氣液相反應器的種類及選擇

《化學反應過程與設(shè)備》項目任務(wù)0401:氣液相反應器的種類及選擇項目四氣液相催化反應器

0401-1氣液相反應神說，諸水之間要有空氣，將水分為上下，神就造就了空氣，將空氣以下的水，空氣以上的水分開了。神稱空氣為天，有晚上、有早上、有第二日，所以便有了氣體和液體的存在，氣液相反應便是這兩個存在一起的過程。0401-1氣液相反應1.氣液相反應的方式氣相反應物溶于液相之后，再與液相中另外的反應物進行反應催化劑C溶劑D反應物B氣體反應物A0401-1氣液相反應1.氣液相反應的方式反應物均存在于氣相中，它們?nèi)芙庥诤写呋瘎┑娜芤阂院笤龠M行反應催化劑C溶劑D反應物B氣體反應物A產(chǎn)物B0401-1氣液相反應2.典型氣液相反應20世紀影響較大的氣液相反應----烯烴聚合反應20世紀50年代以前，聚乙烯作為重要的軍事物資，主要用于高頻雷達電纜，各個參戰(zhàn)國當時都投入大量人力物力進行研究，生產(chǎn)工藝主要是高壓法進行生產(chǎn)，操作困難，對設(shè)備的要求很高。1953年末，德國馬克斯-普朗克研究所化學家，卡爾-齊格勒利用三乙基鋁和四氯化鈦做催化劑，碳氫化合物作為溶劑，將乙烯在常壓下通入，結(jié)果在一小時后得到了白色粉末狀的聚乙烯。0401-1氣液相反應高壓低密度聚乙烯(LDPE)低壓高密度聚乙烯(HDPE)強度、硬度、耐熔性制成的容器可以煮沸消毒，可以用來制造奶瓶、水盆、藥瓶以及耐火膠布等>0401-1氣液相反應同樣就有人想，聚丙烯是不是也可以通過同樣的方法制得呢？結(jié)果同樣的方法做出來的聚丙烯只是漿糊狀的粘稠液體，工業(yè)上毫無用途。意大利米蘭工業(yè)學院化學教授九里奧-納塔，于1954年發(fā)現(xiàn)將齊格勒催化劑中的四氯化鈦用三氯化鈦代替的話，可以得到結(jié)晶性好、高熔點的固體聚丙烯。0401-1氣液相反應目前全世界以聚乙烯和聚丙烯為主的聚烯烴塑料，年產(chǎn)能力已達1千萬噸以上，約戰(zhàn)全世界塑料總年產(chǎn)能力的三分之一，他們對世界工業(yè)和人類生活的貢獻是非常巨大的，有人把他們的功績比作是歐洲阿爾卑斯山上的雪水，滋潤了德國和意大利的沃土，開出了艷麗的花朵，結(jié)出了碩大的果實。齊格勒-納塔催化劑好似德國和意大利兩座山脈的交匯點。0401-1氣液相反應齊格勒-納塔催化劑1963年，他們二人同獲諾貝爾化學獎，遺憾的是兩人都沒有出席，齊格勒認為納塔竊取了他的研究成果而拒絕出席，而納塔癱瘓在床，無法前往。科學家是有國界和個性的，科學卻沒有，所以今天我們總是把他們兩個一起提，他們的催化劑被后人統(tǒng)稱為齊格勒-納塔催化劑。0401-2氣液相反應過程氣液相反應過程就是氣體在液體中發(fā)生了化學反應。氣體跑到液體里，和液體里的組分發(fā)生作用兩個氣體一起跑到液體里，液體營造的氛圍里，也就是催化劑的催化下發(fā)生反應氣體共同點：兩者先接觸在互動。傳質(zhì)和反應兩者相互影響，矛盾統(tǒng)一并表現(xiàn)為宏觀速率。這兩者統(tǒng)一的水平?jīng)Q定了整個反應的宏觀速率，反應轉(zhuǎn)化率和選擇性。氣體1氣體20401-2氣液相反應過程雙膜理論(two-filmtheory)：是經(jīng)典的傳質(zhì)機理理論，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作為界面?zhèn)髻|(zhì)動力學的理論，該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質(zhì)吸收的過程。表面更新理論：是傳質(zhì)三大經(jīng)典理論中的一種，直到1951年，丹寇沃茨才對滲透論進行了修正，認為：在界面上的每一微元具有不同的暴露時間(年齡)，表面壽命為t，但它們被另一微元置換的機會均等；無論氣相或液相都可能發(fā)生上述過程，所以兩項表面是不斷更新的，更新頻率為S；每個進入界面的微元均按瞬變傳質(zhì)的規(guī)律向膜內(nèi)滲透。滲透理論：滲透理論是溶質(zhì)滲透模型的簡稱，傳質(zhì)理論模型之一，由希格比(Higbie)于1935年提出。這一模型考慮了為雙膜理論所忽略的、形成濃度梯度的過度時間。應用最廣1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程雙膜理論(two-filmtheory)：是經(jīng)典的傳質(zhì)機理理論，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作為界面?zhèn)髻|(zhì)動力學的理論，該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質(zhì)吸收的過程。應用最廣

