气液相反应和反应[优质内容]
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化学反应工程 第六章气-液反应及反应器
第六章气－液反应及反应器概述在化学工业中，气－液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程。
气体的净化、废气及污水的处理常用气－液反应。
工业应用气－液反应实例见表6－1。
气－液反应是气相中的反应组分A越过相界面进入液相，和液相中的组分B 进行的反应，反应过程如下。
A（液相）＋B（液相）产物A（气相）1、反应特点⑴反映物⑵反应区在液相内，包括相界面。
⑶多相反应，反应过程由传递过程和化学反应组成。
⑷反应平衡。
包括相平衡和化学反应平衡：A（液相）＋bB（l）产物A（气相）2、反应目的⑴净化原料气例如：H2S+NH3·H2O NH4HS+H2OCO2+K2CO32KHCO3⑵制取产品3、主要内容讨论气－液反应相平衡、气－液相间物质传递和气－液反应动力学特征。
第一节气－液反应平衡6－1 气－液相平衡气－液反应的相平衡关系如下，包括气－液相平衡和化学反应平衡，先讨论相平衡。
设气相中组分i溶解于液相中，当气－液相平衡时，组分i在气相和液相中的逸度相等，即()()L i g i f f = ()i i P g i y f f ϕ=式中：i P y f －分逸度；i y －i 的摩尔分率；i ϕ－i 的逸度系数；()()i L i x f f =，对于稀溶液，可用亨利定律表示：()i i L i x E f =式中：i E －亨利系数，i x －i 在液相中的摩尔分率。
气－液平衡关系为：i i i i P x E y f =ϕ （6－3）其中P f 对混合气体中各组分间非理想性的数值，i ϕ 是对i 组分非理想性的数值。
1、亨利定律的其他形式⑴气相为理想溶液（各组分间是非理想的，而各组分是理想的）1=i ϕ，气－液相平衡关系为：i i i P x E y f =⑵气相为理想气体混合物（低压）i i i i P x E Py P f === （6－4）或者i i i P H C = （6－5）式中：i C －容积摩尔浓度；i H －溶解度系数2、i H 和i E 的关系由式（6－4）和（6－5），得到0C C E H x E H P H C i ii i i i i i i === 式中C =Mρ，ρ－溶液密度，M －溶液平均分子量，对于稀溶液，M 近似为溶剂分子量0M ，故i H 和i E 的近似关系为：i i E M H 0ρ= （6－6）3、i E 、i H 和温度的关系()()g i i i R H T d H d T d E d ∆=-=1ln 1ln （6－8） 4、i E 、i H 和压力的关系1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：TR V dP dH dP dE g i i i =-= （6－9） 式中：Vi －i 在溶液中的偏摩尔溶积，可查文献得到。
气液相反应和反应器分析
气液相反应和反应器分析
1.气液相反应
反应物系中存在气相和液相的一种多相反应过程，通常是气相反应物溶解于液相后，再与液相中另外的反应物进行反应；也可能是反应物均存在于气相中，它们溶解于含有催化剂的溶液以后再进行反应。
气液相反应主要用于:①直接制取产品,例如使乙烯在PdCl2-Cu2Cl2的醋酸溶液中进行氧化以制取乙醛，用空气氧化异丙苯以制取过氧化氢异丙苯等；②化学吸收，用以脱除气相中某一种或几种组分，例如用碱液脱除半水煤气中的二氧化碳和硫化氢等酸性气体，用铜氨溶液脱除合成气中的一氧化碳等。
2.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
✶定态时，气相的传质速率与液相传质速率相等。
2.气液相反应器的基本类型
气液相反应器按气液相接触形态可分为：
（1）气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器.
