5第8章多流体相的反应过程3ppt课件

1、反应工程1*反应工程2流化床的基本概念流化床的基本概念l当通过床层的流体流量较小时，颗粒受到的升力浮力与曳力之和小于颗粒自身重力时，颗粒在床层内静止不动，流体由颗粒之间的空隙通过。此时床层称为固定床。l随着流体流量增加，颗粒受到的曳力也随着增大。若颗粒受到的升力恰好等于自身重量时，颗粒受力处于平衡状态，故颗粒将在床层内作上下、左右、前后的激烈运动，这种现象被称为固体的流态化，整个床层称为流化床。2反应工程33反应工程4流化床的优点流化床的优点l1 颗粒流动类似液体，易于处理，控制；l2 固体颗粒迅速混合，整个床层等温；l3 颗粒可以在两个流化床之间流动、循环，使大量热、质有可能在床层之间传递；

2、l4 宜于大规模操作；l5 气体和固体之间的热质传递较其它方式高；l6 流化床与床内构件的给热系数大。4反应工程5流化床的缺点流化床的缺点l1气体的流动状态难以描述，偏离平推流，气泡使颗粒发生沟流，接触效率下降；l2颗粒在床层迅速混合，造成停留时间分布不均匀；l3脆性颗粒易粉碎被气流带走；l4颗粒对设备磨损严重；l5对高温非催化操作，颗粒易于聚集和烧结。5反应工程6* 8 . 1 理论简述理论简述所谓气液相反应，是气相中的组分必须进入到液相中才能进行的反应。所谓气液相反应，是气相中的组分必须进入到液相中才能进行的反应。气气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型：液相反应是一类重要的

3、非均相反应。主要分为二种类型： 1、化学吸收：、化学吸收：例如原料气净化、产品提纯、废气处理等。例如原料气净化、产品提纯、废气处理等。2、制取化工产品、制取化工产品:例如例如 水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯化钯水溶液中氧化制乙醛，前者为非水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯化钯水溶液中氧化制乙醛，前者为非催化反应，后者则是液相络合催化反应。催化反应，后者则是液相络合催化反应。反应工程7*1、化学吸收、化学吸收液相吸收剂中的活性组分与被吸收气体中某组分发生化学反应而生成产物的化学吸收，可液相吸收剂中的活性组分与被吸收气体中某组分发生化学反应而生成产物的化学吸收，可用于脱除气体中的有害组分，或回

4、收气相中的有用组分。用于脱除气体中的有害组分，或回收气相中的有用组分。当工艺要求气相中某活性组分浓度很低而用物理吸收方法难以达到时，常采用化学吸收法。当工艺要求气相中某活性组分浓度很低而用物理吸收方法难以达到时，常采用化学吸收法。与物理吸收相比，化学吸收推动力大，可更快速彻底地吸收气相中的某些组分。与物理吸收相比，化学吸收推动力大，可更快速彻底地吸收气相中的某些组分。化学吸收的基本要求：无毒无害无腐蚀、成本低易回收。化学吸收的基本要求：无毒无害无腐蚀、成本低易回收。反应工程8新闻报道新闻报道l 燃煤发电厂烟气二氧化碳捕集纯化技术，是中石化股份公司重大科技先导试验项目-“低渗透油藏二氧化碳驱提高

5、采收率先导试验的重要组成部分，着眼于解决油田CO2驱气源不足，利用化学吸收法，将胜利发电厂燃煤烟气中的二氧化碳进行捕集、提纯、液化。l这套装置投入运行后，每天生产液态二氧化碳100余吨，全年能够捕集、液化二氧化碳3万至4万吨，成为目前中国国内最大的燃煤电厂烟气二氧化碳捕集纯化装置。捕集处理后的二氧化碳纯度达百分之99.5%以上，可全部应用于目前胜利油田正在开展的“低渗透油藏二氧化碳驱油重大先导试验。反应工程9*乙醇胺水溶液吸收乙醇胺水溶液吸收CO2液体分布器液体分布器吸收液吸收液尾气尾气反应工程10*气液相反应器的型式气液相反应器的型式塔式反应器塔式反应器板式塔板式塔填料塔填料塔釜式釜式 反应

6、器如鼓泡搅拌釜反应器如鼓泡搅拌釜 鼓泡塔、喷雾塔鼓泡塔、喷雾塔反应工程11*填料塔填料塔板式塔板式塔反应工程12*规整填料规整填料塑料丝网波纹填料塑料丝网波纹填料散装填料散装填料塑料鲍尔环填料塑料鲍尔环填料DC环共轭环聚丙烯花环聚丙烯阶梯环.聚丙烯鲍尔环海尔环聚丙烯共轭环阶梯环共轭环改型鲍尔环各种散装填料各种散装填料反应工程14一、双膜理论反应工程15双膜理论基本点：l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；l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；l相界面的传质阻力可以忽略，气液达平衡，且服从亨利定律。

7、反应工程16组分A的扩散速率 l总传质系数与膜传质系数的关系为总传质系数与膜传质系数的关系为 AL*AALALAiALALAiLALACCKCCkCCZDNALAAGAGkHk1K1 ALAGAALk1kH1K1反应工程17二、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：要实现这样的反应，需经历以下步骤：1气相反应物气相反应物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；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；从

