化學反應工程第六章氣液反應工程課件

1、 第六章 氣-液反應工程 在“化工原理”課程中，“氣體吸收”一章主要討論以液體吸收氣體混合物中的有用物質，以制取產品和除去其中有害的物質，其基本原理是利用目的組分在溶劑中不同的物理溶解度，而與氣體混合物分離，稱為物理吸收，所采用的設備主要是填料吸收塔。 以溶劑中活性組分與目的組分產生化學反應而增大溶解度和吸收速率的過程，稱為化學吸收，“化工原理”課程只做了簡要闡述。7/16/2022 在過程工業(yè)中，采用化學吸收進行氣體凈化和氣-液反應，氣-液反應是氣相中某組分與液相溶劑產生化學反應而生成另一種液相產物，廣泛用于有機物的氧化、氯化、加氫等反應，主要采用填料反應器和鼓泡反應器。7/16/2022本

2、章授課內容 氣-液反應平衡 氣-液反應歷程 氣-液反應動力學特征 氣-液反應器概述 鼓泡反應器 填料反應器7/16/2022 氣-液反應廣泛地應用于加氫、磺化、鹵化、氧化等化學加工過程；合成氣凈化，廢氣及污水處理，以及好氣性微生物發(fā)酵等過程均常應用氣-液反應。工業(yè)應用氣液反應實例有機物氧化鏈狀烷烴氧化成酸；對-二甲苯氧化成對苯二甲酸；環(huán)己烷氧化成環(huán)己酮；乙醛氧化成醋酸。有機物氯化苯氯化為氯化苯；十二烷烴的氯化；甲苯氯化為氯化甲苯。有機物加氫烯烴加氫；脂肪酸酯加氫其他有機反應甲醇羥基化為醋酸；異丁烯被硫酸所吸收；烯烴在有機溶劑中聚合。氣體的吸收SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H

3、2S被堿性溶液所吸收。合成產物CO2與液氨合成尿素；CO2與氨水生成碳銨；CO2與含NH3的鹽水生成NaHCO3和NH4Cl7/16/2022第一節(jié) 氣-液反應平衡 氣-液相達平衡時，i組分在氣相與液相中的逸度相等，即 氣相中i組分的逸度 是分壓 （或）與逸度因子 的乘積，即 液相中i組分為被溶解的氣體，xi是i組分在液相中摩爾分數(shù)，如果是符合亨利定律的稀溶液，即 是亨利系數(shù)。一、氣-液相平衡7/16/2022 若氣相為理想氣體的混合物，即 ，則低壓下的氣液平衡關系為 如果不是稀溶液，則還應引入活度和活度因子，可參見其它專著。 亨利定律也可用容積摩爾濃度ci來表示，則7/16/2022 在低壓

4、下則為 溶解度系數(shù)和亨利系數(shù)的近似關系為 為溶液的密度；M0為溶劑摩爾質量。 亨利系數(shù)Ei與溶解度系數(shù)Hi與溫度和壓力的關系為 為氣體在溶液中的偏摩爾容積， 。7/16/2022二、溶液中氣體溶解度的估算 如果溶液中含有電解質，這些電解質的離子將會降低氣體的溶解度，它可由如下關聯(lián)式表示式中E0、E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)； I1、I2為溶液中各電解質的離子強度， ，其中ci為離子濃度，Zi為離子價數(shù)； h1、h2為溶液中各電解質所引起的溶解度降低系數(shù)，其數(shù)值為 ，其中h+、h-、hG分別為該電解質正、負離子及被溶解的氣體引起的數(shù)

5、值。7/16/2022 如果吸收劑中含有非電解質溶質，氣體溶解度亦會降低，則溶解度系數(shù)為 式中 hs為非電解質溶液鹽效應系數(shù)， ； cS為非電解質的濃度， 。 鹽效應系數(shù)隨分子量增大而增加。7/16/2022 例6-1計算CO2在20、1mol/L Na2CO3和1mol/L NaOH溶液中的溶解度系數(shù)，已知CO2在20水中溶解度系數(shù)H0為0.385 。 解 查表6-2及表6-3得 對1mol/L 1mol/L 1mol/LNa2CO3的離子強度： 1mol/L的離子強度： 由式(6-10)得， 7/16/2022三、帶化學反應的氣液相平衡 氣體A與液相組分B發(fā)生化學反應，則A組分既遵從相平衡

