化學反應工程_第六章_氣液反應工程

1、第六章第六章氣液反應及反應器氣液反應及反應器目目 錄錄u 第一節(jié)氣液反應平衡第一節(jié)氣液反應平衡u 第二節(jié)氣液反應歷程第二節(jié)氣液反應歷程u 第三節(jié)氣液反應動力學特征第三節(jié)氣液反應動力學特征u 第四節(jié)氣液反應器概述第四節(jié)氣液反應器概述u 第五節(jié)第五節(jié) 鼓泡反應器鼓泡反應器u 第六節(jié)第六節(jié) 填料反應器填料反應器第六章氣液反應及反應器第六章氣液反應及反應器u 氣液相反應器的定義：包括氣相和液相，且氣相中的組氣液相反應器的定義：包括氣相和液相，且氣相中的組分必須進入到液相中才能進行的反應。分必須進入到液相中才能進行的反應。u 進行氣液相反應的裝置：氣進行氣液相反應的裝置：氣液相反應器。液相反應器。u 基

2、本特征：基本特征：（1）至少有一反應物在氣相；）至少有一反應物在氣相；（2）反應物都是氣相，但須進入液相催化才能進行反應；）反應物都是氣相，但須進入液相催化才能進行反應；（3）氣液相反應屬于非均相反應，氣相反應物必須經(jīng)過相）氣液相反應屬于非均相反應，氣相反應物必須經(jīng)過相界面進入液相，于是界面進入液相，于是不僅包括反應過程，還包括傳質過不僅包括反應過程，還包括傳質過程程。p 有機物氧化有機物氧化p 有機物氯化有機物氯化p 有機物加氫有機物加氫p 其他有機反應其他有機反應p 酸性氣體的吸收酸性氣體的吸收p 合成產(chǎn)物合成產(chǎn)物 氣液相反應器的操作氣液相反應器的操作條件不是很苛刻，液相的條件不是很苛刻，

3、液相的蒸發(fā)和流動可把熱量帶出，蒸發(fā)和流動可把熱量帶出，易于實現(xiàn)傳熱和傳質，另易于實現(xiàn)傳熱和傳質，另外由于高效催化劑的開發(fā)，外由于高效催化劑的開發(fā)，使氣液相反應器應用較廣使氣液相反應器應用較廣泛。泛。第六章氣液反應及反應器第六章氣液反應及反應器n 相似點：相似點： 反應物歷程：外擴散反應物歷程：外擴散內(nèi)擴散內(nèi)擴散反應。反應。氣相的擴散反應過程氣相的擴散反應過程氣體在多孔介質內(nèi)的擴散（氣固相催化反應）氣體在多孔介質內(nèi)的擴散（氣固相催化反應）溶解的氣體在液體內(nèi)的擴散（氣液相反應）溶解的氣體在液體內(nèi)的擴散（氣液相反應）n 差別點：差別點： （1）單相傳質過程）單相傳質過程 VS 相間傳質過程相間傳質過

4、程 （氣固相催化反應）（氣固相催化反應） （氣液反應）（氣液反應）（2）對流傳質）對流傳質 VS 孔擴散傳質孔擴散傳質氣液反應與氣固相催化反應的異同氣液反應與氣固相催化反應的異同 A: C=5mol/L C=3mol/L B: C=5mol/L C=3mol/L傳質方向傳質方向GasGasPorous SolidLiquid 氣液反應的相平衡關系如下，包括氣液相平衡和氣液反應的相平衡關系如下，包括氣液相平衡和化學反應平衡，先討論相平衡。化學反應平衡，先討論相平衡。 設氣相中組分設氣相中組分i溶解于液相中，當氣液相平衡時，組溶解于液相中，當氣液相平衡時，組分分i在氣相和液相中的逸度相等，即在氣相

5、和液相中的逸度相等，即第一節(jié)第一節(jié) 氣液反應平衡氣液反應平衡 i gi Lff iii gfpy iyi i 式中：式中：i的摩爾分率的摩爾分率i的逸度系數(shù)的逸度系數(shù)(6-1)(6-2)一、氣液相平衡一、氣液相平衡 iii LfE x iEix對于稀溶液，可用亨利定律表示：對于稀溶液，可用亨利定律表示： 式中：式中：亨利系數(shù)亨利系數(shù)i在液相中的摩爾分率在液相中的摩爾分率 iiiipyE x 1. 氣液平衡的一般關系為：氣液平衡的一般關系為：(6-3)一、氣液相平衡一、氣液相平衡1i iiipyE x 1) 氣相為理想氣體氣相為理想氣體，氣液相平衡關系為：，氣液相平衡關系為： iiiCH p i

6、C溶劑摩爾濃度溶劑摩爾濃度iH溶解度系數(shù)溶解度系數(shù)式中：式中：( )iii gCH f 低壓下：低壓下：2. Hi和和Ei的關系的關系0iiiiiiiiiCCH pH E xH EC 0CM 對于稀溶液，對于稀溶液，M近似等于溶劑的分子量近似等于溶劑的分子量M0，可得，可得Hi 和和Ei的近似關系：的近似關系：0iiHM E 式中式中，溶液密度，溶液密度，M溶液平均分子量溶液平均分子量 dlndlnd 1d 1iiiEHHTTR iV3. i、Ei 和溫度的關系和溫度的關系 i 在溶液中的偏摩爾容積，可查文獻得到。在溶液中的偏摩爾容積，可查文獻得到。4. i、Ei 和壓力的關系和壓力的關系 d