8、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。主体扩散到相界面，再扩散到气相主体。注：液相反应物注：液相反应物B或催化剂不能挥发进入气相，只在液相中与或催化剂不能挥发进入气相，只在液相中与A进行化学反进行化学反应。应。反应工程18五种反应类型 l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l极快反应l快速反应l中速反应l慢速反应l极慢反应反应工程191. 极快反应极快反应l此时化学反应能力远远大于扩散能力，化

9、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。反应工程20极快反应的两种情况反应工程212. 快速反应 l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。反应工程22快速反应的两种情况反应工程23*乙醇

10、胺水溶液吸收乙醇胺水溶液吸收CO2液体分布器液体分布器吸收液吸收液尾气尾气反应工程243. 中速反应 l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。反应工程25中速反应的两种情况反应工程264. 慢速反应l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 。反应工程27慢速反应反应工程285. 极慢反应极慢反应l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

11、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。反应工程29极慢反应反应工程30三、测定液相反应速度的方法l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。 反应工程31四、反应器型式的选择反应工程32鼓泡塔反应器反应工程33鼓泡管反应器反应工程34搅拌釜式反应器反应工程35膜式反应器反应工程36主要型式气液相反应器的特性及应用范围液相液相体积分率

12、体积分率反应工程37*一、工业生产对气液反应器的要求一、工业生产对气液反应器的要求工业生产对气液反应器的要求有如下几点。工业生产对气液反应器的要求有如下几点。具备较高的生产强度具备较高的生产强度根据反应系统的特性选择反应器，使反应器具备较高的生产强度。根据反应系统的特性选择反应器，使反应器具备较高的生产强度。1 1气膜控制系统，应选择气相容积传质系数大的反应器，例如喷射塔和文丘里反应器等气膜控制系统，应选择气相容积传质系数大的反应器，例如喷射塔和文丘里反应器等。2 2快速反应系统，反应在界面附近的液膜中进行，应选择表面积较大的反应器，例如填快速反应系统，反应在界面附近的液膜中进行，应选择表面积

13、较大的反应器，例如填料塔和板式反应器。料塔和板式反应器。气液反应器概述气液反应器概述3 3缓慢反应系统，反应在液流主体中进行，应选择液相容积大的设备，例如鼓泡反应器缓慢反应系统，反应在液流主体中进行，应选择液相容积大的设备，例如鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器。和搅拌鼓泡反应器。反应工程38*2. 2. 有利于提高反应的选择性有利于提高反应的选择性对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应，而要抑制副反应。例如对于平行反应，对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应，而要抑制副反应。例如对于平行反应，主反应快而副反应慢，则要选择储液量较少的反应器来抑制副反应的发生。主反应快而副反应慢，则要选择储液量较少

14、的反应器来抑制副反应的发生。3. 3. 有利于降低能耗有利于降低能耗为了使气液两相分散接触，需要消耗一定的动力，就比表面积而言，喷射吸收器所为了使气液两相分散接触，需要消耗一定的动力，就比表面积而言，喷射吸收器所需的能耗最小，其次是搅拌反应器和填料塔，文氏管和鼓泡反应器所需的能耗最大。需的能耗最小，其次是搅拌反应器和填料塔，文氏管和鼓泡反应器所需的能耗最大。反应工程39*4. 4. 有利于控制反应温度有利于控制反应温度气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热控制好操作温度是十分重要的。例如板式塔气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热控制好操作温度是十分重要的。例如板式塔可以安置冷却盘管，但在

15、填料塔中，排除反应热就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把可以安置冷却盘管，但在填料塔中，排除反应热就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把湿热带走，但动力消耗大量提高。湿热带走，但动力消耗大量提高。5.5.能在较小液体流率下操作能在较小液体流率下操作液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小，但液体流率的大小应符合反应器的基本要求。液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小，但液体流率的大小应符合反应器的基本要求。反应工程40*1. 1. 填充床反应器填充床反应器 填充床反应器具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛应用于带有化学反填充床反应器具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛应用于

16、带有化学反应的气体净化过程，适用于快速和瞬间反应过程。应的气体净化过程，适用于快速和瞬间反应过程。2. 2. 板式反应器板式反应器板式反应器可以将轴向返混降低至最小程度，在单塔中获得极高的液相转化率，并可安板式反应器可以将轴向返混降低至最小程度，在单塔中获得极高的液相转化率，并可安装冷却或加热元件，维持所需的温度，适用于快速和中速反应过程。装冷却或加热元件，维持所需的温度，适用于快速和中速反应过程。二、气液反应器的形式和特点二、气液反应器的形式和特点反应工程41*3. 3. 降膜反应器降膜反应器降膜反应器具有压降小和没有返混的优点，适用于快速和瞬间反应过程。降膜管的安降膜反应器具有压降小和没有

17、返混的优点，适用于快速和瞬间反应过程。降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。装垂直度要求较高，液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。4. 4. 喷雾反应器喷雾反应器 喷雾反应器由空塔构成，适用于有污泥、沉淀和固相产物的反应过程，适用于受气膜喷雾反应器由空塔构成，适用于有污泥、沉淀和固相产物的反应过程，适用于受气膜控制的瞬间反应。控制的瞬间反应。5. 5. 鼓泡反应器鼓泡反应器鼓泡反应器具有较高的储液量，适用于慢反应。轴向返混严重，常采用半间歇操作和鼓泡反应器具有较高的储液量，适用于慢反应。轴向返混严重，常采用半间歇操作和多级串联操作。多级串联操作。反应工程42*6. 6.

