气液反应过程及反应器

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1、第八章第八章 气液相反应过程及反应器气液相反应过程及反应器8.1 8.1 概述概述8.2 8.2 气液传质理论气液传质理论8.3 8.3 气液反应宏观动力学方程气液反应宏观动力学方程8.4 8.4 气液相反应器气液相反应器8.1 8.1 概述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环境保护等生产过程在化工生产过程中，进行气在化工生产过程中，进行气- -液相反应的目的主要有两个：液相反应的目的主要有两个：1 1）得到某种产品）得到某种产品2 2）净化气体以及废气和污水的处理）净化气体以及废气和污水的处理气液相反

2、应过程是伴有化学反应的传递过程，又称为化学吸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收操作过程该过程涉及传质过程、反应过程和气液两相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题是气- -液相平衡液相平衡 气气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型：液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型： （1）化学吸收：）化学吸收： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品）制取化工产品a.b.c.（淤浆床）（淤浆

3、床）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 A: C=5mol/l C=3mol/l B: C=5mol/l C=3mol/l?GasGasporousSolidLiquid传质方向8.2 8.2 气液传质理论气液传质理论传质模型传质模型:1、双膜模型、双膜模型2、Higbie渗透模型渗透模型3、Danckwerts表面更新模型。表面更新模

4、型。 。1、 双膜模型双膜模型 1924年由年由Lewis和和Whitman提出。提出。基本论点：基本论点：（1）气液界面的两侧分别有一呈层流流）气液界面的两侧分别有一呈层流流动的气膜和液膜，膜的厚度随流动状态动的气膜和液膜，膜的厚度随流动状态而变化。而变化。（2）组分在气膜和液膜内以分子扩散形）组分在气膜和液膜内以分子扩散形式传质，服从菲克定律。式传质，服从菲克定律。（3）通过气膜传递到相界面的溶质组分）通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间溶于液相且达到平衡，符合亨利定瞬间溶于液相且达到平衡，符合亨利定律，相界面上不存在传质阻力。律，相界面上不存在传质阻力。（4）气相和液相主体内混合均匀，不存

5、）气相和液相主体内混合均匀，不存在传质阻力。全部传质阻力都集中在二在传质阻力。全部传质阻力都集中在二层膜内，各膜内的阻力可以串联相加。层膜内，各膜内的阻力可以串联相加。双膜模型解释反应过程示意图双膜模型解释反应过程示意图GLMain body of gas气膜气膜 液膜液膜PGpiCLCi扩散系数与扩散尺度的比值扩散系数与扩散尺度的比值传质系数阻力的倒数传质系数阻力的倒数双膜理论气膜传质速率：气膜传质速率：液膜传质速率：液膜传质速率： 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):(2)+(3)得：综合以上步骤： 2 2

6、、渗透模型、渗透模型 由希格比（由希格比（HigbieHigbie）提出。）提出。该传质理论的主该传质理论的主要观点是：处于界面的液体，由于流体的扰要观点是：处于界面的液体，由于流体的扰动常被液流主体的质点所置换，当液体在界动常被液流主体的质点所置换，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。单元都具有相同的逗留时间。 3 3、表面更新模型表面更新模型 由由DanckwertsDanckwerts首先提出。首先提出。该理论主要针对渗该理论主要针对渗透

7、论中关于界面的各个单元的逗留时间都相透论中关于界面的各个单元的逗留时间都相同提出同提出 的，认为存在一个界面的寿命分布函的，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数，界面各单元的逗留时间按表面更新率S S的分布函数来分布。的分布函数来分布。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。 气液相反应是传质与反应过程的综合，其宏观反应速率取决于其气液相反应是传质与反应过程的综合，其宏观反应速率取决于其中速率最慢的一步，即控制步骤。中速率最慢的一步，即控制步骤。 如反应速率远大于传质速率，则称为传质控制（气膜或液膜扩散控如反应速率远大于传质速率，则称为传质控制（

8、气膜或液膜扩散控制），宏观反应速率在形式上就是相应的传质速率方程。制），宏观反应速率在形式上就是相应的传质速率方程。 如传质速率远大于反应速率，称为反应控制，宏观反应速率就等于如传质速率远大于反应速率，称为反应控制，宏观反应速率就等于本征反应速率。本征反应速率。 如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时考虑传质和如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时考虑传质和反应的影响。反应的影响。 了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选型的重要依了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选型的重要依据。据。8.3 8.3 气液反应宏观动力学方程气液反应宏观动力学方程一、气液相

9、反应的类型一、气液相反应的类型A A（气相）（气相）B B（液相）（液相）产物产物反应步骤：（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）反应物在液相内反应；（5）产物从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。气液相反应的类型气液相反应的类型 根据反应速率相对快慢，分为以下根据反应速率相对快慢，分为以下5种类型。种类型。（1）瞬间反应：本征反应速率远大于传质速率的反应）瞬间反应：本征反应速率远大于传质速率的反应 瞬间反应属扩散控制，反应阻力来自于气相及液相传质阻力。瞬间反应属扩散

