气液相反应及反应器.ppt

(1
a L
1)
d d
1
M
(
1)
式中为液相体积与液模体积之比。
拟一级反应的解析解
d 2 d 2
M
该二阶常系数线性齐次微分方程的通解为：
c1e M c2e M
DAL
dcA dz
z
DAL
dcA dz
zdz
rAdz
dcA dcA d dcA dz dz zdz dz z dz dz
DAL
d 2cA dz2
rA
气液反应的扩散反应方程
DAL
d 2cA dz2
rA
边界条件为
z0
cA cAi
dcB / dz 0
z L
cB cBL
kcA
cAid 2 L2d 2
k DAL
cAiBaidu Nhomakorabea
整理得到：
d 2 d 2
k
2 L
DAL
k L
kL
M
即
d 2 d 2
M
拟一级反应解析的边界条件
拟一级反应的在液膜中的无因次浓度分布方程的边界条件为：
0 1
cA cAi
1
DALa
dcA dz
L
k
cA
(1
a
L
)
d d
1
k
2 L
DAL
8 气液相反应及反应器
气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到的多相反 应，根据使用目的的不同可以分为两大类。
一类是通过气液反应以制备所需的产品，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。
另一类是通过气液反应净化气体，例如用铜氨水溶液 除去气体中的一氧化碳，用碱溶液脱除煤气中的硫化 氢等。
DAL
a
dcA dz
A
rA (1 a L )
式中δL为液膜厚度，α为单位液相体积所具有的相界面 积，αδL因之为液膜体积，1一αδL则为液相主体体积。
A从液膜向液相主体的扩散量等于在液相主体中A的反 应量。
气液反应的转化速率
因为定态下A从相界面向液膜扩散的速率应等于在液 相内A的转化速率。只要相界面处组分A的浓度梯度 已知，便可由下式求其转化速率:
A
1
PAg 1
kG kL H A
气液反应的扩散反应方程
仿照前边处理气固相催 化反应的方法，可建立 气液反应的扩散反应方 程。
即液膜内反应面离相界 面Z处，取厚度为dZ的 微元体积，该微元体积 与传质方向垂直的截面 积为1，对该微元体积作 组分A的物料衡算，当 过程达到定态时有:
气液反应的扩散反应方程
由于这类气体吸收过程中有化学反应产生，为与气体 的物理吸收过程相区别，常称之为化学吸收。
气液反应模型
气液反应的进行系以两相界面的传质为前提。因此也 可称为伴有化学反应的吸收过程。
由于气相和液相均为流动相，两相间的界面不是固定 不变的，它由反应器的型式及反应器中的流体力学条 件所决定。
气液反应过程模型有多种，如双膜模型，表面更新模 型与溶质渗透模型等，但用之以处理具体问题时，结 果都相差不多。
(4)生成的反应产物R向其浓 度梯度下降的方向扩散。
由于B组分不挥发，所以反应 仅在液相中进行。
气液反应宏观速率
气固催化反应时，反应速率以单位体积催化剂定义，因 此定态时对于一级不可逆反应有：
NA=kGam(cAG－cAS) ＝rA＝kcAs
由此可将cAs消除，得到宏观速率方程：
rA
C AG 1 1
但若液相组分B大量过剩，以致在液膜内的浓度可视 为常数，则k2cB为定值，并令其等于k,这时反应速率 对A可按一级反应处理。
即 rA=kCA 则有：
DAL
d 2cA dz2
kcA
拟一级反应的解析
将微分方程无因次化，即令： cA 则液膜中的浓度微分方程变为： cAi
z L
DAL
d 2cA dz2
所以这里仍然沿用经典的双膜模型，尽管它还存在着 某些缺陷和不足，但仍然被广泛采用。
双膜模型
气液两侧的传质阻力 分别集中于相界面两 侧的气膜与液膜之内；
相界面处气液处于平 衡状态cAi＝HPAi
定态时，气相的传质 速率与液相传质速率 相等。
气液反应历程
设所进行的气液反应为 : A(g)+BB(1)→vRR(1)
k kgm
气液反应时，吸收速率以单位相界面定义，并且液相中
化学吸收速率以物理吸收乘以化学吸收增大因子表示。
因此对于定态过程，气膜传质速率应等于液相中A的转 化速率。
气液反应宏观速率
kG (PAg PAi ) kLcAi
cAi H APAi
由此消除界面分压与浓度，便可获得气液吸收宏观速 率方程：
(
A
)
DAL
(
dc A dZ
)
Z
0
需要注意这里的转化速率系基于相界面积计算，即其
单位为kmol/(m2·s)。
对于一般反应，液膜中的浓度分布微分方程难以解析
求解，除非作出某些简化的假定。
拟一级反应
拟一级反应 ：
溶解于液相的气体组分A与液相组分B在液相中进行 不可逆反应时，一般可用二级反应速率方程表示: rA=k2cAcB，
根据双膜模型其气液反应 历程如图所示为:
(1) 气相反应组分A由气 相主体通过气膜传递到气 液相界面，其分压从气相 主体处的PAG降至相界面 处的PAi；
气液反应历程
(2) 组分A由相界面传递到液 膜内，并在此与由液相主体 传递到液膜的组分B进行化学 反应，此时反应与扩散同时 进行;
(3)未反应的A继续向液相主 体扩散。并与B在液相主体中 反应;