第八章 气液相反应过程与反应器

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,0:11dddd1ddccttcctSVVVSVcckcSVtcckVStNVtcii4•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：AAAAAA01ddYYHlYYlrlYF5•上式的关键是YA与-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：•1A从气相主体向气液界面扩散；•2A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：ScHpkkHScHpkHktncHpkDScckSccDtnkDSppkSppDtniiiiiiALAALAGAAALAALAAGAAAAALALLAALALAALALLAAGAGGAAAGAAAGGAA11111dd)()(dd)()(dd由以上两式可以推得：‘相界面处达到平衡’根据亨利定律，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)()(ddKKkkHKkHkKScHpKScHpKtn11•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。'LLδGδLpApAicAcAiδ'L12•则：化学增强因子:''''''ddddLLLLLALLLLALLALAALALAAAAAAAGAAkDDkccSktncHpppSktniiii13一个化学增强因子。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LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAA11111)()(')(ddKKkkHKkHkKScHpkScHpkScHpktn14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）：1516•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。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。δGδLpApAicBcAcAi19•中速反应•反应在液相主体与液膜中同时进行：20•令•方程转变为：八田数膜内转换系数前有:LLALALALALA2LDkkkDDkshsh1sh,1,0ddALAAAAAAA22A2zczcccczcczczciLi此方程的解为：21•继续推导：ALAALAALAALAALALAALALLAALALLA0ALAAALAAchthchthchshchshchddddshch1chddccccccccccSkccSDccSDlcSDtnzczczciiiiiiili因此：22•β恒大于1。•曲线下凹。•八田数决定了β,γ0,β1(γ0，chγ1,γ/thγ1)0dd2A2lcALAALAchthcccciiLA2LDkδGδLpApAicBcAcAidl23•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。δGδLpApAicBLcAi25•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。δGδLpApAicBLcAi反应面δR26•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，亦为纯物理扩散。iiclccclccllcARAiAARAA2A20,,00ddBLBLBR2B2,0,0ddcclcllc27•解之，得：•反应面的位置：RRLBLLRRBLRLBLB－－＝－－lcclccBLLALBRLRBAALALBRLBLBARABLBBAALAddddcDDcDDcclcDlcDii－－28•β代表了反应面的位置，β=1，反应面在液膜位置上，β，反应面与气液界面重合。iiiicckkccDDccDDDDccABLLALBBAABLLALBBAABLLALBBARLLALBRLBLBARA1111－29•β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LLB00pDDkkcpkcD30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。δGδLpApAicBL临cBLcBLcAi31•气液反应动力学小结•两个重要参数：化学增强因子β和八田数γ。β=f(γ，cAi,cAL),γ=f(k,DALδL)•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δL。•强化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小δL。•当然还与气相传递特性有关。32•γ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：•γ2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。•0.02γ2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。•γ0.02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。uVdπ4内3512A12AAtAAAthmkmol:ddhmkmol:ddddddtnFYFtnAtnYYFAFYAAt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：•σ为填料比表面。•气相中的A分压用比摩尔分率表示：ldSd4π2内AAA1YYPp总SkHkcHptnLAAGAALAAA1ddALALAAAGAAddccSkppSktnii37•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：＋AAAALAAGA2AAAALAAGA2ln1π40d114πdYYYYkHkPdFHYYHlYYlYYYkHkPdFlA38•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。•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。40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。ldlYA出F,YA入出进边界条件：AAAAAAtAAAtAt01ddd1dYYHlYYlrlYFlArYYFAFYA