第八章氣液相反應(yīng)過程與反應(yīng)器

1、1第八章氣液相反應(yīng)過程與反應(yīng)器2 氣液反應(yīng)過程指一個(gè)反應(yīng)物在氣相，另一個(gè)在液相，氣相反應(yīng)物需進(jìn)入液相才能反應(yīng)；或兩個(gè)反應(yīng)物都在氣相，但需進(jìn)入液相與液相的催化劑接觸才能反應(yīng)。 與化學(xué)吸收過程極為相似。概述3 液相：出總總邊界條件：相界面積BBB0BLLALALABLBAALALALABALABB, 0:11dddd1ddccttcctSVVVSVcckcSVtcckVStNVtcii4 積分上式，得： 可以據(jù)此計(jì)算反應(yīng)時(shí)間。 式中的各參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)方程計(jì)算。 連續(xù)流動(dòng)鼓泡塔計(jì)算出B0BALABLABAd1cciccckt出進(jìn)邊界條件：AAAAAA01ddYYHlYYlrlYF5 上式的關(guān)鍵是YA與-

2、rA的關(guān)系。是氣相組成，而反應(yīng)發(fā)生在液相中。因此涉及到傳遞現(xiàn)象，并且和液相的流型相關(guān)聯(lián)。 鼓泡塔中流型復(fù)雜，存在不同的區(qū)域，如安定區(qū)和湍動(dòng)區(qū)。HYYlrYF0AAd1dAA出進(jìn)6 氣液反應(yīng)的步驟： 氣液相反應(yīng)反應(yīng)物和產(chǎn)物至少有一個(gè)存在于液相中，其中典型的是氣體的反應(yīng)吸收。 更具有普遍意義：A(g)+B(l)=C(g) 其宏觀反應(yīng)歷程為： 1 A從氣相主體向氣液界面擴(kuò)散； 2 A在氣液界面處溶解于液相； 3 溶解于液相的A向液相內(nèi)部擴(kuò)散，在擴(kuò)散的同時(shí)與液相中的B發(fā)生反應(yīng)；7 4 液相中的產(chǎn)物C透過液膜擴(kuò)散到氣液界面； 5 產(chǎn)物C由氣液界面擴(kuò)散到氣相主體。 基本理論：雙膜理論 與物理吸收的差別在于

3、在液相主體和液膜中存在化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率的快慢直接影響了吸收的速率。 反應(yīng)歷程亦為連串過程，反應(yīng)速率決定了控制步驟的所在。8物理吸收過程的雙膜理論模型氣液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)分別存在滯留膜，組份通過在滯留膜中穩(wěn)定的分子擴(kuò)散進(jìn)行傳質(zhì)，傳質(zhì)阻力完全存在于滯留膜中。9 根據(jù)雙膜理論的物理模型，可以寫出：ScHpkkHScHpkHktncHpkDScckSccDtnkDSppkSppDtniiiiiiALAALAGAAALAALAAGAAAAALALLAALALAALALLAAGAGGAAAGAAAGGAA11111dd)()(dd)()(dd由以上兩式可以推得：相界面處達(dá)到平衡根據(jù)亨利

4、定律，10 因此可以寫成：總括傳質(zhì)系數(shù)。示的分別是以氣相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAAGAA11111)()(ddKKkkHKkHkKScHpKScHpKtn11 擴(kuò)散物A在液膜中的化學(xué)反應(yīng)，使液膜較物理過程的液膜變薄，由 變?yōu)?。 注意液膜是流體力學(xué)特性，而變薄的液膜就不單純是流體力學(xué)的概念了。LLGLpApAicAcAiL12 則：化學(xué)增強(qiáng)因子:ddddLLLLLALLLLALLALAALALAAAAAAAGAAkDDkccSktncHpppSktniiii13一個(gè)化學(xué)增強(qiáng)因子。過程相比，僅相差傳質(zhì)系數(shù)。與物理吸收示的總括分別是以氣相和液相表和LAGAL

