化学反应工程 7. 气液相反应和反应器分析ppt课件

1、6.气液相反响和反响器6.气液相反响和反响器的分析气液相反响和反响器的分析n气液反响器是化工、石油化工，以及食品等工业中广泛运用的一类反响安装，主要包括：n经过气液反响以制取所需的产品。如烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧化氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛、乙醛氧化成乙酸等等。n经过气液反响净化气体，除去气体中不希望存在的组分，这样的过程也叫化学吸收。如氢氧化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化碳等。n某些气相复合反响，其目的产物的收率不高，经过改成气液反响过程使目的产物容易溶解到液相中，提高其收率。 气气-液相反响过程及界面传送模型液相反响过程及界面传送模型n气液反响过程的特点气液反响过程的特点n 反响

2、发生前气液两相中的反响组分首先需求反响发生前气液两相中的反响组分首先需求接触，气相反响组分经过气液界面传入液相，接触，气相反响组分经过气液界面传入液相，并与液相中的组分进展反响。并与液相中的组分进展反响。n 描画反响过程总速率的宏观反响速率方程将描画反响过程总速率的宏观反响速率方程将是本征化学反响速率和气液传质速率的组合。是本征化学反响速率和气液传质速率的组合。 气气-液相反响过程及界面传送模型液相反响过程及界面传送模型n气液相界面的传送模型气液相界面的传送模型n气液相间的物质传送对于气液反响过程速率有气液相间的物质传送对于气液反响过程速率有重要影响，这种相间传送过程通常可以用传质重要影响，这

3、种相间传送过程通常可以用传质模型来描画。常见的传质模型有双膜模型、溶模型来描画。常见的传质模型有双膜模型、溶质浸透模型和外表更新模型。质浸透模型和外表更新模型。n 双膜模型双膜模型n双膜实际假定气液相界面两侧各存在一个静止双膜实际假定气液相界面两侧各存在一个静止的膜，即气膜和液膜，两相间的物质传送速率的膜，即气膜和液膜，两相间的物质传送速率取决于经过气膜与液膜的分子分散速率。取决于经过气膜与液膜的分子分散速率。n实践上，很多传质系统中不存在稳定静止的膜。实践上，很多传质系统中不存在稳定静止的膜。虽然双膜模型不能反映气液相间传质的真实情虽然双膜模型不能反映气液相间传质的真实情况，但该模型运用简单

4、。况，但该模型运用简单。气气-液相反响过程及界面传送模型液相反响过程及界面传送模型n气液相界面的传送模型气液相界面的传送模型n浸透模型浸透模型nHigbie提出的溶质浸透实际假定物质主要借湍提出的溶质浸透实际假定物质主要借湍流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后在很流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后在很短时间内又由界面向流体进展不稳态的分子分短时间内又由界面向流体进展不稳态的分子分散，位于界面的原来的旋涡又被其它旋涡取代，散，位于界面的原来的旋涡又被其它旋涡取代，如此反复进展这一过程。如此反复进展这一过程。n根据溶质浸透实际得出的平均传质速率取决于根据溶质浸透实际得出的平均传质速率取决于界面上

5、旋涡的暴露时间以及在这段时间内分散界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内分散组分穿过界面传送进入旋涡的量，其数学表达组分穿过界面传送进入旋涡的量，其数学表达式为式为气气-液相反响过程及界面传送模型液相反响过程及界面传送模型n气液相界面的传送模型气液相界面的传送模型n 外表更新模型外表更新模型nDankwerts经过对溶质浸透实际的修正而开展经过对溶质浸透实际的修正而开展出外表更新实际。丹克伍茨假定外表单元暴露出外表更新实际。丹克伍茨假定外表单元暴露的时间不同，而质量传送的平均速率取决于各的时间不同，而质量传送的平均速率取决于各种年龄期的外表单元，平均吸收速率是将年龄种年龄期的外表单元，平均吸收速

6、率是将年龄期为期为 的外表分率乘以该外表的瞬时吸收速率，的外表分率乘以该外表的瞬时吸收速率，然后将一切外表单元的表达式相加得到。然后将一切外表单元的表达式相加得到。n虽然溶质浸透实际和外表更新实际可以反映出虽然溶质浸透实际和外表更新实际可以反映出气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时间间 和外表更新分率均不易获得，而且在实和外表更新分率均不易获得，而且在实践运用中会使过程的数学描画复杂化。所以，践运用中会使过程的数学描画复杂化。所以，目前对于很多实践过程的描画仍采用双膜实际，目前对于很多实践过程的描画仍采用双膜实际，这样可以使过程的数学描画简化，而计算

7、结果这样可以使过程的数学描画简化，而计算结果的误差也是可以接受的。的误差也是可以接受的。气气-液相反响过程及界面传送模型液相反响过程及界面传送模型n常见传质模型的比较气液反响根本方程气液反响根本方程n气液反响过程是传质与化学反响同时进展的过程。气相反响物从气相经过气液相界面向液相中传送，在液相中与液相反响物进展反响。在液相中反响组分的传送和化学反响同时进展，是一个并联过程。为了方便起见，采用双膜模型来处置问题。n气液反响过程的根底方程n根据双膜模型，组分首先从气相主体经过气膜向气液相界面分散，然后穿过气液界面向液膜分散；组分那么从液相主体向液膜分散，反响在液相中进展。整个反响过程的各步骤和组分

