第七章气 液反应及反应器课件.ppt

第六章气液反应及反应器,概述在化学工业中，气液反应广泛应用于:加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程。气体的净化、废气及污水的处理常用气液反应。 有机物氧化 有机物氯化 有机物加氢 其他有机反应 酸性气体的吸收（合成气的净化） 废气及污水的处理,一、气液反应 的定义 气液反应是气相中的反应组分A越过相界面进入液相，和液相中的组分B进行的反应。反应过程如下：A（液相）B（液相）,产物,A（气相）,1.反应特点1）反应物:气体A和液相中组分B;2）反应区在液相内，包括相界面；3）多相反应:反应过程由传递过程和化学反应组成；4）存在两种平衡:包括相平衡和化学反应平衡：,2.反应目的1）净化原料气(通常叫化学吸收)例如：,2）制取产品,例如：CO2和氨水反应制取碳酸氢铵，乙烯氧化制乙醛，硫酸吸收SO3制发烟硫酸等。,二、气液反应与气固相催化反应的异同相似点： 反应物历程：外扩散，内扩散反应。气相的扩散反应过程：气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应）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）孔扩散传质VS对流传质,A: C=5mol/l C=3mol/l B: C=5mol/l C=3mol/l,?,?,传质方向,Gas,Gas,porousSolid,Liquid,气固相催化反应,气液相反应,气液反应的相平衡包括气液相平衡和化学反应平衡。先讨论相平衡,设气相中组分i溶解于液相中，气液相达平衡时，i组分在气相与液相中的化学位相等。化学位通过逸度表达时，则,式中： 分逸度； i的摩尔分率；i的逸度系数,第一节气液反应平衡,稀溶液符合享利定律：,若气相为理想气体的混合物：,第二节 气液反应历程,气液反应的通式为:,气液反应包括传质过程和化学反应过程。 气液反应较早主要用于化学吸收，故气液反应一般称之为化学吸收，其反应速率称之为化学吸收速率。,一、气液相间物质传递,传质模型: 双膜论 Higbie渗透论 Danckwerts 表面更新理论,2) 气液相间阻力 假定气液相主体浓度不变。 气液间阻力主要集中在气膜和液膜内，,（一）双膜论,3）界面平衡 气液两相在界面上达到平衡。4）传质速率:气液相间传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率 气相一侧：传质速率稳定的分子扩散速率 液相一侧：传质速率稳定的分子扩散速率,双膜理论,G L,pG,pi,CL,Ci,2、计算公式,气相主体,液相主体,双膜理论的有关计算公式,阻力加和定理,消去Ci和pi,消去Ci和pi,上式各式中各符号的意义,与液相浓度CL相平衡的气相分压，Mpa或atm,与气相分压PG相平衡的液相浓度,kmol/m3,分别为气膜和液膜的有效厚度，m,气相传质分系数，kmol(m2hMpa ),液相传质分系数,mh(m3m2h),组分在气相和液相中的分子扩散系数，cm2s,3、优缺点,1）数学处理简单；2）膜厚不可能为定值。 针对双膜论的缺点，先后提出了溶质渗透论（1935）、表面更新论（1954）和湍流传质论（1955）等。,（二）溶质渗透论,溶质渗透论 ：把过程看成是向半无限静止液体中进行的不稳定扩散。目前普遍认为气相一侧的传质过程可用双膜论描述，界面上达到平衡。 渗透论较为精确，但数学计算复杂；双膜论数学计算简单，结果和渗透论相近，工程计算中一般用双膜论；表面更新论和湍流传质论目前停留在理论阶段,二、气液反应模型（反应和传质全过程）,对气液反应A（液相）bB（液相）产物 A（气相）范克雷文论和霍夫蒂泽尔（Van.KreveLen,Hoftiper）在双膜论的基础上提出了等温扩散反应膜模型。气液相反应的全过程，经历以步骤：稳定的分子扩散：气相反应物A从气相主体通过气膜传递到气液相界面，并且在相界面上达到气液平衡，PAGPAi； 气相反应物A自气液相界面向液相传递；气相反应物A在液膜或液相主体中与液相反应物B发生化学反应；反应生成的液相产物留在液相中，而气相产物则向相界面扩散；气相产物自相界面通过气膜向气相主体扩散。以上5个步骤构成了一个扩散反应过程 ，反应与传质之间互相影响，互相制约。,三、化学反应在相间传递中的作用,按化学反应和传递的相对大小区分为各种情况以液相中进行一级不可逆为例：1、化学反应可忽略的过程液相中的反应量与物理吸收的量相比可忽略即：液相中反应量物理溶解量,式中 V反应器中积液量； QL液体流量。,为液体在反应器中的停留时间。,对于一级不可逆反应，当k1t大大小于1时，化学反应的作用可忽略不计。,2、液相主体中进行缓慢化学反应过程（慢反应）液膜中的反应量远小于通过液膜传递的量,M准数：代表了液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小,对于一级不可逆反应，以最大值比较则有,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或数值越大：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。,G L,pG,pi,CL,Ci,准数数值大小的含义：M数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,（或）准数数值大小的含义：,3、准数M的判据,M准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小,快反应,慢反应,瞬间反应,中速反应,4、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 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)气液反应（异）：增强因子,化学吸收的增强因子,1,反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，则数值越来越大。,化学吸收的增强因子：以界面为基准的化学吸收速率NA和基准物理吸收速率NA之比值称之为化学吸收增强因子。