氣液反應(yīng)及反應(yīng)器

1、 氣液反應(yīng)及反應(yīng)器氣液反應(yīng)及反應(yīng)器 本章內(nèi)容本章內(nèi)容概述概述氣液反應(yīng)的宏觀動力學氣液反應(yīng)的宏觀動力學氣液反應(yīng)器的設(shè)計氣液反應(yīng)器的設(shè)計123 1.1概述概述1.1.1氣液反應(yīng)氣液反應(yīng)氣液反應(yīng)：指氣相中的組分必須進入到液相中才能進行的反應(yīng)。液相可以是液體反應(yīng)物，也可以是催化劑溶液。反應(yīng)舉例： 1、化學吸收: CO2 (g)+NaOH(L) Na2CO3 +H2O 2、生化反應(yīng)：好氧發(fā)酵 3、環(huán)保：CO2、H2S等脫除。2、有機合成反應(yīng)： 氧化反應(yīng)：如： 氯化反應(yīng)：如：O2OHO+Cl2FeCl3Cl+ HCl1.1.2 氣液反應(yīng)器型式氣液反應(yīng)器型式塔式：填料塔，板式塔，鼓泡塔等釜式：機械攪拌鼓泡釜

2、其它：環(huán)流反應(yīng)器、噴射型反應(yīng)器、文丘里型反應(yīng)器等1.1.3氣液反應(yīng)的特點氣液反應(yīng)的特點（1）為非均相反應(yīng)，氣液兩相間存在相界面，反應(yīng)的進行是以兩相界面的傳質(zhì)為前提。 （2）由于氣液兩相均為流動相，不存在固定不變的相界面，這一點與氣-固催化反應(yīng)不同。 1.1.4氣液反應(yīng)的步驟氣液反應(yīng)的步驟（1）氣相組分A從氣相主體擴散到液相相界面，在相界面上達到氣液平衡 PAi =HA CAi （2）組分A由相界面向液膜內(nèi)擴散，并與由液相主體擴散到液膜的組分B進行反應(yīng)。此時反應(yīng)與擴散同時進行。 （3）未反應(yīng)的A繼續(xù)向液相主體擴散。并同B在液相主體中反應(yīng)。 （4）液相產(chǎn)物向液相主體擴散（氣相產(chǎn)物向界面擴散） )l

3、 (R)l (B)g(ARB圖11鑒于雙膜理論的氣液反應(yīng)步驟圖雙膜理論（模型） (滲透模型，表面更新模型)宏觀反應(yīng)速率： 液膜傳質(zhì)系數(shù)式中：無化學反應(yīng)： k LLA0LAALAiLAALAiLLAZALAAD)CC(k)CC(D)dZdC(DN本征反應(yīng)速率擴散速率由于有了化學反應(yīng)，相當于降低了液膜阻力。增強因子其中質(zhì)系數(shù)有化學反應(yīng)時的液膜傳式中：有化學反應(yīng)： , ; k )( )()(RLA0RLLALAAAAALALALRLALAALAiLAALAiRLAZALAAkkNNNNkkDkCCkCCDdZdCDN1.2氣液反應(yīng)宏觀動力學氣液反應(yīng)宏觀動力學1.2.1擴散擴散-反應(yīng)方程（物料衡算式）

4、反應(yīng)方程（物料衡算式）在液膜內(nèi)任一處取單位截面積的微層，微層體積 對該微層作A組分的物衡：dZdVr1圖12氣液反應(yīng)的擴散反應(yīng)圖在定常態(tài)下：擴散進入的量擴散出去的量反應(yīng)掉的量)R()R()dZCd(DB)R(A)R()dZCd(DdZ)R()dCC(dZdD)dZdC(DABBBLBAAALAAAALAALA2222 得：組分作物衡，同理：對體積為基準本征反應(yīng)速率，以液相式中：反應(yīng)方程的擴散化簡，得：1.2.2 各種情況下的各種情況下的A、B組分濃度分布和宏觀反應(yīng)速率組分濃度分布和宏觀反應(yīng)速率1.2.2.1一級不可逆反應(yīng)1瞬間不可逆反應(yīng)其可分為在液膜內(nèi)反應(yīng)和在相界面上反應(yīng)。1）反應(yīng)面在液膜內(nèi)：

