化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

流化床反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第1頁1/90

流態(tài)化：固體粒子像流體一樣進(jìn)行流動(dòng)現(xiàn)象。一、流態(tài)化形式氣泡7.1概述圖7-1流態(tài)化各種形式化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第2頁2/90結(jié)構(gòu)簡單傳熱效能高，床層溫度均勻氣固相間傳質(zhì)速率較高催化劑粒子小，效能高有利于催化劑循環(huán)再生催化劑和設(shè)備磨損大氣流不均時(shí)氣固相接觸效率降低返混大，影響產(chǎn)品質(zhì)量均一性石油催化裂化丙烯-氨氧化制丙烯腈萘氧化制鄰苯二甲酸酐煤燃燒與轉(zhuǎn)化金屬提取和加工二、流化床反應(yīng)器特點(diǎn)三、流化床反應(yīng)器主要應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第3頁3/907.2流化床中氣、固運(yùn)動(dòng)

7.2.1流化床流體力學(xué)二個(gè)特征速度：臨界流化速度、帶出速度（1）臨界流化速度（umf）剛才能使粒子流化起來氣體空床流速。確定umf方法

a.試驗(yàn)測定（7-1）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第4頁4/90b.經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算臨界流態(tài)化時(shí)，對(duì)床層受力平衡分析得p1p2即固定床中流動(dòng)壓降也可由歐根公式計(jì)算因?yàn)檎淼檬街?，是顆粒形狀系數(shù)，部分顆粒值可由手冊(cè)查取。是臨界空隙率，其值與顆粒直徑和形狀等相關(guān)，也可由手冊(cè)查取。若查不到，可由以下二式估算。（7-2）（7-1）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第5頁5/90式（7-5）代入式（7-2）可導(dǎo)出小顆粒，ReP<20時(shí)，歐根公式中第一項(xiàng)可忽略，式（7-2）簡化為：大顆粒，ReP>1000時(shí)，歐根公式中第二項(xiàng)可忽略，式（7-2）簡化為：應(yīng)用以上各式計(jì)算時(shí)要注意：

a.對(duì)含有一定篩分顆粒要用調(diào)和平均直徑。（7-5）（7-6）（7-7）（7-8）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第6頁6/90b.雷諾數(shù)中特征尺寸是顆粒直徑，密度和粘度是氣體物性。c.計(jì)算所得到要代入到雷諾數(shù)中，檢驗(yàn)選取公式是否符合要求范圍。（2）帶出速度當(dāng)氣速增大到一定值時(shí)，流體對(duì)粒子曳力與粒子重力相等，則粒子將會(huì)被氣流帶走，此時(shí)氣體空床速度即帶出速度，或稱終端速度。顆粒帶出速度等于其自由沉降速度，對(duì)球形固體顆粒，可用以下公式計(jì)算：式中,xi——顆粒各篩分重量百分?jǐn)?shù)；

dPi——顆粒各篩分平均直徑；

d1，d2——上、下篩目標(biāo)尺寸?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第7頁7/90

存在大量顆粒流化床中，粒子沉降會(huì)相互干擾，按單個(gè)粒子計(jì)算帶出速度需校正。式中，校正系數(shù)F0可由右圖查取。注意：以上各式求得ut也都需代入到Rep中檢驗(yàn)。（7-14）（7-15）（7-16）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第8頁8/90討論：流化床操作氣速

（i）流化床中，氣體操作流速下限是umf，上限是ut。小顆粒大顆粒（ii）細(xì)顆粒床層中，氣體操作流速范圍更寬。（iii）實(shí)用操作氣速確實(shí)定a.流化數(shù)b.化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第9頁9/90（3）流化床膨脹比流化床體積與起始流化時(shí)床層體積之比。

膨脹比是流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)主要參數(shù)，影響原因比較多，如顆粒尺寸、物性，流體流速和物性，床層尺寸和內(nèi)部構(gòu)件形式等。右圖反應(yīng)了氣速和床徑對(duì)膨脹比影響。由圖可見，氣速越大，床徑越小則膨脹比越大。R值普通在1.15~2之間。

