第八章气液相反应过程与反应器

1、1第八章气液相反应过程与反应器2 气液反应过程指一个反应物在气相，另一个在液相，气相反应物需进入液相才能反应；或两个反应物都在气相，但需进入液相与液相的催化剂接触才能反应。 与化学吸收过程极为相似。概述3 液相：出总总边界条件：相界面积BBB0BLLALALABLBAALALALABALABB, 0:11dddd1ddccttcctSVVVSVcckcSVtcckVStNVtcii4 积分上式，得： 可以据此计算反应时间。 式中的各参数由经验方程计算。 连续流动鼓泡塔计算出B0BALABLABAd1cciccckt出进边界条件：AAAAAA01ddYYHlYYlrlYF5 上式的关键是YA与-

2、rA的关系。是气相组成，而反应发生在液相中。因此涉及到传递现象，并且和液相的流型相关联。 鼓泡塔中流型复杂，存在不同的区域，如安定区和湍动区。HYYlrYF0AAd1dAA出进6 气液反应的步骤： 气液相反应反应物和产物至少有一个存在于液相中，其中典型的是气体的反应吸收。 更具有普遍意义：A(g)+B(l)=C(g) 其宏观反应历程为： 1 A从气相主体向气液界面扩散； 2 A在气液界面处溶解于液相； 3 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩散的同时与液相中的B发生反应；7 4 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界面； 5 产物C由气液界面扩散到气相主体。 基本理论：双膜理论 与物理吸收的差别在于

3、在液相主体和液膜中存在化学反应，反应速率的快慢直接影响了吸收的速率。 反应历程亦为连串过程，反应速率决定了控制步骤的所在。8物理吸收过程的双膜理论模型气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别存在滞留膜，组份通过在滞留膜中稳定的分子扩散进行传质，传质阻力完全存在于滞留膜中。9 根据双膜理论的物理模型，可以写出：ScHpkkHScHpkHktncHpkDScckSccDtnkDSppkSppDtniiiiiiALAALAGAAALAALAAGAAAAALALLAALALAALALLAAGAGGAAAGAAAGGAA11111dd)()(dd)()(dd由以上两式可以推得：相界面处达到平衡根据亨利

4、定律，10 因此可以写成：总括传质系数。示的分别是以气相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAAGAA11111)()(ddKKkkHKkHkKScHpKScHpKtn11 扩散物A在液膜中的化学反应，使液膜较物理过程的液膜变薄，由 变为 。 注意液膜是流体力学特性，而变薄的液膜就不单纯是流体力学的概念了。LLGLpApAicAcAiL12 则：化学增强因子:ddddLLLLLALLLLALLALAALALAAAAAAAGAAkDDkccSktncHpppSktniiii13一个化学增强因子。过程相比，仅相差传质系数。与物理吸收示的总括分别是以气相和液相表和LAGAL

5、AGAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAA11111)()()(ddKKkkHKkHkKScHpkScHpkScHpktn14气液反应动力学 在液膜内取一微元体，在定常态下，对A组份作物料衡算（服从Fick扩散定律）：15LBBBAAB2B2LBLAAAAAAA2A2LAAAALAALA,; 0dd, 0BCddB,;, 0BCdd0ddddddddccllclrlcDcclHpcclrlcDlSrllcclSDlcSDii：，亦有方程：同理，对液相反应物：积累反应扩散离开扩散进入16 模型分析： 模型是以存在稳定的膜为前提，即：不论气液相主体如何扰动，相界面上滞留膜总是

6、稳定存在。 随着气液相流动状况的不同，气液膜的厚度不同。强化传质要通过增加扰动改变膜厚度实现。 传质与反应速率的不同，得到不同的膜内浓度分布。17极慢反应传递速率远比反应速率快得多；液相中溶解的A接近其饱和溶解度；化学反应在液相主体中进行，反应速率代表了A的传递速率。18慢反应反应在液相主体中进行，但速率较传递速率为大，液膜中的反应可以忽略（即-rA视为0），与物理吸收相同。GLpApAicBcAcAi19中速反应反应在液相主体与液膜中同时进行：ALA2L2A2LA2A2LALAAAAAAA2A2LAdddd,;, 0BCddcDkzclzkclcDcclHpcclrlcDii变为为无因次长度

