的大小与温度和催化剂等有关 与反应物浓度无关与反应物浓度无关RTEkka0lnln 对于生物化学和微生物：温度、酶、基质浓度第三节 反应动力学(11.3.30)(11.2.31)现在学习的是第69页，共84页2 物理意义物理意义 根据碰撞理论，指前因子k0表示单位浓度的总碰撞数。反应活化能Ea是进行反应客观上必须越过的能量，是反应进行难易程度的度量，也是反
37、应速率对温度敏感性高低的标志。T是体系本身能量高低的标志。RT就表示反应体系能量的大小。依据能量分布规律，exp(-Ea/RT)就表示有效碰撞占总碰撞数的分率。反应速率常数表示发生反应的有效碰撞数。第三节 反应动力学 现在学习的是第70页，共84页k与温度的关系RTEkka0lnlnREa1/TlnKEa大Ea小1/TlnKcd第三节 反应动力学(11.3.31)现在学习的是第71页，共84页例题11.3.3 温度(K)6106206306406503.056.128.2011.525.1气固相反应 A P 的反应速率在常压条件下可表示为A的摩尔分率ZA的一次函数：催化剂ghkmolkZrAA
38、m/在不同温度下测得k的值如下表所示，试求出该反应的活化能：410k解：根据表中数据求出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/Tlnk作图可得一直线：第三节 反应动力学 现在学习的是第72页，共84页由直线斜率可得KREa19199)/(314.8KmolJRmolkJEa/160故第三节 反应动力学 现在学习的是第73页，共84页三、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
39、度、体积）掌握不同类型反应的特征第三节 反应动力学 现在学习的是第74页，共84页（一）不可逆单一反应1单组分反应 A P-rA=dcA/dtkcAnkcA0n(1xA)n AAccnAAcdckt0)11(11110nAnAccnkt（n不等于1）ktln(cA0/cA)=lncA0lncA（n等于1）第三节 反应动力学(11.3.34)现在学习的是第75页，共84页(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0AcCt第三节 反应动
40、力学)11(11110nAnAccnkt现在学习的是第76页，共84页(2)一级反应(n1)cAcA0ekt kt2ln2/1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0AcktCtlncA第三节 反应动力学 ktln(cA0/cA)=lncA0lncA 现在学习的是第77页，共84页碳断代技术 14C是大气中的氮原子和宇宙射线中产生的中子发生核反应的产物，可以认为几千年来，14C的生成速率保持不变，并等于其衰变速率，因此大气中14C的量处
41、于稳态。生命体由于新陈代谢，其体内14C/12C是一恒定值，但生命体死亡后的样品中14C/12C不再是常数，会因14C的不断衰变而减小。这一事实可用于考古学中年代判定。第三节 反应动力学 现在学习的是第78页，共84页题目：放射性14C的一级衰变的半衰期为5720年，考古考察一具古尸上裹的亚麻布碎片，其14C为正常值的67.0%，估算此尸体的埋葬时间。解：-41,011 ln=ln0.6733001.21 10AACtkC年4111/2ln20.6931.21 105720kt年由一级反应速率方程由一级反应速率方程 易知：易知：1,0lnAACk tC 当 时 ,00.67AACC第三节 反应
42、动力学 现在学习的是第79页，共84页例题11.3.4 在湿热灭菌过程中，细菌的死亡速率-rA和活菌数CA之间的关系可近似认为：AAkcr 某细菌在392.4K时加热1min，活菌数减少到加热前的十分之一。试计算该细菌的死亡速率常数.若保证杀菌率为90，加热时间浓缩到1/10时，灭菌温度不能低于多少度？（设杀菌的活化能约为200kJ/mol）。(式中k为死亡速率常数)解：灭菌反应近似为一级反应00lnlnAAAAcccckt由题意：t=1min,cA/cA0=1/10)10/1ln(1k同理，k=23.0min-1时，由k，k和Ea求得T=409.7K。所以k=2.30min-1第三节 反应动
43、力学 现在学习的是第80页，共84页(3)二级反应(n2)011AAcckt02/11Akct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0Ac1ktAc1tC0Ac第三节 反应动力学)11(11110nAnAccnkt现在学习的是第81页，共84页第三节 反应动力学 表11.3.1单一反应（恒温恒容）的速率方程现在学习的是第82页，共84页（二）可逆单一反应 APPAtCCPeCAe第三节 反应动力学 在恒温恒容条件下有：AeAAeACCCCkkt021ln1-dCA/dtk1CA-k2CP(11.3.51)(11.3.60)现在学习的是第83页，共84页（三）一级平行反应 APP；AQ Q CPCQtCCA0CA第三节 反应动力学 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:)1()(2102021tkkAQQQekkCkCC)1()(2101021tkkAPPPekkCkCC现在学习的是第84页，共84页