反应工程课件第6章2.ppt

1、需要解决的问题：,遇到的难题：,解题思路分析：,解决方法：,存在化学反应的气-液相间的吸收速率如何计算？,液相中既存在化学反应，又存在物理扩散和溶解过程，情况复杂，吸收速率如何计算？,在稳定的情况下，液膜内尽管有扩散-反应同时进行，但扩散和反应的A总量都必须通过界面扩散进来，因而可以用界面上的扩散速率来代表总的吸收速率；,6.3.2 一级不可逆反应,(2）假一级不可逆反应,当溶液中B的浓度很大，反应过程中B的变化量可以忽然不计时，看做常量，反应就变成一级不可拟反应。,1) 一级不可逆反应的类型,(1）真一级不可逆反应,2) 扩散反应微分方程及求解,边界条件:,对一级不可拟反应：,原型：,(1）

2、扩散反应微分方程,(2）方程的无因次化,边界条件分析：,(3）方程的解,3) 吸收速率,4) 一级不可逆反应的增强因子,气液相间吸收速率,5) 液相反应的利用率,(1）的定义,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。,（2）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；,（3）的基准是按CAi计算的理论反应速， 的大小反映了传质过程对化学反应的限制程度；,（4）和是从不同的角度来研究气液

3、反应的两个物理量。,6) 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,B、,反应在液膜内完成，液相反应浓度,A、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。,讨论：,对于中速反应，反应在液膜和液流主体中进行。当L很大时，反应在液流主体中能反应完毕。,L很大意味着积液量大，具有充足的反应空间。,（2）L很大的中速反应,对于中速反应，增大积液量，使L较大，可使反应在液流主体中进行完毕，但较小。,（3）在液流主体中进行的缓慢反应,当M1时，反应将在液流主体中进行，此时,液相反应速率液膜传质速率，反

4、应在液流主体中进行完毕,加强湍动程度，提高KL 可以提高NA,A、,提高V和K1有利于提高NA,液相反应速率液膜传质速率，反应不完全，CAi较大。,而加强湍动程度则是无用的。,B、,2）一级不可逆反应过程，已知： kL=10-4m/s, DL=1.510-9m2/s, 试讨论：（1）如果k1=0.1S-1。请问 达到多大以上 反应方能在液流主体中进行完毕，此时传质表面上的 平均液体厚度是多少？（2）如果k1=10S-1， =30， 求 和 。,思考题,1）试分析下列参数的物理意义 （1）气液反应的准数M （2）化学吸收的增强因子 （3）液相反应的利用率 （4）,解题思路,第（1）问,=?,解题

5、思路,第（2）问,=？,若液流主体中进行的缓慢反应,思考题,解：,液膜中CB视作常量， 所以按拟一级反应处理，反应速率常数k= k2CB0.55103=2500s-1,=14.143,=,属于快速反应：,2.9710-7 kmol/m2.s,6.3.3 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， 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。,1） 反应特点,（1）液膜内 A和B不共存； （2）反应区域为平面； （3) 化学吸收速率与本征动力学无关。 （4) 在反应面的化学反应符合化学计量系数。,2） 吸收速率,（1）A的扩散速率

6、,（2）B的扩散速率,(3）A和B的扩散速率符合化学计量式,3) 增强因子,讨论,4) 总吸收速率,(1）气膜传质速率,(2）界面,(3）液膜内传质速率,总吸收速率,5) 液相吸收速率的影响因素,(2）活性组分的液相浓度CBL对NA的影响 CBL越大，吸收速率越大,(1）影响宏观速率的因素,第一类：物性及反应特性 传质特性：DAL,DBL,KG,KL 溶解特性：H 反应特性：化学计量系数,第二类：操作条件 CBL,PAG,问题：是否CBL越高越好？有无极限？,分析：增大CBL,提高了增强因子，增大了吸收速率。使反应面向界面移动，减少了被吸收组分的扩散距离。,(3）极限条件,若组分A通过气膜扩散

7、跟不上液膜吸收时，单纯提高CBL则无济于事，过程要受A通过气膜传质限制,B、临界浓度（CBL）C:当反应面与界面重合，达到极限速率时的CBL浓度称为临界浓度。,根据临界浓度分两种情况采用不同公式计算,6）瞬时不可逆反应吸收过程的计算,令,为A,为B，,为C,（CBL）c=（kG/ kL）（DAL/DBL）PG 1/2(3.5/0.005)0.006,=2.1 kmol/m3,CBL=4kmol/m3（CBL）c,NA= kGPG,=3.50.006=0.021 kmol/(m2.h),解,=1/2,过程受气膜控制,6.3.4 二级不可逆反应,（1）微分方程的建立,1） 扩散-反应微分方程,（2