（7-20）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第10頁10/90解：算術(shù)平均值（小顆粒）（7-7）（7-7）

例題化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第11頁11/90，由式（7-14）由帶出速度校正系數(shù)圖，查得F0=1，故不需校正?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第12頁12/907.2.2氣泡及其行為氣泡云（1）氣泡結(jié)構(gòu)氣泡氣泡暈（氣泡云+尾渦）氣泡暈中粒子濃度與乳化相相同，包在氣泡周圍，伴伴隨氣泡一起上升。

流化床層由固體顆粒密集區(qū)域（乳化相）和固體顆粒極少區(qū)域（氣泡相）組成，氣泡結(jié)構(gòu)和行為是分析流化床特征和建立數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)。{（2）氣泡速度氣泡上升速度是影響氣泡相與乳化相之間傳質(zhì)和傳熱主要原因。依據(jù)不一樣模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理出一些經(jīng)驗(yàn)公式。7-10化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第13頁13/90a.單個(gè)氣泡上升速度式中，db——?dú)馀葜睆?，cm；

g——重力加速度，980cm/s2。b.氣泡群上升速度

實(shí)際上床層內(nèi)氣泡大小是不均勻，且是不停長大，有些人提出一些不一樣經(jīng)驗(yàn)式。因?yàn)闅馀菪袨閺?fù)雜性，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式都存在一定不足。c.氣泡中氣體穿流量式中，Rb——?dú)馀莅霃?，cm。（7-28）（7-29）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第14頁14/90（3）氣泡云與尾渦（i）氣泡云相對(duì)厚度式中，為乳相中真實(shí)氣速。（7-39）（7-40）注意：氣泡云實(shí)際厚度為RC－Rb。（ii）氣泡中氣體穿流量（7-41）（7-42）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第15頁15/90（iii）尾渦體積分率式中，（7-43）

由圖7-11可見，fw與顆粒粒徑、形狀等原因相關(guān)。圖7-11尾渦體積與粒徑關(guān)系化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第16頁16/90（iv）氣泡云、氣泡暈與氣泡體積比（7-45）（v）氣泡占床層體積分率

假設(shè)：進(jìn)入床層氣流分為兩個(gè)部分，一部分是以u(píng)b流動(dòng)氣泡，另一部分則以u(píng)mf在乳相中流動(dòng)。床層抵達(dá)臨界流態(tài)化以后，床層高度增加部分完全是氣泡所作貢獻(xiàn)。對(duì)氣流進(jìn)行物料衡算（7-46）故（7-47）或化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第17頁17/90（4）床層中各部分顆粒含量與氣泡體積之比（i）氣泡中顆粒含量（7-48）通?？珊雎?。（ii）氣泡暈中顆粒含量（7-49）（iii）乳相中顆粒含量因?yàn)闅馀輹炛星闆r與乳相相同，即相當(dāng)于臨界流化狀態(tài)，將式（7-40）關(guān)系引入，可導(dǎo)得：（7-50）（7-51）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第18頁18/907.2.3乳相動(dòng)態(tài)

乳相是指床層中氣泡相之外區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)顆粒密集，是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)主要場所。（1）床層中顆粒流動(dòng)

在上升氣泡作用下，乳相中顆粒形成上下循環(huán)和雜亂無章隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)促使顆?？焖倩旌暇鶆?。圖7-12顆粒運(yùn)動(dòng)示意圖注意：顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律與床層結(jié)構(gòu)相關(guān)。淺床層：中心下降，外圍上升。深床層：中心上升，外圍下降。在按裝擋板或擋網(wǎng)等內(nèi)部構(gòu)件床層中，顆粒自由運(yùn)動(dòng)受到妨礙，其行程變得愈加復(fù)雜?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第19頁19/90（2）粒度及粒度分布影響依據(jù)顆粒粒度大小對(duì)床層流化性能影響，將顆粒分為4類。

