第四章氣液相反應(yīng)技術(shù)

1、第四章第四章 氣液相反應(yīng)技術(shù)氣液相反應(yīng)技術(shù)教學(xué)內(nèi)教學(xué)內(nèi)容 一、氣液反應(yīng)器的特點及結(jié)構(gòu)一、氣液反應(yīng)器的特點及結(jié)構(gòu) 二、氣液反應(yīng)器的生產(chǎn)原理二、氣液反應(yīng)器的生產(chǎn)原理 ( (一一) )雙膜理論雙膜理論 ( (二二) )宏觀動力學(xué)方程的建立宏觀動力學(xué)方程的建立 ( (三三) )測定反應(yīng)速率的方法測定反應(yīng)速率的方法 三、鼓泡塔反應(yīng)器三、鼓泡塔反應(yīng)器 四、氣液反應(yīng)器的操作指導(dǎo)四、氣液反應(yīng)器的操作指導(dǎo) 第一節(jié)第一節(jié) 氣液相反應(yīng)器的特點及結(jié)構(gòu)氣液相反應(yīng)器的特點及結(jié)構(gòu)一、氣液相反應(yīng)器的特點及工業(yè)應(yīng)用一、氣液相反應(yīng)器的特點及工業(yè)應(yīng)用二、氣液相反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)二、氣液相反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)氣液相反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)氣液相反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)（

2、一）鼓泡塔反應(yīng)器（一）鼓泡塔反應(yīng)器（二）鼓泡管反應(yīng)器（二）鼓泡管反應(yīng)器（三）攪拌釜式反應(yīng)器（三）攪拌釜式反應(yīng)器（四）膜式反應(yīng)器（四）膜式反應(yīng)器（一）鼓泡塔反應(yīng)器（一）鼓泡塔反應(yīng)器氣體以鼓泡形式通過催化劑液層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的塔式反應(yīng)器，稱為鼓泡床反應(yīng)器，簡稱鼓泡塔。其基本結(jié)構(gòu)是內(nèi)盛液體的空心圓筒，底部裝有氣體分布器，反應(yīng)氣體通過分布器上才小孔鼓泡而入，液體間歇或連續(xù)加入，連續(xù)加入液體可以和氣體并流或逆流，一般采用并流形式較多。（二）鼓泡管反應(yīng)器（二）鼓泡管反應(yīng)器鼓泡管反應(yīng)器適用于要求物料停留時間較短（一般不超過1520min）的生產(chǎn)過程，若物料要求在管內(nèi)停留時間長，則必須增加管子的長度，但流動阻力

3、相應(yīng)增大。（三）攪拌釜式反應(yīng)器（三）攪拌釜式反應(yīng)器攪拌釜式氣-液相反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性較強，對小規(guī)模生產(chǎn)過程較為適用。（四）膜式反應(yīng)器（四）膜式反應(yīng)器根據(jù)液膜的運動特點，膜式反應(yīng)器分為降膜式，升膜式和旋轉(zhuǎn)氣液流膜式反應(yīng)器。第二節(jié)第二節(jié) 氣液相反應(yīng)器的生產(chǎn)原理氣液相反應(yīng)器的生產(chǎn)原理一、雙膜理論一、雙膜理論二、宏觀動力學(xué)方程式的建立二、宏觀動力學(xué)方程式的建立 三、測定液相反應(yīng)速度的方法三、測定液相反應(yīng)速度的方法四、反應(yīng)器型式的選擇四、反應(yīng)器型式的選擇 一、雙膜理論一、雙膜理論雙膜理論基本點：雙膜理論基本點：在氣液相界面兩側(cè)，各有一定厚度的氣膜和液膜，氣膜和液膜內(nèi)的物質(zhì)傳遞方式是分子擴(kuò)散；擴(kuò)散阻

