8气液相反应过程与反应器ppt课件

B DLA cAi
B kLA cAi
• β代表了反应面的位置， β=1，反应面在 液膜位置上， β，反应面与气液界面 重合。
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• β意味着B在液膜中的扩散远远大于A 组份的扩散或B的浓度远大于A。
• 在反应面与气液界面重合的情况下，B组 份在液相主体中的浓度称为在气相A分压 下的临界浓度。若此时cBL>cBL临，液相中 将不再有A。
cAL
th
cAi
cAL
ch
cAi cAL
因此：
cAi
cAL
ch
th cAi cAL
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• β恒大于1。
•
d2cA 0 dl 2
曲线下凹。
pA
•
了β
,γkDLLA02八, β田数1决(γ定0，
pAi
ch γ 1, γ/ th γ 1)
cAi
dl cB
cAi
cAL
ch
th
cAi cAL
30
pAi
cAi
δG
δL
cBL cBL临 cBL
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• 气液反应动力学小结
• 两个重要参数：化学增强因子β和八田数 γ。β=f(γ，cAi,cAL), γ=f(k,DALδL)
• 宏观反应速率最终取决于反应物A的反应 特性k，传递特性DAL和体系的流体力学特 性δL。
• 强化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小 δL。
dt
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d d n tA k GS A p A p A i k LS Ac A i c AL
dnA pA HAcAL S dt 1 HA
kGA kLA
• •
快 接 σ为触反填面应料积及比近瞬表似间面为反。填应料cAL面=0积，：微元S 体π4内d内2的d相l
• 气相中的A分压用比摩尔分率表示：
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气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许
多 类
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• 填料塔式反应器计算
• 反应器特点：
• 液体沿填料表面向下流动，持液量小； 气液接触界面近似等于填料表面积；气 液传质过程可以按双膜理论计算。
• 适用于瞬间反应及快反应过程。
• 塔径计算：
• 取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，
cAi
cAL
dt A VL
dcB
B S kLA cAi cAL
VL VL V总 1 1
S V总 S
: 相界面积
边界条件：
t 0, cB cB0 t t cB cB出
3
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• 积分上式，得：
tA1 cB 出 dcB
k B
LAcB 0
cA icA L
液相主体中没有A。
pAi
cBL cAi
δG
δL
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• 瞬时反应过程
• A与B之间的反 应进行得极快， pA 以致于A与B不 能在液相中共 存。在液膜区 存在一个反应 面，此面上AB 的浓度均为0。
反应面 δR
pAi cAi
δG
δL
2应面左侧，只有A，没有B，因此，在 此区域，为纯物理扩散。
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δG
δL
cA
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• 快速反应
• 反应仅发生在液膜区，组份在液膜区已 全部反应掉，在液相主体区没有A，因此
液相主体中没有反应。
DLA
d2cA dl2
rA
边界条件： l 0，cA cAi
对一级反应，可得：
l L，cA 0
th
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cBi不一定为0，与 中速反应的区别 pA
在于cAL为0，即在
此方程的解为：
cA
cAish
1 z sh
cAL sh z
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• 继续推导：
dcA dz
cAich 1 z cALch z sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l0
DLAS L
cAich cAL sh
DLA
L
S
ch sh
cAi
cAL
ch
kLAS cAi
c
A
dcA dl
dl
DLA
d 2cA dl 2
rA
BC ： l
0, cA
cAi
pAi HA
;l
, cA
cLA
同理，对液相反应物 B，亦有方程：
DLB
d 2cB dl 2
B A
rA
BC ： l
0, dcB dl
0; l
,cB
cLB
反应
rA Sdl
15
积累 0
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• 模型分析：
DLB
L
cBL临 0
B A
kGA
pA 0
cBL临
B A
kGA kLA
DLA DLB
pA