A類：細(xì)顆粒，粒度范圍20~100μm。

B類：較粗顆粒，粒度范圍40~500μm。

C類：易黏結(jié)顆粒，粒度范圍<30μm。

D類：粗顆粒，粒度范圍>600μm。

確定顆粒粒度標(biāo)準(zhǔn)：

a.顆粒粒徑應(yīng)在A類或B類范圍內(nèi)。

b.顆粒應(yīng)含有適當(dāng)粒度分布。討論：為何流化床中顆粒要有一定粒度分布？圖7-7依據(jù)流化特征粒子分類化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第20頁20/90（3）乳相中氣體流動(dòng)情況

流化床中，大部分氣體以氣泡形式經(jīng)過床層，乳化相中氣量極少，甚至可忽略，但它返混對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響往往并不能被忽略。

乳化相中氣體流動(dòng)較復(fù)雜，存在位置隨機(jī)改變向上流區(qū)域和回流區(qū)域。向上流區(qū)域：以u(píng)mf速度向上流動(dòng)氣體；回流區(qū)域：被大于umf速度向下回流顆粒所吸附和裹夾氣體。定常態(tài)操作時(shí)床層截面上平均上流與回流量大致恒定。當(dāng)氣速增大時(shí)，回流量對(duì)應(yīng)增大。當(dāng)流化數(shù)u0/umf>6~11時(shí)，乳化相中氣體回流量將超出上流量，凈流量成為向下流動(dòng)了。化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第21頁21/907.2.4分布板與內(nèi)部構(gòu)件一、分布板（1）分布板類型圖7-14分布器若干形式化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第22頁22/90（2）設(shè)計(jì)或選擇分布板基本要求氣體分布均勻，預(yù)防積料，結(jié)構(gòu)簡單，材料節(jié)約，壓降合理。二、內(nèi)部構(gòu)件（1）種類垂直管、水平管、多孔板、水平擋網(wǎng)、斜片百葉窗擋板，等。（2）作用傳熱，控制氣泡聚并，改變氣-固相流動(dòng)和接觸情況，降低顆粒帶出?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第23頁23/907.3.1床層與外壁間傳熱床層內(nèi)傳熱主要包含：固體顆粒之間、顆粒與流體之間、床層與換熱面之間傳熱。因床內(nèi)溫度均一，前二項(xiàng)可忽略。床層與換熱面之間傳熱系數(shù)由下式定義（7-61）

該式是由大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到，適用面較廣，誤差小于±50%。7.3流化床中傳遞過程（7-59）式中，Aw——傳熱面積；ΔT——床層與壁面間平均溫差。

hw——給熱系數(shù)，可用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或關(guān)聯(lián)圖計(jì)算。（i）關(guān)聯(lián)式計(jì)算化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第24頁24/90（7-62）式中，Lh——換熱面高度；

dt——床層直徑；

Ψ——無因次量，由圖7-25查取。

設(shè)計(jì)時(shí)，可取以上兩式分別計(jì)算，然后選取其中較小hw值計(jì)算傳熱量。3.7.2床層與浸沒于床內(nèi)換熱面之間傳熱也有許多經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，此處僅以垂直管為例。（7-63）單位：s/cm2應(yīng)用范圍：（ii）關(guān)聯(lián)圖計(jì)算平均偏差：±20%圖7-25器壁給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)圖化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第25頁25/90cR——管子距床中心位置校正系數(shù)，可由以下圖查取。

由圖可見，將垂直管安裝于距床層中心1/3半徑處，傳熱系數(shù)較高。rR

圖7-26cR－r/R關(guān)聯(lián)圖化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第26頁26/90解：（1）計(jì)算器壁給熱系數(shù)（2）計(jì)算床層中心垂直管壁給熱系數(shù)查圖7-25得，將及相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7-62）計(jì)算得床層中心：cR=1，將數(shù)據(jù)代入式（7-63）計(jì)算得化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第27頁27/90在r/R=1/2