7、lndlnddiiiEHVppRT 亨利定律只適用于稀溶液和純?nèi)軇诠I(yè)生產(chǎn)亨利定律只適用于稀溶液和純?nèi)軇?，但在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液相中含有電解質和非電解質，亨利定律并不過程中，液相中含有電解質和非電解質，亨利定律并不適用。適用。二、溶液中氣體溶解度的估算二、溶液中氣體溶解度的估算011220log()log().EHh Ih IEH 電解質溶液的電解質溶液的iiEH和和式中式中E0、E為氣體在水中和在電解質溶液中的亨利系數(shù)；為氣體在水中和在電解質溶液中的亨利系數(shù)； H0、H為氣體在水中和在電解質溶液中的溶解度系數(shù)；為氣體在水中和在電解質溶液中的溶解度系數(shù)； I1、I2為溶液中各電解質的離子

8、強度，為溶液中各電解質的離子強度， 其中其中ci為離子濃度，為離子濃度，Zi為離子價數(shù)；為離子價數(shù)； h1、h2為溶液中各電解質所引起的為溶液中各電解質所引起的溶解度降低系數(shù)溶解度降低系數(shù)，其，其數(shù)值為數(shù)值為 ，其中，其中h+、h-、hG分別為該電解質正、分別為該電解質正、負離子及被溶解的氣體引起的數(shù)值。負離子及被溶解的氣體引起的數(shù)值。21 2iiIc Z Ghhhh 式中式中 hs 為非電解質溶液為非電解質溶液鹽效應系數(shù)鹽效應系數(shù)， ； Cs 為非電解質的濃度，為非電解質的濃度， 。 鹽效應系數(shù)隨分子量增大而增加，可查表而得。鹽效應系數(shù)隨分子量增大而增加，可查表而得。3m kmol2. 非電

9、解質溶液的非電解質溶液的 iiEH和和00log()log()ssEHh CEH3kmol m二、溶液中氣體溶解度的估算二、溶液中氣體溶解度的估算三、帶化學反應的氣三、帶化學反應的氣液相平衡液相平衡 氣體氣體A與液相組分與液相組分B發(fā)生化學反應，發(fā)生化學反應，則則A組分既遵從相平組分既遵從相平衡關系又遵從化學平衡關系衡關系又遵從化學平衡關系。設溶解氣體。設溶解氣體A與液相中與液相中B發(fā)生發(fā)生反應，則可表示為反應，則可表示為 由化學平衡常數(shù)可寫出由化學平衡常數(shù)可寫出由相平衡關系式可得由相平衡關系式可得當氣相是理想氣體混合物時，上式為當氣相是理想氣體混合物時，上式為1/*AMNBMNAcBcccK

10、 c 1*( )1AMNBAMNA gAAcBcccfHHK c 1*1AMNBMNAAcBccpHK c 三、帶化學反應的氣三、帶化學反應的氣液相平衡液相平衡 為了較深入地闡明帶化學反應的氣液平衡關系，下面分為了較深入地闡明帶化學反應的氣液平衡關系，下面分幾種類型來分析。幾種類型來分析。 1. 被吸收組分與溶劑相互作用被吸收組分與溶劑相互作用三、帶化學反應的氣三、帶化學反應的氣液相平衡液相平衡 設被吸收組分設被吸收組分A在溶液中總濃度為在溶液中總濃度為 ，即，即 可得可得 。聯(lián)合理想氣體亨利定。聯(lián)合理想氣體亨利定律律 , 整理得整理得 當當A為稀溶液時，溶劑為稀溶液時，溶劑B是大量的，是大量

11、的， 與與 表觀上表觀上仍遵從亨利定律，但溶解度系數(shù)較無溶劑化作用時仍遵從亨利定律，但溶解度系數(shù)較無溶劑化作用時增大增大(1+ ) 倍。倍。 如如水吸收氨水吸收氨即屬此例。即屬此例。0Ac0*AAMccc 0*MAAcABABcccKc cc c *AAAcH p 0*1AAAAAcBccpHHK c *Ap0AccBKc 1. 被吸收組分與溶劑相互作用被吸收組分與溶劑相互作用2. 被吸收組分在溶液中離解被吸收組分在溶液中離解 由反應平衡，由反應平衡， ，當溶液中無其他離子存在，當溶液中無其他離子存在時，時， ，則，則cMNAKc cc MNcc MNcAccK c A的總濃度的總濃度 ，由，

12、由 ，則得則得該式表示該式表示A組分的溶解度為物理溶解量與離解量之和。組分的溶解度為物理溶解量與離解量之和。如如水吸收二氧化硫水吸收二氧化硫即屬此類型。即屬此類型。0AAMAcAccccK c *AAAcH p 0*AAAcAAcH pK H p 2. 被吸收組分在溶液中離解被吸收組分在溶液中離解3. 被吸收組分與溶劑中活性組分作用被吸收組分與溶劑中活性組分作用 設溶劑中活性組分起始濃度為設溶劑中活性組分起始濃度為 ，若組分，若組分B的轉化率為的轉化率為 ，此時此時 ， ，由化學平衡關系，由化學平衡關系 01BBBccx 0MBBcc x */()/1cMABBABKcc cxcx 0BcBx

13、 將氣液平衡關系將氣液平衡關系 引入，則引入，則 液相總的液相總的A組分濃度組分濃度式中式中 為平衡常數(shù)為平衡常數(shù)Kc與溶解度系數(shù)與溶解度系數(shù)HA的乘積，的乘積，表征帶化學反應的氣表征帶化學反應的氣-液平衡特征。液平衡特征。 如果物理溶解量相對于化學轉化量可以忽略時，如果物理溶解量相對于化學轉化量可以忽略時，則則 該式為化學吸收典型的氣液平衡關系。該式為化學吸收典型的氣液平衡關系。*AAAcH p *(1)ABcABpxK Hx *00*0*1AAABBAABApccx cH pcp cAK H *000*1AABBBApcx ccp 3. 被吸收組分與溶劑中活性組分作用被吸收組分與溶劑中活性

