第四章氣液相反應技術

1、第四章第四章 氣液相反應技術氣液相反應技術教學內教學內容 一、氣液反應器的特點及結構一、氣液反應器的特點及結構 二、氣液反應器的生產原理二、氣液反應器的生產原理 ( (一一) )雙膜理論雙膜理論 ( (二二) )宏觀動力學方程的建立宏觀動力學方程的建立 ( (三三) )測定反應速率的方法測定反應速率的方法 三、鼓泡塔反應器三、鼓泡塔反應器 四、氣液反應器的操作指導四、氣液反應器的操作指導 第一節(jié)第一節(jié) 氣液相反應器的特點及結構氣液相反應器的特點及結構一、氣液相反應器的特點及工業(yè)應用一、氣液相反應器的特點及工業(yè)應用二、氣液相反應器的結構二、氣液相反應器的結構氣液相反應器的結構氣液相反應器的結構（

2、一）鼓泡塔反應器（一）鼓泡塔反應器（二）鼓泡管反應器（二）鼓泡管反應器（三）攪拌釜式反應器（三）攪拌釜式反應器（四）膜式反應器（四）膜式反應器（一）鼓泡塔反應器（一）鼓泡塔反應器氣體以鼓泡形式通過催化劑液層進行化學反應的塔式反應器，稱為鼓泡床反應器，簡稱鼓泡塔。其基本結構是內盛液體的空心圓筒，底部裝有氣體分布器，反應氣體通過分布器上才小孔鼓泡而入，液體間歇或連續(xù)加入，連續(xù)加入液體可以和氣體并流或逆流，一般采用并流形式較多。（二）鼓泡管反應器（二）鼓泡管反應器鼓泡管反應器適用于要求物料停留時間較短（一般不超過1520min）的生產過程，若物料要求在管內停留時間長，則必須增加管子的長度，但流動阻力

3、相應增大。（三）攪拌釜式反應器（三）攪拌釜式反應器攪拌釜式氣-液相反應器的結構簡單，適應性較強，對小規(guī)模生產過程較為適用。（四）膜式反應器（四）膜式反應器根據(jù)液膜的運動特點，膜式反應器分為降膜式，升膜式和旋轉氣液流膜式反應器。第二節(jié)第二節(jié) 氣液相反應器的生產原理氣液相反應器的生產原理一、雙膜理論一、雙膜理論二、宏觀動力學方程式的建立二、宏觀動力學方程式的建立 三、測定液相反應速度的方法三、測定液相反應速度的方法四、反應器型式的選擇四、反應器型式的選擇 一、雙膜理論一、雙膜理論雙膜理論基本點：雙膜理論基本點：在氣液相界面兩側，各有一定厚度的氣膜和液膜，氣膜和液膜內的物質傳遞方式是分子擴散；擴散阻

4、力全部集中在氣膜、液膜內，而在氣液相主體中物質傳遞方式是湍流擴散，不存在濃度梯度；相界面的傳質阻力可以忽略，氣液達平衡，且服從亨利定律。組分組分A A的擴散速率的擴散速率 總傳質系數(shù)與膜傳質系數(shù)的關系為總傳質系數(shù)與膜傳質系數(shù)的關系為 AL*AALALAiALALAiLALACCKCCkCCZDNALAAGAGkHk1K1 ALAGAALk1kH1K1二、宏觀動力學方程式的建立二、宏觀動力學方程式的建立對于等溫二級不可逆氣液相反應（產物）液氣RbBA要實現(xiàn)這樣的反應，需經歷以下步驟：1氣相反應物A由氣相主體擴散到相界面，在界面上假定達到氣液相平衡；2氣相反應物A從氣液相界面擴散入液相主體，并在液

5、相內進行化學反應；3在液相主體內，液相產物沿濃度梯度下降方向擴散，氣相產物則由液相主體擴散到相界面，再擴散到氣相主體。注：液相反應物B或催化劑不能揮發(fā)進入氣相，只在液相中與A進行化學反應。五種反應類型五種反應類型 根據(jù)化學反應能力和擴散能力相對大小的不同，把上述氣液相反應過程分為極快反應快速反應中速反應慢速反應極慢反應1. 極快反應此時化學反應能力遠遠大于擴散能力，化學反應瞬間完成，液相中A、B不能同時存在，化學反應僅在液膜內某個反應面上發(fā)生，與界面大小有關，和液體體積無關，此時，宏觀速度取決于擴散速度，稱擴散控制過程。極快反應的兩種情況極快反應的兩種情況2. 2. 快速反應快速反應 化學反應