18、搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器适用于高粘度的非牛顿型液体，例如广泛应用于发酵工业和高分子材搅拌鼓泡反应器适用于高粘度的非牛顿型液体，例如广泛应用于发酵工业和高分子材料工业，一般为慢速反应过程。料工业，一般为慢速反应过程。7. 7. 高速湍动反应器高速湍动反应器喷射反应器、文氏反应器、湍动浮球反应器等属于高速湍动反应器，适用于气膜控制喷射反应器、文氏反应器、湍动浮球反应器等属于高速湍动反应器，适用于气膜控制的瞬间反应过程。的瞬间反应过程。反应工程43*搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器反应工程44*双膜理论：由双膜理论：由Lewis和和Whitman在上世纪二十年代提出，是较早出现的传质理

19、论。双膜理论在上世纪二十年代提出，是较早出现的传质理论。双膜理论的基本论点：的基本论点：1 1气液界面的两侧分别有一呈层流流动的气膜和液膜，膜的厚度随流动状态而变化。气液界面的两侧分别有一呈层流流动的气膜和液膜，膜的厚度随流动状态而变化。2 2组分在气膜和液膜内以分子扩散形式传质，服从费克定律。组分在气膜和液膜内以分子扩散形式传质，服从费克定律。3 3通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间溶于液相且达到平衡，符合亨利定律，相界面通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间溶于液相且达到平衡，符合亨利定律，相界面上不存在传质阻力。上不存在传质阻力。4 4气相和液相主体内混合均匀，不存在传质阻力。全部传质阻力都

20、集中在二层膜内，各气相和液相主体内混合均匀，不存在传质阻力。全部传质阻力都集中在二层膜内，各膜内的阻力可以串联相加。膜内的阻力可以串联相加。反应工程45*假设：假设：溶剂不挥发，气体中溶质以外的组分不溶解。溶剂不挥发，气体中溶质以外的组分不溶解。反应完全发生在液膜和液相主体中。反应完全发生在液膜和液相主体中。 0zALAAdzdcDN双膜理论是把复杂的相际传质过程模拟成串联的两层稳定薄膜中的分子扩散。相际传质双膜理论是把复杂的相际传质过程模拟成串联的两层稳定薄膜中的分子扩散。相际传质的总阻力，被简化为双膜阻力的叠加。的总阻力，被简化为双膜阻力的叠加。pAG,pA,pAI分别为组分分别为组分A在

21、气相主体在气相主体,气膜和相气膜和相界面的分压；界面的分压；cAL,cA,cAI分别为组分分别为组分A在液相主体，液膜和相在液相主体，液膜和相界面的浓度；界面的浓度；Z为扩散途径的坐标，为扩散途径的坐标，G，L分别为气膜和液膜的厚度。分别为气膜和液膜的厚度。双膜模型组分双膜模型组分A相际传质示意图相际传质示意图反应工程47*相关链接：亨利定律相关链接：亨利定律Expe即当总压不太高，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线。即溶质在液相中即当总压不太高，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线。即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。的溶解度与其在气相中的分压成正比。ExpA*溶质溶质

22、A在气相中的平衡分压；在气相中的平衡分压；液相中溶质的摩尔分数；液相中溶质的摩尔分数；比例系数，称为亨利系数。比例系数，称为亨利系数。ExpA或写作或写作反应工程48*亨利定律的另一表示方法亨利定律的另一表示方法气相组成气相组成 用溶质用溶质A的平衡分压的平衡分压 表示，液相组成用溶质的浓度表示，液相组成用溶质的浓度cA表示时，亨利定表示时，亨利定律可表示为：律可表示为：HcpAA*溶质溶质A在气相中的平衡分压；在气相中的平衡分压；液相中溶质的摩尔浓度；液相中溶质的摩尔浓度；溶解度系数。溶解度系数。HcpA*AAp反应工程49*气液相反应是传质与反应过程的综合，其宏观反应速率取决于其中速率最慢

23、的一步，气液相反应是传质与反应过程的综合，其宏观反应速率取决于其中速率最慢的一步，即控制步骤。即控制步骤。如反应速率远大于传质速率，则称为传质控制气膜或液膜扩散控制），宏观反应速如反应速率远大于传质速率，则称为传质控制气膜或液膜扩散控制），宏观反应速率在形式上就是相应的传质速率方程。率在形式上就是相应的传质速率方程。如传质速率远大于反应速率，称为反应控制，宏观反应速率就等于本征反应速率。如传质速率远大于反应速率，称为反应控制，宏观反应速率就等于本征反应速率。如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时考虑传质和反应的影响。如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时考虑传质和反应的影响

24、。了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选型的重要依据。了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选型的重要依据。8.2 伴有不可逆与可逆反应的传质伴有不可逆与可逆反应的传质反应工程50*气液相反应的类型气液相反应的类型BAAckc)r( P )lbB( (g)A根据反应速率相对快慢，分为以下八种类型。根据反应速率相对快慢，分为以下八种类型。（1 1瞬间快速反应瞬间快速反应（2 2界面反应界面反应（3 3二级快速反应二级快速反应（4 4拟一级快速反应拟一级快速反应（5 5二级中速反应二级中速反应（6 6拟一级中速反应拟一级中速反应（7 7二级慢速反应二级慢速反应（8 8极慢反应极慢

