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化学反应工程-22-第七节-气液相反应过程

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《气-液反应工程》PPT课件

《气-液反应工程》PPT课件
不同的传质模型对液相一侧的传质过程进行修正，传质 速率形式上跟双膜论相同 NA=kL（CAi－CAL），但不同传质 模型的kL定义不同，如表6－6所示。
－新鲜液体在界面上的停留时间；
－界面更新率，
9/17/2021
17
1）不同传质模型的吸收速率NA计算公式相同，其中kL的定义不 同； 2）渗透论较为精确，但数学计算复杂；双膜论数学计算简单， 结果和渗透论相近，工程计算中一般用双膜论； 3）表面更新论停留在理论阶段，因为目前S无法测定。
式中
，ρ－溶液密度，M－溶液平均分子量
对于稀溶液，M近似等于溶剂的分子量M0，可得Hi和Ei
的近似关系：
（6－7）
9/17/2021
9
3. Ηi、Ei和温度的关系
（6－8）
4. Ηi、Ei和压力的关系 1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：
（6－9）
－i在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。
NA′= kL（CAi－CAL）
（CAi－CAL）= -DAL（直线DE的斜率）
︱DD′的斜率︱ ＞︱ DE的斜率︱ ，则有NA＞NA’。 化学反应加强了气－液相间的传递过程。“加强”的基准是相
同条件下的物理吸收速率NA’。 化学反应在整个传递过程中的作用可以区分为多种情况。
9/17/2021
22
1. 化学反应可忽略的过程
34
2. 液相一侧吸收速率 液相一侧吸收速率NA等于A在界面上向液相方向的
扩散速率：
(6-31)
9/17/2021
35
二、一级不可逆反应
1. 液相一侧吸收速率 (1) 扩散－反应方程
rA=k1CA ， 扩散－反应方程为：
(6-32)

气液相反应和反应器分析

气液相反应和反应器分析

气液相反应和反应器分析
1.气液相反应
反应物系中存在气相和液相的一种多相反应过程，通常是气相反应物溶解于液相后，再与液相中另外的反应物进行反应；也可能是反应物均存在于气相中，它们溶解于含有催化剂的溶液以后再进行反应。

气液相反应主要用于:①直接制取产品,例如使乙烯在PdCl2-Cu2Cl2的醋酸溶液中进行氧化以制取乙醛，用空气氧化异丙苯以制取过氧化氢异丙苯等；②化学吸收，用以脱除气相中某一种或几种组分，例如用碱液脱除半水煤气中的二氧化碳和硫化氢等酸性气体，用铜氨溶液脱除合成气中的一氧化碳等。

2.双膜模型
✶气液两侧的传质阻力分别集中于相界面两侧的气膜与液膜之内；
✶相界面处气液处于平衡状态
✶定态时，气相的传质速率与液相传质速率相等。

2.气液相反应器的基本类型
气液相反应器按气液相接触形态可分为：
（1）气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器.
（2）液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等；
（3）液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器和降膜反应器等。

3.工业生产对气液相反应器的选用要求
(1)具备较高的生产能力(2）有利于反应选择性的提高(3）有利于降低能量消耗（4）有利于反应温度的控制
（5）能在较少液体流率下操作。

化学反应工程_气液相反应过程与反应器PPT共68页

化学反应工程_气液相反应过程与反应器PPT共68页

化学反应工程_气液相反应过程与反 应器
1、不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

气液相反应和反应

气液相反应和反应

02
深入研究催化剂的作用机制和活性中心的性质，优化催化剂的
制备工艺，以提高催化剂的活性和稳定性。
探索新型的催化剂载体和制备方法，以实现催化剂的高效分散
03
和负载，降低催化剂的成本和提高其循环使用性能。
绿色化学理念的应用
将绿色化学理念应用于气液相 反应的设计和实施过程中，以 减少或消除对环境的负面影响
详细描述
产物分离和提纯的方法包括蒸馏、萃取、结晶等。这些方法通常需要消耗大量的能量和时间，因此需 要优化分离和提纯的工艺条件，以提高产物的纯度和收率。同时，也可以采用新型的分离技术如膜分 离、吸附等，以降低分离和提纯的成本和提高效率。
05
气液相反应的未来发展
新反应机理探索
1
深入研究气液相反应的微观机制，探索新的反应 路径和机理，以提高反应效率和选择性。
反应动力学
动力学模型
气液相反应的动力学模型描述了 反应速率与反应物浓度的关系， 通常采用速率方程来表示。
速率常数
速率常数是描述反应速率的重要 参数，它受到温度、压力、反应 物浓度等因素的影响。
传递过程
在气液相反应中，传递过程涉及 到气体在液体中的溶解、扩散以 及液相传质等物理过程，对反应 速率产生影响。
04
气液相反应的挑战与解决方案
反应效率问题
总结词
反应效率低下是气液相反应中常见的问题应。
详细描述
在气液相反应中，由于气体和液体的密度和性质的差异，反应物之间的传质传热过程可能会受到限制，导致反应 效率低下。为了解决这一问题，可以采用增加搅拌强度、优化反应温度和压力等措施，提高反应物的接触面积和 反应速率。
。
开发环境友好的反应介质和溶 剂，替代传统的有毒有害溶剂

