反应工程第八章.ppt

1、1,第八章 气液相反应过程与反应器,8.1 概述 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。 实例：合成氨生产中除去CO2、H2S；乙烯通入含AlCl3的苯中合成乙苯；乙烯与氧通入PdCl2-CuCl2的醋酸水溶液制取乙醛；异丙苯氧气氧化制取氧化异丙苯。 热点：络合催化剂以及微生物化学工程用于废气治理。,2,气液反应的步骤： 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，在气液界面处溶解于液相； 2 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩散的同时与液

2、相中的B发生反应； 3 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界面； 4 产物C由气液界面扩散到气相主体。,3,基本理论：双膜理论 与物理吸收的差别在于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速率。,4,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。,5,根据双膜理论的物理模型，可以写出：,6,因此可以写成：,7,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

3、学的概念了。,L,8,则：,9,10,8.2 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）：,11,12,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。,13,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。,14,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-r

4、A视为0），与物理吸收相同。,15,中速反应 反应在液相主体与液膜中同时进行：,16,令 方程转变为：,17,继续推导：,18,恒大于1。 曲线下凹。 八田数决定了 ,0, 1 (0，cosh 1, / tanh 1),19,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。,20,cBi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。,G,L,pA,pAi,cBL,cAi,21,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。,22,反应面左侧，只有A

5、，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，亦为纯物理扩散。,23,解之，得： 反应面的位置：,24,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。,25,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。,26,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

6、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。,27,8.3 气液反应器,常见气液反应器类型,28,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。,29,30,填料层高度计算 取塔内微元高度dl对气相作物料衡算：,31,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

7、示：,32,代入前式可得：,33,kGA,kLA有经验公式可算。 气相为平推流操作。 由于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。,34,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，连续与半连续。 所谓半连续是指液体一次加入，达到反应要求后一次排出，而气相连续通过。 半连续鼓泡塔计算，假定： 气相流动为平推流，气体分压随高度呈线性变化。 液相在塔内为理想混合，物性参数不变。,35,取反应器内任意横截面对气相进行物料衡算： 输入输出=反应 鼓泡塔反应器适用于慢反应过程，全部反应发生在液相主体。,36,液相：,37,积分上式，得： 可以据此计算反