第八章气液相反应器
气液相反应器基本类型与结构
6.1.2 气液相反应器基本类型与结构1.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。
(a) (b) (c) (d) (e) (f)(g)气液相反应器的主要类型示意图(a)填料塔反应器；（b）板式塔反应器；（c）降膜反应器；（d）喷雾塔反应器；（e）鼓泡塔反应器；（f）搅拌鼓泡釜式反应器；（g）喷射或文氏反应器2.气液相反应器的特点(1)鼓泡塔反应器（图片）特点：a.气相既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率；b.鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。
c.鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
应用：这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
(2)填料塔反应器（图片）特点：a.液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。
b.填料塔反应器气体压降很小，液体返混极小，是一种比较好的气液相反应器。
应用：适用于瞬间、界面和快速反应。
（3）板式塔反应器（图片）特点:a.板式塔反应器中的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应；b.能在单塔中直接获得极高的液相转化率；c.板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求；d.但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。
应用：板式塔反应器适用于快速及中速反应。
(4)膜反应器（图片）特点：a.通常借助管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应热。
b.降膜反应器还具有压降小和无轴向返混的优点。
c.由于降膜反应器中液体停留时间很短，d.降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均匀分布是降膜反应器的关键，工程使用时必须注意。
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编第八章气液两相反应器PPT课件
（8-14）
定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即
NA(rA )d SA n dtD LA ddA czz0
将A的浓度分布对z求导后代入上式得
式中，
N A( rA )D L LA cA 1 i b D L L D c B c B A AL i kLc A Ai
k LA
DLA L
，称为液膜传质系数。
（8-16）
1 DLBcBL bDLAcAi
，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气
液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率 kLAcAi 之比。 13
式（8-15）中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将 其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，
N AkG(A p Ap A)i( rA )kLc A A 1 ib D L L D c c B B A A L i
第八章 气液两相反应器
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
8.1 概述
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）
A ( g b) l) B P(( r A ) k A c B c
定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，对组分
A作物料衡算：
D Ld A dAc z( rA )d z D Ld A d c zAd dAc d z z
整理得
DLAdd2cz2A kcAcB 0
化工基础 第八章 典型反应器
（10）滴流床反应器
实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物料具有相同流动、混和、
传质、传热等特征。
3 根据温度条件和传热方式分类 （1）根据温度条件分：等温、非等温式反应器。 （2）根据传热方式分：
绝热式：不与外界进行热交换； 外热式：由热载体供给或移走热量，
又有间壁传热式、直接传热式、外循环传热式之分。 蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶剂的蒸发移除热量。
直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。
涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强
的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。
C、推进式搅拌器
推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环 为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设 有导流筒。
第八章 典型反应器
§8.1 概述
任何化学品的生产，都离不开三个阶段：原料预处理、化学反应、产品精制。 化学反应过程是化工生产过程的核心。 物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和《传质与分离技术》。 化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设备》，属于化学反 应工程的范畴。 1 研究目的 研究目的：使化学工业生产中的反应过程最优化。 （1）设计最优化：由给定的生产任务，确定反应器的型式和适宜的尺寸及 其相应的操作条件。 （2）操作最优化：在反应器投产运行之后，还必须根据各种因素和条件的 变化作相应的修正，以使它仍能处于最优的条件下操作。 2 研究内容 从实验室开发到工业生产存在放大效应。 在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过 程，如热量的传递、物质的流动、混和和传递等，所有这些传递过程使得反应器 内产生温度分布和浓度分布，从而影响反应的最终结果。 化学动力学特性的研究 ：在实验室的小反应器内进行，完全排除传递过程 的影响。 流动、传递过程对反应的影响 处理整个反应工程的问题需要具备三个方面的知识（三传一反）： a. 化学反应的规律（反应动力学）； b. 传递过程的规律（质量、热量和动量的传递）； c. 上述两者的结合。 3 研究作用 （1）反应器的合理选型
化学反应过程与设备
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
气液相反应工业应用： 气液相反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工 过程。
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 鼓泡塔反应器： 广泛应用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量 大的反应。 优点： 缺点：
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应 的基本类型与特点
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 填料塔反应器： 广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气液相反应器。 反应方式： 适用于： 优点： 缺点：
二、鼓泡塔反应器结构
（二）鼓泡塔反应器的结构
组成： (1)塔底部的气体分布器分布 作用： (2)塔筒体部分 作用： (3)塔顶部的气液分离器 作用：
化学反应过 程与设备
三、填料塔反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器结构
（一）填料塔反应器的结构
定义：填料塔是以塔内装有大量的 填料为相间接触构件的气液传质设备。 结构：填料塔的塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板，填料以乱堆或 整砌的方式放置在支承板上。
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （5）液体分布装置
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （6）液体收集及再分布装置
化学反应过 程与设备
气液相反应器及其放大注意事项
9
（2）板式反应器(tray column reactor)
G L
G
10
L
板式塔
• 工作原理：操作时液 体在重力作用下，自 上而下依次流过各层 塔板，至塔底排出， 气体在压力差推动下 ，自下而上穿过各层 塔板，至塔顶排出。 每块塔板上保持着一 定高度的液层，气体 以气泡形式分散于液 层中。
液相主体中进行，所以应选用持液量大的设备。
③当αHa2≈1时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽
略，应选用相界面积和持液量均大的设备。
19
20
首先应根据气液反应中传质与反应过程各自的特点来进行选型,并确定相应的操作方 式(连 续 或 半 连续 操 作)。
1) 气/液比大的情况。当伴有快速反应,且过程阻力主要在气膜传质方面,则应选用气相为 连续相,湍动程度较高而相界面大的喷雾塔、填料塔型式。而在气相中被吸收组份的 浓 度很高,反应又快,过程属液膜控制时,液 体容量将显得重要,应选用液相为连续相, 湍动较大,利于液相传质而相界面大的板式塔、泡罩塔型式。