化学反应工程-24-第七章-气液相反应过程

化学反应工程-24-第七章-气液相反应过程
或采用以下关联式：
3 0.484 0.339 d b g Sh = 2.0 + 0.0187 Re P Sc L 23 DL
1

0.072

1.61
②湍动区 若床层内的气泡直径db为已知时，则有如下关联式：
DL µ L u t k L = 0.321 d b (µ L − µ G )
−2
− Re 0 0.05
式中：dVS：气泡直径（m）；d0：小孔直径（m）；u0：小孔 d u ρ Re 0 = 0 0 G 气速（m/s）； µG 由上式可见在高气速时，气速对气泡直径影响很小。
秋田等提出用鼓泡床床径作关联，得经验式如下：
d VS − 0.50 − 0.12 u 0 G = 26 Bo Ga gD D 2 式中： = gD ρ L ，称为朋特（Bond）准数； Bo σ
d VS
6ε G = a
a
=
n
π
6
3 d VS
2 nπd VS
由于气泡之间的相互影响，dVS的大小仍只能依靠实验。 对空气—水系统，经验式如下：
200 < Re 0 < 2100， d VS = 0.29 × 10 d 0 Re 0 3
2 −1 1 1
d Re 0 > 10000 ， VS = 0.71 × 10
1 2 1 2
式中：db为球形气泡直径；CD为曳力系数，是气泡雷诺数的函数，一 般实验结果为C D = 0.68 − 0.773
−3 3 （r 当 0.7 × 10 m < re < 3 × 10 m e为与气泡体积相同的球体半径）时，
气泡不再是球形，尾涡后的旋涡使浮升阻力增加，此时：

化学反应工程--第七章-气液相反应过程

化学反应工程--第七章-气液相反应过程

2
0 . 05
式中：dVS：气泡直径（m）；d0：小孔直径（m）；u0：小孔 d0u0 G Re 气速（m/s）； 0 G 由上式可见在高气速时，气速对气泡直径影响很小。
秋田等提出用鼓泡床床径作关联，得经验式如下：
u d 0 . 50 0 . 12 VS 0 G 26 Bo Ga D gD 2 gD L 式中： Bo ，称为朋特（Bond）准数；
gr u .02 t 1 e
1 2
工业鼓泡反应器内的气泡浮升速度一般用下式进行计算：
ut gr e r e L
1 2
式中：σ 为液体的表面张力（N/m），ρ L为液体密度（g/cm3）。 当有多数气泡一起上升时，气泡群的平均上升速度ub和单个气泡 的ut相差不大。 对流动的液体，气泡与液体之间存在一个相对速度，又称滑动速 度uS： u u 0 G L u u u 0 S b L 1 G G u0G、u0L为气相、液相的空塔速度。 范围内，而且比较均匀；在湍动区，气泡直径ub和孔径无关，分布器 的设计也就不那么重要了。
当床层处于湍动区时，ε
0G、ε G的计算不同于安静区，可用下式进行推算：
0G
空气 — 水系统
u0G 30 2u0G
1

1 72 3 u 0 G 0G 其他系统 30 2 u 0 G L
在实际操作条件下，气泡直径是不均一的，一般采用当量 比表面平均直径dVS表示，定义如下：
3 ndVS
n
即：

i

2 n d i i
6
2 dVS
2 i 3 i
ni

6

气液相反应

• γ<0.02属于慢反应。
8.3 气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许
多 类
• 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，
c AL shz
• 继续推导：
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l 0
DLA
S
L
cAich cAL sh
DLA
L
S
ch sh
cAi
cAL
ch
kLAS cAi
cAL
th
cAi
cAL
ch
cAi cAL
因此：
cAi
cAL
ch
• 根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA dt
DGA
G
(
pA
pAi )S
kGA( pA
pAi )S
DGA
G
kGA
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL)S
kLA (cAi
cAL)S
根据亨利定律，
DLA
L
kLA
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
dnA dt
LA
总括传质系数。
• 扩散物A在液膜中
的化学反应，使 pA
液膜较物理过程
的液膜变薄，由
变为 L

