氣液相反應(yīng)和反應(yīng)

氣液相反響和反響器分析化環(huán)學(xué)院晉梅1a概述氣液反響過程氣相反響物溶解于液相后，再與液相中的反響物進(jìn)行反響的一種非均相反響過程主要用于直接制取產(chǎn)品，如環(huán)己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，氣態(tài)二氧化碳和氨水反響制取碳酸氫銨化學(xué)吸收，脫除氣相中某一種或幾種組分，如熱鉀堿或乙醇胺溶液脫除合成氣中的二氧化碳，用銅氨溶液脫除合成氣中一氧化碳等2a1.氣液相反響動力學(xué)理論根底是由日本學(xué)者八田四郎次在雙膜理論的根底上完成的用于氣液相理論的研究還有外表更新理論和溶質(zhì)滲透理論三種模型在實(shí)際過程中的應(yīng)用結(jié)果相差不大用雙膜理論來描述更為適宜3a氣相反響物A與不揮發(fā)的液相反響物B進(jìn)行反響反響過程分壓為pA的反響物A從氣相主體傳遞到氣液界面在界面上A的氣相分壓為pAi，液相濃度為cAi，兩者處于相平衡狀態(tài)反響物A從氣液界面?zhèn)魅胍合?，在液相?nèi)濃度為cA的A與濃度為cB的B進(jìn)行反響氣液相反響過程存在反響相外部的質(zhì)量傳遞和反響相內(nèi)部的傳質(zhì)和反響同時發(fā)生的過程1.1氣液反響過程的根本方程4a氣液相反響中的傳遞過程方向氣相組分A由氣液界面向液相主體傳遞液相組分B由液相主體向氣液界面?zhèn)鬟f氣液組分的濃度分布采用雙膜理論進(jìn)行分析時，組分A和B的濃度梯度僅存在于液膜內(nèi)，在液相主體中的濃度梯度為0如虛線所示5a反響的物料衡算在液相內(nèi)離相界面為z處取一厚度為dz的微元體到達(dá)定常態(tài)時---A組分物料衡算擴(kuò)散進(jìn)入該微元體的組分A的量-由該微元擴(kuò)散出去的組分A=微元體中反響掉的組分A的量組分A和B反響級數(shù)為一級，DA為常數(shù)B組分的物料衡算6a求解邊值條件說明穿過液膜進(jìn)入液相主體的組分A將在主體中和組分B進(jìn)行反響---穿過液膜的擴(kuò)散量等于主體中的反響量7a八田數(shù)單位反響器體積中液相總體積和液膜體積之比8a八田數(shù)無化學(xué)反響時的傳質(zhì)系數(shù)物理意義類似于氣固相反響中的Thiele模數(shù)9a八田數(shù)可作為氣液相反響中反響快慢程度的判據(jù)Ha>3，屬于反響在液膜內(nèi)進(jìn)行飛速反響或快速反響Ha<0.02，屬于反響在液相主體中進(jìn)行慢反響0.02<Ha<3，屬于反響在液膜和液相主體的反響都不能忽略的中速反響10a1.2擬一級不可逆反響假設(shè)液相組分B大量過剩，液相中組分B的濃度視為常數(shù)反響速率方程按照一級反響處理方程方程的通解組分A在液膜內(nèi)的濃度分布11a組分A在液膜內(nèi)的濃度分布濃度分布為Ha和的函數(shù)同時還可計(jì)算出伴有化學(xué)反響時通過液膜的傳質(zhì)通量K1為伴有化學(xué)反響時的液相傳質(zhì)系數(shù)增強(qiáng)因子E有化學(xué)反響時的液相傳質(zhì)系數(shù)與無化學(xué)反響時的液相傳質(zhì)系數(shù)之比12a增強(qiáng)因子E化學(xué)反響對過程有加速作用加速作用實(shí)質(zhì)表現(xiàn)在由于反響存在改變了液膜內(nèi)反響物的濃度梯度E為有反響時和無反響時的濃度梯度之比液膜傳質(zhì)阻力忽略時，通過界面的傳質(zhì)通量表達(dá)等于液