5、（1）本征反應(yīng)速率擴散速率。（2）A、B組分不共存。（3）反應(yīng)發(fā)生在液膜內(nèi)的某一個面上。圖13瞬間不可逆反應(yīng)，反應(yīng)面在液膜內(nèi)的濃度分布圖原來的擴散反應(yīng)方程可寫為： 只在反應(yīng)面上反應(yīng)。 dZCdD ,ZdZCdD ,ZBLBLRALAR0002222LBBLBBLBALABARAiACC ,ZdZdCDdZdCD- 0C 0,C ,ZCC ,0Z邊界條件：LAiBBLLALBAiAZCCDD1CC 1可解得：上式，CAZ 成直線關(guān)系。在定常態(tài)下，單位時間、單位截面積上A從相界面上擴散進入的量應(yīng)等于A在液膜內(nèi)反應(yīng)掉的量，即：A從相界面上擴散進入的速率應(yīng)等于A的反應(yīng)速率。其中：dtdnS1 N A0

6、A的反應(yīng)速率，以相界面積為基準式中：AAAZALARRRdZdCDAiAiAiBBLLALBLAZALAACCCCDDDdZdCDRLAL0k 1增強系數(shù)瞬間不可逆反應(yīng)的 1 AiBBLLALBCCDD擴散經(jīng)過的液膜厚度瞬間不可逆反應(yīng)時無反應(yīng)時的液膜厚度率無反應(yīng)時的最大傳質(zhì)速反應(yīng)速率瞬間不可逆反應(yīng)的最大ACkCkkkRLAiLAAiLALALA)0(成線性關(guān)系?；蚺c由上式可見，下式消去常不可測量，但可通過中包含了在BLAGABBLALALBAGGALAAGABBLALALBAGLAAGAAiAAGLAAAiAGAAiAGAAiLAAiAGGAAAiAiACPRCHDDPKkHkCHDDPkHk

7、CHPkHCHkPPRCkPPkRCCR)( )(1 1) 1(1)()()(,)(則：圖14 瞬間不可逆反應(yīng)，反應(yīng)速率隨 的變化關(guān)系BLAGCP或的變化關(guān)系010GAAGAiAGAik,CC,PP，則若氣膜阻力為)()(BBLLALBAAGLAAGLAACDDHPkCkR2）反應(yīng)面在相界面上當CBLR反應(yīng)面向相界面移動當CBL剛好足夠大時，R0, 反應(yīng)面與相界面重合，此時，CBi=0，CBL=(CBL)C當CBL進一步增大，反應(yīng)面將不再移動，但CBi不再為0，CBi=CBL(CBL)C，而CAi總等于0。將CBi=0時所對應(yīng)的CBL稱為(CBL)C（B組分的臨界濃度）圖15瞬間不可逆反應(yīng)，反

8、應(yīng)面在相界面上的濃度分布圖下面介紹（CBL）C的求?。?反應(yīng)面在相界面上 液膜對A的擴散無阻力。 宏觀反應(yīng)速率=氣膜擴散速率AGGABLCBLLBBLBBBAiAGGAAAPk-CDdZdCDN-R P PkN-R L00即AGLBLALAGABLALALLBAGGABCBLPDkDkDDDPkC 2快速反應(yīng) 特點：（1）本征反應(yīng)速率 傳質(zhì)速率 （2）反應(yīng)發(fā)生在液膜內(nèi)，但CAL=0 圖16 擬一級快速反應(yīng)時反應(yīng)組分的濃度分布圖 若本征反應(yīng)速率（-RA）=k2CACB，此時若組分B大大過量，即CB 可作為常數(shù)，則（-RA）=kCA.，為擬一級反應(yīng)，代入擴散反應(yīng)物衡式，得ALA2A2AA2A2LA

