化学反应工程7.气液相反应和反应器分析

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1、6.气液相反应和反应器6.气液相反应和反应器的分析气液反应器是化工、石油化工，以及食品等工业中广泛使用的一类反应装置，主要包括：通过气液反应以制取所需的产品。如烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧化氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛、乙醛氧化成乙酸等等。通过气液反应净化气体，除去气体中不希望存在的组分，这样的过程也叫化学吸收。如氢氧化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化碳等。某些气相复合反应，其目的产物的收率不高，通过改成气液反应过程使目的产物容易溶解到液相中，提高其收率。气-液相反应过程及界面传递模型气液反应过程的特点反应发生前气液两相中的反应组分首先需要接触，气相反应组

2、分通过气液界面传入液相，并与液相中的组分进行反应。描述反应过程总速率的宏观反应速率方程将是本征化学反应速率和气液传质速率的组合。气-液相反应过程及界面传递模型气液相界面的传递模型气液相间的物质传递对于气液反应过程速率有重要影响，这种相间传递过程通常可以用传质模型来描述。常见的传质模型有双膜模型、溶质渗透模型和表面更新模型。双膜模型双膜理论假定气液相界面两侧各存在一个静止的膜，即气膜和液膜，两相间的物质传递速率取决于通过气膜与液膜的分子扩散速率。实际上，很多传质系统中不存在稳定静止的膜。尽管双膜模型不能反映气液相间传质的真实情况，但该模型使用简单。气-液相反应

3、过程及界面传递模型气液相界面的传递模型渗透模型Higbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借湍流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后在很短时间内又由界面向流体进行不稳态的分子扩散，位于界面的原来的旋涡又被其它旋涡取代，如此反复进行这一过程。根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决于界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量，其数学表达式为气-液相反应过程及界面传递模型气液相界面的传递模型表面更新模型Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面单元暴露的时间不同，而质量传递的平均速率取决于各种年龄期的表面

4、单元，平均吸收速率是将年龄期为的表面分率乘以该表面的瞬时吸收速率，然后将所有表面单元的表达式相加得到。虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够反映出气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时间和表面更新分率Ｓ均不易获得，而且在实际应用中会使过程的数学描述复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学描述简化，而计算结果的误差也是可以接受的。气-液相反应过程及界面传递模型常见传质模型的比较气液反应基本方程气液反应过程是传质与化学反应同时进行的过程。气相反应物从气相通过气液相界面向液相中传递，在液相中与液相反应物进行反应。在液相中反应组分的

5、传递和化学反应同时进行，是一个并联过程。为了方便起见，采用双膜模型来处理问题。气液反应过程的基础方程根据双膜模型，组分Ａ首先从气相主体通过气膜向气液相界面扩散，然后穿过气液界面向液膜扩散；组分Ｂ则从液相主体向液膜扩散，反应在液相中进行。整个反应过程的各步骤和组分的浓度变化如图所示。这里假设液相组分Ｂ不挥发，所以不存在组分Ｂ从相界面向气相扩散的问题。如果气相为纯组分Ａ，则气膜不存在。气液反应基本方程气液反应基本方程气液反应过程的基础方程为了确定液膜内组分Ａ和Ｂ的浓度分布，在液膜内离相界面处，取一厚度为dz的微元体。当过程达到定常状态时，单位时间内组分Ａ扩散进入

6、该微元体和从该微无体扩散出来的摩尔数的差值，应等于其中反应消耗的组分Ａ的摩尔数，即气液反应基本方程气液反应过程的基础方程气液反应基本方程在液相中，反应速率的大小与选用的吸收剂有关，主要有以下几种情况：（1）化学反应可忽略的过程：被吸收组分与吸收剂的活性组分间的反应速率足够缓慢而可忽略时，吸收过程可作为物理吸收来处理。（2）缓慢化学反应：反应在液流主体进行。（3）快反应：反应在液膜中进行完毕。（4）瞬间反应：反应在气液界面或液膜中某一平面上完成。气液反应基本方程不可逆飞速反应气液反应基本方程慢速反应中速反应中速反应不能像快速反应和慢速反应那样可以只用传

7、质速率方程或动力学速率方程来表示气液反应的宏观动力学速率方程气液反应器气液反应器的主要类型填料塔，也叫填充床反应器广泛用于拌有化学反应的气体吸收或净化过程。喷雾塔液体通过该塔系将液体分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相。喷雾塔反应器适用于受气膜控制的瞬间快速反应过程,特别是有固体产物生成的情况。这种设备的结构简单，关键部件是塔顶的液相喷头，但应用范围非常有限。板式塔筛板塔板或泡罩塔板,在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分散相,液体为连续相。存液量较填料塔多。板式塔反应器的气液传质系数较大,而且液相的轴向返混程度很小，塔板上的温度也比较容易控制。但这

8、种反应器的压降较大，气液传质表面积也较小。气液反应器