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1、第八章,气液相反应过程与反应器,1,概述,气液反应过程指一个反应物在气相，另一个在液相，气相反应物需进入液相才能反应；或两个反应物都在气相，但需进入液相与液相的催化剂接触才能反应。与化学吸收过程极为相似。,2,3,液相：,4,积分上式，得：可以据此计算反应时间。式中的各参数由经验方程计算。连续流动鼓泡塔计算,5,上式的关键是YA与-rA的关系。是气相组成，而反应发生在液相中。因此涉及到传递现象，并且和液相的流型相关联。鼓泡塔中流型复杂，存在不同的区域，如安定区和湍动区。,6,气液反应的步骤：气液相反应反应物和产物至少有一个存在于液相中，其中典型的是气体的反应吸收。更具有普遍意义：A(g)+B(
2、l)=C(g)其宏观反应历程为：1 A从气相主体向气液界面扩散；2 A在气液界面处溶解于液相；3 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩散的同时与液相中的B发生反应；,4 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界面；5 产物C由气液界面扩散到气相主体。基本理论：双膜理论与物理吸收的差别在于在液相主体和液膜中存在化学反应，反应速率的快慢直接影响了吸收的速率。反应历程亦为连串过程，反应速率决定了控制步骤的所在。,7,8,物理吸收过程的双膜理论模型气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别存在滞留膜，组份通过在滞留膜中稳定的分子扩散进行传质，传质阻力完全存在于滞留膜中。,9,根据双膜理论的物理模型，可以写出：
3、,10,因此可以写成：,11,扩散物A在液膜中的化学反应，使液膜较物理过程的液膜变薄，由 变为。注意液膜是流体力学特性，而变薄的液膜就不单纯是流体力学的概念了。,L,12,则：,13,气液反应动力学,14,在液膜内取一微元体，在定常态下，对A组份作物料衡算（服从Fick扩散定律）：,15,16,模型分析：模型是以存在稳定的膜为前提，即：不论气液相主体如何扰动，相界面上滞留膜总是稳定存在。随着气液相流动状况的不同，气液膜的厚度不同。强化传质要通过增加扰动改变膜厚度实现。传质与反应速率的不同，得到不同的膜内浓度分布。,17,极慢反应传递速率远比反应速率快得多；液相中溶解的A接近其饱和溶解度；化学反
4、应在液相主体中进行，反应速率代表了A的传递速率。,18,慢反应反应在液相主体中进行，但速率较传递速率为大，液膜中的反应可以忽略（即-rA视为0），与物理吸收相同。,19,中速反应反应在液相主体与液膜中同时进行：,20,令方程转变为：,21,继续推导：,22,恒大于1。曲线下凹。八田数决定了,0,1(0，ch 1,/th 1),23,快速反应反应仅发生在液膜区，组份在液膜区已全部反应掉，在液相主体区没有A，因此液相主体中没有反应。,24,cBi不一定为0，与 中速反应的区别在于cAL为0，即在液相主体中没有A。,G,L,pA,pAi,cBL,cAi,25,瞬时反应过程A与B之间的反应进行得极快，
5、以致于A与B不能在液相中共存。在液膜区存在一个反应面，此面上AB的浓度均为0。,26,反应面左侧，只有A，没有B，因此，在此区域，为纯物理扩散。反应面右侧，只有B，没有A，因此，在此区域，亦为纯物理扩散。,27,解之，得：反应面的位置：,28,代表了反应面的位置，=1，反应面在液膜位置上，反应面与气液界面重合。,29,意味着B在液膜中的扩散远远大于A组份的扩散或B的浓度远大于A。在反应面与气液界面重合的情况下，B组份在液相主体中的浓度称为在气相A分压下的临界浓度。若此时cBLcBL临，液相中将不再有A。,30,只要是瞬时反应过程，就存在反应面，而反应面的位置，取决于AB的浓度和扩散速率。反应面
6、向相界面移动，刚好接触时的cBL即为cBL临。不仅液相主体没有A，而且连液膜内也没有A。,cAi,31,气液反应动力学小结两个重要参数：化学增强因子和八田数。=f(，cAi,cAL),=f(k,DALL)宏观反应速率最终取决于反应物A的反应特性k，传递特性DAL和体系的流体力学特性L。强化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小L。当然还与气相传递特性有关。,32,决定了反应是快是慢，是否存在反应面，反应在何处进行。判据：2属于瞬间反应或快反应过程；宜选用停留时间短的反应器，如填料塔。0.02 2为中速反应；反应大量在液相主体进行，宜选用持液量大的反应器，如鼓泡塔。0.02属于慢反应。,33,气液
7、反应器,气液反应器有许多类型，常见的有：,34,填料塔式反应器计算反应器特点：液体沿填料表面向下流动，持液量小；气液接触界面近似等于填料表面积；气液传质过程可以按双膜理论计算。适用于瞬间反应及快反应过程。塔径计算：取倍液泛速度为空塔操作气速u，V为体积流量。,35,填料层高度计算取塔内微元高度dl对气相作物料衡算：,36,快反应及瞬间反应cAL=0，微元体内的相接触面积近似为填料面积：为填料比表面。气相中的A分压用比摩尔分率表示：,37,代入前式可得：,38,kGA,kLA有经验公式可算。气相视为平推流操作。由于视cAL=0，与液相流型无关。反应级数体现在中。因为是快速反应，传质阻力主要存在于气膜之中。填料高度的最直接影响因素为摩尔流量、总压、填料比表面及出入口浓度差。与物理吸收的差别仅在于。如果=1，相当于用大量的液体吸收气相中的A。,39,鼓泡塔式反应器的计算液相是连续相，气相是分散相。鼓泡塔反应器的操作分两种，连续与半连续。所谓半连续是指液体一次加入，达到反应要求后一次排出，而气相连续通过。假定：气相流动为平推流，气体分压随高度呈线性变化。液相在塔内为理想混合，物性参数不变。,40,取反应器内任意横截面对气相进行物料衡算：输入输出=反应鼓泡塔反应器适用于慢反应过程，全部反应发生在液相主体。,
