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1、1,第六章气液反应及反应器,第一节气液反应平衡第二节气液反应历程第三节气液反应动力学特征第四节气液反应器概述,2,第六章气液反应及反应器,气液相反应器的定义：包括气相和液相，且气相中的组分必须进入到液相中才能进行的反应。进行气液相反应的装置-气液相反应器基本特征：（1）至少有一反应物在气相（2）反应物都是气相，但须进入液相催化才能进行反应（3）气液相反应属于非均相反应，气相反应物必须经过相界面进入液相，于是不仅包括反应过程，还包括传质过程。,3,第六章气液反应及反应器,有机物氧化有机物氯化有机物加氢其他有机反应酸性气体的吸收,气液相反应器的操作条件不是很苛刻，液相的蒸发和流动可把热量带出，易于
2、实现传热和传质，另外由于高效催化剂的开发，使气液相反应器应用较广泛。,4,第一节气液反应平衡,气液反应与气固相催化反应的异同相似点：反应物历程：外扩散，内扩散反应。气相的扩散反应过程气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应）溶解的气体在液体内的扩散（气液相反应）差别点：（1）单相传质过程（气固相催化反应）VS 相间传质过程（气液反应）（2）对流传质（气液反应）VS孔扩散传质（气固相催化反应）,5,传质方向,Gas,Gas,porousSolid,Liquid,6,第一节气液反应平衡61气液反应平衡,气液相达平衡时，i组分在气相与液相中的化学位相等。化学位通过逸度表达时，则稀溶液符合享利定律若气相
3、为理想气体的混合物,7,第二节气液反应历程64气液相间物质传递,对于气液相反应：A(g）+vB(l)=P其宏观历程为（1）气体组分A从气相主体经气膜向气液界面扩散并在界面处溶解；（2）溶解的组分A再继续向液相内部扩散的同时，与来自液相主体的组分B反应；（3）产物P若为液相则向低浓度方向扩散，若为气相则向气液界面扩散，所以气液反应过程既涉及到传质又涉及到反应过程。用于描述气液两相间传质模型双膜理论，Higbie溶质渗透论，Danckwerts表面更新理论，湍流传质理论,8,第二节气液反应历程64气液相间物质传递,双膜论：双膜理论是二十年代提出的，开发较早，比较简单，应用较广泛，其他理论都是在这个
4、理论的基础上加以不同程度的修正得出的。气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率假设：扩散组分在气液界面处达到气液相平衡。,9,第二节气液反应历程64气液相间物质传递,双膜论的基本假定：1 在相界面两侧有一层气膜G和液膜L；2 气体或液体主体中的传质是湍流扩散，处于理想混合状态，传质速率高，不存在浓度梯度；3 在膜内仅发生分子扩散，所以扩散阻力集中在膜处，膜内传质服从Fick定律；4 在相界面处，气液处于平衡状态，服从Henry定律。,10,双膜理论,G L,pG,pi,CL,Ci,11,双膜理论,阻力加和定理,12,65化学反应在相间传递中的作用,按
5、化学反应和传递的相对大小区分为各种情况一、化学反应可忽略的过程液相中的反应量与物理吸收的量相比可忽略,13,65化学反应在相间传递中的作用,按化学反应和传递的相对大小区分为各种情况二、液相主体中进行缓慢化学反应过程（慢反应）液膜中的反应量远小于通过液膜传递的量,M准数：代表了液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小,14,八田(Hatta)准数,八田准数是与气固催化反应thiele模数相对应的准数两者（平方）的物理意义：反应速率与扩散速率的比值,（或）准数数值大小的含义：M或数值越大：反应越快于传质，传质速率越“跟不上”、“滞后于”反应速率，则，浓度分布越显著。,15,（或）准数数值大小的含义：
6、,G L,pG,pi,CL,Ci,（或）准数数值大小的含义：M或数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,16,（或）准数数值大小的含义：,G L,pG,pi,CL,Ci,（或）准数数值大小的含义：M或数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,17,（或）准数数值大小的含义：,G L,pG,pi,CL,Ci,（或）准数数值大小的含义：M或数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,18,（或）准数数值大小的含义：,G L,pG,pi,CL,Ci,（或）准数数值大小的含义：M或数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,19,（或）准数数值大小的含义：,G L,pG,pi,CL,Ci,（或）
