气液相反应过程与反应器.pptx

1 第八章 气液相反应过程与反应器 2 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。 概述 3 液相： 4 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 5 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。 6 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： 1 A从气相主体向气液界面扩散； 2 A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； 7 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。 8 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。 9 根据双膜理论的物理模型，可以写出： 10 因此可以写成： 11 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。 δL 12 则： 13 14 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）： 15 16 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。 17 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。 18 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。 19 中速反应 反应在液相主体与液膜中同时进行： 20 令 方程转变为： 21 继续推导： 22 β恒大于1。 曲线下凹。 八田数决定了β ,γ0, β 1 (γ0，ch γ 1, γ/ th γ 1) 23 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。 24 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。 δG δL pA pAi cBL cAi 25 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。 26 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。 27 解之，得： 反应面的位置： 28 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。 29 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。 30 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。 cAi 31 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。 32 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。 0.02 γ2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。 33 气液反应器 气液反应器有许多类型，常见的有： 34 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