化学反应工程-22-第七章-气液相反应过程


Z =0
dC A dZ
dC A dZ
=
γ (α − 1)ch γ 1 − Z + sh γ 1 − Z ⋅ (− γ ) γ (α − 1)shγ + chγ
=
[(
)]
[(
)]
Z =0
γ (α − 1)chγ + shγ γ (α − 1) + thγ (− γ ) ⋅ (− γ ) = γ (α − 1)shγ + chγ 1 + γ (α − 1)thγ
γ = (aδ L ) =
2 2
2 δLk
δ L kC Ai
k LA C Ai
DLA
=
液膜最大可能的反应量 通过相界面A的最大可能的传质量
γ反映了液膜内进行的极限反应量与极限传递速率之比，所以可以应 用它来判断反应的快慢。与气固相催化反应的Φ模数意义类似。
①
γ > 2 时，即膜内最大反应量大于4倍膜内最大传质量时，可以认为
⑤可逆一级快速反应：
DLB 1+ k D LA β= D thγ 1 + k LB D LA γ

三、反应相内部利用率 η
实际的反应速率 η= 单位体积反应器中可能具有的最大反应速率
和气固相反应一样，对气液相反应，也存在一个内部利用率问题。 对一级反应定义如下：
βk LA C Ai D AL ⋅ γ [γ (α − 1) + thγ ] ⋅ δ L 1 γ (α − 1) + thγ η= = = ⋅ 2 kC Aiυ γα 1 + γ (α − 1)thγ δ L kυ [1 + γ (α − 1)thγ ]
(

化学反应工程 7. 气液相反应和反应器分析[精]

气液反应过程的基础方程
根据双膜模型，组分Ａ首先从气相主体通过气膜向气液相界 面扩散，然后穿过气液界面向液膜扩散；组分Ｂ则从液相主 体向液膜扩散，反应在液相中进行。整个反应过程的各步骤 和组分的浓度变化如图所示。这里假设液相组分Ｂ不挥发， 所以不存在组分Ｂ从相界面向气相扩散的问题。如果气相为 纯组分Ａ，则气膜不存在。
有限。
板式塔
筛板塔板或泡罩塔板, 在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分 散相,液体为连续相。
存液量较填料塔多。 板式塔反应器的气液传质系数较大,而且液相的轴向返混程度很小，塔
板上的温度也比较容易控制。但这种反应器的压降较大，气液传质表 面积也较小。
气液反应器
气液反应器
鼓泡塔
传递参数
如果在反应器内装有换热器，流体与换热器壁间的传热系 数 视气液混合物处于鼓泡状态区还是泡沫状态区而有不 同的关联式。
如果鼓泡塔的高度与直径比足够大，气相返混程度极小， 可按活塞流处理。但是，液相的返混一般就不一定能够忽 略。大多数实验结果表明，液相的返混取决于气体流速及 塔径，基本上与液体的流速及物理性质（密度、粘度及表 面张力等）无关。液相返混程度可以液相的轴向扩散系数 Dal来表示，可按下式进行计算：
塔内充满液体，气体从塔底部经过气体分布器通入,分散 成气泡，并沿着液层上升，在液层顶部与液体分离、溢出, 最后从塔的顶部排走。
鼓泡塔反应器的优点是结构简单、造价低、易控制、易维 修。如反应物料有腐蚀性,防腐问题易于解决。鼓泡塔也 可以较为容易地用于高压操作体系。
鼓泡塔反应器存在严重的液体返混和气泡聚并现象,这两 者均使反应器的效率下降。
气液反应基本方程
气液反应过程的基础方程
对A组分：DA

