化学反应工程 第八章 多流体相的反应过程

1、化学反应过程化学反应过程伴有不可逆与可逆反应的传质2理论简述1第8章多流体相的反应过程鼓泡塔4填料塔3化学反应过程化学反应过程液液相反应过程6搅拌鼓泡釜5第8章多流体相的反应过程浆态反应器7化学反应过程化学反应过程8.1 理论简述化学反应过程化学反应过程8.1 理论简述(详见教材P130、P131)化学反应过程化学反应过程8.1 理论简述（）双膜理论化学反应过程化学反应过程8.1 理论简述 今设对组分的物理吸收速率（单位时间、单位相界面上吸收的物质的量）为 ，则根据液膜传质系数的定义故 同样，也可以写出以气膜中的分压表示的速率式：则有化学反应过程化学反应过程8.1 理论简述（）渗透理论 在接触

2、时间自 内通过液膜的平均传质速率 为：与传质速率一般式相比，有化学反应过程化学反应过程8.2 伴有不可逆与可逆反应的传质12基础方程基础方程气液非均相系统中的几个重要参数气液非均相系统中的几个重要参数34反应速率的实验测定反应速率的实验测定反应器型式的选择反应器型式的选择化学反应过程化学反应过程 对气液相反应：8.2 伴有不可逆与可逆反应的传质化学反应过程化学反应过程对典型的气液相反应 在定态下，以单位表面积为基准的反应速率 就等于吸收速率，故仍然可以采用费克第一定律。也可得一对微分方程组8.2.1 基础方程化学反应过程化学反应过程（）瞬间反应的情况 对瞬间不可逆反应，不存在、并存的区域，故可

3、写：浓度分布为反应速率为8.2.1 基础方程化学反应过程化学反应过程（）极慢反应的情况 以单位液相体积计的反应速率为（）中间速率反应的情况不可逆二级中速反应 式（8-12）的边界条件为8.2.1 基础方程化学反应过程化学反应过程 在式（8-21）的边界条件下，二阶微分方程（8-12）没有显式解，只有数值解。不可逆拟一级中速反应其中不可逆二级快反应 此时，式（8-12）的边界条件为8.2.1 基础方程化学反应过程化学反应过程求得的近似解的为其中8.2.1 基础方程化学反应过程化学反应过程当 时，即 ，则8.2.1 基础方程当 和 时， 值都落在图中对角线附近，这相当于拟一级反应的情况。在一定 值

4、时，增加，则也增加，最后值趋近于 。 一级或拟一级不可逆快速反应化学反应过程化学反应过程将式（8-12）简化为于是其中此式可标绘如图8-6。由图可见：8.2.1 基础方程化学反应过程化学反应过程8.2.1 基础方程对于快速反应，即情况（c）、（d），要同时考虑传质及反应速率。慢速反应但仍需考虑传质的情况化学反应过程化学反应过程8.2.2气液非均相系统中的几个重要参数（）膜内转化系数由式（8-26）可得化学反应过程化学反应过程， 反应全部在液相主体中进行，为慢反应的情况。 ，中等速率反应的情况。 （）增强系数瞬间飞快反应8.2.2气液非均相系统中的几个重要参数化学反应过程化学反应过程不可逆一级快

5、反应不可逆二级快反应对零级反应，也可导得而对可逆一级反应，有8.2.2气液非均相系统中的几个重要参数化学反应过程化学反应过程（）反应相内部利用率对一级反应，可将 代入而解得：对二级反应，只有数值解，如图8-7所示8.2.2气液非均相系统中的几个重要参数化学反应过程化学反应过程 按釜内液相体积计算的反应速率为对反应从液相进出口浓度 及 也可以计算釜内平均反应速率8.2.3 反应速率的实验测定化学反应过程化学反应过程8.2.4 反应器型式的选择化学反应过程化学反应过程 填料高度的计算公式可从塔内微元高度 作物料衡算求得，设气体内被吸收溶质的含量较少，式（8-45）作重排并积分可得平均推动力取 的对

6、数平均，式（8-46）可简化成8.3 填料塔化学反应过程化学反应过程 用惰性气体量为基准，进行物料衡算：对 和 值用进、出口的平均值，上式可简化成如果平衡线为直线，可得到和式（8-47）相一致的计算式，通常 可以忽略不计，从式（8-49）可得8.3 填料塔化学反应过程化学反应过程8.3 填料塔化学反应过程化学反应过程 对填料塔 可用下式计算： 计算伴有化学反应的 值需分别测定单纯物理传质过程的 值，再用增强系数值作校正，8.3 填料塔化学反应过程化学反应过程8.4 鼓泡塔12鼓泡塔的流体力学鼓泡塔的流体力学鼓泡塔内的传热和传质鼓泡塔内的传热和传质3鼓泡反应器的数学模型和设计鼓泡反应器的数学模型

