气液反应过程及反应器
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8.1 8.2 8.3 8.4
概述 气液传质理论 气液反应宏观动力学方程 气液相反应器
1
8.1 概述
气液相反应和反应器广泛应用于石油、化工、轻工、医药和 环境保护等生产过程 在化工生产过程中，进行气-液相反应的目的主要有两个： 1）得到某种产品 2）净化气体以及废气和污水的处理 气液相反应过程是伴有化学反应的传递过程，又称为化学吸 收操作过程 该过程涉及传质过程、反应过程和气液两相 处理问题的方法不同于以往类型的反应，首先需要解决的问 题是气-液相平衡 2
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
5
传质方向
A: C=5mol/l
C=3mol/l
B:
C=5mol/l
C=3mol/l
?
Gas porous Solid Gas
?
Liquid
6
8.2 气液传质理论
传质模型: 1、双膜模型 2、Higbie渗透模型 3、Danckwerts表面更新模型。 。
1 1 H k L kG
则 : N K L (c * c L )
综合以上步骤：
N KG ( pG p* ) KL (c* cL )
12
2、渗透模型 由希格比（Higbie）提出。该传质理论的主 要观点是：处于界面的液体，由于流体的扰 动常被液流主体的质点所置换，当液体在界 面逗留期间，溶解气体将借不稳定的分子扩 散面渗透到液相，并假设处于界面的各液体 单元都具有相同的逗留时间。
N JG J L Ci H i pi
G
DL
pi
气膜 液膜
CL
L
扩散系数与扩散尺度的比值 传质系数 ＝ 阻力的倒数
9
气膜传质速率：
令 : kG DG
N
DG
G
( pG pi )
G
, 则N kG ( pG pi ) N DL (ci cL ) L
液膜传质速率：
气液反应器的型式和特点
反应器类型 气相 液相 举 例
气泡型
液滴型 液膜型 液环流型
分散
连续 连续 分散
连续
分散 膜状连续 连续
鼓泡反应器 板式反应器
喷雾反应器 文氏反应器 填料反应器 降膜反应器 重力循环型反应器
kG
气膜传质阻力
H 液膜传质阻力，1 H 总传质阻力 k L E kG k L E H b fL kC BL
液相主体反应阻力
25
下面将具体讨论化学增强因子E的计算： E的意义类似气固相反应中的催化剂效率固子
, s 与席勒模数
对于气液相反应中增强因子E也与气液相席勒模数
一、气液相反应的类型
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。 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。
L E
E E E 1
E E tanh L E 1
其中： E 为瞬间反应的增强因子
E
[1 (
E与L 取值有关，可有关联图求出。以下 可化简计算： （1）当 L＞ 5E ：E （2）当 （3） 当
D B C BL )( )] D A bC Ai
N A kG (PA PAi )
(2) 区：反应物A从界面经过液膜，这个过程为物理扩散与化学反应同时参于。 化学反应使A的浓度降低，增强了物理扩散效果，引入一参数对物理扩散修正。
化学增强因子： E
物理意义：伴有化学反应时A在液膜内传质系数与A在纯物理吸收时液膜传 质系数之比，它表示了化学反应对传质速率的影响。 这时扩散量为：
19
（3）中速反应：本征反应速率与传质速率相当，反应从液膜内某一 位置开始，蔓延到液相主体。
中速反应的阻力主要来自传质及动力学阻力。
20
（4）慢速反应：本征反应速率小于传质速率，反应主要在液相 主体内进行。
慢反应的阻力主要来自动力学阻力。
21
（5）极慢反应：本征反应速率远小于传质速率的反应
极慢反应完全在液相主体内进行，反应的阻力完全来自动力学阻力。 属动力学控制。
DL 令 : kL , 则N k L (ci cL ) L
N / kG pG pi HN / kG HpG Hpi
(1)
N / k L ci cL
(2)
N / HkL ci / H cL / H
10
设c*为与气相分压pG 相平衡的液相浓度 p*为与液相浓度cL相平衡的气相分压 同时在界面处：ci=Hpi N * HN * p p c ci (3) i Hk kG L (1)+(4): N p p* N *
气液相反应的类型
A(g) bB(l ) P
(rA ) kcAcB
根据反应速率相对快慢，分为以下5种类型。 （1）瞬间反应：本征反应速率远大于传质速率的反应
瞬间反应属扩散控制，反应阻力来自于气相及液相传质阻力。
18
（2）快速反应：本征反应速率大于传质速率
快速反应的反应区在液膜内，反应阻力来自于传质阻力及动力学阻力， 但传质阻力占主要。
E
可按瞬间反应处理。 可按快速反应处理。
3＜L＜0.5E ： E L
（4）当
27
0.5E ＜L＜5E ：E按上面公式试差计算或查图。 L＜0.2 ： E=1.0 可按慢反应处理。
气液相席勒模数 L 的物理意义
最大可能本征反应速率 L D A kC BL 2 最大可能传质速率 R kL
b (-R A ) N A kG (PA PAi ) kLE(C Ai C AL ) fL kC ALC BL
由亨利定律 ：
PAi HC Ai
[ 1
代入上式化简得：
(-R A ) N A
PA kG
H H ] k L E b fL kC BL
式中： 1
Main body of gas
δG
δL
律，相界面上不存在传质阻力。
（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。
8
双膜理论
PG
δ g δ L
Ci
J G DG J L DL
p pi dp DG G kG ( pG pi ) dx G C CL dC DL i k L (Ci CL ) dx L kG kL DG
2 L
其中： L液膜厚度， R 反应层厚度
