气液相反应器的种类及选择

《化学反应过程与设备》项目任务0401:气液相反应器的种类及选择项目四气液相催化反应器

0401-1气液相反应神说，诸水之间要有空气，将水分为上下，神就造就了空气，将空气以下的水，空气以上的水分开了。神称空气为天，有晚上、有早上、有第二日，所以便有了气体和液体的存在，气液相反应便是这两个存在一起的过程。0401-1气液相反应1.气液相反应的方式气相反应物溶于液相之后，再与液相中另外的反应物进行反应催化剂C溶剂D反应物B气体反应物A0401-1气液相反应1.气液相反应的方式反应物均存在于气相中，它们溶解于含有催化剂的溶液以后再进行反应催化剂C溶剂D反应物B气体反应物A产物B0401-1气液相反应2.典型气液相反应20世纪影响较大的气液相反应----烯烃聚合反应20世纪50年代以前，聚乙烯作为重要的军事物资，主要用于高频雷达电缆，各个参战国当时都投入大量人力物力进行研究，生产工艺主要是高压法进行生产，操作困难，对设备的要求很高。1953年末，德国马克斯-普朗克研究所化学家，卡尔-齐格勒利用三乙基铝和四氯化钛做催化剂，碳氢化合物作为溶剂，将乙烯在常压下通入，结果在一小时后得到了白色粉末状的聚乙烯。0401-1气液相反应高压低密度聚乙烯(LDPE)低压高密度聚乙烯(HDPE)强度、硬度、耐熔性制成的容器可以煮沸消毒，可以用来制造奶瓶、水盆、药瓶以及耐火胶布等>0401-1气液相反应同样就有人想，聚丙烯是不是也可以通过同样的方法制得呢？结果同样的方法做出来的聚丙烯只是浆糊状的粘稠液体，工业上毫无用途。意大利米兰工业学院化学教授九里奥-纳塔，于1954年发现将齐格勒催化剂中的四氯化钛用三氯化钛代替的话，可以得到结晶性好、高熔点的固体聚丙烯。0401-1气液相反应目前全世界以聚乙烯和聚丙烯为主的聚烯烃塑料，年产能力已达1千万吨以上，约战全世界塑料总年产能力的三分之一，他们对世界工业和人类生活的贡献是非常巨大的，有人把他们的功绩比作是欧洲阿尔卑斯山上的雪水，滋润了德国和意大利的沃土，开出了艳丽的花朵，结出了硕大的果实。齐格勒-纳塔催化剂好似德国和意大利两座山脉的交汇点。0401-1气液相反应齐格勒-纳塔催化剂1963年，他们二人同获诺贝尔化学奖，遗憾的是两人都没有出席，齐格勒认为纳塔窃取了他的研究成果而拒绝出席，而纳塔瘫痪在床，无法前往。科学家是有国界和个性的，科学却没有，所以今天我们总是把他们两个一起提，他们的催化剂被后人统称为齐格勒-纳塔催化剂。0401-2气液相反应过程气液相反应过程就是气体在液体中发生了化学反应。气体跑到液体里，和液体里的组分发生作用两个气体一起跑到液体里，液体营造的氛围里，也就是催化剂的催化下发生反应气体共同点：两者先接触在互动。传质和反应两者相互影响，矛盾统一并表现为宏观速率。这两者统一的水平决定了整个反应的宏观速率，反应转化率和选择性。气体1气体20401-2气液相反应过程双膜理论(two-filmtheory)：是经典的传质机理理论，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。表面更新理论：是传质三大经典理论中的一种，直到1951年，丹寇沃茨才对渗透论进行了修正，认为：在界面上的每一微元具有不同的暴露时间(年龄)，表面寿命为t，但它们被另一微元置换的机会均等；无论气相或液相都可能发生上述过程，所以两项表面是不断更新的，更新频率为S；每个进入界面的微元均按瞬变传质的规律向膜内渗透。渗透理论：渗透理论是溶质渗透模型的简称，传质理论模型之一，由希格比(Higbie)于1935年提出。这一模型考虑了为双膜理论所忽略的、形成浓度梯度的过度时间。应用最广1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程双膜理论(two-filmtheory)：是经典的传质机理理论，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。应用最广

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程双膜理论(two-filmtheory)：是经典的传质机理理论，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。应用最广

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程双膜理论(two-filmtheory)：是经典的传质机理理论，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。应用最广

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程双膜理论(two-filmtheory)：是经典的传质机理理论，于1923年由惠特曼(W.G.Whiteman)和路易斯(L.K.Lewis)提出，作为界面传质动力学的理论，该理论较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程。应用最广

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡机场1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡登机口1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡乘飞机到达对方机场1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程