8、的浓度变化如下图。这里假设液相组分不挥发，所以不存在组分从相界面向气相分散的问题。假设气相为纯组分，那么气膜不存在。气液反响根本方程气液反响根本方程气液反响根本方程气液反响根本方程n气液反响过程的根底方程气液反响过程的根底方程n为了确定液膜内组分和的浓度分布，在液膜内离为了确定液膜内组分和的浓度分布，在液膜内离相界面相界面 处，取一厚度为处，取一厚度为dz的微元体。的微元体。n当过程到达定常形状时，单位时间内组分分散进入当过程到达定常形状时，单位时间内组分分散进入该微元体和从该微无体分散出来的摩尔数的差值，应该微元体和从该微无体分散出来的摩尔数的差值，应等于其中反响耗费的组分的摩尔数，即等于其

9、中反响耗费的组分的摩尔数，即dz)r(dzdzcddzdcDdzdcDA2A2AAAA气液反响根本方程气液反响根本方程n气液反响过程的根底方程气液反响过程的根底方程)aV(ckcdzdcaDcc zdzdc cc z ckc)r(dzcdDBckc)r(dzcdD AlBlAAA BlBlBAiABABABBBBAAAA002222边值条件：组分：对组分：对气液反响根本方程气液反响根本方程n在液相中，反响速率的大小与选用的吸收剂有关，主要有以下几种情况：1化学反响可忽略的过程：被吸收组分与吸收剂的活性组分间的反响速率足够缓慢而可忽略时，吸收过程可作为物理吸收来处置。2缓慢化学反响：反响在液流主

10、体进展。3快反响：反响在液膜中进展终了。4瞬间反响：反响在气液界面或液膜中某一平面上完成。气液反响根本方程气液反响根本方程n不可逆飞速反响不可逆飞速反响ALAGABBlAlBlAAiAAkkHcDDHpN)r(1气液反响根本方程气液反响根本方程n慢速反响n中速反响n中速反响不能像快速反响和慢速反响那样可以只用传质速率方程或动力学速率方程来表示气液反响的宏观动力学速率方程BLALALAckcdtdnV)r(1气液反响器气液反响器n 气液反响器的主要类型气液反响器的主要类型n填料塔，也叫填充床反响器填料塔，也叫填充床反响器n广泛用于拌有化学反响的气体吸收或净化过程。广泛用于拌有化学反响的气体吸收或

11、净化过程。n喷雾塔喷雾塔n液体经过该塔系将液体分散于气体中，气体为延续相，液体为分液体经过该塔系将液体分散于气体中，气体为延续相，液体为分散相。散相。n喷雾塔反响器适用于受气膜控制的瞬间快速反响过程喷雾塔反响器适用于受气膜控制的瞬间快速反响过程,特别是有固特别是有固体产物生成的情况。体产物生成的情况。n这种设备的构造简单，关键部件是塔顶的液相喷头，但运用范围这种设备的构造简单，关键部件是塔顶的液相喷头，但运用范围非常有限。非常有限。n板式塔板式塔n筛板塔板或泡罩塔板筛板塔板或泡罩塔板, 在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分散相为分散相,液体为延续相。

12、液体为延续相。n存液量较填料塔多。存液量较填料塔多。n板式塔反响器的气液传质系数较大板式塔反响器的气液传质系数较大,而且液相的轴向返混程度很小，而且液相的轴向返混程度很小，塔板上的温度也比较容易控制。但这种反响器的压降较大，气液塔板上的温度也比较容易控制。但这种反响器的压降较大，气液传质外表积也较小。传质外表积也较小。气液反响器气液反响器气液反响器气液反响器q鼓泡塔q塔内充溢液体，气体从塔底部经过气体分布器通入,分散成气泡，并沿着液层上升，在液层顶部与液体分别、溢出,最后从塔的顶部排走。q鼓泡塔反响器的优点是构造简单、造价低、易控制、易维修。如反响物料有腐蚀性,防腐问题易于处理。鼓泡塔也可以较

13、为容易地用于高压操作体系。q鼓泡塔反响器存在严重的液体返混和气泡聚并景象,这两者均使反响器的效率下降。q如在鼓泡塔反响器中装入填料，即所谓的填料鼓泡塔反响器,上述两个缺陷均得到抑制，但同时塔内的有效体积由于填料的装入而减小。近年来运用规整填料进展充填，有效体积有所添加。气液反响器气液反响器n揽拌反响器n剧烈的搅拌使反响器内的反响物料接近完全混合，对反响的转化率和收率有很大的影响。n在很多情况下采用多釜串联,用于改善反响系统的返混情况，但相应的造价大为添加。另外,搅拌反响器如用于高压系统，由于存在机械转动部分，密封问题是关键。 气液反响器气液反响器n选择时，应结合气液反响的特点,速率控制步骤和化