G
L
用于气液反应时，也可以并流操作
G
7
L
填料塔
• 工作原理：逆流操作时，气体自塔底进 入，在填料间隙中向上流动；液体自塔 顶加入，通过液体分布器均匀喷洒于整 个塔截面上。液体在填料表面形成液膜 ，液膜向下流动时传质表面被不断更新 。
• 液体分布器：液体沿乱堆填料向下流动 时，沿塔壁流动的液体逐渐增多，称为 壁流现象。当填料层较高时，宜隔一定 距离重新设置液体再分布器，使液体重 新均匀分布，改善气液接触。
者两者阻力都不能忽略。此时，需借助参数αHa2作进一
气液相反应
•极慢反应 传递速率远比 反应速率快得 多；液相中溶 解的A接近其 饱和溶解度； 化学反应在液 相主体中进行， 反应速率代表 了A的传递速 率。
•慢反应 反应在液相主 体中进行，但 速率较传递速 率为大，液膜 中的反应可以 忽略（即-rA视 为0），与物 理吸收相同。
pA
cB pAi cAi cA δG δL
8.2 气液反应动力学
• 在液膜内 取一微元 体，在定 常态下， 对A组份 作物料衡 算（服从 Fick扩散 定律）：
• 模型分析： • 模型是以存在稳定的膜为前提，即：不 论气液相主体如何扰动，相界面上滞留 膜总是稳定存在。 • 随着气液相流动状况的不同，气液膜的 厚度不同。强化传质要通过增加扰动改 变膜厚度实现。 • 传质与反应速率的不同，得到不同的膜 内浓度分布。
• β恒大于1。 d 2cA • 曲线下 0 2 dl pA 凹。 2 • 八田数决 定了β ,γ0, β 1 (γ0，ch γ 1, γ/ th γ 1) c AL
c Ai ch th c Ai c AL
dl
k L DLA
输入－输出＝反应传递 At Fy A At F y A dy A dn A At dt dnA Fdy A dt kmol 因次：F : [ 2 ]， mh
L,XA进
F,yA出
dl H
F,yA进
L,XA出
dn A kmol :[ 2 ] dt mh
第八章 气液相反应过程与反应器
• 8.1 概述 • 气液反应过程指一个反应物在气相，另 一个在液相，气相反应物需进入液相才 能反应；或两个反应物都在气相，但需 进入液相与液相的催化剂接触才能反应。 • 与化学吸收过程极为相似。
《化学反应工程》教学大纲
《化学反应工程》教学大纲《化学反应工程》课程教学大纲【学时学分】 64 学时； 4学分【开课模式】必修【实验学时】 12学时【上机学时】0学时【课程类型】专业基础课【考核方式】考试【先修课程】物理化学，高等数学等【开课单位】石油化工系【课程编号】 G02019【授课对象】大专（3年制）石油化工生产技术一、本课程教学目的和任务本课程是化学工程与工艺专业的专业基础必修课，其主要任务是使学生掌握化工生产中的关键过程——化学反应过程的基本理论和知识，培养学生具体分析、计算和解决化工生产中有关化学反应过程的实际问题的能力。
1、课程对学生思想品德培养的目标要求：①通过课程讲授、复习及辅导、作业等教学环节，培养学生严谨求实的科学态度和一丝不苟的工作作风。
②通过用理论分析解决问题的过程中，培养学生辩证唯物主义的思想方法。
③通过我国反应工程发展史及现状，激发学生为化工事业献身的精神。
2、课程对学生知识与能力培养的目标要求：①培养学生从基础理论、工程观点、经济观点出发，综合处理工程问题的能力。
②培养学生能熟练进行反应器选型、设计、校核的能力。
③培养学生根据反应的特点分析反应器的问题，具有解决工业反应器的问题的能力。
④通过实验数据的收集和解析，培养学生实验设计和处理数据能力。
3、课程对学生科学思维方面的目标要求：①通过基本原理的学习，使学生掌握过程的本质，在众多影响因素中，抓住问题的主要方面，提高学生的科学思维能力。
②通过计算问题的学习，使学生掌握计算依据的基本概念、模型简化处理的方法，从而培养学生抽象的思维能力。
③通过典型反应器的学习，使学生了解应从基本原理出发来分析反应器性能、特征、应用范围及强化方法，培养学生逻辑思维能力。
二、本课程的性质、特点及基本要求本课程是在学完物理化学、化工原理、化工热力学的基础上，讲授化学反应过程的基本理论和知识，以研究工业反应器为主体，介绍反应工程的基本概念、原理和方法，以及反应器的设计、优化、开发、放大问题。
反应工程答案
第二章 均向反应动力学1.在473K 等温及常压下进行气相反应：（1）3→A R 1.5R A r C = （2）2→A S0.5S Ar C =（3）→A T 2.1TA r C= 式中C A 为反应物A 的浓度（kmol/l ），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：先求出总摩尔变化数δA ，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：10.53AR R A r r C ==10.252AS S A r r C == 2.1AT T A r r C== 总反应速率为： 2.85A AR AS AT AR r r r C =++= 以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变化数为：0.50.25 2.13210.4392.85 2.85 2.85A δ=⨯+⨯+-=初始浓度为：200030.10130.5 1.28810/8.31410473A A P y C kmol l RT --⨯===⨯⨯⨯则有：2300(1) 1.288100.151.62810/110.50.4390.85A A A A A A C X C kmol ly X δ---⨯⨯===⨯++⨯⨯332.85 2.85 1.62810 4.64010/(.min)A A R C kmol l --==⨯⨯=⨯2.