气液相反应

第八章气液相反应过程与反应器•8.1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：•1A从气相主体向气液界面扩散；•2A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：ScHpk1kH11ScHpkHk11dtdncHpkDScckSccDdtdnkDSppkSppDdtdnALAALAGAAALAALAAGAAAiAAiLALLAALAiLAALAiLLAAGAGGAAiAGAAiAGGAA由以上两式可以推得：相界面处达到平衡’‘根据亨利定律，)()()()(•因此可以写成：总括传质系数。示的分别是以气相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAAGAAKKk1kH1K1kHk1K1ScHpKScHpKdtdn)()(•扩散物A在液膜中的化学反应，使液膜较物理过程的液膜变薄，由变为。•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。'LLδGδLpApAicAcAiδ'L•则：化学增强因子:''''''LLLLLALLLLALLALAALAiLAAAiAAiAiAGAAkDDkccSkdtdncHpppSkdtdn一个化学增强因子。过程相比，仅相差传质系数。与物理吸收示的总括分别是以气相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAAKKk1kH1K1kHk1K1ScHpkScHpkScHpkdtdn)()(')(8.2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）：•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。δGδLpApAicBcAcAi•中速反应•反应在液相主体与液膜中同时进行：•令•方程转变为：八田数膜内转换系数前有:2LLALALALALALDkkkDDkshzshcz1shcccc1zcc0zcdzcdALAiAALAAiAA22A2此方程的解为：,,•继续推导：ALAiALAiALAiALAiALAiLAALAiLLAALAiLLA0lALAAALAiAccchccthccchccthccSkchccshchSDshcchcSDdldcSDdtdnshzchcz1chcdzdc因此：•β恒大于1。•曲线下凹。•八田数决定了β,γ0,β1(γ0，chγ1,γ/thγ1)0dlcd2A2ALAiALAiccchccthLALDk2δGδLpApAicBcAcAidl•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。th0clcc0lrdlcdDALAiAA2A2LA对一级反应，可得：，，边界条件：cBi不一定为0，与中速反应的区别在于cAL为0，即在液相主体中没有A。δGδLpApAicBLcAi•瞬时反应过程•A与B之间的反应进行得极快，以致于A与B不能在液相中共存。在液膜区存在一个反应面，此面上AB的浓度均为0。δGδLpApAicBLcAi反应面δR•反应面左侧，只有A，没有B，因此，在此区域，为纯物理扩散。•反应面右侧，只有B，没有A，因此，在此区域，亦为纯物理扩散。AiRAiAARAiA2A2clcc0clcc0l0dlcd,,BLBLBR2B2Ccl0cl0dlcd,,•解之，得：•反应面的位置：RRLBLLRRBLRLBLBlcclcc－－＝－－BLLALBRLRBAAiLALBRLBLBARAiBLBBAALAcDDcDDccdldcDdldcD－－•β代表了反应面的位置，β=1，反应面在液膜位置上，β，反应面与气液界面重合。AiBLLALBBAAiBLLALBBAAiBLLALBBARLLALBRLBLBARAicckk1ccDD1ccDD11DDcc－•β意味着B在液膜中的扩散远远大于A组份的扩散或B的浓度远大于A。•在反应面与气液界面重合的情况下，B组份在液相主体中的浓度称为在气相A分压下的临界浓度。若此时cBLcBL临，液相中将不再有A。ALBLALAGAABBLAGAABBLLLBpDDkkc0pk0cD临临只要是瞬时反应过程，就存在反应面，而反应面的位置，取决于AB的浓度和扩散速率。反应面向相界面移动，刚好接触时的cBL即为cBL临。不仅液相主体没有A，而且连液膜内也没有A。δGδLpApAicBL临cBLcBLcAi•气液反应动力学小结•两个重要参数：化学增强因子β和八田数γ。