6、關系又遵從化學平衡關系。設溶解氣體A與液相中B發(fā)生反應，則可表示為7/16/2022 由化學平衡常數(shù)可寫出由相平衡關系式可得當氣相是理想氣體混合物時，上式為7/16/2022 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。 1. 被吸收組分與溶劑相互作用7/16/2022 設被吸收組分A在溶液中總濃度為 ，即 ,可得 。聯(lián)合理想氣體亨利定律 ,整理得 當A為稀溶液時，溶劑B是大量的， 與 表觀上仍遵從亨利定律，但溶解度系數(shù)較無溶劑化作用時增大(1+ )倍。 如水吸收氨即屬此例。7/16/20222. 被吸收組分在溶液中離解 由反應平衡， ，當溶液中無其他離子存在時， ，則7/

7、16/2022 A的總濃度 ，由 ，則得 該式表示A組分的溶解度為物理溶解量與離解量之和。 如水吸收二氧化硫即屬此類型。7/16/20223.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，若組分B的轉化率為，此時 ， ，由化學平衡關系7/16/2022 將氣液平衡關系 引入，則 液相總的A組分濃度式中 為平衡常數(shù)Kc與溶解度系數(shù)HA的乘積，表征帶化學反應的氣-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，則 該式為化學吸收典型的氣液平衡關系。7/16/2022 與物理吸收 的關系比較如下：物理吸收時，氣體的溶解度隨分壓呈直線關系；而化學吸收則呈漸近線關系，在分壓很高時，

8、氣體的溶解度趨近于化學計量的極限；物理吸收宜應用于高分壓的情況下，而化學吸收宜應用于低分壓的情況下。7/16/2022 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)值上，而化學吸收則不同，取決于 ( 的乘積)的數(shù)值，即除了HA值外，化學平衡常數(shù)Kc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，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平衡的影響較物理吸收時更為強烈。7/16/2022第二節(jié) 氣-液反應歷程 描述氣-液相間物質傳遞有各種不同的傳質模型，例如雙膜論、Higbie滲透論、Danckwerts表面更新論和湍流傳質論等，其中以雙膜論最為簡便。 雙膜

9、論是假定在氣-液相界面兩側各存在一個靜止膜，氣側為氣膜，液側為液膜，氣-液相間傳質速率N，kmol/(m2s)，取決于通過氣膜和液膜的分子擴散速率，即 在界面上 一、氣液相間物質傳遞7/16/2022 上兩式消去界面條件ci和pi，可得吸收速率 而 上列各式中： p*為與液相cL相平衡的氣相分壓，MPa； c*為與氣相pG相平衡的液相濃度， ； 、 分別為氣膜和液膜的有效厚度，m； kG、kL分別等于 和 ；DG和DL分別表示組分在氣體和液體中的分子擴散系數(shù)，m2/s；7/16/2022二、化學反應在相間傳遞中的作用 溶解的氣體與液相中的組分發(fā)生化學反應，溶解的氣體因反應而消失，從而加速相間傳

10、遞速率。此時，按化學反應和傳遞的相對大小區(qū)分為幾種情況。 1. 化學反應可忽略的過程 若化學反應足夠緩慢，液相中化學反應的量與物理吸收的量相比可忽略時，則可視為物理吸收過程。此時條件為：液相中反應量遠小于物理溶解量。7/16/2022 若液相中進行一級不可逆反應，液相中反應量為反應器中積液量V乘上反應速率k1cA，而反應器中物理溶解量等于液體流量QL乘以液相組分A的濃度cA。因此，條件為 Vk1cAQLcA 消去cA并令V/QLt，它表示液體在吸收器中的停留時間，則條件為 k1t 1 上式說明當一級反應速率常數(shù)與停留時間乘積遠小于1時，即可認為是純物理吸收過程。例如，CO2被pH10的緩沖溶液