相主體均相反響速率計(jì)算液相有效利用率---JA與RA的比值13a液相有效利用率定義：氣液反響過程中液相利用程度的度量物理意義：與氣固相催化反響中的內(nèi)部效率因子相當(dāng)當(dāng)JA=RA時，液相有效利用率為1，整個反響在液相中進(jìn)行，說明反響是相對于傳質(zhì)十分緩慢的反響在嚴(yán)重的擴(kuò)散限制下，JA<<RA時，液相利用率很低，反響在液膜中進(jìn)行，說明反響相對于傳質(zhì)來講，反響十分快速14a增強(qiáng)因子E和液相利用率均為Ha和液相總體積與液膜體積之比的函數(shù)反響速率常數(shù)和液相主體中組分B的濃度乘積大時Ha很大tanhHa1液相利用率很小，說明反響在液膜內(nèi)進(jìn)行應(yīng)該采用比外表積大的氣液反響器進(jìn)行反響

15a增強(qiáng)因子E和液相利用率反響速率常數(shù)和液相主體中組分B的濃度乘積小時Ha很小tanhHaHa兩個參數(shù)均為Ha和液相總體積與液膜體積之比的函數(shù)根據(jù)Ha和的定義Ha很小，大，那么存在過程由物理傳質(zhì)速率決定，化學(xué)反響僅在液相主體的某一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行

16a增強(qiáng)因子E和液相利用率根據(jù)Ha和的定義Ha很小，小，那么存在整個反響過程將在液相中進(jìn)行，過程速率由均相反響速率決定

17a1.3不可逆飛速反響當(dāng)反響速率非常大時，不僅反響物A在液膜內(nèi)被完全耗盡，反響物B的濃度在液膜內(nèi)也將逐漸下降簡化處理當(dāng)反響飛速反響，反響僅僅發(fā)生在液膜內(nèi)的某一個平面上時，可以獲得簡化處理非線性方程18a飛速反響反響過程液膜內(nèi)存在一反響面，當(dāng)自氣液界面向液相主體擴(kuò)散的組分A和自液相主體向氣液界面擴(kuò)散的組分B在反響面上相遇時，相互反響而耗盡，也就意味著反響面上組分A和B的濃度均為0定常態(tài)下，組分A從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面的量和從氣液界面擴(kuò)散到反響面的量應(yīng)相等，且和組分B從液相主體擴(kuò)散到反響面的量符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系19a定態(tài)條件下的擴(kuò)散通量之間的關(guān)系同時考慮氣膜阻力和液膜阻力時，飛速反響的速率計(jì)算式20a僅考慮液膜阻力時飛速反響的增強(qiáng)因子飛速反響的增強(qiáng)因子與反響速率常數(shù)無關(guān)飛速反響的增強(qiáng)因子與八田數(shù)也無關(guān)只有提高液相中B的濃度，才能提高飛速反響的增強(qiáng)因子原因：濃度的提高，使得反響面向氣液界面推移，組分A在液膜中的擴(kuò)散距離縮短極限情況：反響面與氣液界面相重合21a反響面與氣液界面重合時，過程阻力集中在氣膜內(nèi)，那么傳質(zhì)通量此時對應(yīng)于一個液相反響物B的濃度---臨界濃度液相主體擴(kuò)散至相界面的B的量和從氣相主體擴(kuò)散到相界面A的量符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系過程控制步驟的判斷假設(shè)假設(shè)22a1.4二級不可逆反響對于二級不可逆反響Vankrevelen在假設(shè)組分A在液膜內(nèi)全部耗盡，即在的條件下，求取上述方程的近似解非線性方程23a1.5擬一級反響、飛速反響與二級反響中Ha和E的關(guān)系當(dāng)相當(dāng)于反響速率k很大或k10很小的情況按照飛速反響處理圖中為A區(qū)，E不隨Ha的增加而增大當(dāng)，圖中的B區(qū)，為一直線，斜率為1，E=Ha當(dāng)，采用擬一級反響處理當(dāng)，E約等于1；時，可以用均相反響處理當(dāng)，按照二級不可逆反響處理，處于E區(qū)24a2.