第八章氣液相反應(yīng)過程與反應(yīng)器(201305)

1、第八章 氣液相反應(yīng)過程與反應(yīng)器 胡廷平 武漢工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 化學(xué)工程專業(yè) 內(nèi)容提要 8.1 8.1 概述概述 8.2 8.2 氣液反應(yīng)動力學(xué)（重點）氣液反應(yīng)動力學(xué)（重點） 8.3 8.3 氣液反應(yīng)器氣液反應(yīng)器 （計劃（計劃6學(xué)時）學(xué)時） 8.1 概述 氣液反應(yīng)過程: 氣相中組分必須進入液相中才能進行反應(yīng)的過程 氣相+氣相 氣相+液相 至少有一反應(yīng)組分是氣相,反應(yīng)在液相中進行,氣相無 反應(yīng)。 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: : (1)制取化工產(chǎn)品; (2) 除去氣相中有害組分; (3) 尾氣回收有用組分。 8.1.1 8.1.1 氣液反應(yīng)步驟氣液反應(yīng)步驟 (1)氣相中反應(yīng)組分由氣相主體透過氣膜

2、擴散到氣液界面； (2) 組分進入液相后通過液膜擴散到液相主體； (3) 在液相中與其它組分進行反應(yīng)生成產(chǎn)物； (4)產(chǎn)物由液相主體透過液膜擴散到氣液界面； (5) 產(chǎn)物由氣液界面透過氣膜擴散到氣相主體。 傳遞過程 化學(xué)反應(yīng)過程 (回顧氣固相催化反應(yīng)過程的步驟) 物理吸收過程： ()() AAL AiALALAiAL L dnD CCSkCCS dt AiAiAi pH C ()() AGA AGAiAGAGAi G Ddn ppSkppS dt 氣膜傳質(zhì)速率方程 液膜傳質(zhì)速率方程 氣液界面相平衡方程 ()() 11 1 () 1 () A AGAGAiALAiAL AGAiAiAL AGAL

3、 AGAAL A AGAL AGAGAAL dn kS ppkS CC dt ppCC SS kk S pH C H kk KS pH C 11 A A GA GA L H Kkk （總傳質(zhì)系數(shù)） （總傳質(zhì)速率方程） 化學(xué)吸收過程 當(dāng)液相中反應(yīng)物A尚存在化學(xué)反應(yīng),液膜較純物理過程的液膜薄 L L L L AL L L L AL L AL AL ALAIAL A k D D k ccSk dt dn )()( 稱為化學(xué)增強因子 11 A GAGAL H Kkk （1）吸收是化工原 理單元操作，同學(xué)們 熟悉，從此點切入。 （2）講清物理吸收 與化學(xué)吸收，引入氣 液反應(yīng) 8.2 8.2 氣液反應(yīng)動力

4、學(xué)氣液反應(yīng)動力學(xué) 1以雙膜理論為基礎(chǔ)，理解成有化學(xué)反應(yīng)的雙膜理論， 膜體現(xiàn)傳遞過程的傳質(zhì)阻力 講授思路 2 建立通用基礎(chǔ)微分方程，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)快慢確定邊 界條件進行求解 0 ()()() ()() ()() A GAGALAGAGAi ALAiALALAiAL AA ALl L L dn K S PKckS PP dt kS CCkS CC dndC DS dtdl 轉(zhuǎn)化為求化學(xué)增強因子 氣膜而言 液膜而言 雙膜而言 相界面而言 8.2.1 氣液反應(yīng)過程的基礎(chǔ)方程 假設(shè): 1. 氣相A組分 與液相B組 分的反應(yīng)過 程按雙膜模 型進行; 2. B組分不揮 發(fā),不存在B 組分向氣相 擴散。 模型圖

5、模型圖 相界面相界面 氣膜氣膜液膜液膜 l L L PAG PAI CAI CAL 氣相主體氣相主體液相主體液相主體 G G Z dl CA PA 8.2.1.1 基礎(chǔ)方程推導(dǎo) 推導(dǎo): 化學(xué)反應(yīng)式 rRbBaA AB AB rr r Sdlrdl dl dc c dl d SDS dl dc D A A AAL A AL )( 取體積元(S1dL),進行組分A微分衡算 （根據(jù)費克定律推導(dǎo)） A A AL r dl cd D 2 2 組分A的液膜基礎(chǔ)方程 同理，在體積元(S1dL)內(nèi),進行組分B微分衡算 )( 2 2 A A B B B BL rr dl cd D 邊界條件為: 0;0 B AI

