动力学实验研究方法起源于1850年,是通过实验测定和数据处理以获得本征动力学或表观动力学模型及模型参数的物理方法。
研究方法
首次有记载的反应动力学定量测定是在1850年。当时由于发现偏振光束通过蔗糖溶液时偏振面会发生旋转,且旋转角度随时间而变,得知溶液中有一种蔗糖转变成为一个旋光异构体的化学反应存在。通过测定蔗糖浓度随时间的变化,求得了这一反应的的速率常数。在化学反应工程的发展过程中,为满足反应过程开发和反应器设计的需要,建立了多种动力学实验研究方法,主要有:
积分法在反应器进出口浓度有显著差别(器内不能视作单一浓度)的条件下,测定反应物进出口浓度与反应时间的关系,此法所用的反应器称为积分反应器。实验用积分反应器常为连续操作管式反应器或间歇操作釜式反应器。用管式反应器进行实验时(图1),初始浓度为的反应物以流量F通过有效容积为Vr的反应器,反应时间VrF。改变流量F,测定不同温度条件下反应器出口的反应物浓度,可得一系列的等温线(图2)。以间歇釜式反应器进行实验,则可按一定时间间隔分析釜内反应物浓度得到上述等温线。积分法不能直接测得反应速率。常用的数据处理方法有:根据对实验结果所作的初步分析,提出若干种可能的动力学模型,如幂函数模型和双曲线模型。然后假设各模型参数(如反应速率常数、反应级数等)的初始估计值,对动力学模型方程积分(或数值积分),求得反应结果的计算值。将计算值与实测值相比较,如果两者相差较大,则需重新假设模型参数的数值,直至求得与实测值拟合满意的动力学模型和模型参数。根据测得的组分浓度与反应时间的关系,利用作图法或数值微分求得反应速率与组分浓度的关系,然后按微分法求得动力学模型方程及参数。积分法的优点是实验简便,对组分分析无过苛要求。缺点是反应热效应较大时,难以在反应器内保持等温条件,数据处...
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