（2）液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等；
（3）液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器和降膜反应器等。
3.工业生产对气液相反应器的选用要求
(1)具备较高的生产能力(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）能在较少液体流率下操作。
气液反应及反应器.ppt
时， ；
B ,opt
max
y y
半间歇搅拌釜
连续加热搅拌釜
第五节 鼓泡反应器
❖ 特点：气相高度分散在液相中（持液量大、相际接触面大、 传质和传热效率高，适用于缓慢反应和大量放热情况）；结 构简单，操作稳定，费用低。
缺点：液相返混较大；气相压降较大。
❖ 型式：按结构分：
①空心式（针对热效应较大）②多段式（克服液相返混）
(C：)反应面为界面时的 ，即C吸收速率最大时的
BL C
BL
C BL
当C 时， ，（反 应面）趋向于界面、
BL
1
2
；N A
当 C 至 （0 反应面）到时达，界面、
BL
1
1
2
(C ) (v（kG6)(-D49AL）)P
BL C
kDG
L
BL
；N k P ;
max
A,max
GG
6-8 不可逆瞬间反应
即当 时2 ，M i
②瞬间反应：
M
条件——k2很大，而B供应很不充分，
即当 M 时 1，0 i
i
6-11 平行反应和连串反应
❖ 一、平行反应： 多种反应剂对一种气体的吸收过程（工业中常见）属此。 两种反应剂对同一种气体吸收的浓度分布的形式，因反应
类型不同而不同:
❖
6-11 平行反应和连串反应
❖
1 1 1 ,
K k Hk
G
G
L
1 H1
;
K kk
L
G
L
6-5 化学反应在相间传递的作用
❖ 1、化学反应可忽略的过程： 当液相中反应量<<物理溶解量，可视为物理吸收过程。 如：对液相中进行的一级不可逆反应，
气液相反应和反应
02
深入研究催化剂的作用机制和活性中心的性质，优化催化剂的
制备工艺，以提高催化剂的活性和稳定性。
探索新型的催化剂载体和制备方法，以实现催化剂的高效分散
03
和负载，降低催化剂的成本和提高其循环使用性能。
绿色化学理念的应用
将绿色化学理念应用于气液相 反应的设计和实施过程中，以 减少或消除对环境的负面影响
详细描述
产物分离和提纯的方法包括蒸馏、萃取、结晶等。这些方法通常需要消耗大量的能量和时间，因此需 要优化分离和提纯的工艺条件，以提高产物的纯度和收率。同时，也可以采用新型的分离技术如膜分 离、吸附等，以降低分离和提纯的成本和提高效率。
05
气液相反应的未来发展
新反应机理探索
1
深入研究气液相反应的微观机制，探索新的反应 路径和机理，以提高反应效率和选择性。
反应动力学
动力学模型
气液相反应的动力学模型描述了 反应速率与反应物浓度的关系， 通常采用速率方程来表示。
速率常数
速率常数是描述反应速率的重要 参数，它受到温度、压力、反应 物浓度等因素的影响。
传递过程
在气液相反应中，传递过程涉及 到气体在液体中的溶解、扩散以 及液相传质等物理过程，对反应 速率产生影响。
04
气液相反应的挑战与解决方案
反应效率问题
总结词
反应效率低下是气液相反应中常见的问题应。
详细描述
在气液相反应中，由于气体和液体的密度和性质的差异，反应物之间的传质传热过程可能会受到限制，导致反应 效率低下。为了解决这一问题，可以采用增加搅拌强度、优化反应温度和压力等措施，提高反应物的接触面积和 反应速率。
。
开发环境友好的反应介质和溶 剂，替代传统的有毒有害溶剂
第六章气液相
6.2.1 气液相间物质传递
双膜模型组分A相际传质如图所示：
相界面 气膜 液膜 液相主体
按照双膜理论模型，在气液 相界面处A组分达到平衡状 态。即：
气相主体
PGA
PA PAI cAI
CAi HpAi （低压下）
cA
cAL
z
δG δL
双膜模型组分A相际传质的示意图
A组分由气相主体扩散到气液相界面的速率方程为：
6.3 气液反应动力学特征
6.3.1 气液反应过程的基础方程
假定气相中A组分与液相中B组分的反应过程按双膜模 型进行。 气相中A组分向气液相界面扩散的速率为：
dn AG k AG S ( p AG p Ai ) dt
A组分由气液相界面向液相主体扩散的速率为：
dn AL k AL S (c Ai c AL ) dt
DAB
c Ai c A kc c Ai c A
可得化学吸收速率与物理吸收速率的比值
N AR N AR HaHaV 1 thHa V 1HathHa 1 N A kc c Ai 0
—— 化学吸收增强因子
N AR N A
引入一个模型参数 S 来表达任何龄期的流体表面单元在单位 时间内被更新的机率（更新频率）。
由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄 期为 0→∞ 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析 求得传质系数为
