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1、第六章气液相反应过程与反应器 胡廷平武汉工业学院化学与环境工程系 内容提要 8 1概述8 2气液反应动力学8 3气液反应器 8 1概述 气液反应过程 气相中组分必须进入液相中才能进行反应的过程气相 气相气相 液相至少有一反应组分是气相 反应在液相中进行 气相无反应 应用范围 1 制取化工产品 2 除去气相中有害组分 3 尾气回收有用组分 8 1 1气液反应步骤 气相中反应组分由气相主体透过气膜扩散到气液界面 2 组分进入液相后通过液膜扩散到液相主体 3 在液相中与其它组分进行反应生成产物 4 产物由液相主体透过液膜扩散到气液界面 5 产物由气液界面透过气膜扩散到气相主体 传递过程 化学反应过程
2、 回顾气固相催化反应过程的步骤 8 1 2气液相际传质关系 气膜传质方程 液膜传质方程 相界面平衡方程 物理吸收过程 KAG为气相总传质系数 化学吸收过程 当液相中反应物A尚存在化学反应 液膜较纯物理过程的液膜薄 称为化学增强因子 有化学反应过程吸收过程传质方程式 气液反应过程与物理吸收过程相比 仅差一化学增强因子 8 2气液反应动力学 8 2 1气液反应过程的基础方程 假设 气相A组分与液相B组分的反应过程按双膜模型进行 2 B组分不挥发 不存在B组分向气相扩散 模型图 推导 化学反应式 取体积元 S 1 dL 进行组分A微分衡算 在体积元 S 1 dL 内 进行组分B微分衡算 边界条件为
3、边界条件不同求解二阶常微分方程 相界面 气膜 液膜 Z 反应面 PAG PAI CAI CB 1瞬时反应反应面和相界面不重合反应面在液膜内 相界面 反应面 气膜 液膜 PAG CB 2瞬时反应CB过大反应面在相界面上反应面与相界面重合 气相主体 液相主体 相界面 气膜 液膜 Z L 反应区 PAG PAI CAI CB 3快速反应无反应面 只有反应区反应区在液膜内反应物A B均在液膜内消耗完毕 相界面 气膜 液膜 L 反应面 PAG PAI CAI CB 4慢速反应反应面和相界面不重合反应在液膜内及液相主体 相界面 气膜 液膜 L PAG PAI CAI CB 5中速反应反应面和相界面不重合反
4、应主要在液相主体 相界面 气膜 液膜 L PAG PAI CAI CB 6极慢速反应在液相主体的均相反应 G CA 6 2 2极慢反应过程 极慢速反应 指A组分由气相主体向气液界面扩散的速率以及A组分由气液界面向液相主体的扩散速率远远大于A组分在化学反应过程中的消耗速率 类似于液相均相反应过程 由此 为何值没有意义 6 2 3慢反应过程 化学反应在液相主体 在液膜内的反应可以忽略 即在液膜内仅发生A组分的扩散过程 与物理吸收相同 基础方程及边界条件 求解方程得 由此可得 1 6 2 4中速反应过程 反应不仅发生在液膜内 而且在主体相中也存在化学反应 边界条件 对于一级化学反应 膜内转换系数 八
5、田准数 比较传质方程 6 2 5快速反应过程 反应仅发生在液膜内 A组分在液膜内全部被反应掉 在液相主体没有组分A 在液相主体没有化学反应 边界条件 基础方程 求解方程 对于一级反应 6 2 6瞬时反应过程 瞬时反应反应面和相界面不重合反应面在液膜内组分A B均在液膜内消耗完 瞬时反应 CB过大反应面在相界面上反应面与相界面重合 A组分与B组分之间的反应进行极快 以致在液相中A组分与B组分不能共存 在液膜区存在一反应面 在此液面上A B组分浓度为0 边界条件 基础方程 对于一级反应 在0 l R的液膜区内 液膜中仅有A组分而B组分 在 R l L的液膜区内 液膜中仅有B组分而A组分 基础方程
6、边界条件 联合求解方程 临界浓度 在A组分浓度 分压 降低或B组分浓度增加时 反应面向相平衡界面移动 最终两界面会重合 此时的B组分浓度称该A组分分压下的临界浓度 在相界面处A B组分浓度均为0 若CBL大于CBL0 在相界面没有A 但有组分B 反应仍在相界面上 此时PAI 0 6 2 7气液反应过程的重要参数 化学增强系数 膜内转换系数 八田准数 气液反应过程的重要参数 1化学增强系数 瞬时反应 快速反应过程 中速反应过程 慢反应过程 极慢反应过程 2膜内转换系数 八田准数 对于一级反应 膜内转换系数反映出液膜内进行反应的那部分量占总反应量的比例 可以用于判断反应快慢的程度 8 3气液反应器
7、 8 3 1工业常用反应器概述 1 较高的生产强度反应系统的特性选择反应器 使反应器具备较高的生产强度 1 气膜控制 选择气相容积传质系数大的反应器 例如喷射塔和文丘里反应器 2 快速反应 反应在界面附近的液膜中进行 选择表面积较大 而且较大的反应器 例如填料塔和板式反应器 3 缓慢反应 反应在液流主体中进行 应选择液相容积大的设备 例如鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器 8 3 1 1工业生产对气液反应器的要求 2 有利于提高反应选择性对于多重反应 选择的反应器要有利于主反应 而要抑制副反应 例如对于平行反应 主反应快而副反应慢 则要选择储液量较少的反应器来抑制副反应的发生 3 有利于降低能耗为了使
8、气 液两相分散接触 需要消耗一定的动力 喷射吸收器所需的能耗最小 其次是搅拌反应器和填料塔 文氏管和鼓泡反应器所需的能耗最大 4 有利于控制反应温度气液反应大部分是放热反应 如何排除反应热控制好操作温度是十分重要的 例如板式塔可以安置冷却盘管 但在填料塔中 排除反应热就比较麻烦 通常只能提高液体喷淋量把湿热带走 但动力消耗大量提高 5 能在较小液体流率下操作液体流率小 液相转化率高 动力消耗也小 但液体流率的大小应符合反应器的基本要求 1 填充床反应器填充床反应器具有操作适应性好 结构简单 能耐腐蚀等优点 广泛应用于带有化学反应的气体净化过程 适用于快速和瞬间反应过程 2 板式反应器板式反应器
9、可以将轴向返混降低至最小程度 在单塔中获得极高的液相转化率 并可安装冷却或加热元件 维持所需的温度 适用于快速和中速反应过程 3 降膜反应器降膜反应器具有压降小和没有返混的优点 适用于快速和瞬间反应过程 但降膜管的安装垂直度要求较高 液体成膜和均布是降膜塔的关键问题 4 喷雾反应器喷雾反应器由空塔构成 适用于有污泥 沉淀和固相产物的反应过程 适用于受气膜控制的瞬间反应 8 3 1 2气 液反应器的型式和特点 工业常见气液反应器型式 5 搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器适用于高粘度的非牛顿型液体 例如广泛应用于发酵工业和高分子材料工业 一般为慢速反应过程 6 鼓泡反应器鼓泡反应器具有较高的储液量 适用于慢反应 轴向返混严重 常采用半间歇操作和多级串联操作 7 高速湍动反应器喷射反应器 文氏反应器 湍动浮球反应器等属于高速湍动反应器 适用于气膜控制的瞬间反应过程 8 3 2气液反应器的设计计算 略
