氣液反應(yīng)過(guò)程及反應(yīng)器

8.1概述8.2氣液傳質(zhì)理論8.3氣液反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)方程8.4氣液相反應(yīng)器8.1概述氣液相反應(yīng)和反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)等生產(chǎn)過(guò)程在化工生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)行氣-液相反應(yīng)的目的主要有兩個(gè)：

1）得到某種產(chǎn)品

2）凈化氣體以及廢氣和污水的處理氣液相反應(yīng)過(guò)程是伴有化學(xué)反應(yīng)的傳遞過(guò)程，又稱為化學(xué)吸收操作過(guò)程該過(guò)程涉及傳質(zhì)過(guò)程、反應(yīng)過(guò)程和氣液兩相處理問(wèn)題的方法不同于以往類型的反應(yīng)，首先需要解決的問(wèn)題是氣-液相平衡

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：原料氣凈化、產(chǎn)品提純、廢氣處理等。（2）制取化工產(chǎn)品a.b.c.（淤漿床）氣液反應(yīng)與氣固相催化反應(yīng)的異同相似點(diǎn)：（1）反應(yīng)物歷程：外擴(kuò)散，內(nèi)擴(kuò)散－反應(yīng)。（2）氣相的擴(kuò)散反應(yīng)過(guò)程（3）氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散（氣固相催化反應(yīng)）（4）溶解的氣體在液體內(nèi)的擴(kuò)散（氣－液相反應(yīng)）差別點(diǎn)：

（1）單相傳質(zhì)過(guò)程（氣固相催化反應(yīng)）Vs相間傳質(zhì)過(guò)程（氣液反應(yīng)）（2）對(duì)流傳質(zhì)VS孔擴(kuò)散傳質(zhì)

A:

C=5mol/lC=3mol/lB:C=5mol/lC=3mol/l??GasGasporousSolidLiquid傳質(zhì)方向8.2氣液傳質(zhì)理論傳質(zhì)模型:1、雙膜模型2、Higbie滲透模型3、Danckwerts表面更新模型。

。1、

雙膜模型

1924年由Lewis和Whitman提出?；菊擖c(diǎn)：（1）氣液界面的兩側(cè)分別有一呈層流流動(dòng)的氣膜和液膜，膜的厚度隨流動(dòng)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)，服從菲克定律。（3）通過(guò)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。雙膜模型解釋反應(yīng)過(guò)程示意圖δGδLMainbodyofgas氣膜

液膜PGpiCLCi擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散尺度的比值傳質(zhì)系數(shù)＝阻力的倒數(shù)雙膜理論氣膜傳質(zhì)速率：液膜傳質(zhì)速率：設(shè)c*為與氣相分壓pG相平衡的液相濃度

p*為與液相濃度cL相平衡的氣相分壓

同時(shí)在界面處：ci=Hpi

(1)+(4):

(2)+(3)得：

綜合以上步驟：

2、滲透模型

由希格比（Higbie）提出。該傳質(zhì)理論的主要觀點(diǎn)是：處于界面的液體，由于流體的擾動(dòng)常被液流主體的質(zhì)點(diǎn)所置換，當(dāng)液體在界面逗留期間，溶解氣體將借不穩(wěn)定的分子擴(kuò)散面滲透到液相，并假設(shè)處于界面的各液體單元都具有相同的逗留時(shí)間。

3、表面更新模型由Danckwerts首先提出。該理論主要針對(duì)滲透論中關(guān)于界面的各個(gè)單元的逗留時(shí)間都相同提出的，認(rèn)為存在一個(gè)界面的壽命分布函數(shù)，界面各單元的逗留時(shí)間按表面更新率S的分布函數(shù)來(lái)分布。常見傳質(zhì)模型的比較本教材中處理化學(xué)吸收問(wèn)題均采用雙膜理論。