9、CDkdZCd kC-RdZCdD即：LA2L22LAiADkdd ,Z ,CC 代入上式，得無因次化：222eAPSLALMdZd DkR-Hatta-DkM 則：數(shù)（八田數(shù)），類似于令：M-MM-112ALAiAM-2M1e-eeC 0, 1,C-1C 1, 0,0C ,ZCC 0,Z eCeC 邊界條件：通解：MSinh-1MSinhe-eee ee-eeee-ee MM1M1MMMMMMMMM特解：AiLAAiLAAiLA0AiLLA0ZALAAACkMtanhMCkMSinhMCoshMCk ddCD-dZdC-DNR- 數(shù)快速反應(yīng)的增強系 MtanhM AiLAALALALALAL

10、LALAiLAACkD R- kkDkDDDkM CkM R- M 1,M tanh3,M 而則若上式說明： 與 無關(guān)，即與 無關(guān)，因而改變液相的流動狀況，并不能改變宏觀反應(yīng)速率。)(ARLAkA3中速反應(yīng)特征：（1）本征反應(yīng)速率與傳質(zhì)速率相當（2）液膜和液相主體都發(fā)生反應(yīng)， CAL0圖17 擬一級中速反應(yīng)時反應(yīng)組分的濃度分布圖擬一級反應(yīng)，（-RA）=kCA.，擴散反應(yīng)方程式仍為：ALA2A2AA2A2LACDkdZCd kC-RdZCdD即：LA2L22LAiADkdd ,Z ,CC 代入上式，得無因次化：M-2M1eCeC 通解： 1D- ,Z CC 0,Z LALAiA aakCdZdC

11、LAAL邊界條件：有的相界面積單位液相體積所具式中：LVSa 上式說明：單位時間、單位相界面積，從液膜擴散到液相主體中A的量應(yīng)等于在液相主體中反應(yīng)掉的A的量。液膜體積液相體積式中：即邊界條件為：LLL21SVa1 1-Mdd 1,1 0, Msinh-MMcosh-1Msinh-M-1Mcosh 11特解：中速反應(yīng)的增強系數(shù)1111MtanhM1-Mtanh)(MM CkMtanhM1-Mtanh)(MMCk ddCD-dZdC-DNR- AiLAAiLA0AiLLA0ZALAAA4慢速反應(yīng)特點：（1）本征反應(yīng)速率 傳質(zhì)速率 （2）反應(yīng)發(fā)生在液相主體 圖18 擬一級慢速反應(yīng)時反應(yīng)組分的濃度分布

12、圖氣膜傳質(zhì)速率液膜傳質(zhì)速率液相主體反應(yīng)速率5極慢反應(yīng)特征：（1）本征反應(yīng)速率4,（2）(膜內(nèi)反應(yīng)量大于4倍膜內(nèi)傳質(zhì)量)瞬間反應(yīng),快速反應(yīng)（2）0.0424 (0.22) 中速反應(yīng)（3）0.000420.04 (0.020.2)慢速反應(yīng)（4）20.0004 (0.02)極慢反應(yīng) 的物理意義：表示下面為了書寫方便，用 M膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)量質(zhì)經(jīng)界面可能的最大傳量液膜內(nèi)可能的最大反應(yīng) 1111122AilALAiAiAilALlALLLALlALaCkaCkaCaCkkkkDkDk膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)量質(zhì)經(jīng)界面可能的最大傳量液膜內(nèi)可能的最大反應(yīng) aCkaCkCAiLALBLAi21.2.4 二級不可逆反應(yīng)本征速度

13、： 當 很大，即 時，令 擬一級反應(yīng)，結(jié)果與一級反應(yīng)相同。此時 BAACkCR)(BLCAiBBLCCAABLCk)R(,kCk11LABLLALABLLkkCDDkCM1 快速反應(yīng) 基礎(chǔ)方程式 邊界條件： （組分B不揮發(fā)）BABBLBBAALACkCdzCdDCkCdzCdD222200dzdC,CC,zBAiA 0BLBALCC,C,z 即使在上述簡單的邊界條件下，基礎(chǔ)方程式也不能直接得到解析解，而只能得到近似解析解。這是一個關(guān)于 的隱函數(shù)關(guān)系，不能直接計算出 值，為了便于直接得出 值，可以作出以 為參變量的 圖： AiLAAACkNR 1tanh )1(MM M若已知： , 可讀出 。