气膜气液相界面

液膜液相主体气体达到气液相平衡机场出口1.气液相反应传质理论0401-2气液相反应过程气相主体液相主体A2.气液相反应传质过程第一步：气相组分从气相主体传递到气液相界面，在界面上达到平衡0401-2气液相反应过程气相主体液相主体A气相产物液相产物2.气液相反应传质过程第二步：气相组分从气液相界面跑到液相里，并像均相液相反应一样进行了化学反应0401-2气液相反应过程气相主体液相主体气相产物液相产物2.气液相反应传质过程第三步：液相的反应产物向浓度梯度下降的方向扩散，气相产物向界面扩散；0401-2气液相反应过程气相主体液相主体气相产物液相产物2.气液相反应传质过程第四步：气相产物向气相主体扩散；0401-2气液相反应过程3.八种反应类型动力学控制（反应控制）：化学反应速率远小于传递速率；扩散控制：化学反应速率远大于传递速率；AB瞬间反应一开始，AB它们不共存，A一进入液膜内，就和B快速反应，两者在液膜内的某个地方，反应到浓度均为0。这是第一种反应，叫瞬间反应。（1）0401-2气液相反应过程3.八种反应类型AB界面反应B偷偷地提高了自己的浓度，结果A在界面上就被完全反应掉了，这是第二种，叫界面反应。（2）B0401-2气液相反应过程3.八种反应类型A然后A也偷偷提高了浓度，结果虽然现在反应仍然很快，但是还是来不及反应掉，后来A和B一商量，大家就在液膜内留下了一个和平区域共存，所以大家都保证在共存区域内把最终的浓度降到0，这是第三种，叫二级快速反应。（3）B二级快速反应A和平区域0401-2气液相反应过程3.八种反应类型AB拟一级快速反应这回B把自己变得皮糙肉厚，不那么容易消耗了，结果A虽然不会在界面处就完全反应掉，但由于B不容易消耗，不管A浓度多少，B的浓度总归是基本不变，到界面处浓度也基本不变。所以计算反应速率的时候，往往需要把B的浓度当成一个恒值，这就相当于一级反应了，那么这就是第四种，叫拟一级快速反应。（4）0401-2气液相反应过程3.八种反应类型AB二级中速反应于是A也回去把自己变得皮糙肉厚，这下好了，大家都不容易消耗，B推进到界面还没有反应完，A在整个液膜里也消耗不掉，还要到液相主体里继续反应，这个时候就是第五种情况，叫二级中速反应。（5）0401-2气液相反应过程3.八种反应类型AB拟一级中速反应然后B又回去继续改装，更加的皮糙肉厚，把自己变得更不容易消耗，那么这会呢A虽然在液膜里也消耗不尽，可以以推进到液相主体里，但是B的浓度又是一直可视为恒定了，所以这个时候反应速度又只和A的浓度有关了。好吧，这就是第六种，拟一级中速反应（6）0401-2气液相反应过程3.八种反应类型A也回去把自己整的更加皮糙肉厚，现在的情况就是，液膜里进行的反应已经是很少一部分了，AB的浓度在同一个数量级，同时影响着反应。这就是第七种情况，二级慢速反应。（7）AB二级慢速反应0401-2气液相反应过程3.八种反应类型拼到最后，情况已经不容细看了，皮无比操肉无比厚的AB在一块，都很难反应，已经可以认为是不消耗的了。这就是第八种极慢速反应。（8）AB极慢速反应0401-2气液相反应过程3.反应快慢的判断0.022膜内转化系数（八田数）慢反应化学反应AND传质效率瞬间反应OR快速反应0401-3气液相反应器的种类和选择如露珠水泡，素有素无，如闲花野草，自荣自落《阅微草堂笔记》像露珠水泡一样，突然产生又突然消失，像路边的花草一样，自己生长又自己凋零。0401-3气液相反应器的种类和选择露珠（液体以液体状分散在气相中）水泡（气体以气泡形态分散在液相中）喷雾，喷射和文史反应器鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器填料塔反应器和降膜反应器液体以膜状的运动与气相进行接触气体和液体接触的三种形式0401-3气液相反应器的种类和选择1.当反应速度很快，液体在气体中很快就被反应掉的情况，往往我们希望液体会以液滴的形式存在于气体中，就像人洗澡时候的淋浴，那么我们就可以选择喷雾、喷射和文式反应器，在这些反应器里细小液滴的方式分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相，他们广泛应用于瞬间、界面和快速反应，也常用于生成固体的反应。气体（连续相）液体（分散相）瞬间反应界面反应快速反应生成固体的反应0401-3气液相反应器的种类和选择2.当反应速度属于中速慢速，同时反应放热量还挺大的时候，往往希望气体能以气泡的形式沉浸在液体中，给予他们充分的接触时间，就像人泡澡一样。这个时候相对应的就可以选择鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器。在这些反应器里，液体是连续相而气体分散在液体中，是分散相。他们主要用于中速反应，慢反应，对于高粘度的非牛顿型液体尤其适合。气体（分散相）液体(连续相)中速反应慢反应高粘度的非牛顿型液体0401-3气液相反应器的种类和选择3.还有一种是热效应较大而且反应速度很快的反应，像化学吸收，我们希望形成一个表面积比较大的液膜和气体进行接触和反应，通过很短的时间完成，又能充分的移走热量，这时候我们可以选择填料塔反应器和降膜反应器，它们特别适用于较大热效应的气液反应过程，但是对于处理含有固体物质或者能够析出固体物质以及粘性很大的液体它就不是很适合了。较大热效应的气液反应过程含有固