β=f(γ，cAi,cAL),γ=f(k,DALδL)•宏观反应速率最终取决于反应物A的反应特性k，传递特性DAL和体系的流体力学特性δL。•强化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小δL。•当然还与气相传递特性有关。•γ决定了反应是快是慢，是否存在反应面，反应在何处进行。•判据：•γ2属于瞬间反应或快反应过程；宜选用停留时间短的反应器，如填料塔。•0.02γ2为中速反应；反应大量在液相主体进行，宜选用持液量大的反应器，如鼓泡塔。•γ0.02属于慢反应。8.3气液反应器气液反应器有许多类型，常见的有：•填料塔式反应器计算•反应器特点：•液体沿填料表面向下流动，持液量小；气液接触界面近似等于填料表面积；气液传质过程可以按双膜理论计算。•适用于瞬间反应及快反应过程。•塔径计算：•取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，V为体积流量。uVd4内][:][:22hmkmoldtdnhmkmolFFdydtdnAdtdndyyFAFyAAAAtAAAtAt，因次：输入－输出＝反应传递•填料层高度计算•取塔内微元高度dl对气相作物料衡算：HF,yA出F,yA进L,XA进L,XA出dl•快反应及瞬间反应cAL=0，微元体内的相接触面积近似为填料面积：•σ为填料比表面。•气相中的A分压用比摩尔分率表示：dldS24内AAAAAyyPpppPp1总惰总SkHk1cHpdtdnLAAGAALAAAALAiLAAiAGAAccSkppSkdtdn•代入前式可得：出进出进总内出进总内在全塔为常数，得：积分上式并视边界条件：＋AAAALAAGAAAAAALAAGAyyyykHkPdFHyyHlyyldyyykHkPdFdlln14011422•kGA,kLA有经验公式可算。•气相视为平推流操作。•由于视cAL=0，与液相流型无关。•反应级数体现在中。•因为是快速反应，传质阻力主要存在于气膜之中。•填料高度的最直接影响因素为摩尔流量、总压、填料比表面及出入口浓度差。•与物理吸收的差别仅在于。如果=1，相当于用大量的液体吸收气相中的A。•鼓泡塔式反应器的计算•液相是连续相，气相是分散相。•鼓泡塔反应器的操作分两种，连续与半连续。•所谓半连续是指液体一次加入，达到反应要求后一次排出，而气相连续通过。•半连续鼓泡塔计算，假定：•气相流动为平推流，气体分压随高度呈线性变化。•液相在塔内为理想混合，物性参数不变。取反应器内任意横截面对气相进行物料衡算：输入－输出=反应鼓泡塔反应器适用于慢反应过程，全部反应发生在液相主体。ldlyA出F,yA入出进边界条件：AAAAAAtAAAtAtyyHlyylrdldyFdlArdyyFAFyA011•液相：出总总边界条件：相界面积BB0BBLLALAiLABLBAALAiLALABALABBccttcc0t11SVVVSVcckdcSVdtcckVSdtdNV1dtdc,:•积分上式，得：•可以据此计算反应时间。•式中的各参数由经验方程计算。•连续流动鼓泡塔计算出B0BCCALAiBLABAccdCk1t出进边界条件：AAAAAAyyHlyylrdldyF01•上式的关键是yA与-rA的关系。是气相组成，而反应发生在液相中。因此涉及到传递现象，并且和液相的流型相关联。•鼓泡塔中流型复杂，存在不同的区域，如安定区和湍动区。HyyAAdlrdyFAA01出进第九章反应器的热稳定性与参数灵敏性•连续流动反应器一般按定常态设计，但反应器的操作并不总是稳定的。流量、浓度、温度等随时都在发生着变化。•本章讨论一旦某些操作参数发生变化，反应器是否还能在接近设计条件下操作；这些参数的变化，是否影响了反应器的安全运行。9.1全混流反应器的热稳定性•由于全混流反应器参数均一，计算简单，以此为例讨论反应器的热稳定性。0VHrTTKATTcV0VHrTTKATcVTcVRrAW221p0RrAW22p01p0－整理得：积累量应的热效应反应器内反境的热交换反应器与环出热量物流携入热量物流携器进行热量衡算：在定常态下以整个反应W2rAf0A21p0rAf0A0W221p0RAf0A0RAf0AAf1AAf1AAf0ARTTKAHxcTTcV0HxcVTTKATTcVVxcVVxFr0xrxxFV－－：代入热量衡算方程，得，当进口物流不含产物时：全混流反应器基本方程可以用来推算达到一定转化率所需要补充或移走的热量。•反应器的定态•一级不可逆放热反应：RTERRTERAARTEARAARTERAAAAARTEAAAAekVVekVVxx