氣液相反應(yīng)是傳質(zhì)與反應(yīng)過(guò)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(shí)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(duì)過(guò)程進(jìn)行分析和設(shè)備選型的重要依據(jù)。8.3氣液反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)方程一、氣液相反應(yīng)的類型A（氣相）＋B（液相）→產(chǎn)物反應(yīng)步驟：（1）反應(yīng)物氣相組分A由氣相主題擴(kuò)散到氣液相界面，在界面上假定達(dá)到氣液平衡；（2）由氣相界面進(jìn)入液相；（3）反應(yīng)物由相界面擴(kuò)散到液相；（4）反應(yīng)物在液相內(nèi)反應(yīng)；（5）產(chǎn)物從高濃度向低濃度擴(kuò)散〔若為氣相產(chǎn)物，則向界面擴(kuò)散，再回到氣相。氣液相反應(yīng)的類型

根據(jù)反應(yīng)速率相對(duì)快慢，分為以下5種類型。（1）瞬間反應(yīng)：本征反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于傳質(zhì)速率的反應(yīng)

瞬間反應(yīng)屬擴(kuò)散控制，反應(yīng)阻力來(lái)自于氣相及液相傳質(zhì)阻力。（2）快速反應(yīng)：本征反應(yīng)速率大于傳質(zhì)速率

快速反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)在液膜內(nèi)，反應(yīng)阻力來(lái)自于傳質(zhì)阻力及動(dòng)力學(xué)阻力，但傳質(zhì)阻力占主要。

（3）中速反應(yīng)：本征反應(yīng)速率與傳質(zhì)速率相當(dāng)，反應(yīng)從液膜內(nèi)某一位置開始，蔓延到液相主體。中速反應(yīng)的阻力主要來(lái)自傳質(zhì)及動(dòng)力學(xué)阻力。（4）慢速反應(yīng)：本征反應(yīng)速率小于傳質(zhì)速率，反應(yīng)主要在液相主體內(nèi)進(jìn)行。慢反應(yīng)的阻力主要來(lái)自動(dòng)力學(xué)阻力。（5）極慢反應(yīng)：本征反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于傳質(zhì)速率的反應(yīng)極慢反應(yīng)完全在液相主體內(nèi)進(jìn)行，反應(yīng)的阻力完全來(lái)自動(dòng)力學(xué)阻力。屬動(dòng)力學(xué)控制。

氣液反應(yīng)的宏觀速率：二、氣液相反應(yīng)宏觀反應(yīng)速率方程對(duì)于氣液反應(yīng)由于氣液相反應(yīng)依靠界面?zhèn)髻|(zhì)，因而受單位體積液相具有的界面積影響。定義：α---單位氣液混合物容積中的相界面積。m2/m3----氣液兩相的液含量。δGδLpApAicBLcALcAi(1)區(qū)：反應(yīng)物A首先從氣相主體在氣膜中擴(kuò)散到界面，這個(gè)過(guò)程為純物理過(guò)程

擴(kuò)散量為:……..(1)(2)區(qū)：反應(yīng)物A從界面經(jīng)過(guò)液膜，這個(gè)過(guò)程為物理擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)同時(shí)參于?；瘜W(xué)反應(yīng)使A的濃度降低，增強(qiáng)了物理擴(kuò)散效果，引入一參數(shù)對(duì)物理擴(kuò)散修正。

化學(xué)增強(qiáng)因子：E

物理意義：伴有化學(xué)反應(yīng)時(shí)A在液膜內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)與A在純物理吸收時(shí)液膜傳質(zhì)系數(shù)之比，它表示了化學(xué)反應(yīng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。這時(shí)擴(kuò)散量為：……….(2)

(3)區(qū)：A組分通過(guò)液膜后進(jìn)入液相主體內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

化學(xué)反應(yīng)量為:……..(3)對(duì)于一個(gè)氣液反應(yīng)，當(dāng)傳質(zhì)與反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)的速率即為宏觀反應(yīng)速率。此時(shí)有：氣膜傳質(zhì)速率=液膜傳質(zhì)速率=液相主體反應(yīng)速率

