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1、2020 6 5 上海工程技术大学化学化工学院化学工程与工艺系 第八章气液反应过程及反应器 化学反应工程ChemicalReactionEngineering 2020 6 5 8 1概述8 2气液反应历程8 3气液反应器概述 2020 6 5 8 1概述 气液相反应和反应器广泛应用于石油 化工 轻工 医药和环境保护等生产过程在化工生产过程中 进行气 液相反应的目的主要有两个 1 得到某种产品2 净化气体以及废气和污水的处理气液相反应过程是伴有化学反应的传递过程 又称为化学吸收操作过程该过程涉及传质过程 反应过程和气液两相处理问题的方法不同于以往类型的反应 首先需要解决的问题是气 液相平衡 2
2、020 6 5 2020 6 5 2020 6 5 气液反应与气固相催化反应的异同相似点 1 反应物历程 外扩散 内扩散 反应 2 气相的扩散反应过程 3 气体在多孔介质内的扩散 气固相催化反应 4 溶解的气体在液体内的扩散 气 液相反应 差别点 1 单相传质过程 气固相催化反应 Vs相间传质过程 气液反应 2 对流传质VS孔扩散传质 2020 6 5 传质方向 2020 6 5 8 2气液反应历程 传质模型 双膜论Higbie渗透论Danckwerts表面更新理论双膜论 气液相界面两侧各存在一个静止膜 气膜 液膜传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率假设 扩散组分在气 液界面处达到气液相
3、平衡 2020 6 5 双膜论 由LewisWhitman提出 假定在气液相界面的两侧 各存在一个静止的膜 气侧为气膜 液侧为液膜 气液相间的传质速率取决于通过气膜和液膜的分子扩散速率 也就是说 传质阻力都集中在膜上 优点 简单 尤其是伴有化学反应时 它的处理最为简单 对较为复杂的反应系统 双膜论常能得到较为简单的结果 在气液反应中仍广泛使用 缺点 基本能够反映通过相间滞流层进行分子扩散传递这一事实 但在任何工业吸收设备中 绝对静止的膜是不存在的 因此双膜论可能不够真实 2020 6 5 渗透论 由希格比 Higbie 提出 该传质理论的主要观点是 处于界面的液体 由于流体的扰动常被液流主体的
4、质点所置换 当液体在界面逗留期间 溶解气体将借不稳定的分子扩散面渗透到液相 并假设处于界面的各液体单元都具有相同的逗留时间 2020 6 5 表面更新论 由Danckwerts首先提出 该理论主要针对渗透论中关于界面的各个单元的逗留时间都相同提出的 认为存在一个界面的寿命分布函数 界面各单元的逗留时间按表面更新率S的分布函数来分布 2020 6 5 常见传质模型的比较本教材中处理化学吸收问题均采用双膜理论 2020 6 5 A 气相 B 液相 产物 反应步骤 1 反应物气相组分A由气相主题扩散到气液相界面 在界面上假定达到气液平衡 2 由气相界面进入液相 3 反应物由相界面扩散到液相 4 反应
5、物在液相内反应 5 产物又高浓度向低浓度扩散 若为气相产物 则向界面扩散 再回到气相 2020 6 5 双膜论 2020 6 5 气膜传质速率 液膜传质速率 2020 6 5 设c 为与气相分压pG相平衡的液相浓度p 为与液相浓度cL相平衡的气相分压同时在界面处 ci Hpi 1 4 2020 6 5 2 3 得 综合以上步骤 2020 6 5 化学反应在相间传递中的作用 1 化学反应可忽略的过程 化学反应足够缓慢 被溶解的气体在液相中的反应量与物理吸收量相比可以忽略 即 液相反应量 物理溶解量设液相中进行的是一级不可逆反应 当吸收塔入口液相中不含被吸收组分时 设其中积液量为 液体流量为 20
6、20 6 5 当只考虑反应时 液相中单位时间的反应量应等于积液是与反应速率的乘积 而只考虑物理溶解时 单位时间的物理溶解量应等于液体的体积流量与浓度的乘积 因此 有 上式说明 当一级反应速率常数与逗留时间的乘积远小于是时 则可认为吸收过程可忽略化学反应 按纯物理吸收处理 2020 6 5 2 液相主体中进行缓慢化学反应过程 慢反应 有时 化学反应虽然缓慢 但由于某些原因 如液体逗留时间较长或反应条件较好 使得液相中的反应量较大 此时 液膜一般比液流主体的厚度小得多 借液膜远不能使缓慢的化学反应得以完成 而需扩散至液流主体进行反应 发生这种情况的条件是 液膜中的反应量 通过液膜扩散所传递的量 2
7、020 6 5 设化学吸收过程为一级不可逆反应 为液膜厚度 则液膜中被吸收组分的浓度可看作界面浓度 且由于反应量较大 液相主体的浓度认为趋于零 因此 M准数 它代表了液膜中化学反应速率与传递速率的相对大小 是判断反应在膜中进行还是在液相主体中进行的依据 2020 6 5 八田 Hatta 准数 八田准数是与气固催化反应thiele模数相对应的准数 两者 平方 的物理意义 反应速率与扩散速率的比值 准数数值大小的含义 M数值越大 反应越快于传质 传质速率越 跟不上 滞后于 反应速率 则 浓度分布越显著 2020 6 5 2020 6 5 2020 6 5 2020 6 5 2020 6 5 20