kc SDAB
表面更新理论
kc SDAB
该理论得出的传质系数正比于扩散系数 DAB 的 0.5 次方；
δG δL
则气膜中：
dn A k AG S ( p AG p Ai ) dt
气液相反应
• γ<0.02属于慢反应。
8.3 气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许
多 类
• 填料塔式反应器计算
• 反应器特点：
• 液体沿填料表面向下流动，持液量小； 气液接触界面近似等于填料表面积；气 液传质过程可以按双膜理论计算。
• 适用于瞬间反应及快反应过程。
• 塔径计算：
• 取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，
c AL shz
• 继续推导：
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l 0
DLA
S
L
cAich cAL sh
DLA
L
S
ch sh
cAi
cAL
ch
kLAS cAi
cAL
th
cAi
cAL
ch
cAi cAL
因此：
cAi
cAL
ch
• 根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA dt
DGA
G
(
pA
pAi )S
kGA( pA
pAi )S
DGA
G
kGA
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL)S
kLA (cAi
cAL)S
根据亨利定律，
DLA
L
kLA
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
dnA dt
LA
总括传质系数。
• 扩散物A在液膜中
的化学反应，使 pA
液膜较物理过程
的液膜变薄，由
变为 L
8.3 气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许
多 类
• 填料塔式反应器计算
• 反应器特点：
• 液体沿填料表面向下流动，持液量小； 气液接触界面近似等于填料表面积；气 液传质过程可以按双膜理论计算。
• 适用于瞬间反应及快反应过程。
• 塔径计算：
• 取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，
c AL shz
• 继续推导：
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l 0
DLA
S
L
cAich cAL sh
DLA
L
S
ch sh
cAi
cAL
ch
kLAS cAi
cAL
th
cAi
cAL
ch
cAi cAL
因此：
cAi
cAL
ch
• 根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA dt
DGA
G
(
pA
pAi )S
kGA( pA
pAi )S
DGA
G
kGA
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL)S
kLA (cAi
cAL)S
根据亨利定律，
DLA
L
kLA
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
dnA dt
LA
总括传质系数。
• 扩散物A在液膜中
的化学反应，使 pA
液膜较物理过程
的液膜变薄，由
变为 L
化学反应工程 7. 气液相反应和反应器分析[精]
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气液反应过程的基础方程
根据双膜模型，组分Ａ首先从气相主体通过气膜向气液相界 面扩散，然后穿过气液界面向液膜扩散；组分Ｂ则从液相主 体向液膜扩散，反应在液相中进行。整个反应过程的各步骤 和组分的浓度变化如图所示。这里假设液相组分Ｂ不挥发， 所以不存在组分Ｂ从相界面向气相扩散的问题。如果气相为 纯组分Ａ，则气膜不存在。
有限。
板式塔
筛板塔板或泡罩塔板, 在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分 散相,液体为连续相。
存液量较填料塔多。 板式塔反应器的气液传质系数较大,而且液相的轴向返混程度很小，塔
板上的温度也比较容易控制。但这种反应器的压降较大，气液传质表 面积也较小。
气液反应器
气液反应器
鼓泡塔
传递参数
如果在反应器内装有换热器，流体与换热器壁间的传热系 数 视气液混合物处于鼓泡状态区还是泡沫状态区而有不 同的关联式。
