反应工程第六章课件

概述在化学工业中，气－液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程。气体的净化、废气及污水的处理常用气－液反应。工业应用气－液反应实例见表6－1。气－液反应是气相中的反应组分A越过相界面进入液相，和液相中的组分B进行的反应，反应过程如下。产物A（气相）第六章气－液反应及反应器A（液相）＋B（液相）概述产物A（气相）第六章气－液反应及反应器A（液相）＋B（液11.反应特点1)反应物2)反应区在液相内，包括相界面;3)多相反应，反应过程由传递过程和化学反应组成;4)反应平衡,包括相平衡和化学反应平衡：产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）气体A液相中组分B，B不挥发1.反应特点产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）气体A22.反应目的1）净化原料气例如：H2S+NH3·H2ONH4HS+H2O2）制取产品CO2+K2CO3+H2O2KHCO32.反应目的NH4HS+H2O2）制取产品CO2+K2CO33.主要内容1)气－液反应平衡2)气－液相间物质传递3)气－液反应动力学特征4)气－液反应器概述

46－1气－液相平衡气－液反应的相平衡关系如下，包括气－液相平衡和化学反应平衡，先讨论相平衡。设气相中组分i溶解于液相中，当气－液相平衡时，组分i在气相和液相中的逸度相等，即第一节气－液反应平衡

式中：－分逸度；－i的摩尔分率；－i的逸度系数（6－1）6－1气－液相平衡第一节气－液反应平衡式5对于稀溶液，可用亨利定律表示：

式中：－亨利系数－i在液相中的摩尔分率

（6－2）对于稀溶液，可用亨利定律表示：式中：－亨利系数－i在液相6

（6－3）1.气－液平衡的一般关系为：（6－3）1.气－液平衡的一般关系为：72)气相为理想气体混合物低压下：1)气相为理想溶液，气－液相平衡关系为：

（6－4）

2)气相为理想气体混合物1)气相为理想溶液，气－液相平8

（6－5）－容积摩尔浓度；－溶解度系数式中：3）低压下：（6－6）（6－5）－容92.Ηi和Ei的关系由式（6－4）和（6－6），得到

（6－7）对于稀溶液，M近似等于溶剂的分子量M0，可得Hi和Ei的近似关系：式中，ρ－溶液密度，M－溶液平均分子量2.Ηi和Ei的关系103.Ηi、Ei和温度的关系

（6－8）1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：（6－9）－i在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。4.Ηi、Ei和压力的关系

3.Ηi、Ei和温度的关系116－2溶液中气体溶解度的估算亨利定律只适用于稀溶液和纯溶剂，但在工业生产过程中，液相中含有其他电解质和非电解质，亨利定律并不适用。

6－2溶液中气体溶解度的估算126－2溶液中气体溶解度的估算人们采用多种方式来表示气－液相平衡关系。目前采用范克雷文论和霍夫蔕泽尔的工作（1948），保留亨利定律的简单形式，但把溶液中电解质和非电解质对气－液平衡的影响归并到中。称为经过修正的亨利系数和溶解度系数。6－2溶液中气体溶解度的估算中。称为经过修正的亨利系数和13电解质溶液的（6－10） 电解质溶液的（6－10） 14

式（6－10）和式（6－11）中的系数可查表（6－2）至（6－5）而得。2.非电解质溶液的（6－11） 式（6－10）和式（6－11）中的系数可查表（6－2）至2156－4气－液相间物质传递一、双膜论双膜论是W.G..Whitman于1923年提出的。1.模型要点1）呈滞流的双膜假定在相界面的两侧存在着气膜和液膜。流体在双膜中呈滞流。2）气－液的相间阻力假定气－液相主体浓度不变。气－液间阻力简化集中在气膜和液膜内。6－4气－液相间物质传递2）气－液的相间阻力166－4气－液相间物质传递一、双膜论

3）界面平衡气－液两相在界面上达到平衡。4）传质速率气相一侧：传质速率＝稳定的分子扩散速率液相一侧：传质速率＝稳定的分子扩散速率把滞流膜作为静止膜，忽略流动过程对传质的贡献。6－4气－液相间物质传递3）界面平衡172.计算公式气－液相间传质速率界面上消去界面浓度。

