第8章多相反应及反应器
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(3)未反应的A继续向液相主 体扩散。并与B在液相主体 中反应;
(4)生成的反应产物R向其浓 度梯度下降的方向扩散。
由于B组分不挥发，所以反 应仅在液相中进行。
气液反应宏观速率
气固催化反应时，反应速率以单位体积催化剂定义，因 此定态时对于一级不可逆反应有：
NA=kGam(cAG－cAS) ＝rA＝kcAs
由此可将cAs消除，得到宏观速率方程：
rA
C AG 1 1
k kg m
气液反应时，吸收速率以单位相界面定义，并且液相中
化学吸收速率以物理吸收乘以化学吸收增大因子表示。
因此对于定态过程，气膜传质速率应等于液相中A的转 化速率。
气液反应宏观速率
kG(PAgPAห้องสมุดไป่ตู้)kLcAi
cAiHAPAi
由此消除界面分压与浓度，便可获得气液吸 收宏观速率方程：
根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决 于界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内 扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量，其数 学表达式为：
溶质渗透模型
其中 为气液接触时间。由于 一般未知， 所以溶质渗透理论的应用受到限制。传质系 数 与分子扩散系数的平方根成正比，这一点 已由实验证实是正确的，证明溶质渗透理论 比双膜理论更能代表两相间的传质机理。
8 气液相反应及反应器
气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到 的多相反应，根据使用目的的不同可以分为 两大类。
一类是通过气液反应以制备所需的产品： 例如水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯 化钯水溶液中氧化制乙醛，前者为非催化反 应，后者则是液相络合催化反应。 还有烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧化 氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛、乙醛氧化成乙 酸等等。
积，αδL因之为液膜体积，1一αδL则为液相主体体积。
A从液膜向液相主体的扩散量等于在液相主体中A的反 应量。
气液反应的转化速率
因为定态下A从相界面向液膜扩散的速率应等于在液 相内A的转化速率。只要相界面处组分A的浓度梯度 已知，便可由下式求其转化速率: ( A)DAL(ddA cZ)Z0
需要注意这里的转化速率系基于相界面积计算，即其 单位为kmol/(m2·s)。
对于一般反应，液膜中的浓度分布微分方程难以解析 求解，除非作出某些简化的假定。
拟一级不可逆反应
拟一级反应 ：
溶解于液相的气体组分A与液相组分B在液相中进行 不可逆反应时，一般可用二级反应速率方程表示: rA=k2cAcB，
双膜模型
气液两侧的传质阻力 分别集中于相界面两 侧的气膜与液膜之内；
相界面处气液处于平 衡状态cAi＝HPAi
定态时，气相的传质 速率与液相传质速率 相等。
溶质渗透模型
Higbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借 湍流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后 在很短时间内又由界面向流体进行不稳态的 分子扩散，位于界面的原来的旋涡又被其它 旋涡取代，如此反复进行这一过程。
Ｓ为表面更新分率，必须由实验测定。从该 式 格可 比以 获看 得出的，结果与完D全AB一的致平。方根成正比，与赫
虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够比双 膜论更接近气液相间传质的真实情况，但由 于气液接触时间 和表面更新分率Ｓ均不易获 得，而且在实际应用中会使过程的数学描述 复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描 述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学 描述简化，而计算结果的误差也是可以接受 的。
8.1 气液反应模型
由于气相和液相均为流动相，两相间的界面 不是固定不变的，它由反应器的型式及反应 器中的流体力学条件所决定。
气液相间的物质传递对于气液反应过程速率 有重要影响，这种相间传递过程通常可以用 传质模型来描述。
气液反应过程的传质模型有多种，如双膜模 型，表面更新模型与溶质渗透模型等，但用 之以处理具体问题时，结果都相差不多。
气液反应历程