如果鼓泡塔的高度与直径比足够大，气相返混程度极小， 可按活塞流处理。但是，液相的返混一般就不一定能够忽 略。大多数实验结果表明，液相的返混取决于气体流速及 塔径，基本上与液体的流速及物理性质（密度、粘度及表 面张力等）无关。液相返混程度可以液相的轴向扩散系数 Dal来表示，可按下式进行计算：
塔内充满液体，气体从塔底部经过气体分布器通入,分散 成气泡，并沿着液层上升，在液层顶部与液体分离、溢出, 最后从塔的顶部排走。
鼓泡塔反应器的优点是结构简单、造价低、易控制、易维 修。如反应物料有腐蚀性,防腐问题易于解决。鼓泡塔也 可以较为容易地用于高压操作体系。
鼓泡塔反应器存在严重的液体返混和气泡聚并现象,这两 者均使反应器的效率下降。
气液反应基本方程
气液反应过程的基础方程
对A组分：DA
根据双膜模型，组分Ａ首先从气相主体通过气膜向气液相界 面扩散，然后穿过气液界面向液膜扩散；组分Ｂ则从液相主 体向液膜扩散，反应在液相中进行。整个反应过程的各步骤 和组分的浓度变化如图所示。这里假设液相组分Ｂ不挥发， 所以不存在组分Ｂ从相界面向气相扩散的问题。如果气相为 纯组分Ａ，则气膜不存在。
有限。
板式塔
筛板塔板或泡罩塔板, 在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分 散相,液体为连续相。
存液量较填料塔多。 板式塔反应器的气液传质系数较大,而且液相的轴向返混程度很小，塔
板上的温度也比较容易控制。但这种反应器的压降较大，气液传质表 面积也较小。
气液反应器
气液反应器
鼓泡塔
传递参数
如果在反应器内装有换热器，流体与换热器壁间的传热系 数 视气液混合物处于鼓泡状态区还是泡沫状态区而有不 同的关联式。
如果鼓泡塔的高度与直径比足够大，气相返混程度极小， 可按活塞流处理。但是，液相的返混一般就不一定能够忽 略。大多数实验结果表明，液相的返混取决于气体流速及 塔径，基本上与液体的流速及物理性质（密度、粘度及表 面张力等）无关。液相返混程度可以液相的轴向扩散系数 Dal来表示，可按下式进行计算：
塔内充满液体，气体从塔底部经过气体分布器通入,分散 成气泡，并沿着液层上升，在液层顶部与液体分离、溢出, 最后从塔的顶部排走。
鼓泡塔反应器的优点是结构简单、造价低、易控制、易维 修。如反应物料有腐蚀性,防腐问题易于解决。鼓泡塔也 可以较为容易地用于高压操作体系。
鼓泡塔反应器存在严重的液体返混和气泡聚并现象,这两 者均使反应器的效率下降。
气液反应基本方程
气液反应过程的基础方程
对A组分：DA
气液相反应动力学-
dc A aD A kc A c B l V a l dz
l
c Bl ： 液相主体中，组分B的浓度； ：液膜厚度
7
1.1 气液反应过程的基本方程
控制方程与边界条件的无量纲化： cA cB z f , f , y 令： A B cB cBl l 控制方程无量纲化结果：
kl HaHa 1 tanh Ha 1Ha tanh Ha 1 k l0
JA D A Ha V RA l kc Bl a
Ha - 1 tanh Ha Ha - 1 tanh Ha - 1Ha tanh Ha 1 Ha -1Ha tanh Ha 1
（6-16）
方程（6-13）的通解为：
根据（6-14）可得：
f A C1e yHa C 2 e yHa
C1 1 C 2
12
1.2 拟一级不可逆反应
结合条件（6-15）得到：
进一步得到：
Ha 1 1e Ha C 2 Ha e e Ha Ha 1e Ha e Ha 1 Ha 1e Ha C1 1 C 2 Ha e e Ha Ha 1e Ha e Ha
第六章 气液相反应和反应器分析
主讲人：徐加陵 能动学院 指导教师：杨伯伦 教授 日期： 2014.11.12
1
主要内容
第一节 气液相反应动力学 第二节 气液相反应器的分类和选型 第三节 气液相反应器的设计计算
2
第一节 气液相反应动力学
1.1 气液反应过程的基本方程
1.2 拟一级不可逆反应 1.3 不可逆飞速反应
JA D A Ha V RA l kc Bl a
化学反应工程 第六章 气-液反应及反应器
KG ( pG p*) KL (C *CL )
电流过程与双膜传质过程的类似
Ci Hpi
U1
U2
G
L
I U1 U2 U2 U3
R1
R2
U1 U2 U1 U2
R1 R2
R0
R0 R1 R2
U3
pG
Ci
pi
CL
GL
N pG pi Ci CL pG pi Ci CL
G / DG L / DL 1/ kG
M H（a或φ）准数数值大小的含义：
Ci pG
δg
δL
pi
GL
G
L
M （H或a φ）准数 数值大小的含义：
M或φ数值越大，反 应越快于传质，浓 CL 度分布越显著。
M H（a或φ）准数数值大小的含义：
Ci pG
δg
δL
pi
GL
G
L
M （H或a φ）准数 数值大小的含义：
M或φ数值越大，反 应越快于传质，浓 CL 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
M 0 反应可忽略 液膜液相的反应均可忽略
M 1 慢反应