6、 AAI A dc p lcc H dl 第二個邊界條件依據(jù)反應(yīng)類型確定， 兩個邊界條件才能求解二階常微分方程 在相界面處，B組分 不揮發(fā)，A組分達到 溶解平衡 相界面相界面 氣膜液膜 Z L 反應(yīng)面反應(yīng)面 PAG PAI CAI CB 1 瞬時反應(yīng) 反應(yīng)面和相界面不重合 反應(yīng)面在液膜內(nèi) 相界面相界面(反應(yīng)面反應(yīng)面) 氣膜液膜 PAG CB 2 瞬時反應(yīng) CB過大 反應(yīng)面在相界面上 反應(yīng)面與相界面重合 氣相主體液相主體 8.2.1.2 反應(yīng)類型及特點 （按反應(yīng)快慢分六種類型） 相界面相界面 氣膜液膜 Z L 反應(yīng)區(qū)反應(yīng)區(qū) PAG PAI CAI CB 3 快速反應(yīng) 無反應(yīng)面,只有反應(yīng)區(qū) 反應(yīng)區(qū)

7、在液膜內(nèi) 反應(yīng)物A,B均在液膜內(nèi)消耗完畢 4中速反應(yīng) 反應(yīng)面和相界面不重合 反應(yīng)在液膜內(nèi)及液相主體 6 極慢反應(yīng) 在液相主體內(nèi)的均相反應(yīng) 相界面相界面 氣膜液膜 L 反應(yīng)面反應(yīng)面 PAG PAI CAI CB 5慢速反應(yīng) 反應(yīng)面和相界面不重合 反應(yīng)主要液相主體，液膜 反應(yīng)量忽略不計。 8.2.2 極慢反應(yīng)過程 相界面相界面 氣膜液膜 L PAGPAI CAI CB G cA 特點：指A組分由氣相主體向氣液界面擴散的速率以及A組分由氣液 界面向液相主體的擴散速率遠遠大于A組分在化學(xué)反應(yīng)過程中的消耗 速率。類似于液相均相反應(yīng)過程 AIAL AGAIAIAL cc ppKcKc () () A A

8、mn A AALBL dn r V dt dn rkC C Vdt 由此,液相無雙膜存在， 故=0 （同均相反應(yīng)速率定義） 8.2.3 慢反應(yīng)過程 相界面相界面 氣膜液膜 L PAG PAI CAI CBL CAL CB CA A A AL r dl cd D 2 2 )( 2 2 A A B B B BL rr dl cd D 特點：化學(xué)反應(yīng)在液相主體,在液膜內(nèi)的反應(yīng)可 以忽略,即在液膜內(nèi)僅發(fā)生A組分的擴散過程,與物理 吸收相同。 基礎(chǔ)方程及邊界條件基礎(chǔ)方程及邊界條件 00 B AI AAI A LAALBBL dc p lcc H dl lcccc 2 2 0 ,0 0 AB A rr d

9、c d l 0 00 () ()() () 1 ()() 1 ALAiA L AiALAAA lALAL L ALAiAL A AGALAGAGAL A AGAL CCdC dl CCdndndC SDSD dtdtdl SkCC dn S pKcKS pKc H dt kk 1 L L 求解方程得 由此可得,=1 0 , , A AA i LAA L A LA i AA i L CM lN lCC lCC CC ClC 在液膜內(nèi)濃度呈線性變在液膜內(nèi)濃度呈線性變 化化 比較液膜傳質(zhì)速率方程 8.2.4 中速反應(yīng)過程 相界面相界面 氣膜液膜 L PAG PAI CAI CB CA 特點：反應(yīng)不僅

10、發(fā)生在液膜內(nèi),而且在主體相中也存在化 學(xué)反應(yīng) A A AL r dl cd D 2 2 ALAL AIA ccl ccl 0 A A AL kc dl cd D 2 2 邊界條件 對于一級化學(xué)反應(yīng) AL AL L AL k kD D k 2 膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù),八田準數(shù) 求解二階線性常微分方程： 基礎(chǔ)方程： ALAI AL AI ALAI AL AI ALAIAL l A AL A cc c c cc c c ccSk dl dc SD dt dn )cosh( tanh )cosh( )tanh( )( 0 比較液膜傳質(zhì)速率方程 8.2.5 8.2.5 快速反應(yīng)過程快速反應(yīng)過程 相界面相界面 氣膜