14、組分作用 與物理吸收與物理吸收 的關的關系比較如下：系比較如下：物理吸收時，氣體的溶解物理吸收時，氣體的溶解度隨分壓呈直線關系；而度隨分壓呈直線關系；而化學吸收則呈漸近線關系，化學吸收則呈漸近線關系，在分壓很高時，氣體的溶在分壓很高時，氣體的溶解度趨近于化學計量的極解度趨近于化學計量的極限；物理吸收宜應用于高限；物理吸收宜應用于高分壓的情況下，而化學吸分壓的情況下，而化學吸收宜應用于低分壓的情況收宜應用于低分壓的情況下。下。AAAcH p 與物理吸收與物理吸收 的關系比較如下：的關系比較如下：對各種氣體的溶解度的高低，物理吸收主要體現(xiàn)在對各種氣體的溶解度的高低，物理吸收主要體現(xiàn)在H的數(shù)值的數(shù)值

15、上，而化學吸收則不同，取決于上，而化學吸收則不同，取決于 ( ( 的乘積的乘積) )的數(shù)值，的數(shù)值，即除了即除了HA值外，化學平衡常數(shù)值外，化學平衡常數(shù)Kc更具有特殊的選擇性。更具有特殊的選擇性。物理吸收溶解熱較小，僅數(shù)千焦耳每摩爾之內(nèi)，而化學吸物理吸收溶解熱較小，僅數(shù)千焦耳每摩爾之內(nèi)，而化學吸收溶解熱高達數(shù)萬焦耳每摩爾，因此，溫度改變對化學吸收溶解熱高達數(shù)萬焦耳每摩爾，因此，溫度改變對化學吸收平衡的影響較物理吸收時更為強烈。收平衡的影響較物理吸收時更為強烈。AAAcH p AcH K 一、氣液相間物質傳遞一、氣液相間物質傳遞傳質模型：傳質模型：雙膜論雙膜論 Higbie滲透論滲透論 Danc

16、kwerts表面更新理論表面更新理論 湍流傳質論湍流傳質論雙膜論：雙膜論：氣液相界面兩側各存在一個靜止膜：氣膜，液膜氣液相界面兩側各存在一個靜止膜：氣膜，液膜 傳質速率取決于通過液膜和氣膜的分子擴散速率。傳質速率取決于通過液膜和氣膜的分子擴散速率。假設：假設：擴散組分在氣液界面處達到氣液相平衡。擴散組分在氣液界面處達到氣液相平衡。第二節(jié)氣液反應歷程第二節(jié)氣液反應歷程雙膜理論雙膜理論g gL L ()GLGiiLGLDDNppccRT GLG LpGpiCLCi擴散系數(shù)與擴散尺度的比值擴散系數(shù)與擴散尺度的比值傳質系數(shù)阻力的倒數(shù)傳質系數(shù)阻力的倒數(shù)iicHp 在界面上在界面上GLDG和和DL分別表示

17、組分在氣體和液體中的分子擴散系數(shù)。分別表示組分在氣體和液體中的分子擴散系數(shù)。 上兩式消去界面條件上兩式消去界面條件ci 和和pi ，可得吸收速率，可得吸收速率 而而 上列各式中：上列各式中： p*為與液相為與液相cL相平衡的氣相分壓，相平衡的氣相分壓，MPa； c*為與氣相為與氣相pG相平衡的液相濃度，相平衡的液相濃度， ； 、 分別為氣膜和液膜的有效厚度，分別為氣膜和液膜的有效厚度，m； kG、kL分別等于分別等于 和和 ；DG和和DL分別表示組分別表示組 分在氣體和液體中的分子擴散系數(shù)，分在氣體和液體中的分子擴散系數(shù)，m2/s；*()()GGLLNKppKcc 1111GGLGLGLKRT

18、kHkDHD 111LGLGLGLKRTHHkkDD G L ()GGDRT LLD 3kmol m表表6-6 常見傳質模型的主要特征常見傳質模型的主要特征二、化學反應在相間傳遞中的作用二、化學反應在相間傳遞中的作用 按化學反應和傳遞的相對大小區(qū)分為各種情況按化學反應和傳遞的相對大小區(qū)分為各種情況1. 化學反應可忽略的過程化學反應可忽略的過程液相中的反應量與物理吸收的量相比可忽略液相中的反應量與物理吸收的量相比可忽略AArkC 01RAAV kCV Ck VACAVR 液膜中的反應量遠小于通過液膜傳遞的量，絕大部分在液液膜中的反應量遠小于通過液膜傳遞的量，絕大部分在液相主體內(nèi)完成，判別條件為：

19、相主體內(nèi)完成，判別條件為： 液膜中反應量液膜中反應量 11LDEED4. 化學吸收的增強因子化學吸收的增強因子0|AAALxdCNDdx 反應速率越快，反應速率越快，濃度分布曲線越彎曲，濃度分布曲線越彎曲，則則數(shù)值越來越大。數(shù)值越來越大。無反應時的濃度梯度無反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度DD的斜率的斜率DE的斜率的斜率11LDEED4. 化學吸收的增強因子化學吸收的增強因子11反應速率越快，反應速率越快，濃度分布曲線越彎曲，濃度分布曲線越彎曲，則則數(shù)值越來越大。數(shù)值越來越大。無反應時的濃度梯度無反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度DD的斜率的斜率DE的斜率

20、的斜率4. 化學吸收的增強因子化學吸收的增強因子11LDEEDLDEED反應速率越快，反應速率越快，濃度分布曲線越彎曲，濃度分布曲線越彎曲，則則數(shù)值越來越大。數(shù)值越來越大。無反應時的濃度梯度無反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度有反應時的濃度梯度DD的斜率的斜率DE的斜率的斜率114. 化學吸收的增強因子化學吸收的增強因子化學吸收增強因子化學吸收增強因子1，降低液相傳質阻力所占比例。，降低液相傳質阻力所占比例。足夠大時，總阻力將由氣膜阻力所決定。足夠大時，總阻力將由氣膜阻力所決定。()()GGiLiLNkppkCC 11111(*)(*)GLGGGLLLLGKKKkHkHKkkNppCC 4.