8、）边界条件,非线性方程，没有解析解，只有近似解,2） 近似解法,（1）第一种近似解,条件：B过量，CBL值较大，等于常量,（2）第二种近似解,条件：CB=CBi，假定二级不可逆反应为在CBi浓度下进 行的假一级快反应；反应结果CAL=0.,3）讨论,结论,6.4.1 工业生产对气液反应器的要求,6.4 气液反应器概述,1)具备较高的生产强度,(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。,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。,(3）缓慢反

9、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。,2）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。,为了使气液两相分散接触，需要消耗一定的动力，图612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。,3）有利于降低能耗,4)有利于控制反应温度,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。,气液反应大部

10、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,6.4.2 气液反应器的形式和特点,L,L,G,G,用于气液反应时，也可以并流操作,1) 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。,格利奇(Glitsch)填料,麦拉派克 (Mellapark)填料,L,L,G,G,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

11、热元件，维持所需的温度，适用于快速和中速反应过程。,2) 板式反应器,L,L,G,G,3) 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。,L,L,G,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。,4) 喷雾反应器,空心式 多段式 环流反应器 气提式：内环流，外环流 液喷式,L,L,G,G,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。,空心式： 塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器,L,L,G,G,多

12、段式：,L,L,G,G,L,G,内环流， 环己烷氧化塔 （生成环己酮、己内酰胺） （可用环烷酸钻催化）,G,L,G,环流反应器： 外环流,强制分散 自吸分散 表面充气分散,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。,6) 搅拌鼓泡反应器,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。,6.5 填料反应器,不足：无法从塔体中直接移去热量，当反应热较高时，必须借助增加液体喷淋量以显热形式带出热量；由于存在最低润湿率的问题，在很多情况下需采用自身循环才能保证填料的基本润湿，但

13、这种自身循环破坏了逆流的原则。,特点：具有结构简单，压力降小，易于适应各种腐蚀介质和不易造成溶液起泡。,适用反应：瞬间反应、快速和中速反应过程。例如，催化热碱吸收CO2、水吸收NO2形成硝酸、水吸收HCL生成盐酸、吸收SO3生成硫酸等都使用填料反应器,1）泛点和压降,6.5.1 填料特性和两相流动特征,设计中气速的选取原则：填料塔的液泛点是气体通量最高极限。填料塔中的气速常远小于液泛点速度；通常气速取液泛速度的 50 一 70 %,填料吸收反应器多为逆流操作，在液流速度恒定时，压降随气流速度的增加而增大。气体的逆向流动会导致填料上液膜的增厚，气速进一步增大，将达到液体不能顺利流下的不稳定操作点

14、，此点称为“泛点”。,2） 填料的持液量,填料层的持液量有动持液量hd和静持液量hs之分。动持液量是指喷淋液体以流动液膜或液滴状存在于塔内的液量；静持液量是指当停止喷淋液体时残存于填料层的液量。显然，总持液量等于两者之和。,6.5.2 填料的润湿表面和传质系数,6.5.3 填料塔的轴向混合,通常填料塔是假定气、液两相均处于平推流来设计的，但是，众多的研究指出填料塔的气、液相的轴向混合会明显降低吸收效率。关于液体分布，每平方米截面应设置约 60 个液体布液点，可以达到理想的布液效果；至于气体的分布，直径大于 lm的塔，就必须设置气体入口分布器，以使气体沿全截面分布均匀。,6.5.4 气一液接触有

15、效表面,对于化学反应吸收，总润湿比表面积分为流动的比表面积ad（与动持液量相对应）和相对静止的比表面积ad（与静持液量相对应），而有效比表面积ae 由下式决定：,6.5.5 填料塔有效高度的计算,假定气液两相均呈平推流状态，然后将设计计算结果再考虑一定的安全系数，当然，此安全系数具有较大的经验性。在气液相处于平推流状态下，填料吸收反应器的所需高度 L 可由微元高度 dZ 的微分速度式积分而得,思考题,1）水吸收HCl生成盐酸的反应属于快速反应,下列哪种反应器较合适（ ） （A）填料反应器； （B）鼓泡反应器； （C）两者都合适； （D）两者都不合适。 2）板式反应器适用于( )反应过程. （A

16、）慢速； （B）瞬间和快速 （C）快速和中速； （D）中速和慢速； 3）氨水碳化生成固体碳酸氢铵的反应属于缓慢反应,下列哪种反应器较合适（ ） （A）填料反应器； （B）鼓泡反应器； （C）两者都合适； （D）两者都不合适。 4）对于不可逆瞬间气-液反应, ，反应过程的控制步骤为（ ）。 （A）气膜扩散； （B） 液膜扩散； （C）化学反应； （D） 不确定；,5）降膜反应器适用于( )反应过程. （A）慢速； （B）瞬间和快速； （C）快速和中速； （D）中速和慢速； 6）硫酸生产中、吸收SO3生成硫酸的反应属于快速反应,下列哪种反应器较合适（ ） （A）填料反应器；（B）鼓泡反应器； （C）两者都合适；（D）两者都不合适。 7）搅拌鼓泡反应器适用于( )反应过程. （A）慢速；（B）瞬间和快速； （C）快速