（6－20）2.计算公式界面上消去界面浓度。182.计算公式

（6－21）（6－22）（6－23）3.优缺点1）数学处理简单2）膜厚不可能为定值式中2.计算公式（6－21）19二、常见传质模型的主要特征目前普遍认为气相一侧的传质过程可用双膜论描述，界面上达到平衡。不同的传质模型对液相一侧的传质过程进行修正，传质速率形式上跟双膜论相同NA=kL（CAi－CAL），但不同传质模型的kL定义不同，如表6－6所示。－新鲜液体在界面上的停留时间；

－界面更新率，二、常见传质模型的主要特征－新鲜液体在界面上的停留时间；－界20二、常见传质模型的主要特征

1）不同传质模型的吸收速率NA计算公式相同，其中kL的定义不同；2）渗透论较为精确，但数学计算复杂；双膜论数学计算简单，结果和渗透论相近，工程计算中一般用双膜论；3）表面更新论停留在理论阶段，因为目前S无法测定。二、常见传质模型的主要特征1）不同传质模型的吸收速率NA计21三、气－液反应模型在双膜论的基础上范克雷文论和霍夫蔕泽尔（Van.KreveLen,Hoftiper）提出了等温扩散－反应膜模型。产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）设反应三、气－液反应模型产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）设反22三、气－液反应模型等温扩散－反应膜模型。1.反应步骤1）气膜扩散稳定的分子扩散，A从气相主体到达相界面，PAG→PAi；2）界面上平衡3）扩散－反应过程A在液膜内扩散－反应，CAi→CAL；三、气－液反应模型1.反应步骤232）界面上平衡CAi=HAPAi3）液相一侧吸收速率NA=以界面为基准液相方向的扩散速率=2.计算公式1）气相一侧吸收速率（直线DD′的斜率）2）界面上平衡2.计算公式（直线DD′的斜率）24（CAi－CAL）=-DAL（直线DE的斜率）6－5化学反应在相间传递中的作用当溶解的气体和B发生反应时，在液膜内A的浓度分布为曲线。如果没有化学反应，A的浓度分布为直线DE，物理吸收速率为:NA′=kL（CAi－CAL）

（CAi－CAL）=-DAL（直线DE的斜率）6－5化学256－5化学反应在相间传递中的作用

︱DD′的斜率︱＞︱DE的斜率︱，则有NA＞NA′。

化学反应加强了气－液相间的传递过程。“加强”的基准是相同条件下的物理吸收速率NA′。化学反应在整个传递过程中的作用可以区分为多种情况。6－5化学反应在相间传递中的作用︱DD′的斜率︱26一、化学反应可忽略的过程气体A的吸收量＝液相中反应量＋物理溶解量当液相中反应量<<物理溶解量化学反应的作用可以忽略不计，化学吸收作为纯物理吸收处理。对于化学反应可以忽略的判别条件，不同的反应其形式有所不同。以一级不可逆反应为例讨论。

一、化学反应可忽略的过程化学反应的作用可以忽略不计，化学吸27一、化学反应可忽略的过程

对于一级不可逆反应，rA=k1CA，其判别条件为：Vk1CA<<QLCA式中：V－反应器中积液量；QL－液体流量令式中t为液体在反应器中的平均停留时间，则有k1t<<1对于一级不可逆反应，当k1t大大小于1时，化学反应的作用可忽略不计。一、化学反应可忽略的过程对于一级不可逆反应，rA=k1CA28二、液相主体中进行缓慢化学反应过程如果A和B的化学反应比较缓慢，在液膜内不能完成，绝大部分在液相主体内完成，判别条件为

液膜中反应量<<液膜扩散量

二、液相主体中进行缓慢化学反应过程29二、液相主体中进行缓慢化学反应过程对于一级不可逆反应，以最大值比较则有k1CAi<<kLCAiM为无因次吸收准数：二、液相主体中进行缓慢化学反应过程k1CAi<<kLCA30三、液膜中快速反应过程如果A和B的化学反应比较快，在液膜内就能完成，则判别条件为：

液膜中反应量>>液膜扩散量

三、液膜中快速反应过程31三、液膜中快速反应过程对于一级不可逆反应，判别条件为

M>>1对于一级不可逆反应，无因次准数M的大小，可以判定气液反应的类型。各种情况列于表6－7中。三、液膜中快速反应过程32的定义以界面为基准的吸收速率NA和基准物理吸收速率NA′之比值称之为化学吸收增强因子,记作四、化学吸收增强因子1.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。的定义四、化学吸收增强因子1.33四、化学吸收增强因子2.基准的选取和β的大小引进后，吸收速率：的大小和NA′的选取有关。以界面为基准的吸收速率四、化学吸收增强因子2.基准的选取和β的大小引进后，吸收速341)可逆反应(1)基准

