反应工程课件

反应工程课件第1页，课件共56页，创作于2023年2月1)气液反应的特点(1)反应物气体A液相中组分B，B不挥发(2)反应区域在液相内，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：气体液体产品第2页，课件共56页，创作于2023年2月2)气-液的反应目的(1）净化原料气(2）制取产品

CO2+K2CO3+H2O2KHCO3

SO3+H2OH2SO4NH4HS+H2OH2S+NH3·H2O硫酸尾气吸收塔转化气浓硫酸第3页，课件共56页，创作于2023年2月

本章主要内容

6.1气－液反应平衡

6.2气－液反应历程

6.3气－液反应动力学特征

6.4气－液反应器概述

6.5填料反应器第4页，课件共56页，创作于2023年2月6.1.1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6.1气－液反应平衡

式中：－分逸度；－i的摩尔分率；－i的逸度系数产物i（气相）i（液相）＋B（液相）第5页，课件共56页，创作于2023年2月对于稀溶液，可用亨利定律表示：

式中：－亨利系数－i在液相中的摩尔分率

1)气－液平衡的一般关系第6页，课件共56页，创作于2023年2月(2)气相为理想气体混合物

低压下：

(1)气相为理想气体，气－液相平衡关系为：

式中：－容积摩尔浓度；－溶解度系数第7页，课件共56页，创作于2023年2月2)Ηi和Ei的关系

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－溶液平均分子量第8页，课件共56页，创作于2023年2月3)Ηi、Ei和温度的关系

在大多数情况下，△Hi为“-”，即溶解时放热。讨论：问题：温度升高Ηi、Ei增大还是减小？第9页，课件共56页，创作于2023年2月1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：－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

第10页，课件共56页，创作于2023年2月讨论：(1)当压力的变化小于50atm时，对气体在液体中的溶解度影响很小，Hi可以近似看做常数；(2）当压力的变化超过50atm时，要考虑Hi的变化。问题：压力升高Ηi、Ei增大还是减小？规定：第11页，课件共56页，创作于2023年2月6.1.2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。1)电解质溶液的2)非电解质溶液的

系数可由相关文献中查得。E、E0为气体在水中和电解质溶液中的亨利系数。I1、I2为溶液中各电解质的离子强度。h1、h2为溶液中各电解质所引起的溶解度降低系数。hs为非电解质溶液盐效应系数。Cs为非电解质的浓度。第12页，课件共56页，创作于2023年2月6.1.3带化学反应的气液平衡

1)一般的化学吸收(1)两相间-相平衡

对理想气体混合物，或在低压的气体应满足亨利定律Ci=HiPi第13页，课件共56页，创作于2023年2月(2)溶液中-化学平衡2)气液反应的类型(1）溶剂化作用：被吸收组分溶解后与溶剂相互作用。例如：NH3+H2O=NH4OH第14页，课件共56页，创作于2023年2月溶剂化的一般形式A、溶液中-满足化学反应平衡分析：组分A的溶解量包括两部分，一部分以A的形态存在，成为游离或溶解态的A，即溶液中浓度为CA的部分，是物理溶解量，另一部分与B反应转变成了M，即化学溶解量。第15页，课件共56页，创作于2023年2月B、两相间-满足相平衡与气相中分压PA*相平衡的是液相中的存在形式CA

第16页，课件共56页，创作于2023年2月C、溶液的吸收能力包括物理吸收和化学吸收两部分D、溶剂化作用的结果气相中的平衡分压PA*与CA0仍服从亨利定律Ci=HiPi

。只是由于溶剂化作用，使溶解度系数比以前增大了（1+K1CB）倍。溶剂化作用有利于A的吸收。（2）离解作用：气体溶质A溶于溶剂后，离解为离子。例如：HCl=H++Cl-第17页，课件共56页，创作于2023年2月离解作用的一般形式A、溶液中-满足化学反应平衡B、两相间-满足相平衡第18页，课件共56页，创作于2023年2月C、溶液中A的总溶解量包括CA和CM两种形式存在的量（3）与活性组分发生化学反应A溶于液相后，与液相中的活性组分B之间发生化学反应。例如：2NH3+H2O+CO2=(NH4)2CO3第19页，课件共56页，创作于2023年2月吸收的一般形式设B的平衡转化率为R，吸收达到平衡时：CB=CB0(1-R)CM=CB0RA、液相中-化学反应平衡第20页，课件共56页，创作于2023年2月B、两相间-相平衡

C、求解第21页，课件共56页，创作于2023年2月3）对化学吸收的讨论（1）压力的影响B、高压下A、低压下第22页，课件共56页，创作于2023年2月第23页，课件共56页，创作于2023年2月C、讨论

物理吸收时，在任何压力范围内都符合亨利定律，CA=HAPA，直线，斜率为HA，压力增大，吸附量增大，无极限量。

化学吸收时为曲线，在低压下符合亨利定律，CA*=CB0HAK1PA*，几乎为直线，但斜率比纯物理吸收大。在高压下趋近于CB0，定值。中压范围内为曲线。第24页，课件共56页，创作于2023年2月（2）温度的影响A、对物理吸收提高温度，溶解度系数HA下降，吸附量下降，但影响比较小。B、对化学吸收改变温度要影响HA和K，对K的影响大。所以温度对化学吸收的影响大。（3）再生过程A、对物理吸收再生，主要是降压。B、对化学吸收再生，主要是加热（放热反应）。第25页，课件共56页，创作于2023年2月