4、力全部集中在氣膜、液膜內(nèi)，而在氣液相主體中物質(zhì)傳遞方式是湍流擴(kuò)散，不存在濃度梯度；相界面的傳質(zhì)阻力可以忽略，氣液達(dá)平衡，且服從亨利定律。組分組分A A的擴(kuò)散速率的擴(kuò)散速率 總傳質(zhì)系數(shù)與膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系為總傳質(zhì)系數(shù)與膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系為 AL*AALALAiALALAiLALACCKCCkCCZDNALAAGAGkHk1K1 ALAGAALk1kH1K1二、宏觀動力學(xué)方程式的建立二、宏觀動力學(xué)方程式的建立對于等溫二級不可逆氣液相反應(yīng)（產(chǎn)物）液氣RbBA要實現(xiàn)這樣的反應(yīng)，需經(jīng)歷以下步驟：1氣相反應(yīng)物A由氣相主體擴(kuò)散到相界面，在界面上假定達(dá)到氣液相平衡；2氣相反應(yīng)物A從氣液相界面擴(kuò)散入液相主體，并在液

5、相內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；3在液相主體內(nèi)，液相產(chǎn)物沿濃度梯度下降方向擴(kuò)散，氣相產(chǎn)物則由液相主體擴(kuò)散到相界面，再擴(kuò)散到氣相主體。注：液相反應(yīng)物B或催化劑不能揮發(fā)進(jìn)入氣相，只在液相中與A進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。五種反應(yīng)類型五種反應(yīng)類型 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)能力和擴(kuò)散能力相對大小的不同，把上述氣液相反應(yīng)過程分為極快反應(yīng)快速反應(yīng)中速反應(yīng)慢速反應(yīng)極慢反應(yīng)1. 極快反應(yīng)此時化學(xué)反應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散能力，化學(xué)反應(yīng)瞬間完成，液相中A、B不能同時存在，化學(xué)反應(yīng)僅在液膜內(nèi)某個反應(yīng)面上發(fā)生，與界面大小有關(guān)，和液體體積無關(guān)，此時，宏觀速度取決于擴(kuò)散速度，稱擴(kuò)散控制過程。極快反應(yīng)的兩種情況極快反應(yīng)的兩種情況2. 2. 快速反應(yīng)快速反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)

6、能力低于極快反應(yīng)，但仍比傳質(zhì)能力強，傳質(zhì)和反應(yīng)均影響宏觀速度，反應(yīng)仍僅發(fā)生于液膜內(nèi)。但由一個反應(yīng)面伸展為反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)A、B同時存在，反應(yīng)區(qū)外的液面中，A、B不能同時存在。生產(chǎn)能力和界面大小及液膜體積有關(guān)，與液體總量無關(guān)，當(dāng)極高時，反應(yīng)區(qū)由相界面開始延伸到液膜內(nèi)某個面為止。若假設(shè)在液膜內(nèi)基本不變，二級反應(yīng)可簡化為擬一級反應(yīng)?？焖俜磻?yīng)的兩種情況快速反應(yīng)的兩種情況3. 3. 中速反應(yīng)中速反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)能力和擴(kuò)散能力基本相等，化學(xué)反應(yīng)在整個液膜內(nèi)進(jìn)行。未反應(yīng)部分A擴(kuò)散進(jìn)液相中體，在液相主體中繼續(xù)反應(yīng)。生產(chǎn)能力不僅與相界面大小有關(guān)，還與液體體積有關(guān)。當(dāng)足夠高時，二級反應(yīng)可簡化為擬一級反應(yīng)。中速反應(yīng)的

