气液相反应器

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1、模块三 气液相反应器,任务一 气液相反应器特点及结构,项目五 气液相反应器,1.气液相反应是非均相反应过程。在气液相反应过程中，至少有一种反应物在气相，另一些反应物在液相，气相中的反应物传递至液相，并在液相中发生化学反应；有时反应物都存在于气相，一起传递到液相催化剂中进行化学反应。 2.由于气液相反应操作条件缓和，易于实现传质传热，以及高效液体催化剂的不断发展，使气液相反应器的应用日趋广泛。气液相反应既可用于生产化工产品，也可用于化学吸收过程，清除气体中的有害杂质，吸收难溶组分，回收有用物质。,一、气液相反应器的特点及工业应用,项目五 气液相反应器,气液相反应工业应用,项目五 气液相反应器,二

2、、气液相反应器的类型与特点,项目五 气液相反应器,1.气液相反应器的基本类型,为适应不同气液反应过程的反应和传递特征，工业上完成气液反应的设备有多种不同的类型和结构。 从外形上可以分为塔式和机械搅拌式反应器两类。 按气液接触的方式，这些反应器可分为三大类： (1)液膜型： 如填料塔、湿壁塔，在这类反应器里，液体呈膜状，气液两相均为连续相； (2)气泡型： 如鼓泡塔、板式塔、机械搅拌釜，在这类反应器里，液体为连续相，气体以气泡形式分散在液体中； (3)液滴型： 如喷洒塔、喷射反应器、文丘里反应器，在这类反应器里，气体为连续相，液体以液滴形式分散在气体中。,气液相反应器的类型,鼓泡塔反应器 鼓泡管

3、反应器 搅拌釜式反应器 膜式反应器 填料塔反应器 板式塔反应器 喷雾塔反应器 高速湍动反应器,项目五 气液相反应器,2.鼓泡塔反应器,项目五 气液相反应器,基本结构： （1）塔底部的气体分布器 （2）塔筒体部分 （3）塔顶部的气液分离器,广泛应用于液相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。例如，各种有机化合物的氧化反应、各种石蜡和芳烃的氯化反应、各种生物化学反应、污水处理曝气氧化和氨水碳化生成固体碳酸氢铵等反应，都采用这种鼓泡反应器。,(a) 并流式鼓泡塔 (b) 升液式鼓泡塔 (c) 安置水平多孔隔板的鼓泡塔 (d)填料鼓泡塔 1-筛板；2-填料,（1）鼓泡塔的各种类型,项目五 气液相

4、反应器,（2）鼓泡塔的各种热交换形式,(a) 夹套换热器 (b) 塔外换热器 (c) 蛇管换热器 1，4-挡板；2-夹套；3-气体分布器；5-塔体；6-塔外换热器； 7-冷却水箱,项目五 气液相反应器,（3）鼓泡塔反应器优点： 气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液反应层，保证了充足的气液接触面，使气液充分混合反应良好。 结构简单，容易清理，操作稳定，投资和维修费用低。 鼓泡塔反应器具有极高的储液量和相际接触面积，传质和传热效率高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况。 在塔的内、外都可以安装换热装置。 与填料塔比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。,缺点： 为了保证气体沿截面的均匀分布，鼓泡塔的

5、直径不宜过大，一般在2-3m以内。 鼓泡反应器液相轴向返混很严重，在不太大的高径比情况下可认为液相处于理想混合状态，因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化率。 鼓泡反应器在鼓泡时所耗压降较大。,3.鼓泡管反应器,项目五 气液相反应器,鼓泡管反应器由管接头依次连接的许多垂直管组成，在第一根管下端装有气液混合器，最后一根管与气液分离器相连接。,反应器中，既有向上运动的气液混合物，又有下降的气液混合物，而下降物流的流型变化有其独特的规律，下降管的直径较小，在其鼓泡流动时，气泡沿管截面的分布较均匀，但当气流速度较小时，反应器中某根管子会出现环状流，从而造成气流波动，引起总阻力显著增加，会使设备操