11、所吸收，一級反應速率常數(shù)k11s-1，則液相停留時間需遠小于1s，方可作物理吸收處理。7/16/20222.液相主體中進行緩慢化學反應和膜中進行的快反應 如果反應比較緩慢而不能在液膜中完成，需擴散至液相主體中進行，此時，必需滿足液膜中反應量遠小于通過液膜擴散所傳遞的量，即 則 7/16/2022 式中準數(shù)M為量綱1數(shù)，它代表液膜中化學反應與傳遞之間相對速率的大小，如果Ml，則說明膜中反應速率遠比傳遞速率大，為快反應，此時傳遞的數(shù)量完全可以在膜中反應完畢。因此，M的數(shù)值是判斷反應在膜中進行還是在液相主體中進行的依據。7/16/20223. 準數(shù)M的判據 準數(shù)M表示了液膜中反應速率與傳遞速率之比值

12、。由M數(shù)值的大小，可以決定反應相對于傳遞速率的類別，這一情況列于下表。準數(shù)M的判別條件條件反應類別反應進行情況M l 快速反應過程 反應在膜中進行完畢7/16/20224. 化學吸收的增強因子 中速和快速反應過程，被吸收組分在液膜中邊擴散邊反應，其濃度隨膜厚的變化不再是直線關系，而變?yōu)橐粋€向下彎的曲線，如下圖所示。圖6-3 液膜中的濃度梯度示意7/16/2022 若液膜中沒有反應發(fā)生，液膜中濃度變化為虛線 。若化學反應在液膜中進行，從界面上D點向液膜擴散的速率大于E點向液流主體擴散的速率，其間相差的量為液膜中的反應量。 由于擴散速率可以用濃度梯度與擴散系數(shù)的乘積來表示，因此，當擴散系數(shù)為常量時

13、，液膜中的濃度梯度就可以間接量度擴散速率的大小。7/16/2022 例如，界面上溶解氣體向液相的擴散速率可按界面上的濃度梯度，即用 直線斜率來代表；而溶解氣體自液膜向液流主體擴散速率可按E點的濃度梯度，即用 的斜率來代表；無化學反應的物理吸收，擴散速率可以用虛線 斜率來代表；很明顯， 的斜率大于 的斜率(以絕對值而言)，這表明液膜中進行的化學反應將使吸收速率較純物理吸收大為增加，若以 表示吸收速率增強因子，則7/16/2022 如果化學反應進行得很快，則被吸收組分濃度在液膜中的變化曲線將變得更向下彎曲一些，此時增強因子將會提高；反之，化學反應進行得慢，濃度曲線將更直一些，增強因子將會降低。 如

14、果化學吸收增強因子確定后，液相傳質速率可按物理吸收為基準進行計算 如果將上式與氣膜傳質速率式及界面條件 聯(lián)解即得 7/16/2022 此時 由此可知，由于化學吸收增強因子的作用，液相傳質阻力的比例將降低。7/16/2022第三節(jié) 氣-液反應動力學特征 當氣體在液膜中反應比較顯著時，液膜中邊擴散邊反應?，F(xiàn)以被吸收氣體A和溶液中活性組分B進行 不可逆反應為例，建立微分方程。 取單位面積的微元液膜進行考察，液膜中擴散微元。一、伴有化學反應的液相擴散過程7/16/2022 圖6-4 液膜中擴散微元簡圖7/16/2022 其離界面深度為x，微元液膜厚度為dx，則被吸收氣體A在微元液膜內的物料衡算為 從x