NA′=kL（CAi－CAL），由于E点是随反应不同而上下浮动的，故称为浮动坐标。2.基准的选取和β的大小(2)1)可逆反应2.基准的选取和β的大小(2)352.基准的选取和β的大小2)不可逆反应(1)基准

NA′=kL·CAi固定坐标(2)瞬间反应、快速反应：β>1中速反应：β>1或β<1

缓慢反应：β<12.基准的选取和β的大小2)不可逆反应瞬间反应、快速反363)的作用对于物理吸收过程的研究以及相关参数的计算已经较为成熟，可以直接引用。对于化学吸收而言，只需求出即可引进

后，可以把NA表示成

和NA′的乘积。计算出NA。3)的作用对于物理吸收过程的研究以及相关参数的计算已经较37(1)对于可逆反应气相一侧界面液相一侧

CAi=HAPAi(1)对于可逆反应CAi=HAPAi38

气－液相间吸收速率KG、KL和物理吸收的KG、KL相比，其中增加了化学吸收增强因子。式中(2)不可逆反应气－液相间吸收速率KG、KL和物理吸收39第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过程以不可逆反应A+νB→Q为例介绍扩散－反应方程。扩散－反应方程在液膜内任取厚度为dX的微元体积。对A作物料衡算：〔扩散进入量〕－〔扩散离开量〕＝〔化学反应量〕第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过40第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过程

扩散－反应方程〔扩散进入量〕－〔扩散离开量〕＝〔化学反应量〕(6-29)第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过41第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过程

扩散－反应方程对于B，在液膜内的扩散－反应方程为：(6-30)第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过42

上式表示A向液流主体扩散的量等于液相主体所反应的量。V为单位传质表面的积液体积，上式表示A向液流主体扩散的量等于液相主体所反应的量。V为单43

2.液相一侧吸收速率液相一侧吸收速率NA等于A在界面上向液相方向的扩散速率：(6-31)2.液相一侧吸收速率(6-31)446－7一级不可逆反应一、液相一侧吸收速率

1.扩散－反应方程rA=k1CA，扩散－反应方程为：边界条件(6-32)(6-33)6－7一级不可逆反应边界条件(6-32)(6-33)456－7一级不可逆反应一、液相一侧吸收速率

1.扩散－反应方程

2.方程的无因次化边界条件(6-33)6－7一级不可逆反应2.方程的无因次化边界条件(463.方程的解（6－35）

3.方程的解（6－35）47

4.液相一侧吸收速率（6－36）（6－37）4.液相一侧吸收速率（6－36）（6－37）48二、气－液相间吸收速率二、气－液相间吸收速率49三、液相反应利用率气－液反应首先应用于净化气体，一般称之为化学吸收。70年代以后随着石油化工的迅速发展，气－液反应开始应用于制取产品。对于气液反应器，人们考虑液膜中的传质过程对化学反应的影响程度,和气－固相催化反应相似，提出了液相反应利用率η。三、液相反应利用率50

三、液相反应利用率1.η的定义

三、液相反应利用率1.η的定义512）的基准是按三、液相反应利用率1）的基准是相同条件下的物理吸收速率，的大小反映了化学反应对传质过程的加强程度；计算的理论反应速率，的大小反映了传质过程对化学反应的限制程度；

3）和是从不同的角度来研究气－液反应的。2）的基准是按三、液相反应利用率52四、一级不可逆反应的特例1.在液膜内完成的快速反应当M>>1时，反应在液膜内完成1）提高反应速率常数k1和界面浓度CAi能有效的提高吸收速率；NA与kL无关，加强液相湍动程度，不能提高吸收速率。四、一级不可逆反应的特例1）提高反应速率常数k1和界面浓度C53四、一级不可逆反应的特例1.在液膜内完成的快速反应

2）反应在液膜内完成，液相反应浓度四、一级不可逆反应的特例2）反应在液膜内完成，液相反应浓度542.

很大的中速反应对于中速反应，反应在液膜和液流主体中进行。当很大时，反应在液流主体中能反应完毕，很大意味着积液量大，具有充足的反应空间。

2.很大的中速反应很大时，反应在液流主体中能反应完552.