可逆一级液相反应PA −−←−→−，已知0,m kmol 5.0P030=⋅=-c c A ；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，A 的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力学方程式。
解：()()x c k x c k txc t c x c c x c c c c k c k c k c k tc r A02A01A0A A0P A0A A A02A 1P 2A 1AA 1d d d d )1(d d --==-=-=--=-=-=-⎩⎨⎧=====+-+-=xx t t x t txk k k xx k k k tx,0,0d )(d )(d d 2112118333.022667.01667.01)1()(ln 121e e e 0A e 0A Ae Pe 21121121=====-=-=-====+-+-t x k k K x x x c x c c c k k K t k xk k k k k ()PA A A 1211212121212102888.005776.0d d min02888.0min 05776.02/08664.086931.05.0ln 18333.02111ln 1c c tcr k k k k k k k k k k k k -=-=-⎩⎨⎧==⎩⎨⎧==+=+=+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+--- 3.液相自催化反应的动力学方程A+P-P+P 速率表达式00()/(.) c 0.95/ c 0.05/AA A P A P dc r kc c mol l h mol L mol L dt -=-===，1h 后测得速率最大值，求反应速率常数。
气液相反应器
鼓泡式反应器的优点及缺点
鼓泡式反应器结构简单，造价低、 易控制、易修理、防腐问题容易解决。 但鼓泡塔内液体的返混程度大，气泡 易产生聚并，反应效率低。
二、鼓泡管反应器
鼓泡管反应器，它是由管接头依次连接的许多垂直 管组成，在第一根管下端装有气液混合器，最后一根管与 气体分离器相连接。这种反应器中，既有向上运动的气液 混合物，又有下降的气液混合物，而下降的物流的流型变 化有其独特的规律，下降管的直径较小，在其鼓泡流动时， 气泡沿管截面的分布较均匀，但当气流速度较小时，反应 器中某根管子会出现环状流，从而造成气流波动，引起总 阻力显著增加，会使设备操作引起波动而处于不稳定状态， 因此气体空塔流速不应过小，一般控制在大于0.4m/s.
气液相反应器
项目一 气液相反应器的结构
一、鼓泡塔反应器
气体以鼓泡形式通过催化剂液层进行化学反应的塔 式反应器，称作鼓泡式反应器，简称鼓泡塔。 式反应器，称作鼓泡式反应器，简称鼓泡塔。 应用最广泛的时简单鼓泡塔反应器，其基本原理结 应用最广泛的时简单鼓泡塔反应器， 构式内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器，壳外 构式内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器， 装有夹套或其他型式换热器或设有扩大断、液滴捕集器 装有夹套或其他型式换热器或设有扩大断、 等。
• 搅拌釜式气液相反应器的优点是： 搅拌釜式气液相反应器的优点是： • 气体分散良好，气液相界大，强化了传质、
传热过程，并能使非均相液体均稳定。
• 主要缺点是： 主要缺点是： • 搅拌器的密封较难解决，在处理腐蚀性介质
及加压操作时，应采用封闭式电动传动设备。达 到相同转化率时，所需要反映体积较大
鼓泡管反应器的最大优点： 鼓泡管反应器的最大优点：
是生产过程中反应温度易于控制 和调节。由于反应管内流体的流动属 于理想置换模型，故达到一定转化率 时所需要的反应体积较小，对要求避 免反混的生产体系更是十分有利。
8 多相反应器汇总
10
8.2.3 搅拌釜式反应器的设计 采用机械搅拌釜做气液反应器时，只要气 液混合物层高与釜径之比不大，无论气相或 液相都可近似假定为全混流。
分别对气相及液相作反应组分的物料衡算， 即得设计方程：
Fg ( fAo fALr ) kLaVr (cAi cALr )
kLaVr (cAi cALr ) QL(cALr cA0) Vr (1 G )rA
6
8.2.1 主要类型 气液反应器主要有两类： 塔式反应器、机械搅拌式反应器。 塔式又可分为填料塔、板式塔、鼓泡塔及喷 雾塔四种。
7