氣液相反響器的分類和選型按照氣液的接觸方式液膜型如填料塔、濕壁塔液體成膜狀，氣液兩相均為連續(xù)相氣泡型如鼓泡塔、板式塔、通氣攪拌釜液體為連續(xù)相、氣體以氣泡形式分散在液體中液滴型噴灑塔、噴射反響器、文丘里反響器氣體為連續(xù)相、液體以液滴形式分散在氣體中25a26a2.1填料塔由塔體、填料、填料的壓板和支撐板以及液體分布器等組成可以逆流操作也可以并流操作液體再分布器的作用優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，適用于腐蝕性的液體氣液相流量的允許變化范圍較大，適用于低氣速、高液速的場合氣液流型接近于活塞流，用于要求較高轉(zhuǎn)化率的反響填料塔的單位體積相界面大而持液量小，適用于過程阻力主要在相間傳遞的氣液反響27a缺點(diǎn)液相停留時間短，對慢反響不適合為保證填料的潤濕，不能用于液體流量太低的場合填料易為固體顆粒堵塞，在氣相或液相中含有懸浮雜質(zhì)或會生成固體產(chǎn)物時不宜使用傳熱性能差，不適用與反響熱效應(yīng)大的場合28a2.2噴灑塔結(jié)構(gòu)最簡單的氣液反響設(shè)備液體在塔頂經(jīng)噴霧分散成液滴，和自上而下的氣流及接觸單位液相體積的相界面面積很大，但是持液量和單位反響器體積的相界面面積均很小液滴噴灑形成后，很少有時機(jī)發(fā)生凝并和分裂，傳質(zhì)效果交叉優(yōu)點(diǎn)空體積大，處理含固體雜質(zhì)或會生成固體產(chǎn)物的氣液反響過程時無堵塞現(xiàn)象29a2.3板式塔圓筒形塔體和按照一定間距水平設(shè)置在塔內(nèi)的假設(shè)干塔板組成塔板類型有篩板或泡罩塔，近年來浮閥塔也較多液體在重力作用下，自上而下穿過隔層塔板，從塔底排出，氣體在壓差的推動下，自下而上的穿過各層塔板，至塔頂排出，氣體以氣泡形式分散于液層中優(yōu)點(diǎn)--單位體積的氣液相界面大，氣液傳質(zhì)系數(shù)和持液量都大于填料塔缺點(diǎn)--結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體流動的阻力大適用于氣體流量高、液體流量低，反響時間較長的場合30a2.4鼓泡塔31a根本形式空塔，塔內(nèi)充滿液體氣體從底局部布板或噴嘴以氣泡形式通過液層，氣相中的反響物溶入液相并進(jìn)行反響優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動部件對加壓反響或腐蝕性物系均可使用單位體積持液量大，相界面小適用于慢反響和強(qiáng)放熱反響體系缺點(diǎn)液相返混大32a為了克服返混的影響在塔內(nèi)裝一導(dǎo)流筒在塔內(nèi)設(shè)置多層多孔水平擋板液相的流型可接近與多級串聯(lián)的全混釜模型裝填填料減少液相的返混和氣泡的合并33a2.5通氣攪拌釜鼓泡機(jī)械攪拌釜生物化工中使用的發(fā)酵罐適用于持液量和相界面都較大的反響過程通氣攪拌釜中液體停留時間根據(jù)需要調(diào)節(jié)缺點(diǎn)反響器中