處，查圖7-26得cR=1.72，故故化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第28頁28/907.3.3顆粒與流體間傳質(zhì)

流化床中主要考慮粒子與流體間傳質(zhì)，關(guān)鍵是確定其傳質(zhì)系數(shù)kG。計(jì)算經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式可由文件查取，應(yīng)用時(shí)要注意公式適用條件和范圍。（7-66）適用條件和范圍：液-固流化床a.b.適用條件和范圍：液-固和氣-固流化床（7-67）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第29頁29/907.3.4氣泡與乳相間傳質(zhì)

相間傳質(zhì)路徑，見圖7-27。

氣泡氣泡暈乳相設(shè)氣泡在dt時(shí)間內(nèi)在床層上升dl距離，以單位氣泡體積為基準(zhǔn)組分A傳遞速率為：圖7-27相間交換示意圖（7-68）由式（7-68）可導(dǎo)得總括交換系數(shù)與相間交換系數(shù)與關(guān)系以下：（7-69）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第30頁30/90單個(gè)氣泡與外界交換組分A量為式中，穿流量

擴(kuò)散傳質(zhì)系數(shù)由下式估算：（7-71）（7-70）（7-42）式（7-70）與式（7-68）比較，可得（7-72）（7-73）式中，De——?dú)怏w在乳相中擴(kuò)散系數(shù)，其值在化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第31頁31/90解：（1）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第32頁32/90（2）氣泡直徑對(duì)相間交換系數(shù)影響較為顯著，氣泡直徑增大，相間交換系數(shù)減小?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第33頁33/90（3）氣速對(duì)總括交換系數(shù)影響較小。討論：提升相間交換系數(shù)方法？化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第34頁34/90

建立數(shù)學(xué)模型目標(biāo)是要定量地分析影響流化床性能各個(gè)參數(shù)之間數(shù)學(xué)關(guān)系，處理反應(yīng)器放大和控制以及相關(guān)最優(yōu)化問題。7.4.1模型類別（1）簡單均相模型全混流模型活塞流模型{（2）兩相模型氣泡相（活塞流）—乳化相（活塞流）氣泡相（活塞流）—乳化相（全混流）{（3）三相模型氣泡相—上流相（氣+固）—下流相（氣+固）氣泡相—?dú)馀菰啤榛鄘

其它還有氣泡模型、四區(qū)模型等，有些模型還考慮了分布器和自由空間等影響。7.4流化床數(shù)學(xué)模型化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第35頁35/90

以上各種模型，大多數(shù)以氣泡直徑作為模型參數(shù)，依據(jù)氣泡直徑是否可變分為以下幾個(gè)情況：（1）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高改變，也與氣泡情況無關(guān)；（2）各參數(shù)為常數(shù)，不隨床高改變，用一恒定不變當(dāng)量氣泡直徑作為模型可調(diào)參數(shù)。（3）各參數(shù)與氣泡大小相關(guān)，氣泡大小隨床高改變。迄今為止，已提出很多流化床數(shù)學(xué)模型，也有一些應(yīng)用實(shí)例與實(shí)際情況比較符合，但尚無一個(gè)被公認(rèn)為可普遍使用數(shù)學(xué)模型。下面以兩種比較經(jīng)典兩相模型和鼓泡床模型為例，介紹建立數(shù)學(xué)模型思緒?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第36頁36/907.4.2兩相模型（1）物理模型如圖7-28所表示。（2）基本假設(shè)圖7-28（7-79）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第37頁37/90（3）模型參數(shù)模型參數(shù)為氣泡直徑，依據(jù)基本假定可導(dǎo)出其表示式。設(shè)單位體積床層中氣泡個(gè)數(shù)為Nb，單個(gè)氣泡體積為Vb，上升速度為ubr。由基本假設(shè)①由基本假設(shè)②即整理得（7-82）

