化学反应工程(第三版)陈甘棠主编 第八章 气液两相反应器ppt课件.ppt

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1、第八章气液两相反应器8.1概述气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型：（1）化学吸收：原料气净化、产品提纯、废气处理等。（2）制取化工产品a.b.c.（淤浆床）8.1.1气液相反应设备（1）塔式板式塔填料塔{（2）釜式鼓泡塔、喷雾塔8.1.2气液传质的双膜模型1924年由Lewis和Whitman提出。基本论点：（1）气液界面的两侧分别有一呈层流流动的气膜和液膜，膜的厚度随流动状态而变化。（2）组分在气膜和液膜内以分子扩散形式传质，服从菲克定律。（3）通过气膜传递到相界面的溶质组分瞬间溶于液相且达到平衡，符合亨利定律，

2、相界面上不存在传质阻力。（4）气相和液相主体内混合均匀，不存在传质阻力。全部传质阻力都集中在二层膜内，各膜内的阻力可以串联相加。双膜模型解释反应过程示意图假设：溶剂不挥发，气体中溶质以外的组分不溶解。反应完全发生在液膜和液相主体中。δGδLMainbodyofgas8.2气液相反应宏观动力学气液相反应是传质与反应过程的综合，其宏观反应速率取决于其中速率最慢的一步，即控制步骤。如反应速率远大于传质速率，则称为传质控制（气膜或液膜扩散控制），宏观反应速率在形式上就是相应的传质速率方程。如传质速率远大于反应速率，称为反应控制，宏观反应速率

3、就等于本征反应速率。如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时考虑传质和反应的影响。了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选型的重要依据。气液相反应的类型根据反应速率相对快慢，分为以下八种类型。（1）瞬间快速反应（2）界面反应（3）二级快速反应（4）拟一级快速反应（5）二级中速反应（6）拟一级中速反应（7）二级慢速反应（8）极慢反应8.2.1基础方程可由双膜理论和菲克定律导出。设反应为定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，对组分A作物料衡算：整理得（8-12）同理可得此二式即二级不可逆气液反应的基础方

4、程，根据不同类型气液反应的边界条件，可得到不同特解。不同类型气液相二级反应的宏观速率式δLδR反应面相界面cAipApAiCBL（1）瞬间快速反应如图，反应仅在反应面上，反应面左侧只含A，右侧只含B。因此，反应面两侧的扩散传质均不受化学反应影响。即边界条件：将二阶微分方程积分得到液膜中A的浓度分布为：定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即将A的浓度分布对z求导后代入上式得式中，，称为液膜传质系数。，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率之比。（8-16）（8-14）式（8-15）中

5、cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，上式可变换为在相界面上，溶解达到平衡，气液组成符合亨利定律则得（8-18）（2）界面反应液相中B的浓度足够大时，反应面位置与相界面重合，此时，A组分的消失速率取决于其在气膜中的扩散速率。该过程属于气膜控制过程。反应面位置的判别（8-19）由和解得若，，则必为界面反应。（3）拟一级快速反应反应发生在液膜中，A可能在一定距离处反应完全，B浓度足够大，在反应区内可近似认为其浓度不变。基础方程边界条件（8-28）基础方程的特解为（8-26）式中，双曲正

6、弦函数膜内增强系数γ又称为Hatta准数，或八田准数，其物理意义是：因此，可由γ值判断反应快慢程度。根据膜内组分A的浓度分布式就可求得宏观反应速率（8-29）式中，称为一级不可逆气液反应的增强系数，其物理意义为注意：不同的气液反应，导出的增强系数形式不同。γ<0.02极慢反应β=1.00.02<γ<2中速反应β=γ/tanhγγ>3快速反应β=γ图8-6β－γ关系图β与γ的关系见图8-6（4）二级快速反应反应在液膜内完成，A和B的浓度均随膜厚变化。基础方程边界条件近似解（8-25）宏观速率方程式（8-25）是隐式方程，可用试差法求解

7、，也可查图8-5求其值。（8-27）β-γ关系曲线β=β∞（5）拟一级中速反应反应区域为液膜和液相主体，液膜中B浓度基本不变。基础方程边界条件解析解（8-22）式中，ε是气相体积分率；a是单位气液混合物体积具有的相界面；δ是液膜厚度；aδ是单位体积中液膜的体积；（6）二级中速反应反应区域为液膜和液相主体，液膜中B浓度随膜厚变化。该类型的反应基础方程和边界条件与不可逆一级中速反应相同，方程无解析解，只有近似解。（7）二级慢速反应液膜中的反应量比液相主体中小得多，可以忽略不计。即由气相主体传入液相的A，完全在液相中反应，而气膜和液膜中的

8、传质是纯物理过程。定常态操作时，通过气膜和液膜传递的A的量与液相主体中反应消耗的A的量相等，即，式中，a是单位液相体积具有的相界面。pA*是与cAL成平衡的气相分压。（8-34）（8）极慢反应扩散速率远大于反应速率，传质阻力可忽略，属