很大的中速反应

当且时，式（3－37）简化为对于中速反应，增大积液量，使较大，可使反应在液流主体中进行完毕，但较小。2.很大的中速反应当563.在液流主体中进行的缓慢反应当M<<1时，反应将在液流主体中进行，此时，式（6－37）简化为（6－41）（6－42）3.在液流主体中进行的缓慢反应，式（6－37）简化为571）液相反应速率>>液膜传质速率，反应在液流主体中进行完毕

加强湍动程度，提高

可以提高

1）液相反应速率>>液膜传质速率，反应在液流58提高

有利于提高

2）液相反应速率<<液膜传质速率，反应不完全，较大。

，而加强湍动程度则是无用的。提高有利于提高59反应工程第六章课件606－8不可逆瞬间反应设反应为不可逆瞬间反应，反应过程如图所示。A达到界面后向液膜中扩散，Β从液膜边界向界面方向扩散，A和B在处相遇，立即反应，瞬间完成。

一．反应特点1.液膜内A和B不共存；2.反应区为平面；3.化学吸收速率与本征动力学无关。

6－8不可逆瞬间反应设反应61二、吸收速率气膜传质速率

2.液膜传质速率

（6－43）（6－44）二、吸收速率气膜传质速率2.液膜传质速率62二、吸收速率

2.液膜传质速率

式中没有反应速率常数。该式由八田在1928年通过实验得到验证。（6－45）二、吸收速率2.液膜传质速率633.气－液相间吸收速率

（6－49）3.气－液相间吸收速率（6－49）64三、反应面位置和的关系

三、反应面位置和的关系65三、反应面位置和的关系

时，在界面上的气膜扩散速率达到最大值，即

称之为气膜扩散控制，其条件为：

当时，即为气膜扩散控制。

（6－47）三、反应面位置和的关系时，在界面上的气膜扩散速率达到最666－9二级不可逆反应为二级不可逆反应，1.特定条件快速反应，反应在液膜内完成，B不挥发:2.近似解

，近似解与数值解相比，误差10%设反应6－9二级不可逆反应为二级不可逆反应，1.特定条件B不67(6-52)(6-52)68

⑴M》1快速反应，CAL=0M《1缓慢反应⑴M》1快速反应，CAL=069其形式和瞬间不可逆反应相同通过计算

(2)，直接查图6－8得到其形式和瞬间不可逆反应相同(2)，直接查图6－8703.气－液相间吸收速率界面：液相一侧：气相一侧：3.气－液相间吸收速率界面：液相一侧：气相一侧：71三、讨论《1《1.三、讨论《1《1.72液膜中B的最大反应速率《液膜中B的最大扩散速率B在液膜中的浓度不变:反应为拟一级不可逆快速反应。时:落在45°斜线之上。从图中可以看出，当液膜中B的最大反应速率《液膜中B的最大扩散速率B在液膜732.当时A和B在液膜内不共存，为瞬间不可逆反应。落在右面的水平线上。液膜中B的最大反应速率》液膜中B的最大扩散速率，从图中可以看出，当2.当时A和B在液膜内不共存，为瞬间不可逆反应。落在右面743.当为二级不可逆快速反应，落在45°斜线和水平线之间。由上述讨论，一级不可逆快速反应、二级不可逆快速反应和瞬间不可逆快速反应在一定的条件下是可以相互转化的。3.当为二级不可逆快速反应，落在45°斜线和756－10可逆反应可逆反应的吸收过程比较复杂，下面讨论几种特殊情况。一、组分B、Q的浓度作常量处理即简化为一级不可逆反应。

6－10可逆反应即简化为一级不可逆反应。766－10可逆反应

扩散－反应方程上式和一级不可逆反应的微分方程（6－32）完全相同，以代替，可解得

(6-53)6－10可逆反应扩散－反应方程上式和一级不可逆反77二、一级可逆快速反应

二、一级可逆快速反应78二、一级可逆快速反应扩散－反应

式中

(6-55)二、一级可逆快速反应扩散－反应式中(6-55)79三、瞬间可逆反应为瞬间可逆反应，反应在液膜中任一点都达到了平衡状态，则按化学计量关系，液膜中的扩散－反应方程为（6－56）

（6－57）

设反应三、瞬间可逆反应为瞬间可逆反应，反应在液膜中任一点都达到了80三、瞬间可逆反应

三、瞬间可逆反应81解上述扩散－反应方程，液相一侧吸收速率为

或者：(6-61)(6-62)解上述扩散－反应方程，液相一侧吸收速率为或者：(6-61)(826－12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。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）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）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，例如填料塔和板式反应器。第四节气－液反应器概述6－12工业生产对气－液反应器的要求第四节气－液反应器836－12工业生产对气－液反应器的要求