14、（誤差10%） M圖110 二級不可逆反應(yīng)的 圖M由圖1-10可見(為了書寫方便， 用 表示)：1) 一定， ， 最后 （水平線）2） ，屬瞬間不可逆反應(yīng)3） , 各點十分接近對角線，屬快速擬一級反應(yīng)，4） ，各點處于曲線上升區(qū)， 屬快速二級反應(yīng)5） 隨著 ，二級反應(yīng)呈中速 慢速反應(yīng)狀態(tài)， 值用式 （*）計算。M,105 . 03, 3105 . 0, 3下降2. 中速反應(yīng)：邊界條件：無解析解，只有數(shù)值解，其結(jié)果可用以 為參數(shù)的 圖來表示。中速反應(yīng)： 0.2 200dzdC,CC,zBAiABALAlABLBLCkC)(dzdCD,CC,z1 1） 一定， （膜內(nèi)轉(zhuǎn)化系數(shù)，反應(yīng)能力或傳質(zhì)能力）

15、 （在液膜內(nèi)反應(yīng)量）2） 一定， （液相體積或液膜體積） 3） 一定， （液相體積或液膜體積） ,CAL ,AlC ,3 慢反應(yīng)與極慢反應(yīng)1）慢反應(yīng) 仍需考慮傳質(zhì)。 氣阻 液阻 反應(yīng)阻力傳質(zhì)過程與反應(yīng)過程為串聯(lián)關(guān)系。 2）極慢反應(yīng) 動力學控制 BLAiLAAiGAAAkCHakHakp)R( 1BLALACkC)R( 1.2.5 氣液反應(yīng)的有效因子液相利用率（反應(yīng)相內(nèi)部利用率） 瞬間：快速：21LL1L1DkCkaCklAAiAiA反應(yīng)速度液相中可能具有的最大宏觀速度201001101,111 tanh)(tanh)(中速：公式，得由中速，：慢速 an20020 ht,.1111122)a(極

16、慢反應(yīng): ( )11.2.6 宏觀動力學的實驗研究宏觀動力學的實驗研究 1.2.6.1 宏觀動力學狀態(tài)的實驗判別 1不同狀態(tài)的宏觀動力學特征 一般表達式： 1） 瞬間不可逆反應(yīng)： a.反應(yīng)面在液膜內(nèi) AiLAAAiLAAACkSdtdnCkN)R( AiBBLLALBCCDD1（1）與本征動力學型式無關(guān)，即與 （或 ）動力學常數(shù)無關(guān)，對溫 度不敏感。 （2） ，與 無關(guān)；（3）與 有關(guān)。 b.反應(yīng)面在相界面： （1）（2）與上同，（3）與 無關(guān)。SdtdnALVBLLACk,AGAApSkdtdnBLLACk,1kk2） 快速反應(yīng)： 一級： 二級：（1）與本征動力學型式有關(guān)，即與 或 有關(guān)，對

17、溫度敏感；（2） ，與 有關(guān) ；（3）一級與 無關(guān)，二級與 有關(guān)。 1tanh )1(1kkSdtdnALVLAkLAk3）中速反應(yīng)： 一級： 二級：無解析解（有近似解析解） （1）同快反應(yīng)； （2） 與 均有關(guān)； （3）與 有關(guān)。111tanh)(tanh)(dtdnALVS,LAk4）慢速反應(yīng)： （1）（2）（3）均同中速反應(yīng)。二級一級 1111BLALAAGALAGAkCkkkHakHakVPdtdn5）極慢反應(yīng)： 一級： 二級： （1）與本征動力學型式有關(guān)，即與 有關(guān)，對 敏感； （2） ，與 無關(guān)； （3）與 均無關(guān)。ALLACkVdtdn1BLALLACkCVdtdnkk 或或1T

