第八章-气液反应过程及反应器

1、1 2021-5-28 上海工程技术大学 化学化工学院 化学工程与工艺系 第八章第八章 气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 化学反应工程 Chemical Reaction Engineering 2 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 8.1 8.1 概述概述 8.2 8.2 气液反应历程气液反应历程 8.3 8.3 气液反应器概述气液反应器概述 3 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction E

2、ngineering 8.1 8.1 概述概述 气液相反应和反应器广泛应用于石油、化工、轻工、医药和气液相反应和反应器广泛应用于石油、化工、轻工、医药和 环境保护等生产过程环境保护等生产过程 在化工生产过程中，进行气在化工生产过程中，进行气- -液相反应的目的主要有两个：液相反应的目的主要有两个： 1 1）得到某种产品）得到某种产品 2 2）净化气体以及废气和污水的处理）净化气体以及废气和污水的处理 气液相反应过程是伴有化学反应的传递过程，又称为化学吸气液相反应过程是伴有化学反应的传递过程，又称为化学吸 收操作过程收操作过程 该过程涉及传质过程、反应过程和气液两相该过程涉及传质过程、反应过程和

3、气液两相 处理问题的方法不同于以往类型的反应，首先需要解决的问处理问题的方法不同于以往类型的反应，首先需要解决的问 题是气题是气- -液相平衡液相平衡 4 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 5 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 6 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineer

4、ing 气液反应与气固相催化反应的异同 相似点： （1）反应物历程：外扩散，内扩散反应。 （2）气相的扩散反应过程 （3）气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应） （4）溶解的气体在液体内的扩散（气液相反应） 差别点： （1）单相传质过程（气固相催化反应）Vs相间传质过 程（气液反应） （2）对流传质VS孔扩散传质 7 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering A: C=5mol/l C=3mol/l B: C=5mol/l C=3mol/l ? GasGasporous Solid Li

5、quid 传质方向 8 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 8.2 8.2 气液反应历程气液反应历程 传质模型传质模型:双膜论双膜论Higbie渗透论渗透论Danckwerts表面更新理论表面更新理论 双膜论：气液相界面两侧各存在一个静止膜双膜论：气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜气膜，液膜 传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率 假设：扩散组分假设：扩散组分在气液界面处在气液界面处达到气液相平衡达到气液相平衡。 9 2021-5

6、-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 双膜论：由Lewis Whitman提出。 假定在气液相界面的两侧，各存在一个静止的膜，气 侧为气膜，液侧为液膜，气液相间的传质速率取决于通过 气膜和液膜的分子扩散速率，也就是说，传质阻力都集中 在膜上。 优点：简单。尤其是伴有化学反应时，它的处理最为简单， 对较为复杂的反应系统，双膜论常能得到较为简单的结果， 在气液反应中仍广泛使用。 缺点：基本能够反映通过相间滞流层进行分子扩散传递这 一事实，但在任何工业吸收设备中，绝对静止的膜是不存 在的，因此双膜论可能

7、不够真实。 10 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 渗透论：渗透论： 由希格比（由希格比（HigbieHigbie）提出。提出。该传质理论的主该传质理论的主 要观点是：处于界面的液体，由于流体的扰要观点是：处于界面的液体，由于流体的扰 动常被液流主体的质点所置换，当液体在界动常被液流主体的质点所置换，当液体在界 面逗留期间，溶解气体将借不稳定的分子扩面逗留期间，溶解气体将借不稳定的分子扩 散面渗透到液相，并假设处于界面的各液体散面渗透到液相，并假设处于界面的各液体 单元都具有相同的

8、逗留时间。单元都具有相同的逗留时间。 11 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 表面更新论：表面更新论： 由由DanckwertsDanckwerts首先提出。首先提出。该理论主要针对渗该理论主要针对渗 透论中关于界面的各个单元的逗留时间都相透论中关于界面的各个单元的逗留时间都相 同提出同提出 的，认为存在一个界面的寿命分布函的，认为存在一个界面的寿命分布函 数，界面各单元的逗留时间按表面更新率数，界面各单元的逗留时间按表面更新率S S 的分布函数来分布。的分布函数来分布。 12 2

9、021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 常见传质模型的比较 本教材中处理化学吸收问题均采用双膜理论。 13 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering A A（气相）气相）B B（液相）液相）产物产物 反应步骤： （1）反应物气相组分A由气相主题扩散到气液相界面，在 界面上假定达到气液平衡； （2）由气相界面进入液相； （3）反应物由相界面扩散到液相； （4）反应物在液相内反应； （5）

10、产物又高浓度向低浓度扩散若为气相产物，则向界 面扩散，再回到气相。 14 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering g gL L () () Gi GGGGi G iL G L G G LLLiL L GL Li G L ii L k k D k D k ppdp JDDpp dx CCdC JDDCC dx NJJ CH p G L pG pi CL Ci GL 扩散系数与扩散尺度的比值扩散系数与扩散尺度的比值 传质系数阻力的倒数传质系数阻力的倒数 双膜论 15 2021-5-28 化学