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，例如鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器。第四节气－液反应器概述6－12工业生产对气－液反应器的要求第四节气－液反应器842.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，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。3.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，图6－12是常见的气－液反应器比表面积和功率消耗的关系图。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。2.有利于提高反应的选择性854.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。5.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。4.有利于控制反应温度861.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应的气体净化过程，适用于快速和瞬间反应过程。2.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。6－13气－液反应器的形式和特点1.填充床反应器6－13气－液反应器的形式和特点873.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。降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。6－13气－液反应器的形式和特点4.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，适用于受气膜控制的瞬间反应。5.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多级串联操作。3.降膜反应器6－13气－液反应器的形式和特点4.886.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料工业，一般为慢速反应过程。7.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，适用于气膜控制的瞬间反应过程。反应工程第六章课件89一、基本概念溶液中气体溶解度估算；传质模型的主要特征；吸收准数M；化学吸收增强因子β；液相反应利用率η；不同反应在气膜和液膜中的浓度分布；临界浓度二、核心内容1．气体在液膜中的扩散－反应方程；2．不同反应扩散－反应方程及β的求解；3．不同反应气液相间的吸收速率方程；提高吸收速率的基本措施；4．气液反应器型式和特点。本章小结二、核心内容本章小结90概述在化学工业中，气－液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程。气体的净化、废气及污水的处理常用气－液反应。工业应用气－液反应实例见表6－1。气－液反应是气相中的反应组分A越过相界面进入液相，和液相中的组分B进行的反应，反应过程如下。产物A（气相）第六章气－液反应及反应器A（液相）＋B（液相）概述产物A（气相）第六章气－液反应及反应器A（液相）＋B（液911.反应特点1)反应物2)反应区在液相内，包括相界面;3)多相反应，反应过程由传递过程和化学反应组成;4)反应平衡,包括相平衡和化学反应平衡：产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）气体A液相中组分B，B不挥发1.反应特点产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）气体A922.反应目的1）净化原料气例如：H2S+NH3·H2ONH4HS+H2O2）制取产品CO2+K2CO3+H2O2KHCO32.反应目的NH4HS+H2O2）制取产品CO2+K2CO933.主要内容1)气－液反应平衡2)气－液相间物质传递3)气－液反应动力学特征4)气－液反应器概述

946－1气－液相平衡气－液反应的相平衡关系如下，包括气－液相平衡和化学反应平衡，先讨论相平衡。设气相中组分i溶解于液相中，当气－液相平衡时，组分i在气相和液相中的逸度相等，即第一节气－液反应平衡

式中：－分逸度；－i的摩尔分率；－i的逸度系数（6－1）6－1气－液相平衡第一节气－液反应平衡式95对于稀溶液，可用亨利定律表示：

式中：－亨利系数－i在液相中的摩尔分率

（6－2）对于稀溶液，可用亨利定律表示：式中：－亨利系数－i在液相96

（6－3）1.气－液平衡的一般关系为：（6－3）1.气－液平衡的一般关系为：972)气相为理想气体混合物低压下：1)气相为理想溶液，气－液相平衡关系为：

（6－4）

2)气相为理想气体混合物1)气相为理想溶液，气－液相平98

（6－5）－容积摩尔浓度；－溶解度系数式中：3）低压下：（6－6）（6－5）－容992.Ηi和Ei的关系由式（6－4）和（6－6），得到

（6－7）对于稀溶液，M近似等于溶剂的分子量M0，可得Hi和Ei的近似关系：式中，ρ－溶液密度，M－溶液平均分子量2.Ηi和Ei的关系1003.Ηi、Ei和温度的关系

（6－8）1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：（6－9）－i在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。4.Ηi、Ei和压力的关系

3.Ηi、Ei和温度的关系1016－2溶液中气体溶解度的估算亨利定律只适用于稀溶液和纯溶剂，但在工业生产过程中，液相中含有其他电解质和非电解质，亨利定律并不适用。

6－2溶液中气体溶解度的估算1026－2溶液中气体溶解度的估算人们采用多种方式来表示气－液相平衡关系。目前采用范克雷文论和霍夫蔕泽尔的工作（1948），保留亨利定律的简单形式，但把溶液中电解质和非电解质对气－液平衡的影响归并到中。称为经过修正的亨利系数和溶解度系数。6－2溶液中气体溶解度的估算中。称为经过修正的亨利系数和103电解质溶液的（6－10） 电解质溶液的（6－10） 104