不同反应的类型可以由 （1）当 （2）当
L＞ 30 时，瞬时反应。反应区在界面，反应阻力 L ＞3 时，快速反应。反应区在液膜内，反应阻力
L 判断：
H b fL kC BL H b fL kC BL
可忽略不计。 可忽略不计。
（3）当 0.2＜L ＜3时，中速反应。反应区直至液膜过界，有部分进入液相。 （4）当
13
3、表面更新模型 由Danckwerts首先提出。该理论主要针对渗 透论中关于界面的各个单元的逗留时间都相 同提出 的，认为存在一个界面的寿命分布函 数，界面各单元的逗留时间按表面更新率S 的分布函数来分布。
14
常见传质模型的比较
本教材中处理化学吸收问题均采用双膜理论。
15
8.3 气液反应宏观动力学方程
N A kLE(C Ai C AL )
dn A
……….(2)
(3) 区：A组分通过液膜后进入液相主体内进行化学反应。 化学反应量为: (R ) 1
24
V
L
A f (r ) f kC C b ……..(3) L A L AL BL dt
对于一个气液反应，当传质与反应达平衡时的速率即为宏观反应速率。 此时有：气膜传质速率 = 液膜传质速率 = 液相主体反应速率
22
二、气液相反应宏观反应速率方程
对于气液反应
A(g) bB(l ) P dn b 本征动力学方程 (rA ) 1 A kc ALcBL V dt
气液反应的宏观速率：
dn (R A ) 1 A V L dt
由于气液相反应依靠界面传质，因而受单位体积液相具有的界面积影响。 定义：α --- 单位气液混合物容积中的相界面积。 m2/m3
L 有关。
s
有关。
Vs s Ss
同样令L
kf C As De
kf C A L DA
b kC BL DA
V L S L
DA kL
因为： L 所以L
b D A kC BL
2 kL
对于二级反应：L
D A kC BL
2 kL
26
增强因子E是 L 的函数，经推导有：
L ＜0.2时，慢反应。反应区在液膜及液相主体中。 （5）当 L ＜0.02时，极慢反应。反应区完全在液相主体中，总传质阻力可忽 略不计， b 1 H (-R A ) fL kC ALC BL 0 kG k L E
28
8.4 气液相反应器
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
fL
---- 气液两相的液含量。fL
V
VL
dn dn 1 A 1 (R ) . A fL(rA ) A V dt V dt L f L
23
pA pAi
cBL cAL
(1)
δG 扩散量为:
cAi
(2)
δL ……..(1)
(3)
(1) 区：反应物A首先从气相主体在气膜中扩散到界面，这个过程为纯物理过程
29
（1）较高的生产强度
（a)气膜控制情况 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。 可选用喷射、文氏等反应器 （b）快速反应情况 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。 可选用填料反应器和板式反应器 （c）慢速反应情况 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。 可选用鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器
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： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品 a.
b.
c.
（淤浆床）
3
4
气液反应与气固相催化反应的异同 相似点：
（1）反应物历程：外扩散，内扩散－反应。 （2）气相的扩散反应过程 （3）气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应） （4）溶解的气体在液体内的扩散（气－液相反应）
7
1、 双膜模型 1924年由Lewis和Whitman提出。 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，服从菲克定律。 （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
双膜模型解释反应过程示意图
30
（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。 31
16
A（气相）＋B（液相）→产物
A(g) bB(l ) P (rA ) kcAcB
反应步骤： （1）反应物气相组分A由气相主题扩散到气液相界面，在 界面上假定达到气液平衡； （2）由气相界面进入液相； （3）反应物由相界面扩散到液相； （4）反应物在液相内反应； （5）产物从高浓度向低浓度扩散〔若为气相产物，则向界 面扩散，再回到气相。 17
kG HkL pG p N 1 1 1 kG HkL
G
(4)
1 1 kG HkL
令K G
则 : N K G ( pG p * )
11
(2)+(3)得：
* N HN c cL * c cL N 1 H k L kG k L kG
令K L
概述 气液传质理论 气液反应宏观动力学方程 气液相反应器
1
8.1 概述
气液相反应和反应器广泛应用于石油、化工、轻工、医药和 环境保护等生产过程 在化工生产过程中，进行气-液相反应的目的主要有两个： 1）得到某种产品 2）净化气体以及废气和污水的处理 气液相反应过程是伴有化学反应的传递过程，又称为化学吸 收操作过程 该过程涉及传质过程、反应过程和气液两相 处理问题的方法不同于以往类型的反应，首先需要解决的问 题是气-液相平衡 2
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
5
传质方向
A: C=5mol/l
C=3mol/l
B:
C=5mol/l
C=3mol/l
?