21、化學吸收的增強因子化學吸收的增強因子第三節(jié)氣液反應動力學特征第三節(jié)氣液反應動力學特征一、伴有化學反應的液相擴散過程一、伴有化學反應的液相擴散過程討論氣體在液膜中邊擴散邊反應的過程討論氣體在液膜中邊擴散邊反應的過程ABQdxx通過通過“擴散反應擴散反應”方程來確定濃度分方程來確定濃度分布，進而確定化學布，進而確定化學吸收增強因子吸收增強因子dxxdxx擴散入擴散出反應擴散入擴散出反應微元微元液膜液膜22()AAAALALAd CdCdCDDdxr dxdxdxdx 22AAALd CrdxD 22BABLd CrdxD ,0, 0 |()LBAAiALBBiALxALdCxCCdxdCxCCDr

22、 Vdx ，0|AAALxdCNDdx 邊界條件邊界條件注意，化學吸收速率為：注意，化學吸收速率為：所以，解出擴散反應方程之后，就能得出化學吸收速率所以，解出擴散反應方程之后，就能得出化學吸收速率（實際就是氣液反應的宏觀動力學）（實際就是氣液反應的宏觀動力學）對于對于B，在液膜內(nèi)的擴散反應方程為：，在液膜內(nèi)的擴散反應方程為：二、一級不可逆反應二、一級不可逆反應22AAALd CkCdxD AArkC反應擴散方程反應擴散方程將此方程進行無因次化將此方程進行無因次化22222(),()()AiAAiAAAAAiLLAAiAAALd CCCCdCd Cxd xCxCdxdxd xd xd CCdCd

23、Cd Cddd xdxdxdxdxdxd xd x 222ALAAALd CkCMCDd x 4/(1010 )(1)(1)(1)(1)LLLLALVchMxMshxCchMMshM 0|(1)(1)1ALAiAAxLAiLLD CdCNdxkCMMth MMth M (1)(1)1ALLAiLNMMth Mk CMth M 液相反應利用率液相反應利用率（氣液反應中有效因子）（氣液反應中有效因子）有內(nèi)擴散影響時的反應速率有內(nèi)擴散影響時的反應速率無內(nèi)擴散影響時的反應速率無內(nèi)擴散影響時的反應速率(1)(1)1ALAiLLNMth MkC VMMth M CAiCALCALCAi/LLV二、一級不可

24、逆反應二、一級不可逆反應值的大小是對液相利用程度的一種度量：值的大小是對液相利用程度的一種度量：=1表示化學反應在整個液相中均勻進行；表示化學反應在整個液相中均勻進行；反應的消耗（反應的消耗（B供應很充分，液膜供應很充分，液膜中中B的濃度可視為恒定）的濃度可視為恒定） 即當即當 時，時， n 瞬間反應：瞬間反應： 條件條件 kL很大，而很大，而B供應很不充分，供應很不充分， 即當即當 時，時，2iM M 10iM i 四、二級不可逆反應四、二級不可逆反應 212121111QLAABQABLQLBLABLQLAAALBLk Crk C Ck Ck C Ck Ck CCk CCkCkCCKC 五

25、、可逆反應五、可逆反應即簡化為一級不可逆反應。即簡化為一級不可逆反應。 ABQ 可逆反應的吸收過程比較復雜，下面討論幾種特殊情況?？赡娣磻奈者^程比較復雜，下面討論幾種特殊情況。1. 組分組分B、Q的濃度作常量處理的濃度作常量處理 212AAAALALALd CrkCCdxDD ()BBLCC 21212111QQAABQABLQBLAABLBLk CCrk C Ck Ck C Ck Ck CCkCk CKC 2. 一級可逆快速反應一級可逆快速反應 ABQ 212QAAAALALBLCd CrkCdxDDKC212QQQAQLQLBLd CrCkCdxDDKC 擴散反應擴散反應 bQABQ

26、22220QLQAALQDd Cd CDdxdx 22220ABLBALbd CDd CDdxdx 3. 瞬間可逆反應瞬間可逆反應為瞬間可逆反應，反應在液膜中任一點都達到了平衡狀態(tài)，為瞬間可逆反應，反應在液膜中任一點都達到了平衡狀態(tài)，則按化學計量關系，液膜中的擴散反應方程為則按化學計量關系，液膜中的擴散反應方程為 設反應設反應0:X ;:AAiBBiQQiCCCCCC:;LAALBBLQQLXCCCCCCQbQcABCKCC六、平行反應六、平行反應 多種反應劑對一種氣體的吸收過程（工業(yè)中常見）屬此。多種反應劑對一種氣體的吸收過程（工業(yè)中常見）屬此。 兩種反應劑對同一種氣體吸收的濃度分布的形式，

27、因反應類兩種反應劑對同一種氣體吸收的濃度分布的形式，因反應類型不同而不同：型不同而不同：1、擬一級快反應：、擬一級快反應： 判別條件：判別條件： （對任一反應劑（對任一反應劑Bi） 式中：判據(jù)式中：判據(jù) A與與Bi間的反應吸收準數(shù)間的反應吸收準數(shù) （Ha-八田準數(shù)）八田準數(shù)）1BiLiiAiCMvC ALABiBiLiLD kCMk 六、平行反應六、平行反應 2、瞬間不可逆反應、瞬間不可逆反應 判別條件：判別條件： 若若A與各反應劑間都為瞬間反應：與各反應劑間都為瞬間反應：1BiLiiAiCMv C 1122112B LB LB LB LALAiALAiDCDCv DCv DC 六、平行反應六