18、LVndtdASGALAkk,實驗判別瞬間、快速反應(yīng)不變改變Sdtd,Sdtd,VAALn n 快速響極大影瞬間響不大影，改變 n n T dtddtdAA1.2.6.2. 宏觀動力學常數(shù)的測定： 1綜合測定： 需測定的常數(shù)包括： ， ， ， （或k）。 1)通過實驗，改變 ，考察 的變化規(guī)律，判 別所處的動力學狀態(tài)。 參見右圖（雙混 釜示意圖）：aGAkLAk1kTkkSVGALAL,dtdnA 2） 選取相應(yīng)的宏觀動力學表達式3） 測定不同條件的反應(yīng)速率 式中：I惰性氣體4） 由實驗數(shù)據(jù)求取宏觀動力學參數(shù))()(1)(0IAIALIALAppppRTVPQdtdnVRLBBLBLBVCCQ

19、dtdnVR)(1)(02. 分別測定： 1）動力學常數(shù) 的測定 本征動力學常數(shù)測定必須在消除氣、液膜阻力的條件下進行： a.當用雙混釜測定時，可改變氣、液兩相的攪拌速度和相面面積， 如果 不隨 n 和 s 變化，則屬動力學控制； b.當用鼓泡攪拌釜時，可改變攪拌轉(zhuǎn)速n和通氣量，當在較高通氣 量下，反應(yīng)速度不隨n 變化時，可認為消除了內(nèi)外擴散。)(1kork)R(A 兩個臨界轉(zhuǎn)速： 下臨界轉(zhuǎn)速：是指攪拌槳的轉(zhuǎn)速必須達到此值，氣體才能分布均勻。 在此轉(zhuǎn)速以上，釜內(nèi)氣、液都趨于完全混合，傳質(zhì)系數(shù) 主要受攪拌速度所支配，氣速大小已無直接影響。 上臨界轉(zhuǎn)速：當轉(zhuǎn)速達上臨界轉(zhuǎn)速時，增加轉(zhuǎn)速并不增加反應(yīng)速

20、率， 此時過程已為反應(yīng)動力學控制。 兩種情況下的動力學速率計算式同前。2） 的測定： 是與設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件有關(guān)，測定方法有物理法和化學法。 這里討論的是化學法： 選擇一快速反應(yīng)體系（一級或擬一級），其動力學常數(shù)已知。LAGAkka,LAGAkka, akCakCaCDkaCkkkDaCkaCkRAiLAAAiLAAAiLAAiLALALAAiLAAiLAA直直線線斜斜率率即即為為作作圖圖或或 ,D)R( , D)R()2()(1111 改變 快反應(yīng) 最大相對誤差8.6%。現(xiàn)利用更新模型的結(jié)果改變催化劑用量擬一級改變擬一級一級改變)(C),(TkBL1 21an表面更新模型膜模型ht21D1L

21、ALAkkAiLALALAAaCkkk)(21D1R LALALAAiALALAAiAkaakakCakkaC和和可同時求出可同時求出截距即為截距即為，直線斜率即為直線斜率即為作圖，作圖， ,)( D )R()()D()R(22122122 LAiiLALAiAiAkaakakC ,)( D )R(2212和和可可同同時時求求出出截截距距即即為為，直直線線斜斜率率即即為為作作圖圖， （更大較好），)kkH(a)P(akHakP)(GALAAAAGLAAGAAGA1 1R1R2LALAkk1D )11D(1RGALAAAAGkkHaP 標繪。注意：1）前兩種標繪，液膜控制， ，易求。 2）為使標

22、繪盡可能準確些，要求 的變化范圍大。 3）除改變 外，其它操作條件及物料（ ）盡可能恒定。1111 RD AGAAGALAGAPHaa kkak作圖，直線斜率即為，截距即為，可同時求得和。DanckwertsAAGAiHPC1k1kLAADH 1.3 氣液反應(yīng)器氣液反應(yīng)器1.3.1 常見氣液反應(yīng)器的特點常見氣液反應(yīng)器的特點 1.3.1.1 填料塔： 氣相連續(xù)相 液相分散相 相界面大，儲液量小。適用于瞬間、快速反應(yīng)；同軸向返混比可以忽略，故液相轉(zhuǎn)化率高。壓降小，操作適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)簡單，操作費用低，但不適用于慢反應(yīng)。 1.3.1.2 噴霧塔： 氣相連續(xù)相 液相分散相 相界面大，儲液量極小。適用于瞬

