第六章 气液相反应过程与反应器-复习

6.1.2 气液相际传质关系
气相主体 PAG
气膜
相界面
液膜
反应面
PAI
CAI
Z
δ
液相主体 CB
物理吸收过程

dnA dt

DAG G
( pAG

pAI )S
kAGDAG /G

kAG ( pAG

pAI )S
气膜传质方程
(
dnA dt
)

k AL S (c AI

cAL )
液膜传质方程
pAI KcAI
(c) (d)
(e)
(f)
(g)
(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
塔式反应器 特征：反应器高度为直径的数倍以至十几倍。 内部常设置能增加两相接触的构件，如填料，筛板等。 适用于两种流体相反应的过程。如气液反应、液液反应。
反应主要在液相主体
6 极慢速反应 在液相主体的均相反应
6.2.2 极慢反应过程
相界面
气膜
液膜
CB
PAG
PAI CAI
δG
δL
极慢速反应:指A组分由气相主体向气液界面扩散的速率以及A组分
由气液界面向液相主体的扩散速率远远大于A组分在化学反应过程中 的消耗速率。类似于液相均相反应过程
pAG pAI KcAI KcAL
dnA dt
(rA )V
由此,β为何值没有意义
6.2.3 慢反应过程
气膜
相界面
液膜
反应面
CB
PAG
PAI
CAI
δL
化学反应在液相主体,在液膜内的反应可以忽略,即 在液膜内仅发生A组分的扩散过程,与物理吸收相同。
基础方程及边界条件
Hale Waihona Puke Baidu
DAL

d 2cA dl 2
rA
DBL

d 2cB dl 2
化学增强系数β
膜内转换系数(八田准数)γ
气液反应过程的重要参数
1 化学增强系数β

L L

DAL (cAI DAL (cAI
cAL )
L
cAL )
L

表观反应速率 物理传质速率
极慢反应过程 慢反应过程 中速反应过程 快速反应过程
瞬时反应
概念无意义
1



tanh
假设:
1. 气相A组分 与液相B组 分的反应过 程按双膜模 型进行;
2. B组分不挥 发,不存在B 组分向气相 扩散。
气相主体 PAG
相界面
气膜
液膜
PA
PAI
CAI
CA
dZ
δG
Z
δL
液相主体
CAL
Z
模型图
推导:
化学反应式 aA bB rR
r rA rB
A B 取体积元(S×1×dL),进行组分A微分衡算

cAI
cAL cosh(
cAI cAL
)
tanh( )
L 1 A DBL cBL 1 A kBL cBL
R
B DAL cAI
B kAL cAI

2 膜内转换系数(八田准数)γ
对于一级反应

k DAL

2 L

k DAL k AL
联合求解方程
L 1 A DBL cBL 1 A kBL cBL
R
B DAL cAI
B k AL cAI
在A组分浓度(分压)降低或B组分浓度增加时,反
临界浓度 cB0L 应面向相平衡界面移动,最终两界面会重合,此时
的B组分浓度称该A组分分压下的临界浓度cB0L
4.有利于控制反应温度
• 气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热 控制好操作温度是十分重要的。例如板式塔可 以安置冷却盘管，但在填料塔中，排除反应热 就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把湿热 带走，但动力消耗大量提高。
5.能在较小液体流率下操作
• 液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小， 但液体流率的大小应符合反应器的基本要求。
k DAL