28、、平行反應第四節(jié)氣液反應器概述第四節(jié)氣液反應器概述（1）較高的生產(chǎn)強度）較高的生產(chǎn)強度（2）有利于反應選擇性的提高）有利于反應選擇性的提高（3）有利于降低能量消耗）有利于降低能量消耗（4）有利于反應溫度的控制）有利于反應溫度的控制（5）應能在較少流體流率下操作）應能在較少流體流率下操作一、工業(yè)生產(chǎn)對氣液反應器的要求一、工業(yè)生產(chǎn)對氣液反應器的要求（a）氣膜控制情況（）氣膜控制情況（H很大）很大） 氣相容積傳質系數(shù)大的反應器：氣相容積傳質系數(shù)大的反應器： 液體高度分散；液體高度分散； 氣體高速湍動。氣體高速湍動。 噴射、文氏等反應器噴射、文氏等反應器（1）應具備較高的生產(chǎn)強度）應具備較高的生產(chǎn)強度

29、11111(*)(*)GLGGGLLLLGKKKkHkHKkkNppCC 噴射或文氏反應器噴射或文氏反應器（b）快速反應情況（）快速反應情況（M準數(shù)遠大于準數(shù)遠大于1）反應基本上是在界面近旁的反應帶（液膜）反應基本上是在界面近旁的反應帶（液膜）中進行；中進行； 要求反應器：表面積較大，具備一定的液要求反應器：表面積較大，具備一定的液相傳質系數(shù)。相傳質系數(shù)。 填料反應器和板式反應器填料反應器和板式反應器（1）應具備較高的生產(chǎn)強度）應具備較高的生產(chǎn)強度（1）應具備較高的生產(chǎn)強度）應具備較高的生產(chǎn)強度（c）慢速反應情況（）慢速反應情況（M準數(shù)遠小于準數(shù)遠小于1） 反應基本上是在液相主體中進行，反應基

30、本上是在液相主體中進行，要求反應器：液相反應容要求反應器：液相反應容積較大。積較大。 鼓泡反應器和攪拌鼓泡反應器鼓泡反應器和攪拌鼓泡反應器 對于多重反應，選擇的反應器要有利于主反應，而要抑對于多重反應，選擇的反應器要有利于主反應，而要抑制副反應。制副反應。 平行副反應：如主反應快于副反應，則采用儲液量較少平行副反應：如主反應快于副反應，則采用儲液量較少的反應設備。的反應設備。 連串副反應：返混較少的反應器，或半間歇。連串副反應：返混較少的反應器，或半間歇。（2）有利于反應選擇性的提高）有利于反應選擇性的提高 反應熱的回收，壓力能反應熱的回收，壓力能的回收，分散液體所需要的回收，分散液體所需要的

31、動力。的動力。 如圖如圖，就造成相同比表面，就造成相同比表面積而言，噴射吸收器所需積而言，噴射吸收器所需的能耗最小，其次是攪拌的能耗最小，其次是攪拌反應器和填料塔，文氏管反應器和填料塔，文氏管和鼓泡反應器所需的能耗和鼓泡反應器所需的能耗最大。最大。（3）有利于降低能量消耗）有利于降低能量消耗（4）有利于反應溫度的控制）有利于反應溫度的控制n 氣液反應大部分是放熱反應，如何排除反應熱控制氣液反應大部分是放熱反應，如何排除反應熱控制好操作溫度是十分重要的。好操作溫度是十分重要的。n 例如板式塔可以安置冷卻盤管，但在填料塔中，排例如板式塔可以安置冷卻盤管，但在填料塔中，排除反應熱就比較麻煩，通常只能

32、提高液體噴淋量把除反應熱就比較麻煩，通常只能提高液體噴淋量把濕熱帶走，但動力消耗大量提高。濕熱帶走，但動力消耗大量提高。（5）應能在較少流體流率下操作）應能在較少流體流率下操作n 液體流率小，液相轉化率高，動力消耗也小，但液體液體流率小，液相轉化率高，動力消耗也小，但液體流率的大小應符合反應器的基本要求。流率的大小應符合反應器的基本要求。n 填充床反應器、降膜反應器和噴射反應器有限制。填充床反應器、降膜反應器和噴射反應器有限制。二、氣液反應器的形式和特點二、氣液反應器的形式和特點氣相氣相液相液相舉例舉例I分散分散連續(xù)連續(xù)鼓泡反應器板式反應器鼓泡反應器板式反應器II連續(xù)連續(xù)分散分散噴霧反應器文氏

33、反應器噴霧反應器文氏反應器III連續(xù)連續(xù)膜狀連續(xù)膜狀連續(xù)填料反應器降膜反應器填料反應器降膜反應器（1）填充床反應器）填充床反應器 (packed column reactor)LLGG用于氣液反應時，也可以并流操作用于氣液反應時，也可以并流操作特點：特點：u具有操作適應性好、結構簡具有操作適應性好、結構簡單、能耐腐蝕等優(yōu)點；單、能耐腐蝕等優(yōu)點；u廣泛應用于帶有化學反應的廣泛應用于帶有化學反應的氣體凈化過程；氣體凈化過程；u適用于快速和瞬間反應過程。適用于快速和瞬間反應過程。格利奇格利奇( (Glitsch) )填料填料麥拉派克麥拉派克( (Mellapark) )填料填料（2）板式反應器）板式

34、反應器 (tray column reactor)LLGG篩板情況篩板情況特點：特點：u可以將軸向返混降低至最小程度；可以將軸向返混降低至最小程度；u在單塔中獲得極高的液相轉化率；在單塔中獲得極高的液相轉化率；u并可安裝冷卻或加熱元件，維持所并可安裝冷卻或加熱元件，維持所需的溫度；需的溫度；u適用于快速和中速反應過程。適用于快速和中速反應過程。u缺點：氣相流動壓降較大。缺點：氣相流動壓降較大。（3）降膜反應器）降膜反應器 (falling film reactor)LLGG特點：特點：u具有壓降小和沒有返混的優(yōu)點；具有壓降小和沒有返混的優(yōu)點；u適用于快速和瞬間反應過程；適用于快速和瞬間反應過程