11、反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering HcHcHkN cckN LiL LiL / (2) / )(,: )( iGG G G G iG G G ppkN D k pp D N 则令 )(,: )( LiL L L L Li L L cckN D k cc D N 则令 iGG iGG HpHpkHN ppkN / (1) / 气膜传质速率：气膜传质速率： 液膜传质速率：液膜传质速率： 16 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reacti

12、on Engineering 设c*为与气相分压pG 相平衡的液相浓度 p*为与液相浓度cL相平衡的气相分压 同时在界面处：ci=Hpi (1)+(4): (3) * i G cc k HN (4) * pp Hk N i L )(: 11 1 11 * * * ppKN Hkk K Hkk pp Npp Hk N k N GG LG G LG G G LG 则令 17 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering (2)+(3)得： 综合以上步骤： )(: 1 1 1 * * * LL GL

13、 L GL L L GL ccKN k H k K k H k cc Ncc k HN k N 则令 )()( * LLGG ccKppKN 18 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 化学反应在相间传递中的作用 1.化学反应可忽略的过程 VACA VR 化学反应足够缓慢，被溶解的气体在液相 中的反应量与物理吸收量相比可以忽略， 即：液相反应量物理溶解量 设液相中进行的是一级不可逆反应，当吸 收塔入口液相中不含被吸收组分时，设其 中积液量为 ，液体流量为 。 R V 0 19 2021

14、-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 当只考虑反应时，液相中单位时间的反应量应等于积液是与 反应速率的乘积，而只考虑物理溶解时，单位时间的物理溶 解量应等于液体的体积流量与浓度的乘积，因此，有： 上式说明：当一级反应速率常数与逗留时间的乘积远小于是 时，则可认为吸收过程可忽略化学反应，按纯物理吸收处理。 AAR CvCkV 01 1 1 0 tkt v V R 20 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction En

15、gineering 2.液相主体中进行缓慢化学反应过程（慢反应） 有时，化学反应虽然缓慢，但由于某些原因（如液体逗 留时间较长或反应条件较好），使得液相中的反应量较大， 此时，液膜一般比液流主体的厚度小得多，借液膜远不能使 缓慢的化学反应得以完成，而需扩散至液流主体进行反应。 发生这种情况的条件是： 液膜中的反应量11 33 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 化学吸收增强因子化学吸收增强因子1 1，降低液相传质阻力所占比例。，降低液相传质阻力所占比例。 足够大时，总阻力将由气膜阻力

16、所决定足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定 ()() GGiLiL NkppkCC 111 11 (*)(*) GL G G GL LL L G KK KkHk H Kkk NppCC 34 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 液相反应利用率液相反应利用率 有内扩散影响时的反应速率有内扩散影响时的反应速率 无内扩散影响时的反应速率无内扩散影响时的反应速率 CAi CAL CAL CAi 当气体净化时，着眼点为气体向液相的当气体净化时，着眼点为气体向液相的 传质速率，用传质速率，用 。

17、当制取产品时，着眼点为气液反应的速当制取产品时，着眼点为气液反应的速 率，用率，用 。 35 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 值的大小是对液相利用程度的一种度量： =1 表示化学反应在整个液相中均匀进行； 1 表示反应在液相中不均匀，液相利用不充分。 因此，称为液相利用率。 液相反应利用率液相反应利用率 （气液反应有效因子）（气液反应有效因子） 36 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Eng

18、ineering 气液反应分类及描述 1. 1. 极快反应（瞬间反应）极快反应（瞬间反应） （1 1）A A和和B B反应速率远大于反应速率远大于A A和和B B由液膜两侧向膜内的传质由液膜两侧向膜内的传质 速率；速率； （2 2）化学反应在瞬间完成，）化学反应在瞬间完成，A A、B B不能共存；不能共存； （3 3）化学反应只在液膜内进行，且只在一个反应面上发生；）化学反应只在液膜内进行，且只在一个反应面上发生； （4 4）反应速度与界面大小有关，与液体体积无关；）反应速度与界面大小有关，与液体体积无关； （5 5）为扩散控制过程（气膜传质控制）为扩散控制过程（气膜传质控制） 37 2021

19、-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering CB 气膜液膜 相界面 PA PAi CAi 反应面 Z (A)瞬间反应，反应面在液膜内 CB 气膜液膜 相界面 PA （反应面） (B)瞬间反应，CB高，反应面在相界面上 38 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 2. 2. 快反应快反应 （1 1）A A和和B B之间的化学反应速率大于之间的化学反应速率大于A A和和B B由在液膜中的传质由在