23、間快速反應(yīng)，過程受氣膜控制的情況（且僅適用于此情況）。結(jié)構(gòu)更簡單，壓降更小，但氣液兩相返混很嚴重。 1.3.1.3 板式塔： 氣相分散相 液相連續(xù)相 軸向返混小，液體流率小，轉(zhuǎn)化率高，傳質(zhì)系數(shù)大。適用于快速和中速反應(yīng)，壓降大結(jié)構(gòu)復雜。 1.3.1.4 鼓泡塔： 氣相分散相 液相連續(xù)相 軸向返混嚴重，液相全混，儲液量大，適用于慢反應(yīng)和放熱量大的反應(yīng)。轉(zhuǎn)化率低。 1.3.1.5攪拌鼓泡塔： 與鼓泡塔相比，除具有其特點外，尤其對高粘性的氣體和非牛頓液 體（粘性液體、漿料等）間的反應(yīng)更為適用。因為有攪拌，所以氣體 分散好，氣液混合均勻，相界面和傳質(zhì)系數(shù)增大。1.3.1.6環(huán)流反應(yīng)器： 環(huán)流反應(yīng)器是一種

24、高效的氣-液,液-固或氣-液-固多相反應(yīng)器,是在鼓泡反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。由于環(huán)流反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單,反應(yīng)器內(nèi)流體作定向流動,環(huán)流液速快,氣體停留時間長,氣含率高,氣泡比表面積大,相間接觸好以及體積傳質(zhì)系數(shù)較大等優(yōu)點。1.3.2 氣液反應(yīng)器的選型氣液反應(yīng)器的選型 氣液反應(yīng)器的重要特性參數(shù)為：液含率 ，比相界面積a，液相傳質(zhì)系數(shù)kL和氣相傳質(zhì)系數(shù)kG。這些參數(shù)值的大體范圍見表 1 1。表中值適用于流體性質(zhì)與空氣和水差別不大、液體不起泡的情況。)1(GLL反應(yīng)器類型填料塔 逆流 并流板式塔 泡罩 篩板鼓泡塔填充鼓泡塔 管式反應(yīng)器 水平 或 蛇管 豎式噴霧塔機械攪拌鼓泡釜浸沒式和插入式噴嘴水力旋風

25、式反應(yīng)器噴射型反應(yīng)器文丘里型反應(yīng)器0.020.250.020.950.100.950.100950.600.980.100.980.050950.050.950.020200.200.950.940.990.700.93/0.500.300.0320.130.520.560.520.520.540.580.52/2100.420.42151201414110250.71.50.340.150.51030/5100.13.50.11714120.560.530.571200.111200.21.20.20.51201.6250.0470.041021201400.5240.5120.570210

26、00.071.50.3800.030.6215/825LatmscmmolkG24/10 scmkL/10232/ cmcma1-2s 10akL表表11 氣液反應(yīng)器的一些重要特性參數(shù)氣液反應(yīng)器的一些重要特性參數(shù) 如何選擇合適的反應(yīng)器，主要從反應(yīng)體系特性和反應(yīng)器特性兩個方面 進行綜合考慮。 從反應(yīng)體系看：物性為HA，DLA, DGA 反應(yīng)性能如反應(yīng)速率常數(shù)k 操作條件如PA, CBL, T等 將影響反應(yīng)發(fā)生的場所（液膜、液相主體和相界面）和反應(yīng)過程主要阻力所在。 Levenspiel總結(jié)指出：除極慢反應(yīng)外，所有的宏觀動力學狀態(tài)均以膜阻為主或膜阻控制。氣膜控制發(fā)生在易溶氣體 如氨以及任何溶解度的

27、極快反應(yīng)。液膜控制發(fā)生在難溶氣體 如氧溶于水，以及快速反應(yīng)。bGGLLGLLLda , ,k,ku u和將影響，操作條件，物性)/1(3molmPaHA)/10(35molmPaHA 從反應(yīng)器看，選擇反應(yīng)器型式時考慮的主要因素有： 兩相流型：這決定了停留時間分布和反應(yīng)物濃度、溫度分布。填料塔和 塔板數(shù)大于10的板式塔，其氣液相流動近似平推流。機械攪 拌鼓泡釜中氣、液相流動近似全混流。鼓泡塔內(nèi)通常氣相近 似平推流，液相近似全混流。半連續(xù)操作的機械攪拌鼓泡釜 則液相不流動，濃度分布均一，氣相全混流或平推流 。流動 成平推流型則具有最大的傳質(zhì)推動力，反之全混流時推動力 最小。 液含率（氣含率），它影

