第四章 气液相反应技术精讲

第四章气液相反应技术教学内容一、气液反应器的特点及结构二、气液反应器的生产原理(一)双膜理论(二)宏观动力学方程的建立(三)测定反应速率的方法三、鼓泡塔反应器四、气液反应器的操作指导第一节气液相反应器的特点及结构一、气液相反应器的特点及工业应用二、气液相反应器的结构气液相反应器的结构（一）鼓泡塔反应器（二）鼓泡管反应器（三）搅拌釜式反应器（四）膜式反应器（一）鼓泡塔反应器气体以鼓泡形式通过催化剂液层进行化学反应的塔式反应器，称为鼓泡床反应器，简称鼓泡塔。其基本结构是内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器，反应气体通过分布器上才小孔鼓泡而入，液体间歇或连续加入，连续加入液体可以和气体并流或逆流，一般采用并流形式较多。（二）鼓泡管反应器鼓泡管反应器适用于要求物料停留时间较短（一般不超过15~20min）的生产过程，若物料要求在管内停留时间长，则必须增加管子的长度，但流动阻力相应增大。（三）搅拌釜式反应器搅拌釜式气-液相反应器的结构简单，适应性较强，对小规模生产过程较为适用。（四）膜式反应器根据液膜的运动特点，膜式反应器分为降膜式，升膜式和旋转气液流膜式反应器。第二节气液相反应器的生产原理一、双膜理论二、宏观动力学方程式的建立三、测定液相反应速度的方法四、反应器型式的选择一、双膜理论双膜理论基本点：在气液相界面两侧，各有一定厚度的气膜和液膜，气膜和液膜内的物质传递方式是分子扩散；扩散阻力全部集中在气膜、液膜内，而在气液相主体中物质传递方式是湍流扩散，不存在浓度梯度；相界面的传质阻力可以忽略，气液达平衡，且服从亨利定律。组分A的扩散速率总传质系数与膜传质系数的关系为AL*AALALAiALALAiLALACCKCCkCCZDNALAAGAGkHk1K1ALAGAALk1kH1K1二、宏观动力学方程式的建立对于等温二级不可逆气液相反应（产物）液气RbBA要实现这样的反应，需经历以下步骤：1．气相反应物A由气相主体扩散到相界面，在界面上假定达到气液相平衡；2．气相反应物A从气液相界面扩散入液相主体，并在液相内进行化学反应；3．在液相主体内，液相产物沿浓度梯度下降方向扩散，气相产物则由液相主体扩散到相界面，再扩散到气相主体。注：液相反应物B或催化剂不能挥发进入气相，只在液相中与A进行化学反应。五种反应类型根据化学反应能力和扩散能力相对大小的不同，把上述气液相反应过程分为极快反应快速反应中速反应慢速反应极慢反应1.极快反应此时化学反应能力远远大于扩散能力，化学反应瞬间完成，液相中A、B不能同时存在，化学反应仅在液膜内某个反应面上发生，与界面大小有关，和液体体积无关，此时，宏观速度取决于扩散速度，称扩散控制过程。极快反应的两种情况2.快速反应化学反应能力低于极快反应，但仍比传质能力强，传质和反应均影响宏观速度，反应仍仅发生于液膜内。但由一个反应面伸展为反应区，反应区内A、B同时存在，反应区外的液面中，A、B不能同时存在。生产能力和界面大小及液膜体积有关，与液体总量无关，当极高时，反应区由相界面开始延伸到液膜内某个面为止。若假设在液膜内基本不变，二级反应可简化为拟一级反应。快速反应的两种情况3.中速反应化学反应能力和扩散能力基本相等，化学反应在整个液膜内进行。未反应部分A扩散进液相中体，在液相主体中继续反应。生产能力不仅与相界面大小有关，还与液体体积有关。当足够高时，二级反应可简化为拟一级反应。中速反应的两种情况4.慢速反应化学反应能力比扩散能力低，化学反应主要在液相主体中进行，此时为动力学控制。慢速反应5.极慢反应化学反应能力远远小于传质能力，扩散阻力可忽略不计。组分A和B浓度在整个液相中很均匀，反应发生在整个液相，过程为动力学控制，总速度等于化学反应速度，相当于液相均相反应。极慢反应三、测定液相反应速度的方法在实验室常用的反应器为半间歇操作或连续操作的釜式反应器，在半间歇釜式反应器内要求反应温度一定，气体流量一定，液相体积保持不变，分析不同反应时间下的气相进、出口的组成或从釜内液相取样分析。在连续釜式反应器内一般认为液相为全混流，釜内液相浓度等于出料液浓度，改变液相流量，就是改变平均停留时间。