反應(yīng)工程課件

反應(yīng)工程課件第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1)氣液反應(yīng)的特點(diǎn)(1)反應(yīng)物氣體A液相中組分B，B不揮發(fā)(2)反應(yīng)區(qū)域在液相內(nèi)，包括相界面;(3)多相反應(yīng)，反應(yīng)過程由傳遞過程和化學(xué)反應(yīng)組成;(4)反應(yīng)平衡,包括相平衡和化學(xué)反應(yīng)平衡：氣體液體產(chǎn)品第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2)氣-液的反應(yīng)目的(1）凈化原料氣(2）制取產(chǎn)品

CO2+K2CO3+H2O2KHCO3

SO3+H2OH2SO4NH4HS+H2OH2S+NH3·H2O硫酸尾氣吸收塔轉(zhuǎn)化氣濃硫酸第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

本章主要內(nèi)容

6.1氣－液反應(yīng)平衡

6.2氣－液反應(yīng)歷程

6.3氣－液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征

6.4氣－液反應(yīng)器概述

6.5填料反應(yīng)器第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.1氣－液相平衡

氣－液反應(yīng)的相平衡關(guān)系如下，包括氣－液相平衡和化學(xué)反應(yīng)平衡，先討論相平衡。設(shè)氣相中組分i溶解于液相中，當(dāng)氣－液相平衡時(shí)，組分i在氣相和液相中的逸度相等，即6.1氣－液反應(yīng)平衡

式中：－分逸度；－i的摩爾分率；－i的逸度系數(shù)產(chǎn)物i（氣相）i（液相）＋B（液相）第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日對(duì)于稀溶液，可用亨利定律表示：

式中：－亨利系數(shù)－i在液相中的摩爾分率

1)氣－液平衡的一般關(guān)系第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日(2)氣相為理想氣體混合物

低壓下：

(1)氣相為理想氣體，氣－液相平衡關(guān)系為：

式中：－容積摩爾濃度；－溶解度系數(shù)第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2)Ηi和Ei的關(guān)系

對(duì)于稀溶液，M近似等于溶劑的分子量M0，可得Hi和Ei的近似關(guān)系：

式中:，ρ－溶液密度，M－溶液平均分子量第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日3)Ηi、Ei和溫度的關(guān)系

在大多數(shù)情況下，△Hi為“-”，即溶解時(shí)放熱。討論：?jiǎn)栴}：溫度升高Ηi、Ei增大還是減??？第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1935年蘇聯(lián)學(xué)者克里契夫斯基提出如下關(guān)系式：－i在溶液中的偏摩爾容積，可查文獻(xiàn)得到。4)Ηi、Ei和壓力的關(guān)系

第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日討論：(1)當(dāng)壓力的變化小于50atm時(shí)，對(duì)氣體在液體中的溶解度影響很小，Hi可以近似看做常數(shù)；(2）當(dāng)壓力的變化超過50atm時(shí)，要考慮Hi的變化。問題：壓力升高Ηi、Ei增大還是減?。恳?guī)定：第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.2溶液中氣體溶解度的估算

亨利定律只適用于稀溶液和純?nèi)軇诠I(yè)生產(chǎn)過程中，液相中含有其他電解質(zhì)和非電解質(zhì)，亨利定律并不適用。1)電解質(zhì)溶液的2)非電解質(zhì)溶液的

系數(shù)可由相關(guān)文獻(xiàn)中查得。E、E0為氣體在水中和電解質(zhì)溶液中的亨利系數(shù)。I1、I2為溶液中各電解質(zhì)的離子強(qiáng)度。h1、h2為溶液中各電解質(zhì)所引起的溶解度降低系數(shù)。hs為非電解質(zhì)溶液鹽效應(yīng)系數(shù)。Cs為非電解質(zhì)的濃度。第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日6.1.3帶化學(xué)反應(yīng)的氣液平衡

1)一般的化學(xué)吸收(1)兩相間-相平衡

對(duì)理想氣體混合物，或在低壓的氣體應(yīng)滿足亨利定律Ci=HiPi第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日(2)溶液中-化學(xué)平衡2)氣液反應(yīng)的類型(1）溶劑化作用：被吸收組分溶解后與溶劑相互作用。例如：NH3+H2O=NH4OH第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日溶劑化的一般形式A、溶液中-滿足化學(xué)反應(yīng)平衡分析：組分A的溶解量包括兩部分，一部分以A的形態(tài)存在，成為游離或溶解態(tài)的A，即溶液中濃度為CA的部分，是物理溶解量，另一部分與B反應(yīng)轉(zhuǎn)變成了M，即化學(xué)溶解量。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日B、兩相間-滿足相平衡與氣相中分壓PA*相平衡的是液相中的存在形式CA

第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日C、溶液的吸收能力包括物理吸收和化學(xué)吸收兩部分D、溶劑化作用的結(jié)果氣相中的平衡分壓PA*與CA0仍服從亨利定律Ci=HiPi