1、填料塔：流体阻力小，适用于气体处理 量大而液体量小的过程。 2、喷雾塔：将液体分散成雾状与气体进行 反应。所以，液体为分散相，气体为连续 相。 3、板式塔：将气体分散于液体中，气体为 分散相，液体为连续相。 4、鼓泡塔：结构简单，存液量大，特别适 用于动力学控制的气液反应过程。 5、机械搅拌釜式反应器：气体分散好，适 应性较强。
5
随化学反应速率与传质速率相对大小不同， 气液反应过程具有不同的特性： 1、化学反应速率大的气液反应，反应在液 膜已基本进行完毕，此时速率只与k、dAi 和CAi有关。要提高宏观反应速率，需提高 反应温度、减小气膜阻力。 2、化学反应速率慢的气液反应，反应主要 在 液相主体里进行，此时采用比较大的反 应器比较有利。
12
气固相催化反应器主要有两种：滴流床反应器 和浆态反应器。 气液固催化反应的传递步骤与速率 (-RA)=KOGcAG 宏观反应速率方程
1 1 1 1 1 HA( ) KOG HAkGaL kLaL kLS aS k
13
气液相反应和反应
可编辑ppt
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
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组分A在液膜内的浓度分布
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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
17
1.3 不可逆飞速反应
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
可编辑ppt
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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
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
可编辑ppt
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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
可编辑ppt
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
可八编辑田pp数t
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
可编辑ppt
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
化学反应工程-第八章-流化床反应器
当ug高于umf 时，床层压降不再变化。
对于颗粒及密度均较小的A类颗粒，超过umf 再提高ug 即导致床层发生均匀膨胀，气体通 过比固定床空隙率增大的颗粒间隙，但并无 气泡产生，床层均匀膨胀，压降波动较小， 即散式流态化。
剧烈但有规则的脉动。这种现象称为节 涌流态化（slugging fluidization）。
节涌使颗粒夹带加剧，气、固接触效率 和操作稳定性降低。
在工业规模的大床中，节涌现象一般不 致于产生。
(4) 湍动流态化
随着表观气速进一步提高，鼓泡床中 气泡的破裂逐渐超过起泡的聚并，导致床 内的气泡尺寸变小，进入湍动流态化。这 种小气泡通常称为气穴(void)，气穴与密 相或乳相间的边界变得较为模糊，此时称
聚式流化床中存在明显的两相：
气体中夹带少量颗粒的气泡相（bubble phase）或稀相 （lean phase）；
颗粒与颗粒间气体所组成的颗粒相（particulate phase） 或密相（dense phase），又称乳相（emulsion phase）。
在低气速流化床中，乳相为连续相而气泡相为非连续相。
2. 聚式流态化与散式流态化
理想流态化是固体颗粒之间的距离随着流体流速增加而 均匀地增加，颗粒均匀地悬浮在流体中，所有的流体都 流经同样厚度的颗粒床层，保证了全床中的传质、传热 和固体的停留时间都均匀，对化学反应和物理操作都十 分有利。理想流态化的流化质量（fluidization quality） 是最高的。
combustion，CFBC）
典型的循环流化床特征
操作条件
颗粒特征
提升管表观气速，m/s 提升管颗粒循环速，
气液相反应器
③Ha＜0.02在液相整体中进行的极慢反应，为图
中h 。
项目五 气液相反应器
（4） 五种反应类型分析
① 极快反应 此时化学反应能力远远大于扩散能力，化学反 应瞬间完成，液相中A、B不能同时存在，化学 反应仅在液膜内某个反应面上发生，与界面大 小有关，和液体体积无关，此时，宏观速度取 决于扩散速度，称扩散控制过程。 令
7-冷却水箱
项目五 气液相反应器
