化学反应工程第六章气-液反应及反应器

（或φ）准数数值大小的含义：
•C
•p
i
G
•pi •G L
• （或φ）准 数数值大小的含义 ： •M或φ数值越大， •C 反应越快于传质， L 浓度分布越显著。
•
•
（或φ）准数数值大小的含义：
•C
•p
i
G
•pi •G L
• （或φ）准 数数值大小的含义 ： •M或φ数值越大， •C 反应越快于传质， L 浓度分布越显著。
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 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 6－4 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 •双膜论：气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜 •传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率
L
•
•③反应速率很小，
反应在液相主体中进行。
•CAi
•液相反应速率与液膜传质速 率的比值
•
•③反应速率很小，
反应在液相主体中进行。 •CAi
•CAi
•
6-7 一级不可逆反应
•①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。 •②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。
•空心式 •多段式
•G •L
•环流反应器：
• 气提式：内环流，外环流
• 液喷式：
•G
•L
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （5）鼓泡反应器(bubble column reactor)
•空心式： •乙烯氧化制乙醛
•G •L
•对二甲苯（PX）氧化塔（产品为PTA ）
•塔式、管式、列管式
•G
•L
•
•鼓泡反应器
U2
U3
•p
•Ci
G
•p
•C
•iG L
L
•
电流过程与双膜传质过程的类似
•U1
U2
U3
•p •p •Ci
•C
G
i
L
•G L
•
6－5 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 一、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
•VA CA
•V
R
•
6－5 化学反应在相间传递中的作用
•
•
（或φ）准数数值大小的含义：
•C
•p
i
G
•pi •G L
• （或φ）准 数数值大小的含义 ： •M或φ数值越大， •C 反应越快于传质， L 浓度分布越显著。
•
三、M准数的判据
M准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小
条 件 反应类别 反应进行情况
反应可忽略 液膜液相的反应均可忽略
慢反应
•假设：扩散组分在气－液界面处达到气液相平衡。
•
双膜理论
•C
•p
i
G
•pi •G L
•C
L
•扩散系数与扩散尺度的比值 •传质系数 ＝ 阻力的倒数
•
双膜理论
•阻力加和定理
•
电流过程与双膜传质过程的类似
•U1 U3
•R
1
U2
•R
2
•p
•Ci
G
•p
•C
•iG L
L
•
电流过程与双膜传质过程的类似
•U1
（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。 鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器
•
第四节 气液反应器概述 6－12 工业生产对气－液反应器的要求 （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
•
•
（或φ）准数数值大小的含义：•C•pi来自G•pi •G L
• （或φ）准 数数值大小的含义 ： •M或φ数值越大， •C 反应越快于传质， L 浓度分布越显著。
•
•
（或φ）准数数值大小的含义：
•C
•p
i
G
•pi •G L
• （或φ）准 数数值大小的含义 ： •M或φ数值越大， •C 反应越快于传质， L 浓度分布越显著。
化学反应工程第六章气液反应及反应器
2020年6月3日星期三
第六章 气－液反应及反应器
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
•
第一节 气－液反应平衡
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）
•化学吸收的速率
•D
•β＝
•纯物理吸收速率
•E’ •D ’
•DD’的斜率
•＝
•>
•DE的斜率 1
•E
•反应速率越快，
•浓度分布曲线越弯曲，
•则β数值越来越大。
•
四、化学吸收的增强因子
•化学吸收的速率
•D
•β＝
•纯物理吸收速率
•E’ •D ’
•DD’的斜率
•＝
•>
•DE的斜率 1
•E
•反应速率越快，
•
•x •dx
•液膜
•扩散入＝扩散出＋反应
•微元
•
薄片状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分方程
•进入＝离开＋反 应
•厚度：2Rp
•Z Z+dZ
• •R R+dR
•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）
•
6-7 一级不可逆反应
又称为：内表面利用率 vs: 气液反应（同）：液相反应利用率 η( 相当于ζ) 气液反应（异）：增强因子β
•
四、化学吸收的增强因子
•化学吸收的速率
•D
•β＝
•纯物理吸收速率
•有反应时的浓度梯度
•β＝
•无反应时的浓度梯度
•E’ •D ’
•E
•DD’的斜率
•＝
•>
•DE的斜率 1
•
四、化学吸收的增强因子
•CA
内扩散有影响时的反应速率 i
• = 内扩散无影响时的反应速率
•CAL •CAL
•当气体净化时，着眼点为气体向液相的传质速率，用η。
•当制取产品时，着眼点为气液反应的速率，用β。
•
第三节 气－液反应动力学特征
6-6 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
•x •d x
•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 β
•β＝
•无反应时的浓度梯度
•E’ •D ’
•E
•DD’的斜率
•＝
•?>
•B
•DB的斜率 1
•
四、化学吸收的增强因子
•化学吸收增强因子β＞1，降低液相传质阻力所 占比例。 •β足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定
•
四、化学吸收的增强因子
•液相反应利用率η
