平行-連串與偶連反應(yīng)對反應(yīng)器設(shè)計的要求
實驗室k / 2019-02-16
平行反應(yīng)的概念能夠引伸到分析更為復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)，這包括可逆反應(yīng)或者平行和連串相結(jié)合的反應(yīng)?？梢砸枚€例子予以說明。第一個考慮的情況是
A → B → C，A＋A → D
如果B是需要的產(chǎn)物，由連串反應(yīng)將表明需用管式反應(yīng)器。另一方面，如果生成不需要產(chǎn)品D的平行反應(yīng)是比生成B的級數(shù)高，那么建議采用攪拌釜。這些矛盾因素意味著對這個問題沒有唯一的答案能用以說明什么型式的反應(yīng)器將得到最大的收率？而將取決于反應(yīng)速率常數(shù)和進(jìn)料濃度所規(guī)定的值。
第二，讓我們考慮下列反應(yīng)系統(tǒng)：
這正如三個二甲苯間的異構(gòu)化反應(yīng)的情況一樣。有幾篇文章”應(yīng)用矩陣法或其他方法處理這樣的系統(tǒng)。從這些表面上是純理論的數(shù)學(xué)練習(xí)，所得到的結(jié)果卻有很大的實際意義，因為它指明了如何設(shè)計實驗，以最快和最正確的方法得到所研究系統(tǒng)的反應(yīng)速率常數(shù)。因為對新的工業(yè)過程測定反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)實在很費(fèi)事，所以這是一個有價值的新技術(shù)。
從實驗室反應(yīng)器估算動力學(xué)常數(shù)，如果粗心大意就發(fā)生錯誤。另一方面，按照反應(yīng)器的設(shè)計要求，動力學(xué)常數(shù)常常不一定要求知道得很精確，重要的問題是對設(shè)計所需的動力學(xué)常數(shù)要求精確到什么程度要知道。
最后，可以認(rèn)為反應(yīng)是按隨機(jī)過程進(jìn)行，而不是按確定性過程進(jìn)行的。用“概率”方式來考察反應(yīng)問題已被應(yīng)用于微生物反應(yīng)，這些反應(yīng)是復(fù)雜的偶連的反應(yīng)系統(tǒng)。
例題1 考慮以下在溶液中發(fā)生的反應(yīng)：
A＋B→ C 反應(yīng)速率 r1＝k1cAcB
C＋B→ D 反應(yīng)速率 r2＝k2cBcC
間歇反應(yīng)在開始時溶液中包含濃度為0．1kg mol/m3的A和過量的B，得到以下的分析數(shù)據(jù)：
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濃度［kg mol/m3］
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濃度［kg mol/m3］ |
| 時間 |
cA |
cC |
| t1 |
0.055 |
0.038 |
| t2 |
0.01 |
0.042 |
試問k2/k1的比值為多少？在間歇反應(yīng)時c的最大濃度將是多少？A的轉(zhuǎn)化率為多少？
〔答案：0．52，0．049kg mol/m3，80%〕
例題2 討論由以上反應(yīng)生成C的情況？（a）如果A在釜內(nèi)，B緩慢地加入；（b）如果B在釜內(nèi)，A緩慢地加入。
例題3 在反應(yīng)物A（貴重的）和B（比較便宜）之間進(jìn)行的液相反應(yīng)。反應(yīng)機(jī)理如下：
這種反應(yīng)機(jī)理并不表示化學(xué)計量關(guān)系，也不表示反應(yīng)級數(shù)。
（a）C是有價值的產(chǎn)品；D、E、F是沒有什么價值的。
（b）在一個或幾個反應(yīng)內(nèi)生成水，并且已經(jīng)知道它對于C的收率是有害的。
（c）過程是強(qiáng)放熱的，面某些副產(chǎn)物是焦油狀物并會沉積在表面上。
試討論在設(shè)計反應(yīng)器前你還將試圖得到些什么補(bǔ)充的實驗數(shù)據(jù)，并描述這些數(shù)據(jù)如何影響你的設(shè)計。
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