8、20 6 5 M准数判断反应快慢的依据 2020 6 5 2020 6 5 化学吸收的增强因子 气液反应和气固相催化反应都是 边扩散边反应 过程 但两者又各有特点 针对这些特点 理论上处理气液反应与气固相催化反应的方法也有异同 气 固相催化反应 内扩散有效因子 1又称为 内表面利用率vs 气液反应 同 液相反应利用率 相当于 1 气液反应 异 增强因子 2020 6 5 2020 6 5 反应速率越快 浓度分布曲线越弯曲 则 数值越来越大 2020 6 5 化学吸收增强因子 1 降低液相传质阻力所占比例 足够大时 总阻力将由气膜阻力所决定 2020 6 5 当气体净化时 着眼点为气体向液相的传
9、质速率 用 当制取产品时 着眼点为气液反应的速率 用 2020 6 5 值的大小是对液相利用程度的一种度量 1表示化学反应在整个液相中均匀进行 1表示反应在液相中不均匀 液相利用不充分 因此 称为液相利用率 液相反应利用率 气液反应有效因子 2020 6 5 气液反应分类及描述 1 极快反应 瞬间反应 1 A和B反应速率远大于A和B由液膜两侧向膜内的传质速率 2 化学反应在瞬间完成 A B不能共存 3 化学反应只在液膜内进行 且只在一个反应面上发生 4 反应速度与界面大小有关 与液体体积无关 5 为扩散控制过程 气膜传质控制 2020 6 5 CB 气膜 液膜 相界面 PA 反应面 B 瞬间反
10、应 CB高 反应面在相界面上 2020 6 5 2 快反应 1 A和B之间的化学反应速率大于A和B由在液膜中的传质速率 以致通过相界面溶解进入液相的A全部在膜内的某个反应区内反应完全 2 反应在液膜内的反应区内进行 反应区外 A B不能共存 3 反应速率与界面大小及液膜体积有关 4 传质和化学反应均对宏观速率产生影响 2020 6 5 2020 6 5 3 中速反应 1 A和B之间的化学反应速率与A和B由在液膜中的传质速率相当 2 反应在液膜及液相主体中进行 3 反应速率与相界面面积和液相体积有关 2020 6 5 2020 6 5 4 慢反应 1 反应主要发生在液相主体 但在液相主体的反应速
11、率大于A在液膜内的传质速率 不能忽略液膜内的传质阻力 2 反应速率与液相体积有关 2020 6 5 2020 6 5 5 极慢反应 1 A和B之间的反应速率远较A由相界面通过液膜向液相主体的传质速率慢得多的气液相反应 此时A传质阻力可忽略不计 2 反应发生在液相主体 3 宏观速率等于反应速率 为动力学控制 2020 6 5 2020 6 5 8 4气液反应器概述 工业生产对气液反应器的要求 1 较高的生产强度 2 有利于反应选择性的提高 3 有利于降低能量消耗 4 有利于反应温度的控制 5 应能在较少流体流率下操作 2020 6 5 1 较高的生产强度 a 气膜控制情况 H很大 气相容积传质系
12、数大的反应器 液体高度分散 气体高速湍动 可选用喷射 文氏等反应器 b 快速反应情况 M准数远大于1 反应基本上是在界面近旁的反应带 液膜 中进行 要求反应器 表面积较大 具备一定的液相传质系数 可选用填料反应器和板式反应器 c 慢速反应情况 M准数远小于1 反应基本上是在液相主体中进行 要求反应器 液相反应容积较大 可选用鼓泡反应器 搅拌鼓泡反应器 2020 6 5 2 有利于反应选择性的提高 平行副反应 如主反应快于副反应 则采用储液量较少的反应设备连串副反应 返混较少的反应器 或半间歇 3 有利于降低能量消耗反应热的回收 压力能的回收 分散液体所需要的动力 4 有利于反应温度的控制降膜
13、板式塔 鼓泡塔 易 填料塔 难 5 应能在较少流体流率下操作填充床反应器 降膜反应器和喷射反应器有限制 2020 6 5 气液反应器的型式和特点 2020 6 5 1 填充床反应器 packedcolumnreactor 用于气液反应时 也可以并流操作 2020 6 5 2 板式反应器 traycolumnreactor 2020 6 5 3 降膜反应器 fallingfilmreactor 2020 6 5 4 喷雾反应器 spraycolumnreactor 2020 6 5 5 鼓泡反应器 bubblecolumnreactor 空心式多段式环流反应器 气提式 内环流 外环流液喷式 2020 6 5 空心式 乙烯氧化制乙醛对二甲苯 PX 氧化塔 产品为PTA 塔式 管式 列管式 2020 6 5 空心式 塔式 管式 列管式气液鼓泡反应器 2020 6 5 多段式 2020 6 5 内环流 环己烷氧化塔 生成环己酮 己内酰胺 可用环烷酸钻催化 2020 6 5 6 搅拌鼓泡反应器 agitatedtankreactor 强制分散自吸分散表面充气分散 2020 6 5 7 高速湍动反应器 如 venturireactor
