气液相反应过程与反应器

•
d 2cA
凹。dl 2
0
kL2
曲线下
pA
•
DLA 八田数决
定了β ,γ0, β 1
(γ0，ch γ 1, γ/
th γ
1)
cAi
cAL
ch
th
cAi
cAL
dl
cB pAi cAi
cA
δG
δL
• 快速反应
• 反应仅发生在液膜区，组份在液膜区已 全部反应掉，在液相主体区没有A，因此 液相主体中没有反应。
0
l R , cB 0 l L , cB cBL
• 解之，得：
cA
cAi
R
l
cAi
cB
cBL
L－ R
l
cBL R R－ L
＝
cBL
L－
R
l－ R
• 反应面的位置：
DLA
dcA dl
A B
DLB
dcB dl
cAi
R
A B
cBL
L－ R
DLB DLA
cAi
A B
R L－ R
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l0
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
th cAi cAL
• β恒大于1。
δR
cBL pAi cAi
个反应面，此 面上AB的浓 度均为0。
δG
δL
• 反应面左侧，只有A，没有B，因此，在 此区域，为纯物理扩散。
d2cA dl 2
0
l 0, cA cAi
l R ,cA 0
cA
cAi
R
l
cAi
• 反应面右侧，只有B，没有A，因此，在 此区域，亦为纯物理扩散。
d 2cB dl 2
cAL )S
根据亨利定律，
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
DGA
G
kGA
DLA
L
kLA
dnA dt
1
1
HA
pA
H AcAL S
1
1
1
pA HA
cAL S
kGA kLA
H AkGA kLA
• 因此可以写成：
dnA dt
KGA ( pA H AcAL )S
散的同时与液相中的B发生反应；
• 4 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界 面；
• 5 产物C由气液界面扩散到气相主体。
• 基本理论：双膜理论
• 与物理吸收的差别在于在液相主体和液 膜中存在化学反应，反应速率的快慢直 接影响了吸收的速率。
• 反应历程亦为连串过程，反应速率决定 了控制步骤的所在。
物理吸收过程的 双膜理论模型
DLA
d2cA dl 2
பைடு நூலகம்
rA
DLB
d2cB dl 2
B A
rA
• 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。
•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 pA 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。
cB pAi cAi
cA
δG
气液两相间存在 着稳定的相界面， 界面两侧分别存 在滞留膜，组份 通过在滞留膜中 稳定的分子扩散 进行传质，传质 阻力完全存在于 滞留膜中。
• 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
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL )S
kLA (cAi
δL
•中速反应 •反应在液相主体与液膜中同时进行：
•令
k L2 kDLA
DLA
kLA
前有kLA
DLA
L
: 膜内转换系数八田数
• 方程转变为：
d 2cA dz 2
2cA
z 0, cA cAi z 1, cA cAL
此方程的解为：
cA
cAish
1 z cALshz sh
• 继续推导：
DLB DLA
cBL
cAi
R
A B
cBL
L－ R
DLB DLA
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。
• 气液反应的步骤：
• 气液相反应－－反应物和产物至少有一 个存在于液相中，其中典型的是气体的 反应吸收。
• 更具有普遍意义：A(g)+B(l)=C(g) • 其宏观反应历程为： • 1 A从气相主体向气液界面扩散； • 2 A在气液界面处溶解于液相； • 3 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩
k
'LA
(
pA HA
cAL )S
kLA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA
KGA kGA kLA
1 1 1
KLA H AkGA kLA
K
GA和K
分别是以气相和液相表示的总括
LA
传质系数。与物理吸收过程相比，仅相差
一个化学增强因子。
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）：
DLA
d 2cA dl 2
rA
边界条件：l 0，cA cAi
对一级反应，可得：
l L，cA 0
th
cBi不一定为0，与 中速反应的区别 pA
在于cAL为0，即 在液相主体中没
有A。
pAi cBL
cAi
δG
δL
• 瞬时反应过程
反应面
• A与B之间的 反应进行得极 pA 快，以致于A 与B不能在液 相中共存。在 液膜区存在一
K LA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA KGA kGA kLA
1 1 1 KLA H AkGA kLA
K
GA和K
分别是以气相和液相表示的
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
•
L
变为
' L
。
• 注意液膜是流体
力学特性，而变
薄的液膜就不单
纯是流体力学的
概念了。
δ'L
pAi cAi
δG
cA δL
•
则： dnA
dt
kGAS pA pAi
pAi H AcAi
dnA dt
k 'LA
S cAi
cAL
k 'LA
DLA
'L
DLA
L
L 'L
kLA
L 'L
L : 化学增强因子 'L
dnA dt
kGA ( pA
H AcAL )S