多流体相的反应过程

薄膜中的分子扩散。相际传质的总阻力，被简化为双膜阻
力的叠加。
dnA dcA ) N A (rA DLA Sdt dz
z 0
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pAG,pA,pAI分别为组分A在气相
主体,气膜和相界面的分压；
cAL,cA,cAI分别为组分A在液相 主体，液膜和相界面的浓度；
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G
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反 应 工 程
第 八 章 气 液 反 应 工 程
8.2 伴有不可逆与可逆反应的传质
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。 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 速率就等于本征反应速率。
( rA ) kcAcB
（2）界面反应 （4）拟一级快速反应
根据反应速率相对快慢，分为以下八种类型。
（6）拟一级中速反应
（8）极慢反应
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（1）瞬间快速反应
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第 八 章 气 液 反 应 工 程
（2）界面反应
反应面就在气液相分界面上， 相当于(a) 反应面扩展为反应区，A 、 总反应速率取决于气膜内 A B 并存。尚属快反应，反应区仍在 的扩散速率。
k LA DLA
DLB cBL 1 bDLA c Ai
称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气液反应条件下组
L
称为液膜传质系数
分A的消失速率与最大物理吸收速率
k LAc Ai之比
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式中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将其换算 为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，
Z为扩散途径的坐标，
δG，δL分别为气膜和液膜的厚 度。
双膜模型组分A相际传质示意图
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根据双膜理论的物理模型，边界条件：
z 0
dcA N A DLA dz DLA c Ai c AL
L
而液膜传质速率：
p Ai H Ac Ai
相界面处达到平衡
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相关链接：亨利定律
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即当总压不太高，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线 近似为直线。即溶质在液相中的溶解度与其在气相中 的分压成正比。
p Ai H Ac Ai
或写作
pe Ex pA Ex
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反应面位置的判别
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由
DLB cBL ) k LA c Ai N A kGA ( p A p Ai ) (rA 1 bD c LA Ai
和
p Ai H Ac Ai
8 . 1 理论简述
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所谓气液相反应，是气相中的组分必须进人到液相中才能 进行的反应。 气-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： 例如原料气净化、产品提纯、废气处理等。
2、制取化工产品:
例如 水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯化钯水 溶液中氧化制乙醛，前者为非催化反应，后者则是液 相络合催化反应。

p Ai c Ai HA
溶质A在气相中的平衡分压； 液相中溶质的摩尔分数；
比例系数，称为亨利系数。
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NA
DGA
G
p
A
p Ai kGA p A p Ai
kGA
DGA
pA N A K GA p A H A c AL K LA H c AL A 1 1 HA K GA kGA k LA 1 1 1 K LA H A kGA k LA K GA , K LA分别是以气相和液相表 示的总传质系数
边界条件： z 0 z
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图8-3
c A c Ai cB cBL
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整理得
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d cA DLA kcAcB 0 2 dz
同理可得
2
（8-12）
d cB DLB bkcAcB 0 2 dz
此二式即二级不可逆气液反应的基础方程， 根据不同类型气液反应的边界条件，可得到不同特解。
8.2.1 基础方程
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可由双膜理论和Fick定律导出。
设反应为
A(g) bB(l ) P
(rA ) kcAcB
定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，
对组分A作物料衡算：
dcA DLA ( rA )dz dz d dcA DLA c A dz dz dz
解得
1 kGA p A k LB cBL b c Ai k LA H A kGA
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规整填料 塑料丝网波纹填料 散装填料 塑料鲍尔环填料
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聚丙烯鲍尔环
海 尔 环
共轭环 聚 丙 烯 阶 梯 环 . 聚 丙 烯 共 轭 环 改 型 鲍 尔 环 共轭环
聚丙烯花环 阶 梯 环
DC环
各种散装填料
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尾气 液体分 布器
液膜内，并不进入液相主体。
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（3）二级快速反应
（4）拟一级快速反应