（3）鼓泡塔反应器优点： ①气体以小的气泡形式均匀分布，连续不断地通过气液 反应层，保证了充足的气液接触面，使气液充分混合反应良 好。 ②结构简单，容易清理，操作稳定，投资和维修费用低。 ③鼓泡塔反应器具有极高的储液量和相际接触面积，传 质和传热效率高，适用于缓慢化学反应和高度放热的情况。 ④在塔的内、外都可以安装换热装置。 ⑤与填料塔比较，鼓泡塔能处理悬浮液体。 缺点： ①为了保证气体沿截面的均匀分布，鼓泡塔的直径不宜 过大，一般在2-3m以内。 ②鼓泡反应器液相轴向返混很严重，在不太大的高径比 情况下可认为液相处于理想混合状态，因此较难在单一连续 反应器中达到较高的液相转化率。 ③鼓泡反应器在鼓泡时所耗压降较大。
项目五 气液相反应器
（1）鼓泡塔的各种类型
(a) 并流式鼓泡塔
(b) 升液式鼓泡塔
(c) 安置水平多孔隔板的鼓泡塔 (d)填料鼓泡塔 1-筛板；2-填料
项目五 气液相反应器
（2）鼓泡塔的各种热交换形式
(a) 夹套换热器
(b) 塔外换热器
(c) 蛇管换热器
1，4-挡板；2-夹套；3-气体分布器；5-塔体；6-塔外换热器；
项目五 气液相反应器
任务二
气液相反应器的生产原理
项目五 气液相反应器
一、双膜理论
第8章多相反应及反应器
8.1 气液反应模型
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。
气液相间的物质传递对于气液反应过程速率 有重要影响，这种相间传递过程通常可以用 传质模型来描述。
气液反应过程的传质模型有多种，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。
Ｓ为表面更新分率，必须由实验测定。从该 式 格可 比以 获看 得出的，结果与完D全AB一的致平。方根成正比，与赫
虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够比双 膜论更接近气液相间传质的真实情况，但由 于气液接触时间 和表面更新分率Ｓ均不易获 得，而且在实际应用中会使过程的数学描述 复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描 述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学 描述简化，而计算结果的误差也是可以接受 的。
尿 素 合 成 塔
气液吸收反应器
二 氧 化 碳 吸 收 塔
气液反应过程的特点
反应发生前气液两相中的反应组分首先需要 接触，气相反应组分通过气液界面传入液相， 并与液相中的组分进行反应。
化学吸收过程既与反应速率有关又与气液平 衡有关。
描述气液反应过程总速率的宏观反应速率方 程将是本征化学反应速率和气液传质速率的 组合。
由此可将cAs消除，得到宏观速率方程：
rA
C AG 1 1
k kg m
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(PAgPAi)kLcAi
cAiHAPAi
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：
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
气液相反应器本类型与结构
6.1.2 气液相反应器基本类型与结构1.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。
(a) (b) (c) (d) (e) (f)(g)气液相反应器的主要类型示意图(a)填料塔反应器；（b）板式塔反应器；（c）降膜反应器；（d）喷雾塔反应器；（e）鼓泡塔反应器；（f）搅拌鼓泡釜式反应器；（g）喷射或文氏反应器2.气液相反应器的特点(1)鼓泡塔反应器（图片）特点：a.气相既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率；b.鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。
c.鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
应用：这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
(2)填料塔反应器（图片）特点：a.液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。
b.填料塔反应器气体压降很小，液体返混极小，是一种比较好的气液相反应器。
应用：适用于瞬间、界面和快速反应。
（3）板式塔反应器（图片）特点:a.板式塔反应器中的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应；b.能在单塔中直接获得极高的液相转化率；c.板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求；d.但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。
应用：板式塔反应器适用于快速及中速反应。
(4)膜反应器（图片）特点：a.通常借助管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应热。
b.降膜反应器还具有压降小和无轴向返混的优点。