。只是由于溶劑化作用，使溶解度系數(shù)比以前增大了（1+K1CB）倍。溶劑化作用有利于A的吸收。（2）離解作用：氣體溶質(zhì)A溶于溶劑后，離解為離子。例如：HCl=H++Cl-第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日離解作用的一般形式A、溶液中-滿足化學(xué)反應(yīng)平衡B、兩相間-滿足相平衡第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日C、溶液中A的總?cè)芙饬堪–A和CM兩種形式存在的量（3）與活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)A溶于液相后，與液相中的活性組分B之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如：2NH3+H2O+CO2=(NH4)2CO3第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日吸收的一般形式設(shè)B的平衡轉(zhuǎn)化率為R，吸收達(dá)到平衡時(shí)：CB=CB0(1-R)CM=CB0RA、液相中-化學(xué)反應(yīng)平衡第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日B、兩相間-相平衡

C、求解第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日3）對(duì)化學(xué)吸收的討論（1）壓力的影響B(tài)、高壓下A、低壓下第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日C、討論

物理吸收時(shí)，在任何壓力范圍內(nèi)都符合亨利定律，CA=HAPA，直線，斜率為HA，壓力增大，吸附量增大，無極限量。

化學(xué)吸收時(shí)為曲線，在低壓下符合亨利定律，CA*=CB0HAK1PA*，幾乎為直線，但斜率比純物理吸收大。在高壓下趨近于CB0，定值。中壓范圍內(nèi)為曲線。第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日（2）溫度的影響A、對(duì)物理吸收提高溫度，溶解度系數(shù)HA下降，吸附量下降，但影響比較小。B、對(duì)化學(xué)吸收改變溫度要影響HA和K，對(duì)K的影響大。所以溫度對(duì)化學(xué)吸收的影響大。（3）再生過程A、對(duì)物理吸收再生，主要是降壓。B、對(duì)化學(xué)吸收再生，主要是加熱（放熱反應(yīng)）。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

6.2氣-液反應(yīng)歷程6.2.1氣－液相間物質(zhì)傳遞

1）雙膜理論

雙膜論是W.G..Whitman于1923年提出的。（1）模型要點(diǎn)

A、呈滯流的雙膜假定在相界面的兩側(cè)存在著氣膜和液膜。流體在雙膜中呈滯流。

B、氣－液的相間阻力假定氣－液相主體濃度不變。氣－液間阻力簡(jiǎn)化集中在氣膜和液膜內(nèi)。

C、界面平衡氣－液兩相在界面上達(dá)到平衡。第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日D、傳質(zhì)速率氣相一側(cè)：傳質(zhì)速率＝穩(wěn)定的分子擴(kuò)散速率液相一側(cè)：傳質(zhì)速率＝穩(wěn)定的分子擴(kuò)散速率把滯流膜作為靜止膜，忽略流動(dòng)過程對(duì)傳質(zhì)的貢獻(xiàn)。第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日2）吸收速率N界面上

消去界面濃度

第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日式中第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日思考題1、升高溫度，溶解度系數(shù)H（），亨利系數(shù)E(）；增加壓力，溶解度系數(shù)H（），亨利系數(shù)E（）；2、物理吸收時(shí)，氣體的溶解度隨分壓呈（）關(guān)系,而化學(xué)吸收則（）關(guān)系;物理吸收宜應(yīng)用于（）的情況,而化學(xué)吸收宜應(yīng)用于（）的情況。3、簡(jiǎn)述雙膜理論。4、若氣液間的傳質(zhì)速率為試證明第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日6.2.2化學(xué)反應(yīng)在相間傳遞中的作用產(chǎn)物A（氣相）A（液相）＋bB（液相）1）概述在雙膜論的基礎(chǔ)上范克雷文論和霍夫蔕澤爾（Van.KreveLen,Hoftiper）提出了等溫?cái)U(kuò)散－反應(yīng)膜模型。（1）反應(yīng)步驟A、氣膜擴(kuò)散穩(wěn)定的分子擴(kuò)散，A從氣相主體到達(dá)相界面。PAG→PAi第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日C、擴(kuò)散－反應(yīng)過程A在液膜內(nèi)擴(kuò)散－反應(yīng)CAi→CALB、界面上平衡

PAi→CAi

（2）計(jì)算公式A、氣相一側(cè)吸收速率B、界面上平衡CAi=HAPAi

C、液相一側(cè)吸收速率

結(jié)論：化學(xué)反應(yīng)的作用可增大吸收速率，但反應(yīng)速率不同，對(duì)吸收過程所做的貢獻(xiàn)也不同.第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

2）化學(xué)反應(yīng)可忽略的過程

氣體A的吸收量＝液相中反應(yīng)量＋物理溶解量化學(xué)反應(yīng)可忽略的條件：反應(yīng)量<<物理溶解量一級(jí)不可逆反應(yīng)，rA=k1CA，其判別條件為：k1t<<1

Vk1CA<<V0CA式中：V－反應(yīng)器中積液量；V0－液體流量；結(jié)論：對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)，當(dāng)k1t遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1時(shí),化學(xué)反應(yīng)的作用可忽略不計(jì)。V、CAv0、CA分析：第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日3）液相主體中進(jìn)行緩慢化學(xué)反應(yīng)過程（2）緩慢化學(xué)反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行的條件

