多流體相的反應(yīng)過程

多流體相的反應(yīng)過程2023/4/28第1頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

8.1理論簡述所謂氣液相反應(yīng)，是氣相中的組分必須進(jìn)人到液相中才能進(jìn)行的反應(yīng)。氣-液相反應(yīng)是一類重要的非均相反應(yīng)。主要分為二種類型：1、化學(xué)吸收：例如原料氣凈化、產(chǎn)品提純、廢氣處理等。2、制取化工產(chǎn)品:例如水吸收二氧化氮以生產(chǎn)硝酸，乙烯在氯化鈀水溶液中氧化制乙醛，前者為非催化反應(yīng)，后者則是液相絡(luò)合催化反應(yīng)。2023/4/28第2頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一1、化學(xué)吸收液相吸收劑中的活性組分與被吸收氣體中某組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成產(chǎn)物的化學(xué)吸收，可用于脫除氣體中的有害組分，或回收氣相中的有用組分。當(dāng)工藝要求氣相中某活性組分濃度很低而用物理吸收方法難以達(dá)到時，常采用化學(xué)吸收法。與物理吸收相比，化學(xué)吸收推動力大，可更快速徹底地吸收氣相中的某些組分?；瘜W(xué)吸收的基本要求：無毒無害無腐蝕、成本低易回收。2023/4/28第3頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2、制備化學(xué)品氣相和液相反應(yīng)物間發(fā)生催化反應(yīng)或非催化反應(yīng)而生成產(chǎn)物。2023/4/28第4頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一氣液相反應(yīng)器的型式塔式反應(yīng)器板式塔填料塔釜式反應(yīng)器如鼓泡攪拌釜鼓泡塔、噴霧塔2023/4/28第5頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一填料塔板式塔2023/4/28第6頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一規(guī)整填料塑料絲網(wǎng)波紋填料散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料2023/4/28第7頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一DC環(huán)共軛環(huán)聚丙烯花環(huán)聚丙烯階梯環(huán).聚丙烯鮑爾環(huán)海爾環(huán)聚丙烯共軛環(huán)階梯環(huán)共軛環(huán)改型鮑爾環(huán)各種散裝填料2023/4/28第8頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一乙醇胺水溶液吸收CO2液體分布器吸收液尾氣2023/4/28第9頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一雙膜理論：由Lewis和Whitman在上世紀(jì)二十年代提出，是較早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)：1）氣液界面的兩側(cè)分別有一呈層流流動的氣膜和液膜，膜的厚度隨流動狀態(tài)而變化。2）組分在氣膜和液膜內(nèi)以分子擴(kuò)散形式傳質(zhì)，服從費(fèi)克定律。3）通過氣膜傳遞到相界面的溶質(zhì)組分瞬間溶于液相且達(dá)到平衡，符合亨利定律，相界面上不存在傳質(zhì)阻力。4）氣相和液相主體內(nèi)混合均勻，不存在傳質(zhì)阻力。全部傳質(zhì)阻力都集中在二層膜內(nèi)，各膜內(nèi)的阻力可以串聯(lián)相加。2023/4/28第10頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一假設(shè)：溶劑不揮發(fā)，氣體中溶質(zhì)以外的組分不溶解。反應(yīng)完全發(fā)生在液膜和液相主體中。雙膜理論是把復(fù)雜的相際傳質(zhì)過程模擬成串聯(lián)的兩層穩(wěn)定薄膜中的分子擴(kuò)散。相際傳質(zhì)的總阻力，被簡化為雙膜阻力的疊加。2023/4/28第11頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一pAG,pA,pAI分別為組分A在氣相主體,氣膜和相界面的分壓；cAL,cA,cAI分別為組分A在液相主體，液膜和相界面的濃度；Z為擴(kuò)散途徑的坐標(biāo)，δG，δL分別為氣膜和液膜的厚度。雙膜模型組分A相際傳質(zhì)示意圖2023/4/28第12頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)雙膜理論的物理模型，邊界條件：而液膜傳質(zhì)速率：2023/4/28第13頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一而氣膜中的傳質(zhì)速率：根據(jù)亨利定律：相界面處達(dá)到平衡2023/4/28第14頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一相關(guān)鏈接：亨利定律即當(dāng)總壓不太高，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線。