c.由于降膜反应器中液体停留时间很短，d.降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均匀分布是降膜反应器的关键，工程使用时必须注意。
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
气液反应及反应器
DG
L
G
pG p *
L
HDL
DG
HDL
N KG ( pG p*)
p* CL / H
G L 1 KG DG HDL
HG 1 L KL DL DG
阻力加和定理
上式各式中各符号的意义
p* — 与液相浓度CL相平衡的气相分压，Mpa或atm
C＊— 与气相分压PG相平衡的液相浓度,kmol/m3
Ei －亨利系数，
xi－i在液相中的摩尔分率
若气相为理想气体的混合物：
Ci H i pi Hi ni Ci Ci Ci ( pi Ei xi Ei Ei Ei Ei ) n n /V n / m /M
M Ei
M 0 Ei
第二节 气－液反应历程
气－液反应的通式为:
一、气－液反应 的定义
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） A（气相） 产物
1.反应特点
1）反应物:气体A和液相中组分B; 2）反应区在液相内，包括相界面； 3）多相反应:反应过程由传递过程和化学反应组成； 4）存在两种平衡:包括相平衡和化学反应平衡：
CL pi G L
N JG J L Ci H i pi
G
L
双膜理论的有关计算公式
N DG N DL pG pi
G
, ,
N pG pi DG / G N Ci CL DL / L
消去Ci和pi
N pG pi DG / G C CL N i HDL / L H N pG CL / H
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kAGS ( pAG
pAI ) kALS (cAI
cAL )
S ( pAG pAI ) S (cAI cAL )
1
1
k AG
k AL
1
1 K
S ( pAG KcAL ) K AGS ( pAG KcAL )
k AG k AG
K AG
1 k AG
K k AG
式中KAG为气相传质总系数。
二 填料式反应器的计算 （1）反应器的特点 ①液体在填料表面呈液膜状向下流动，主体相的量很
少 ②气液相的接触面积为填料的表面 ③气液相的传质过程可按双膜模型计算 （2）反应器的应用：适用于瞬间反应过程及快反应过
程 （3）反应器的工艺计算
塔径的计算： 填料层高度的计算： （其中β为常数）
式石中油k化A学G和工程k系AL分别为化A学组工分程与在工艺气教相研室和液相中的we传igan质g 系
化学反应工程
化学工程及工艺教研室
第八章 气液相反应器
Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology
8 气液相反应过程与反应器
8.1 概述 8.2 气液反应动力学 8.3 气液反应器
石油化学工程系
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8.1 概述
b a
(rA
)
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上述微分方程有两个边值条件：
其一为：l
0;cA
cAI
pAI K
; dcB dl
0
另一个将根据不同的情况有不同的值，大体可分为以下六种。
相界面（反应面）
相界面
相界面
δG
δL
cB
pAG δG
δL
pAG
反应区
pAG
反应面
pAI cAI
cB
pAI cAI
1、气液相反应过程
气相
扩散
液相
反应
2、气液相反应过程的工业应用
（1）制取 化工产品 如：C2H4和O2通入PbCl-CuCl2 的醋酸水溶液生产乙醛等。
（2）除去 （3）回收
有害组分 CO2等。 有用组分
如：合成氨生产中除去H2S、
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8.1.1 气液反应的步骤
⑤液相传质系数：
Sh
2.0
0.0187
Re0P.484
SC0L.339
d b g1/ 3 D 2/3
L
0.072
1.61
由上式可计算kAL值
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⑵连续操作的鼓泡塔式反应器
当气体和液体均为连续操作，且塔高与塔 径之比较大时，气体可视为平推流，液 体为全混流。
cB
(a) 瞬间反应（反应在 相界面）
Z
(b) 瞬间反应（反应在 液膜内）
(b) 快速反应（反应区 在液膜内）
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相界面
相界面
pAG
cB pAG
pAI cA
pAI
cB
cA
(b) 中速反应（反应在 (b) 慢速反应（反应在
液膜和液相主体内）
液相主体内）
相界面
DAG G
( pAG
pAI )S
z
➢A组分由气液相界面扩散到
δG δL
液相主体的速率方程为：
图8-2 双膜模型组分A相际传质的示意图
dnA dt
DAL
L
(cAI
