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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，相界面上不存在
2、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。,G,L,Main body of gas,8.2 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，宏观反应速率就等于本征反应速率。 如果传质速率与反应速率相当
3、，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
4、相二级反应的宏观速率式,（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
5、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，双曲正弦函数,膜内增强系数,又称为Hatta准数，或八田准数，其物理意义是：,因此，可由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-
6、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。,3 快速反应 =,图8-6 关系图,与的关系见图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，也可查图8-5求其值。,（8-27）,-关系曲线, =,（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， 是气相体积分率；a是单位气液混合物体积具有的相界面； 是液膜厚度；a是单位体积中液膜的体
7、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，属于反应控制，气液相宏观反应速率等于液相主体中的本征反应速率。,此过
8、程可以直接运用本征动力学方程进行计算。,小结 （1）气液反应宏观速率可表示为,不同的反应，的表达式不同。 值可查图8-5求得。,（8-20）,-关系曲线,8.2.4 气液相反应器选型,反应器选型一般要考虑如下因素： 气液接触形式 塔式设备中气体、液体均可近似看成活塞流，采用逆流接触方式具有最大的推动力；鼓泡塔中气体呈活塞流，液体近似为全混流；搅拌釜中气、液两相均可看成全混流。 相间传质系数kGA、kLA 液体呈滴状处于连续的气相中kGA较高， kLA较低；气体呈上升的气泡通过连续的液相时kLA较高， kGA较低。 气、液流动速率 除填料塔以外的其他气液反应器液速/气速比可在较大范围内调节而不影
9、响操作；填料塔的液速/气速比在常压下一般控制在10左右。 气液反应控制步骤 传质控制的快反应应选择具有高相界面的设备，但要注意结合考虑传质系数的影响；反应控制的慢反应选用具有高液含率的釜式设备或鼓泡塔。,例：二级气液反应A+B R，-rA=20CACB mol/cm3s，已知DAL=2.010-5cm2/s，CBL=2.510-3mol/cm3，kLA=0.1 cm/s。试判断该反应的类型和反应区域，并选择合适的反应器。,解：,故该反应为慢反应，反应区域为液相主体。 可选择持液量大的搅拌釜或鼓泡塔反应器。,8.3 化学吸收填料塔的计算,填料塔具有较高的相界面，气、液逆流接触传质推动力大，主要用
10、于传质速率为控制步骤的气液反应。计算目的是确定填料用量和设备结构尺寸等。 8.3.1 填料层高度计算,设,为快速反应，液相主体中cBL=0，定常态操作时取一微元段作物料衡算：,气相组分A,化简得,积分,（1）,液相组分B,化简得,积分,（2）,若动力学方程已知，就可由上面的积分计算填料层高度。因为动力学方程常用气体分压和液相浓度表示，根据物质的量比浓度的定义可对积分式进行变换。,由,微分,代入式（1）和式（2）得,若为低浓度化学吸收过程，则,高度计算公式可简化为,（3）,（4）,（5）,解：这是低浓度吸收过程，故,（1）物理吸收 可按化工原理介绍的方法计算。填料层中取一截面，对溶质A作物料衡算
11、（如右图）：,整理得,即,物理吸收速率,吸收推动力,由计算结果知，该过程不宜采用物理吸收。,填料塔高度,（2）快速反应化学吸收 cB1=0.8 kmol/m3,a. 判断反应界面 （逆流吸收） 塔顶：气相浓度最低，液相浓度最高，如该处不是界面反应，则全塔都不是界面反应。 塔底：气相浓度最高，液相浓度最低，如该处是界面反应，则全塔都是界面反应。,据此，可判断全塔均为界面反应。,全塔物料衡算,在塔底处,b. 计算塔高 界面反应属气膜控制，宏观速率式,塔高,（3）快速反应化学吸收 cB1=0.03 kmol/m3 a. 判断反应区域 顶塔,据此，判断为膜内瞬间反应，不存在物理吸收段。宏观速率式为：,塔底：估计反应段长度，看是否存在物理吸收段。 塔内任一截面与塔顶之间物料衡算得任一截面上气、液浓度的关系式,代入塔底进气浓度，求得液相中反应物B出塔浓度,将cB代入宏观速率方程,计算所需填料高度,（3）快速反应化学吸收 cB1=0.128 kmol/m3 判断反应区域 顶塔,故塔顶是界面反应。 塔底 全塔物料衡算,故塔底不是界面反应。 两种反应区域交界处的临界浓度必满足,塔顶至临界截面之间物料衡算得,二式联立解得,b. 计算填料层高度,界面反应段,膜内瞬间反应段,填料层总高度,