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1、第八章 多流体相的反应过程,多流体相反应过程是指同时存在两个或更多相态的反应系统所进行的反应过程。如气液相、液液相和气液固相等。本章主要介绍气液相反应过程及其反应器。所谓气液相反应，是指气相中的组分必需进入到液相中才能进行的反应，反应组分可能是一在气相一在液相，也可能都在气相，但需进入含有催化剂的溶液中才能进行反应。,8.1 理论简述（1）气-液相反应器定义：用来进行气-液相反应的装置称之。（2）气-液相反应器用途:气-液相反应器主要应用于以下两个方面：气体净化，即从气体原料或产物中除去有害的气体组分。众所周 知的化学吸收，就是气液相反应过程的一种。如合成氨生产中除去 二氧化碳，硫化氢等，以及
2、从各种尾气中回收有用组分或除去有害 组分等。这些吸收过程伴有化学反应，故不同于物理吸收。制取某种化学品。如用乙烯与氧气通入PdCl2CuCl2的醋酸水溶液以制取乙醛；用氧气通入含醋酸锰的乙醛溶液以制取醋酸；乙烯通入含三氯化铝的苯中合成乙苯；异丙苯空气氧化以制取过氧化氢异丙苯、氯化石蜡和黑药的制备等都属气液相反应过程。,搅拌鼓泡釜,（3）气液相反应器 型式简介,L,G,G,鼓泡塔反应器,导流筒,填料塔反应器,喷雾塔反应器,G,板式塔反应器,降膜式反应器,(4)双膜理论双膜理论也称双膜传质理论，亦称为双阻力理论或阻力叠加理论。双膜理论最早是由刘易斯（Lewis）和惠特曼（Whitman）在1923
3、年提出来的。它把复杂的相际传质过程模拟成串联的两层稳定薄膜中的分子扩散。简单易懂，便于数学处理。双膜理论假设 气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜。静止膜是 很薄的静止层或层流层。气相组分向液相扩散时，必须先到达气液相界面，并在相界 面上达到气液平衡，即服从亨利定律。在气膜之外的气相主体和液膜之外的液相主体中，达到完全 的混合均匀，即全部传质阻力都集中在膜内。,双膜理论的数学模型若以NA表示组分A的物理吸收速率，即单位时间、单位相界面积吸收组分A的摩尔数，则：,根据亨利定律,液相主体,气相主体,（8-6）,我们也可以根据分子扩散理论写出它们的扩散速率方程（单位面积）：,（8-3）,比较（
4、8-2）和（8-3）可得：,（8-4）,（8-2）,为浓度梯度,溶质渗透理论、表面更新理论等（非稳定态模型）略。,8.2 伴有不可逆与可逆反应的传质,（1）气液两相流反应系统的宏观动力学分析 在气-液相反应中，至少有一个反应组分存在于气相，它首先须通过相界面的传质进入液相，然后再与液相中的反应组分在液相中发生化学反应。如对于反应：其宏观反应历程为：反应组分A从气相主体向气液相界面扩散；气态反应组分A在界面处溶解，并在界面上达气液相平衡；在界面处溶解的反应组分A从气液相界面向液相主体扩散，并 且同时与液相中的反应组分B发生化学反应；液相反应产物R向浓度下降方向扩散，气相产物D向界面扩散；气相产物
5、D从界面向气相主体扩散。,气液相反应的宏观反应速率 由于气液相反应是一个多步骤反应过程，所以，其实际表现出来的反应速率是包适这些传递过程在内的综合反应速率，即宏观反应速率。控制步骤 当传递速率远大于化学反应速率时，实际反应速率就完全取决于后者，这就叫做动力学控制；反之，如果化学反应的速率很快，而某一步的传递速率很慢时，这就叫做这一步的扩散控制。如果两者的速率具有相同数量级则两者都对过程速率具有显著影响。所以，研究气液相反应，首先要了解的是气液相间的传质问题。再用传质模型来描述气液间的传质。,（2）气-液相反应分类 将双膜理论用于气-液相反应过程，根据扩散速率与反应速率的相对大小，可把气-液相反
6、应分为四类：极慢反应；慢反应；快反应；极快反应（瞬间反应）。,瞬间反应的宏观动力学快速反应，由于反应速率足够地快，以致于扩散进入到液相的反应组分尚在一个反应带内就已全部反应掉了，反应组分到达不了液相主体。而瞬间反应，反应速率更快，以致于扩散进入到液相的反应组分A一旦与B接触，则立即被反应掉，A、B在液相中不能共存。只存在一个反应面。在反应面上，至少有一个组分的浓度为零。整个过程的速率完全由传质过程控制。,(3)基础方程,极慢反应的宏观动力学极慢反应是指化学反应速率远远小于气膜、液膜的扩散速率的化学反应过程。反应极其缓慢，传质阻力可以忽略不计，在液相中组分A和B是均匀的，整个反应过程的反应速率完