即溶質(zhì)在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓；液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；比例系數(shù)，稱為亨利系數(shù)?；?qū)懽?023/4/28第15頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/28第16頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一氣液相反應(yīng)是傳質(zhì)與反應(yīng)過程的綜合，其宏觀反應(yīng)速率取決于其中速率最慢的一步，即控制步驟。如反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于傳質(zhì)速率，則稱為傳質(zhì)控制（氣膜或液膜擴(kuò)散控制），宏觀反應(yīng)速率在形式上就是相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程。如傳質(zhì)速率遠(yuǎn)大于反應(yīng)速率，稱為反應(yīng)控制，宏觀反應(yīng)速率就等于本征反應(yīng)速率。如果傳質(zhì)速率與反應(yīng)速率相當(dāng)，則宏觀反應(yīng)速率要同時考慮傳質(zhì)和反應(yīng)的影響。了解氣液反應(yīng)的控制步驟，是對過程進(jìn)行分析和設(shè)備選型的重要依據(jù)。8.2伴有不可逆與可逆反應(yīng)的傳質(zhì)2023/4/28第17頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一氣液相反應(yīng)的類型根據(jù)反應(yīng)速率相對快慢，分為以下八種類型。（1）瞬間快速反應(yīng)（2）界面反應(yīng)（3）二級快速反應(yīng)（4）擬一級快速反應(yīng)（5）二級中速反應(yīng)（6）擬一級中速反應(yīng)（7）二級慢速反應(yīng)（8）極慢反應(yīng)2023/4/28第18頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（1）瞬間快速反應(yīng)（2）界面反應(yīng)反應(yīng)面就在氣液相分界面上，總反應(yīng)速率取決于氣膜內(nèi)A的擴(kuò)散速率。相當(dāng)于(a)反應(yīng)面擴(kuò)展為反應(yīng)區(qū)，A、B并存。尚屬快反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)仍在液膜內(nèi)，并不進(jìn)入液相主體。2023/4/28第19頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（3）二級快速反應(yīng)（4）擬一級快速反應(yīng)（c）二級快反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)在液膜內(nèi)相當(dāng)于(a)反應(yīng)面擴(kuò)展為反應(yīng)區(qū)，A、B并存。尚屬快反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)仍在液膜內(nèi)，并不進(jìn)入液相主體。快速反應(yīng)，cB高，可視為擬一級反應(yīng)，液膜內(nèi)cB變化可以忽略。2023/4/28第20頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（5）二級中速反應(yīng)（6）擬一級中速反應(yīng)中等速率反應(yīng)，故在液膜和液相主體中都發(fā)生反應(yīng)。2023/4/28第21頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（7）二級慢速反應(yīng)（8）極慢反應(yīng)和傳質(zhì)滾率相比反應(yīng)緩慢，反應(yīng)主要發(fā)生在液相主體。但A傳遞入主體時液膜阻力仍然有影響。反應(yīng)極其緩慢，傳質(zhì)阻力可忽略，在液相中組分A和B是均勻的反應(yīng)速率完全取決于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)2023/4/28第22頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一8.2.1基礎(chǔ)方程可由雙膜理論和Fick定律導(dǎo)出。設(shè)反應(yīng)為定常態(tài)條件下，在單位面積的液膜中取一厚度為dz的微元層，對組分A作物料衡算：圖8-3邊界條件：2023/4/28第23頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一同理可得此二式即二級不可逆氣液反應(yīng)的基礎(chǔ)方程，根據(jù)不同類型氣液反應(yīng)的邊界條件，可得到不同特解。整理得（8-12）2023/4/28第24頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一不同類型氣液相二級反應(yīng)的宏觀速率式δLδR反應(yīng)面相界面cAipApAicBL如圖，反應(yīng)僅在反應(yīng)面上，反應(yīng)面左側(cè)只含A，右側(cè)只含B。因此，反應(yīng)面兩側(cè)的擴(kuò)散傳質(zhì)均不受化學(xué)反應(yīng)影響。