cAL )S
➢结石油合化膜学传工程递系系数的定义化学：工程kA与G 工 D艺AG教G ,研kA室L
DAL L
weigang
则： dnA dt
（1）
反应 组分A
相界面 气相主体 气膜 液膜 液相主体
气相主体
（2）
反应 组分A
气膜
相界面
相界面
液膜
液相主体
z
图8-1 气液相反应过程
（3）液相中的化学反应A(resolve)+B(l) →R(g)
（4） 产 物 R
液相主体
液膜
相界面
（5） 产 物 R
相界面
气膜
气相主体
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A组分的物料衡算：FdyA =(rA ) Adl
只要将相应得反应方程代入及可求解出 高度
L
L
dl
F
yA1
dyA
0
A yA2 -rA
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—END THE CHAPTER
三 鼓泡塔式反应器的计算
⑴半连续操作的鼓泡塔式反应器
定义：液体一次加入，气体连续通入反应器底部， 以气泡形式通过床层，最后从顶部逸出，直到 液相中组成达到要求时停止送气且将液体作为 成品排出反应器
简化的物理模型：①气相在反应器内流动为平 推流，气体分压随高度呈线性变化
②液相在塔内为全混流，在操作过程中液体的物 性参数是不变的
g
非球形时用平均直径
dV
=26B0-0.5G
-0.12 a
u 0G gdt
0.12
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1/ 2
②气泡上升速度：
ut =
2 L dV L
1 2
dVg
③气含率：塔径大于30cm时
0.7uoG
u
t
+
u oL
1-
④比相K 0.003
L L'
δ’L
图8-3气液反应过程
令
L L'
，称为化学增强因子。
则：
dnA dt
kAGS ( pAG
pAI ) kAL'S (cAI
cAL ) kALS(cAI
cAL )
1 1 K S ( pAG KcAL )
kAG kAL
8.1-3
令KG
1 k AG
K
k AL
dnA dt
KG S( pAG
weigang
8.1.2 气液反应过程的计算关系式
双膜模型组分A相际传质如图8-2所示： 相界面
按照双膜理论模型，在气液相界 气相主体 气膜 液膜 液相主体
面处A组分达到平衡状态。即： PGA
PA
pGA KcGI
➢A组分由气相主体扩散到气 液相界面的速率方程为：
PAI
cAI
cA
cAL
dnA dt
A 单元体积 单元体积 A
DALV
dcA dl
DALV
d dl
[cA
dcA dl
]
δG
δL
单元体积 消耗的A量 (rA)V
dl
单元体积 累积的A量
0
图8-4单元体积的选定
所以，物料衡算为：
DAL
dcA2 dl 2
(rA )
δV=Sdl
同理，B物质的物料衡算为：DBL
dcB 2 dl 2
(rB )
8.1-1 8.1-2
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➢若液相中存在化学反应，则导致液膜较纯物理 过程的液膜变薄，如图8-3所示：
δG
δL
则气膜中：
dnA dt
kAGS( pAG
pAI )
液膜中：
dnA dt
kAL'S(cAI
cAL )
k AL'
DAL
L'
DAL
L
L L'
k AL
pAG pAI
cB
cA
(b) 极慢速反应（反应 在液相主体内）
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第三节 气液反应器
3.1 工业上常用的气液反应器
图 气液反应器的主要类型（a）填料塔 （b）喷淋塔 （c） 板石式油塔化（学工d）程系鼓泡塔 (e)化搅学拌工程反与应工器艺教（研室f）管式反应器weigang
dnAL dt
kALS(cAI
cAL )
➢过程在定态下操作时：
dnAG dnAL
dt
dt
➢组分A与B在液相中进行化学反应： aA bB rR
其动力学方程式为：r
rA a
rB b
k cAm cBn
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➢气液反应过程的基础方程：
在液膜内取一厚度为dl，与传质方向垂直的面积为S的体积 作为单元体积，在该单元体积中作物料衡算：
Thank you .
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KcAL )
8.1-4
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8.2 气液反应动力学
8.2.1 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：
dnAG dt
kAGS( pAG
pAI )
➢A组分由气液相界面向液相主体扩散的速率为：
本节讨论中速反应和慢反应过程：
如右图所示对体积单元做物料衡算
联解以上方程可得气体出口组成
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