设所进行的气液反应为 : A(g)+BB(1)→vRR(1)
根据双膜模型其气液反应 历程如图所示为:
(1) 气相反应组分A由气 相主体通过气膜传递到气 液相界面，其分压从气相 主体处的PAG降至相界面 处的PAi；
气液反应历程
(2) 组分A由相界面传递到液 膜内，并在此与由液相主体 传递到液膜的组分B进行化 学反应，此时反应与扩散同 时进行;
尿 素 合 成 塔
气液吸收反应器
二 氧 化 碳 吸 收 塔
气液反应过程的特点
反应发生前气液两相中的反应组分首先需要 接触，气相反应组分通过气液界面传入液相， 并与液相中的组分进行反应。
化学吸收过程既与反应速率有关又与气液平 衡有关。
描述气液反应过程总速率的宏观反应速率方 程将是本征化学反应速率和气液传质速率的 组合。
表面更新模型
Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发 展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面单元 暴露的时间不同，而质量传递的平均速率取 决于各种年龄期的表面单元的分率，平均吸 收速率是将不同年龄期的表面分率乘以该表 面的瞬时吸收速率，然后将所有表面单元的 表达式相加得到。由此得到 ：
表面更新模型
D ALddA czzD ALddA czzdzrAdz dA c dA cddA cdz dzzdz dzz dzdz
DA
L
d 2cA dz2
rA
气液反应的扩散反应方程
DA
L
d 2cA dz2
rA
边界条件为
z0 cAcAi dB c/d z0
式z 中δLL为液cB 膜厚cB 度L，αD 为A单a L位dd液A cz相A体积rA(所1具a有L)的相界面
气液相反应及反应器
另一类是通过气液反应净化气体，例如 用铜氨水溶液除去气体中的一氧化碳， 用碱溶液脱除煤气中的硫化氢，用氢氧 化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化 碳等 。
由于这类气体吸收过程中有化学反应产 生，为与气体的物理吸收过程相区别， 常称之为化学吸收。
气液吸收反应器
脱 硫 塔
气液吸收反应器
A
1
PAg 1
kG kLHA
气液反应的扩散反应方程
仿照前边处理气固相催 化反应的方法，可建立 气液反应的扩散反应方 程。
即液膜内反膜内离相界 面Z处，取厚度为dZ的 微元体积，该微元体积 与传质方向垂直的截面 积为1，对该微元体积 作组分A的物料衡算， 当过程达到定态时有:
气液反应的扩散反应方程
(4)生成的反应产物R向其浓 度梯度下降的方向扩散。
由于B组分不挥发，所以反 应仅在液相中进行。
气液反应宏观速率
气固催化反应时，反应速率以单位体积催化剂定义，因 此定态时对于一级不可逆反应有：
NA=kGam(cAG－cAS) ＝rA＝kcAs
由此可将cAs消除，得到宏观速率方程：
rA
C AG 1 1
k kg m
气液反应时，吸收速率以单位相界面定义，并且液相中
化学吸收速率以物理吸收乘以化学吸收增大因子表示。
因此对于定态过程，气膜传质速率应等于液相中A的转 化速率。
气液反应宏观速率
kG(PAgPAห้องสมุดไป่ตู้)kLcAi
cAiHAPAi
由此消除界面分压与浓度，便可获得气液吸 收宏观速率方程：
根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决 于界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内 扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量，其数 学表达式为：
溶质渗透模型
其中 为气液接触时间。由于 一般未知， 所以溶质渗透理论的应用受到限制。传质系 数 与分子扩散系数的平方根成正比，这一点 已由实验证实是正确的，证明溶质渗透理论 比双膜理论更能代表两相间的传质机理。
8 气液相反应及反应器
气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到 的多相反应，根据使用目的的不同可以分为 两大类。
一类是通过气液反应以制备所需的产品： 例如水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯 化钯水溶液中氧化制乙醛，前者为非催化反 应，后者则是液相络合催化反应。 还有烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧化 氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛、乙醛氧化成乙 酸等等。
积，αδL因之为液膜体积，1一αδL则为液相主体体积。
A从液膜向液相主体的扩散量等于在液相主体中A的反 应量。