5、AGAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAA11111)()()(ddKKkkHKkHkKScHpkScHpkScHpktn14氣液反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 在液膜內(nèi)取一微元體，在定常態(tài)下，對(duì)A組份作物料衡算（服從Fick擴(kuò)散定律）：15LBBBAAB2B2LBLAAAAAAA2A2LAAAALAALA,; 0dd, 0BCddB,;, 0BCdd0ddddddddccllclrlcDcclHpcclrlcDlSrllcclSDlcSDii：，亦有方程：同理，對(duì)液相反應(yīng)物：積累反應(yīng)擴(kuò)散離開擴(kuò)散進(jìn)入16 模型分析： 模型是以存在穩(wěn)定的膜為前提，即：不論氣液相主體如何擾動(dòng)，相界面上滯留膜總是

6、穩(wěn)定存在。 隨著氣液相流動(dòng)狀況的不同，氣液膜的厚度不同。強(qiáng)化傳質(zhì)要通過增加擾動(dòng)改變膜厚度實(shí)現(xiàn)。 傳質(zhì)與反應(yīng)速率的不同，得到不同的膜內(nèi)濃度分布。17極慢反應(yīng)傳遞速率遠(yuǎn)比反應(yīng)速率快得多；液相中溶解的A接近其飽和溶解度；化學(xué)反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行，反應(yīng)速率代表了A的傳遞速率。18慢反應(yīng)反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行，但速率較傳遞速率為大，液膜中的反應(yīng)可以忽略（即-rA視為0），與物理吸收相同。GLpApAicBcAcAi19中速反應(yīng)反應(yīng)在液相主體與液膜中同時(shí)進(jìn)行：ALA2L2A2LA2A2LALAAAAAAA2A2LAdddd,;, 0BCddcDkzclzkclcDcclHpcclrlcDii變?yōu)闉闊o因次長(zhǎng)度

7、，原方程令對(duì)一級(jí)反應(yīng)，：20 令 方程轉(zhuǎn)變?yōu)椋喊颂飻?shù)膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)前有:LLALALALALA2LDkkkDDk shsh1sh, 1, 0ddALAAAAAAA22A2zczcccczcczczciLi此方程的解為：21 繼續(xù)推導(dǎo)： ALAALAALAALAALALAALALLAALALLA0ALAAALAAchthchthchshchshchddddshch1chddccccccccccSkccSDccSDlcSDtnzczczciiiiiiili因此：22 恒大于1。 曲線下凹。 八田數(shù)決定了 ,0, 1 (0，ch 1, / th 1)0dd2A2lcALAALAchthcccciiLA

8、2LDkGLpApAicBcAcAidl23 快速反應(yīng) 反應(yīng)僅發(fā)生在液膜區(qū)，組份在液膜區(qū)已全部反應(yīng)掉，在液相主體區(qū)沒有A，因此液相主體中沒有反應(yīng)。th00ddALAAA2A2LA對(duì)一級(jí)反應(yīng)，可得：，邊界條件：clcclrlcDi24cBi不一定為0，與 中速反應(yīng)的區(qū)別在于cAL為0，即在液相主體中沒有A。GLpApAicBLcAi25 瞬時(shí)反應(yīng)過程 A與B之間的反應(yīng)進(jìn)行得極快，以致于A與B不能在液相中共存。在液膜區(qū)存在一個(gè)反應(yīng)面，此面上AB的濃度均為0。GLpApAicBLcAi反應(yīng)面R26 反應(yīng)面左側(cè)，只有A，沒有B，因此，在此區(qū)域，為純物理擴(kuò)散。 反應(yīng)面右側(cè)，只有B，沒有A，因此，在此區(qū)域

9、，亦為純物理擴(kuò)散。iiclccclccllcARAiAARAA2A20, 00ddBLBLBR2B2,0,0ddcclcllc27 解之，得： 反應(yīng)面的位置：RRLBLLRRBLRLBLBlcclccBLLALBRLRBAALALBRLBLBARABLBBAALAddddcDDcDDcclcDlcDii28 代表了反應(yīng)面的位置， =1，反應(yīng)面在液膜位置上， ，反應(yīng)面與氣液界面重合。 iiiicckkccDDccDDDDccABLLALBBAABLLALBBAABLLALBBARLLALBRLBLBARA111129 意味著B在液膜中的擴(kuò)散遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A組份的擴(kuò)散或B的濃度遠(yuǎn)大于A。 在反應(yīng)面與氣液