Gas porous Solid Gas
?
Liquid
6
8.2 气液传质理论
传质模型: 1、双膜模型 2、Higbie渗透模型 3、Danckwerts表面更新模型。 。
1 1 H k L kG
则 : N K L (c * c L )
综合以上步骤：
N KG ( pG p* ) KL (c* cL )
12
2、渗透模型 由希格比（Higbie）提出。该传质理论的主 要观点是：处于界面的液体，由于流体的扰 动常被液流主体的质点所置换，当液体在界 面逗留期间，溶解气体将借不稳定的分子扩 散面渗透到液相，并假设处于界面的各液体 单元都具有相同的逗留时间。
N JG J L Ci H i pi
G
DL
pi
气膜 液膜
CL
L
扩散系数与扩散尺度的比值 传质系数 ＝ 阻力的倒数
9
气膜传质速率：
令 : kG DG
N
DG
G
( pG pi )
G
, 则N kG ( pG pi ) N DL (ci cL ) L
液膜传质速率：
气液反应器的型式和特点
反应器类型 气相 液相 举 例
气泡型
液滴型 液膜型 液环流型
分散
连续 连续 分散
连续
分散 膜状连续 连续
鼓泡反应器 板式反应器
喷雾反应器 文氏反应器 填料反应器 降膜反应器 重力循环型反应器
kG
气膜传质阻力
H 液膜传质阻力，1 H 总传质阻力 k L E kG k L E H b fL kC BL
液相主体反应阻力
25
下面将具体讨论化学增强因子E的计算： E的意义类似气固相反应中的催化剂效率固子
, s 与席勒模数
对于气液相反应中增强因子E也与气液相席勒模数
一、气液相反应的类型
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。 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。
L E
E E E 1
E E tanh L E 1
其中： E 为瞬间反应的增强因子
E
[1 (
E与L 取值有关，可有关联图求出。以下 可化简计算： （1）当 L＞ 5E ：E （2）当 （3） 当
D B C BL )( )] D A bC Ai
N A kG (PA PAi )
(2) 区：反应物A从界面经过液膜，这个过程为物理扩散与化学反应同时参于。 化学反应使A的浓度降低，增强了物理扩散效果，引入一参数对物理扩散修正。
化学增强因子： E
物理意义：伴有化学反应时A在液膜内传质系数与A在纯物理吸收时液膜传 质系数之比，它表示了化学反应对传质速率的影响。 这时扩散量为：
19
（3）中速反应：本征反应速率与传质速率相当，反应从液膜内某一 位置开始，蔓延到液相主体。
中速反应的阻力主要来自传质及动力学阻力。
20
（4）慢速反应：本征反应速率小于传质速率，反应主要在液相 主体内进行。
慢反应的阻力主要来自动力学阻力。
21
（5）极慢反应：本征反应速率远小于传质速率的反应
极慢反应完全在液相主体内进行，反应的阻力完全来自动力学阻力。 属动力学控制。
DL 令 : kL , 则N k L (ci cL ) L
N / kG pG pi HN / kG HpG Hpi
(1)
N / k L ci cL
(2)
N / HkL ci / H cL / H
10
设c*为与气相分压pG 相平衡的液相浓度 p*为与液相浓度cL相平衡的气相分压 同时在界面处：ci=Hpi N * HN * p p c ci (3) i Hk kG L (1)+(4): N p p* N *
气液相反应的类型
A(g) bB(l ) P
(rA ) kcAcB
根据反应速率相对快慢，分为以下5种类型。 （1）瞬间反应：本征反应速率远大于传质速率的反应
瞬间反应属扩散控制，反应阻力来自于气相及液相传质阻力。
18
（2）快速反应：本征反应速率大于传质速率
快速反应的反应区在液膜内，反应阻力来自于传质阻力及动力学阻力， 但传质阻力占主要。
E
可按瞬间反应处理。 可按快速反应处理。
3＜L＜0.5E ： E L
（4）当
27
0.5E ＜L＜5E ：E按上面公式试差计算或查图。 L＜0.2 ： E=1.0 可按慢反应处理。
气液相席勒模数 L 的物理意义
最大可能本征反应速率 L D A kC BL 2 最大可能传质速率 R kL
b (-R A ) N A kG (PA PAi ) kLE(C Ai C AL ) fL kC ALC BL
由亨利定律 ：
PAi HC Ai
[ 1
代入上式化简得：
(-R A ) N A
PA kG
H H ] k L E b fL kC BL
式中： 1
Main body of gas
δG
δL
律，相界面上不存在传质阻力。
（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。
8
双膜理论
PG
δ g δ L
Ci
J G DG J L DL
p pi dp DG G kG ( pG pi ) dx G C CL dC DL i k L (Ci CL ) dx L kG kL DG
2 L
其中： L液膜厚度， R 反应层厚度
不同反应的类型可以由 （1）当 （2）当
L＞ 30 时，瞬时反应。反应区在界面，反应阻力 L ＞3 时，快速反应。反应区在液膜内，反应阻力