6.2气-液反应历程6.2.1气－液相间物质传递

1）双膜理论

双膜论是W.G..Whitman于1923年提出的。（1）模型要点

A、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。

B、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。

C、界面平衡气－液两相在界面上达到平衡。第26页，课件共56页，创作于2023年2月D、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。第27页，课件共56页，创作于2023年2月2）吸收速率N界面上

消去界面浓度

第28页，课件共56页，创作于2023年2月

第29页，课件共56页，创作于2023年2月

第30页，课件共56页，创作于2023年2月式中第31页，课件共56页，创作于2023年2月思考题1、升高温度，溶解度系数H（），亨利系数E(）；增加压力，溶解度系数H（），亨利系数E（）；2、物理吸收时，气体的溶解度随分压呈（）关系,而化学吸收则（）关系;物理吸收宜应用于（）的情况,而化学吸收宜应用于（）的情况。3、简述双膜理论。4、若气液间的传质速率为试证明第32页，课件共56页，创作于2023年2月6.2.2化学反应在相间传递中的作用产物A（气相）A（液相）＋bB（液相）1）概述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。（1）反应步骤A、气膜扩散稳定的分子扩散，A从气相主体到达相界面。PAG→PAi第33页，课件共56页，创作于2023年2月C、扩散－反应过程A在液膜内扩散－反应CAi→CALB、界面上平衡

PAi→CAi

（2）计算公式A、气相一侧吸收速率B、界面上平衡CAi=HAPAi

C、液相一侧吸收速率

结论：化学反应的作用可增大吸收速率，但反应速率不同，对吸收过程所做的贡献也不同.第34页，课件共56页，创作于2023年2月

2）化学反应可忽略的过程

气体A的吸收量＝液相中反应量＋物理溶解量化学反应可忽略的条件：反应量<<物理溶解量一级不可逆反应，rA=k1CA，其判别条件为：k1t<<1

Vk1CA<<V0CA式中：V－反应器中积液量；V0－液体流量；结论：对于一级不可逆反应，当k1t远远小于1时,化学反应的作用可忽略不计。V、CAv0、CA分析：第35页，课件共56页，创作于2023年2月3）液相主体中进行缓慢化学反应过程（2）缓慢化学反应在液相主体中进行的条件

（1)缓慢化学反应进行的区域液膜中反应量<<液膜中扩散量如果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。第36页，课件共56页，创作于2023年2月

对于一级不可逆反应δLFk1CA<<kL（CAi-CAL)F（3)无因次吸收准数M

物理意义：δL

k1CAi<<kLCAi液膜中反应量<<液膜中扩散量用最大值比：第37页，课件共56页，创作于2023年2月

无因次吸收准数M的几种形式：4）M准数判据

无因次准数M表示了液膜中反应速率与传递速率之比值。由M数值的大小，可以决定反应类别，即相对于传递过程的速率类别。条件反应类别反应进行情况M》1快速反应过程反应在液膜中进行完毕M《1缓慢反应过程反应在液流主体中进行第38页，课件共56页，创作于2023年2月八田数

条件反应类别反应进行情况》3瞬时反应在某一反应面瞬时完成﹥3快反应反应区域为液膜内0.1﹤﹤3中速反应液膜+液主体﹤0.1慢反应主要在液主体进行《0.1极慢反应完全在液主体进行第39页，课件共56页，创作于2023年2月

以界面为基准的吸收速率NA和纯物理吸收速率NA′之比值称之为化学吸收增强因子,记作ß5）化学吸收增强因子ß（1）ß的定义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。（2）基准的选取和β的大小以界面为基准的吸收速率引进β后，吸收速率：β的大小和NA′的选取有关。第40页，课件共56页，创作于2023年2月

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:（CAi－CAL）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。NA′=kL（CAi－CAL）

︱DD′的斜率︱＞︱DE的斜率︱,则有NA＞NA′。第41页，课件共56页，创作于2023年2月

（3)可逆反应

B、

A、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。第42页，课件共56页，创作于2023年2月

（4)不可逆反应瞬间反应、快速反应：β>1中速反应：β>1慢速反应：β1A、基准

NA′=kL·CAi固定坐标

B、第43页，课件共56页，创作于2023年2月（5)ß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ß即可计算出NA。引进ß

后，可以把NA表示成ß

和NA′的乘积。

A、对于可逆反应

气相一侧

界面CAi=HAPAi

液相一侧第44页，课件共56页，创作于2023年2月

第45页，课件共56页，创作于2023年2月

CAi=HAPAi第46页，课件共56页，创作于2023年2月

第47页，课件共56页，创作于2023年2月

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。式中第48页，课件共56页，创作于2023年2月界面上平衡

气相一侧吸收速率（直线DD′的斜率）B、不可逆反应液相一侧吸收速率

CAi=HAPAi

NA=以界面为基准液相方向的扩散速率

第49页，课件共56页，创作于2023年2月1）说明气—液反应的无因次准数M的数学表达式及物理意义。2）气液反应的准数M表示了液膜中（）速率与（）速率之比值。当M〉〉1时、属（）反应过程，反应在（）进行完毕。3）气液反应的无因次准数M‹‹1时，为（）反应过程，反应在（）中进行。4）如何用无因次准数M来判断气-液反应的类别及反应进行的区域？5）何谓化学吸收的增强因子β?

思考题第50页，课件共56页，创