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
圆筒形塔体和按照一定间距水平设置在塔内的若
干塔板组成
液相中的某一个狭小区域内，应选用相接面积大的设备 液相主体中进行，应选用持液量大的设备 应选用相界面积和持液量都大的设备。
例题
3. 气液相反应器的设计计算
理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合
气液两相均为活塞流
气液两相组成随着轴向位置改变而发生变化 并流或逆流操作的填料塔的流型接近这种流动方式
液相组分B由液相主体向气液界面传递
气液组分的浓度分布
采用双膜理论进行分析时，组分A和B的浓度梯度仅存在于液膜 内，在液相主体中的浓度梯度为0 如虚线所示
反应的物料衡算
在液相内离相界面为z处取一厚度为dz的微元体 达到定常态时---A组分物料衡算
扩散进入该微元体的组分A的量-由该微元扩散出去的组分A=微元体中反应掉的组分A的量
增强因子E
化学反应对过程有加速作用
加速作用实质表现在由于反应存在改变了液膜内反应物的浓度梯 度
E为有反应时和无反应时的浓度梯度之比
液膜传质阻力忽略时，通过界面的传质通量表达
等于液相主体均相反应速率计算
液相有效利用率---JA与RA的比值
液相有效利用率
定义：气液反应过程中液相利用程度的度量 物理意义：与气固相催化反应中的内部效率因子相当
应处理，处于E区
2. 气液相反应器的分类和选型
按照气液的接触方式
液膜型
如填料塔、湿壁塔 液体成膜状，气液两相均为连续相
气泡型
如鼓泡塔、板式塔、通气搅拌釜 液体为连续相、气体以气泡形式分散在液体中
液滴型
喷洒塔、喷射反应器、文丘里反应器 气体为连续相、液体以液滴形式分散在气体中
1. 气液相反应动力学
理论基础是由日本学者八田四郎次在双膜理论的基础上完
成的
用于气液相理论的研究还有表面更新理论和溶质渗透理论 三种模型在实际过程中的应用结果相差不大
用双膜理论来描述更为合适
1.1 气液反应过程的基本方程
气相反应物A与不挥发的液相反应物B进行反应
反应过程
分压为pA的反应物A从气相主体传递到气液界面
理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合
气相为活塞流，液相为全混流
气相组成随轴向位置的改变而改变，液相组成在反应器中保持均一 鼓泡塔的流型接近这种流动方式
理想条件下，气液反应器中气液两相的流动方式的组合
气相和液相均为全混流
气液两相的组成在反应器中均保持均一 通气搅拌釜的流型接近这种流动方式
缺点
液相停留时间短，对慢反应不适合
为保证填料的润湿，不能用于液体流量太低的场合 填料易为固体颗粒堵塞，在气相或液相中含有悬浮杂质或会生成
固体产物时不宜使用
传热性能差，不适用与反应热效应大的场合
2.2 喷洒塔
结构最简单的气液反应设备
液体在塔顶经喷雾分散成液滴，和自上而下
组分A和B反应级数为一级，DA为常数

B组分的物料衡算
求解
边值条件
表明穿过液膜进入液相主体的组分A将在主体中和组分B进行反应---穿 过液膜的扩散量等于主体中的反应量
单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比
八田数
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
2.1 填料塔
由塔体、填料、填料的压板和支撑板以及液
体分布器等组成
可以逆流操作也可以并流操作 液体再分布器的作用
优点
结构简单，适用于腐蚀性的液体 气液相流量的允许变化范围较大，适用于低气 速、高液速的场合 气液流型接近于活塞流，用于要求较高转化率 的反应 填料塔的单位体积相界面大而持液量小，适用 于过程阻力主要在相间传递的气液反应
高压下，搅拌器的机械结构和密封是个问题
2.6 气液反应器的选型
要考虑的因素
生产强度
能耗 设备投资
操作性能
核心问题：反应器的传递特性和反应动力学特性
不同类型气液反应器的区别
液相体积分率 单位反应器有效体积中的液体量）的大小 单位液相体积的传质界面的大小
用何参数作为气液反应器选型的依据？
对鼓泡床内一微元进行物料衡算
与填料塔的设 计方程一致
在鼓泡塔中
液相浓度因为全混流的存在认为是恒定的
气相总压随着塔高的变化而变化，假定气相总压随塔高呈线性变 化
拟一级快反应且 忽略气膜传质阻力时
积分
整理
设计实例
3.3 通气搅拌釜的设计计算
高径比不太大时，气相和液相均可
在塔内装一导流筒
在塔内设置多层多孔水平挡板
液相的流型可接近与多级串联的全混釜模型
装填填料减少液相的返混和气泡的合并
2.5 通气搅拌釜
鼓泡机械搅拌釜
生物化工中使用的发酵罐
适用于持液量和相界面都较大的反应过程 通气搅拌釜中液体停留时间根据需要调节 缺点
反应器中气液两相呈全混流
2.4 鼓泡塔
基本形式
空塔，塔内充满液体 气体从底部分布板或喷嘴以气泡形式通过液层，气相中的反应物 溶入液相并进行反应
优点
结构简单，无运动部件
对加压反应或腐蚀性物系均可使用 单位体积持液量大，相界面小
适用于慢反应和强放热反应体系
缺点
液相返混大
为了克服返混的影响
八田数Ha
当Ha<0.02时，反应为慢反应，反应主要在液相主体内进行， 组分A液相主体浓度接近于界面浓度，表观反应速率为
反应表观速率与液相分率成正比 选用持液量大的反应器