10、控制，反应阻力来自于气相及液相传质阻力。（2）快速反应：本征反应速率大于传质速率）快速反应：本征反应速率大于传质速率 快速反应的反应区在液膜内，反应阻力来自于传质阻力及动力学阻力，但传质阻力占主要。 （3）中速反应：本征反应速率与传质速率相当，反应从液膜内某一）中速反应：本征反应速率与传质速率相当，反应从液膜内某一位置开始，蔓延到液相主体。位置开始，蔓延到液相主体。中速反应的阻力主要来自传质及动力学阻力。中速反应的阻力主要来自传质及动力学阻力。（4）慢速反应：本征反应速率小于传质速率，反应主要在液相）慢速反应：本征反应速率小于传质速率，反应主要在液相主体内进行。主体内进行。慢反应的阻力主要来自

11、动力学阻力。慢反应的阻力主要来自动力学阻力。（5）极慢反应：本征反应速率远小于传质速率的反应）极慢反应：本征反应速率远小于传质速率的反应极慢反应完全在液相主体内进行，反应的阻力完全来自动力学阻力。极慢反应完全在液相主体内进行，反应的阻力完全来自动力学阻力。属动力学控制。属动力学控制。 气液反应的宏观速率：二、气液相反应宏观反应速率方程二、气液相反应宏观反应速率方程对于气液反应由于气液相反应依靠界面传质，因而受单位体积液相具有的界面积影响。定义： - 单位气液混合物容积中的相界面积。 m2/m3 - 气液两相的液含量。GLpApAicBLcALcAi (1) 区：反应物A首先从气相主体在气膜中扩

12、散到界面，这个过程为纯物理过程 扩散量为: .(1) (2) 区：反应物A从界面经过液膜，这个过程为物理扩散与化学反应同时参于。化学反应使A的浓度降低，增强了物理扩散效果，引入一参数对物理扩散修正。 化学增强因子： E 物理意义：伴有化学反应时A在液膜内传质系数与A在纯物理吸收时液膜传质系数之比，它表示了化学反应对传质速率的影响。这时扩散量为： .(2) (3) 区：A组分通过液膜后进入液相主体内进行化学反应。 化学反应量为: .(3)对于一个气液反应，当传质与反应达平衡时的速率即为宏观反应速率。此时有：气膜传质速率 = 液膜传质速率 = 液相主体反应速率 由亨利定律 ： 代入上式化简得： 下

13、面将具体讨论化学增强因子E的计算： E的意义类似气固相反应中的催化剂效率固子 , 与席勒模数 有关。 对于气液相反应中增强因子E也与气液相席勒模数 有关。 增强因子E是 的函数，经推导有： 其中： 为瞬间反应的增强因子 E与 取值有关，可有关联图求出。以下可化简计算：（1）当 ： 可按瞬间反应处理。 （2）当 ： 可按快速反应处理。（3） 当 ：E按上面公式试差计算或查图。（4）当 ： E=1.0 可按慢反应处理。 气液相席勒模数 的物理意义不同反应的类型可以由 判断：（1）当 30 时，瞬时反应。反应区在界面，反应阻力 可忽略不计。（2）当 3 时，快速反应。反应区在液膜内，反应阻力 可忽略

14、不计。（3）当 0.2 3时，中速反应。反应区直至液膜过界，有部分进入液相。（4）当 0.2时，慢反应。反应区在液膜及液相主体中。（5）当 0.02时，极慢反应。反应区完全在液相主体中，总传质阻力可忽略不计，8.4 8.4 气液相反应器 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（1）较高的生产强度（a)气膜控制情况 气相容积传质系数大的反应器： 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 反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行，要求

15、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 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（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、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。气液反应器的型式和特点反应器类型反应器类型气相气相液相液相举例举例气

16、泡型气泡型 分散连续鼓泡反应器板式反应器液滴型液滴型连续分散喷雾反应器文氏反应器液膜型液膜型连续膜状连续填料反应器降膜反应器液环流型液环流型 分散连续重力循环型反应器气液反应器气液反应器有许多类型，常见的有：（1 1）填料反应器（）填料反应器（packed column reactor)packed column reactor)LLGG用于气液反应时，也可以并流操作用于气液反应时，也可以并流操作（2 2）板式反应器）板式反应器(tray column reactor)(tray column reactor)LLGGLLGG（3 3）降膜反应器）降膜反应器(falling film reac

17、tor)(falling film reactor)（4 4）喷雾反应器）喷雾反应器(spray column reactor)(spray column reactor)LLGG（5 5）鼓泡反应器）鼓泡反应器(bubble column reactor)(bubble column reactor)LLGG空心式空心式多段式多段式环流反应器：环流反应器：气提式：内环流，外环流气提式：内环流，外环流液喷式：液喷式：空心式：空心式：乙烯氧化制乙醛乙烯氧化制乙醛对二甲苯（对二甲苯（PXPX）氧化塔（产品为）氧化塔（产品为PTAPTA）塔式、管式、列管式塔式、管式、列管式LLGGLLGG空心式：空心式：塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器LLGGG多段式：多段式：GGG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）（6 6）搅拌鼓泡反应器）搅拌鼓泡反应器(agitated tank reactor)(agitated tank reactor)强制分散强制分散自吸分散自吸分散表面充气分散表面充气分散（7 7） 高速湍动反应器高速湍动反应器( (如：如：venturi reactor)venturi reactor)