11、液膜 Z L 反應(yīng)區(qū)反應(yīng)區(qū) PAG PAI CAI CB 特點：反應(yīng)僅發(fā)生在液膜內(nèi)特點：反應(yīng)僅發(fā)生在液膜內(nèi),A,A組分在液膜內(nèi)全部被反應(yīng)掉組分在液膜內(nèi)全部被反應(yīng)掉, ,在液相主在液相主 體沒有組分體沒有組分A,A,在液相主體沒有化學(xué)反應(yīng)。在液相主體沒有化學(xué)反應(yīng)。 2 2 A ALAA d c Drkc dl 0 0 ALAL AIA ccl ccl 邊界條件 )tanh( )( )cosh( )tanh( )( 0 0 ALAIAL c ALAI AL AI ALAIAL l A AL A ccSk cc c c ccSk dl dc SD dt dn AL 基礎(chǔ)方程 )tanh( 求解方程求

12、解方程 對于一級反應(yīng) 8.2.6 8.2.6 瞬時反應(yīng)過程瞬時反應(yīng)過程 相界面相界面 氣膜液膜 Z 反應(yīng)面反應(yīng)面 PAG PAI CAI CB 氣相主體液相主體 瞬時反應(yīng)特點： 反應(yīng)面和相界面不重合 反應(yīng)面在液膜內(nèi) 組分A,B均在液膜內(nèi)消耗完 分兩種情況： 相界面相界面(反應(yīng)面反應(yīng)面) 氣膜液膜 PAG CB 瞬時反應(yīng)特點：:CB過大 反應(yīng)面在相界面上 反應(yīng)面與相界面重合 A A組分與組分與B B組分之間的反應(yīng)進行極快組分之間的反應(yīng)進行極快, ,以致在液相中以致在液相中A A組分與組分與B B組分不能共存。組分不能共存。 在液膜區(qū)存在一反應(yīng)面在液膜區(qū)存在一反應(yīng)面, ,在此液面上在此液面上A A

13、、B組分濃度為組分濃度為0 0 0 2 2 dl cd D A AL 0 0 AR AIA cl ccl 邊界條件 基礎(chǔ)方程 對于一級反應(yīng) 在0lR的液膜區(qū)內(nèi),液膜中僅有A組分而B組分 在R lL的液膜區(qū)內(nèi),液膜中僅有B 組分而A組分 基礎(chǔ)方程 0 2 2 B B BL r dl cd D BLBL BR ccl cl 0 邊界條件 求解： AI BL AL BL B A AI BL AL BL B A R L c c k k c c D D 11 （請記住公式） 相界面相界面(反應(yīng)面反應(yīng)面) 氣膜液膜 PAG CB 瞬時反應(yīng)特點：:CB過大 反應(yīng)面在相界面上 反應(yīng)面與相界面重合 臨界濃度CB

14、L0 0 000 0 () () ()/()/ ()()()()( Ai Bi p A AGAGAiAGAG c B BLBL BLBiBL AABB AGAGBBAL BLAGAG ABLAALBL dn kppkp dt dn kcck c dt rr kkD cpp kkD 0 ()()( AGBAL BLAG AALBL kD cp kD (請記?。┱堄涀。?0 0 ,0, , ? BLBL BLBL A cc cc dn dt 反應(yīng)面與相界面重合， 反應(yīng)面與相界面不重合，？ 各自的動力學(xué)速率- 6.2.7 6.2.7 氣液反應(yīng)過程的重要參數(shù)氣液反應(yīng)過程的重要參數(shù) 化學(xué)增強系數(shù)化學(xué)增強

15、系數(shù) 膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)(八田準數(shù)八田準數(shù)) 氣液反應(yīng)過程的重要參數(shù) 1 化學(xué)增強系數(shù) 物理傳質(zhì)速率 表觀反應(yīng)速率 L ALAIAL L ALAIAL L L ccD ccD )( )( AI BL AL BL B A AI BL AL BL B A R L c c k k c c D D 11 )tanh( ALAI AL AI cc c c )cosh( tanh 1 0 瞬時反應(yīng) 快速反應(yīng)過程 中速反應(yīng)過程 慢反應(yīng)過程 極慢反應(yīng)過程 （反應(yīng)面與相界面重合）（反應(yīng)面與相界面重合） （反應(yīng)面與相界面重合）（反應(yīng)面與相界面重合） 2 2 膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)( (八田準數(shù)八田準數(shù))