15、處擴散進入量 從x+dx處擴散出的量 反應消耗的A量為 。7/16/2022 于是微元液膜內A組分的物料衡算式為 即 同時，對于溶液中活性組分B在微元液膜內也可建立如下微分方程 7/16/2022 上述微分方程的邊界條件為 當x0時， 且 (B組分不揮發(fā)) 當 時， 且組分A向液流主體擴散的量應等于主體中所反應的量，即式中V為單位傳質表面的積液體積， ， 即單位傳質表面的液流主體體積，顯然，界面上A組分向液相擴散的速率即吸收速率為 7/16/2022二、一級不可逆反應 當吸收溶液中組分B大量過量，且反應對A為一級，由液膜中擴散和反應的關聯(lián)，可得 令 ， ，代入上式，則 7/16/2022 上述

16、微分方程的通解為積分常數(shù)C1、C2由邊界條件來確定，即當 時， ，代入通解可得 C1+C21當 時，即 時， 或7/16/2022 式中 ，它代表了單位傳質表面的液相容積(或厚度)與液膜容積(或厚度)之比。 可解得 將上式對求導，按 可整理得7/16/2022 以純物理吸收 為基準，可得吸收增強因子 為 如果把此反應吸收速率與液相均處于cAi濃度下的反應速率相比較，可得液相反應利用率 為 7/16/2022 液相反應利用率表示液相反應被利用的程度，如果液相反應利用率低，表示由于受傳遞過程限制而使液相A濃度較界面大為降低。對快速反應而言，液膜擴散往往不能滿足反應的要求，液相主體A濃度接近或等于零

17、，此時 亦必然接近于零。如果反應進行較慢，組分A需擴散至液流主體中，藉液流主體的反應來完成，此時，液相反應利用率可達較高的數(shù)值。 7/16/2022三、不可逆瞬間反應 當液相中反應為不可逆瞬間反應，因反應極快，反應僅在液膜內某一平面上完成，此平面稱為反應面。為了供應反應面中反應物質的需要，被吸收組分從界面方向擴散而來，吸收劑中活性組分由液流主體擴散而來，其模型見下圖。7/16/2022 圖6-5 不可逆瞬間反應濃度分布7/16/2022 反應面上被吸收組分A自界面擴散而來，其速率為 式中 為界面至反應面的距離，m； 為液膜厚度，m。同樣，由液流主體向反應面擴散過來的B的速率為 式中 為反應面至

18、液流主體的距離，m。7/16/2022 對反應 ，擴散至反應面A和B的量必須滿足化學計量的關系，即 ，把NA寫成NB的形式，并利用 的關系，消去 和 ，可得 因此，增強因子 為 7/16/2022 比較上式，可得 由式(6-45)可知，cBL增大可明顯有利于吸收速率的提高，這是由于組分B供應充足，使的數(shù)值降低，減少了被吸收組分的擴散距離，增大了吸收速率。7/16/2022四、二級不可逆反應 假設被吸收組分A與吸收劑活性組分B發(fā)生不可逆二級反應，反應為 ，此時必須考慮吸收劑活性組分B在液膜中的變化。其濃度變化見圖6-7。 此情況不能直接得到解析解，常用的是液流主體反應進行完畢(cAL0)情況下的

19、近似解，此近似解基于吸收劑組分B不揮發(fā)，在界面 。近界面反應區(qū)的B濃度可近似認為不變，取界面cBi的數(shù)值。7/16/2022 對二級不可逆反應，增強因子可表示為 結合微分方程，可得積分兩次，代入相應的邊界條件可得7/16/2022 將上兩式消去cBi得 式中: 為瞬間反應增強因子，它表征了吸收組分A與活性組分B的擴散速率的相對大小。 7/16/2022 采用上式不能直接計算出 值，為了便于直接得出 值，作出以 為參數(shù)的 圖。只要知道M和 的數(shù)值，從圖可讀得 的數(shù)值。圖6-8 二級不可逆反應的增大因子7/16/2022 由上圖可見兩種極端情況：如果液膜中B的擴散遠大于反應的消耗，則液膜中組分B的