即：（1）瞬間快速反應(yīng)2023/4/28第25頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一邊界條件：2023/4/28第26頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一將二階微分方程積分得到液膜中A的濃度分布為：定常態(tài)操作時，單位界面上反應(yīng)量等于擴(kuò)散通量，即以單位表面積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率2023/4/28第27頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一將A的濃度分布對z求導(dǎo)后代入上式得稱為液膜傳質(zhì)系數(shù)稱為瞬間反應(yīng)的增強(qiáng)系數(shù)。物理意義是氣液反應(yīng)條件下組分A的消失速率與最大物理吸收速率之比2023/4/28第28頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一式中cAi是界面濃度，難以測定，工程設(shè)計(jì)中通常將其換算為容易測量的pA來表示的反應(yīng)速率。因?yàn)?，在相界面上，溶解達(dá)到平衡，氣液組成符合亨利定律2023/4/28第29頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一上式可變換為則得2023/4/28第30頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（2）界面反應(yīng)液相中B的濃度足夠大時，反應(yīng)面位置與相界面重合，此時，A組分的消失速率取決于其在氣膜中的擴(kuò)散速率。該過程屬于氣膜控制過程。2023/4/28第31頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)面位置的判別由和解得2023/4/28第32頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一若則必為界面反應(yīng)。式中分母恒為正值，如分子為正，則cAi>0，反應(yīng)必發(fā)生在液膜內(nèi)某處面上，故為瞬間快速反應(yīng)，如果分子為負(fù)值，則cAi<0，或當(dāng)cAi=0時，表示界面上A的液相濃度及氣相分壓均為0，所必定為界面反應(yīng)。判據(jù)：2023/4/28第33頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一習(xí)題P27512023/4/28第34頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（3）擬一級快速反應(yīng)A、B兩組分的反應(yīng)在液膜中某個區(qū)域內(nèi)完成，且液膜中B的濃度基本不變，因而二級不可逆反應(yīng)可簡化為擬一級反應(yīng)。反應(yīng)在液相中進(jìn)行：式中，k1=kcBL，在一定溫度下可做常數(shù)處理，假定反應(yīng)區(qū)域充滿整個液膜，則基礎(chǔ)方程為：2023/4/28第35頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一基礎(chǔ)方程邊界條件基礎(chǔ)方程的解為：（8-28）2023/4/28第36頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一式中，雙曲正弦函數(shù)膜內(nèi)增強(qiáng)系數(shù)γ又稱為Hatta準(zhǔn)數(shù)（或八田準(zhǔn)數(shù)），其物理意義是：因此，可由γ值判斷反應(yīng)快慢程度。2023/4/28第37頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)膜內(nèi)組分A的濃度分布式就可求得宏觀反應(yīng)速率：式中，

稱為一級不可逆氣液反應(yīng)的增強(qiáng)系數(shù)(增加因子)，其物理意義為圖8-6β－γ關(guān)系圖（8-29）2023/4/28第38頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一β與γ的對應(yīng)值：

γ0.010.111.5231.000031.003331.3131.6592.0753.015γ<0.02極慢反應(yīng)β≈1.00.02<γ<2中速反應(yīng)γ>3快速反應(yīng)β≈γ2023/4/28第39頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（4）二級快速反應(yīng)A與B的反應(yīng)速度較快，但不是瞬間完成，反應(yīng)的區(qū)域在液膜中，在液膜內(nèi)完成反應(yīng)，即在液相主體中沒有A，也沒有A與B的反應(yīng)。A和B的濃度均隨膜厚變化。但cB隨著液膜厚度而變化。2023/4/28第40頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一邊界條件近似解（8-25）宏觀速率方程式（8-25）是隱式方程，可用試差法求解，也可查圖8-5求其值。（8-27）基礎(chǔ)方程2023/4/28第41頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一圖8-5β-γ關(guān)系曲線圖0.1110102103