28、響氣液兩相的停留時間長短，氣含率高，氣液 接觸時間長，液含率高，在液相主體進行的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高。傳遞特性： ，一般說，液滴分散于氣相，則 氣泡 分散于液相，則 流動速率：填料塔操作時，液相和氣相的摩爾流速比最好應(yīng)達到10左右 （常壓下），而其它型式的反應(yīng)器容許的液氣比范圍比較寬。 反應(yīng)場所和反應(yīng)過程阻力在膜內(nèi)，即 的瞬間或快速反應(yīng)，選用相界面積a大的反應(yīng)器如機械攪拌鼓泡釜，或液膜體積大、液相主體體積小的反應(yīng)器，如填料塔、膜式反應(yīng)器等。氣膜控制一般用噴霧塔，而不用鼓泡塔，液膜控制不用噴霧塔。 反應(yīng)場所主要在液相主體、反應(yīng)過程阻力在膜或主體的中速、慢速和極慢反應(yīng)，適宜采用 如鼓泡塔、機械攪拌鼓泡釜等

29、。GLkk 和、a小，大，LGkk大。小，LGkk3M大的反應(yīng)器大aL 從提高復雜反應(yīng)的選擇性角度出發(fā)，如平行反應(yīng)，若主反應(yīng)為快速、副反應(yīng)為慢速，則應(yīng)選用 。如連串反應(yīng)，中間產(chǎn)物為目的產(chǎn)物時，為避免主副反應(yīng)同時在膜內(nèi)進行，應(yīng)選用 ，使副反應(yīng)或主副反應(yīng)移到液相主體中進行。小的反應(yīng)器L大的反應(yīng)器Lk 反應(yīng)器選擇還需考慮：形成單位相界面積的能耗要低，氣相壓降不太大，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉等。在這些方面，鼓泡塔有其優(yōu)勢，故應(yīng)用廣泛，甚至有體積大到3000m3的鼓泡反應(yīng)器用于生物化工。20000m3的鼓泡反應(yīng)器用于廢水處理。氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，由于內(nèi)置導流筒，加上氣體入口的噴射動能，使原先液體的

30、自然對流強化為一個流場穩(wěn)定的循環(huán)流動，減少了反應(yīng)器內(nèi)的死區(qū)和短路，使物料得到充分的混合，形成的氣泡由于受循環(huán)液體的剪切力，不易聚并，氣泡小而均勻，使比相界面積a增大，kL值增大到機械攪拌鼓泡釜的水平。被認為是單位能耗所取得傳質(zhì)效果最好的一類反應(yīng)器，且流行穩(wěn)定，利于放大.1.3.3 填料塔計算填料塔計算 假定： 1）氣液連續(xù)逆流定常態(tài)操作； 2）氣液兩相均為平推流； 3）一維、等溫、等壓。 取微元體積： ， 截面積 其相間面積： 物衡： 氣相中消失的A量=液相中反應(yīng)的A量dzdVrrrAdzaAadVrr 單位塔截面的惰氣 流量 單位塔截面的液 流量 左邊 右邊 于是：GLmolmolhrmkm

31、ol2hrmkmol22211AArAArAArpPPdpGA)y(dyGAyydGAdzaARrAdzaARpPPdpGArAAAr21220AAPPAAAHpPa)R(dpGPdzH 其中 是 的系數(shù)， 與 之間的關(guān)系可由塔內(nèi)任一截面與塔底（或塔頂）作物衡得到： 根據(jù)各種不同狀態(tài)的宏觀動力學表達式 ，可求得填料塔之高。 其中 液相中惰性組分的總 濃度, AR BLACp ,BLCApBLBLIBAAAABLBLIBAAAACCCLpPppPpGCCCLyyyyG222222:11 或)R(A ICmol3mkmol 對全塔： 由此式可計算氣相或液相塔頂、塔底分壓或濃度變化。 對稀氣體： 單