7、兩種情況中速反應(yīng)的兩種情況4. 4. 慢速反應(yīng)慢速反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)能力比擴(kuò)散能力低，化學(xué)反應(yīng)主要在液相主體中進(jìn)行，此時為動力學(xué)控制 。慢速反應(yīng)慢速反應(yīng)5. 極慢反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳質(zhì)能力，擴(kuò)散阻力可忽略不計。組分A和B濃度在整個液相中很均勻，反應(yīng)發(fā)生在整個液相，過程為動力學(xué)控制，總速度等于化學(xué)反應(yīng)速度，相當(dāng)于液相均相反應(yīng)。極慢反應(yīng)極慢反應(yīng)三、測定液相反應(yīng)速度的方法三、測定液相反應(yīng)速度的方法在實驗室常用的反應(yīng)器為半間歇操作或連續(xù)操作的釜式反應(yīng)器，在半間歇釜式反應(yīng)器內(nèi)要求反應(yīng)溫度一定，氣體流量一定，液相體積保持不變，分析不同反應(yīng)時間下的氣相進(jìn)、出口的組成或從釜內(nèi)液相取樣分析。在連續(xù)釜式反應(yīng)器內(nèi)一

8、般認(rèn)為液相為全混流，釜內(nèi)液相濃度等于出料液濃度，改變液相流量，就是改變平均停留時間。 四、反應(yīng)器型式的選擇四、反應(yīng)器型式的選擇型式應(yīng)用范圍噴霧塔填料塔極快反應(yīng)和快速反應(yīng)，氣相濃度低，氣液比大，為了提高液相利用率要求增加膜體積板式塔鼓泡攪拌釜中速反應(yīng)和慢速反應(yīng)，也適用于氣相濃度高，氣液比小的快速反應(yīng)鼓泡塔極慢反應(yīng)，也可用于中速反應(yīng)主要型式氣液相反應(yīng)器的特性及應(yīng)用范圍主要型式氣液相反應(yīng)器的特性及應(yīng)用范圍液相體積分率型式相界面積相界面積液相體積氣液比mol應(yīng)用范圍液相體積m2/m3反應(yīng)器體積m2/m3液膜體積噴霧塔填料塔12001200601000.050.08210101001911.5極快反應(yīng)和

9、快速反應(yīng)，氣相濃度低，氣液比大，為了提高液相利用率要求增加膜體積板式塔鼓泡攪拌釜10002001502000.150.90401001508005.670.111中速反應(yīng)和慢速反應(yīng)，也適用于氣相濃度高，氣液比小的快速反應(yīng)鼓泡塔20200.9840001040.0204極慢反應(yīng)，也可用于中速反應(yīng)第三節(jié)第三節(jié) 鼓泡塔反應(yīng)器鼓泡塔反應(yīng)器一、鼓泡塔反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)認(rèn)知一、鼓泡塔反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)認(rèn)知夾套式換熱器示意圖夾套式換熱器實體圖夾套式換熱器實體圖塔外換熱器實體圖蛇管式換熱器示意圖一、鼓泡塔流體力學(xué)一、鼓泡塔流體力學(xué)（一）氣泡尺寸（一）氣泡尺寸（二）鼓泡塔的氣體壓力降（二）鼓泡塔的氣體壓力降P（三）氣泡上升

10、速度（三）氣泡上升速度（四）含氣率（四）含氣率（五）比相界面（五）比相界面（一）氣泡尺寸（一）氣泡尺寸1當(dāng)量比表面平均直徑2體積平均直徑3幾何平均直徑dg（二）鼓泡塔的氣體壓力降（二）鼓泡塔的氣體壓力降P 鼓泡塔的氣體壓力降P由氣體分布器阻力和床層靜壓頭的阻力兩部分組成。 gH2uC1dG202H - 充氣液層高度，m。 2C0ud式中 小孔阻力系數(shù)約0.8；小孔氣速，m/s；鼓泡層密度kg/m3；（三）氣泡上升速度（三）氣泡上升速度（1）單個氣泡自由浮升速度（2）氣泡真實上升速度 （3）氣泡群的滑動速度（四）含氣率（四）含氣率單位體積鼓泡床（充氣層）內(nèi)氣體所占體積分?jǐn)?shù)。靜態(tài)含氣率：液體不流動