2 L

k DAL k AL
膜内转换系数,八田准数

dnA dt

DAL
S

dcA dl
l0
k AL S (cAI
cAL ) tanh( )
c AI

c
AL
c
osh(
)
cAI cAL



tanh

c AI

c
AL
c
os
h(
由此可得,β=1
6.2.4 中速反应过程
相界面
气膜
液膜
CB
PAG
PAI
CAI
δL
反应不仅发生在液膜内,而且在主体相中也存在化学反应
边界条件
DAL

d 2cA dl 2
rA
l 0
l L
c A c AI c A c AL
对于一级化学反应
D AL

d 2cA dl 2
kcA

0
边界条件不同求解二阶常微分方程
气相主体
相界面
气膜
液膜
反应面
PAG
PAI CAI
液相主体 CB
Z
δ
相界面(反应面)
气膜
液膜
CB PAG
δ
1 瞬时反应 反应面和相界面不重合 反应面在液膜内
2 瞬时反应 CB过大 反应面在相界面上 反应面与相界面重合
相界面
气膜
液膜
反应区
CB
PAG
PAI CAI
Z
δL
6.3 气液反应器
6.3.1工业常用反应器概述
6.3.1.1 工业生产对气液反应器的要求
1.较高的生产强度 反应系统的特性选择反应器，使反应器具备较高的生产强度。
1）气膜控制，选择气相容积传质系数大的反应器， 例如喷射塔和文丘里反应器。
2)快速反应，反应在界面附近的液膜中进行，选择 表面积较大，而且较大的反应器，例如填料塔和板式反
)
cAI cAL
比较传质方程
6.2.5 快速反应过程
相界面 气膜
液膜
PAG
反应区
CB
PAI CAI
Z
δL
反应仅发生在液膜内,A组分在液膜内全部被反应掉,在液相主体没有 组分A,在液相主体没有化学反应。
对于一级反应 基础方程
DAL

d 2cA dl 2
rA
边界条件
l 0
l L
6.1.1 气液反应步骤
(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) 组分进入液相后通过液膜扩散到液相主体； (3) 在液相中与其它组分进行反应生成产物； (4)产物由液相主体透过液膜扩散到气液界面； (5) 产物由气液界面透过气膜扩散到气相主体。
化学反应过程
传递过程 (回顾气固相催化反应过程的步骤)
k AG k AL
dnA
1
dt 1 K
S( p AG KcAL ) KG S( pAG KcAL )
k AG k AL
有化学反应过程吸 收过程传质方程式
气液反应过程与物理吸收过程相比,仅差一化学 增强因子β。
6.2 气液反应动力学
6.2.1 气液反应过程的基础方程
DBL
L
(cB0L
0)

B A
kAG ( pAG
0)
cB0 L
B A
k AG k AL
DAL DBL
pAG
在相界面处A,B组分浓度均 为0
若CBL大于CBL0,在相界面没有A,但有组分B,反应仍在相界
面上,此时PAI=0
,
dnA dt
k AG SpAG
6.2.7 气液反应过程的重要参数
K

1
H
相界面平衡方程

dnA dt
k AGS( pAG

pAI )

k AL S (cAI
cAL)
pAG pAI c AI cAL
1
1
k AG
k AL
1 K AG 1 K
k AG k AL

1
1 K
S( p AGKcAL) KAGS( pAG KcAL)
kAG kAL
6.3.1.2.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。
(a)
(b)
填料塔
板式塔
喷雾塔
无论哪一种塔式反应器，两种流体可以成逆流，也可以并流操作。
环流反应器
8.3.1.3 气－液反应器的型式和特点
1.填充床反应器 填充床反应器具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀
等优点，广泛应用于带有化学反应的气体净化过程，适用 于快速和瞬间反应过程。 2. 板式反应器
板式反应器可以将轴向返混降低至最小程度，在单塔中 获得极高的液相转化率，并可安装冷却或加热元件，维持 所需的温度，适用于快速和中速反应过程。 3. 降膜反应器
rB
B A
(rA )
l 0
l L
cA cAI pAI K
dcB 0 dl
cA cAL
cB cBL
d 2cA dl 2
0
求解方程得
dnA dt
1
1 K
S( p AG KcAL ) K AGS( pAG KcAL )
k AG k AL
L L 1
降膜反应器具有压降小和没有返混的优点，适用于快 速和瞬间反应过程。但降膜管的安装垂直度要求较高，液 体成膜和均布是降膜塔的关键问题。 4. 喷雾反应器
相界面
气膜
液膜
反应面
CB
PAG
PAI CAI
δL
3 快速反应 无反应面,只有反应区
反应区在液膜内 反应物A,B均在液膜内消耗完毕
4慢速反应 反应面和相界面不重合 反应在液膜内及液相主体
相界面
气膜
液膜
CB
PAG
PAI CAI
δL
相界面
气膜
液膜
CB
PAG
PAI CAI
CA
δG
δL
5中速反应 反应面和相界面不重合

