反应动力学模型

www.zhiqu.org     时间: 2024-06-16

反应动力学模型如下:

反应动力学是研究化学反应速率以及各种因素对化学反应速率影响的学科。传统上属于物理化学的范围,但为了满足工程实践的需要,化学反应工程在其发展过程中,在这方面也进行了大量的研究工作。

绝大多数化学反应并不是按化学计量式一步完成的,而是由多个具有一定程序的基元反应(一种或几种反应组分经过一步直接转化为其他反应组分的反应,或称简单反应)所构成。反应进行的这种实际历程称反应机理。

一般说来,化学家着重研究的是反应机理,并力图根据基元反应速率的理论计算来预测整个反应的动力学规律。化学反应工程工作者则主要通过实验测定,来确定反应物系中各组分浓度和温度与反应速率之间的关系,以满足反应过程开发和反应器设计的需要。

反应速率:

反应速率ri为反应物系中单位时间、单位反应区内某一组分i的反应量,可表示为:反应区体积可以采用反应物系体积、催化剂质量或相界面面积等,视需要而定。同一反应物系中,不同组分的反应速率之间存在一定的比例关系,服从化学计量学的规律。

例如对于反应:对于反应物,反应速率ri前用负号;对于反应产物,ri前用正号。

速率方程:

反应速率方程表示反应温度和反应物系中各组分的浓度与反应速率之间的定量关系,即:
式中C为反应物的浓度向量;T为反应温度(绝对温度)。大量实验表明,温度和浓度通常是独立地影响反应速率的,故式(3)可改写为:

式(4)中fT(T)即反应速率常数k,表示温度对反应速率的影响。对多数反应,k遵循阿伦尼乌斯关系(即1889年瑞典人S.阿伦尼乌斯创立的反应动力学方程):

式中A为频率因子,或称指前因子;E为反应活化能;R为摩尔气体常数。频率因子为与单位时间、单位体积内反应物分子碰撞次数有关的参数;反应活化能表示发生反应必须克服的能峰,活化能高则反应难于进行,活化能低,则易于进行。

频率因子和活化能两者共同决定一定温度、浓度条件下的反应速率。式(4)中fC(C)表示浓度对反应速率的影响,通常可表示成幂函数形式或双曲线形式。对反应(1)幂函数型的反应速率方程可写成:

式中n1和n2分别为反应组分A和B的反应级数;n1+n2为反应的总级数,或简称反应级数。
双曲线型方程常用于气固相催化反应动力学的研究。

例如反应A匑R是由组分A的分子吸附、表面反应和组分R的分子脱附等步骤组成,当表面反应为控制步骤时,其速率方程式可写作:式中pA和pR分别为组分A和R的分压;k为包括吸附平衡常数在内的速率常数;kA和kR分别为组分A和R的吸附平衡常数;K为化学平衡常数。

应用动力学重研究工业反应器操作范围内反应速率和反应条件之间的定量关系。为此,发展了一系列动力学实验研究方法。



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