气液相反应过程与反应器.ppt

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1、第八章气液相反应过程与反应器1概述气液反应过程指一个反应物在气相,另一个在液相,气相反应物需进入液相才能反应;或两个反应物都在气相,但需进入液相与液相的催化剂接触才能反应。与化学吸收过程极为相似。2液相:3积分上式,得:可以据此计算反应时间。式中的各参数由经验方程计算。连续流动鼓泡塔计算4上式的关键是YA与-rA的关系。是气相组成,而反应发生在液相中。因此涉及到传递现象,并且和液相的流型相关联。鼓泡塔中流型复杂,存在不同的区域,如安定区和湍动区。5气液反应的步骤:气液相反应--反应物和产物至少有一个存在于液相中,其中典型的是气体的反应吸收。更具有普遍意义:A(

2、g)+B(l)=C(g)其宏观反应历程为:1A从气相主体向气液界面扩散;2A在气液界面处溶解于液相;3溶解于液相的A向液相内部扩散,在扩散的同时与液相中的B发生反应;64液相中的产物C透过液膜扩散到气液界面;5产物C由气液界面扩散到气相主体。基本理论:双膜理论与物理吸收的差别在于在液相主体和液膜中存在化学反应,反应速率的快慢直接影响了吸收的速率。反应历程亦为连串过程,反应速率决定了控制步骤的所在。7物理吸收过程的双膜理论模型气液两相间存在着稳定的相界面,界面两侧分别存在滞留膜,组份通过在滞留膜中稳定的分子扩散进行传质,传质阻力完全存在于滞留膜中。8根据双膜理论

3、的物理模型,可以写出:9因此可以写成:10扩散物A在液膜中的化学反应,使液膜较物理过程的液膜变薄,由变为。注意液膜是流体力学特性,而变薄的液膜就不单纯是流体力学的概念了。δGδLpApAicAcAiδ'L11则:1213气液反应动力学在液膜内取一微元体,在定常态下,对A组份作物料衡算(服从Fick扩散定律):1415模型分析:模型是以存在稳定的膜为前提,即:不论气液相主体如何扰动,相界面上滞留膜总是稳定存在。随着气液相流动状况的不同,气液膜的厚度不同。强化传质要通过增加扰动改变膜厚度实现。传质与反应速率的不同,得到不同的膜内浓度分布。16极慢反应传递速率远比反

4、应速率快得多;液相中溶解的A接近其饱和溶解度;化学反应在液相主体中进行,反应速率代表了A的传递速率。17慢反应反应在液相主体中进行,但速率较传递速率为大,液膜中的反应可以忽略(即-rA视为0),与物理吸收相同。δGδLpApAicBcAcAi18中速反应反应在液相主体与液膜中同时进行:19令方程转变为:20继续推导:21β恒大于1。曲线下凹。八田数决定了β,γ0,β1(γ0,chγ1,γ/thγ1)δGδLpApAicBcAcAidl22快速反应反应仅发生在液膜区,组份在液膜区已全部反应掉,在液相主体区没有A,因此液相主体中没有反应。23cBi不一定

5、为0,与中速反应的区别在于cAL为0,即在液相主体中没有A。δGδLpApAicBLcAi24瞬时反应过程A与B之间的反应进行得极快,以致于A与B不能在液相中共存。在液膜区存在一个反应面,此面上AB的浓度均为0。δGδLpApAicBLcAi反应面δR25反应面左侧,只有A,没有B,因此,在此区域,为纯物理扩散。反应面右侧,只有B,没有A,因此,在此区域,亦为纯物理扩散。26解之,得:反应面的位置:27β代表了反应面的位置,β=1,反应面在液膜位置上,β,反应面与气液界面重合。28β意味着B在液膜中的扩散远远大于A组份的扩散或B的浓度远大于A。在反应面

6、与气液界面重合的情况下,B组份在液相主体中的浓度称为在气相A分压下的临界浓度。若此时cBL>cBL临,液相中将不再有A。29只要是瞬时反应过程,就存在反应面,而反应面的位置,取决于AB的浓度和扩散速率。反应面向相界面移动,刚好接触时的cBL即为cBL临。不仅液相主体没有A,而且连液膜内也没有A。δGδLpApAicBL临cBLcBLcAi30气液反应动力学小结两个重要参数:化学增强因子β和八田数γ。β=f(γ,cAi,cAL),γ=f(k,DALδL)宏观反应速率最终取决于反应物A的反应特性k,传递特性DAL和体系的流体力学特性δL。强化宏观反应速率需要提高k

7、,DAL,减小δL。当然还与气相传递特性有关。31γ决定了反应是快是慢,是否存在反应面,反应在何处进行。判据:γ>2属于瞬间反应或快反应过程;宜选用停留时间短的反应器,如填料塔。0.02<γ<2为中速反应;反应大量在液相主体进行,宜选用持液量大的反应器,如鼓泡塔。γ<0.02属于慢反应。32气液反应器气液反应器有许多类型,常见的有:33填料塔式反应器计算反应器特点:液体沿填料表面向下流动,持液量小;气液接触界面近似等于填料表面积;气液传质过程可以按双膜理论计算。适用于瞬间反应及快反应过程。塔径计算:取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u,V为体积流量。34

8、填料层高度计算取塔内微元高度dl对气相

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