高等反应工程 第八章

第八章气液相反应和反应器分析,2019/11/21,1,内容提要,气液相反应动力学气液反应过程的基本方程拟一级不可逆反应不可逆飞速反应二级不可逆反应气液相反应器的设计如何选择适用的反应器:根据效率因子判断是否需要增大液相利用率反应器的设计计算:填料塔与鼓泡塔,2019/11/21,2,各节内容,第一节气液吸收过程的物理模型一、双膜理论的提出二、双膜理论的数学描述第二节液膜内的气液反应过程模型一、气液反应过程的基本方程二.拟一级不可逆反应及反应增强因子三、不可逆飞速反应四、二级不可逆反应,第三节气液相反应器的分类和选型一、气液相反应器的分类二、气液反应器的选型第四节气液相反应器的设计计算一、填料塔的设计计算二、鼓泡塔的设计计算,2019/11/21,3,8.1气液反应的基础理论,8.1.1气液传质理论(1)双膜理论气液相界面两侧各存在一个静止膜，分别称为气膜和液膜气液两相的物质传递速率仅取决于气膜和液膜分子扩散速率,2019/11/21,4,双膜理论模型示意图,气相,液相CL,气膜,液膜,液相（膜）传质系数,气相（膜）传质系数,pG,W.K.LewisPG、pi、分别为气相主体、气液界面被吸收组分分压,atm；DG为被吸收气体在气相中的有效扩散系数，kmol/(m.atm.s);dG气膜有效厚度，m,2019/11/21,10,（2）液膜传质速率,2019/11/21,11,(3)总传质系数：因为界面浓度未知，根据,式中，H亨利系数，,总传质系数,2019/11/21,12,(4)双膜理论对气液反应基本情况的描述,1）瞬间不可逆反应2）气液快速反应3）气液中速反应4）气液缓慢反应5）气液极慢反应,2019/11/21,13,2019/11/21,14,2019/11/21,15,2019/11/21,16,2019/11/21,17,8.2气液反应的研究方法,假定：气液相界面的两侧存在着某种厚度的静止层气膜和液膜。在气膜和液膜内，反应组分以分子扩散方式进行传递。膜外的流体主体，由于湍流扩散作用不存在浓度梯度。相界面上气相分压和液相浓度处于平衡状态。,2019/11/21,18,8.2.1伴有化学反应的吸收过程模型方程,(1)采用双膜理论处理，组分A和B的浓度梯度视作仅存在于液膜内；(2)液相主体中的浓度梯度为.,图8.1液膜内的双组份气液反应过程,2019/11/21,19,化简得到:,B.C.,2019/11/21,20,进行无因次化，,2019/11/21,21,边界条件：,2019/11/21,22,得到无因次参数：,Hatta数的物理意义：类似于Thiele模数,2019/11/21,23,8.2.2拟一级不可逆反应,若液相组分B大量过剩，液相中组分B的浓度可视为常数，此时组份A的消耗可按一级反应处理：,y=0,y=1,2019/11/21,24,2019/11/21,25,液相有效利用率,Ha时，膜内最大反应量大于膜内最大传质量，为快速反应。此时，E=HaHa0.02时，反应全部在液相主体进行，为慢反应。0.02Ha，为中等反应速率。,2019/11/21,26,2019/11/21,27,2019/11/21,28,Page199,2019/11/21,29,2019/11/21,30,反应器选型方案:,第一步:在液膜内进行多少反应第二步:在液相主体内进行多少反应引进判断液相主体利用率的效率因子，决定采用体积型设备还是采用面积型设备。,2019/11/21,31,8.2.3不可逆瞬间反应,扩散方程：,图8.2不可逆飞速反应的浓度分布,2019/11/21,32,2019/11/21,33,2019/11/21,34,液相反应物B的影响,对于反应，,2019/11/21,35,反应物B的浓度极限,2019/11/21,36,二级不可逆反应,B.C.,2019/11/21,37,二级不可逆反应增强因子公式,2019/11/21,38,二级不可逆反应的增强因子图,2019/11/21,39,8.3气液反应器的设计,8.3.1气液反应器的形式和特点气液反应器按接触形态可分为：(1)气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡反应器、搅拌鼓泡反应器和板式反应器：(2)液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等：(3)液体以膜状运动与气相进行接触的填料反应器和降膜反应器等。,2019/11/21,40,1.填充床反应器填充床反应器适用于快速和瞬间反应过程，其轴向返混几乎可以忽略，因此能获得较大的液相转化率，而且气相流动的压降较低，操作费用较小。填充床反应器广泛地应用于带有化学反应的气体净化过程。填充床反应器具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点。,2019/11/21,41,2.板式反应器板式反应器适用于快速和中速反应过程。采用多板可以将轴向返混降低至最小程度，并且板式反应器可以在很小的液流速率下进行操作从而能在单塔中直接获得极高的液相转化率，这就是板式反应器的主要优点。同时，板式反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求。但是板式反应器具有结构复杂、气相流动压降较大和塔板需要用耐腐蚀材料等缺点。由于气流压降较大，多数板式反应器应用在加压操作的情况。,2019/11/21,42,3.降膜反应器降膜反应器可使用于瞬间和快速的气液反应过程，它特别适宜于有较大热效应的气液加工过程。鉴于降膜反应器是一种高效的直接利用反应热的良好塔型在节约能耗和综合利用热能的时代，降膜反应器势必得到日益广泛的应用。除此以外，降膜塔还有压降小和几乎无轴向返混的优点。