25、反应反应工程51*（1 1瞬间快速反应瞬间快速反应相当于相当于(a) 反应面扩展为反应区，反应面扩展为反应区，A 、 B 并并存。尚属快反应，反应区仍在液膜内，存。尚属快反应，反应区仍在液膜内，并不进入液相主体。并不进入液相主体。(a)瞬间反应，反应面在液膜内瞬间反应，反应面在液膜内反应工程52*（2 2界面反应界面反应反应面就在气液相分界面上，总反应反应面就在气液相分界面上，总反应速率取决于气膜内速率取决于气膜内 A 的扩散速率。的扩散速率。(b) 瞬间反应，反应面在相界面上。瞬间反应，反应面在相界面上。（3 3二级快速反应二级快速反应（4 4拟一级快速反应拟一级快速反应AABAckckcr

26、1)()( （c二级快反应，反应区在液膜内二级快反应，反应区在液膜内相当于相当于(a) 反应面扩展为反应区，反应面扩展为反应区，A 、 B 并存。尚属快并存。尚属快反应，反应区仍在液膜内，并不进入液相主体。反应，反应区仍在液膜内，并不进入液相主体。快速反应，快速反应，cB高，可视为拟一级反应，液膜内高，可视为拟一级反应，液膜内cB变变化可以忽略。化可以忽略。（d拟一级快反应，拟一级快反应，cB高，反应区在液膜中。高，反应区在液膜中。（5 5二级中速反应二级中速反应（6 6拟一级中速反应拟一级中速反应中等速率反应，故在液膜和液相主体中都发生反应。中等速率反应，故在液膜和液相主体中都发生反应。（7

27、 7二级慢速反应二级慢速反应（8 8极慢反应极慢反应和传质速率相比反应缓慢，反应主要发生在液相主和传质速率相比反应缓慢，反应主要发生在液相主体。但体。但 A 传递入主体时液膜阻力仍然有影响。传递入主体时液膜阻力仍然有影响。反应极其缓慢，传质阻力可忽略，在液相中组分反应极其缓慢，传质阻力可忽略，在液相中组分 A 和和 B 是均匀的反应速率完全取决于化学反应动力学是均匀的反应速率完全取决于化学反应动力学反应工程56*8.2.1 8.2.1 基础方程基础方程可由双膜理论和可由双膜理论和FickFick定律导出。定律导出。BAAckcrlA)( P )bB( (g)设反应为设反应为定常态条件下，在单位

28、面积的液膜中取一厚度为定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dzdz的微元层，对组分的微元层，对组分A A作物料衡算：作物料衡算：dzdzdccdzdDdzdcDAALAALA图图 8 - 3若液相中有若液相中有B，单位时间内微层内的反应量，单位时间内微层内的反应量 以体积为基准的反应速率。以体积为基准的反应速率。AArdzr，)( 反应工程57*BABBLBBAAALAckcrdzcdDckcrdzcdD2222对物流对物流B作物流衡算：作物流衡算：整理可得：整理可得：002222BABLBBAALAcbkcdzcdDckcdzcdD反应工程58*同理可得同理可得022BABLBcbkc

29、dzcdD此二式即二级不可逆气液反应的基础方程，此二式即二级不可逆气液反应的基础方程，根据不同类型气液反应的边界条件，可得到不同解。根据不同类型气液反应的边界条件，可得到不同解。整理得整理得022BAALAckcdzcdD（8-128-12）反应工程59*不同类型气液相二级反应的宏观速率式不同类型气液相二级反应的宏观速率式如图，反应仅在反应面上，反应面左侧只如图，反应仅在反应面上，反应面左侧只含含A A，右侧只含，右侧只含B B。因而，反应面两侧的扩。因而，反应面两侧的扩散传质均不受化学反应影响。散传质均不受化学反应影响。（1瞬间快速反应瞬间快速反应LR反反应应面面相界相界面面cAipApAi

30、cBLz反应工程60*（2 2界面反应界面反应液相中液相中B B的浓度足够大时，反应面位置的浓度足够大时，反应面位置与相界面重合，此时，与相界面重合，此时，A A组分的消失速组分的消失速率取决于其在气膜中的扩散速率。该率取决于其在气膜中的扩散速率。该过程属于气膜控制过程。过程属于气膜控制过程。AGAApkr 反应工程61*（3 3拟一级快速反应拟一级快速反应AABAckckcr1)()( A A、B B两组分的反应在液膜中某个区域内完成，两组分的反应在液膜中某个区域内完成，且液膜中且液膜中B B的浓度基本不变，因而二级不可逆的浓度基本不变，因而二级不可逆反应可简化为拟一级反应。反应在液相中进反

31、应可简化为拟一级反应。反应在液相中进行：行：式中，式中，k1=kcBL，在一定温度下可做常数处理，假定反应区域充满整个液膜。，在一定温度下可做常数处理，假定反应区域充满整个液膜。反应工程62*（4 4二级快速反应二级快速反应A A与与B B的反应速度较快的反应速度较快 ，但不是瞬间完，但不是瞬间完成，反应的区域在液膜中，在液膜内完成，反应的区域在液膜中，在液膜内完成反应，即在液相主体中没有成反应，即在液相主体中没有A A，也没，也没有有A A与与B B的反应。的反应。A A和和B B的浓度均随膜厚变的浓度均随膜厚变化。化。但但cBcB随着液膜厚度而变化。随着液膜厚度而变化。反应工程63*（5