k DAL k AL2

k L
k AL
k( L S )cAI
kALS (cAI 0)

液膜内最大反应消耗A量 液膜内最大传递量
膜内转换系数反映出液膜内进行反应的那部分量占 总反应量的比例,可以用于判断反应快慢的程度
2, ,反应属于瞬间反应或快反应； 0.02， 1，反应属于慢反应； 0.02 2，反应属于中速反应.
应器。 3) 缓慢反应，反应在液流主体中进行，应选择液相容
积大的设备，例如鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器。
2. 有利于提高反应选择性
对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应， 而要抑制副反应。例如对于平行反应，主反应快而 副反应慢，则要选择储液量较少的反应器来抑制副 反应的发生。
3.有利于降低能耗
为了使气－液两相分散接触，需要消耗一定的 动力。喷射吸收器所需的能耗最小，其次是搅拌反 应器和填料塔，文氏管和鼓泡反应器所需的能耗最 大。
tanh( )
6.2.6 瞬时反应过程
气相主体 PAG
相界面 气膜
液膜
反应面 PAI
CAI
瞬时反应 反应面和相界面不重合
反应面在液膜内 组分A,B均在液膜内消耗完
Z
δ
液相主体 CB
气膜
相界面(反应面) 液膜
CB PAG
δ
瞬时反应:CB过大 反应面在相界面上 反应面与相界面重合
A组分与B组分之间的反应进行极快,以致在液相中A组分与B组分不能共存。 在液膜区存在一反应面,在此液面上A、B组分浓度为0
对于一级反应 在0<l<δR的液膜区内,液膜中仅有A组分而B组分
基础方程
DAL

d 2cA dl 2
0
边界条件
l 0
l R
cA cAI cA 0
在δR <l<δL的液膜区内,液膜中仅有B 组分而A组分
基础方程
DBL

d 2cB dl 2
rB
0
边界条件
l R l L
cB 0 cB cBL
第六章 气液反应 及反应器
内容提要
•6.1 概述 •6.2 气液反应动力学 •6.3 气液反应器
6.1 概述
气液反应过程:
气相中组分必须进入液相中才能进行反应的过程
气相+气相
气相+液相
至少有一反应组分是气相,反应在液相中进行,气相无 反应。
应用范围: (1)制取化工产品; (2) 除去气相中有害组分; (3) 尾气回收有用组分。

DAL
dcA dl
S

DALS
d dl
cA

dcA dl
dl

(rA )Sdl
DAL

d 2cA dl 2
rA
在体积元(S×1×dL)内,进行组分B微分衡算
DBL

d 2cB dl 2
rB

B A
(rA )
边界条件为:
l
0;cA
cAI

pAI
K
;
dcB dl
KAG为气相总传质系数
化学吸收过程
当液相中反应物A尚存在化学反应,液膜较纯物理过程的液膜薄
(
dn A dt
)

k AL S (c AI
c AL )
k AL
D AL L
DAL
L
L L

k AL
L L
L L
β称为化学增强因子
1 KG 1 K
cA cAI cA cAL 0
求解方程
dnA dt

DAL
S
dcA dl
l0
k AL S (cAI

c
AL
)
tanh(
)
c AI

c
AL
c
os
h(
)
cAI cAL
c A L 0

k AL S (cAI cAL ) tanh( )