6、作引起波动而处于不稳定状态，因此气体空塔流速不应过小，一般控制在大于0.4m/s。 鼓泡管反应器适用于要求物料停留时间较短（一般不超过1520min）的生产过程，若物料要求在管内停留时间长，则必须增加管子的长度，但流动阻力会相应增大。此外，这种反应器特别适用于需要高压条件的生产过程，例如高压聚乙烯生产。 鼓泡管反应器的最大优点是生产过程中反应温度易于控制和调节。并因管内液体的流动属于理想置换模型，故达到一定转化率时所需要的反应体积较小，对要求避免返混的生产体系十分有利。,项目五 气液相反应器,4.搅拌釜式反应器,项目五 气液相反应器,釜内装有搅拌器，其主要作用是分散气体，并使液体达到充分混合，

7、由于搅拌造成的湍流，其传质系数比较高。 搅拌器的形式以圆盘形涡轮桨为最好。当液层高度与釜直径之比大于1.2以上时，一般需要两层或多层桨翼，有时桨翼间还要安置多孔挡板。 液体的停留时间可根据需要方便地调节，亦可采用液体间歇进料、气体连续进料的操作方式。 通过设置夹套或蛇管，或利用外部循环换热器，可方便地移出或供给反应热。 搅拌釜式气液相反应器的优点是气体分散良好，气液相界面大，强化了传质、传热，并能使非均相液体均匀稳定。 主要缺点是搅拌器的密封较难解决，在处理腐蚀性介质及加压操作时，应采用封闭式电动传动设备。达到相同转化率时，所需要反应体积较大。 搅拌釜式气液相反应器的结构简单，适应性较强，对小

8、规模生产过程较为适用。,项目五 气液相反应器,5.膜式反应器,项目五 气液相反应器,降膜式反应器是列管式结构。液体由上管板经液体分布器形成液膜，沿各管均匀向下流动，气体由下向上经过气体分布管分配进各管中，热载体流经管间空隙以排出反应热，因传热面积较大，故非常适合热效应大的反应过程。 液体在管内停留时间较短，必要时可依靠液体循环来增加停留时间。在采取气液逆流操作时，管内向上的气流速度应不大于57m/s，以避免下流液体断流和夹带气体。如采取气液并流时，则可允许较大气体流速。 降膜式反应器具有气体阻力小，气体和液体都接近于理想流动模型，结构比较简单，并具有操作性能可靠的特点。但当液体中掺杂有固体颗粒

9、时，其工作性能将大大降低。 膜式反应器中，气液相均为连续相，适用于处理量大、浓度低的气体以及在液膜内进行的强放热反应过程。但不适用于处理含固体物质或能析出固体物质及粘性很大的液体，因为这样的液体容易阻塞喷液口。,项目五 气液相反应器,6.板式塔反应器 与精馏过程所使用的板式塔基本相同，在塔板上的液体是连续相，气体是分散相，气液传质过程是在塔板上进行的。 板式塔反应器适用于快速反应及中速反应。 7.喷雾塔反应器 液体经由喷雾器被分散成雾滴喷淋下落，气体自塔底以连续相向上流动，两相逆流接触完成传质过程，具有相接触面积大和气相压降小等特点。适用于瞬间、界面和快速反应，也适用于生产固体的反应。 8.高

10、速湍动反应器 喷射反应器、文氏反应器等属于高速湍动接触设备，适用于瞬间反应。,项目五 气液相反应器,三、主要型式气液相反应器的特性及应用范围,液相 体积分率,项目五 气液相反应器,任务二 气液相反应器的生产原理,项目五 气液相反应器,（1）双膜理论基本点：,在气液相界面两侧，各有一定厚度的气膜和液膜，气膜和液膜内的物质传递方式是分子扩散； 扩散阻力全部集中在气膜、液膜内，而在气液相主体中物质传递方式是湍流扩散，不存在浓度梯度； 相界面的传质阻力可以忽略，气液达平衡，且服从亨利定律。,项目五 气液相反应器,双膜理论示意图,一、双膜理论,（2）组分A的扩散速率,（3）总传质系数与膜传质系数的关系,

11、项目五 气液相反应器,二、宏观动力学方程的建立,对于等温二级不可逆气液相反应,经历以下步骤： 气相反应物A由气相主体扩散到相界面，在界面上假定达到气液相平衡； 气相反应物A从气液相界面扩散入液相主体，并在液相内进行化学反应； 在液相主体内，液相产物沿浓度梯度下降方向扩散，气相产物则由液相主体扩散到相界面，再扩散到气相主体。 注：液相反应物B或催化剂不能挥发进入气相，只在液相中与A进行化学反应。,项目五 气液相反应器,（1）反应步骤,（2） 宏观动力学,包括传递过程在内的综合反应速率。 动力学控制：当传递速率远大于化学反应速率时，过程速率就完全取决于化学反应速率。 扩散控制：如果化学反应速率很快