14、学反响的特性等进展综合调查。通常情况下,相界面积的大小和液含率的高低是选择气液反响器类型的主要技术目的,此外还要思索设备的投资，系统的返混情况和耐腐蚀情况等。总之,要权衡各方面的情况，根据详细要求选择最优的反响器型式。n假设化学反响在液膜内完成,过程为分散控制时，反响器的相界面积越大越有利，液含率的高低就变得不重要了。这时相界面积的大小,应是选择气液反响器时首先需求思索的要素。当化学反响和分散阻力两者都不可忽略时,就需求同时保证较大的相界面积和液含率。n假设过程为化学反响控制,而化学反响在整个液相中进展时，那么液含率的高低是首先需求思索的要素，液含率越高越好,相界面积的大小那么是次要的，这种情

15、况采用鼓泡塔反响器可以满足要求。当然采用搅拌反响器也是可以的,但假设系统需求在高压下操作、或反响物料有严重的腐蚀性或由于反响热效应大而需安装换热器时,搅拌反响器的运用就遭到了限制，而采用鼓泡塔反响器就很容易抑制上面的问题。 气液反响器气液反响器n 鼓泡塔反响器的设计鼓泡塔反响器的设计n传送参数传送参数n气体经过静止的液层所生成的小气泡，其外形气体经过静止的液层所生成的小气泡，其外形根本上是球形，且垂直上升。但随气泡的变大，根本上是球形，且垂直上升。但随气泡的变大，其外形变为椭圆形，螺旋上升。如再变大，那其外形变为椭圆形，螺旋上升。如再变大，那么成笠帽状垂直上升。反响器内是大小不等的么成笠帽状垂

16、直上升。反响器内是大小不等的气泡群，所以其性能不仅与气泡的平均直径有气泡群，所以其性能不仅与气泡的平均直径有关，而且与其分布有关。关，而且与其分布有关。n气泡大小的分布与气体分布器的构造、反响器气泡大小的分布与气体分布器的构造、反响器大小以及液体的物性等要素有关。大小以及液体的物性等要素有关。n假设气体的空塔速度假设气体的空塔速度 ug小于小于0.5 cm/s ，气泡，气泡大小主要取决出气孔的直径。但当大小主要取决出气孔的直径。但当 ug大于大于0.5cm/s 而小于而小于10 cm/s 时，气泡大小主要取时，气泡大小主要取决孔内气体的线速。决孔内气体的线速。u0g10 cm/s 时，影响时，

17、影响气泡大小的主要要素是液体的物理性质。气泡大小的主要要素是液体的物理性质。气液反响器气液反响器n鼓泡塔反响器的设计鼓泡塔反响器的设计n传送参数传送参数n气泡的相当直径可按下式估算气泡的相当直径可按下式估算n鼓泡塔内，单位体积气液混合鼓泡塔内，单位体积气液混合物中，气体所占的体积，叫做物中，气体所占的体积，叫做气含率，用气含率，用g 表示。表示。 g 可可用以下关联式计算：用以下关联式计算：n比相界面积比相界面积 可以经过气泡的可以经过气泡的相当直径及气含率求得，当然相当直径及气含率求得，当然也可根据相应的关联式得到。也可根据相应的关联式得到。n根据液体的物理性质及系统的根据液体的物理性质及系

18、统的流膂力学条件，可用下式获得流膂力学条件，可用下式获得鼓泡塔反响器内液侧的体积传鼓泡塔反响器内液侧的体积传质系数：质系数：气液反响器气液反响器n鼓泡塔反响器的设计鼓泡塔反响器的设计n传送参数传送参数n假设在反响器内装有换热器，流体与换热器壁假设在反响器内装有换热器，流体与换热器壁间的传热系数间的传热系数 视气液混合物处于鼓泡形状区视气液混合物处于鼓泡形状区还是泡沫形状区而有不同的关联式。还是泡沫形状区而有不同的关联式。n假设鼓泡塔的高度与直径比足够大，气相返混假设鼓泡塔的高度与直径比足够大，气相返混程度极小，可按活塞流处置。但是，液相的返程度极小，可按活塞流处置。但是，液相的返混普通就不一定可以忽略。大多数实验结果阐混普通就不一定可以忽略。大多数实验结果阐明，液相的返混取决于气体流速及塔径，根本明，液相的返混取决于气体流速及塔径，根本上与液体的流速及物理性质密度、粘度及外上与液体的流速及物理性质密度、粘度及外表张力等无关。液相返混程度可以液相的轴表张力等无关。液相返混程度可以液相的轴向分散系数向分散系数 Dal来表示，可按下式进展计算：来表示，可按下式进展计算：气液反响器气液反响器n 反响器的数学模型和计算反响器的数学模型和计算n在鼓泡塔反响器中气体为分散相，而液体为延续相。在鼓泡塔反响器中气体为分散相，而液体为延续相。这类反响器的设