35、；u降膜管的安裝垂直度要求較高，液降膜管的安裝垂直度要求較高，液體成膜和均布是降膜塔的關鍵問題。體成膜和均布是降膜塔的關鍵問題。u適宜于較大熱效應的加工過程。適宜于較大熱效應的加工過程。（4）噴霧反應器）噴霧反應器 (spray column reactor)LLGG特點：特點： 由空塔構成，適用于有由空塔構成，適用于有污泥、沉淀和固相產(chǎn)物的污泥、沉淀和固相產(chǎn)物的反應過程，適用于受氣膜反應過程，適用于受氣膜控制的瞬間反應。控制的瞬間反應。例：堿性溶液脫除例：堿性溶液脫除H2S。（5）鼓泡反應器）鼓泡反應器 (bubble column reactor)LLGG特點：特點：u具有較高的儲液量，適

36、用于具有較高的儲液量，適用于慢反應和放熱量大的場合。慢反應和放熱量大的場合。u軸向返混嚴重，可認為液相軸向返混嚴重，可認為液相處于理想混合狀態(tài)。處于理想混合狀態(tài)。u由于轉化率低，常采用半間由于轉化率低，常采用半間歇操作和多級串聯(lián)操作。歇操作和多級串聯(lián)操作。（6）攪拌鼓泡反應器）攪拌鼓泡反應器 (agitated tank reactor)特點：特點：u適用于高粘度的非牛頓型液體，適用于高粘度的非牛頓型液體，例如廣泛應用于發(fā)酵工業(yè)和高分例如廣泛應用于發(fā)酵工業(yè)和高分子材料工業(yè)；子材料工業(yè)；u適用于慢速反應過程；適用于慢速反應過程；u攪拌消耗動力，還要考慮軸封攪拌消耗動力，還要考慮軸封的問題。的問題

37、。（7）高速湍動反應器）高速湍動反應器 (如：如：venturi reactor)特點：特點：u噴射反應器、文氏反應器、噴射反應器、文氏反應器、湍動浮球反應器等屬于高速湍動浮球反應器等屬于高速湍動反應器；湍動反應器；u適用于氣膜控制的瞬間反適用于氣膜控制的瞬間反應過程；應過程；u氣膜傳遞速率高，反應速氣膜傳遞速率高，反應速率高。率高。第五節(jié)第五節(jié) 鼓泡反應器鼓泡反應器n 鼓泡反應器的優(yōu)點：鼓泡反應器的優(yōu)點：氣相高度分散在液相之中；氣相高度分散在液相之中；具有大的液體持有量和相際接觸面；具有大的液體持有量和相際接觸面；傳質和傳熱效率較高；傳質和傳熱效率較高；適用于緩慢化學反應和高度放熱的情況；適

38、用于緩慢化學反應和高度放熱的情況；結構簡單，操作穩(wěn)定，投資和維修費用低。結構簡單，操作穩(wěn)定，投資和維修費用低。n 缺點：液相有較大的返混和氣相有較大的壓降。缺點：液相有較大的返混和氣相有較大的壓降。 鼓泡反應器在石油化工、有機化工和食品工業(yè)中獲得了鼓泡反應器在石油化工、有機化工和食品工業(yè)中獲得了廣泛的應用。例如，各種有機化合物的氧化反應、各種石蠟廣泛的應用。例如，各種有機化合物的氧化反應、各種石蠟和芳烴的氯化反應、各種生物化學反應、污水處理曝氣氧化和芳烴的氯化反應、各種生物化學反應、污水處理曝氣氧化和氨水碳化生成固體碳酸氫銨等反應，都采用這種鼓泡反應和氨水碳化生成固體碳酸氫銨等反應，都采用這種

39、鼓泡反應器。器。 工業(yè)所遇到的鼓泡反應器，按其結構可分為：工業(yè)所遇到的鼓泡反應器，按其結構可分為：空心式、空心式、多段式、氣提式和液體噴射式多段式、氣提式和液體噴射式。第五節(jié)第五節(jié) 鼓泡反應器鼓泡反應器 空心式鼓泡塔在工業(yè)上得空心式鼓泡塔在工業(yè)上得到了廣泛的應用。這類反應器到了廣泛的應用。這類反應器最適用于緩慢化學反應系統(tǒng)或最適用于緩慢化學反應系統(tǒng)或伴有大量熱效應的反應系統(tǒng)。伴有大量熱效應的反應系統(tǒng)。 若熱效應較大時，可在塔若熱效應較大時，可在塔內(nèi)或塔外裝備熱交換單元。內(nèi)或塔外裝備熱交換單元。第五節(jié)第五節(jié) 鼓泡反應器鼓泡反應器LLGG 圖圖6-13 具有塔內(nèi)熱交換單元的鼓泡塔具有塔內(nèi)熱交換單元

40、的鼓泡塔圖圖6-12 空心式鼓泡塔空心式鼓泡塔 為克服鼓泡塔中的液相返混現(xiàn)象，當高徑比較大時，亦為克服鼓泡塔中的液相返混現(xiàn)象，當高徑比較大時，亦采用多段鼓泡塔，以提高反應效果。采用多段鼓泡塔，以提高反應效果。圖圖6-14 多段式鼓泡反應器多段式鼓泡反應器LLGG n 對于高黏性物系，常采用對于高黏性物系，常采用氣體提升式鼓泡反應器氣體提升式鼓泡反應器或或液體液體噴射式鼓泡反應器噴射式鼓泡反應器。例如生化工程的發(fā)酵、環(huán)境工程中。例如生化工程的發(fā)酵、環(huán)境工程中活性污泥的處理、有機化工中催化加氫活性污泥的處理、有機化工中催化加氫(含固體催化劑含固體催化劑)等等情況。情況。n 此種利用氣體提升和液體噴