然而由于降膜塔中液体停留时间缩短，它不适宜于慢反应的过程，同时，降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和液体均布是降膜塔的关键问题，工程使用时必须注意。,2019/11/21,43,.喷雾反应器喷雾反应器适用于瞬间快速反应，过程受气膜控制的情况。例如碱性溶液脱除H2S、磷酸和氨生成磷铵的过程，由于喷雾反应器由空塔构成，不用担心设备的堵塞，因而可适用于有污泥、沉淀和生成固体产物的场合。,2019/11/21,44,5.鼓泡反应器鼓泡反应器具有极高的储液量，适宜于慢反应和放热量大的反应。鼓泡反应器可连续操作也可半间歇操作(气流连续鼓入，液体分批加入和取出)。鼓泡反应器液相轴向返混很严重，在不太大的高径比情况下可认为液相是理想混和的。由于严重轴向返混的影响，连续操作型的反应速率将明显下降，因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化率，为了解决这一问题，对处理量较少的情况通常采用半间歇操作方式，对处理员量大的情况则采用多级鼓泡反应器串联的操作方式。除此以外，鼓泡反应器尚有鼓泡所耗压降较大的缺点。,2019/11/21,45,6搅拌鼓泡反应器适用于慢速反应过程尤其对高粘性的非牛顿型液体更为适用。例如，发酵工业和高分子材料工业中，经常采用这种搅拌鼓泡反应器，在搅拌鼓泡反应器中，借搅动作用使气体高度分散于湍动的液相中，因此，它减弱了传质系数对流体的依赖，使高粘性流体间的反应以较快的速度进行。当然搅拌需消耗一定的动力除此以外，它还存在轴封的问题，且反应容积和表观气速均受气液分散的限制，不能更高的提高。,2019/11/21,46,7.高速湍动反应器喷射反应器、文氏反应器、湍动浮球反应器等用于高速湍动过程，它们适合于瞬间反应并处于气膜控制的情况。此时，由于湍动的影响，加速了气膜传递过程的速率，因而获得很高的反应速率；多数高速湍动反应器(例如喷射和文氏反应器)用于并流气液接触设备，宜使用于不可逆反应的场合，如果用于可逆反应，则通常需要使用多个逆流相串联。,2019/11/21,47,8.3.2反应器结构示意图,2019/11/21,48,8.4反应器数学模型化,8.4.1填充床反应器,2019/11/21,49,8.4.2鼓泡反应器(1)流体力学,2019/11/21,50,原始出处：DeckwerWD,LouisiY,ZaidiA,RalekM.HydrodynamicpropertiesoftheFisherTropschslurryprocess.IndEngChemProcessDesDev1980;19:699708.反应器操作流区划分图,引自:N.Kantarcietal.,ProcessBiochemistry40(2005)2263-2283,2019/11/21,51,床层中液体径向速度分布,2019/11/21,52,2019/11/21,53,模型特点：,（）气相活塞流，液相全混流,其中,如为不可逆反应,y*=0,进行积分,2019/11/21,54,（）气相液相均为全混流（）气相有返混，液相全混流,2019/11/21,55,例8-5邻二甲苯在气泡塔中用空气进行氧化，反应温度为160，压力为1.378MPa（绝），已知气泡塔直径为2m，氧加料速率为51.5kmol/h，氧与邻二甲苯的反应速率常数，出口气相氧分压为0.0577MPa，氧在邻二甲苯中的扩散系数为，氧的溶解度系数，求反应器高度（不考虑气膜阻力）。邻二甲苯的基础数据：，。,2019/11/21,56,解：,气相为活塞流、液相为全混流的简化模型反应条件下空气的加料速率为：表观气速：气泡直径由下式计算：,2019/11/21,57,气含量由下式求取：,0.2706,经试差解得,2019/11/21,58,比表面,液膜传质系数可由下式求得：,2019/11/21,59,气泡塔高计算如下:因Ha1，故为慢反应,2019/11/21,60,此为不可逆反应，气体中氧浓度较稀用下式计算气泡塔高（清液层高度）,其中,2019/11/21,61,进口气相浓度（空气），出口气相浓度,故,鼓泡层高度,2019/11/21,62,工业生产对气液反应器的要求,工业生产对气液反应器有不同的要求，主要有下列几种:(1)应具备较高的生产能力。首先要求反应器型式适合反应系统特性的要求，例如对反应速度很快而处于气膜控制的反应系统。应该选择气相容积传质系数大的反应器，即采用液体分散成微细的液滴并与高速的气流相接触的设备。对慢速反应过程。反应主要在液相主体中进行，它通常要求选用反应容积较大的设备，即储液量较多的设备，如鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器是很适用的。,2019/11/21,63,(2)应有利于反应选择性的提高。反应器的选用应有利于抑制副反应的发生，例如。如果是平行副反应，且副反应速率较主反应慢。则可采用储液量较少的设备，以抑制液相主体进行缓慢的副反应的发生。,2019/11/21,64,(3)应有利于能量的综合利用和降低能量消耗。反应器的设计应考虑能量的综合利用和降低能量的消耗，若气-液反应处在高于室温的条件下进行，此时,如何考虑反应热量的利用和过程显热的回收将是一个重要问题。如果气-液反应在加压下进行，则应考虑反应过程的压力能的综合利用。除此以外，为了造成气液两相分散接触，需要消耗一定的动力，应根据气-液反应器比表面积和功率消耗的关系，选择合适的反应器型式。,2019/11/21,65,(4)应有利于反应温度的控制。气-液反应绝大部分是放热的。因而如何排除反应热防止温度过高是经常碰到的实际问题。当气-液反应热效应很大而又需要综合利用时，降膜反应器是比较合适的塔型。除此以外板式塔和鼓泡反应器可安置冷却盘管来排除热量。但是在填料塔反应器中，排除反应热比较困难通常只能提高液体的喷淋量，以使反应热以液体