•CA
i
•有内扩散影响时的反应速
•η 率
•＝
＝ •无内扩散影响时的反应速率
•反应扩散方 程 •将此方程进行无因次化
•
•
• 液相反应利用率η
•（气液反应中有效因子
•CA
）
i
•有内扩散影响时的反应速
•η 率
•＝
＝ •无内扩散影响时的反应速率
•CA
i
•CAL •CAL
•
• 液相反应利用率η •（气液反应有效因子） η值的大小是对液相利用程度的一种度量： η=1表示化学反应在整个液相中均匀进行； η<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。
•
第四节 气液反应器概述 6－12 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
•
6－12 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（βH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。
•
6-7 一级不可逆反应
•分以下三种情况讨论： •①当反应速率很大，在液膜中反应完毕 •②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 •③反应速率很小，反应在液相主体中进行。
•
•①当反应速率很大，在液膜中反应完毕
•CAi
•
•②中速反应（CAL＝0的情况）
•CAi
•CA
按化学反应和传递的相对大小区分为各种情况 二、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
•
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
•环流反应器： •外环流
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （6）搅拌鼓泡反应器(agitated tank reactor)
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
•
•传质方向
•?
•?
•Gas •porou sSolid
•Ga •Liqui
s
d
A: •
C=5mol/l
C=3mol/l
B: C=3mol/l
C=5mol/l
•
第一节 气－液反应平衡 6－1 气－液反应平衡
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （5）鼓泡反应器(bubble column reactor)
•空心式：
•G
•塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器 •L
•G
•L
•
•列管式气液鼓泡反应器
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （5）鼓泡反应器(bubble column reactor)
•多段式： •L
•浓度分布曲线越弯曲，
•则β数值越来越大。
•
四、化学吸收的增强因子
•化学吸收的速率
•D
•β＝
•纯物理吸收速率
•E’ •D ’
•DD’的斜率
•＝
•>
•DE的斜率 1
•E
•反应速率越快，
•浓度分布曲线越弯曲，
•则β数值越来越大。
•
四、化学吸收的增强因子
•化学吸收的速率
•D
•β＝
•纯物理吸收速率
•有反应时的浓度梯度
•
第四节 气液反应器概述 6－12 工业生产对气－液反应器的要求 （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
•
第四节 气液反应器概述
6－12 工业生产对气－液反应器的要求
（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
•G •L
•G
•G
•L
•
6－13 气液反应器的形式和特点
（5）鼓泡反应器(bubble column reactor)
• 内环流，
•G
•环己烷氧化塔
•（生成环己酮、己内酰胺）
•L
•（可用环烷酸钻催化）
•G
•G
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （5）鼓泡反应器(bubble column reactor)
III 连续 膜状连续 填料反应器 降膜反应器
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （1）填充床反应器（packed column reactor)
•G •L
•用于气液反应时，也可以并流操作
•G
•L
•
•麦拉派克 •(Mellapark)填料 •格利奇(Glitsch)填料
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （2）板式反应器(tray column reactor)
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。
•
第四节 气液反应器概述
6－13 气液反应器的形式和特点
气相 液相
举例
I 分散 连续 鼓泡反应器 板式反应器
II 连续 分散 喷雾反应器 文氏反应器
反应在液相主体中进行
中速反应 反应在液膜和液相中进行
快反应
反应在液膜中进行完毕
瞬间反应 反应在膜内某处进行完毕
•
•中速反应 •瞬间反应
•快 •反 •应
•慢 •反 •应
•
四、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ζ
•G •L
•筛板情况
•G •L
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （3）降膜反应器(falling film reactor)
•G •L
•G •L
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （4）喷雾反应器(spray column reactor)
•G •L
•G •L
•
6－13 气液反应器的形式和特点 （5）鼓泡反应器(bubble column reactor)
•
（或φ）准数数值大
小的含义：
•M或φ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。
•
•
（或φ）准数数值大小的含义：
•C
•p
i
G
•pi •G L
• （或φ）准 数数值大小的含义 ： •M或φ数值越大， •C 反应越快于传质， L 浓度分布越显著。
•
•
喷射、文氏等反应器
•
6－12 工业生产对气－液反应器的要求 （1）应具备较高的生产强度
（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 填料反应器和板式反应器
•
6－12 工业生产对气－液反应器的要求 （1）应具备较高的生产强度