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1、会计学 1气液相反应过程与反应器第一页，编辑于星期二：一点 二十六分。概述n n 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。n n 与化学吸收过程极为相似。2第1 页/共40 页第二页，编辑于星期二：一点 二十六分。3 液相：第2 页/共40 页第三页，编辑于星期二：一点 二十六分。4 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第3 页/共40 页第四页，编辑于星期二：一点 二十六分。5 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
2、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。第4 页/共40 页第五页，编辑于星期二：一点 二十六分。6 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(g)+B(l)=C(g)其宏观反应历程为：1 A 从气相主体向气液界面扩散；2 A 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；第5 页/共40 页第六页，编辑于星期二：一点 二十六分。n n 4 液相中的产物C 透过液膜扩散到气液界面；n n 5 产物C 由气液界面扩散到气相主体。n
3、n 基本理论：双膜理论n n 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。n n 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第6 页/共40 页第七页，编辑于星期二：一点 二十六分。8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。第7 页/共40 页第八页，编辑于星期二：一点 二十六分。9 根据双膜理论的物理模型，可以写出：第8 页/共40 页第九页，编辑于星期二：一点 二十六分。10 因此可以写成：第9 页/共40 页第十页，编辑于星
4、期二：一点 二十六分。11 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。G Lp Ap Aic Ac Ai L第10 页/共40 页第十一页，编辑于星期二：一点 二十六分。12 则：第1 1 页/共40 页第十二页，编辑于星期二：一点 二十六分。13第12 页/共40 页第十三页，编辑于星期二：一点 二十六分。气液反应动力学14 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）：第13 页/共40 页第十四页，编辑于星期二：一点 二十六分。15第14 页/共40 页第十五页，编
5、辑于星期二：一点 二十六分。16 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。第15 页/共40 页第十六页，编辑于星期二：一点 二十六分。17 极慢反应传递速率远比反应速率快得多；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。第16 页/共40 页第十七页，编辑于星期二：一点 二十六分。18 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
6、为0），与物理吸收相同。G Lp Ap Aic Bc Ac Ai第17 页/共40 页第十八页，编辑于星期二：一点 二十六分。19 中速反应 反应在液相主体与液膜中同时进行：第18 页/共40 页第十九页，编辑于星期二：一点 二十六分。20 令 方程转变为：第19 页/共40 页第二十页，编辑于星期二：一点 二十六分。21 继续推导：第20 页/共40 页第二十一页，编辑于星期二：一点 二十六分。22 恒大于1。曲线下凹。八田数决定了,0,1(0，ch 1,/th 1)G Lp Ap Aic Bc Ac Aidl第21 页/共40 页第二十二页，编辑于星期二：一点 二十六分。23 快速反应 反
7、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。第22 页/共40 页第二十三页，编辑于星期二：一点 二十六分。24cBi不一定为0，与 中速反应的区别在于cAL为0，即在液相主体中没有A。G Lp Ap Aic BLc Ai第23 页/共40 页第二十四页，编辑于星期二：一点 二十六分。25 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。G Lp Ap Aic BLc Ai反应面 R第24 页/共40 页第二十五页，编辑于星期二：一点 二十六分。26 反应面左侧，只有A，
8、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。第25 页/共40 页第二十六页，编辑于星期二：一点 二十六分。27 解之，得：反应面的位置：第26 页/共40 页第二十七页，编辑于星期二：一点 二十六分。28 代表了反应面的位置，=1，反应面在液膜位置上，反应面与气液界面重合。第27 页/共40 页第二十八页，编辑于星期二：一点 二十六分。29 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cBLcBL 临，液相中将不再有A。第
9、28 页/共40 页第二十九页，编辑于星期二：一点 二十六分。30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。G Lp Ap Aic BL 临c BLc BLc Ai第29 页/共40 页第三十页，编辑于星期二：一点 二十六分。31 气液反应动力学小结 两个重要参数：化学增强因子 和八田数。=f(，cAi,cAL),=f(k,DALL)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L。强化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小L。当
10、然还与气相传递特性有关。第30 页/共40 页第三十一页，编辑于星期二：一点 二十六分。32 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：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 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。0.02 属于慢反应。第31 页/共40 页第三十二页，编辑于星期二：一点 二十六分。33气液反应器气液反应器有许多类型，常见的有：第32 页/共40 页第三十三页，编辑于星期二：一点 二十六分。34 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
11、；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。第33 页/共40 页第三十四页，编辑于星期二：一点 二十六分。35 填料层高度计算 取塔内微元高度dl 对气相作物料衡算：HF,Y A 出F,Y A 进L,X A 进L,X A 出dl第34 页/共40 页第三十五页，编辑于星期二：一点 二十六分。36 快反应及瞬间反应cAL=0，微元体内的相接触面积近似为填料面积：为填料比表面。气相中的A 分压用比摩尔分率表示：第35 页/共40 页第三十六页，编辑于星期二：一点 二十六分。37 代入前式可得：第36 页/共
12、40 页第三十七页，编辑于星期二：一点 二十六分。38 kGA,kLA有经验公式可算。气相视为平推流操作。由于视cAL=0，与液相流型无关。反应级数体现在 中。因为是快速反应，传质阻力主要存在于气膜之中。填料高度的最直接影响因素为摩尔流量、总压、填料比表面及出入口浓度差。与物理吸收的差别仅在于。如果=1，相当于用大量的液体吸收气相中的A。第37 页/共40 页第三十八页，编辑于星期二：一点 二十六分。39 鼓泡塔式反应器的计算 液相是连续相，气相是分散相。鼓泡塔反应器的操作分两种，连续与半连续。所谓半连续是指液体一次加入，达到反应要求后一次排出，而气相连续通过。假定：气相流动为平推流，气体分压随高度呈线性变化。液相在塔内为理想混合，物性参数不变。第38 页/共40 页第三十九页，编辑于星期二：一点 二十六分。40取反应器内任意横截面对气相进行物料衡算：输入输出=反应鼓泡塔反应器适用于慢反应过程，全部反应发生在液相主体。ldlY A 出F,Y A 入第39 页/共40 页第四十页，编辑于星期二：一点 二十六分。