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只要是瞬时反应过 程，就存在反应面， 而反应面的位置， pA 取决于AB的浓度和 扩散速率。
反应面向相界面移 动，刚好接触时的 cBL即为cBL临。 不仅液相主体没有A， 而且连液膜内也没 有A。
• 反应面的位置：
D LA
dcA dl
A B
D LB
dcB dl
cAi R
A B
c BL
－
L
R
D LB D LA
cAi
A B
R
－
L
R
D LB D LA
c BL
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cAi
R
A B
cBL
L－ R
DLB DLA
1 L 1 A DLB cBL
R
B DLA cAi
1 A DLB cBL 1 A kLB cBL
• 鼓泡塔反应器的操作分两种，连续与半 连续。
• 所谓半连续是指液体一次加入，达到反 应要求后一次排出，而气相连续通过。
• 假定：
• 气相流动为平推流，气体分压随高度呈 线性变化。
• 液相在塔内为理想混合，物性参数不变。
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取反应器内任意横截面对气相进 行物料衡算：
输入－输出=反应
At FY A At F YA dYA
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•慢反应
反应在液相主 体中进行，但 pA 速率较传递速 率为大，液膜 中的反应可以 忽略（即-rA视 为0），与物 理吸收相同。
pAi cAi
δG
δL
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cB cA
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•中速反应 •反应在液相主体与液膜中同时进行：
DLA
d2cA dl 2
rA
BC：l
0, cA
cAi
pAi HA
• 因此可以写成：
dnA dt
K GA ( pA
H AcAL )S
K LA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA K GA kGA kLA
1 1 1 K LA H A kGA kLA
K GA 和K LA分别是以气相和液相表 示的 总括传质系数。
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• 扩散物A在液膜中
的化学反应，使 pA
物理吸收过程的 双膜理论模型
气液两相间存在 着稳定的相界面， 界面两侧分别存 在滞留膜，组份 通过在滞留膜中 稳定的分子扩散 进行传质，传质 阻力完全存在于 滞留膜中。
8
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• 根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA dt
DGA
G
( pA
pAi )S
kGA ( pA
pAi )S
dnA dt
• 模型是以存在稳定的膜为前提，即：不 论气液相主体如何扰动，相界面上滞留 膜总是稳定存在。
• 随着气液相流动状况的不同，气液膜的 厚度不同。强化传质要通过增加扰动改 变膜厚度实现。
• 传质与反应速率的不同，得到不同的膜 内浓度分布。
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•极慢反应
传递速率远比 反应速率快得 多；液相中溶 解的A接近其 饱和溶解度； 化学反应在液 相主体中进行， 反应速率代表 了A的传递速 率。
pA
P总
YA 1YA
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• 代入前式可得：
dl
F
π 4
d内2 P总
1 k GA
HA
kLA
1＋ YA YA
dYA
边界条件：
l0 lH
Y YA进 Y YA出
积分上式并视 在全塔为常数，得：
H
4F
πd内2P总
1 k GA
HA
kLA
YA进
YA出
ln YA进 YA出
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• kGA,kLA有经验公式可算。 • 气相视为平推流操作。
散的同时与液相中的B发生反应；
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4 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界 面；
5 产物C由气液界面扩散到气相主体。
基本理论：双膜理论
与物理吸收的差别在于在液相主体和液 膜中存在化学反应，反应速率的快慢直 接影响了吸收的速率。
反应历程亦为连串过程，反应速率决定 了控制步骤的所在。
7
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K GA 和 K LA 分别是以气相和液相表 示的总括
传质系数。与物理吸收 过程相比，仅相差
一个化学增强因子。
13
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气液反应动力学
• 在液膜内 取一微元 体，在定 常态下， 对A组份 作物料衡 算（服从 Fick扩散 定律）：
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扩散进入
DLA S
dcA dl
扩散离开
DLA S
d dl
• 当然还与气相传递特性有关。