7、和设计化学反应过程化学反应过程（）气泡直径若 ，即8.4.1 鼓泡塔的流体力学化学反应过程化学反应过程 实验证明，对空气-水系统当 ，小孔直径 ；和小孔气速 对气泡直径的经验关系式为：当 时，8.4.1 鼓泡塔的流体力学化学反应过程化学反应过程8.4.1 鼓泡塔的流体力学（）气泡上升速度 在单个气泡时，气泡的上升速度可按力的平衡导出其自由浮升速度为： 当 时， 当 时，如果用圆帽形气泡的曲率半径 计算，则化学反应过程化学反应过程 工业上鼓泡反应器内的气泡浮升速度一般可用下式计算：（）气含率 可从测量静液层高 和通气时液层高度H算出： 可作为空塔气速和实际气速的联系：8.4.1 鼓泡塔的流体力学

8、化学反应过程化学反应过程对单位高度床层的平均停留时间 为气泡在整个鼓泡液层中的平均停留时间为液体空床流速和实际流速间的关系为结合以上三式可得8.4.1 鼓泡塔的流体力学化学反应过程化学反应过程在湍动区， 和 可用图8-9和图8-10查得。8.4.1 鼓泡塔的流体力学化学反应过程化学反应过程对空气-水系统对其他物料另外一种广泛适用的关联式为（）比相界面积8.4.1 鼓泡塔的流体力学化学反应过程化学反应过程这一简化公式适用于（）鼓泡塔床层高度和返混鼓泡床内的返混，气相部分和液相部分情况各异。8.4.1 鼓泡塔的流体力学化学反应过程化学反应过程（）鼓泡塔内的传热通常采用三种热交换方式：采用夹套、蛇管

9、或列管式冷却器；采用液体循环外冷却器；利用溶剂、反应物或产物的汽化带走热量。8.4.2 鼓泡塔内的传热和传质化学反应过程化学反应过程8.4.2 鼓泡塔内的传热和传质对其他液体可引入 数进行修正： 也可用传热因子 的关联式进行计算： 对完全湍动区 或泡沫较多的情况，可采用公式：化学反应过程化学反应过程 8.4.2 鼓泡塔内的传热和传质（）鼓泡塔内的传质 鼓泡塔内的传质过程，一般属液膜控制。此时，单位床层体积内的传质速率为：在安静区，对单个小气泡 对于一般气泡，其大小为： ，气泡在上升过程中变形摇动，传质较快，则：化学反应过程化学反应过程 8.4.2 鼓泡塔内的传热和传质在湍动区操作时化学反应过程

10、化学反应过程8.4.3 鼓泡反应器的数学模型和设计化学反应过程化学反应过程（）计算反应时间t物料的浓度从 降到 所需时间为上式可积分为 当 ， 当 ，8.4.3 鼓泡反应器的数学模型和设计化学反应过程化学反应过程 当 ， （）反应液体积 如果气膜阻力可以不计，参考图8-14对 可作A的物料衡算: 如果在液相内的溶解量可忽略不计，则8.4.3 鼓泡反应器的数学模型和设计化学反应过程化学反应过程（）空塔气速与反应器尺寸 实用的方法是根据小装置上测得空塔流速、转化率和空时收率进行设计。按产量和收得率确定连续相体积流量 ，再根据反应速率 求得连续相的体积 。8.4.3 鼓泡反应器的数学模型和设计化学反

11、应过程化学反应过程8.5 搅拌鼓泡釜12搅拌鼓泡釜的结构特征搅拌鼓泡釜的结构特征搅拌鼓泡釜内的流体力学搅拌鼓泡釜内的流体力学34搅拌鼓泡釜的传热、传质计算搅拌鼓泡釜的传热、传质计算搅拌鼓泡釜的设计和放大搅拌鼓泡釜的设计和放大化学反应过程化学反应过程8.5.1 搅拌鼓泡釜的结构特征化学反应过程化学反应过程（）搅拌器的转速 用六叶平桨涡轮桨叶测得的临界转速下的经验公式：8.5.2 搅拌鼓泡釜内的流体力学化学反应过程化学反应过程（）通气量或空釜气速六叶涡轮桨的泛点通气量可用无量纲通气特征数 作关联如下：式(8-101)适用范围为8.5.2 搅拌鼓泡釜内的流体力学化学反应过程化学反应过程（）气泡大小、