20、液膜中的传质 速率，以致通过相界面溶解进入液相的速率，以致通过相界面溶解进入液相的A A全部在膜内的全部在膜内的 某个反应区内反应完全；某个反应区内反应完全； （2 2）反应在液膜内的反应区内进行，反应区外，）反应在液膜内的反应区内进行，反应区外，A A、B B不能不能 共存；共存； （3 3）反应速率与界面大小及液膜体积有关；）反应速率与界面大小及液膜体积有关； （4 4）传质和化学反应均对宏观速率产生影响；）传质和化学反应均对宏观速率产生影响； 39 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineer

21、ing CB 气膜液膜 相界面 PA PAi CAi反应区 (A)二级快反应，反应区在液膜内 气膜液膜 相界面 PA PAi CAi 反应区 (B)CB高，拟一级快反应，反应区在液膜内 CB 40 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 3. 3. 中速反应中速反应 （1 1）A A和和B B之间的化学反应速率与之间的化学反应速率与A A和和B B由在液膜中的传质由在液膜中的传质 速率相当；速率相当； （2 2）反应在液膜及液相主体中进行；）反应在液膜及液相主体中进行； （3 3）反应速

22、率与相界面面积和液相体积有关；）反应速率与相界面面积和液相体积有关； 41 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering CB 气膜液膜 相界面 PA PAi (A)二级中速反应，反应发生在液 膜及液相主体内 CB 气膜液膜 相界面 PA PAi CAi CA 气膜液膜 相界面 PAi CAi (B)CB高，拟一级中速反应，反应在液 膜及液相主体内 CB 气膜 PA CA 42 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical React

23、ion Engineering 4. 4. 慢反应慢反应 （1 1）反应主要发生在液相主体，但在液相主体的反应速率大）反应主要发生在液相主体，但在液相主体的反应速率大 于于A A在液膜内的传质速率，不能忽略液膜内的传质阻力；在液膜内的传质速率，不能忽略液膜内的传质阻力； （2 2）反应速率与液相体积有关；）反应速率与液相体积有关； 43 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 气膜液膜 相界面 PAi CAi 慢反应，反应主要发生在液相主体 CB 气膜 PA CA 44 2021-5-2

24、8 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 5. 5. 极慢反应极慢反应 （1 1）A A和和B B之间的反应速率远较之间的反应速率远较A A由相界面通过液膜向液相主由相界面通过液膜向液相主 体的传质速率慢得多的气液相反应，此时体的传质速率慢得多的气液相反应，此时A A传质阻力可忽传质阻力可忽 略不计；略不计； （2 2）反应发生在液相主体；）反应发生在液相主体； （3 3）宏观速率等于反应速率，为动力学控制。）宏观速率等于反应速率，为动力学控制。 45 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反

25、应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 气膜液膜 相界面 极慢反应，在液相主体内的均相反应 CB 气膜 PA CA 46 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 8.4 8.4 气液反应器概述 工业生产对气液反应器的要求： （1）较高的生产强度 （2）有利于反应选择性的提高 （3）有利于降低能量消耗 （4）有利于反应温度的控制 （5）应能在较少流体流率下操作 47 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气

26、液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering （1）较高的生产强度 111 11 (*)(*) GL G G GL LL L G KK KkHk H Kkk NppCC （a)气膜控制情况（H很大） 气相容积传质系数大的反应器： 液体高度分散； 气体高速湍动。 可选用喷射、文氏等反应器 （b）快速反应情况（M准数远大于1） 反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行，要求反应器： 表面积较大，具备一定的液相传质系数。 可选用填料反应器和板式反应器 （c）慢速反应情况（M准数远小于1） 反应基本上是在液相主体中进行，要求反应器：液相反应容积较大。 可选用鼓泡反

27、应器，搅拌鼓泡反应器 48 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering （2）有利于反应选择性的提高 平行副反应：如主反应快于副反应，则采用储液 量较少的反应设备 连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇 （3）有利于降低能量消耗 反应热的回收，压力能的回收，分散液体所需要的动力。 （4）有利于反应温度的控制 降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难 （5）应能在较少流体流率下操作 填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。 49 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应

28、器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering 气液反应器的型式和特点 气相气相液相液相举例举例 I I分散连续鼓泡反应器板式反应器 IIII连续分散喷雾反应器文氏反应器 IIIIII连续膜状连续 填料反应器降膜反应器 50 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering （1 1）填充床反应器（）填充床反应器（packed column reactor)packed column reactor) L L G G 用于气液反应时，也可以并流操作用于气液反应时

29、，也可以并流操作 51 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering （2 2）板式反应器）板式反应器(tray column reactor)(tray column reactor) L L G G 52 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering L L G G （3 3）降膜反应器降膜反应器(falling film reactor)(falling film reactor) 53 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反应过程及反应器 Chemical Reaction Engineering （4 4）喷雾反应器）喷雾反应器(spray column reactor)(spray column reactor) L L G G 54 2021-5-28 化学反应工程化学反应工程/气液反应过程及反应器气液反