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• γ决定了反应是快是慢，是否存在反应面， 反应在何处进行。
• 判据： • γ>2属于瞬间反应或快反应过程；宜选用
停留时间短的反应器，如填料塔。
• 0.02< γ<2为中速反应；反应大量在液相 主体进行，宜选用持液量大的反应器， 如鼓泡塔。
• γ<0.02属于慢反应。
d2cA dl 2
0
l 0,cA cAi
l R ,cA 0
cA
cAi
R
l
cAi
• 反应面右侧，只有B，没有A，因此，在 此区域，亦为纯物理扩散。
dd2lc2B0
lR,cB0 lL,cBcBL
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• 解之，得：
cBL c － BL Rlc R B － L R L＝ L c － BL R l－ R
;l
, cA
cLA
对一级反应，DLA
d2cA dl 2
kcA
令z
l
L
为无因次长度，原方程变为d2cA dz 2
kL2
DLA
cA
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•令
kL2 kD LA
DLA kLA
前有 kLAD L LA
:膜内转换 八系 田数 数
• 方程转变为：
d 2cA dz 2
2cA
z 0, cA cAi z 1, cA cAL
• 可以据此计算反应时间。
• 式中的各参数由经验方程计算。
• 连续流动鼓泡塔计算
F
dYA dl
rA 1
边界条件l： 0 YA YA进 l H YA YA出
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FYA出 dYA
H
dl
YA进 rA 1
0
• 上式的关键是YA与-rA的关系。是气相组 成，而反应发生在液相中。因此涉及到
传递现象，并且和液相的流型相关联。
• 鼓泡塔中流型复杂，存在不同的区域， 如安定区和湍动区。
5
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• 气液反应的步骤：
• 气液相反应－－反应物和产物至少有一 个存在于液相中，其中典型的是气体的 反应吸收。
• 更具有普遍意义：A(g)+B(l)=C(g) • 其宏观反应历程为： • 1 A从气相主体向气液界面扩散； • 2 A在气液界面处溶解于液相； • 3 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩
DLA
L
(cAi
cAL )S
kLA (cAi
cAL )S
根据亨利定律，
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
DGA
G
kGA
DLA
L
kLA
dnA dt
1
1
HA
pA
H AcAL S
1
1
1
pA HA
cAL
S
kGA kLA
H A kGA kLA
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• 由于视cAL=0，与液相流型无关。 • 反应级数体现在中。
• 因为是快速反应，传质阻力主要存在于 气膜之中。
• 填料高度的最直接影响因素为摩尔流量、 总压、填料比表面及出入口浓度差。
• 与物理吸收的差别仅在于。如果=1， 相当于用大量的液体吸收气相中的A。
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• 鼓泡塔式反应器的计算
• 液相是连续相，气相是分散相。
V为体积流量。
4V
d内 πu
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• 填料层高度计算
L,XA进
• 取塔内微元高度dl对
气相作物料衡算： dl
输入－输出＝反应传递
F,YA出 H
At FYA At F YA dYA
dnA dt
At
dnA dt
FdYA
F,YA进
L,XA出
因次： F : kmol m2h 1
dnA : kmol m2h 1
液膜较物理过程
的液膜变薄，由
变为 L
。
' L
• 注意液膜是流体
力学特性，而变
薄的液膜就不单
纯是流体力学的
概念了。
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δ'L
pAi cAi
δG
cA δL
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• 则：
dnA dt
k GA S p A
p A i
pAi H AcAi
dnA dt
k 'LA
S c A i c AL
k 'LA
D LA 'L
第八章
气液相反应过程与反应器
1
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概述
气液反应过程指一个反应物在气相，另 一个在液相，气相反应物需进入液相才 能反应；或两个反应物都在气相，但需 进入液相与液相的催化剂接触才能反应。
与化学吸收过程极为相似。
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• 液相：
dcB
dt
B A
1 VL
dN A dt
B A
S VL
kLA
D LA L
L 'L
k LA
L 'L
L : 化学增强因子 'L
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dnA dt
k GA ( p A
H A cAL ) S
k 'LA
(
pA HA
cAL ) S
k
LA
(
p H
A A
cAL ) S
1 1 HA
K GA k GA k LA
1 1 1
K LA H A k GA k LA