41、射此種利用氣體提升和液體噴射形成有規(guī)則的循環(huán)流動，形成有規(guī)則的循環(huán)流動，可以強化反應器傳質效果，并有利于固體催化劑的懸浮可以強化反應器傳質效果，并有利于固體催化劑的懸浮。此類又統(tǒng)稱為環(huán)流式鼓泡反應器。特點：它具有徑向氣此類又統(tǒng)稱為環(huán)流式鼓泡反應器。特點：它具有徑向氣液流動速度均勻，軸向彌散系數(shù)較低，傳熱、傳質系數(shù)液流動速度均勻，軸向彌散系數(shù)較低，傳熱、傳質系數(shù)較大，液體循環(huán)速度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。較大，液體循環(huán)速度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。第五節(jié)第五節(jié) 鼓泡反應器鼓泡反應器 圖圖6-15氣體提升式鼓泡反應器氣體提升式鼓泡反應器LGGGLGLL 圖圖6-16 液體噴射式鼓泡塔液體噴射式鼓泡塔一、鼓泡反應器的操作狀

42、態(tài)一、鼓泡反應器的操作狀態(tài) 鼓泡塔的流動狀態(tài)可劃分為如下三種區(qū)域：鼓泡塔的流動狀態(tài)可劃分為如下三種區(qū)域：圖圖617 鼓泡塔流動狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖鼓泡塔流動狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖 安靜鼓泡區(qū)安靜鼓泡區(qū) 當表觀氣速低于當表觀氣速低于0.05時，氣泡呈分散狀態(tài)，氣時，氣泡呈分散狀態(tài)，氣泡大小均勻，進行有秩序的鼓泡，目測液體攪動微弱。泡大小均勻，進行有秩序的鼓泡，目測液體攪動微弱。湍流鼓泡區(qū)湍流鼓泡區(qū) 在較高的表觀氣速下，安靜鼓泡狀態(tài)不再能維在較高的表觀氣速下，安靜鼓泡狀態(tài)不再能維持。此時部份氣泡凝聚成大氣泡，塔內(nèi)氣、液劇烈無定向攪持。此時部份氣泡凝聚成大氣泡，塔內(nèi)氣、液劇烈無定向攪動，呈現(xiàn)極大的液相返混。氣

43、體以大氣泡和小氣泡兩種形態(tài)動，呈現(xiàn)極大的液相返混。氣體以大氣泡和小氣泡兩種形態(tài)與液體相接觸，大氣泡上升速度較快，停留時間較短，小氣與液體相接觸，大氣泡上升速度較快，停留時間較短，小氣泡上升速度較慢，停留時間較長，形成不均勻接觸的狀態(tài)，泡上升速度較慢，停留時間較長，形成不均勻接觸的狀態(tài)，稱為湍流鼓泡區(qū)。稱為湍流鼓泡區(qū)。栓塞氣泡流動區(qū)栓塞氣泡流動區(qū) 在小直徑氣泡塔中，較高表觀氣速下會出在小直徑氣泡塔中，較高表觀氣速下會出現(xiàn)栓塞氣泡流動狀態(tài)。這是由于大氣泡直徑被鼓泡塔的器壁現(xiàn)栓塞氣泡流動狀態(tài)。這是由于大氣泡直徑被鼓泡塔的器壁所限制，實驗觀察到栓塞氣泡流發(fā)生在直徑小于所限制，實驗觀察到栓塞氣泡流發(fā)生在

44、直徑小于0.15m的鼓的鼓泡塔中。泡塔中。一、鼓泡反應器的操作狀態(tài)一、鼓泡反應器的操作狀態(tài) 三個流動區(qū)域的交界是模糊的（圖中）。三個流動區(qū)域的交界是模糊的（圖中）。例如：例如：n 孔徑較大的分布器在很低的氣速下就成為湍流鼓泡區(qū)；孔徑較大的分布器在很低的氣速下就成為湍流鼓泡區(qū)；n 高黏度的液體在較大的氣泡塔中也會形成栓塞流，而在高黏度的液體在較大的氣泡塔中也會形成栓塞流，而在較高氣速下才能過渡到湍流鼓泡區(qū)。較高氣速下才能過渡到湍流鼓泡區(qū)。 工業(yè)鼓泡塔的操作常處于安靜區(qū)和湍動區(qū)的流動狀態(tài)工業(yè)鼓泡塔的操作常處于安靜區(qū)和湍動區(qū)的流動狀態(tài)之中。之中。一、鼓泡反應器的操作狀態(tài)一、鼓泡反應器的操作狀態(tài)1.

45、氣泡直徑及徑向分布氣泡直徑及徑向分布計算氣泡直徑的關聯(lián)式：計算氣泡直徑的關聯(lián)式：0.120.50.122320226VSGRLRLRLLRdugDgDDgD 式中：式中：VSdRDGu0L等體積外表面比的氣泡直徑等體積外表面比的氣泡直徑鼓泡塔內(nèi)徑鼓泡塔內(nèi)徑鼓泡塔表觀氣速鼓泡塔表觀氣速液體表面張力液體表面張力二、鼓泡反應器的流體力學特性二、鼓泡反應器的流體力學特性 L液體粘度液體粘度注注：此式只能計算氣泡平均直徑。：此式只能計算氣泡平均直徑。對于存在徑向分布的氣泡直徑計算：對于存在徑向分布的氣泡直徑計算：395.210BRddD 式中：式中：dBd氣泡在塔內(nèi)的任一點直徑氣泡在塔內(nèi)的任一點直徑處于

