第五章反应系统的化学和 热力学分析
第五章 反应系统的化学和 热力学分析
5.1概述 ◆第二章回顾了仅仅考虑初始和终止状态时的反应系统 热力学。 ◆本章把第四章的化学动力学知识和热力系统的基本守 恒原则(如质量、能量守恒)结合起来。 ◆描述系统从开始反应状态到最后形成状态的具体过程, 系统既可以处于平衡状态,也可以处于不平衡状态。 即:计算系统反应从开始到结束不同时间的温度和各 种成分的浓度
第二章回顾了仅仅考虑初始和终止状态时的反应系统 热力学。 本章把第四章的化学动力学知识和热力系统的基本守 恒原则（如质量、能量守恒）结合起来。 描述系统从开始反应状态到最后形成状态的具体过程， 系统既可以处于平衡状态，也可以处于不平衡状态。 即：计算系统反应从开始到结束不同时间的温度和各 种成分的浓度。 5.1 概述
5.1概述 定压 反应器 蛮应温 ◆研究右图所示的四个不 T=TO 考虑复杂质量扩散系统 Ⅸ]=ⅨJ0 l=区1( 的化学热力学过程 V= v(O) 充分混 合 充分混合、 ◆四个系统中的三个充分 混合,成分均匀; ◆塞状流反应器系统,忽充分反应器 塞状流反应器 略流体轴向的混合和扩 散,同时假设在垂直流 T=常数 T=T(x) Ⅸ=常数 体流动方向的径向混合 Ⅸ]=1x) 常数 P=P(x) 充分。 稳态、稳流 稳态、稳流 轴向不混合
研究右图所示的四个不 考虑复杂质量扩散系统 的化学热力学过程。 四个系统中的三个充分 混合，成分均匀； 塞状流反应器系统，忽 略流体轴向的混合和扩 散，同时假设在垂直流 体流动方向的径向混合 充分。 5.1 概述
5.1概述 ◆本章目的:旨在通过对这四个系统的研 究,建立热力学、化学动力学和流动机 理之间相互作用的基本概念,从而为模 拟更复杂流体系统奠定基础
本章目的：旨在通过对这四个系统的研 究，建立热力学、化学动力学和流动机 理之间相互作用的基本概念，从而为模 拟更复杂流体系统奠定基础。 5.1 概述
5.2定压定质反应器(图5.1A) ◆守恒规律: 能量守恒: d W=m (5-1) d 焓h≡lPU(au为系统内能,J/kg) dh du (5-2) dt dt dt 假设系统仅通过体积变化对外做功(P-b功): y di 2 5-3 M dt
守恒规律： 能量守恒 ： （5-1） 焓 (u为系统内能，J/kg) （5-2） 假设系统仅通过体积变化对外做功（P－dv功）： （5-3） 5.2 定压定质反应器 （图5.1A ）
5.2定压定质反应器(图5.1A) ◆(续前) 将方程(5-2)和(5-3)代入(5-1),消去P/dt项 Q dfi 2 de (5-4) 用系统化学组成来表示系统焓,有 h=H 2N,h (5-5)
（续前） 将方程（5-2）和（5-3）代入（5-1），消去Pdv/dt 项 得： （5-4） 用系统化学组成来表示系统焓，有： （5-5） 5.2 定压定质反应器 （图5.1A ）
5.2定压定质反应器(图5.1A) ◆(续前) N和h,分别是成分酌克分子量和摩尔焓值,方程55微分: dh ()+(×出) (5-6) 根据理想气体特点,h.仅与温度有关: dhi ah dT dT dt at dt (5-7) d
（续前） Ni 和 分别是成分i的克分子量和摩尔焓值，方程5-5微分： （5-6） 根据理想气体特点， 仅与温度有关： （5-7） hi hi 5.2 定压定质反应器 （图5.1A ）
5.2定压定质反应器(图5.1A) ◆(续前) M、摩尔浓度为Ⅺ、质量反应速率为山,则有季 Cp;是组分酌摩尔定压比热。若系统第个组分摩尔数为 N=VIXI (5-8) dNi (5-9) dt 式(5-7)提供了系统能量与系统温度之间的关联。ω;的值由 第3章(式(3-31)一(3-33))里讨论的具体化学反应 计算得到
（续前） 是组分i的摩尔定压比热。若系统第i个组分摩尔数为 Ni、摩尔浓度为[Xi ]、质量反应速率为 ，则有 ： （5-8） （5-9） 式（5-7）提供了系统能量与系统温度之间的关联。 的值由 第3章（式（3-31）－（3-33））里讨论的具体化学反应 计算得到。 c p,i [ ] Ni =V Xi 5.2 定压定质反应器 （图5.1A ）
5.2定压定质反应器(图5.1A) ◆(续前) 将方程(5-7)和(5-9)代入(5-6)整理后,能量 守恒表达式为: dT (Q/V)-∑(h) (5-10) ∑(Xl2p) 上式需下面的热焓方程来计算焓: (5-1) 五=码+cdT
（续前） 将方程（5-7）和（5-9）代入（5-6）整理后，能量 守恒表达式为： （5-10） 上式需下面的热焓方程来计算焓： （5-11） 5.2 定压定质反应器 （图5.1A ）
5.2定压定质反应器(图5.1A) ◆将质量守恒和[的定义用于方程(5-8)以得到系统体积: (5-12) ∑(XMW ◆由于化学反应和体积变化,组分摩尔浓度[随时间而变化: (5-13a) dA=d(M∥/")1dN_Nd dt 'n dt 或 d(x, I dv drwr (5-13b) y dr
将质量守恒和[Xi ]的定义用于方程（5-8）以得到系统体积： （5-12） 由于化学反应和体积变化，组分摩尔浓度[Xi ]随时间而变化： （5-13a） 或 ： (5-13b) 5.2 定压定质反应器 （图5.1A ）