【化学课件】第7章 气液两相反应器

2 4
2
2
2
2
2
4
3）气—液相反应物借助固体催化剂反应，如催化剂 悬浮在液体中的小颗粒，则称为浆态床反应器。 Ni
3H 2 ( g ) C6 H 6 (l ) C6 H12
7.1.1气液相反应设备
塔类反应器 气液相反应设备 釜式反应器 填料塔 板式塔 鼓泡塔
k LA
D LA
L
DGA
气膜传质系数与气膜扩散系数也成正比关系
k GA
L
N A k GA ( p A p Ai ) k LA (C Ai C AL ) K GA ( p A p A *) K LA (C A * C AL ) PA PAi C Ai C AL p A PA * C A * C AL 1 1 1 1 k GA k LA K GA K LA
CA 1
当扩散达定常态时方 dC 1 对上式微分得： A (C Ai C AL ) 程右侧各项均为常数， dz L 可知此时液膜内浓度 ) z C Ai
③各传质系数及其相互关系 kG气膜中的传质系数 kL液膜中的传质系数 KG气相总传质系数 KL液相总传质系数
①瞬间快速反应
• 气相组分A与液相组 分B之间的反应为瞬 间完成，两者不能共 存，反应发生于液膜 内某一个面上，该面 称为反应面，在反应 面上A、B的浓度均 为零。
②界面反应
• 反应的性质与瞬间快速 反应相同，但因液相中 B组分浓度高，气相组 分A一扩散到达界面即 反应完毕，反应面移至 相界面上，在界面上， A组分浓度为零，而B 组分浓度可大于零。正 好使B组分在界面上浓 度为零时液相主体中组 分B的浓度称为临界浓 度。
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β 与γ 之间的关系：
由图可见： ①当 5 时，则 。这相当于反应速率常数k值比较大， 或反应液的浓度远低于气体的溶解度，或传质系数kLA非 小的情况，快速反应转化为瞬间反应。 ②当 0.5 5 时，才需按快速二级不可逆反应进行处理。
③当3 0.5 时， 值都落在对角线附近，或者说，反应速率
C1 C2 14
当 Z 1时，（3）式为：
dC A dZ C1e Z C 2 e Z
即： C1e
Z
C2e Z 2 1 C1e Z C2e Z


最后：C1e C2e 1 C1e C2e 5
fL G 1
m n m n N Aa f L kmnCAL CBL 1 G kmnCAL CBL
7.2.3气液非均相系统中的几个重要参数 一、膜内转化系数γ 与反应快慢判断 下面来看

的物理含义（对一级不可逆反应）：
a L
2 2
2 L k
DLA
常
已足够大，或传质系数足够大，以致CB在膜内不变，可按拟一 级快速不可逆反应处理。

k 2 C BL DLA k LA
④当 0.2时， 1，快速反应退化为慢速反应。
例用 NaOH 水溶液在吸收某尾气中的 CO2 ，其计量方程为：
CO2 g 2NaOHL Na2CO3 L H 2 OL

L kC Ai
k LA C Ai

液膜最大可能的反应量 通过相界面A的最大可能的传质量
γ 反映了液膜内进行的极限反应量与极限传递速率之比，所以可以应 用它来判断反应的快慢。与气固相催化反应的Φ 模数意义类似。
①
2 时，即膜内最大反应量大于4倍膜内最大传质量时，可以认为
反应在液膜内进行的是快速反应或瞬间反应（注：反应的快慢是相对 于传质速率而言，不是以kLA或k的大小来定义的），此时：
， k GA 0.15 kmol/ m 2 h atm ，
3 C 0 . 4 kmol / m P 0 . 05 atm BL ，试求当 A （绝对）和
时，此气—液反应的速率 N A 为多少？
解： N A kGA p A PAi k LA C Ai
i i 1
sh ch，chγ shγ
1sh 1 Z ch 1 Z 则： C A 1sh ch




C A 的浓度分布求出后，宏观反应速率：
N A D AL dC A dZ D AL
Z 0
C Ai d C A L dZ
则： RA N A DAL 显然：
C Ai
L
1 th 1 1th
k LA C Ai
1 th 1 1th
四、慢速反应宏观动力学
1、慢速反应 特点：和传质速率相比较，反应缓慢，反应主要发生在液相主体 内，但A传递入主体时的液膜阻力仍然起一定影响，如图⑺所示。 由于反应主要发生在液相主体，则在液膜中仅发生A组分的扩散 过程，因此与物理吸收相同，此时基础方程为： d 2C A rA 0 2 dZ d 2C B rB 0 2 dZ Z 0 C A C Ai C B C Bi Z L C A C AL C B C BL 和物理吸收过程一样，浓度分布：
令
表示液相容积（厚度） 与液膜容积（或厚度） 之比。 L
2 d C A k L 1 C A DAL dZ