20、濃度可認為恒定值，這就成為虛擬一級快反應。當 時，其增大因子 落在上圖中45斜線之上，即按虛擬一級快反應 來計算;如果反應速率常數(shù)kL很大，而組分B的供應又很不充分時，若 ，此時二級反應過程可作瞬間反應來處理，由圖可見，此時落在右面的水平線上，而且在數(shù)值上 。7/16/2022五、可逆反應 帶可逆反應的吸收過程要復雜一些，這是因為液膜中進行的反應不僅與反應物濃度有關，而且還與生成物濃度有關。下面討論反應的幾種特殊情況。 1. 組分B、Q的濃度作常量處理 當液流主體組分B和Q的濃度較大，在液膜中可視為常量時，A+B Q微分方程組可簡化為一個A組分的微分方程，即 7/16/2022 式中 為虛擬一

21、級正反應速率常數(shù)； 表示與cQL和cBL相平衡的A組分濃度。令 ， ，可得 其邊界條件為 7/16/2022 以 代替cA，可解得 因此，當B和Q可作常量處理時，可逆反應的增強因子將和一級不可逆反應的表示式完全相同，以 代替cAi來計算推動力，用虛擬一級反應速率常數(shù)k1k2cBL來代替一級反應速率常數(shù)。7/16/20222. 一級可逆快反應 當組分B作常量處理，即cB=cBL，A+B Q可簡化為A組分和Q組分兩個微分方程 7/16/2022 對于此類反應，膜式理論的增大因子可表示為 式中： 顯然，當K10時， ；當K1時， ，則成為一級不可逆的情況；當 ，則為瞬間可逆反應情況， 。7/16/2

22、0223. 瞬間可逆反應 瞬間可逆反應進行如此之快，以致在液相中任一點處反應都達到了平衡狀態(tài)。例如，對 , 瞬間可逆反應，液膜中微分方程按化學計量關系可表示為7/16/2022 邊界條件：在液相中任何一點存在積分兩次得式中C1和C2是積分常數(shù)，由 的邊界條件可得7/16/2022 由邊界條件可得 由于組分A在界面上就達到反應平衡，于是組分A的吸收速率應該等于界面上已反應了的組分A(以Q狀態(tài)存在)與未反應的A組分向液膜中擴散速率之和，即 7/16/2022 對x求導，可得 與 相比較可得同理，由A組分和B的化學計量關系積分處理可得7/16/2022六、平行反應 多種反應劑對一種氣體的吸收過程在工

23、業(yè)中極為常見。例如，H2S或CO2被多種有機胺所吸收，CO2被有機胺活化了的溶液所吸收和氯被多種烯烴所吸收等，均屬平行反應過程。 由于反應類型不同，下圖示出多種不同的濃度分布形式。圖6-9 兩種反應劑對一種氣體吸收的濃度分布7/16/20221. 擬一級快反應 當反應劑B1、B2在液相主體和相界面的濃度實質上相同時，則兩反應劑與A的反應均為假一級反應，對任一反應劑Bi，滿足這一情況的判別條件是 式中的 為A與Bi反應劑之間的反應吸收準數(shù)。7/16/2022 若滿足上式的條件，A與Bi之間為擬一級反應。如果A與各反應劑之間的反應都是假一級反應，則A組分的吸收增大因子可由一級不可逆反應的公式計算。

24、但式中的 應按A與所有反應劑之間反應之和來考慮，即 多種反應劑對一種氣體的吸收，增大因子要比單一反應劑為大。7/16/2022 活化MDEA溶液吸收二氧化碳過程，它屬于多種反應劑對一種氣體的吸收過程，此時，雖然活化劑哌嗪數(shù)量很小，但因其吸收中間產物能迅速水解成 ，因而很快恢復其活性，從而可處于“均勻活化”狀態(tài)，即活化劑在液膜中不產生濃度降落。因此屬于擬一級平行反應，反應的情況遵從兩反應劑對二氧化碳擬一級平行吸收關系，可得 式中 為MDEA與CO2反應速率常數(shù) 為哌嗪與CO2反應速率常數(shù)7/16/20222. 瞬間不可逆反應如果各反應劑與A之間都滿足如下條件，即則A與各反應劑之間為瞬間反應，此時