式（6－10）和式（6－11）中的系数可查表（6－2）至（6－5）而得。2.非电解质溶液的（6－11） 式（6－10）和式（6－11）中的系数可查表（6－2）至21056－4气－液相间物质传递一、双膜论双膜论是W.G..Whitman于1923年提出的。1.模型要点1）呈滞流的双膜假定在相界面的两侧存在着气膜和液膜。流体在双膜中呈滞流。2）气－液的相间阻力假定气－液相主体浓度不变。气－液间阻力简化集中在气膜和液膜内。6－4气－液相间物质传递2）气－液的相间阻力1066－4气－液相间物质传递一、双膜论

3）界面平衡气－液两相在界面上达到平衡。4）传质速率气相一侧：传质速率＝稳定的分子扩散速率液相一侧：传质速率＝稳定的分子扩散速率把滞流膜作为静止膜，忽略流动过程对传质的贡献。6－4气－液相间物质传递3）界面平衡1072.计算公式气－液相间传质速率界面上消去界面浓度。

（6－20）2.计算公式界面上消去界面浓度。1082.计算公式

（6－21）（6－22）（6－23）3.优缺点1）数学处理简单2）膜厚不可能为定值式中2.计算公式（6－21）109二、常见传质模型的主要特征目前普遍认为气相一侧的传质过程可用双膜论描述，界面上达到平衡。不同的传质模型对液相一侧的传质过程进行修正，传质速率形式上跟双膜论相同NA=kL（CAi－CAL），但不同传质模型的kL定义不同，如表6－6所示。－新鲜液体在界面上的停留时间；

－界面更新率，二、常见传质模型的主要特征－新鲜液体在界面上的停留时间；－界110二、常见传质模型的主要特征

1）不同传质模型的吸收速率NA计算公式相同，其中kL的定义不同；2）渗透论较为精确，但数学计算复杂；双膜论数学计算简单，结果和渗透论相近，工程计算中一般用双膜论；3）表面更新论停留在理论阶段，因为目前S无法测定。二、常见传质模型的主要特征1）不同传质模型的吸收速率NA计111三、气－液反应模型在双膜论的基础上范克雷文论和霍夫蔕泽尔（Van.KreveLen,Hoftiper）提出了等温扩散－反应膜模型。产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）设反应三、气－液反应模型产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）设反112三、气－液反应模型等温扩散－反应膜模型。1.反应步骤1）气膜扩散稳定的分子扩散，A从气相主体到达相界面，PAG→PAi；2）界面上平衡3）扩散－反应过程A在液膜内扩散－反应，CAi→CAL；三、气－液反应模型1.反应步骤1132）界面上平衡CAi=HAPAi3）液相一侧吸收速率NA=以界面为基准液相方向的扩散速率=2.计算公式1）气相一侧吸收速率（直线DD′的斜率）2）界面上平衡2.计算公式（直线DD′的斜率）114（CAi－CAL）=-DAL（直线DE的斜率）6－5化学反应在相间传递中的作用当溶解的气体和B发生反应时，在液膜内A的浓度分布为曲线。如果没有化学反应，A的浓度分布为直线DE，物理吸收速率为:NA′=kL（CAi－CAL）

（CAi－CAL）=-DAL（直线DE的斜率）6－5化学1156－5化学反应在相间传递中的作用

︱DD′的斜率︱＞︱DE的斜率︱，则有NA＞NA′。

化学反应加强了气－液相间的传递过程。“加强”的基准是相同条件下的物理吸收速率NA′。化学反应在整个传递过程中的作用可以区分为多种情况。6－5化学反应在相间传递中的作用︱DD′的斜率︱116一、化学反应可忽略的过程气体A的吸收量＝液相中反应量＋物理溶解量当液相中反应量<<物理溶解量化学反应的作用可以忽略不计，化学吸收作为纯物理吸收处理。对于化学反应可以忽略的判别条件，不同的反应其形式有所不同。以一级不可逆反应为例讨论。

一、化学反应可忽略的过程化学反应的作用可以忽略不计，化学吸117一、化学反应可忽略的过程

对于一级不可逆反应，rA=k1CA，其判别条件为：Vk1CA<<QLCA式中：V－反应器中积液量；QL－液体流量令式中t为液体在反应器中的平均停留时间，则有k1t<<1对于一级不可逆反应，当k1t大大小于1时，化学反应的作用可忽略不计。一、化学反应可忽略的过程对于一级不可逆反应，rA=k1CA118二、液相主体中进行缓慢化学反应过程如果A和B的化学反应比较缓慢，在液膜内不能完成，绝大部分在液相主体内完成，判别条件为