氣液兩相呈全混流高壓下，攪拌器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和密封是個問題34a2.6氣液反響器的選型要考慮的因素生產(chǎn)強(qiáng)度能耗設(shè)備投資操作性能核心問題：反響器的傳遞特性和反響動力學(xué)特性不同類型氣液反響器的區(qū)別液相體積分率單位反響器有效體積中的液體量〕的大小單位液相體積的傳質(zhì)界面的大小35a36a用何參數(shù)作為氣液反響器選型的依據(jù)？八田數(shù)Ha當(dāng)Ha>3時，反響為快速反響或飛速反響，反響在液膜內(nèi)或相界面上完成，液相主體中組分A的濃度為0，表觀反響速率反響器的生產(chǎn)強(qiáng)度與相界面成正比采用相界面面積大的反響器，如填料塔、噴淋塔等當(dāng)反響速率較慢，要求較長反響時間時，采用板式塔37a用何參數(shù)作為氣液反響器選型的依據(jù)？八田數(shù)Ha當(dāng)Ha<0.02時，反響為慢反響，反響主要在液相主體內(nèi)進(jìn)行，組分A液相主體濃度接近于界面濃度，表觀反響速率為反響表觀速率與液相分率成正比選用持液量大的反響器鼓泡床反響器，由于容易操作和控制常被采用通氣攪拌釜38aHa0.02時，反響為中速反響，過程阻力可能集中在相際傳質(zhì)，也可能出現(xiàn)在液相反響，或者兩者都不能忽略要進(jìn)一步借助判斷原因：的物理意義是可能最大主體化學(xué)反響速率與可能的最大物理傳質(zhì)速率之比當(dāng)時，過程阻力主要存在在相際傳質(zhì)，反響僅發(fā)生在液相中的某一個狹小區(qū)域內(nèi)，應(yīng)選用相接面積大的設(shè)備當(dāng)時，過程阻力主要存在液相主體反響，反響在整個液相主體中進(jìn)行，應(yīng)選用持液量大的設(shè)備當(dāng)時，說明相際傳質(zhì)和主體反響的阻力都不能忽略，應(yīng)選用相界面積和持液量都大的設(shè)備。39a例題40a41a3.氣液相反響器的設(shè)計(jì)計(jì)算理想條件下，氣液反響器中氣液兩相的流動方式的組合氣液兩相均為活塞流氣液兩相組成隨著軸向位置改變而發(fā)生變化并流或逆流操作的填料塔的流型接近這種流動方式42a理想條件下，氣液反響器中氣液兩相的流動方式的組合氣相為活塞流，液相為全混流氣相組成隨軸向位置的改變而改變，液相組成在反響器中保持均一鼓泡塔的流型接近這種流動方式43a理想條件下，氣液反響器中氣液兩相的流動方式的組合氣相和液相均為全混流氣液兩相的組成在反響器中均保持均一通氣攪拌釜的流型接近這種流動方式44a3.1填料塔的設(shè)計(jì)計(jì)算逆流操作的填料塔內(nèi)進(jìn)行氣液相反響在塔內(nèi)取一微元做物料衡算45a積分，得到填料層高度增強(qiáng)因子法擬一級快反響全塔物料衡算氣膜阻力忽略時46a擬一級快反響的填料層高度計(jì)算式47a3.2鼓泡塔的設(shè)計(jì)計(jì)算高徑比較大時，氣相流動接近活塞流，液相接近全混流液相濃度處處相等，等于出口濃度全塔物料平衡確定液相出口濃度對鼓泡床內(nèi)一微元進(jìn)行物料衡算與填料塔的設(shè)計(jì)方程一致48a在鼓泡塔中液相濃度因?yàn)槿炝鞯拇嬖谡J(rèn)為是恒定的氣相總壓隨著塔高的變化而變化，假定氣相總壓隨塔高呈線性變化擬一級快反響且忽略氣膜傳質(zhì)阻力時積分49a整理50a設(shè)計(jì)實(shí)例51a52a53a54a55a3.3通氣攪拌釜的設(shè)計(jì)計(jì)算高徑比不太大時，氣相和液