32、位截面上氣體總 流量 或 對稀溶液： 液相總 濃度, 單位截面上液相總 流量 于是： 與平推流反應(yīng)器計算式形式一致122211PPBLBLIBAAAACCCLppppG G11 AyPpPA TICC mol3mkmol LmolA1A2PPPAA)R(dpaGHBLBLTBAACCCLppG22P幾種特殊情況： 1瞬間不可逆反應(yīng)： 1）反應(yīng)在界面： 2）反應(yīng)在液膜：21AAGAAGAApplnaPkGHpk)R(LSGLSGBCpBCp)LSG(lnPaGkHkHkHkCHDDpRBLABlALAAGALAAGABBLALALBAA11112221 其中： 的求?。?解得： 由此可將 的區(qū)間

33、與 區(qū)分開來。 LALBTADDPCHSLABLBADDHB cBLCcBLBLTBAAALBLALAGABcBLCCCLppPGpDDkkC22GSLkHkBpCSGLGSLkHkBpCSGLCGAALAABLGAALAABLcBL1122 cBLBLCC cBLBLCC 注意：某一塔截面的反應(yīng)發(fā)生在何處，應(yīng)該用該截面處的 判別， 2快速一級（或擬一級）反應(yīng)： 1）一級反應(yīng)或 不變的擬一級反應(yīng)值BLC,AP否則發(fā)生在液膜內(nèi)。則反應(yīng)發(fā)生在相界面，,)(CCCBLBL擬一級一級BLLALAkCkkConstkDk111 211P11 : AAGALAAGAGAAGAApplnaKGHDkHkKp

34、KR其中 2） 變化的擬一級反應(yīng)BLC 由于填料塔僅適用于瞬間、快速反應(yīng)，故這里僅討論相應(yīng)的結(jié)果。對快速二級反應(yīng)，無填料高度H的解析結(jié)果。1.3.4 鼓泡塔的計算鼓泡塔的計算 1.3.4.1 鼓泡塔的特點： 1相界面為通過塔的氣泡表面組成； 2氣液混合為氣泡運動所致，液相返混較大； 3 1.3.4.2 鼓泡塔的反應(yīng)模型 鼓泡塔的反應(yīng)模型，包括理想模型和軸向擴散模型。大的反應(yīng)適用于慢反應(yīng)和放熱量大 ,1)a(L 1理想模型： 1）連續(xù)操作： 氣 液 2）半連續(xù)操作：（氣相連續(xù)、液相間歇） 氣 液大小OGOGuCSTRuCSTRPFRPFRCSTR CSTRCSTRPFR 平推流： 氣相： 其中

35、空塔氣速 液相： 其中 空塔液速aRCCakudzdCddCAGiGAGAOGGAGA)( OGuAGAGAHkkBOLBLBLudzdCddCR1OLu 全混流： 氣相： 液相： 其中 分別為氣、液平均停留時間。 以上是理想模型方程，還要結(jié)合具體的動力學方程，才能對反應(yīng)器進行初步的設(shè)計計算。GiGAGAGGAiGACCakCC00 BLBLiBLRCC 0LG , 2軸向擴散模型：（一維） 參數(shù)： 氣相軸向有效擴散系數(shù) 液相軸向有效擴散系數(shù) 取微元并進行物料衡算，可得到： 氣相： 定常態(tài)下：GDLD 積積累累傳傳遞遞至至液液相相主主體體流流動動擴擴散散tCCCakzCuzCDGAGiGAGAGAOGGAG 22 GiGAGAGAOGGAGCCakzCuzCD 22 液相： 定常態(tài)下： 積積累累反反應(yīng)應(yīng)主主體體流流動動擴擴散散tCRzCuzCDBLBBLOLBLL 22 BBLOLBLLRzCuzCD 1221.3.4.3 鼓泡塔計算： 1氣相 液相 當反應(yīng)器的高度較低或操作壓力較高時，操作壓力沿高度的變化可忽略，此時為等壓反應(yīng)過程。與填料塔類似。 對氣相： ,PFRCSTR12211AAyyAAAAAAyaRdyG