反应在液相主体中进行
M 1 中速反应 反应在液膜和液相中进行
M 1 快反应
反应在液膜中进行完毕
M 瞬间反应 反应在膜内某处进行完毕
瞬
快
间
反
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
Ci pG
δg
δL
pi
GL
G
L
CL
JG
DG
电流过程与双膜传质过程的类似
Ci Hpi
U1
U2
G
L
I U1 U2 U2 U3
R1
R2
U1 U2 U1 U2
R1 R2
R0
R0 R1 R2
U3
pG
Ci
pi
CL
GL
N pG pi Ci CL pG pi Ci CL
G / DG L / DL 1/ kG
M H（a或φ）准数数值大小的含义：
Ci pG
δg
δL
pi
GL
G
L
M （H或a φ）准数 数值大小的含义：
M或φ数值越大，反 应越快于传质，浓 CL 度分布越显著。
M H（a或φ）准数数值大小的含义：
Ci pG
δg
δL
pi
GL
G
L
M （H或a φ）准数 数值大小的含义：
M或φ数值越大，反 应越快于传质，浓 CL 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
M 0 反应可忽略 液膜液相的反应均可忽略
M 1 慢反应
反应在液相主体中进行
M 1 中速反应 反应在液膜和液相中进行
M 1 快反应
反应在液膜中进行完毕
M 瞬间反应 反应在膜内某处进行完毕
瞬
快
间
反
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
Ci pG
δg
δL
pi
GL
G
L
CL
JG
DG
气液相反应和反应
3.1 填料塔的设计计算
逆流操作的填料塔内进行气液相反应
在塔内取一微元做物料衡算
积分，得到填料层高度
增强因子法 拟一级快反应 全塔物料衡算 气膜阻力忽略时
拟一级快反应的填料层高度计算式
3.2 鼓泡塔的设计计算
高径比较大时，气相流动接近活塞流，液相接近全混流
液相浓度处处相等，等于出口浓度 全塔物料平衡确定液相出口浓度
视为全混流
物料衡算为一代数方程
设计任务规定：已知气液相进口流量 和组成，计算达到所规定的气相或液
相际传质，也可能出现在液相反应，或者两者都不能忽略
要进一步借助 原因：
当 当 当
判断 的物理意义是可能最大主体化学反应速率与可
时，过程阻力主要存在在相际传质，反应仅发生在 时，过程阻力主要存在液相主体反应，反应在整个 时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽略，
能的最大物理传质速率之比
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
仅考虑液膜阻力时
飞速反应的增强因子
飞速反应的增强因子与反应速率常数无关 飞速反应的增强因子与八田数也无关 只有提高液相中B的浓度，才能提高飞速反应的增强因子
原因：浓度的提高，使得反应面向气液界面推移，组分A在液膜中 的扩散距离缩短 极限情况：反应面与气液界面相重合
的气流及接触 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
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
优点
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
8气液相反应过程与反应器
气相组分进入到液相的过程是一个传质过程。
双膜论
Ci
pG
δ g δ L
CL pi
G
G
L
L
1、气相中反应组分由气相主体 透过气膜扩散到气液界面； 2、该组分进入液相后，通过液 膜扩散到液相主体； 3、进入液相的该组分与液相中 反应组分进行反应生成产物； 如为挥发性产物，： 4、产物由液相主体透过液膜扩 散到气液界面； 5、产物从气液界面透过气膜扩 散到气相主体。
dnAL DAL S (c AI c AL ) k AL S (c AI c AL ) dt L
定态，则：dnAG
dnAL dt dt
组分A与B在液相中进行化学反应：aA bB rR rA rB m n r kcA cB
A
B
液膜内离相界面I处取一厚度为dl，与传质方向垂直的面积S的体积 作为体积元，对该体积元作A组分的物料衡算，在单位时间内：
L
dcA 气液界面处：D AL ( ) I k AL (c AL c AI ) k AL D AL / L dl
同理，有： k BL DBL / L , k AG DAG / G
这是在液膜区内无化学反应，即物理吸收过程的规律：
' L /L 1
dnA 1 S ( p AG Kc AL ) 1 K dt k AG k AL
BC：l 0 : c A c AI ; l R : c A 0
dcA n c AI , m c AI / R dl