32、5拟一级中速反应拟一级中速反应 反应区域为液膜和液相主体，液膜中反应区域为液膜和液相主体，液膜中B B浓度基本不变。浓度基本不变。基础方程基础方程边界条件边界条件ABAALAckckcdzcdD122)1( , ,; 0 , , 0ackcdzdcaDcczdzdccczBAALABLBBAiABLBcc 反应工程64*（6 6二级中速反应二级中速反应A A与与B B在液膜中发生反应，但因反应速率不太在液膜中发生反应，但因反应速率不太快，因此会有部分快，因此会有部分A A在液膜中不能反应完毕，在液膜中不能反应完毕，进入液相主体并在液相主体中继续与进入液相主体并在液相主体中继续与B B组分组分反

33、应。反应。反应区域为液膜和液相主体，液膜中反应区域为液膜和液相主体，液膜中B B浓度浓度随膜厚变化。随膜厚变化。反应工程65*除在液膜中除在液膜中cBcB有变化之外，其余与拟一级中速反应相同，其基础方程为：有变化之外，其余与拟一级中速反应相同，其基础方程为：边界条件与拟一级中速反应相同，方程无解析解，只有近似解。边界条件与拟一级中速反应相同，方程无解析解，只有近似解。BA2A2LAckcdzcdD反应工程66*（7 7二级慢速反应二级慢速反应A A与与B B反应进行很慢，扩散通过相界面的气相组反应进行很慢，扩散通过相界面的气相组分分A A在液膜中与液相组分在液膜中与液相组分B B发生反应，但大

34、部分发生反应，但大部分A A反应不完而扩散进入液相主体，并在液相主体反应不完而扩散进入液相主体，并在液相主体与与B B发生反应，由于液膜在整个液相中所占体积发生反应，由于液膜在整个液相中所占体积分率很小，液膜中的反应量比液相主体中小得分率很小，液膜中的反应量比液相主体中小得多，可以忽略不计。多，可以忽略不计。反应工程67*（8 8极慢反应极慢反应A A与与B B的反应极慢，的反应极慢，A A、B B在液膜中的浓在液膜中的浓度与它们在液相主体中的浓度相同，度与它们在液相主体中的浓度相同，扩散速率扩散速率反应速率，传质阻力可忽反应速率，传质阻力可忽略不计，属于反应控制，气液相宏观略不计，属于反应控

35、制，气液相宏观反应速率等于液相主体中的本征反应反应速率等于液相主体中的本征反应速率。速率。反应工程68*两个重要参数：化学吸收增加系数增强因子两个重要参数：化学吸收增加系数增强因子和膜内转化系数和膜内转化系数( (八田准数八田准数)。=f(=f(，cAi,cAL), =f(k,DALL)cAi,cAL), =f(k,DALL)宏观反应速率最终取决于反应物宏观反应速率最终取决于反应物A A的反应特性的反应特性k k，传递特性，传递特性DALDAL和体系的流体力学特性和体系的流体力学特性LL。强化宏观反应速率需要提高强化宏观反应速率需要提高k k，DALDAL，减小，减小LL。当然还与气相传递特性

36、有关。当然还与气相传递特性有关。8 . 2 . 2 气液非均相系统中的几个重要参数气液非均相系统中的几个重要参数反应工程69*（1 1膜内转化系数膜内转化系数HattaHatta是一个无因次数，其物理意义，其值的大小反映了通过是一个无因次数，其物理意义，其值的大小反映了通过相界面的气相组分相界面的气相组分A A在液膜中反应掉的分率，由膜内转化系数值的大小推知传质速率的在液膜中反应掉的分率，由膜内转化系数值的大小推知传质速率的相对大小。相对大小。判据：判据：22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。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 2

37、0.02 2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。塔。0.0222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。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 20.02 2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。塔。0.020.02属于慢反应。属于慢反应。反应工程71*1) 1) （2 2化学吸收增强系数化学吸收增强系数( (增强因子增强因子)化学吸收增强因子反

38、映了化学反应对传质过程的加强程度。化学吸收增强因子反映了化学反应对传质过程的加强程度。 的定义的定义以界面为基准的吸收速率以界面为基准的吸收速率NANA和基准物理吸收速率和基准物理吸收速率NANA之比值称之为化学吸收增之比值称之为化学吸收增强因子强因子, ,记作记作/AANN/AANN反应工程72*8.2.3 反应速率的实验测定反应速率的实验测定测定气液相反应速率常用的实验装置是双混和反测定气液相反应速率常用的实验装置是双混和反应器，如图。此反应器由上下两部分组成，中间应器，如图。此反应器由上下两部分组成，中间中大小可调的隔板隔开，上部为反应气体，下部中大小可调的隔板隔开，上部为反应气体，下部

39、为反应液体，气液两相的接触面在隔板的中央。为反应液体，气液两相的接触面在隔板的中央。上部气相与下部液相中各装有搅拌装置，使两相均处于全混流状态，改变搅拌速度可改上部气相与下部液相中各装有搅拌装置，使两相均处于全混流状态，改变搅拌速度可改变气膜与液膜的厚度，并因此改变传质阻力。变气膜与液膜的厚度，并因此改变传质阻力。反应工程73*双混合实验反应器可以判断气液相反应的类型。双混合实验反应器可以判断气液相反应的类型。若气相搅拌速率若气相搅拌速率，（，（-rA），则说明气膜扩散阻力大，反应速率是快速的；，则说明气膜扩散阻力大，反应速率是快速的；而气相搅拌转速而气相搅拌转速，（，（-rA基本不变，则说明