7、准数数值大小的含义：M或数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,20,（或）准数数值大小的含义：,G L,pG,pi,CL,Ci,（或）准数数值大小的含义：M或数值越大，反应越快于传质，浓度分布越显著。,21,三、M准数的判据,M准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小,22,快反应,慢反应,瞬间反应,中速反应,23,四、化学吸收的增强因子,1,24,四、化学吸收的增强因子,D,E,E,D,DD的斜率,DE的斜率,反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，则数值越来越大。,1,25,四、化学吸收的增强因子,D,E,E,D,DD的斜率,DE的斜率,反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，则数值越来越大
8、。,1,26,四、化学吸收的增强因子,D,E,E,D,DD的斜率,DE的斜率,反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，则数值越来越大。,1,27,四、化学吸收的增强因子,化学吸收增强因子1，降低液相传质阻力所占比例。足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定,28,四、化学吸收的增强因子,液相反应利用率,有内扩散影响时的反应速率,无内扩散影响时的反应速率,CAi,CAL,CAL,CAi,当气体净化时，着眼点为气体向液相的传质速率，用。当制取产品时，着眼点为气液反应的速率，用。,29,第三节气液反应动力学特征,6-6伴有化学反应的液相扩散过程讨论气体在液膜中边扩散边反应的过程,通过“扩散反应”方程来确定浓度分
9、布，进而确定化学吸收增强因子,30,扩散入扩散出反应,微元,液膜,31,边界条件,注意，化学吸收速率为：,所以，解出扩散反应方程之后，就能得出化学吸收速率（实际就是气液反应的宏观动力学）,32,6-7一级不可逆反应,反应扩散方程,将此方程进行无因次化,33,34,液相反应利用率（气液反应中有效因子）,有内扩散影响时的反应速率,无内扩散影响时的反应速率,CAi,CAL,CAL,CAi,35,值的大小是对液相利用程度的一种度量：=1表示化学反应在整个液相中均匀进行；1表示反应在液相中不均匀，液相利用不充分。因此，称为液相利用率。,液相反应利用率（气液反应有效因子）,36,6-7一级不可逆反应,分以
10、下三种情况讨论：,当反应速率很大，在液膜中反应完毕虽尚未达快速反应，但从液膜中扩散至液相主体的A组分在主体中反应完毕反应速率很小，反应在液相主体中进行。,37,当反应速率很大，在液膜中反应完毕,CAi,38,中速反应（CAL0的情况）,CAi,CAL,39,反应速率很小，反应在液相主体中进行。,CAi,液相反应速率与液膜传质速率的比值,40,反应速率很小，反应在液相主体中进行。,41,对于快速反应过程，反应在邻近相界面的液膜层中进行，吸收速率仅决定于速率常数、扩散系数和界面浓度。故：加剧液相对流、湍动不能增加吸收速率；改善反应条件、提高界面浓度、增大接触面积则能有效提高吸收速率。对慢反应过程，
11、反应基本上在液相主体中进行，采用液相容积大的吸收设备比较有利。,6-7一级不可逆反应,42,第四节气液反应器概述,612工业生产对气液反应器的要求（1）较高的生产强度（2）有利于反应选择性的提高（3）有利于降低能量消耗（4）有利于反应温度的控制（5）应能在较少流体流率下操作,43,第四节气液反应器概述,气液反应器按气液接触形态可分为,44,613气液反应器的形式和特点（1）填充床反应器（packed column reactor),L,L,G,G,用于气液反应时，也可以并流操作,45,格利奇(Glitsch)填料,麦拉派克(Mellapark)填料,46,第四节气液反应器概述,填充床反应器适用
12、于快速和瞬间反应过程；液体轴向返混几乎可以忽略，气液相流型均接近活塞流，因此可用于要求高转化率的反应；填充床反应器具有操作适应性好，气液相流率的允许变化范围大，特别适合于低气速，高液速的场合；单位体积相界面大而持液量小，适用于阻力主要在相间传递的气液反应过程；另外还有具有气相流动的压降较低，操作费用较小，结构简单，能耐腐蚀等优点，广泛的应用于带有化学反应的气体净化过程，吸收过程等。,47,第四节气液反应器概述,填充床的主要缺点是：1 液相停留时间短，对慢反应不适合2 填料易为固体颗粒堵塞，不适合含有固体悬浮物的体系3 为保证填料效率，不能用于液体流率太低的场合4 传热性能差，不适用于反应热效应