βγ<0.02極慢反應(yīng)β≈1.00.02<γ<2中速反應(yīng)γ>3快速反應(yīng)β≈γ2023/4/28第42頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（5）擬一級中速反應(yīng)反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐耗ず鸵合嘀黧w，液膜中B濃度基本不變?；A(chǔ)方程邊界條件2023/4/28第43頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一顯式解：（8-22）式中，ε是氣相體積分率；a是單位氣液混合物體積具有的相界面；δ是液膜厚度；aδ是單位體積中液膜的體積；2023/4/28第44頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（6）二級中速反應(yīng)A與B在液膜中發(fā)生反應(yīng)，但因反應(yīng)速率不太快，因此會有部分A在液膜中不能反應(yīng)完畢，進(jìn)入液相主體并在液相主體中繼續(xù)與B組分反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐耗ず鸵合嘀黧w，液膜中B濃度隨膜厚變化。2023/4/28第45頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一除在液膜中cB有變化之外，其余與擬一級中速反應(yīng)相同，其基礎(chǔ)方程為：邊界條件與擬一級中速反應(yīng)相同，方程無解析解，只有近似解。2023/4/28第46頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（7）二級慢速反應(yīng)A與B反應(yīng)進(jìn)行很慢，擴(kuò)散通過相界面的氣相組分A在液膜中與液相組分B發(fā)生反應(yīng)，但大部分A反應(yīng)不完而擴(kuò)散進(jìn)入液相主體，并在液相主體與B發(fā)生反應(yīng)，由于液膜在整個液相中所占體積分率很小，液膜中的反應(yīng)量比液相主體中小得多，可以忽略不計(jì)。2023/4/28第47頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（7）二級慢速反應(yīng)反應(yīng)主要在液相主體中進(jìn)行。即由氣相主體傳入液相的A，完全在液相中反應(yīng)，而氣膜和液膜中的傳質(zhì)是純物理過程。定常態(tài)操作時，通過氣膜和液膜傳遞的A的量與液相主體中反應(yīng)消耗的A的量相等，即：2023/4/28第48頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一式中，a是單位液相體積具有的相界面。

pA*是與cAL成平衡的氣相分壓。（8-34）2023/4/28第49頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（8）極慢反應(yīng)A與B的反應(yīng)極慢，A、B在液膜中的濃度與它們在液相主體中的濃度相同，擴(kuò)散速率>>反應(yīng)速率，傳質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，屬于反應(yīng)控制，氣液相宏觀反應(yīng)速率等于液相主體中的本征反應(yīng)速率。2023/4/28第50頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（8-20）此過程可以直接運(yùn)用本征動力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算。2023/4/28第51頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一綜合以上八種氣液相反應(yīng)的情況，可用γ、β以及（1-ε）aδ為參數(shù)標(biāo)繪成β~γ曲線，由圖查得β值，則氣液相反應(yīng)的宏觀速率即為：不同的反應(yīng)，β的表達(dá)式不同。β值可查圖8-5求得。2023/4/28第52頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一兩個重要參數(shù)：化學(xué)吸收增加系數(shù)（增強(qiáng)因子）β和八田準(zhǔn)數(shù)γ。β=f(γ，cAi,cAL),γ=f(k,DALδL)宏觀反應(yīng)速率最終取決于反應(yīng)物A的反應(yīng)特性k，傳遞特性DAL和體系的流體力學(xué)特性δL。強(qiáng)化宏觀反應(yīng)速率需要提高k，DAL，減小δL。當(dāng)然還與氣相傳遞特性有關(guān)。8.2.2氣液非均相系統(tǒng)中的幾個重要參數(shù)2023/4/28第53頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一γ決定了反應(yīng)是快是慢，是否存在反應(yīng)面，反應(yīng)在何處進(jìn)行。判據(jù)：γ>2屬于瞬間反應(yīng)或快反應(yīng)過程；宜選用停留時間短的反應(yīng)器，如填料塔。0.02<γ<2為中速反應(yīng)；反應(yīng)大量在液相主體進(jìn)行，宜選用持液量大的反應(yīng)器，如鼓泡塔。γ<0.02屬于慢反應(yīng)。2023/4/28第54頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一1)（1）化學(xué)吸收增強(qiáng)系數(shù)(增強(qiáng)因子)β化學(xué)吸收增強(qiáng)因子反映了化學(xué)反應(yīng)對傳質(zhì)過程的加強(qiáng)程度。