40、气膜扩散阻力较轻，可忽略不计，反应为控制基本不变，则说明气膜扩散阻力较轻，可忽略不计，反应为控制步骤。步骤。反应工程74*若单位时间内消失的若单位时间内消失的A量与气液相界面积成正比，则为瞬间反应或快速反应；量与气液相界面积成正比，则为瞬间反应或快速反应；若若A的消失速率与相界面积无关而与液相体积成正比，则说明是在液相主体中进行的慢反的消失速率与相界面积无关而与液相体积成正比，则说明是在液相主体中进行的慢反应；应；如果气相组分如果气相组分A的消失速率与气液相界面积及液相体积两者均有关，则可判断为中速反应。的消失速率与气液相界面积及液相体积两者均有关，则可判断为中速反应。反应工程75*判别气液相

41、反应的类型，对于正确选择反应器形式十分重要，因为不同的气液反应器具判别气液相反应的类型，对于正确选择反应器形式十分重要，因为不同的气液反应器具有不同的比相界面和贮液量，因而具有不同的传递性能和反应性能。有不同的比相界面和贮液量，因而具有不同的传递性能和反应性能。快速反应：反应场所仅在液膜，宜选用比相界面大的反应器类型，如填料塔、喷雾器、快速反应：反应场所仅在液膜，宜选用比相界面大的反应器类型，如填料塔、喷雾器、湿壁塔等。湿壁塔等。慢速反应：液相主体是进行反应的主要场所，选择反应器则首先是持液量大的反应器，慢速反应：液相主体是进行反应的主要场所，选择反应器则首先是持液量大的反应器，如鼓泡塔等。如

42、鼓泡塔等。中速反应：要同时兼顾气液相界面积和持液量，可选用板式塔、鼓泡搅拌釜等。中速反应：要同时兼顾气液相界面积和持液量，可选用板式塔、鼓泡搅拌釜等。8.2.4 8.2.4 气液相反应器选型气液相反应器选型气液反应器的主要类型示意图气液反应器的主要类型示意图填料塔填料塔喷淋塔喷淋塔板式塔板式塔鼓鼓泡泡塔塔搅拌反应釜搅拌反应釜管式反应器管式反应器表表 8 一一 2 气液相接触设备的性能比较气液相接触设备的性能比较反应工程78*气气- -液相反应器选型一般要考虑如下因素：液相反应器选型一般要考虑如下因素：气液接触形式即气体和液体在器内的流动模式。塔式设备中气体、液体均可近似看成活气液接触形式即气体

43、和液体在器内的流动模式。塔式设备中气体、液体均可近似看成活塞流，采用逆流接触方式具有最大的推动力；鼓泡塔中气体呈活塞流，液体近似为全混流；塞流，采用逆流接触方式具有最大的推动力；鼓泡塔中气体呈活塞流，液体近似为全混流；搅拌釜中气、液两相均可看成全混流。搅拌釜中气、液两相均可看成全混流。相间传质系数相间传质系数kGAkGA、kLA kLA 液体呈滴状处于连续的气相中液体呈滴状处于连续的气相中kGAkGA较高，较高， kLA kLA较低；气体呈较低；气体呈上升的气泡通过连续的液相时上升的气泡通过连续的液相时kLAkLA较高，较高， kGA kGA较低。较低。反应工程79*气、液流动速率气、液流动速

44、率 除填料塔以外的其他气液反应器液速除填料塔以外的其他气液反应器液速/气速比可在较大范围内调节而不影气速比可在较大范围内调节而不影响操作；填料塔的液速响操作；填料塔的液速/气速比在常压下一般控制在气速比在常压下一般控制在10左右。左右。气液反应控制步骤气液反应控制步骤 传质控制的快反应应选择具有高相界面的设备，但要注意结合考虑传传质控制的快反应应选择具有高相界面的设备，但要注意结合考虑传质系数的影响；反应控制的慢反应选用具有高液含率的釜式设备或鼓泡塔。质系数的影响；反应控制的慢反应选用具有高液含率的釜式设备或鼓泡塔。反应工程80*解：解：0.020.010.1102102.52053LALAB

45、LkDkc故该反应为慢反应，反应区域为液相主体。故该反应为慢反应，反应区域为液相主体。可选择持液量大的搅拌釜或鼓泡塔反应器。可选择持液量大的搅拌釜或鼓泡塔反应器。例：二级气液反应例：二级气液反应A+BRA+BR，-rA=20cAcB mol/cm3s-rA=20cAcB mol/cm3s，已知，已知DAL=2.0DAL=2.010-5cm2/s10-5cm2/s，cBL=2.5cBL=2.510-3mol/cm310-3mol/cm3，kLA=0.1 cm/skLA=0.1 cm/s。试判断该反应的类型和反应区域，并选择合适的反。试判断该反应的类型和反应区域，并选择合适的反应器。应器。反应工程