16、) 液膜內(nèi)最大傳遞量 量液膜內(nèi)最大反應(yīng)消耗A cSk cSk k k k kD k kD D k AIAL AIL AL L AL AL AL AL L AL )0( )( 2 2 對于一級反應(yīng) 膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)反映出液膜內(nèi)進行反應(yīng)的那部分量占 總反應(yīng)量的比例,可以用于判斷反應(yīng)快慢的程度 .202. 0 102. 0 , 2 ，反應(yīng)屬于中速反應(yīng) ，反應(yīng)屬于慢反應(yīng)；， 反應(yīng)；反應(yīng)屬于瞬間反應(yīng)或快 例題1 例2 0 1 1 1) 0.789 196 3039.9 25 2)1,2 2 0.789 1.01330.064/, 1 25 ,0 111 AG A AL AGAi AB AGBALAL BLA

17、GBL AALBLBL AL A GAGALAG k H k PP kDD CPmol LC kDD C H Kkkk ： 傳質(zhì)為液膜控制，可忽略氣膜的傳質(zhì)阻力及濃度差。 反應(yīng)面與相界面重合。 2 0 ()()0.789 1.01330.8/(. ) 3)20.244/,0.20/ 2 0.789 20.2441.278/ 125 ,0 20.244 0.00 3039.9 i GAG AGAGAALGAG AGBL AGBAL BLAGBL AALBL AL Ai A A Kk RKPH CK Pmolm h Pmol L Cmol L kD CPmol LC kD C P C H （） 相

18、界面與反應(yīng)面不重合，反應(yīng)在液膜內(nèi)。 2 2 666/ 10.2 1116 20.00666 1113039.9 0.78916 25 0.1128/( .) ()()0.1128 20.2442.283/(. ) ABLBLBL BALAiAL A GAGAL G AGAGAAL mol L DCD DCD C H Kkk Kmolhm kPa RKPH Cmolm h （） 8.3 氣液反應(yīng)器氣液反應(yīng)器 填料塔噴淋塔板式塔 8.3.1工業(yè)常用反應(yīng)器概述 鼓泡塔 攪拌反應(yīng)器 管式反應(yīng)器 氣液反應(yīng)器的基本類型氣液反應(yīng)器的基本類型 1.較高的生產(chǎn)強度 反應(yīng)系統(tǒng)的特性選擇反應(yīng)器，使反應(yīng)器具備較高的生

19、產(chǎn)強度。 1）氣膜控制，選擇氣相容積傳質(zhì)系數(shù)大的反應(yīng)器， 例如噴射塔和文丘里反應(yīng)器。 2)快速反應(yīng)，反應(yīng)在界面附近的液膜中進行，選擇 表面積較大，而且較大的反應(yīng)器，例如填料塔和板式反 應(yīng)器。 3) 慢反應(yīng)，反應(yīng)在液流主體中進行，應(yīng)選擇液相容 積大的設(shè)備，例如鼓泡反應(yīng)器和攪拌鼓泡反應(yīng)器。 8.3.1.1 工業(yè)生產(chǎn)對氣液反應(yīng)器的要求 （生產(chǎn)強度，選擇性、反應(yīng)溫度控制、動力消耗、液體（生產(chǎn)強度，選擇性、反應(yīng)溫度控制、動力消耗、液體 流量）流量） 2. 有利于提高反應(yīng)選擇性 對于多重反應(yīng)，選擇的反應(yīng)器要有利于主反應(yīng)，而要 抑制副反應(yīng)。例如對于平行反應(yīng)，主反應(yīng)快而副反應(yīng)慢， 則要選擇儲液量較少的反應(yīng)器來抑制副反應(yīng)的發(fā)生。 3.有利于降低能耗 為了使氣液兩相分散接觸，需要消耗一定的動力。 噴射吸收器所需的能耗最小，其次是攪拌反應(yīng)器和填料塔， 文氏管和鼓泡反應(yīng)器所需的能耗最大. 4.有利于控制反應(yīng)溫度 氣液反應(yīng)大部分是放熱反應(yīng)，如何排除反應(yīng)熱控制好操作 溫度是十分重要的。例如板式塔