β的定義以界面為基準(zhǔn)的吸收速率NA和基準(zhǔn)物理吸收速率NA′之比值稱之為化學(xué)吸收增強(qiáng)因子,記作β2023/4/28第55頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2)基準(zhǔn)的選取和β的大小引進(jìn)后，吸收速率：的大小和NA′的選取有關(guān)。以界面為基準(zhǔn)的吸收速率2023/4/28第56頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一3)β的作用對于物理吸收過程的研究以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算已經(jīng)較為成熟，可以直接引用。對于化學(xué)吸收而言，只需求出β即可。計(jì)算出NA。①對于可逆反應(yīng)氣相一側(cè)界面液相一側(cè)cAi=HAPAi2023/4/28第57頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一

γ<0.02極慢反應(yīng)β≈1.00.02<γ<2中速反應(yīng)β=γ/tanhγ

γ>3快速反應(yīng)β≈γ注意：不同的氣液反應(yīng)，導(dǎo)出的增強(qiáng)系數(shù)形式不同。β與γ的關(guān)系見圖8-62023/4/28第58頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一瞬間反應(yīng)：擬一級快速反應(yīng)：二級快速反應(yīng)：2023/4/28第59頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（2）膜內(nèi)增強(qiáng)系數(shù)γ（Hatta）是一個無因此數(shù)，其物理意義，其值的大小反映了通過相界面的氣相組分A在液膜中反應(yīng)掉的分率，由膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)值的大小推知傳質(zhì)速率的相對大小。判據(jù)：γ>2屬于瞬間反應(yīng)或快反應(yīng)過程；宜選用停留時間短的反應(yīng)器，如填料塔。0.02<γ<2為中速反應(yīng)；反應(yīng)大量在液相主體進(jìn)行，宜選用持液量大的反應(yīng)器，如鼓泡塔。γ<0.02屬于慢反應(yīng)。2023/4/28第60頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)：整理綜合八種反應(yīng)2023/4/28第61頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一8.2.3反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)測定測定氣液相反應(yīng)速率常用的實(shí)驗(yàn)裝置是雙混和反應(yīng)器，如圖。此反應(yīng)器由上下兩部分組成，中間中大小可調(diào)的隔板隔開，上部為反應(yīng)氣體，下部為反應(yīng)液體，氣液兩相的接觸面在隔板的中央。上部氣相與下部液相中各裝有攪拌裝置，使兩相均處于全混流狀態(tài)，改變攪拌速度可改變氣膜與液膜的厚度，并因此改變傳質(zhì)阻力。2023/4/28第62頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一雙混合實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器可以判斷氣液相反應(yīng)的類型。若氣相攪拌速率↑，（-rA）↑，則說明氣膜擴(kuò)散阻力大，反應(yīng)速率是快速的；而氣相攪拌轉(zhuǎn)速↑，（-rA）基本不變，則說明氣膜擴(kuò)散阻力較輕，可忽略不計(jì)，反應(yīng)為控制步驟。2023/4/28第63頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一若單位時間內(nèi)消失的A量與氣液相界面積成正比，則為瞬間反應(yīng)或快速反應(yīng)；若A的消失速率與相界面積無關(guān)而與液相體積成正比，則說明是在液相主體中進(jìn)行的慢反應(yīng)；如果氣相組分A的消失速率與氣液相界面積及液相體積兩者均有關(guān)，則可判斷為中速反應(yīng)。2023/4/28第64頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一判別氣液相反應(yīng)的類型，對于正確選擇反應(yīng)器形式十分重要，因?yàn)椴煌臍庖悍磻?yīng)器具有不同的比相界面和貯液量，因而具有不同的傳遞性能和反應(yīng)性能?？焖俜磻?yīng)：反應(yīng)場所僅在液膜同，宜選用比相界面大的反應(yīng)器類型，如填料塔、噴霧器、濕壁塔等。慢速反應(yīng)：液相主體是進(jìn)行反應(yīng)的主要場所，選擇反應(yīng)器則首先是持液量大的反應(yīng)器，如鼓泡塔等。中速反應(yīng)：要同時兼顧氣液相界面積和持液量，可選用板式塔、鼓泡攪拌釜等。