13、大的场合,48,613气液反应器的形式和特点（2）板式反应器(tray column reactor),L,L,G,G,板式反应器适用于快速和中苏反应过称，采用多板可以将轴向返混降低至最小程度，它可以在很小的液体流率下进行操作，液体流率和停留时间均可在较大范围内变动，从而能在单塔中直接获得较高的液相转化率，同时，板式反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需反应温度的要求，例如在用水吸收二氧化氮生产浓硝酸时会产生大量的热量需要及时移去，板式反应器中气体与液体一般呈逆流，由于气体要穿过各塔板的液层，其压降要远大于填充床，传质表面较低和结构较复杂等缺点。,49,613气
14、液反应器的形式和特点（3）降膜反应器(falling film reactor),L,L,G,G,50,降膜反应器为膜式反应设备。通常借管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应的热量。降膜反应器由于持液量很小，适用于瞬间和快速的反应过程，它特别适宜于较大热效应的气液反应过程，是一种高效的直接利用反应热的设备；除此以外，降膜塔中还有压降小和无轴向返混的优点。然而，由于降膜塔中液体停留时间很短，它不适宜于慢反应和有固体物质生成的过程，降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。,51,613气液反应器的形式和特点（4）喷雾反应器(spray column rea
15、ctor),L,L,G,喷雾反应器适用于瞬间快速反应，过程受气膜控制的情况。例如，碱性溶液脱除硫化氢，磷酸和氨生成磷铵的过程，由于喷雾反应器由空塔构成，设备结构简单，不用担心设备的堵塞，因而可适用于有污泥，沉淀和生成固体产物的场合。喷雾反应器具有储液量过低和液侧传质系数过小的缺点；同时，由于雾滴在气流中的浮动和气流的沟流存在，气相和液相的返混都比较严重。,52,613气液反应器的形式和特点（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),空心式多段式环流反应器：气提式：内环流，外环流液喷式：,L,L,G,G,53,鼓泡反应器内充满液体，气体自反应器下方通入，通过气体分布器均布后呈
16、气泡向上流，其优点是结构简单，具有极高的储液量，所以，特别适宜于慢反应和放热量大的场合，鼓泡反应器液相轴向返混很严重，在不太大的高径比情况下，可以为液相处于理想混合状态，因此较难在单一连续反应器中达到较高的液相转化率，在高径比较大时，气泡合并速度明显增加，相际接触面积迅速减小。为了解决这一问题，处理量较少的情况下则采用多级鼓泡反应器串联的操作方式，并且出现了多种鼓泡塔的改进形式，除此以外，鼓泡反应器尚有鼓泡所耗压降较大的缺点。,54,613气液反应器的形式和特点（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),空心式：乙烯氧化制乙醛对二甲苯（PX）氧化塔（产品为PTA）塔式、管式
17、、列管式,L,L,G,G,55,56,613气液反应器的形式和特点（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),L,L,G,G,空心式：塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器,57,613气液反应器的形式和特点（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),多段式：,L,L,G,G,L,G,58,613气液反应器的形式和特点（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),内环流，环己烷氧化塔（生成环己酮、己内酰胺）（可用环烷酸钻催化）,G,L,G,59,613气液反应器的形式和特点（5）鼓泡反应器(bubble column reactor),环流反应器：外环流,60,613气液反应器的形式和特点（6）搅拌鼓泡反应器(agitated tank reactor),搅拌鼓泡反应器亦适用于慢速反应过程，尤其对高粘性的非牛顿型液体更为适用。例如发酵工业和高分子材料工业中，借搅动作用使气体高度分撒减弱了传质系数对流体的粘性依赖，使高粘性流体气液反应以较快的速率进行。当然搅拌需消耗一定的动力，特别是转动轴在高压操作时的密封问题，困难不小。,.,61,62,613气液反应器的形式和特点（7）高速湍动反应器(如：venturi reactor),63,