12、气含率及比相界面积六叶平桨涡轮以上三式的适用范围是 8.5.2 搅拌鼓泡釜内的流体力学化学反应过程化学反应过程 若20000，则液层上面的气体将被卷入液相中而使比相界面增大为 ： 六叶圆盘涡轮上式适用范围为8.5.2 搅拌鼓泡釜内的流体力学化学反应过程化学反应过程（）功率计算 对六叶平桨涡轮桨叶 鼓泡时消耗功率 可用以下经验公式表示：8.5.2 搅拌鼓泡釜内的流体力学化学反应过程化学反应过程 若 分别代表通气和不通气时的内壁给热系数。可得以下近似关系式： 对液膜传质系数 则可用下式计算：小气泡,大气泡,其中 为气泡浮升速度，8.5.3 搅拌鼓泡釜的传热、传质计算化学反应过程化学反应过程（）在连

13、续搅拌釜内一般认为液相是全混流设反应为 对组分作物料衡算： 对组分作物料衡算：对气相作物料衡算： 若气相为全混流8.5.4 搅拌鼓泡釜的设计和放大化学反应过程化学反应过程 若气相为平推流 如果气泡速度 一定，气泡体积变化不大，则上式可取平均值计算：（）在间歇搅拌釜内进行同样的反应并作物料衡算对液相内的组分:8.5.4 搅拌鼓泡釜的设计和放大化学反应过程化学反应过程 对液相内的组分： 对气相内的组分： （）半间歇反应器液相间歇气相平推流液相间歇气相全混流 以上介绍的是物料衡算，而热量衡算可按液相处理。8.5.4 搅拌鼓泡釜的设计和放大化学反应过程化学反应过程8.6 液液相反应过程12液滴间的反应

14、液滴间的反应两相传质系数两相传质系数3液液相反应器的设计计算液液相反应器的设计计算化学反应过程化学反应过程（）传质过程对反应速率的影响排除液滴内的传质阻力，液滴内的反应速率可表示为考虑液滴内的传质阻力边界条件为：8.6.1 液滴间的反应化学反应过程化学反应过程滴内控制 液滴内的反应速率较慢，整个速率成为滴内控制：滴外控制 过程为滴外控制： 8.6.1 液滴间的反应化学反应过程化学反应过程8.6.1 液滴间的反应（）液滴行为对反应速率的影响化学反应过程化学反应过程搅拌功率的影响 液滴相互作用的频率随搅拌功率显著地增加。分散相所占分率 的影响物系性质的影响容器大小和搅拌器型式的影响8.6.1 液滴

15、间的反应化学反应过程化学反应过程8.6.2 两相传质系数 在具有搅拌装置的液液两相系统内，连续相的传质系数可以借用液固系统的公式。在湍流情况下有：对细小液滴，滴外传质系数可简化为： 分散相的传质系数一般比连续相大，可以采用类似气泡内的气膜系数作估算：化学反应过程化学反应过程8.6.3 液液相反应器的设计计算化学反应过程化学反应过程8.7 浆态反应器12浆态反应器内的传质浆态反应器内的传质液固间的传质液固间的传质34气泡与液相间的传质气泡与液相间的传质浆态反应器内的选择性浆态反应器内的选择性化学反应过程化学反应过程8.7.1 浆态反应器内的传质 在定常态下，速率方程可以写成：从式(8-133)消

16、去 和 可得 如果气泡和颗粒都是球状，直径为 和 ，则化学反应过程化学反应过程 将公式(8-135)、式(8-136)代入式(8-134)，可得： 当总反应速率取决于从液体到催化剂的传质速率。式(8-133)可简化为： 当催化剂用量较大，总反应速率取决于吸收速率。此时，式（8-137）成为：8.7.1 浆态反应器内的传质化学反应过程化学反应过程（）静止单个球形颗粒在大容积静止流体中的传质积分可得当 时， ，故（）流动流体和单个固体颗粒间的传质一般可用下式估算 值（对气固相间）：8.7.2 液固间的传质化学反应过程化学反应过程对液固相间，以上公式的适用范围为 。（）用 数关联流动流体和固体颗粒间

17、的传质8.7.2 液固间的传质 当 时， 当 时， 当 时，化学反应过程化学反应过程（）用颗粒沉降速度取代后的 数作关联对小球沉降一般用斯托克斯定律：相应的 数即在自由沉降时的 数，故 对 ，即低沉降速度时，应该用公式（8-143）计算得 ，再结合图8-22查得 值。 对 ，可采用图8-22右上角的虚直线公式，即式（8-140）8.7.2 液固间的传质化学反应过程化学反应过程（）用颗粒直径及 作关联8.7.2 液固间的传质化学反应过程化学反应过程（）搅拌作用（）用搅拌功率关联8.7.2 液固间的传质化学反应过程化学反应过程 对直径小于2.5mm的小气泡，其性能如同硬球模型。气液界面的液膜传质系数可以采用小的固体球同样的关联式。大气泡的传质系数略为大些，因为气泡有内循环，并且通过液体时要变形。对 可用公式（8-109）或用下式：8.7.3 气泡与液相间的传质化学反应过程化学反应过程 在浆态反应器内，扩散