气液反应的转化速率
因为定态下A从相界面向液膜扩散的速率应等于在液 相内A的转化速率。只要相界面处组分A的浓度梯度 已知，便可由下式求其转化速率: ( A)DAL(ddA cZ)Z0
需要注意这里的转化速率系基于相界面积计算，即其 单位为kmol/(m2·s)。
对于一般反应，液膜中的浓度分布微分方程难以解析 求解，除非作出某些简化的假定。
拟一级不可逆反应
拟一级反应 ：
溶解于液相的气体组分A与液相组分B在液相中进行 不可逆反应时，一般可用二级反应速率方程表示: rA=k2cAcB，
双膜模型
气液两侧的传质阻力 分别集中于相界面两 侧的气膜与液膜之内；
相界面处气液处于平 衡状态cAi＝HPAi
定态时，气相的传质 速率与液相传质速率 相等。
溶质渗透模型
Higbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借 湍流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后 在很短时间内又由界面向流体进行不稳态的 分子扩散，位于界面的原来的旋涡又被其它 旋涡取代，如此反复进行这一过程。
Ｓ为表面更新分率，必须由实验测定。从该 式 格可 比以 获看 得出的，结果与完D全AB一的致平。方根成正比，与赫
虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够比双 膜论更接近气液相间传质的真实情况，但由 于气液接触时间 和表面更新分率Ｓ均不易获 得，而且在实际应用中会使过程的数学描述 复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描 述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学 描述简化，而计算结果的误差也是可以接受 的。
8.1 气液反应模型
由于气相和液相均为流动相，两相间的界面 不是固定不变的，它由反应器的型式及反应 器中的流体力学条件所决定。
气液相间的物质传递对于气液反应过程速率 有重要影响，这种相间传递过程通常可以用 传质模型来描述。
气液反应过程的传质模型有多种，如双膜模 型，表面更新模型与溶质渗透模型等，但用 之以处理具体问题时，结果都相差不多。
气液反应历程
设所进行的气液反应为 : A(g)+BB(1)→vRR(1)
根据双膜模型其气液反应 历程如图所示为:
(1) 气相反应组分A由气 相主体通过气膜传递到气 液相界面，其分压从气相 主体处的PAG降至相界面 处的PAi；
气液反应历程
(2) 组分A由相界面传递到液 膜内，并在此与由液相主体 传递到液膜的组分B进行化 学反应，此时反应与扩散同 时进行;
尿 素 合 成 塔
气液吸收反应器
二 氧 化 碳 吸 收 塔
气液反应过程的特点
反应发生前气液两相中的反应组分首先需要 接触，气相反应组分通过气液界面传入液相， 并与液相中的组分进行反应。
化学吸收过程既与反应速率有关又与气液平 衡有关。
描述气液反应过程总速率的宏观反应速率方 程将是本征化学反应速率和气液传质速率的 组合。
表面更新模型
Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发 展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面单元 暴露的时间不同，而质量传递的平均速率取 决于各种年龄期的表面单元的分率，平均吸 收速率是将不同年龄期的表面分率乘以该表 面的瞬时吸收速率，然后将所有表面单元的 表达式相加得到。由此得到 ：
表面更新模型
D ALddA czzD ALddA czzdzrAdz dA c dA cddA cdz dzzdz dzz dzdz
DA
L
d 2cA dz2
rA
气液反应的扩散反应方程
DA
L
d 2cA dz2
rA
边界条件为
z0 cAcAi dB c/d z0
式z 中δLL为液cB 膜厚cB 度L，αD 为A单a L位dd液A cz相A体积rA(所1具a有L)的相界面
气液相反应及反应器
另一类是通过气液反应净化气体，例如 用铜氨水溶液除去气体中的一氧化碳， 用碱溶液脱除煤气中的硫化氢，用氢氧 化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化 碳等 。
由于这类气体吸收过程中有化学反应产 生，为与气体的物理吸收过程相区别， 常称之为化学吸收。
气液吸收反应器
脱 硫 塔
气液吸收反应器
A
1
PAg 1
kG kLHA
气液反应的扩散反应方程
仿照前边处理气固相催 化反应的方法，可建立 气液反应的扩散反应方 程。
即液膜内反膜内离相界 面Z处，取厚度为dZ的 微元体积，该微元体积 与传质方向垂直的截面 积为1，对该微元体积 作组分A的物料衡算， 当过程达到定态时有:
气液反应的扩散反应方程