则： NA NA,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,第三节气液反应动力学特征（气液反应宏观动力学）,一、伴有化学反应的液相扩散过程讨论气体在液膜中边扩散边反应的过程,通过“扩散反应”方程来确定浓度分布，进而确定化学吸收增强因子,扩散入扩散出反应,微元,液膜,则有：,边界条件,注意，化学吸收速率为：,所以，解出扩散反应方程之后，就能得出化学吸收速率（实际就是气液反应的宏观动力学）,二、一级不可逆反应,反应扩散方程,将此方程进行无因次化,方程的解:,它代表了单位传质表面的液相容积（或厚度）与液膜容积（或厚度）之比,液相反应利用率（气液反应中有效因子）,有内扩散影响时的反应速率,无内扩散影响时的反应速率,CAi,CAL,CAL,CAi,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；说明反应越慢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）,一级不可逆反应的特例：,当反应速率很大，在液膜中反应完毕（在液膜内完成的快速反应）虽尚未达快速反应，但从液膜中扩散至液相主体的A组分在主体中反应完毕（中速反应）反应速率很小，反应在液相主体中进行（缓慢反应）,当反应速率很大，在液膜中反应完毕,可见：对于快速反应过程，反应在邻近相界面的液膜层中进行，吸收速率仅决定于速率常数、扩散系数和界面浓度。故：加剧液相对流、湍动不能增加吸收速率；改善反应条件、提高界面浓度、增大接触面积则能有效提高吸收速率。,中速反应（CAL0的情况）,很大，意味着积液量大,具有充足的反应空间。,反应速率很小，反应在液相主体中进行。,液相反应速率与液膜传质速率的比值,对慢反应过程，反应基本上在液相主体中进行，采用液相容积大的吸收设备比较有利。,反应速率很小，反应在液相主体中进行。,加强湍动程度，可以提高,液相反应速率液膜传质速率，反应在液流主体中进行完毕，,三、不可逆瞬间反应,设反应为不可逆瞬间反应。A达到界面后向液膜中扩散，从液膜边界向界面方向扩散 ，A和B在液膜中的处相遇，反应瞬间完成。,1、反应特点1）液膜内 A和B不共存；2）反应区为平面；3）化学吸收速率与本征动力学无关。,2、吸收速率 1）气膜传质速率,2）液膜传质速率,由化学计量式：,并利用,可得：,式中没有反应速率常数。该式由八田在1928年通过实验得到验证。,3）气液相间吸收速率,以上两式联立，可得：,4)反应面位置1和的CBL关系,当时，在界面上的气膜扩散速率达到最大值，即 。NA与B的扩散无关，称之为气膜扩散控制，其条件为：,（称为临界浓度）,p G,讨论不可逆瞬间反应的两种情况：,1、当时，即为气膜扩散控制。,吸收速率按界面A组分的分压为零来考虑，吸收速率为：,p G,2、当时，过程速率由为气膜和液膜双方所决定，此时吸收速率为 ：,四、 二级不可逆反应,1、特定条件,2、近似解,式中：,i称为瞬间反应增强因子其形式和瞬间不可逆反应相同,3、气液相间吸收速率,气相一侧：,界面 ：,4、讨论（结合图68）,液相一侧：,为二级不可逆快速反应，落在45斜线和水平线之间。,可见，在一定的条件下，一级不可逆快速反应、二级不可逆快速反应和瞬间不可逆反应是可以相互转化的。,教材P198例62,一、工业生产对气液反应器的要求,（1）应具备较高的生产强度（a）气膜控制情况（H很大） 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。 如：喷射、文氏等反应器,第四节气液反应器概述,（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。如：鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器,（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如：填料反应器和板式反应器,（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。,气液反应器的形式和特点,二、 气液反应器的型式和特点,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。5. 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。6.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。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。,（1）填充床反应器（packed column reactor),L,L,G,G,用于气液反应时，也可以并流操作,格利奇(Glitsch)填料,麦拉派克(Mellapark)填料,（2）板式反应器(tray column reactor),L,L,G,G,（3）降膜反应器(falling film reactor),L,L,G,G,（4）喷雾反应器(spray column reactor),L,L,G,（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),空心式多段式环流反应器：气提式：内环流，外环流液喷式：,L,L,G,G,（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),空心式：乙烯氧化制乙醛对二甲苯（PX）氧化塔（产品为PTA）,L,L,G,G,（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),空心式：塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器,L,L,G,G,（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),多段式：,L,L,G,G,L,G,G,L,（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),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）,G,L,G,L,L,G,L,（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),环流反应器：外环流,（6）搅拌鼓泡反应器(agitated tank reactor),强制分散自吸分散表面充气分散,L,L,G,G,（7）高速湍动反应器(如：venturi reactor),L,L,G,G,化学反应工程所有的课程已经结束谢谢大家！,本章思考题,1、掌握双膜理论的特点。2、气液反应模型（反应和传质全过程）。3、将双膜理论应用于气液相反应过程，根据扩散与反应速率的相对大小的不同，可以把反应分成五类：极慢反应、慢速反应、中速反应、快反应、瞬间反应(准数M的判据)。 4、化学吸收的增强因子。5、一级不可逆反应、不可逆瞬间反应、二级不可逆反应气液相间吸收速率的计算。,