由亨利定律：代入上式化簡(jiǎn)得：

下面將具體討論化學(xué)增強(qiáng)因子E的計(jì)算：E的意義類似氣固相反應(yīng)中的催化劑效率固子,與席勒模數(shù)有關(guān)。

對(duì)于氣液相反應(yīng)中增強(qiáng)因子E也與氣液相席勒模數(shù)有關(guān)。

增強(qiáng)因子E是的函數(shù)，經(jīng)推導(dǎo)有：

其中：為瞬間反應(yīng)的增強(qiáng)因子E與取值有關(guān)，可有關(guān)聯(lián)圖求出。以下可化簡(jiǎn)計(jì)算：（1）當(dāng)：可按瞬間反應(yīng)處理。

（2）當(dāng)：可按快速反應(yīng)處理。（3）當(dāng)：E按上面公式試差計(jì)算或查圖。（4）當(dāng)：E=1.0可按慢反應(yīng)處理。

氣液相席勒模數(shù)的物理意義不同反應(yīng)的類型可以由判斷：（1）當(dāng)＞30時(shí)，瞬時(shí)反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)在界面，反應(yīng)阻力可忽略不計(jì)。（2）當(dāng)＞3時(shí)，快速反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)在液膜內(nèi)，反應(yīng)阻力可忽略不計(jì)。（3）當(dāng)0.2＜＜3時(shí)，中速反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)直至液膜過(guò)界，有部分進(jìn)入液相。（4）當(dāng)＜0.2時(shí)，慢反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)在液膜及液相主體中。（5）當(dāng)＜0.02時(shí)，極慢反應(yīng)。反應(yīng)區(qū)完全在液相主體中，總傳質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，8.4氣液相反應(yīng)器

工業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣液反應(yīng)器的要求：

（1）較高的生產(chǎn)強(qiáng)度（2）有利于反應(yīng)選擇性的提高（3）有利于降低能量消耗（4）有利于反應(yīng)溫度的控制（5）應(yīng)能在較少流體流率下操作（1）較高的生產(chǎn)強(qiáng)度（a)氣膜控制情況

氣相容積傳質(zhì)系數(shù)大的反應(yīng)器：液體高度分散；氣體高速湍動(dòng)。

可選用噴射、文氏等反應(yīng)器（b）快速反應(yīng)情況

反應(yīng)基本上是在界面近旁的反應(yīng)帶（液膜）中進(jìn)行，要求反應(yīng)器：表面積較大，具備一定的液相傳質(zhì)系數(shù)?？蛇x用填料反應(yīng)器和板式反應(yīng)器（c）慢速反應(yīng)情況

反應(yīng)基本上是在液相主體中進(jìn)行，要求反應(yīng)器：液相反應(yīng)容積較大。

可選用鼓泡反應(yīng)器，攪拌鼓泡反應(yīng)器（2）有利于反應(yīng)選擇性的提高平行副反應(yīng)：如主反應(yīng)快于副反應(yīng)，則采用儲(chǔ)液量較少的反應(yīng)設(shè)備連串副反應(yīng)：返混較少的反應(yīng)器，或半間歇（3）有利于降低能量消耗

反應(yīng)熱的回收，壓力能的回收，分散液體所需要的動(dòng)力。

（4）有利于反應(yīng)溫度的控制

降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：難

（5）應(yīng)能在較少流體流率下操作

填充床反應(yīng)器、降膜反應(yīng)器和噴射反應(yīng)器有限制。氣液反應(yīng)器的型式和特點(diǎn)反應(yīng)器類型氣相液相舉例氣泡型分散連續(xù)鼓泡反應(yīng)器板式反應(yīng)器液滴型連續(xù)分散噴霧反應(yīng)器文氏反應(yīng)器液膜型連續(xù)膜狀連續(xù)填料反應(yīng)器降膜反應(yīng)器液環(huán)流型分散連續(xù)重力循環(huán)型反應(yīng)器33氣液反應(yīng)器氣液反應(yīng)器有許多類型，常見的有：（1）填料反應(yīng)器（packedcolumnreactor)LLGG用于氣液反應(yīng)時(shí)，也可以并流操作（2）板式反應(yīng)器(traycolumnreactor)LLGGLLGG（3）降膜反應(yīng)器(fallingfilmreactor)（4）噴霧反應(yīng)器(spraycolumnreactor)LLGG（5）鼓泡反應(yīng)器(bubblecolumnreactor)LLGG空心式多段式環(huán)流反應(yīng)器：