鼓泡床反应器，由于容易操作和控制常被采用
通气搅拌釜
当0.02Ha 0.02时，反应为中速反应，过程阻力可能集中在
八田数Ha
当Ha>3时，反应为快速反应或飞速反应，反应在液膜内或相界 面上完成，液相主体中组分A的浓度为0，表观反应速率
反应器的生产强度与相界面成正比 采用相界面面积大的反应器，如填料塔、喷淋塔等
当反应速率较慢，要求较长反应时间时，采用板式塔
用何参数作为气液反应器选型的依据？
塔板类型有筛板或泡罩塔，近年来浮阀塔也较多 液体在重力作用下，自上而下穿过隔层塔板，从
塔底排出，气体在压差的推动下，自下而上的穿
过各层塔板，至塔顶排出，气体以气泡形式分散 于液层中 优点--单位体积的气液相界面大，气液传质系数 和持液量都大于填料塔 缺点--结构复杂，气体流动的阻力大 适用于气体流量高、液体流量低，反应时间较长 的场合

Ha很小，
大，则存在
过程由物理传质速率决定，化学反应仅在液相主体的某一区域内进行
增强因子E和液相利用率
根据Ha和的定义

Ha很小，
小，则存在
整个反应过程将在液相中进行，过程速率由均相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
气液相反应和反应器分析
化环学院 晋梅
概述
气液反应过程
气相反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行反应的一种
非均相反应过程 主要用于
直接制取产品，如环己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，气态二
氧化碳和氨水反应制取碳酸氢铵 化学吸收，脱除气相中某一种或几种组分，如热钾碱或乙醇胺溶 液脱除合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成气中一氧化碳 等
的
1.5 拟一级反应、飞速反应与二级反应中Ha和E的关系
当
相当于反应速率k很大或k10很小的情况
按照飞速反应处理 图中为A区，E不随Ha的增加而增大
当
当
，图中的B区，为一直
，采用拟一级反应处理
线，斜率为1，E=Ha
当
，E约等于1；
时，可以用均相反应处理
当
，按照二级不可逆反
当JA=RA时，液相有效利用率为1，整个反应在液相中进行，
表明反应是相对于传质十分缓慢的反应
在严重的扩散限制下，JA<<RA时，液相利用率很低，反应 在液膜中进行，表明反应相对于传质来讲，反应十分快速
增强因子E和液相利用率
均为Ha和液相总体积与液膜体积之比的函数
反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积
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
略的中速反应
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
组分A在液膜内的浓度分布
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
K1为伴有化学反应时的液相传质系数 增强因子E
有化学反应时的液相传质系数与无化学反应时的液相传质系数之比
Ha很大tanhHa1
大时
液相利用率很小，说明反应在液膜内进行 应该采用比表面积大的气液反应器进行反应
增强因子E和液相利用率
反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积
Ha很小tanhHaHa
小时
两个参数均为Ha和液相总体积与液膜体积之比的函数 根据Ha和的定义
反应面与气液界面重合时，过程阻力集中在气膜内，则传质通量

此时对应于一个液相反应物B的浓度---临界浓度
液相主体扩散至相界面的B的量和从气相主体扩散到相界面A的量符合化学计量关系

过程控制步骤的判断
若 若
1.4 二级不可逆反应
对于二级不可逆反应
非线性方程
Van krevelen在假设组分A在液膜内全部耗尽，即在 条件下，求取上述方程的近似解
在界面上A的气相分压为pAi，液相浓度为cAi，两者处于相平衡状态
反应物A从气液界面传入液相，在液相内浓度 为cA的A与浓度为cB的B进行反应
气液相反应过程存在反应相外部的质量传递
和反应相内部的传质和反应同时发生的过程
气液相反应中的传递过程方向
气相组分A由气液界面向液相主体传递
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
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