R l L 液膜中仅有组分B而没有组分A：
DBL
BC： l R : cB 0; l L : cB c BL
化学反应工程第五章 气―液反应及反应器1PPT课件
pi )
JL
DL
dC dx
DL
Ci CL L
kL (Ci
CL)
N JG JL
kG
DG G
Ci H i pi
kL
DL L
扩散系数与扩散尺度的比值 传质系数 ＝ 阻力的倒数
7
双膜理论
N DG
pG pi ,
G
N
DL
Ci CL
L
,
Ci Hpi
N
DG / G
pG pi
N
DL / L
Ci
Ci Hpi
U1
U2
U3
pG pi Ci
பைடு நூலகம்
CL
G
L
GL
I U1 U2 U2 U3
R1
R2
U1 U2 R0
1
1
R1 kG , R2 k L
R0
1 ,1 KG KL
N pG pi Ci CL 1/ kG 1/ kL
pG p * C *CL 1/ KG 1/ KL
11
6－5 化学反应在相间传递中的作用 rA kCA
N
Ci CL
HDL /L
H
N pG C L / H pG p *
G L
G L
DG HDL DG HDL
N K G ( pG p*) p* C L / H8
电流过程与双膜传质过程的类似
Ci Hpi
U1
U2
U3
R1
G
R2
L
I U1 U2 U2 U3
R1
R2
U1 U2 U1 U2
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
化学反应工程第六章气液反应工程-资料
收平衡的影响较物理吸收时更为强烈。
第二节 气－液反应历程
一、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 湍流传质论 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。 假设：扩散组分在气－液界面处达到气液相平衡。
d 2C A dx 2
rA D AL
对于B，在液膜内的扩散－反应方程为：
边界条件
d 2C B dx 2
rA
DBL
x0,
CACAi
dCB 0 dx
xL，CBCBi DALddCxA|xLrA(VL,)
注意，化学吸收速率为：
NA
DAL
dCA dx
|x0
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）
第六章 气－液反应及反应器
目录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
气－液反应平衡 气－液反应历程 气－液反应动力学特征 气－液反应器概述 鼓泡反应器 填料反应器
第六章 气－液反应及反应器
气液相反应器的定义：包括气相和液相，且气相中的组 分必须进入到液相中才能进行的反应。
则
cA 0
xBcB 0
cB 0
αp*A 1αp*A
该式为化学吸收典型的气液平衡关系。
与物理吸收 cA HApA的关 系比较如下：
物理吸收时，气体的溶解
度随分压呈直线关系；而 化学吸收则呈渐近线关系， 在分压很高时，气体的溶 解度趋近于化学计量的极 限；物理吸收宜应用于高 分压的情况下，而化学吸 收宜应用于低分压的情况 下。
3. 被吸收组分与溶剂中活性组分作用
第二节 气－液反应历程
一、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 湍流传质论 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。 假设：扩散组分在气－液界面处达到气液相平衡。
d 2C A dx 2
rA D AL
对于B，在液膜内的扩散－反应方程为：
边界条件
d 2C B dx 2
rA
DBL
x0,
CACAi
dCB 0 dx
xL，CBCBi DALddCxA|xLrA(VL,)
注意，化学吸收速率为：
NA
DAL
dCA dx
|x0
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）
第六章 气－液反应及反应器
目录
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
气－液反应平衡 气－液反应历程 气－液反应动力学特征 气－液反应器概述 鼓泡反应器 填料反应器
第六章 气－液反应及反应器
气液相反应器的定义：包括气相和液相，且气相中的组 分必须进入到液相中才能进行的反应。
则
cA 0
xBcB 0
cB 0
αp*A 1αp*A
该式为化学吸收典型的气液平衡关系。
与物理吸收 cA HApA的关 系比较如下：
物理吸收时，气体的溶解
度随分压呈直线关系；而 化学吸收则呈渐近线关系， 在分压很高时，气体的溶 解度趋近于化学计量的极 限；物理吸收宜应用于高 分压的情况下，而化学吸 收宜应用于低分压的情况 下。
3. 被吸收组分与溶剂中活性组分作用
第七章气-液反应及反应器.