2023/4/28第65頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一8.2.4氣液相反應(yīng)器選型氣液反應(yīng)器的主要類型示意圖填料塔噴淋塔板式塔鼓泡塔攪拌反應(yīng)釜管式反應(yīng)器2023/4/28第66頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一表8一2氣液相接觸設(shè)備的性能比較2023/4/28第67頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一反應(yīng)器選型一般要考慮如下因素：①氣液接觸形式塔式設(shè)備中氣體、液體均可近似看成活塞流，采用逆流接觸方式具有最大的推動力；鼓泡塔中氣體呈活塞流，液體近似為全混流；攪拌釜中氣、液兩相均可看成全混流。②相間傳質(zhì)系數(shù)kGA、kLA液體呈滴狀處于連續(xù)的氣相中kGA較高，kLA較低；氣體呈上升的氣泡通過連續(xù)的液相時kLA較高，kGA較低。2023/4/28第68頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一③氣、液流動速率除填料塔以外的其他氣液反應(yīng)器液速/氣速比可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)而不影響操作；填料塔的液速/氣速比在常壓下一般控制在10左右。④氣液反應(yīng)控制步驟傳質(zhì)控制的快反應(yīng)應(yīng)選擇具有高相界面的設(shè)備，但要注意結(jié)合考慮傳質(zhì)系數(shù)的影響；反應(yīng)控制的慢反應(yīng)選用具有高液含率的釜式設(shè)備或鼓泡塔。2023/4/28第69頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一解：故該反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐合嘀黧w。可選擇持液量大的攪拌釜或鼓泡塔反應(yīng)器。例：二級氣液反應(yīng)A+B→R，-rA=20cAcBmol/cm3·s，已知DAL=2.0×10-5cm2/s，cBL=2.5×10-3mol/cm3，kLA=0.1cm/s。試判斷該反應(yīng)的類型和反應(yīng)區(qū)域，并選擇合適的反應(yīng)器。2023/4/28第70頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一一、工業(yè)生產(chǎn)對氣－液反應(yīng)器的要求工業(yè)生產(chǎn)對氣－液反應(yīng)器的要求有如下幾點(diǎn)。具備較高的生產(chǎn)強(qiáng)度根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)的特性選擇反應(yīng)器，使反應(yīng)器具備較高的生產(chǎn)強(qiáng)度。1）氣膜控制系統(tǒng)，應(yīng)選擇氣相容積傳質(zhì)系數(shù)大的反應(yīng)器，例如噴射塔和文丘里反應(yīng)器等。2）快速反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)在界面附近的液膜中進(jìn)行，應(yīng)選擇表面積較大的反應(yīng)器，例如填料塔和板式反應(yīng)器。氣－液反應(yīng)器概述3）緩慢反應(yīng)系統(tǒng)，反應(yīng)在液流主體中進(jìn)行，應(yīng)選擇液相容積大的設(shè)備，例如鼓泡反應(yīng)器和攪拌鼓泡反應(yīng)器。2023/4/28第71頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一2.有利于提高反應(yīng)的選擇性對于多重反應(yīng)，選擇的反應(yīng)器要有利于主反應(yīng)，而要抑制副反應(yīng)。例如對于平行反應(yīng)，主反應(yīng)快而副反應(yīng)慢，則要選擇儲液量較少的反應(yīng)器來抑制副反應(yīng)的發(fā)生。3.有利于降低能耗為了使氣－液兩相分散接觸，需要消耗一定的動力，就比表面積而言，噴射吸收器所需的能耗最小，其次是攪拌反應(yīng)器和填料塔，文氏管和鼓泡反應(yīng)器所需的能耗最大。2023/4/28第72頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一4.有利于控制反應(yīng)溫度氣液反應(yīng)大部分是放熱反應(yīng)，如何排除反應(yīng)熱控制好操作溫度是十分重要的。例如板式塔可以安置冷卻盤管，但在填料塔中，排除反應(yīng)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。5.能在較小液體流率下操作液體流率小，液相轉(zhuǎn)化率高，動力消耗也小，但液體流率的大小應(yīng)符合反應(yīng)器的基本要求。2023/4/28第73頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一1.填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器具有操作適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)簡單、能耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于帶有化學(xué)反應(yīng)的氣體凈化過程，適用于快速和瞬間反應(yīng)過程。