反应动力学的实验研究方法.ppt

主讲人
指导教师
反应动力学的实验研究方法
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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。
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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
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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)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。
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实验装置的建立

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
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实验装置的建立
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实验装置的建立
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特征:催化剂装填的较少,从而降低反应率和床层温度的变化,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
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实验装置的建立

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。
固定床外循环流动反应器
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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。
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实验装置的建立

脉冲反应器:实际上是一种特殊的微分反应器,~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。