反应动力学的实验研究方法

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指导教师

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1 动力学研究工作框图 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。 贯序设计 实验装置 模型优选及 设定模型 采集数据 建立 参数估值

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

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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

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. 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 。

1 实验装置的建立

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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， - r A 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 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

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。