L 判断：
H b fL kC BL H b fL kC BL
可忽略不计。 可忽略不计。
（3）当 0.2＜L ＜3时，中速反应。反应区直至液膜过界，有部分进入液相。 （4）当
13
3、表面更新模型 由Danckwerts首先提出。该理论主要针对渗 透论中关于界面的各个单元的逗留时间都相 同提出 的，认为存在一个界面的寿命分布函 数，界面各单元的逗留时间按表面更新率S 的分布函数来分布。
14
常见传质模型的比较
本教材中处理化学吸收问题均采用双膜理论。
15
8.3 气液反应宏观动力学方程
N A kLE(C Ai C AL )
dn A
……….(2)
(3) 区：A组分通过液膜后进入液相主体内进行化学反应。 化学反应量为: (R ) 1
24
V
L
A f (r ) f kC C b ……..(3) L A L AL BL dt
对于一个气液反应，当传质与反应达平衡时的速率即为宏观反应速率。 此时有：气膜传质速率 = 液膜传质速率 = 液相主体反应速率
22
二、气液相反应宏观反应速率方程
对于气液反应
A(g) bB(l ) P dn b 本征动力学方程 (rA ) 1 A kc ALcBL V dt
气液反应的宏观速率：
dn (R A ) 1 A V L dt
由于气液相反应依靠界面传质，因而受单位体积液相具有的界面积影响。 定义：α --- 单位气液混合物容积中的相界面积。 m2/m3
L 有关。
s
有关。
Vs s Ss
同样令L
kf C As De
kf C A L DA
b kC BL DA
V L S L
DA kL
因为： L 所以L
b D A kC BL
2 kL
对于二级反应：L
D A kC BL
2 kL
26
增强因子E是 L 的函数，经推导有：
L ＜0.2时，慢反应。反应区在液膜及液相主体中。 （5）当 L ＜0.02时，极慢反应。反应区完全在液相主体中，总传质阻力可忽 略不计， b 1 H (-R A ) fL kC ALC BL 0 kG k L E
28
8.4 气液相反应器
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
fL
---- 气液两相的液含量。fL
V
VL
dn dn 1 A 1 (R ) . A fL(rA ) A V dt V dt L f L
23
pA pAi
cBL cAL
(1)
δG 扩散量为:
cAi
(2)
δL ……..(1)
(3)
(1) 区：反应物A首先从气相主体在气膜中扩散到界面，这个过程为纯物理过程
29
（1）较高的生产强度
（a)气膜控制情况 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。 可选用喷射、文氏等反应器 （b）快速反应情况 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。 可选用填料反应器和板式反应器 （c）慢速反应情况 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。 可选用鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器
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： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品 a.
b.
c.
（淤浆床）
3
4
气液反应与气固相催化反应的异同 相似点：
（1）反应物历程：外扩散，内扩散－反应。 （2）气相的扩散反应过程 （3）气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应） （4）溶解的气体在液体内的扩散（气－液相反应）
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1、 双膜模型 1924年由Lewis和Whitman提出。 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，服从菲克定律。 （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
双膜模型解释反应过程示意图
30
（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。 31
16
A（气相）＋B（液相）→产物
A(g) bB(l ) P (rA ) kcAcB
反应步骤： （1）反应物气相组分A由气相主题扩散到气液相界面，在 界面上假定达到气液平衡； （2）由气相界面进入液相； （3）反应物由相界面扩散到液相； （4）反应物在液相内反应； （5）产物从高浓度向低浓度扩散〔若为气相产物，则向界 面扩散，再回到气相。 17
kG HkL pG p N 1 1 1 kG HkL
G
(4)
1 1 kG HkL
令K G
则 : N K G ( pG p * )
11
(2)+(3)得：
* N HN c cL * c cL N 1 H k L kG k L kG
令K L