高等反应工程 第八章

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1、第八章气液相反应和反应器分析2021/6/271内容提要气液相反应动力学气液反应过程的基本方程拟一级不可逆反应不可逆飞速反应二级不可逆反应气液相反应器的设计如何选择适用的反应器:根据效率因子判断是否需要增大液相利用率反应器的设计计算:填料塔与鼓泡塔2021/6/272各节内容第一节气液吸收过程的物理模型一、双膜理论的提出二、双膜理论的数学描述第二节液膜内的气液反应过程模型一、气液反应过程的基本方程二.拟一级不可逆反应及反应增强因子三、不可逆飞速反应四、二级不可逆反应第三节气液相反应器的分类和选型一、气液相反应器的分类二、气液反应器的选型第四节气液相反应器的设计计算一、填料塔的设计计算二、鼓泡

2、塔的设计计算2021/6/2738.1气液反应的基础理论8.1.1气液传质理论(1)双膜理论气液相界面两侧各存在一个静止膜，分别称为气膜和液膜气液两相的物质传递速率仅取决于气膜和液膜分子扩散速率2021/6/274双膜理论模型示意图气相液相CL气膜液膜液相（膜）传质系数气相（膜）传质系数pGW.K.Lewis&W.G.Whitman(1924)"PrinciplesofGasTransferAbsorption,...definetworesistancetheoriesasthetwo-filmtheory2021/6/275(2)Higbie渗透论(R.Higbie,1935)R.Higb

3、ie,“TheRateofAbsorptionofaPureGasintoaStillLiquidduringShortPeriodsofExposure”,TransactionsoftheAmericanInstituteofChemicalEngineers,31,365–389(1935).Higbie渗透论认为，处于界面的液体单元都具有相同的逗留时间tL。液体在界面逗留期间，溶解气体将以不稳定的分子扩散而渗透到液相。2021/6/276Higbie渗透论方程的解2021/6/277(3)Danckwerts表面更新理论Danckwerts(1951)提出了界面各单元的逗留时间是按概率

4、分配的，存在一个界面的寿命分布函数。S为单位时间内，界面被新鲜液体所更新面积的比率2021/6/278(4)湍流传质理论扩散应考虑分子扩散和湍流扩散的组合2021/6/2798.1.2双膜理论主要内容(１)气膜传质速率:N为单位表面的吸收速率,kmol/(m2.s);PG、pi、分别为气相主体、气液界面被吸收组分分压,atm；DG为被吸收气体在气相中的有效扩散系数，kmol/(m.atm.s);dG气膜有效厚度，m2021/6/2710（2）液膜传质速率2021/6/2711(3)总传质系数：因为界面浓度未知，根据式中，H－亨利系数，总传质系数2021/6/2712(4)双膜理论对气液反应基本

5、情况的描述1）瞬间不可逆反应2）气液快速反应3）气液中速反应4）气液缓慢反应5）气液极慢反应2021/6/27132021/6/27142021/6/27152021/6/27162021/6/27178.2气液反应的研究方法假定：气液相界面的两侧存在着某种厚度的静止层－气膜和液膜。在气膜和液膜内，反应组分以分子扩散方式进行传递。膜外的流体主体，由于湍流扩散作用不存在浓度梯度。相界面上气相分压和液相浓度处于平衡状态。2021/6/27188.2.1伴有化学反应的吸收过程模型方程(1)采用双膜理论处理，组分A和B的浓度梯度视作仅存在于液膜内；(2)液相主体中的浓度梯度为０.图8.1液膜内的双组

6、份气液反应过程2021/6/2719化简得到:B.C.2021/6/2720进行无因次化，2021/6/2721边界条件：2021/6/2722得到无因次参数：Hatta数的物理意义：类似于Thiele模数2021/6/27238.2.2拟一级不可逆反应若液相组分B大量过剩，液相中组分B的浓度可视为常数，此时组份A的消耗可按一级反应处理：y=0y=12021/6/27242021/6/2725液相有效利用率Ha>３时，膜内最大反应量大于膜内最大传质量，为快速反应。此时，E=HaHa<0.02时，反应全部在液相主体进行，为慢反应。0.02

7、/6/27272021/6/2728Page1992021/6/27292021/6/2730反应器选型方案:第一步:在液膜内进行多少反应第二步:在液相主体内进行多少反应引进判断液相主体利用率的效率因子，决定采用体积型设备还是采用面积型设备。2021/6/27318.2.3不可逆瞬间反应扩散方程：图8.2不可逆飞速反应的浓度分布2021/6/27322021/6/27332021/6/2734液相