液膜中反应量<<液膜扩散量

二、液相主体中进行缓慢化学反应过程119二、液相主体中进行缓慢化学反应过程对于一级不可逆反应，以最大值比较则有k1CAi<<kLCAiM为无因次吸收准数：二、液相主体中进行缓慢化学反应过程k1CAi<<kLCA120三、液膜中快速反应过程如果A和B的化学反应比较快，在液膜内就能完成，则判别条件为：

液膜中反应量>>液膜扩散量

三、液膜中快速反应过程121三、液膜中快速反应过程对于一级不可逆反应，判别条件为

M>>1对于一级不可逆反应，无因次准数M的大小，可以判定气液反应的类型。各种情况列于表6－7中。三、液膜中快速反应过程122的定义以界面为基准的吸收速率NA和基准物理吸收速率NA′之比值称之为化学吸收增强因子,记作四、化学吸收增强因子1.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。的定义四、化学吸收增强因子1.123四、化学吸收增强因子2.基准的选取和β的大小引进后，吸收速率：的大小和NA′的选取有关。以界面为基准的吸收速率四、化学吸收增强因子2.基准的选取和β的大小引进后，吸收速1241)可逆反应(1)基准

NA′=kL（CAi－CAL），由于E点是随反应不同而上下浮动的，故称为浮动坐标。2.基准的选取和β的大小(2)1)可逆反应2.基准的选取和β的大小(2)1252.基准的选取和β的大小2)不可逆反应(1)基准

NA′=kL·CAi固定坐标(2)瞬间反应、快速反应：β>1中速反应：β>1或β<1

缓慢反应：β<12.基准的选取和β的大小2)不可逆反应瞬间反应、快速反1263)的作用对于物理吸收过程的研究以及相关参数的计算已经较为成熟，可以直接引用。对于化学吸收而言，只需求出即可引进

后，可以把NA表示成

和NA′的乘积。计算出NA。3)的作用对于物理吸收过程的研究以及相关参数的计算已经较127(1)对于可逆反应气相一侧界面液相一侧

CAi=HAPAi(1)对于可逆反应CAi=HAPAi128

气－液相间吸收速率KG、KL和物理吸收的KG、KL相比，其中增加了化学吸收增强因子。式中(2)不可逆反应气－液相间吸收速率KG、KL和物理吸收129第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过程以不可逆反应A+νB→Q为例介绍扩散－反应方程。扩散－反应方程在液膜内任取厚度为dX的微元体积。对A作物料衡算：〔扩散进入量〕－〔扩散离开量〕＝〔化学反应量〕第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过130第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过程

扩散－反应方程〔扩散进入量〕－〔扩散离开量〕＝〔化学反应量〕(6-29)第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过131第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过程

扩散－反应方程对于B，在液膜内的扩散－反应方程为：(6-30)第三节气－液反应动力学特征6－6伴有化学反应的液相扩散过132

上式表示A向液流主体扩散的量等于液相主体所反应的量。V为单位传质表面的积液体积，上式表示A向液流主体扩散的量等于液相主体所反应的量。V为单133

2.液相一侧吸收速率液相一侧吸收速率NA等于A在界面上向液相方向的扩散速率：(6-31)2.液相一侧吸收速率(6-31)1346－7一级不可逆反应一、液相一侧吸收速率

1.扩散－反应方程rA=k1CA，扩散－反应方程为：边界条件(6-32)(6-33)6－7一级不可逆反应边界条件(6-32)(6-33)1356－7一级不可逆反应一、液相一侧吸收速率

1.扩散－反应方程

2.方程的无因次化边界条件(6-33)6－7一级不可逆反应2.方程的无因次化边界条件(1363.方程的解（6－35）

3.方程的解（6－35）137

4.液相一侧吸收速率（6－36）（6－37）4.液相一侧吸收速率（6－36）（6－37）138二、气－液相间吸收速率二、气－液相间吸收速率139三、液相反应利用率气－液反应首先应用于净化气体，一般称之为化学吸收。70年代以后随着石油化工的迅速发展，气－液反应开始应用于制取产品。对于气液反应器，人们考虑液膜中的传质过程对化学反应的影响程度,和气－固相催化反应相似，提出了液相反应利用率η。三、液相反应利用率140