46、81*一、工业生产对气液反应器的要求一、工业生产对气液反应器的要求工业生产对气液反应器的要求有如下几点。工业生产对气液反应器的要求有如下几点。具备较高的生产强度具备较高的生产强度根据反应系统的特性选择反应器，使反应器具备较高的生产强度。根据反应系统的特性选择反应器，使反应器具备较高的生产强度。1 1气膜控制系统，应选择气相容积传质系数大的反应器，例如喷射塔和文丘里反应器等气膜控制系统，应选择气相容积传质系数大的反应器，例如喷射塔和文丘里反应器等。2 2快速反应系统，反应在界面附近的液膜中进行，应选择表面积较大的反应器，例如填快速反应系统，反应在界面附近的液膜中进行，应选择表面积较大的反应器，例

47、如填料塔和板式反应器。料塔和板式反应器。气液反应器概述气液反应器概述3 3缓慢反应系统，反应在液流主体中进行，应选择液相容积大的设备，例如鼓泡反应器缓慢反应系统，反应在液流主体中进行，应选择液相容积大的设备，例如鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器。和搅拌鼓泡反应器。反应工程82*2. 2. 有利于提高反应的选择性有利于提高反应的选择性对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应，而要抑制副反应。例如对于平行反应，对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应，而要抑制副反应。例如对于平行反应，主反应快而副反应慢，则要选择储液量较少的反应器来抑制副反应的发生。主反应快而副反应慢，则要选择储液量较少的反应器来抑制副

48、反应的发生。3. 3. 有利于降低能耗有利于降低能耗为了使气液两相分散接触，需要消耗一定的动力，就比表面积而言，喷射吸收器所为了使气液两相分散接触，需要消耗一定的动力，就比表面积而言，喷射吸收器所需的能耗最小，其次是搅拌反应器和填料塔，文氏管和鼓泡反应器所需的能耗最大。需的能耗最小，其次是搅拌反应器和填料塔，文氏管和鼓泡反应器所需的能耗最大。反应工程83*4. 4. 有利于控制反应温度有利于控制反应温度气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热控制好操作温度是十分重要的。例如板式塔气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热控制好操作温度是十分重要的。例如板式塔可以安置冷却盘管，但在填料塔中，排除反

49、应热就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把可以安置冷却盘管，但在填料塔中，排除反应热就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把湿热带走，但动力消耗大量提高。湿热带走，但动力消耗大量提高。5.5.能在较小液体流率下操作能在较小液体流率下操作液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小，但液体流率的大小应符合反应器的基本要求。液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小，但液体流率的大小应符合反应器的基本要求。反应工程84*1. 1. 填充床反应器填充床反应器 填充床反应器具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛应用于带有化学反填充床反应器具有操作适应性好、结构简单、能耐腐蚀等优点，广泛应用于带有化学反应的气

50、体净化过程，适用于快速和瞬间反应过程。应的气体净化过程，适用于快速和瞬间反应过程。2. 2. 板式反应器板式反应器板式反应器可以将轴向返混降低至最小程度，在单塔中获得极高的液相转化率，并可安板式反应器可以将轴向返混降低至最小程度，在单塔中获得极高的液相转化率，并可安装冷却或加热元件，维持所需的温度，适用于快速和中速反应过程。装冷却或加热元件，维持所需的温度，适用于快速和中速反应过程。二、气液反应器的形式和特点二、气液反应器的形式和特点反应工程85*3. 3. 降膜反应器降膜反应器降膜反应器具有压降小和没有返混的优点，适用于快速和瞬间反应过程。降膜管的安降膜反应器具有压降小和没有返混的优点，适用

51、于快速和瞬间反应过程。降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。装垂直度要求较高，液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。4. 4. 喷雾反应器喷雾反应器 喷雾反应器由空塔构成，适用于有污泥、沉淀和固相产物的反应过程，适用于受气膜喷雾反应器由空塔构成，适用于有污泥、沉淀和固相产物的反应过程，适用于受气膜控制的瞬间反应。控制的瞬间反应。5. 5. 鼓泡反应器鼓泡反应器鼓泡反应器具有较高的储液量，适用于慢反应。轴向返混严重，常采用半间歇操作和鼓泡反应器具有较高的储液量，适用于慢反应。轴向返混严重，常采用半间歇操作和多级串联操作。多级串联操作。反应工程86*降膜反应器降膜反应器反应工程

52、87*6. 6. 搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器适用于高粘度的非牛顿型液体，例如广泛应用于发酵工业和高分子材搅拌鼓泡反应器适用于高粘度的非牛顿型液体，例如广泛应用于发酵工业和高分子材料工业，一般为慢速反应过程。料工业，一般为慢速反应过程。7. 7. 高速湍动反应器高速湍动反应器喷射反应器、文氏反应器、湍动浮球反应器等属于高速湍动反应器，适用于气膜控制喷射反应器、文氏反应器、湍动浮球反应器等属于高速湍动反应器，适用于气膜控制的瞬间反应过程。的瞬间反应过程。反应工程88*搅拌鼓泡反应器搅拌鼓泡反应器反应工程89* P )lbB( (g)A填料塔具有较高的相界面，气、液逆流接触传质推动力

53、填料塔具有较高的相界面，气、液逆流接触传质推动力大，主要用于传质速率为控制步骤的气液反应。计算目大，主要用于传质速率为控制步骤的气液反应。计算目的是确定填料用量和设备结构尺寸等。的是确定填料用量和设备结构尺寸等。8.3.1 8.3.1 填料层高度计算填料层高度计算设设8.3 化学吸收填料塔的计算化学吸收填料塔的计算化学吸收填料塔化学吸收填料塔物料衡算物料衡算反应工程90*设有气液相不可逆二级反应设有气液相不可逆二级反应 P )lbB( (g)A反应为瞬间或快速反应，故在液相主体中反应为瞬间或快速反应，故在液相主体中A A组分的浓度组分的浓度cAL=0cAL=0。假定气、液两相流动均为平。假定气