氣膜氣液相界面

液膜液相主體氣體達到氣液相平衡1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程雙膜理論(two-filmtheory)：是經(jīng)典的傳質(zhì)機理理論，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作為界面?zhèn)髻|(zhì)動力學的理論，該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質(zhì)吸收的過程。應用最廣

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液膜液相主體氣體達到氣液相平衡1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程雙膜理論(two-filmtheory)：是經(jīng)典的傳質(zhì)機理理論，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作為界面?zhèn)髻|(zhì)動力學的理論，該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質(zhì)吸收的過程。應用最廣

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液膜液相主體氣體達到氣液相平衡1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程雙膜理論(two-filmtheory)：是經(jīng)典的傳質(zhì)機理理論，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作為界面?zhèn)髻|(zhì)動力學的理論，該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質(zhì)吸收的過程。應用最廣

氣膜氣液相界面

液膜液相主體氣體達到氣液相平衡1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程

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液膜液相主體氣體達到氣液相平衡機場1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程

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液膜液相主體氣體達到氣液相平衡登機口1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程

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液膜液相主體氣體達到氣液相平衡乘飛機到達對方機場1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程

氣膜氣液相界面

液膜液相主體氣體達到氣液相平衡機場出口1.氣液相反應傳質(zhì)理論0401-2氣液相反應過程氣相主體液相主體A2.氣液相反應傳質(zhì)過程第一步：氣相組分從氣相主體傳遞到氣液相界面，在界面上達到平衡0401-2氣液相反應過程氣相主體液相主體A氣相產(chǎn)物液相產(chǎn)物2.氣液相反應傳質(zhì)過程第二步：氣相組分從氣液相界面跑到液相里，并像均相液相反應一樣進行了化學反應0401-2氣液相反應過程氣相主體液相主體氣相產(chǎn)物液相產(chǎn)物2.氣液相反應傳質(zhì)過程第三步：液相的反應產(chǎn)物向濃度梯度下降的方向擴散，氣相產(chǎn)物向界面擴散；0401-2氣液相反應過程氣相主體液相主體氣相產(chǎn)物液相產(chǎn)物2.氣液相反應傳質(zhì)過程第四步：氣相產(chǎn)物向氣相主體擴散；0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型動力學控制（反應控制）：化學反應速率遠小于傳遞速率；擴散控制：化學反應速率遠大于傳遞速率；AB瞬間反應一開始，AB它們不共存，A一進入液膜內(nèi)，就和B快速反應，兩者在液膜內(nèi)的某個地方，反應到濃度均為0。這是第一種反應，叫瞬間反應。（1）0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型AB界面反應B偷偷地提高了自己的濃度，結(jié)果A在界面上就被完全反應掉了，這是第二種，叫界面反應。