2.板式反應(yīng)器板式反應(yīng)器可以將軸向返混降低至最小程度，在單塔中獲得極高的液相轉(zhuǎn)化率，并可安裝冷卻或加熱元件，維持所需的溫度，適用于快速和中速反應(yīng)過程。二、氣－液反應(yīng)器的形式和特點(diǎn)2023/4/28第74頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一3.降膜反應(yīng)器降膜反應(yīng)器具有壓降小和沒有返混的優(yōu)點(diǎn)，適用于快速和瞬間反應(yīng)過程。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(guān)鍵問題。4.噴霧反應(yīng)器噴霧反應(yīng)器由空塔構(gòu)成，適用于有污泥、沉淀和固相產(chǎn)物的反應(yīng)過程，適用于受氣膜控制的瞬間反應(yīng)。5.鼓泡反應(yīng)器鼓泡反應(yīng)器具有較高的儲液量，適用于慢反應(yīng)。軸向返混嚴(yán)重，常采用半間歇操作和多級串聯(lián)操作。2023/4/28第75頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一降膜反應(yīng)器2023/4/28第76頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一6.攪拌鼓泡反應(yīng)器攪拌鼓泡反應(yīng)器適用于高粘度的非牛頓型液體，例如廣泛應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)和高分子材料工業(yè)，一般為慢速反應(yīng)過程。7.高速湍動反應(yīng)器噴射反應(yīng)器、文氏反應(yīng)器、湍動浮球反應(yīng)器等屬于高速湍動反應(yīng)器，適用于氣膜控制的瞬間反應(yīng)過程。2023/4/28第77頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一攪拌鼓泡反應(yīng)器2023/4/28第78頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一填料塔具有較高的相界面，氣、液逆流接觸傳質(zhì)推動力大，主要用于傳質(zhì)速率為控制步驟的氣液反應(yīng)。計(jì)算目的是確定填料用量和設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸等。8.3.1填料層高度計(jì)算設(shè)8.3化學(xué)吸收填料塔的計(jì)算化學(xué)吸收填料塔物料衡算2023/4/28第79頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)有氣液相不可逆二級反應(yīng)反應(yīng)為瞬間或快速反應(yīng)，故在液相主體中A組分的濃度cAL=0。假定氣、液兩相流動均為平推流，其濃度隨填料塔層高度呈現(xiàn)連續(xù)變化。G：單位塔截面上氣相惰性組分的摩爾流量；YA:氣相中組分A與惰性組分的摩爾流量之比；XA:液相中組分B與惰性組分的摩爾流量之比；a:為比相界.2023/4/28第80頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一定常態(tài)操作時取一微元段作物料衡算：氣相組分A化簡得：積分（1）2023/4/28第81頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一同理，對液相組分B作物料衡算，可得：化簡得積分（2）若動力學(xué)方程已知，就可由上面的積分計(jì)算填料層高度。因?yàn)閯恿W(xué)方程常用氣體分壓和液相濃度表示，根據(jù)物質(zhì)的量比濃度的定義可對積分式進(jìn)行變換。2023/4/28第82頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)定義：微分代入式（1）和式（2）得2023/4/28第83頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一如果是稀氣體、稀溶液，則（3）（4）2023/4/28第84頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一上式是用得較多的計(jì)算式，因化學(xué)吸收的很多過程都是稀氣體、稀溶液。若已知本征動力學(xué)速率方程，則就可用積分法求得所需的填料層高度。高度計(jì)算公式可簡化為2023/4/28第85頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一[例]在一逆流操作的填料塔中用化學(xué)吸收法把進(jìn)料氣中的有害組合含量從0.1%降低到0.02%，試比較以下幾種情況，求出所需填料層的高度。已知：kGA

·a=32kmol/(h·m3·atm),

kLA

·a=0.1h-1,HA=0.125atm·m3/kmol,氣液流量分別為L=700kmol/(m2·h),G=100kmol/(m2·h),氣相總壓p=1atm,液相的總濃度cT=56kmol/m3.2023/4/28第86頁，共100頁，2023年，2月20日，星期一（1）用純水吸收；（2）用cB1=0.8kmol/m3的反應(yīng)組分的水溶液吸收，反應(yīng)極快，kLA=kLB=kL,液相總濃度cT=56mol/m3,b=1（3）cB1=0..03kmol/m3，