以下以一級(jí)不可逆反應(yīng)為例討論流化床反應(yīng)器兩相模型?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第38頁38/90一、乳化相流況為全混流（1）數(shù)學(xué)模型對(duì)床層高度為l處氣泡作物料衡算因?yàn)槿榛嗍侨炝?，ce為常數(shù)，故上式可直接積分。利用邊界條件l=0，cb=ci，積分上式得：按單位床層截面對(duì)乳化相作物料衡算⑤④+②+①+③=+=++（7-83）（7-84）kc是以乳相體積為基準(zhǔn)定義反應(yīng)速率常數(shù)。①③②④⑤cico(ce)o(cb)o化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第39頁39/90上式化簡得式（7-83）~式（7-85）和式（7-80）及式（7-81）聯(lián)立可解得由床層出口總物料衡算（7-87）式中，相關(guān)符號(hào)定義以下：（7-85）（7-86）（7-88）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第40頁40/90二、乳相為平推流（1）數(shù)學(xué)模型對(duì)床層任一處高度為dl一段床層作物料衡算對(duì)床內(nèi)高度為l處單個(gè)氣泡作物料衡算式中，kC是以床層乳化相體積為基準(zhǔn)定義反應(yīng)速率常數(shù)。利用式（7-88）定義幾個(gè)關(guān)系式代入物料衡算方程化簡得模型方程以下：（7-89）（7-83）（A）（B）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第41頁41/90（2）邊界條件（3）模型求解式（A）和式（B）聯(lián)立，消去ce得：依據(jù)二階常系數(shù)線性微分方程通解得（7-90）（7-91）（7-92）式中，化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第42頁42/90A1、A2是積分常數(shù)。將邊界條件代入式（7-91）得：上式對(duì)l求導(dǎo)，再代入式（A）得將l=Lf

代入上面二式，可得到反應(yīng)器出口處反應(yīng)組分在氣泡相和乳化相中濃度(cb)o和(ce)o。對(duì)反應(yīng)器出口處反應(yīng)組分進(jìn)行衡算得：代入相關(guān)濃度表示式得（7-94）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第43頁43/90采取兩種模型對(duì)臭氧分解反應(yīng)計(jì)算結(jié)果。（7-94）（7-87）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第44頁44/90化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第45頁45/90解：假設(shè)Re<20，由式（7-7）計(jì)算umf。校驗(yàn)上式適用。流化床高臨界流化床高其中故化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第46頁46/90（1）用乳相全混兩相模型計(jì)算化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第47頁47/90由式（7-87）當(dāng)X很大時(shí)故（2）用乳化相為活塞流兩相模型計(jì)算解得：化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第48頁48/90由式（7-94）忽略式中最終一項(xiàng)，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得

從兩種模型計(jì)算結(jié)果看，乳化相為全混流兩相模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更靠近?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第49頁49/90第八章氣液兩相反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第50頁50/908.1概述

氣-液相反應(yīng)是一類主要非均相反應(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）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第51頁51/908.1.1氣液相反應(yīng)設(shè)備（1）塔式板式塔填料塔{（2）釜式

鼓泡塔、噴霧塔化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第52頁52/908.1.2氣液傳質(zhì)雙膜模型

1924年由Lewis和Whitman提出?；菊擖c(diǎn)：（1）氣液界面兩側(cè)分別有一呈層流流動(dòng)氣膜和液膜，膜厚度隨流動(dòng)狀態(tài)而改變。（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）經(jīng)過氣膜傳遞到相界面溶質(zhì)組分瞬間溶于液相且抵達(dá)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)阻力能夠串聯(lián)相加。雙膜模型解釋反應(yīng)過程示意圖假設(shè)：溶劑不揮發(fā)，氣體中溶質(zhì)以外組分不溶解。反應(yīng)完全發(fā)生在液膜和液相主體中。

δGδLMainbodyofgas化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第53頁53/908.2氣液相反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)