（2）B0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型A然后A也偷偷提高了濃度，結(jié)果雖然現(xiàn)在反應仍然很快，但是還是來不及反應掉，后來A和B一商量，大家就在液膜內(nèi)留下了一個和平區(qū)域共存，所以大家都保證在共存區(qū)域內(nèi)把最終的濃度降到0，這是第三種，叫二級快速反應。（3）B二級快速反應A和平區(qū)域0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型AB擬一級快速反應這回B把自己變得皮糙肉厚，不那么容易消耗了，結(jié)果A雖然不會在界面處就完全反應掉，但由于B不容易消耗，不管A濃度多少，B的濃度總歸是基本不變，到界面處濃度也基本不變。所以計算反應速率的時候，往往需要把B的濃度當成一個恒值，這就相當于一級反應了，那么這就是第四種，叫擬一級快速反應。（4）0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型AB二級中速反應于是A也回去把自己變得皮糙肉厚，這下好了，大家都不容易消耗，B推進到界面還沒有反應完，A在整個液膜里也消耗不掉，還要到液相主體里繼續(xù)反應，這個時候就是第五種情況，叫二級中速反應。（5）0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型AB擬一級中速反應然后B又回去繼續(xù)改裝，更加的皮糙肉厚，把自己變得更不容易消耗，那么這會呢A雖然在液膜里也消耗不盡，可以以推進到液相主體里，但是B的濃度又是一直可視為恒定了，所以這個時候反應速度又只和A的濃度有關(guān)了。好吧，這就是第六種，擬一級中速反應（6）0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型A也回去把自己整的更加皮糙肉厚，現(xiàn)在的情況就是，液膜里進行的反應已經(jīng)是很少一部分了，AB的濃度在同一個數(shù)量級，同時影響著反應。這就是第七種情況，二級慢速反應。（7）AB二級慢速反應0401-2氣液相反應過程3.八種反應類型拼到最后，情況已經(jīng)不容細看了，皮無比操肉無比厚的AB在一塊，都很難反應，已經(jīng)可以認為是不消耗的了。這就是第八種極慢速反應。（8）AB極慢速反應0401-2氣液相反應過程3.反應快慢的判斷0.022膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)（八田數(shù)）慢反應化學反應AND傳質(zhì)效率瞬間反應OR快速反應0401-3氣液相反應器的種類和選擇如露珠水泡，素有素無，如閑花野草，自榮自落《閱微草堂筆記》像露珠水泡一樣，突然產(chǎn)生又突然消失，像路邊的花草一樣，自己生長又自己凋零。0401-3氣液相反應器的種類和選擇露珠（液體以液體狀分散在氣相中）水泡（氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中）噴霧，噴射和文史反應器鼓泡塔反應器、攪拌鼓泡釜式反應器和板式反應器填料塔反應器和降膜反應器液體以膜狀的運動與氣相進行接觸氣體和液體接觸的三種形式0401-3氣液相反應器的種類和選擇1.當反應速度很快，液體在氣體中很快就被反應掉的情況，往往我們希望液體會以液滴的形式存在于氣體中，就像人洗澡時候的淋浴，那么我們就可以選擇噴霧、噴射和文式反應器，在這些反應器里細小液滴的方式分散于氣體中，氣體為連續(xù)相，液體為分散相，他們廣泛應用于瞬間、界面和快速反應，也常用于生成固體的反應。氣體（連續(xù)相）液體（分散相）瞬間反應界面反應快速反應生成固體的反應0401-3氣液相反應器的種類和選擇2.當反應速度屬于中速慢速，同時反應放熱量還挺大的時候，往往希望氣體能以氣泡的形式沉浸在液體中，給予他們充分的接觸時間，就像人泡澡一樣。這個時候相對應的就可以選擇鼓泡塔反應器、攪拌鼓泡釜式反應器和板式反應器。在這些反應器里，液體是連續(xù)相而氣體分散在液體中，是分散相。他們主要用于中速反應，慢反應，對于高粘度的非牛頓型液體尤其適合。氣體（分散相）液體(連續(xù)相)中速反應慢反應高粘度的非牛頓型液體0401-3氣液相反應器的種類和選擇3.還有一種是熱效應較大而且反應速度很快的反應，像化學吸收，我們希望形成一個表面積比較大的液膜和氣體進行接觸和反應，通過很短的時間完成，又能充分的移走熱量，這時候我們可以選擇填料塔反應器和降膜反應器，它們特別適用于較大熱效應的氣液反應過程，但是對于處理含有固體物質(zhì)或者能夠析出固體物質(zhì)以及粘性很大的液體它就不是很適合了。較大熱效應的氣液反應過程含有固