气液相反应和反应

o 反应面与气液界面重合时，过程阻力集中在气膜内，则传质通量
n 此时对应于一个液相反应物B的浓度---临界浓度
液相主体扩散至相界面的B的量和从气相主体扩散到相界面A的量符合化学计量关系
n
过程控制步骤的判断
o 若 o 若
1.4 二级不可逆反应
o 对于二级不可逆反应
非线性方程
o 优点
n 空体积大，处理含固体杂质或会生成固体产 物的气液反应过程时无堵塞现象
2.3 板式塔
o 圆筒形塔体和按照一定间距水平设置在塔内的若 干塔板组成 o 塔板类型有筛板或泡罩塔，近年来浮阀塔也较多 o 液体在重力作用下，自上而下穿过隔层塔板，从 塔底排出，气体在压差的推动下，自下而上的穿 过各层塔板，至塔顶排出，气体以气泡形式分散 于液层中 o 优点--单位体积的气液相界面大，气液传质系数 和持液量都大于填料塔 o 缺点--结构复杂，气体流动的阻力大 o 适用于气体流量高、液体流量低，反应时间较长 的场合
扩散进入该微元体的组分A的量-由该微元扩散出去的组分A=微元体中反应掉的组分A的量
o 组分A和B反应级数为一级，DA为常数
n
B组分的物料衡算
o 求解
n 边值条件
表明穿过液膜进入液相主体的组分A将在主体中和组分B进行反应---穿 过液膜的扩散量等于主体中的反应量
单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比
o 用何参数作为气液反应器选型的依据？
n 八田数Ha n 当Ha>3时，反应为快速反应或飞速反应，反应在液膜内或相界 面上完成，液相主体中组分A的浓度为0，表观反应速率
o 反应器的生产强度与相界面成正比 o 采用相界面面积大的反应器，如填料塔、喷淋塔等 o 当反应速率较慢，要求较长反应时间时，采用板式塔
o 用何参数作为气液反应器选型的依据？
n 八田数Ha n 当Ha<0.02时，反应为慢反应，反应主要在液相主体内进行， 组分A液相主体浓度接近于界面浓度，表观反应速率为
o 反应表观速率与液相分率成正比 o 选用持液量大的反应器
n 鼓泡床反应器，由于容易操作和控制常被采用 n 通气搅拌釜
2.4 鼓泡塔
o 基本形式
n 空塔，塔内充满液体 n 气体从底部分布板或喷嘴以气泡形式通过液层，气相中的反应物 溶入液相并进行反应
o 优点
n 结构简单，无运动部件 n 对加压反应或腐蚀性物系均可使用 n 单位体积持液量大，相界面小 n 适用于慢反应和强放热反应体系
o 增强因子E和液相利用率η
n 均为Ha和液相总体积与液膜体积之比α的函数 n 反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积
o Ha很大EtanhHa≈1
大时
o 液相利用率很小，说明反应在液膜内进行 o 应该采用比表面积大的气液反应器进行反应
o 增强因子E和液相利用率η
n K1为伴有化学反应时的液相传质系数 n 增强因子E
o 有化学反应时的液相传质系数与无化学反应时的液相传质系数之比
o 增强因子E
n 化学反应对过程有加速作用 n 加速作用实质表现在由于反应存在改变了液膜内反应物的浓度梯 度 n E为有反应时和无反应时的浓度梯度之比
o 液膜传质阻力忽略时，通过界面的传质通量表达
n 反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积
o Ha很小EtanhHa≈Ha
小时
o 两个参数均为Ha和液相总体积与液膜体积之比α的函数 o 根据Ha和α的定义
n
Ha很小，
大，则存在
过程由物理传质速率决定，化学反应仅在液相主体的某一区域内进行
o 增强因子E和液相利用率η
o 根据Ha和α的定义
n 等于液相主体均相反应速率计算
n 液相有效利用率---JA与RA的比值
o 液相有效利用率
n 定义：气液反应过程中液相利用程度的度量 n 物理意义：与气固相催化反应中的内部效率因子相当
o 当JA=RA时，液相有效利用率为1，整个反应在液相中进行，
表明反应是相对于传质十分缓慢的反应 o 在严重的扩散限制下，JA<<RA时，液相利用率很低，反应在 液膜中进行，表明反应相对于传质来讲，反应十分快速
o 缺点
n 液相返混大
o 为了克服返混的影响
n 在塔内装一导流筒 n 在塔内设置多层多孔水平挡板
o 液相的流型可接近与多级串联的全混釜模型
n 装填填料减少液相的返混和气泡的合并
2.5 通气搅拌釜
o 鼓泡机械搅拌釜 o 生物化工中使用的发酵罐 o 适用于持液量和相界面都较大的反应过程 o 通气搅拌釜中液体停留时间根据需要调节 o 缺点
o 气液相反应中的传递过程方向
n 气相组分A由气液界面向液相主体传递 n 液相组分B由液相主体向气液界面传递
o 气液组分的浓度分布
n 采用双膜理论进行分析时，组分A和B的浓度梯度仅存在于液膜内， 在液相主体中的浓度梯度为0 n 如虚线所示
o 反应的物料衡算
n n 在液相内离相界面为z处取一厚度为dz的微元体 达到定常态时---A组分物料衡算