d 2 CA dx
δ g δ L
M Ha准数数值大
小的含义： M数值越大，反应越 快于传质，浓度分布 越显著。
CL pi G L
G
L
3、准数M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
反应可忽略
慢反应 中速反应 快反应
反应进行情况
液膜液相的反应均可忽略
反应在液相主体中进行 反应在液膜和液相中进行 反应在液膜中进行完毕 反应在膜内某处进行完毕
消去Ci 和p i
Ci CL
L
Ci Hpi
G
N H HpG Hpi （ 1） DG / G N Ci CL （ 2） DL / L 由（ 1）＋（ 2），并利用C＝ Hpi i HpG CL C * CL N HG L HG L DG DL DG DL N K L (C * CL ) C * HpG
气－液反应的相平衡包括气－液相平衡和化学反应平衡。 先讨论相平衡
设气相中组分i溶解于液相中，气液相达平衡时， i组分在气相与液相中的化学位相等。
G i
L i
d RTd ln fi
化学位通过逸度表达时，则 f i ( g ) i f p yi f p yi pyi
该式表示A向液流主体 扩散的量等于液相主体所 反应的量。V为单位传质 表面的积液体积，m3/m2
注意，化学吸收速率为：
N A DAL
dC A |x 0 dx
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）
二、一级不可逆反应
反应扩散方程
气体相和液相反应
液相反应的类型
均相反应：在液相中，反应物和产物都是均匀混合的 非均相反应：在液相中，反应物和产物存在相界面，反应在相界面上进行 自催化反应：反应产物具有催化作用的反应 链反应：通过自由基或离子等活性中间体的反应
液相反应的实例
硫酸的生产：硫磺与氧气在液相中反应生成硫酸 合成氨：氮气和氢气在液相中反应生成氨 石油裂化：重油在液相中反应生成轻质油和天然气 氯碱工业：氯化钠和水在液相中反应生成氢氧化钠和氯气
液相反应
第二章
液相反应的特点
液相反应中，反应物分子在液相中相互接触，反应速度较快。
液相反应中，反应物分子在液相中可以充分混合，有利于反应的进行。
液相反应中，反应物分子在液相中可以发生化学键的断裂和形成，有利于化学反应的进 行。
液相反应中，反应物分子在液相中可以发生溶解、扩散等过程，有利于反应的进行。
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气体相和液相反应
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目录
CONTENTS
01
气体相反应
02
液相反应
03
气体相和液相反应的比较
气体相反应
第一章
气体相反பைடு நூலகம்的特点
反应物分子在气相中直接接触，反应速率快 反应过程中没有液相或固相的参与，反应条件较为温和 反应温度和压力对气体相反应的影响较大，可通过调节温度和压力来控制反应进程 气体相反应通常在常温常压或高温高压下进行，适用于大规模工业生产
不受压力影响
反应条件的比较
温度要求：气体相反应通常需要较高的温度，而液相反应则可以在较低的 温度下进行。
压力需求：气体相反应通常需要较高的压力，而液相反应则可以在常压下 进行。
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精制课件
2
1. 气液相反应动力学
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
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 三种模型在实际过程中的应用结果相差不大 用双膜理论来描述更为合适
精制课件
3
1.1 气液反应过程的基本方程
气相反应物A与不挥发的液相反应物B进行反应
气液相反应和反应器分析
化环学院 晋梅
精制课件
1
概述
气液反应过程
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
主要用于
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
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
扩散到反应面的量应相等，且和组分B从液相主体扩散到反应面 的量符合化学计量关系
精制课件
19
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
精制课件
20
仅考虑液膜阻力时
飞速反应的增强因子
飞速反应的增强因子与反应速率常数无关
飞速反应的增强因子与八田数也无关
只有提高液相中B的浓度，才能提高飞速反应的增强因子
两个参数均为Ha和液相总体积与液膜体积之比的函数 根据Ha和的定义
Ha很小，
大，则存在
过程由物理传质速率决定，化学反应精制仅课在件液相主体的某一区域内进行
16
增强因子E和液相利用率
根据Ha和的定义
