第六章气-液反应工程

(
pi
Ei xi
Ei
ni n
Ei
ci n /V
Ei
ci
n / m
Ei
ci
/M
)
Hi M Ei
M 0 Ei
8
• 各种气体在水中的亨利倒数 (1/Ei，atm-1，1atm=101325 Pa)
• 亨利系数Ei与溶解度系数Hi与温 度压力的关系为：
d ln Ei
d 1/ T
d ln Hi
d 1/ T
• 与化学吸收过程极为相似。
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气液相反应的工业应用
化学化工学院《化学反应工程》
工业反应 有机物氧化 有机物氯化 有机物加氢
工业应用举例
链状烷烃氧化成酸；对二甲苯氧化生产对苯二甲酸； 环已烷氧化生产环已酮；乙醛氧化生产醋酸；乙烯氧 化生产乙醛
苯氯化为氯化苯；十二烷烃的氯化；甲苯氯化为氯化 甲苯；乙烯氯化
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。
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气液传质理论 （双膜理论）
化学化工学院《化学反应工程》
• 特点：是稳态的物理模型，模 型直观，用起来方便。
• 要点：
① 流动方式：界面两侧有滞流传质膜， 滞流传质膜≠滞流边界层
系，在分压很高时，气体的溶解度趋
近于化学计量的极限。
• 对各种气体的溶解度的高低，物理吸收主要体现在H的数 值上，而化学吸收则不同，取决于α的数值。
• 物理吸收溶解热较小。
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气－液反应历程
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• 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
烯烃加氢；脂肪酸酯加氢
其他有机反应 甲醇羟基化为醋酸；异丁烯被硫酸所吸收；醇被三氧 化硫硫酸盐化；烯烃在有机溶剂中聚合
酸性气体的吸收
SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被 碱性溶液所吸收；
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气-液反应实例
化学化工学院《化学反应工程》
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气-液反应实例
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Hi R
d ln Ei d ln Hi Vi
dp
dp RT
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带化学反应的气-液相平衡
• 气体A与液相组分B发生化学反应，则A组分既遵从相平衡 关系又遵从化学平衡关系。设溶解气体A与液相中B发生 反应，则可表示为：
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液相总的A组分浓度
cA0
=cA
+cB0
xB
=H
A
pA*
+cB0
1
pA* pA*
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如果物理溶解量相对于化学转化量可忽略时，则
cA0
=cB0
xB
=cB0
1
pA* pA*
与物理吸收cA* =HA pA*的关系：
化学吸收典型的气-液平衡关系
• 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
cA0 1+KccB
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2 被吸收组分在溶液中离解
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由反应平衡，Kc c c M+ N- cA* ， 当溶液中无其它离子存在时，cM+ =cN-，则： cM+ =cN- = KccA* A的总浓度cA0 =cA* +cM+ =cA* + KccA* ，由cA* =HA pA*，则得： cA0 =HA pA* + Kc HA pA*
• 差别点：
单相传质过程（气固相催化反应）VS相间传质过程（气液反应） 对流传质VS孔扩散传质
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传质方向
A: C=5mol/l
?
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B: C=3mol/l
C=5mol/l
C=3mol/l
?
Gas porous Solid
Gas Liquid
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气-液相平衡
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
化学位通过逸度表达d
RTd
ln
f
时，则
i
f
i(g)
f
i(L)
稀溶液符合享利定律:f i(L) Ei xi 若气相为理想气体的混合物:
f i(g) i f p yi f p yi pyi
pi pyi Ei xi
ci Hi pi
② 传递方式：膜内呈分子扩散传递，主 体浓度均一，传质阻力集中在界面两 侧的双膜内；
③ 界面无阻力，yi=Kixi, 模型参数是膜的 厚度δl、δg 。
N
DL
L
(ci
cL )
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N
DG
RTG
pG
pi
DL
L
(ci
cL )
在界面上：ci Hpi
由化学平衡常数K
可写出
c
cA*
c c M N MN
K
c
c B B
1/ A
由相平衡关系可得
f
* A
cA* HA
1 HA
c c M N MN
K
c
c B B
1/ A
当气体是理想气体混合物时，上式为：
pA*
cA* HA
1 HA
c c M N MN
K
c
c B B
1/ A
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分成以下几种类型：
+ 3H2 + nH2
裂解产物 CH3
+ nH2
+ CH4
CH4
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气-液反应平衡
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• 气液反应与气固相催化反应的异同 • 相似点：
反应物历程：外扩散，内扩散－反应。 气相的扩散反应过程 气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应） 溶解的气体在液体内的扩散（气－液相反应）
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3 被吸收组分与溶剂中活性组分作用
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设溶剂中活性组分起始浓度为cB0，
若组分B的转化为率xB，此时cB cB0 1 xB ，cM cB0 xB，
由化学平衡关系Kc = cM cA* cB = xB cA* 1 xB 。
将气 液平衡关系cA* =HA pA*引入，则 pA* = xB KcHA 1 xB
第六章 气-液反应工程
第一节 第二节 第三节 第四节
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
概述
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• 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。
• 1 被吸收组分与溶剂相互作用：
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设被吸收组分A在溶液中的总浓度为cA0， 物料衡算：cA0 =cA* +cM
由式6-12可得Kc =
cM cA* cB
=
cA0 cA* ccA* =HA pA*，
整理得：pA* =
cA* HA
=
HA