25、增大因子為7/16/2022第四節(jié) 氣-液反應器概述 工業(yè)生產對氣-液反應器有著各種不同的要求，歸納起來主要有下列幾種。一、工業(yè)生產對氣-液反應器的要求 應具備較高的生產強度； 應有利于提高反應的選擇性； 應有利于降低能量消耗； 應有利于控制反應溫度； 應能在較少液體流率下操作。7/16/2022二、氣-液反應器的形式和特點 氣-液反應器按氣-液相接觸形態(tài)可分為：氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的鼓泡反應器、攪拌鼓泡反應器和板式反應器；液體以液滴狀分散在氣相中的噴霧、噴時和文氏反應器等；液體以膜狀運動與氣相進行接觸的填料反應器和降膜反應器等。7/16/2022 填充床反應器：它適用于快速和瞬間反應過

26、程。其軸向返混幾乎可以忽略，廣泛地應用于帶有化學反應的氣體凈化過程。 板式反應器：它適用于快速和中速反應過程。采用多板可以將軸向返混降低至最小程度，并且它可以在很小的液體流速下進行操作，但是板式反應器具有氣相流動壓降較大和傳質表面較低等缺點。7/16/2022 降膜反應器：它降膜反應器為膜式反應設備。通常借管內的流動液膜進行氣液反應，管外使用載熱流體導入或導出反應的熱量。降膜反應器可適用于瞬間和快速的反應過程。 噴霧反應器：它適用于瞬間快速反應，氣相和液相的返混都比較嚴重。7/16/2022 鼓泡反應器：它具有極高的儲液量，適宜于慢反應和放熱量大的場合。鼓泡反應器液相軸向返混很嚴重，在不太大的

27、高徑比情況下，可認為液相處于理想混合狀態(tài)。因此較難在單一連續(xù)反應器中達到較高的液相轉化率，為了解決這一問題。處理量較少的情況通常采用半間歇操作方式，處理量較大的情況則采用多級鼓泡反應器串聯(lián)的操作方式。除此以外，鼓泡反應器尚有鼓泡所耗壓降較大的缺點。7/16/2022 攪拌鼓泡反應器：它亦適用于慢速反應過程，尤其對高粘性的非牛頓型液體更為適用。 高速湍動反應器：噴射反應器、文氏反應器、湍動浮球反應器等屬于高速湍動接觸過程，它們適合于瞬間反應并處于氣膜控制的情況，使用于不可逆反應的場合。7/16/2022第五節(jié) 鼓泡反應器 鼓泡反應器的特點是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、

28、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；同時，鼓泡反應器結構簡單，操作穩(wěn)定，投資和維修費用低。 它的缺點是液相有較大的返混和氣相有較大的壓降。7/16/2022 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器。 工業(yè)所遇到的鼓泡反應器，按其結構可分為：空心式、多段式、氣提式和液體噴射式。7/16/2022 空心式鼓泡塔在工業(yè)上得到了廣泛的應用。這類反應器最適用于緩慢化學反應系統(tǒng)或伴有大量熱效應的反應系統(tǒng)。 若熱效應較大時

29、，可在塔內或塔外裝備熱交換單元，即為具有塔內熱交換單元的鼓泡塔示意圖。7/16/2022 圖6-13 具有塔內熱交換單元的鼓泡塔圖6-12 空心式鼓泡塔7/16/2022 為克服鼓泡塔中的液相返混現(xiàn)象，當高徑比較大時，亦常采用多段鼓泡塔，以提高反應效果。圖6-14 多段式鼓泡反應器7/16/2022 對于高黏性物系，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(含固體催化劑)等情況，常采用氣體提升式鼓泡反應器或液體噴射式鼓泡反應器。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，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，它具有徑向氣液流