7、，原方程令对一级反应，：20 令 方程转变为：八田数膜内转换系数前有:LLALALALALA2LDkkkDDk shsh1sh, 1, 0ddALAAAAAAA22A2zczcccczcczczciLi此方程的解为：21 继续推导： ALAALAALAALAALALAALALLAALALLA0ALAAALAAchthchthchshchshchddddshch1chddccccccccccSkccSDccSDlcSDtnzczczciiiiiiili因此：22 恒大于1。 曲线下凹。 八田数决定了 ,0, 1 (0，ch 1, / th 1)0dd2A2lcALAALAchthcccciiLA

8、2LDkGLpApAicBcAcAidl23 快速反应 反应仅发生在液膜区，组份在液膜区已全部反应掉，在液相主体区没有A，因此液相主体中没有反应。th00ddALAAA2A2LA对一级反应，可得：，边界条件：clcclrlcDi24cBi不一定为0，与 中速反应的区别在于cAL为0，即在液相主体中没有A。GLpApAicBLcAi25 瞬时反应过程 A与B之间的反应进行得极快，以致于A与B不能在液相中共存。在液膜区存在一个反应面，此面上AB的浓度均为0。GLpApAicBLcAi反应面R26 反应面左侧，只有A，没有B，因此，在此区域，为纯物理扩散。 反应面右侧，只有B，没有A，因此，在此区域

9、，亦为纯物理扩散。iiclccclccllcARAiAARAA2A20, 00ddBLBLBR2B2,0,0ddcclcllc27 解之，得： 反应面的位置：RRLBLLRRBLRLBLBlcclccBLLALBRLRBAALALBRLBLBARABLBBAALAddddcDDcDDcclcDlcDii28 代表了反应面的位置， =1，反应面在液膜位置上， ，反应面与气液界面重合。 iiiicckkccDDccDDDDccABLLALBBAABLLALBBAABLLALBBARLLALBRLBLBARA111129 意味着B在液膜中的扩散远远大于A组份的扩散或B的浓度远大于A。 在反应面与气液

10、界面重合的情况下，B组份在液相主体中的浓度称为在气相A分压下的临界浓度。若此时cBLcBL临，液相中将不再有A。ALBLALAGAABBL临AGAABBL临LLB00pDDkkcpkcD30只要是瞬时反应过程，就存在反应面，而反应面的位置，取决于AB的浓度和扩散速率。反应面向相界面移动，刚好接触时的cBL即为cBL临。不仅液相主体没有A，而且连液膜内也没有A。GLpApAicBL临cBLcBLcAi31 气液反应动力学小结 两个重要参数：化学增强因子和八田数。=f(，cAi,cAL), =f(k,DALL) 宏观反应速率最终取决于反应物A的反应特性k，传递特性DAL和体系的流体力学特性L。 强

11、化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小L。 当然还与气相传递特性有关。32 决定了反应是快是慢，是否存在反应面，反应在何处进行。 判据： 2属于瞬间反应或快反应过程；宜选用停留时间短的反应器，如填料塔。 0.02 2为中速反应；反应大量在液相主体进行，宜选用持液量大的反应器，如鼓泡塔。 0.02属于慢反应。33气液反应器气液反应器有许多类型，常见的有：34 填料塔式反应器计算 反应器特点： 液体沿填料表面向下流动，持液量小；气液接触界面近似等于填料表面积；气液传质过程可以按双膜理论计算。 适用于瞬间反应及快反应过程。 塔径计算： 取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，V为体积流量。uVd

12、4内3512A12AAtAAAthmkmol:ddhmkmol:ddddddtnFYFtnAtnYYFAFYAAt因次：输入输出反应传递 填料层高度计算 取塔内微元高度dl对气相作物料衡算：HF,YA出F,YA进L,XA进L,XA出dl36 快反应及瞬间反应cAL=0，微元体内的相接触面积近似为填料面积： 为填料比表面。 气相中的A分压用比摩尔分率表示：ldSd42内AAA1 YYPp总SkHkcHptnLAAGAALAAA1ddALALAAAGAAddccSkppSktnii37 代入前式可得：出进出进总内出进总内在全塔为常数，得：积分上式并视边界条件：AAAALAAGA2AAAALAAGA2ln140d114dYYYYkHkPdFHYYHlYYlYYYkHkPdFlA38 kGA,kLA有经验公式可算。 气相视为平推流操作。 由于视cAL=0，与液相流型无关。 反应级数体现在中。 因为是快速反应，传质阻力主要存在于气膜之中。 填料高度的最直接影响因素为摩尔流量、总压、填料比表面及出入口浓度差。 与物理吸收的差别仅在于。如果=1，相当于用大量的液体吸收气相中的A。39 鼓泡塔式反应器的计算 液相是连续相，气相是分散相。 鼓泡塔反应器的操作分两种，连续