气液反应器

7.1.3气液相反应的宏观动力学
7.1.2气液传质的双膜模型
• 双膜模型 • 涡流扩散模型 • 表面更新模型
后两种模型发展较晚，比较接近实际情 况，但其模型参数不易确定。而双膜模 型实际应用较多，其优点是简明易懂， 便于进行数学处理。
双膜模型
• 假定气液相界面两侧存在着气膜与液膜 （很薄的静止层或滞留层）。当气相组 分向液相扩散时，必须先到达气液相界 面，并在相界面上达到气液平衡，即符 合亨利定律
第7章 气液两相反应器
7.1 概述 在一定的反应温度范围内，反应物之一处于气相 状态，而另一种反应物处于液相状态，则这两种 反应物之间的反应称为气-液相反应。气液相反应 也是一类重要的非均相反应，涉及到相间传质过
程。常见的气液相反应可分为两大类
• 1．化学吸收 • 2．制取化学产品
1．化学吸收
• 液相吸收剂中的活性组分与被吸收气体中某组分 发生化学反应而生成产物，称为化学吸收，可用 于脱除气体中的有害组分，或回收气相中的有用 组分。当工艺要求气相中某活性组分浓度很低而 用物理吸收方法难以达到时，常采用化学吸收的 方法。
• 釜式气液相反应器：有代表 性的是鼓泡搅拌釜。气体由 搅拌釜的下部分布器流入， 呈气泡向上运动，分布器上 方有快速转动的搅拌桨，将 气泡打碎成无数小气泡，从 而大大增加了单位体积中的 气泡总表面积，强化了气液 两相间的传质，同时具有较 大的贮液量，这种鼓泡搅拌 釜用于烃类的氯化，并广泛 应用于生化发酵罐中，其体 积有大至100~200m3的。
PA PAi C Ai C AL p A PA * C A * C AL
1
1
1
1
kGA
k LA
K GA
K LA
pA pAi pAi pA * pA pA *
1
HA
1
kGA
k LA
KGA
可得
1 1 HA K GA kGA k LA
1 1 1 K LA H A kGA k LA
DLA
[
1
L
(C Ai
C AL )]
DLA
L
(C Ai
C AL )
对照两式可得到扩散系数与传质系数之间的关系
k LA
D LA
L
气膜传质系数与气膜扩散系数也成正比关系
kGA
DGA
L
如定义与液相中CAL平衡的气相分压为PA，与气相中PA 平衡的液相浓度为CA。则传质通量又可表示为
N A kGA ( p A p Ai ) k LA (C Ai C AL ) K GA ( p A p A *) K LA (C A * C AL )
2．制取化学产品
• 气相和液相反应物之间发生催化反应或非催化反应 而生成产物，广泛应用于石油化工和有机化工中。
• 用气态环氧乙烷通入液态氨水溶液以制取乙醇胺的 反应：
CH2OCH2(g)+N4OH(l)-----CH2OHCH2NH2+H2O 气态乙烯与氧气在液相催化剂存在下反应生成乙醛：
C2H4(g)+1/2O2(g)------C2H4O • 气态反应物和液态反应物有时需借助于固体催化剂
• 用作化学吸收剂的基本要求：无毒、不腐蚀、成 本低、便于回收。
• 例如：
• 空气深泠分离过程中用化学吸收脱除CO2以防 止干冰堵塞管道；
• 催化反应前用化学吸收除去反应原料气中微量 的H2S以免催化剂中毒。
• 与常规的物理吸收相比较，化学吸收推动力大， 可以更快速彻底地吸收掉气相中的组分，如每 1m3水在1.8MPa的压力下仅能吸收2.5~3.0 m3 （标准状态）的CO2，而在常压下用1m3乙醇胺 溶液可吸收30m3的CO2。
作单位气液相界面积上物料衡算，由Fick扩散定律
•
扩散入：
DLA
dCA dz
•
扩散出：
DLA
d dz
(C A
Baidu Nhomakorabea
dCA dz
dz)
• 积累量：0 • 反应量：0 • 物料平衡式：扩散入=扩散出
DLA
dCA dz
DLA
d dz (CA
dCA dz
dz)
DLA
d 2CA dz 2
dz 0, d 2CA dz 2
同，同时具有较大的相界面积和较大的贮液量； • 鼓泡塔：通常是一个空的筒体，内装液相反应
物，以鼓泡形式通过液层并与液相组分发生反 应。鼓泡塔中气液相界面积决定于气泡表面， 故单位体积反应器所具有的相界面积较小，但 其贮液量比前两种塔式反应器大。
• 用于化学吸收的填料 塔通常是两塔串联操 作，如图。左边吸收 塔，右边为解吸塔， 吸收塔中气相反应物 被吸收剂吸收进入吸 收液，吸收液在解吸 塔中因压力降低温度 升高而发生解吸，被 吸收的气相组分得到 浓缩提纯，而液体吸 收剂则返回吸收塔循 环使用。
pAi H AC Ai
pAi是气相组分A在相界面上成平衡的气相分压 CAi是气相组分A在相界面上成平衡的液相浓度 HA为亨利常数
• 双膜模型又假定在气膜 之外的气相主体和液膜 之外的液相主体中，达 到完全的混合均匀，即 全部传质阻力都集中在 膜内。
• 在无反应的情况下，组 分A由气相主体扩散而 进入液相主体需经历以 下途径：气相主体→气 膜→界面气液平衡→液 膜→液相主体。
而发生反应，如催化剂是悬浮在液体中的小颗粒， 则称为浆态床反应器。例苯加氢生成环乙烷的反应：
3H2(g)+C6H6(l)C6H12(l)
7.1.1气液相反应设备 （塔类、釜式反应器）
• 塔类设备包括填料塔、板式塔和鼓泡塔。 • 填料吸收塔：具有较大的相界面积和较小的持
液量； • 板式吸收塔：塔体与塔板结构与一般精馏塔相
0
边界条件：界面处
z=0,CA=CAi
液膜表面处 z=δL,CA=CAL。
上式积分两次，代入边界条件，可得到液膜内A组分
的浓度分布方程为
1
C A L (C AL C Ai ) z C Ai
对上式微分得：
dC A dz
1
L
(C Ai
C AL )
当扩散达定常态时方 程右侧各项均为常数， 可知此时液膜内浓度
梯度处处相等。
根据双膜模型的假定，全部液相传质阻力都集中在液膜内， 单位时间内通过单位传质表面的A组分的量可表示为
N A k LA (C AL C Ai )
kLA为A组分在液膜中的传质系数，而根据Fick扩散定律，液 膜中的传质速度即是其中的扩散速度，由式（7.1-5）可得
NA
-D LA
dC A dz