dC A 2 1 C A 3 dZ
⑵式的通解为：C A C1e Z C2 e Z 代入边界条件求 C1、C2
RA k LA aCAi

（-RA）是以单位时间、单位体积反应器内的A反应量。当
时， 2
则：
RA
kCBL DLA aCAi
由上式可知，反应速率与kLA或无关，而与a成正比，故对快反应， 宜选用填料塔、喷洒塔等。同样，对瞬间反应，在一定条件下， k无关。 为一定值，亦与
7.3.1气液相反应速率的测定原理
双全混反应釜，可以测定本征动力学。
双全混：气、液相全混。
2、实验规划和相关推导
Ag bBL 产物
液相：对B作物料衡算：
L C B0 L C B rBLVRL
rBL
L C B 0 C B
VRL
1
在稳态下，不同的 C B 对应不同的 rBL ，只要测出 C B ， 即可由上式求出B的反应速率。
k LA C Ai D AL 1 th L 1 1 th 2 kC Ai 1 1th L k1 1th
对二级反应只有数值解。
7.3气液相反应速率的测定（本征动力学）
时，反应全部在液相主体中进行，为慢反应的情况，此时： ② 0.02
C Ai C AL
即A浓度在膜内降低极小，反应速率为：
RA kCAiCBL 1 G
为提高反应速率，必须提高存液量，即fL，故宜选用鼓泡塔。
③
0.02 2时，中速反应情况。若
1 G 1 a L
N A k ALC Ai 5.061.2 6.78104 4.1168103 km ol/(m 2 h)
三、中速反应宏观动力学
特点：在液膜和液相主体都发生反应，即C AL 0 。
1、不可逆二级中速反应
d 2 C A k 2 C AC B 2 DLA dZ d 2C bk2 C A C B B dZ 2 DBL dCB Z 0 C C C C 0 A Ai B Bi dZ dCA Z C C C C D L k 2 C AL C BL L A AL B BL AL dZ
Z 0
dC A dZ
dC A dZ

1ch 1 Z sh 1 Z 1sh ch




Z 0
1ch sh 1 th 1sh c 结果：C1 1e e e e 1 1e C2 1e e e e
利用双曲函数：
e e e e sh sh ， ch ，th 2 2 ch
表明主体内反应量大于膜内反应量，此时β 不但与γ 有关，还与
1 G 有关。 a L
对中速反应，有关资料较少，故一般总是改变条件，使其转化 1 大， 为快速或慢速反应，或者采取 a也尽量大，如选用 G 带搅拌器的反应釜。
二、增强系数β

NA 实际的反应速率 k LA C Ai 可能的最大物理传质速 率
不同反应，β 的大小也不同，归纳如下： ①瞬间飞快反应：
DLB C BL 或 1 bDLA C Ai
②不可逆一级快速反应：


tanh
③不可逆二级快速反应：

1
th 1
④零级快速反应：
气相：对A作衡算
nA0 nA rALVRL
rAL n A0 n A VRL
nA PA nI PI nI nI 0
rAL 液相中A的反应速率
。此反应为二级不可逆
2
反应，反应速率式为 rA k 2 C AC B ，C A、C B 分别为CO 和NaOH 的浓
DLA DLB 6.4 106 m 2 / h ， 度。已知在操作条件下有：
k 2 4000 m 2 / kmol s ， kLA 1.2 m / h
1 0.03 km ol/ m 3 atm HA
CA
Z
L
C AL C Ai C Ai
k LA C Ai C AL
Z 0
宏观动力学方程：
RA N A DLA dCA
dZ
2、极慢反应 物理图像如上图⑻所示，反应极其缓慢，传质阻力可以忽略不 计，在液相中组分A和B是均匀的，整个过程由反应速率控制。
将上式和边界条件无因次化：令 C Z CA A Z C Ai L
2 2 C d C d CA Ai A 则： 2 2 dZ 2 L dZ
则（1）式转化成：
D AL C Ai d 2 C A

2
2 L
d 2C A dZ
2
2 k L C A 1 DAL
dZ
2
kC Ai C A
C AL
PA C C Ai HA
* A
设反应速率式为：
m n rA kmnC A CB
（单位时间、单位体积中A的反应量）
这里介绍三个概念：
a
——单位气、液混合物容积中的相界面积；
f L ——表示气、液混合物中的液含率（液相体积分率）；
G ——表示气、液混合物中气含率（气相体积分率）。
应用试差法，设：
0 C Ai C Ai (赋处值） i 试差 N A PAi
判断 PAi H AC Ai是否相等，若不等，则重新假设，若满足误差 范围，试差停止。 结果：
C Ai 6.78 104 kmol/ m 3时
i 295.99 5.06
1
⑤可逆一级快速反应：
kDLA 2 C Ai C AL 2k LA
DLB DLA DLB th 1 k DLA 1 k