54、、液两相流动均为平推流，其浓度随填料塔层高度呈现连续变化。推流，其浓度随填料塔层高度呈现连续变化。G G：单位塔截面上气相惰性组分的摩尔流量；：单位塔截面上气相惰性组分的摩尔流量；YA:YA:气相中组分气相中组分A A与惰性组分的摩尔流量之比；与惰性组分的摩尔流量之比；XA:XA:液相中组分液相中组分B B与惰性组分的摩尔流量之比；与惰性组分的摩尔流量之比；a:a:为比相界面为比相界面. .反应工程91*定常态操作时取一微元段作物料衡算：定常态操作时取一微元段作物料衡算：气相组分气相组分A AdharYdYYGAAAA)(化简得：化简得：dharGdYAA)(积分积分21)(0AAYYAAHa

55、rdYGdhH（1 1）反应工程92*同理，对液相组分同理，对液相组分B B作物料衡算，可得：作物料衡算，可得：dha)r(bdh)r(dXXXLAABBB 化简得化简得dharbLdXAB)(积分积分12)(0BBXXABHardXbLdhH（2 2）若动力学方程已知，就可由上面的积分计算填料层高度。因为动力学方程常用气体分压若动力学方程已知，就可由上面的积分计算填料层高度。因为动力学方程常用气体分压和液相浓度表示，根据物质的量比浓度的定义可对积分式进行变换。和液相浓度表示，根据物质的量比浓度的定义可对积分式进行变换。反应工程93*根据定义：根据定义：微分微分代入式代入式1 1和式和式2 2

56、得得BTBBAAIAAcccXpppppY , 2BTBTB2AAA)cc(dccdX )pp(pdpdY反应工程94*如果是稀气体、稀溶液，那么如果是稀气体、稀溶液，那么TBTAcccppp ,1212)()()(2BBBBccABTBTXXABarccdccbLardXbLH2121)()()(2AAAAppAAAYYAAarpppdpGardYGH（3 3）（4 4）反应工程95*上式是用得较多的计算式，因化学吸收的很多过程都是稀气体、稀溶液。若已知本征上式是用得较多的计算式，因化学吸收的很多过程都是稀气体、稀溶液。若已知本征动力学速率方程，则就可用积分法求得所需的填料层高度。动力学速率

57、方程，则就可用积分法求得所需的填料层高度。高度计算公式可简化为高度计算公式可简化为1221)()(BBAAccABTppAAardcbcLardppGH反应工程96* 例例 在一逆流操作的填料塔中用化学吸收法把进料气中的有害组合含量从在一逆流操作的填料塔中用化学吸收法把进料气中的有害组合含量从0.1%0.1%降低到降低到0.02%0.02%，试比较以下几种情况，求出所需填料层的高度。，试比较以下几种情况，求出所需填料层的高度。知：知：kGA a=32kmol/(hm3atm),kGA a=32kmol/(hm3atm), kLA a=0.1h-1, kLA a=0.1h-1,HA=0.125a

58、tmm3/kmol,HA=0.125atmm3/kmol,气液流量分别为气液流量分别为L=700kmol/(m2h),G=100kmol/(m2h),L=700kmol/(m2h),G=100kmol/(m2h),气相总压气相总压p=1atm,p=1atm,液相的总浓度液相的总浓度cT=56kmol/m3.cT=56kmol/m3.反应工程97*（1用纯水吸收；用纯水吸收；（2用用cB1=0.8kmol/m3的反应组分的水溶液吸收，反应极快，的反应组分的水溶液吸收，反应极快，kLA=kLB=kL,液相总浓液相总浓度度cT=56mol/m3,b=1（3） cB1=0.03kmol/m3，其余同，

59、其余同2）（4cB1=0.128kmol/m3，其余同，其余同2）.反应工程98*解：这是低浓度吸收过程，故解：这是低浓度吸收过程，故ppyYAAA/（1 1物理吸收物理吸收可按化工原理介绍的方法计算。填料层中可按化工原理介绍的方法计算。填料层中取一截面，对溶质取一截面，对溶质A A作物料衡算如图）：作物料衡算如图）：TAAAccxX/气相气相A A减少减少= =液相液相A A增加增加)()(22AAAAxxLyyG反应工程99*整理得整理得ATAdccLdppG31kmol/m 0016. 08)0002. 0(170056100)(AAAATAppppLpGcc)mol/(m 5 .780

60、00128. 01 . 01025. 1102 . 3111344hatmaKakHakaKGALAAGAGA常数atm 102102 )6 . 18000(1025. 1)(444*AAAAAAAAAppppcHppp物理吸收速率物理吸收速率)hmol/(m 0.15611025 .780)(24*AAGAAppaKaN吸收推动力吸收推动力即即反应工程100*m 5 .512)10210(1561. 01101)(43521AAppAAardppGH由计算结果知，该过程不宜采用物理吸收。由计算结果知，该过程不宜采用物理吸收。填料塔高度填料塔高度（2 2快速反应化学吸收快速反应化学吸收 cB1