11、時的含氣率；動態(tài)含氣率：液體連續(xù)流動時的含氣率。 HHHG00H式中 H0充氣液層高度，m；H靜液層高度，m；G含氣率。（五）比相界面（五）比相界面SVGd6單位氣液混合鼓泡床層體積內(nèi)所具有的氣泡表面積?？梢酝ㄟ^氣泡平均直徑dvs和含氣率計算，即單位： m2/m3 二、鼓泡塔的傳質(zhì)和傳熱二、鼓泡塔的傳質(zhì)和傳熱（一）鼓泡塔的傳質(zhì)（一）鼓泡塔的傳質(zhì)（二）鼓泡塔的傳熱（二）鼓泡塔的傳熱 三、鼓泡塔的設(shè)計計算三、鼓泡塔的設(shè)計計算（一）反應(yīng)器體積（一）反應(yīng)器體積（二）反應(yīng)器直徑和高的確定（二）反應(yīng)器直徑和高的確定 （一）反應(yīng)器體積（一）反應(yīng)器體積鼓泡塔體積包括以下幾部分：充氣液層體積（靜液層體積和充氣液

12、層中氣體所占體積之和）；充氣液層上部（塔頂）除沫分離空間體積；反應(yīng)器頂蓋死區(qū)體積，如果反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有隔板、換熱器或填料，計算時還要考慮隔板、換熱器或固體填料所占的體積。1. 1. 充氣液層體積充氣液層體積充氣液層體積是反應(yīng)器在操作中所必須保證的氣泡和液體混合物的體積。 GLGLR1VVVVHD42式中 LV液相體積，m3；GV充氣液層中氣體體積，m3；RV充氣液層體積，m3。2. 2. 分離空間體積分離空間體積分離空間的作用是除去上升氣體所夾帶的液滴，而液滴與氣體的分離靠自重沉降實現(xiàn)。分離空間的體積為E2EHD4V 式中 EV分離空間體積；EH分離空間高度 3. 3. 頂蓋死區(qū)體積頂蓋死區(qū)體積1

13、2DV3C0 . 10 . 2對于球形頂蓋，形狀系數(shù) 對于21橢圓頂蓋，（二）反應(yīng)器直徑和高的確定（二）反應(yīng)器直徑和高的確定 因為所以式中 G0GuV0.0188D 2GtGG0D785. 0VAVuVG氣體體積流量，m3/h；At反應(yīng)器橫截面積，m2；一、鼓泡塔流體力學(xué)：(一)流動狀態(tài)的劃分 （二）氣泡大小 1.發(fā)泡頻率2.當(dāng)量直徑 （三）氣泡上升速度真實并流上升速度真實逆流上升速度 （四）鼓泡塔氣體壓降（五）含氣率定義及影響因素二、鼓泡塔的傳質(zhì)和傳熱（一）傳質(zhì)（二）傳熱 小 結(jié)三、鼓泡塔的設(shè)計計算（一）反應(yīng)器體積（二）反應(yīng)器直徑和高度的確定第四節(jié)第四節(jié) 氣液相反應(yīng)器的生產(chǎn)實例氣液相反應(yīng)器的

14、生產(chǎn)實例（以乙醛催化自氧化生產(chǎn)醋酸的工藝為例，介紹氣、液相反應(yīng)器的日常運行和操作要點。） 一、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)一、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)二、工藝流程二、工藝流程三、操作參數(shù)三、操作參數(shù)1 1反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度2 2反應(yīng)壓力反應(yīng)壓力3 3氧化氣空速氧化氣空速 四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)四、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)技能訓(xùn)練技能訓(xùn)練 氣液相反應(yīng)器的仿真操作氣液相反應(yīng)器的仿真操作訓(xùn)練目標(biāo)訓(xùn)練目標(biāo) 乙醛氧化制醋酸乙醛氧化制醋酸 (氧化工段)訓(xùn)練準(zhǔn)備訓(xùn)練準(zhǔn)備 一一 、生產(chǎn)方法及反應(yīng)機理、生產(chǎn)方法及反應(yīng)機理 CH3CHO+O2CH3COOOH CH3COOOH+CH3CHO2CH3COOH 二二 、 工藝流程簡述工藝流程簡述 氧化工段采用雙塔串聯(lián)氧化流程，