氣液相反應(yīng)是傳質(zhì)與反應(yīng)過程綜合，其宏觀反應(yīng)速率取決于其中速率最慢一步，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)速率在形式上就是對(duì)應(yīng)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。假如傳質(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)影響。了解氣液反應(yīng)控制步驟，是對(duì)過程進(jìn)行分析和設(shè)備選型主要依據(jù)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第54頁54/90氣液相反應(yīng)類型

依據(jù)反應(yīng)速率相對(duì)快慢，分為以下八種類型。（1）瞬間快速反應(yīng)（2）界面反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第55頁55/90（3）二級(jí)快速反應(yīng)（4）擬一級(jí)快速反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第56頁56/90（5）二級(jí)中速反應(yīng)（6）擬一級(jí)中速反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第57頁57/90（7）二級(jí)慢速反應(yīng)（8）極慢反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第58頁58/908.2.1基礎(chǔ)方程可由雙膜理論和菲克定律導(dǎo)出。設(shè)反應(yīng)為

定常態(tài)條件下，在單位面積液膜中取一厚度為dz微元層，對(duì)組分A作物料衡算：整理得（8-12）同理可得

此二式即二級(jí)不可逆氣液反應(yīng)基礎(chǔ)方程，依據(jù)不一樣類型氣液反應(yīng)邊界條件，可得到不一樣特解?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第59頁59/90不一樣類型氣液相二級(jí)反應(yīng)宏觀速率式δLδR反應(yīng)面相界面cAipApAiCBL（1）瞬間快速反應(yīng)如圖，反應(yīng)僅在反應(yīng)面上，反應(yīng)面左側(cè)只含A，右側(cè)只含B。所以，反應(yīng)面兩側(cè)擴(kuò)散傳質(zhì)均不受化學(xué)反應(yīng)影響。即邊界條件：化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第60頁60/90將二階微分方程積分得到液膜中A濃度分布為：定常態(tài)操作時(shí)，單位界面上反應(yīng)量等于擴(kuò)散通量，即將A濃度分布對(duì)z求導(dǎo)后代入上式得式中，，稱為液膜傳質(zhì)系數(shù)。，稱為瞬間反應(yīng)增強(qiáng)系數(shù)。物理意義是氣液反應(yīng)條件下組分A消失速率與最大物理吸收速率之比。（8-16）（8-14）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第61頁61/90

式（8-15）中cAi是界面濃度，難以測定，工程設(shè)計(jì)中通常將其換算為輕易測量pA來表示反應(yīng)速率。因?yàn)?，上式可變換為在相界面上，溶解抵達(dá)平衡，氣液組成符合亨利定律則得（8-18）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第62頁62/90（2）界面反應(yīng)液相中B濃度足夠大時(shí)，反應(yīng)面位置與相界面重合，此時(shí)，A組分消失速率取決于其在氣膜中擴(kuò)散速率。該過程屬于氣膜控制過程。反應(yīng)面位置判別（8-19）由和解得若，，則必為界面反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第63頁63/90（3）擬一級(jí)快速反應(yīng)

反應(yīng)發(fā)生在液膜中，A可能在一定距離處反應(yīng)完全，B濃度足夠大，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)可近似認(rèn)為其濃度不變?；A(chǔ)方程邊界條件（8-28）基礎(chǔ)方程特解為化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第64頁64/90（8-26）式中，雙曲正弦函數(shù)膜內(nèi)增強(qiáng)系數(shù)γ又稱為Hatta準(zhǔn)數(shù)，或八田準(zhǔn)數(shù)，其物理意義是：所以，可由γ值判斷反應(yīng)快慢程度?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第65頁65/90依據(jù)膜內(nèi)組分A濃度分布式就可求得宏觀反應(yīng)速率（8-29）式中，