7、全取决于化学反应动力学。,(3)基础方程,慢速反应的宏观动力学 慢速反应的反应速率缓慢，反应仍主要发生在液相主体，液膜中的反应量可忽略不计。但液相主体内的反应速率已经远大于A在液膜中传质速率。A的液膜扩散已经成为速率控制步骤。所以，整个过程的反应速率等于A的液膜扩散速率：,快速反应的宏观动力学 对于快速反应，如果CB的浓度足够高，则液膜内CB的变化可以忽略。即CB=CBL。此时，由于反应速率足够地快，以致于扩散进入到液相的反应组分A尚在液膜内就已全部反应掉了，即反应组分A到达不了液相主体，整个化学反应全部发生在液膜内部，而在液膜内形成一个反应带，在反应带内A、B并存。所以，整个反应过程的速率主
8、要受液膜内的传质过程所控制。但由于液膜内存在化学反应，所以，其传质速率并不等于其物理扩散速率：,要确定其传质速率，我们取液膜内单位相界面上的一个厚度为dZ的体积微元进行物料衡算（单位时间内）：,反应掉的量,扩散进入量,扩散出的量,整理可得：,利用边界条件求解，初始,（p234）,根据菲克定律写出单位相界面上的扩散速率：,显然：,（8-1-27）,与纯物理吸收速率比较,引入增强因子，令：,则有,所以，增强因子 实际上表示的是在液膜中存在化学反应时（化学吸收）使纯物理吸收的传质速率增大的倍数，通常也称之为增强系数。,因此，对于快速反应，其速率方程可表示为：,与催化剂的有效系数的定义相比较：可看出其
9、类似性。所以，求快速反应的实际反应速度可转化为求增强因子 的问题。,增强因子对零级、一级反应，上面物料衡算微分方程可直接求解，对于一级反应可得：,对于快速反应，可直接按上式求出增强系数(因子)，再确定其实际反应速率。,（8-30）,（8-26）,称为八田准数,八田准数(Hatta)从式（8-26）可以看出，增强因子 是八田准数 的函数，只要求到八田准数即可求出增强因子（从图8-5可查出）。八田准数 的物理意义所以，八田准数反映的是化学反应速率和液膜传质速率的相对大小。八田准数越大，化学反应速率越大。类似于气固相反应中的梯尔模数。根据八田准数我们可判断反应类型。,根据八田准数判断反应类型，即为快
10、速反应、极快反应的情况，式（8-1-33）等价于式（8-1-29）。当 时，为中速反应；当 时，为慢速反应；当 时，为极慢反应。,瞬间反应的宏观动力学快速反应，由于反应速率足够地快，以致于扩散进入到液相的反应组分尚在一个反应带内就已全部反应掉了，反应组分到达不了液相主体。而瞬间反应，反应速率更快，以致于扩散进入到液相的反应组分A一旦与B接触，则立即被反应掉，A、B在液相中不能共存。只存在一个反应面。在反应面上，至少有一个组分的浓度为零。整个过程的速率完全由传质过程控制。,当 时，传质速率为:,改变B组分在液相中的浓度，可改变反应面在液膜中的位置。当B组分的浓度增大到使反应面与界面重合，此时B组
11、分的浓度称之为当B的临界浓度CBLC。属气膜控制 当CBL CBLC，属气膜控制。当气膜阻力可忽略，属B组分的液膜控制。,界面,气膜,液膜,气相主体,液相主体,(4)反应速率的实验测定理想的实验室气-液相反应器应满足如下要求：气-液两相均处于稳定操作状态，并能消除扩散阻力；气-液相界面大小可调；液相体积大小可调；反应温度可调；气-液两相进料组成及流量 可调。通过测定气-液两相进出口的 组成及流量，计算反应速率。,气-液相反应类型的判断,通过调节相界面积S、液相体积VL和液相反应温度TL考察其对反应速率的影响来进行判断。,(5)反应器型式的选择气-液相反应器型式的选择依据 反应本身的动力学特性；各种类型反应器的结构特点；反应过程的工艺特性。反应过程的工艺特性主要考虑系统的温度、压力、物料特性、操作特性（连续或间歇）等因素对反应器的要求。,各类气-液相反应的特点,各类气液相反应器的特点,8.3 气-液相反应器的设计模型气-液相反应器的设计模型建立的基本原理和方法与均相系统是相同的，但气-液相反应系统必须对参与反应的气液两相分别对反应组分进行物料衡算和热量衡算，同时对气液两相的流型也要分别进行考虑。并且各种不同的反应器设计差异也较大，在此，讨论从略。,