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
精制课件
17
1.3 不可逆飞速反应
精制课件
13
液相有效利用率
定义：气液反应过程中液相利用程度的度量 物理意义：与气固相催化反应中的内部效率因子相当
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
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
反应过程
分压为pA的反应物A从气相主体传递到气液界面 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 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 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
精制课件
4
气液相反应中的传递过程方向
精制课件
14
增强因子E和液相利用率
均为Ha和液相总体积与液膜体积之比的函数 反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积 大时
Ha很大tanhHa1
液相利用率很，说明反应在液膜内进行 应该采用比表面积大的气液反应器进行反应
精制课件
15
增强因子E和液相利用率
反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积 小时 Ha很小tanhHaHa
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
组分A和B反应级数为一级，DA为常数
B组分的物料衡算
精制课件
6
求解
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
精制课件
7
单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比
八精制田课件数
8
八田数
无化学反应时的传质系数
物理意义
类似于气固相反应中的Thiele模数
精制课件
9
八田数可作为气液相反应中反应快慢程度的判据
Ha>3，属于反应在液膜内进行飞速反应或快速反应 Ha<0.02，属于反应在液相主体中进行慢反应 0.02<Ha<3，属于反应在液膜和液相主体的反应都不能忽
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
精制课件
12
增强因子E
化学反应对过程有加速作用 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 E为有反应时和无反应时的浓度梯度之比
液膜传质阻力忽略时，通过界面的传质通量表达
等于液相主体均相反应速率计算
液相有效利用率---JA与RA的比值
气相组分A由气液界面向液相主体传递 液相组分B由液相主体向气液界面传递
气液组分的浓度分布
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
如虚线所示
精制课件
5
反应的物料衡算
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
过程控制步骤的判断
若
若
精制课件
22
1.4 二级不可逆反应
对于二级不可逆反应
非线性方程
Van krevelen在假设组分A在液膜内全部耗尽，即在
的
条件下，求取上述方程的近似解
精制课件
23
1.5 拟一级反应、飞速反应与二级反应中Ha和E的关系
当
相当于反应速率k很大或k10很小的情况 按照飞速反应处理
原因：浓度的提高，使得反应面向气液界面推移，组分A在液膜中 的扩散距离缩短
极限情况：反应面与气液界面相重合
精制课件
21
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
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
略的中速反应
精制课件
10
1. 2 拟一级不可逆反应
若液相组分B大量过剩，液相中组分B的浓度视为常数 反应速率方程
按照一级反应处理 方程
方程的通解
精制课件
组分A在液膜内的浓度分布
11
组分A在液膜内的浓度分布
浓度分布为Ha和的函数 同时还可计算出伴有化学反应时通过液膜的传质通量
K1为伴有化学反应时的液相传质系数 增强因子E
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
简化处理
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
精制课件
18
飞速反应
反应过程 液膜内存在一反应面，当自气液界面向液相 主体扩散的组分A和自液相主体向气液界面 扩散的组分B在反应面上相遇时，相互反应而耗尽，也就意味着反应 面上组分A和B的浓度均为0 定常态下，组分A从气相主体扩散到气液界面的量和从气液界面