生在液相中的某一个狭小区域内，应选用相接面积大的设备 时，过程阻力主要存在液相主体反应，反应在 时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽 整个液相主体中进行，应选用持液量大的设备 略，应选用相界面积和持液量都大的设备。
例题
3. 气液相反应器的设计计算
o 理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合
1. 气液相反应动力学
o 理论基础是由日本学者八田四郎次在双膜理论的基础上完 成的
n 用于气液相理论的研究还有表面更新理论和溶质渗透理论 n 三种模型在实际过程中的应用结果相差不大 n 用双膜理论来描述更为合适
1.1 气液反应过程的基本方程
o 气相反应物A与不挥发的液相反应物B进行反应
1. 2 拟一级不可逆反应
o 若液相组分B大量过剩，液相中组分B的浓度视为常数 o 反应速率方程
n 按照一级反应处理 n 方程
n 方程的通解
组分A在液膜内的浓度分布
o 组分A在液膜内的浓度分布
n 浓度分布为Ha和α的函数 n 同时还可计算出伴有化学反应时通过液膜的传质通量
n 气液两相均为活塞流
o 气液两相组成随着轴向位置改变而发生变化 o 并流或逆流操作的填料塔的流型接近这种流动方式
o 理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合
n 气相为活塞流，液相为全混流
o 气相组成随轴向位置的改变而改变，液相组成在反应器中保持均一 o 鼓泡塔的流型接近这种流动方式
气液相反应和反应器分析
化环学院 晋梅
概述
o 气液反应过程
n 气相反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行反应的一种 非均相反应过程 n 主要用于
o 直接制取产品，如环己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，气态二 氧化碳和氨水反应制取碳酸氢铵 o 化学吸收，脱除气相中某一种或几种组分，如热钾碱或乙醇胺溶 液脱除合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成气中一氧化碳 等
o 缺点
n 液相停留时间短，对慢反应不适合 n 为保证填料的润湿，不能用于液体流量太低的场合 n 填料易为固体颗粒堵塞，在气相或液相中含有悬浮杂质或会生成 固体产物时不宜使用 n 传热性能差，不适用与反应热效应大的场合
2.2 喷洒塔
o 结构最简单的气液反应设备
n 液体在塔顶经喷雾分散成液滴，和自上而下 的气流及接触 n 单位液相体积的相界面面积很大，但是持液 量和单位反应器体积的相界面面积均很小 n 液滴喷洒形成后，很少有机会发生凝并和分 裂，传质效果交叉
n 当0.02≤Ha ≤ 0.02时，反应为中速反应，过程阻力可能集中在 相际传质，也可能出现在液相反应，或者两者都不能忽略 n 要进一步借助 o 原因：
o 当 o 当 o 当
判断 的物理意义是可能最大主体化学反应速率与
时，过程阻力主要存在在相际传质，反应仅发
可能的最大物理传质速率之比
n 反应过程
o 分压为pA的反应物A从气相主体传递到气液界面 o 在界面上A的气相分压为pAi，液相浓度为cAi，两者处于相平衡状态 o 反应物A从气液界面传入液相，在液相内浓度 为cA的A与浓度为cB的B进行反应 o 气液相反应过程存在反应相外部的质量传递 和反应相内部的传质和反应同时发生的过程
n 反应器中气液两相呈全混流 n 高压下，搅拌器的机械结构和密封是个问题
2.6 气液反应器的选型
o 要考虑的因素
n 生产强度 n 能耗 n 设备投资 n 操作性能 n 核心问题：反应器的传递特性和反应动力学特性
o 不同类型气液反应器的区别
n 液相体积分率 单位反应器有效体积中的液体量）的大小 n 单位液相体积的传质界面α的大小
n Ha很小，
小，则存在
整个反应过程将在液相中进行，过程速率由均相反应速率决定
1.3 不可逆飞速反应
o 当反应速率非常大时，不仅反应物A在液膜内被完全耗尽， 反应物B的浓度在液膜内也将逐渐下降
非线性方程
Байду номын сангаас
n 简化处理
o 当反应飞速反应，反应仅仅发生在液膜内的某一个平面上时，可 以获得简化处理
n 液滴型
o 喷洒塔、喷射反应器、文丘里反应器 o 气体为连续相、液体以液滴形式分散在气体中
2.1 填料塔
o 由塔体、填料、填料的压板和支撑板以及液体 分布器等组成 o 可以逆流操作也可以并流操作 o 液体再分布器的作用 o 优点
n n n n 结构简单，适用于腐蚀性的液体 气液相流量的允许变化范围较大，适用于低气 速、高液速的场合 气液流型接近于活塞流，用于要求较高转化率 的反应 填料塔的单位体积相界面大而持液量小，适用 于过程阻力主要在相间传递的气液反应
定态条件下的扩散通量之间的关系
同时考虑气膜阻力和液膜阻力时， 飞速反应的速率计算式