30、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)速度可調節(jié)等優(yōu)點。7/16/2022 圖6-16 液體噴射式鼓泡塔圖6-14 多段式鼓泡反應器圖6-15氣體提升式鼓泡反應器7/16/2022一、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：圖617 鼓泡塔流動狀態(tài)分布區(qū)區(qū)域圖7/16/2022 安靜鼓泡區(qū) 當表觀氣速低于0.05時，常處于此種安靜鼓泡區(qū)域，此時，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。湍流鼓泡區(qū) 在較高的表觀氣速下，安靜鼓泡狀態(tài)不再能維持。此時部份氣泡凝聚成大氣泡，塔內氣、液劇烈無定向攪動，呈現(xiàn)極大的液相返混。氣體以大氣泡和小氣

31、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)。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)生在小直徑直至0.15直徑的鼓泡塔中。7/16/2022 上圖中三個流動區(qū)域的交界是模糊的，這是由于氣體分布器的型式、液體的物理化學性質和液相的流速一定程度地影響了流動區(qū)域的轉移。例如，孔徑較大的分布器在很低的氣速下就成為湍流鼓泡區(qū)；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)。 工業(yè)鼓泡塔的操作常處

32、于安靜區(qū)和湍動區(qū)的流動狀態(tài)之中。7/16/2022二、鼓泡反應器的軸向混合 鼓泡塔的氣相軸向彌散系數(shù)EGZ的關聯(lián)式列于下表。1.鼓泡反應器的氣相軸向混合表6-8 氣相軸向彌散系數(shù)關聯(lián)式 (EGZ的單位為 )作者關聯(lián)式文獻作者關聯(lián)式文獻Towell23Mangartz,Pilhofer25Pavlica,Olson24Field,Davidson267/16/20222. 液相軸向彌散系數(shù)鼓泡塔的液相軸向彌散系數(shù)ELZ一般按下式關聯(lián)： 的單位，m 。各研究者所得方程的系數(shù)列于下表。7/16/2022關聯(lián)式的各系數(shù) (ELZ的單位為 ) 文獻KabCTowell231.231.50.50Deckw

33、er270.6781.40.30Hikita280.661.250.38-0.12Decker291.01.41.50.50Badura300.6921.40.330Baird310.7091.330.3330Joshi,Sharma320.311.5107/16/2022 根據推薦，工程計算上采用Deckwer關聯(lián)式為宜，即 由上式計算得鼓泡塔 常處于0.100.16之間，液相可考慮成全混流。7/16/2022三、鼓泡反應器的簡化反應模型 此情況屬于小直徑鼓泡塔的情況。當塔高度較低或操作壓力較高時，操作壓力沿高度的變化可忽略，即可視為等壓反應過程，則按氣相質量衡算和吸收速率關系可得 考慮對氣

34、相反應物A和液相反應劑B均為一級的氣液反應(A vBB產物)。1. 氣相為平推流，液相為全混流7/16/2022 則 式中為惰性組分摩爾流率，或摩爾通量， ; 為液相主體A組分的平衡摩爾分數(shù)。 如為不可逆反應，則 ； 為以容積為基準的氣-液總傳質系數(shù)，其中 7/16/2022 若為不可逆反應，且KGa為常量，由分部積分得不含氣體的清液層高度 若氣體中濃度較稀，則可簡化為 7/16/2022 當鼓泡反應器高度較高而操作壓力又較低時，壓力必隨塔高而變化。若鼓泡反應器塔頂氣相部位的壓力為，清液層總高度為L時，則離氣相進口高度為Z處的壓力為 取 ， ，令 ，則得 此時，由吸收微分方程積分可得7/16/2022 如為不可逆反應，KGa為常量，則 上述各式表示了氣相濃度和高度的關系。至于液相產品，需由氣-液相間物料衡算獲得。7/16/2022 當液相為連續(xù)出料，達定態(tài)時，則當液相為間歇加料和出料，即為非定態(tài)的半間歇過程，則由于y2隨時間t而變，故需對時間積分，即 需聯(lián)立求解，方可求出xB隨t的變化。 7/16/20222. 氣相和液相均為全混流 此情況符合攪拌鼓泡反應器