12、，而某一步的传递速率很慢，过程速率就完全取决于该步的传递速率。 如果传递速率与化学反应速率数量级相同，则两者对过程速率均有显著影响。,项目五 气液相反应器,（3）五种反应类型,五种气液相反应,项目五 气液相反应器,极快反应 快速反应 中速反应 慢速反应 极慢反应,根据化学反应能力和扩散能力相对大小的不同分为,极快反应 快速反应 中速反应 慢速反应 极慢反应,气液相反应判据,项目五 气液相反应器,Hatta数可以作为气液相反应快慢程度的判据,式中 HaHatta数，又称八田数，无因次准数； CBL液相主体中组分B的浓度，kmol/m3； k反应速度常数。,Ha与Ha2标志着液膜反应能力与通过界面

13、的传质能力的相对大小，所以Ha与Ha2值可用来区分各种不同的反应情况： Ha2，表示液膜中进行极快反应和快速反应 0.02Ha4中速反应和慢反应 Ha0.02在液相整体中进行的极慢反应,项目五 气液相反应器,Ha与Ha2标志着液膜反应能力与通过界面的传质能力的相对大小，所以Ha与Ha2值可用来区分各种不同的反应情况： Ha2，表示液膜中进行极快反应和快速反应 为图中a，b，c，d。 0.02Ha4中速反应和慢反应，为图中e，f， g； Ha0.02在液相整体中进行的极慢反应，为图 中h。,项目五 气液相反应器, 极快反应,此时化学反应能力远远大于扩散能力，化学反应瞬间完成，液相中A、B不能同时

14、存在，化学反应仅在液膜内某个反应面上发生，与界面大小有关，和液体体积无关，此时，宏观速度取决于扩散速度，称扩散控制过程。,项目五 气液相反应器,（4） 五种反应类型分析,令,极快反应：, 1,极快反应的两种情况：,项目五 气液相反应器, 快速反应,化学反应能力低于极快反应，但仍比传质能力强，传质和反应均影响宏观速度，反应仍仅发生于液膜内。但由一个反应面伸展为反应区，反应区内A、B同时存在，反应区外的液面中，A、B不能同时存在。生产能力和界面大小及液膜体积有关，与液体总量无关，当极高时，反应区由相界面开始延伸到液膜内某个面为止。若假设在液膜内基本不变，二级反应可简化为拟一级反应。,项目五 气液相

15、反应器,快速反应：, 1,快速反应的两种情况：,项目五 气液相反应器, 中速反应,化学反应能力和扩散能力基本相等，化学反应在整个液膜内进行。未反应部分A扩散进液相中体，在液相主体中继续反应。生产能力不仅与相界面大小有关，还与液体体积有关。当足够高时，二级反应可简化为拟一级反应。,项目五 气液相反应器,项目五 气液相反应器,中速反应：, 1,中速反应的两种情况：,项目五 气液相反应器, 慢速反应,化学反应能力比扩散能力低，化学反应主要在液相主体中进行，此时为动力学控制 。,项目五 气液相反应器,慢速反应：, 1,二级反应动力学方程：, 极慢反应,化学反应能力远远小于传质能力，扩散阻力可忽略不计。

16、组分A和B浓度在整个液相中很均匀，反应发生在整个液相，过程为动力学控制，总速度等于化学反应速度，相当于液相均相反应。,项目五 气液相反应器,极慢反应：, 1,反应动力学方程：,三、气液相反应器的选择 可用于气液相反应过程的反应器类型较多，选择时一般应考虑以下因素。 （1）具备较高的生产能力 反应器形式应适合反应系统特性的要求，使之达到较高的宏观反应速率。在一般情况下，当气液相反应过程的目的是用于生产化工产品时，应考虑选用填料塔；如果反应速率特快，可以选用填料塔和喷雾塔；如果反应速率极快，同时热效应又很大，可以考虑选用膜式塔；如果反应速率极快而处于气膜控制时，以选用喷射和文氏反应器等高速湍动的反应器为宜；如果反应速率为快速或中速时，宜选用板式塔；对于要求在反应器内能处理大量液体而不要求较大相界面积的动力学控制过程，以选用鼓泡塔和搅拌釜式反应器为宜；对于