10、界面重合的情況下，B組份在液相主體中的濃度稱為在氣相A分壓下的臨界濃度。若此時(shí)cBLcBL臨，液相中將不再有A。ALBLALAGAABBL臨AGAABBL臨LLB00pDDkkcpkcD30只要是瞬時(shí)反應(yīng)過程，就存在反應(yīng)面，而反應(yīng)面的位置，取決于AB的濃度和擴(kuò)散速率。反應(yīng)面向相界面移動(dòng)，剛好接觸時(shí)的cBL即為cBL臨。不僅液相主體沒有A，而且連液膜內(nèi)也沒有A。GLpApAicBL臨cBLcBLcAi31 氣液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)小結(jié) 兩個(gè)重要參數(shù)：化學(xué)增強(qiáng)因子和八田數(shù)。=f(，cAi,cAL), =f(k,DALL) 宏觀反應(yīng)速率最終取決于反應(yīng)物A的反應(yīng)特性k，傳遞特性DAL和體系的流體力學(xué)特性L。 強(qiáng)

11、化宏觀反應(yīng)速率需要提高k，DAL，減小L。 當(dāng)然還與氣相傳遞特性有關(guān)。32 決定了反應(yīng)是快是慢，是否存在反應(yīng)面，反應(yīng)在何處進(jìn)行。 判據(jù)： 2屬于瞬間反應(yīng)或快反應(yīng)過程；宜選用停留時(shí)間短的反應(yīng)器，如填料塔。 0.02 2為中速反應(yīng)；反應(yīng)大量在液相主體進(jìn)行，宜選用持液量大的反應(yīng)器，如鼓泡塔。 0.02屬于慢反應(yīng)。33氣液反應(yīng)器氣液反應(yīng)器有許多類型，常見的有：34 填料塔式反應(yīng)器計(jì)算 反應(yīng)器特點(diǎn)： 液體沿填料表面向下流動(dòng)，持液量??；氣液接觸界面近似等于填料表面積；氣液傳質(zhì)過程可以按雙膜理論計(jì)算。 適用于瞬間反應(yīng)及快反應(yīng)過程。 塔徑計(jì)算： 取0.6-0.8倍液泛速度為空塔操作氣速u，V為體積流量。uVd

12、4內(nèi)3512A12AAtAAAthmkmol:ddhmkmol:ddddddtnFYFtnAtnYYFAFYAAt因次：輸入輸出反應(yīng)傳遞 填料層高度計(jì)算 取塔內(nèi)微元高度dl對(duì)氣相作物料衡算：HF,YA出F,YA進(jìn)L,XA進(jìn)L,XA出dl36 快反應(yīng)及瞬間反應(yīng)cAL=0，微元體內(nèi)的相接觸面積近似為填料面積： 為填料比表面。 氣相中的A分壓用比摩爾分率表示：ldSd42內(nèi)AAA1 YYPp總SkHkcHptnLAAGAALAAA1ddALALAAAGAAddccSkppSktnii37 代入前式可得：出進(jìn)出進(jìn)總內(nèi)出進(jìn)總內(nèi)在全塔為常數(shù)，得：積分上式并視邊界條件：AAAALAAGA2AAAALAAGA2ln140d114dYYYYkHkPdFHYYHlYYlYYYkHkPdFlA38 kGA,kLA有經(jīng)驗(yàn)公式可算。 氣相視為平推流操作。 由于視cAL=0，與液相流型無關(guān)。 反應(yīng)級(jí)數(shù)體現(xiàn)在中。 因?yàn)槭强焖俜磻?yīng)，傳質(zhì)阻力主要存在于氣膜之中。 填料高度的最直接影響因素為摩爾流量、總壓、填料比表面及出入口濃度差。 與物理吸收的差別僅在于。如果=1，相當(dāng)于用大量的液體吸收氣相中的A。39 鼓泡塔式反應(yīng)器的計(jì)算 液相是連續(xù)相，氣相是分散相。 鼓泡塔反應(yīng)器的操作分兩種，連續(xù)