稱為一級(jí)不可逆氣液反應(yīng)增強(qiáng)系數(shù)，其物理意義為

注意：不一樣氣液反應(yīng)，導(dǎo)出增強(qiáng)系數(shù)形式不一樣。γ<0.02極慢反應(yīng)β=1.00.02<γ<2中速反應(yīng)β=γ/tanhγγ>3快速反應(yīng)β=γ圖8-6β－γ關(guān)系圖β與γ關(guān)系見圖8-6化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第66頁66/90（4）二級(jí)快速反應(yīng)反應(yīng)在液膜內(nèi)完成，A和B濃度均隨膜厚改變?；A(chǔ)方程邊界條件近似解（8-25）宏觀速率方程式（8-25）是隱式方程，可用試差法求解，也可查圖8-5求其值。（8-27）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第67頁67/90β-γ關(guān)系曲線β=β∞化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第68頁68/90（5）擬一級(jí)中速反應(yīng)

反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐耗ず鸵合嘀黧w，液膜中B濃度基本不變?；A(chǔ)方程邊界條件解析解（8-22）式中，ε是氣相體積分率；a是單位氣液混合物體積含有相界面；δ是液膜厚度；aδ是單位體積中液膜體積；化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第69頁69/90（6）二級(jí)中速反應(yīng)

反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐耗ず鸵合嘀黧w，液膜中B濃度隨膜厚改變。

該類型反應(yīng)基礎(chǔ)方程和邊界條件與不可逆一級(jí)中速反應(yīng)相同，方程無解析解，只有近似解。化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第70頁70/90（7）二級(jí)慢速反應(yīng)液膜中反應(yīng)量比液相主體中小得多，能夠忽略不計(jì)。即由氣相主體傳入液相A，完全在液相中反應(yīng)，而氣膜和液膜中傳質(zhì)是純物理過程。定常態(tài)操作時(shí)，經(jīng)過氣膜和液膜傳遞A量與液相主體中反應(yīng)消耗A量相等，即，式中，a是單位液相體積含有相界面。

pA*是與cAL成平衡氣相分壓。（8-34）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第71頁71/90（8）極慢反應(yīng)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于反應(yīng)速率，傳質(zhì)阻力可忽略，屬于反應(yīng)控制，氣液相宏觀反應(yīng)速率等于液相主體中本征反應(yīng)速率。

此過程能夠直接利用本征動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算。小結(jié)（1）氣液反應(yīng)宏觀速率可表示為不一樣反應(yīng)，β表示式不一樣。β值可查圖8-5求得。（8-20）化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第72頁72/90β-γ關(guān)系曲線化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第73頁73/908.2.4氣液相反應(yīng)器選型化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第74頁74/90化學(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第75頁75/90反應(yīng)器選型普通要考慮以下原因：①氣液接觸形式塔式設(shè)備中氣體、液體均可近似看成活塞流，采取逆流接觸方式含有最大推進(jìn)力；鼓泡塔中氣體呈活塞流，液體近似為全混流；攪拌釜中氣、液兩相均可看成全混流。②相間傳質(zhì)系數(shù)kGA、kLA

液體呈滴狀處于連續(xù)氣相中kGA較高，kLA較低；氣體呈上升氣泡經(jīng)過連續(xù)液相時(shí)kLA較高，kGA較低。③氣、液流動(dòng)速率除填料塔以外其它氣液反應(yīng)器液速/氣速比可在較大范圍內(nèi)調(diào)整而不影響操作；填料塔液速/氣速比在常壓下普通控制在10左右。④氣液反應(yīng)控制步驟傳質(zhì)控制快反應(yīng)應(yīng)選擇含有高相界面設(shè)備，但要注意結(jié)合考慮傳質(zhì)系數(shù)影響；反應(yīng)控制慢反應(yīng)選取含有高液含率釜式設(shè)備或鼓泡塔?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第76頁76/90例：二級(jí)氣液反應(yīng)A+BR，-rA=20CACBmol/cm3·s，已知DAL=2.0×10-5cm2/s，CBL=2.5×10-3mol/cm3，kLA=0.1cm/s。試判斷該反應(yīng)類型和反應(yīng)區(qū)域，并選擇適當(dāng)反應(yīng)器。解：

故該反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐合嘀黧w?？蛇x擇持液量大攪拌釜或鼓泡塔反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)工程第三版陳甘棠主編課件第77頁77