(rA ) (kcB )cA k1cA
（c）二级快反应，反 应区在液膜内 相当于(a) 反应面扩展为反应区，A 、 B 并存。尚属快反应，反应区仍在 液膜内，并不进入液相主体。 快速反应，cB高，可视为拟一级反 应，液膜内cB变化可以忽略。
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气液相反应器的型式
板式塔 填料塔
鼓泡塔、喷雾塔
塔式反应器
釜式 反应器如鼓泡搅拌釜
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填料塔 板式塔
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4）气相和液相主体内混合均匀，不存在传质阻力。全部传 质阻力都集中在二层膜内，各膜内的阻力可以串联相加。
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假设：
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溶剂不挥发，气体中溶质以外的组分不溶解。
反应完全发生在液膜和液相主体中。 双膜理论是把复杂的相际传质过程模拟成串联的两层稳定
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。 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。
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气液相反应的类型
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A(g) bB( l ) P
（1）瞬间快速反应 （3）二级快速反应 （5）二级中速反 应 （7）二级慢速反应
（5）二级中速反 应
（6）拟一级中速反应
中等速率反应，故在液膜和液相主体中都发生反应。
（7）二级慢速反应
（8）极慢反应
和传质滚率相比反应缓慢，反应 主要发生在液相主体。但 A 传递 入主体时液膜阻力仍然有影响。
反应极其缓慢，传质阻力可忽略，在 液相中组分 A 和 B 是均匀的反应速 率完全取决于化学反应动力学
与物理吸收相比，化学吸收推动力大，可更快速彻底地吸 收气相中的某些组分。
化学吸收的基本要求：无毒无害无腐蚀、成本低易回收。
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2、制备化学品
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气相和液相反应物间发生催化反应或非催化反应而生成产 物。
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N A k LA c Ai c AL k LA0时31分
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而气膜中的传质速率：
NA
DGA
G
p
A
p Ai kGA p A p Ai
kGA
DGA
G
根据亨利定律：
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1、化学吸收
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液相吸收剂中的活性组分与被吸收气体中某组分发生化学 反应而生成产物的化学吸收，可用于脱除气体中的有害组 分，或回收气相中的有用组分。 当工艺要求气相中某活性组分浓度很低而用物理吸收方法 难以达到时，常采用化学吸收法。
吸收液
乙醇胺水溶液吸收CO2
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双膜理论：由Lewis和Whitman在上世纪二十年代提出，是
较早出现的传质理论。双膜理论的基本论点：
1）气液界面的两侧分别有一呈层流流动的气膜和液膜，膜
的厚度随流动状态而变化。
2）组分在气膜和液膜内以分子扩散形式传质，服从费克定 律。 3）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，符合亨利定律，相界面上不存在传质阻力。
dn A dc A ) N A (rA DLA Sdt dz
rA 以单位表面积为基准的反应速率
z 0
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将A的浓度分布对z求导后代入上式得
DLB cBL ) N A (rA c Ai 1 k LA c Ai L bDLAc Ai DLA
上式可变换为
H A DLB cBL H A DLB cBL H Ac Ai pA ( p A H Ac Ai ) bDLA bDLA 1 HA 1 HA kGA k LA kGA k LA
则得
H A DLB cBL ) K GA (rA p A bD LA
2
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不同类型气液相二级反应的宏观速率式
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（1）瞬间快速反应 如图，反应仅在反应面上， 反应面左侧只含A，右侧只 含B。因此，反应面两侧的 扩散传质均不受化学反应 影响。即：
pA pAi
相 界 面
反 应 面
cBL
cAi
δR
N A kGA ( p A p Ai ) DLB cBL ( rA ) k LA c Ai 1 bD c LA Ai
在相界面上，溶解达到平衡，气液组成符合亨利定律
p Ai H Ac Ai
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δL
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0 z R
R z L
边界条件：
d cB DLB 0 2 dz
d 2c A DLA 0 2 dz 2
z 0 , c A c Ai ; z L , cB cBL
dc A dcB z R , c A cB 0, DLA DLB 0 dz dz
1 1 HA K GA kGA k LA
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（2）界面反应
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液相中B的浓度足够大时，
反应面位置与相界面重合，
此时，A组分的消失速率 取决于其在气膜中的扩散
速率。该过程属于气膜控
制过程。
rA kGA p A
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将二阶微分方程积分得到液膜中A的浓度分布为：
DLB cBL z c A c Ai 1 1 D bc LA Ai L
定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即