第七章气 液反应及反应器课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、,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
7、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
8、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
9、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
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