四、反应器型式的选择型式应用范围喷雾塔填料塔极快反应和快速反应，气相浓度低，气液比大，为了提高液相利用率要求增加膜体积板式塔鼓泡搅拌釜中速反应和慢速反应，也适用于气相浓度高，气液比小的快速反应鼓泡塔极慢反应，也可用于中速反应主要型式气液相反应器的特性及应用范围液相体积分率型式相界面积相界面积液相体积气液比mol应用范围液相体积m2/m3反应器体积m2/m3液膜体积喷雾塔填料塔~1200~1200~601000.050.08－2~1010~1001911.5极快反应和快速反应，气相浓度低，气液比大，为了提高液相利用率要求增加膜体积板式塔鼓泡搅拌釜10002001502000.150.9040~100150~8005.670.111中速反应和慢速反应，也适用于气相浓度高，气液比小的快速反应鼓泡塔20200.984000~1040.0204极慢反应，也可用于中速反应第三节鼓泡塔反应器一、鼓泡塔反应器的结构认知夹套式换热器示意图夹套式换热器实体图塔外换热器实体图蛇管式换热器示意图一、鼓泡塔流体力学（一）气泡尺寸（二）鼓泡塔的气体压力降ΔP（三）气泡上升速度（四）含气率（五）比相界面（一）气泡尺寸1．当量比表面平均直径2．体积平均直径3．几何平均直径dg（二）鼓泡塔的气体压力降ΔP鼓泡塔的气体压力降ΔP由气体分布器阻力和床层静压头的阻力两部分组成。gH2uC1dG202H—-充气液层高度，m。2C0ud式中——小孔阻力系数约0.8；——小孔气速，m/s；——鼓泡层密度kg/m3；（三）气泡上升速度（1）单个气泡自由浮升速度（2）气泡真实上升速度（3）气泡群的滑动速度（四）含气率单位体积鼓泡床（充气层）内气体所占体积分数。静态含气率：液体不流动时的含气率；动态含气率：液体连续流动时的含气率。HHHG00H式中H0——充气液层高度，m；H——静液层高度，m；G——含气率。（五）比相界面SVGd6单位气液混合鼓泡床层体积内所具有的气泡表面积。可以通过气泡平均直径dvs和含气率计算，即单位：m2/m3二、鼓泡塔的传质和传热（一）鼓泡塔的传质（二）鼓泡塔的传热三、鼓泡塔的设计计算（一）反应器体积（二）反应器直径和高的确定（一）反应器体积鼓泡塔体积包括以下几部分：①充气液层体积（静液层体积和充气液层中气体所占体积之和）；②充气液层上部（塔顶）除沫分离空间体积；③反应器顶盖死区体积，如果反应器内设有隔板、换热器或填料，计算时还要考虑隔板、换热器或固体填料所占的体积。1.充气液层体积充气液层体积是反应器在操作中所必须保证的气泡和液体混合物的体积。GLGLR1VVVVHD42式中LV——液相体积，m3；GV——充气液层中气体体积，m3；RV——充气液层体积，m3。2.分离空间体积分离空间的作用是除去上升气体所夹带的液滴，而液滴与气体的分离靠自重沉降实现。分离空间的体积为E2EHD4V式中EV——分离空间体积；EH——分离空间高度3.顶盖死区体积12DV3C0.10.2对于球形顶盖，形状系数对于2∶1椭圆顶盖，（二）反应器直径和高的确定因为所以式中G0GuV0.0188D2GtGG0D785.0VAVuVG——气体体积流量，m3/h；At——反应器横截面积，m2；一、鼓泡塔流体力学：(一)流动状态的划分（二）气泡大小｛1.发泡频率2.当量直径（三）气泡上升速度｛真实并流上升速度真实逆流上升速度（四）鼓泡塔气体压降（五）含气率定义及影响因素二、鼓泡塔的传质和传热｛（一）传质（二）传热小结三、鼓泡塔的设计计算（一）反应器体积（二）反应器直径和高度的确定第四节气液相反应器的生产实例（以乙醛催化自氧化生产醋酸的工艺为例，介绍气、液相反应器的日常运行和操作要点。）一、反应器的结构二、工艺流程三、操作参数1．反应温度2．反应压力3．氧化气空速四、技术经济指标技能训练气液相反应器的仿真操作训练目标乙醛氧化制醋酸(氧化工段)训练准备一、生产方法及反应机理CH3CHO+O2→CH3COOOHCH3COOOH+CH3CHO→2CH3COOH二、工艺流程简述氧化工段采用双塔串联氧化流程，乙醛和氧气经过第一、第二氧化塔反应后生成粗醋酸，粗醋酸进入蒸馏回收系统，制取成品醋酸。其中蒸馏采用先脱高沸物，后脱低沸物的流程。训练步骤拓展型训练：事故处理本章小结气液相反应器生产原理鼓泡塔反应器气液相反应器的生产案例乙醛氧化制醋酸仿真操作