（1)緩慢化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的區(qū)域液膜中反應(yīng)量<<液膜中擴(kuò)散量如果A和B的化學(xué)反應(yīng)比較緩慢，在液膜內(nèi)不能完成，絕大部分在液相主體內(nèi)完成。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

對(duì)于一級(jí)不可逆反應(yīng)δLFk1CA<<kL（CAi-CAL)F（3)無因次吸收準(zhǔn)數(shù)M

物理意義：δL

k1CAi<<kLCAi液膜中反應(yīng)量<<液膜中擴(kuò)散量用最大值比：第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

無因次吸收準(zhǔn)數(shù)M的幾種形式：4）M準(zhǔn)數(shù)判據(jù)

無因次準(zhǔn)數(shù)M表示了液膜中反應(yīng)速率與傳遞速率之比值。由M數(shù)值的大小，可以決定反應(yīng)類別，即相對(duì)于傳遞過程的速率類別。條件反應(yīng)類別反應(yīng)進(jìn)行情況M》1快速反應(yīng)過程反應(yīng)在液膜中進(jìn)行完畢M《1緩慢反應(yīng)過程反應(yīng)在液流主體中進(jìn)行第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日八田數(shù)

條件反應(yīng)類別反應(yīng)進(jìn)行情況》3瞬時(shí)反應(yīng)在某一反應(yīng)面瞬時(shí)完成﹥3快反應(yīng)反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐耗?nèi)0.1﹤﹤3中速反應(yīng)液膜+液主體﹤0.1慢反應(yīng)主要在液主體進(jìn)行《0.1極慢反應(yīng)完全在液主體進(jìn)行第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

以界面為基準(zhǔn)的吸收速率NA和純物理吸收速率NA′之比值稱之為化學(xué)吸收增強(qiáng)因子,記作?5）化學(xué)吸收增強(qiáng)因子?（1）?的定義化學(xué)吸收增強(qiáng)因子反映了化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)過程的加強(qiáng)程度。（2）基準(zhǔn)的選取和β的大小以界面為基準(zhǔn)的吸收速率引進(jìn)β后，吸收速率：β的大小和NA′的選取有關(guān)。第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

當(dāng)溶解的氣體和B發(fā)生反應(yīng)時(shí)，在液膜內(nèi)A的濃度分布為曲線。如果沒有化學(xué)反應(yīng)，A的濃度分布為直線DE，物理吸收速率為:（CAi－CAL）化學(xué)反應(yīng)加強(qiáng)了氣－液相間的傳遞過程?！凹訌?qiáng)”的基準(zhǔn)是相同條件下的物理吸收速率NA′?；瘜W(xué)反應(yīng)在整個(gè)傳遞過程中的作用可以區(qū)分為多種情況。NA′=kL（CAi－CAL）

︱DD′的斜率︱＞︱DE的斜率︱,則有NA＞NA′。第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

（3)可逆反應(yīng)

B、

A、基準(zhǔn)

NA′=kL（CAi－CAL），由于E點(diǎn)是隨反應(yīng)不同而上下浮動(dòng)的，故稱為浮動(dòng)坐標(biāo)。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

（4)不可逆反應(yīng)瞬間反應(yīng)、快速反應(yīng)：β>1中速反應(yīng)：β>1慢速反應(yīng)：β1A、基準(zhǔn)

NA′=kL·CAi固定坐標(biāo)

B、第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日（5)?的作用

對(duì)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(duì)于化學(xué)吸收而言，只需求出?即可計(jì)算出NA。引進(jìn)?

后，可以把NA表示成?

和NA′的乘積。

A、對(duì)于可逆反應(yīng)

氣相一側(cè)

界面CAi=HAPAi

液相一側(cè)第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

CAi=HAPAi第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日

氣－液相間吸收速率

KG、KL和物理吸收的KG、KL相比，其中增加了化學(xué)吸收增強(qiáng)因子。式中第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日界面上平衡

氣相一側(cè)吸收速率（直線DD′的斜率）B、不可逆反應(yīng)液相一側(cè)吸收速率

CAi=HAPAi

NA=以界面為基準(zhǔn)液相方向的擴(kuò)散速率

第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期日1）說明氣—液反應(yīng)的無因次準(zhǔn)數(shù)M的數(shù)學(xué)表達(dá)式及物理意義。2）氣液反應(yīng)的準(zhǔn)數(shù)M表示了液膜中（）速率與（）速率之比值。當(dāng)M〉〉1時(shí)、屬（）反應(yīng)過程，反應(yīng)在（）進(jìn)行完畢。3）氣液反應(yīng)的無因次準(zhǔn)數(shù)M??1時(shí)，為（）反應(yīng)過程，反應(yīng)在（）中進(jìn)行。4）如何用無因次準(zhǔn)數(shù)M來判斷氣-液反應(yīng)的類別及反應(yīng)進(jìn)行的區(qū)域？5）何謂化學(xué)吸收的增強(qiáng)因子β?

思考題第五十頁，共五十六頁，編輯于2023