三、液相反应利用率1.η的定义

三、液相反应利用率1.η的定义1412）的基准是按三、液相反应利用率1）的基准是相同条件下的物理吸收速率，的大小反映了化学反应对传质过程的加强程度；计算的理论反应速率，的大小反映了传质过程对化学反应的限制程度；

3）和是从不同的角度来研究气－液反应的。2）的基准是按三、液相反应利用率142四、一级不可逆反应的特例1.在液膜内完成的快速反应当M>>1时，反应在液膜内完成1）提高反应速率常数k1和界面浓度CAi能有效的提高吸收速率；NA与kL无关，加强液相湍动程度，不能提高吸收速率。四、一级不可逆反应的特例1）提高反应速率常数k1和界面浓度C143四、一级不可逆反应的特例1.在液膜内完成的快速反应

2）反应在液膜内完成，液相反应浓度四、一级不可逆反应的特例2）反应在液膜内完成，液相反应浓度1442.

很大的中速反应对于中速反应，反应在液膜和液流主体中进行。当很大时，反应在液流主体中能反应完毕，很大意味着积液量大，具有充足的反应空间。

2.很大的中速反应很大时，反应在液流主体中能反应完1452.

很大的中速反应

当且时，式（3－37）简化为对于中速反应，增大积液量，使较大，可使反应在液流主体中进行完毕，但较小。2.很大的中速反应当1463.在液流主体中进行的缓慢反应当M<<1时，反应将在液流主体中进行，此时，式（6－37）简化为（6－41）（6－42）3.在液流主体中进行的缓慢反应，式（6－37）简化为1471）液相反应速率>>液膜传质速率，反应在液流主体中进行完毕

加强湍动程度，提高

可以提高

1）液相反应速率>>液膜传质速率，反应在液流148提高

有利于提高

2）液相反应速率<<液膜传质速率，反应不完全，较大。

，而加强湍动程度则是无用的。提高有利于提高149反应工程第六章课件1506－8不可逆瞬间反应设反应为不可逆瞬间反应，反应过程如图所示。A达到界面后向液膜中扩散，Β从液膜边界向界面方向扩散，A和B在处相遇，立即反应，瞬间完成。

一．反应特点1.液膜内A和B不共存；2.反应区为平面；3.化学吸收速率与本征动力学无关。

6－8不可逆瞬间反应设反应151二、吸收速率气膜传质速率

2.液膜传质速率

（6－43）（6－44）二、吸收速率气膜传质速率2.液膜传质速率152二、吸收速率

2.液膜传质速率

式中没有反应速率常数。该式由八田在1928年通过实验得到验证。（6－45）二、吸收速率2.液膜传质速率1533.气－液相间吸收速率

（6－49）3.气－液相间吸收速率（6－49）154三、反应面位置和的关系

三、反应面位置和的关系155三、反应面位置和的关系

时，在界面上的气膜扩散速率达到最大值，即

称之为气膜扩散控制，其条件为：

当时，即为气膜扩散控制。

（6－47）三、反应面位置和的关系时，在界面上的气膜扩散速率达到最1566－9二级不可逆反应为二级不可逆反应，1.特定条件快速反应，反应在液膜内完成，B不挥发:2.近似解

，近似解与数值解相比，误差10%设反应6－9二级不可逆反应为二级不可逆反应，1.特定条件B不157(6-52)(6-52)158

⑴M》1快速反应，CAL=0M《1缓慢反应⑴M》1快速反应，CAL=0159其形式和瞬间不可逆反应相同通过计算

(2)，直接查图6－8得到其形式和瞬间不可逆反应相同(2)，直接查图6－81603.气－液相间吸收速率界面：液相一侧：气相一侧：3.气－液相间吸收速率界面：液相一侧：气相一侧：161三、讨论《1《1.三、讨论《1《1.162液膜中B的最大反应速率《液膜中B的最大扩散速率B在液膜中的浓度不变:反应为拟一级不可逆快速反应。时:落在45°斜线之上。从图中可以看出，当液膜中B的最大反应速率《液膜中B的最大扩散速率B在液膜1632.当时A和B在液膜内不共存，为瞬间不可逆反应。落在右面的水平线上。液膜中B的最大反应速率》液膜中B的最大扩散速率，从图中可以看出，当2.当时A和B在液膜内不共存，为瞬间不可逆反应。落在右面1643.当为二级不可逆快速反应，落在45°斜线和水平线之间。由上述讨论，一级不可逆快速反应、二级不可逆快速反应和瞬间不可逆快速反应在一定的条件下是可以相互转化的。3.当为二级不可逆快速反应，落在