46、直徑處于直徑 d 處的氣泡平均直徑處的氣泡平均直徑1. 氣泡直徑及徑向分布氣泡直徑及徑向分布反應器內(nèi)氣含率平均值計算式：反應器內(nèi)氣含率平均值計算式： 7 243041GGLLLLLGuCg 式中：式中：C為常數(shù)，純液體和非電解質：為常數(shù)，純液體和非電解質：C=0.2；電解質溶液：；電解質溶液：C=0.25。適用于低粘度液體（小于。適用于低粘度液體（小于0.20 Pas）。）。氣含量隨塔徑的變化：氣含量隨塔徑的變化：22 1GGRdD 氣含量：氣液混合物中氣體所占的體積分率。氣含量：氣液混合物中氣體所占的體積分率。2. 鼓泡塔的氣含率及徑向分布鼓泡塔的氣含率及徑向分布對于直徑小于對于直徑小于15

47、cm的氣泡反應器，可采用的氣泡反應器，可采用Hughamark圖確圖確定氣含率。定氣含率。2. 鼓泡塔的氣含量及徑向分布鼓泡塔的氣含量及徑向分布 氣體上升時夾帶著液體，靠近塔壁處液體向下運動，氣體上升時夾帶著液體，靠近塔壁處液體向下運動，構成了液體循環(huán)。構成了液體循環(huán)。上升速度：上升速度：4 . 001 . 1GCLuu( (中心處最大速度中心處最大速度) )液體下降速度：液體下降速度：4 . 009 . 0GCLuu( (塔壁處最大下降速度塔壁處最大下降速度) )3. 鼓泡塔中液體循環(huán)速度鼓泡塔中液體循環(huán)速度4. 環(huán)流反應器的氣含率和合適尺寸環(huán)流反應器的氣含率和合適尺寸對于提升式環(huán)流反應器氣

48、含率：對于提升式環(huán)流反應器氣含率：0.680.3400000.647GGGGLuuuu 0Lu式中：式中：液體循環(huán)的表觀速度液體循環(huán)的表觀速度為了提高液體循環(huán)流速，環(huán)流反應器的為了提高液體循環(huán)流速，環(huán)流反應器的尺寸為：尺寸為：(1) 導流筒長度為導流筒長度為(2) 頂部轉向高度頂部轉向高度(3) 底部轉向高度底部轉向高度(4) 反應器高度反應器高度(5) 導流筒直徑導流筒直徑4.4RD0.35RD0.25RD5RD0.59RD 三、攪拌鼓泡反應器三、攪拌鼓泡反應器n 型式型式：按氣體導入方式分三種：按氣體導入方式分三種n 強制分散強制分散：氣體由攪拌器下的各種靜態(tài)予分布裝置（如分：氣體由攪拌器

49、下的各種靜態(tài)予分布裝置（如分氣環(huán)，多孔燒結板）導入。氣環(huán)，多孔燒結板）導入。n 自吸分散自吸分散：借攪拌槳旋轉形成的低的背壓，使氣體經(jīng)中空：借攪拌槳旋轉形成的低的背壓，使氣體經(jīng)中空軸由液面上方吸入。軸由液面上方吸入。n 表面充氣分散表面充氣分散：借快速表面攪拌形成的旋渦，夾帶氣體而：借快速表面攪拌形成的旋渦，夾帶氣體而使液體表面充氣；并由處于下方的軸流型攪拌器使氣液混使液體表面充氣；并由處于下方的軸流型攪拌器使氣液混合均勻。合均勻。n 液體攪拌功率消耗可表達為下列諸變量的函數(shù)：液體攪拌功率消耗可表達為下列諸變量的函數(shù)： 式中：式中：N 攪拌功率，攪拌功率，W； K無量鋼系數(shù)；無量鋼系數(shù)； n

50、攪拌轉數(shù)，攪拌轉數(shù)，r/s； d 攪拌器直徑，攪拌器直徑，m； 流體密度，流體密度，kg/m3；流體粘度，流體粘度，Pas； g 重力加速度，重力加速度，m/s2。(, , , ,)Nf K n dg 三、攪拌鼓泡反應器三、攪拌鼓泡反應器n 由因次分析法可得下列無因次數(shù)群的關聯(lián)式：由因次分析法可得下列無因次數(shù)群的關聯(lián)式： 2235() ()xyNd nn dKn dg 35pNNn d pN2rn dFg xyperNKR F pyrNF xeKR 令令稱為功率【無量綱數(shù)】；稱為功率【無量綱數(shù)】；Re 稱為攪拌雷諾數(shù)；稱為攪拌雷諾數(shù)；Fr 稱為攪拌佛魯?shù)聰?shù)；稱為攪拌佛魯?shù)聰?shù)； 稱為功率因數(shù)稱為

51、功率因數(shù) 令令則則令令則則 三、攪拌鼓泡反應器三、攪拌鼓泡反應器xpeNKR NI V 對于不打旋的系統(tǒng)重力影響極小，可忽略對于不打旋的系統(tǒng)重力影響極小，可忽略Fr的影響，即的影響，即y = 0。則則 因此，在對數(shù)坐標紙上可標繪出因此，在對數(shù)坐標紙上可標繪出NP 和和Re 的關系。的關系。攪拌功率計算方法：攪拌功率計算方法：式中：式中：I 攪拌電機的電樞電流，攪拌電機的電樞電流，A； V 攪拌電機的電樞電壓，攪拌電機的電樞電壓，V。 三、攪拌鼓泡反應器三、攪拌鼓泡反應器第六節(jié)第六節(jié) 填料反應器填料反應器 填料吸收反應器雖然存在較為嚴重的氣、液相各自填料吸收反應器雖然存在較為嚴重的氣、液相各自的返混，但是由于此返混尚未有較好的模型加以預計，的返混，但是由于此返混尚未有較好的模型加以預計，至今，工程上應用的設計計算方法仍是假定氣、液兩相至今，工程上應用的設計計算方法仍是假定氣、液兩相均呈平推流狀態(tài)，然后將設計計算結果再考慮一定的安均呈平推流狀態(tài)，然后將設計計算結果再考慮一定的安全系數(shù)，當然，此安全系