6、能力低于極快反應，但仍比傳質能力強，傳質和反應均影響宏觀速度，反應仍僅發(fā)生于液膜內。但由一個反應面伸展為反應區(qū)，反應區(qū)內A、B同時存在，反應區(qū)外的液面中，A、B不能同時存在。生產能力和界面大小及液膜體積有關，與液體總量無關，當極高時，反應區(qū)由相界面開始延伸到液膜內某個面為止。若假設在液膜內基本不變，二級反應可簡化為擬一級反應?？焖俜磻膬煞N情況快速反應的兩種情況3. 3. 中速反應中速反應 化學反應能力和擴散能力基本相等，化學反應在整個液膜內進行。未反應部分A擴散進液相中體，在液相主體中繼續(xù)反應。生產能力不僅與相界面大小有關，還與液體體積有關。當足夠高時，二級反應可簡化為擬一級反應。中速反應的

7、兩種情況中速反應的兩種情況4. 4. 慢速反應慢速反應化學反應能力比擴散能力低，化學反應主要在液相主體中進行，此時為動力學控制 。慢速反應慢速反應5. 極慢反應化學反應能力遠遠小于傳質能力，擴散阻力可忽略不計。組分A和B濃度在整個液相中很均勻，反應發(fā)生在整個液相，過程為動力學控制，總速度等于化學反應速度，相當于液相均相反應。極慢反應極慢反應三、測定液相反應速度的方法三、測定液相反應速度的方法在實驗室常用的反應器為半間歇操作或連續(xù)操作的釜式反應器，在半間歇釜式反應器內要求反應溫度一定，氣體流量一定，液相體積保持不變，分析不同反應時間下的氣相進、出口的組成或從釜內液相取樣分析。在連續(xù)釜式反應器內一

8、般認為液相為全混流，釜內液相濃度等于出料液濃度，改變液相流量，就是改變平均停留時間。 四、反應器型式的選擇四、反應器型式的選擇型式應用范圍噴霧塔填料塔極快反應和快速反應，氣相濃度低，氣液比大，為了提高液相利用率要求增加膜體積板式塔鼓泡攪拌釜中速反應和慢速反應，也適用于氣相濃度高，氣液比小的快速反應鼓泡塔極慢反應，也可用于中速反應主要型式氣液相反應器的特性及應用范圍主要型式氣液相反應器的特性及應用范圍液相體積分率型式相界面積相界面積液相體積氣液比mol應用范圍液相體積m2/m3反應器體積m2/m3液膜體積噴霧塔填料塔12001200601000.050.08210101001911.5極快反應和

9、快速反應，氣相濃度低，氣液比大，為了提高液相利用率要求增加膜體積板式塔鼓泡攪拌釜10002001502000.150.90401001508005.670.111中速反應和慢速反應，也適用于氣相濃度高，氣液比小的快速反應鼓泡塔20200.9840001040.0204極慢反應，也可用于中速反應第三節(jié)第三節(jié) 鼓泡塔反應器鼓泡塔反應器一、鼓泡塔反應器的結構認知一、鼓泡塔反應器的結構認知夾套式換熱器示意圖夾套式換熱器實體圖夾套式換熱器實體圖塔外換熱器實體圖蛇管式換熱器示意圖一、鼓泡塔流體力學一、鼓泡塔流體力學（一）氣泡尺寸（一）氣泡尺寸（二）鼓泡塔的氣體壓力降（二）鼓泡塔的氣體壓力降P（三）氣泡上升

10、速度（三）氣泡上升速度（四）含氣率（四）含氣率（五）比相界面（五）比相界面（一）氣泡尺寸（一）氣泡尺寸1當量比表面平均直徑2體積平均直徑3幾何平均直徑dg（二）鼓泡塔的氣體壓力降（二）鼓泡塔的氣體壓力降P 鼓泡塔的氣體壓力降P由氣體分布器阻力和床層靜壓頭的阻力兩部分組成。 gH2uC1dG202H - 充氣液層高度，m。 2C0ud式中 小孔阻力系數(shù)約0.8；小孔氣速，m/s；鼓泡層密度kg/m3；（三）氣泡上升速度（三）氣泡上升速度（1）單個氣泡自由浮升速度（2）氣泡真實上升速度 （3）氣泡群的滑動速度（四）含氣率（四）含氣率單位體積鼓泡床（充氣層）內氣體所占體積分數(shù)。靜態(tài)含氣率：液體不流動

11、時的含氣率；動態(tài)含氣率：液體連續(xù)流動時的含氣率。 HHHG00H式中 H0充氣液層高度，m；H靜液層高度，m；G含氣率。（五）比相界面（五）比相界面SVGd6單位氣液混合鼓泡床層體積內所具有的氣泡表面積?？梢酝ㄟ^氣泡平均直徑dvs和含氣率計算，即單位： m2/m3 二、鼓泡塔的傳質和傳熱二、鼓泡塔的傳質和傳熱（一）鼓泡塔的傳質（一）鼓泡塔的傳質（二）鼓泡塔的傳熱（二）鼓泡塔的傳熱 三、鼓泡塔的設計計算三、鼓泡塔的設計計算（一）反應器體積（一）反應器體積（二）反應器直徑和高的確定（二）反應器直徑和高的確定 （一）反應器體積（一）反應器體積鼓泡塔體積包括以下幾部分：充氣液層體積（靜液層體積和充氣液

12、層中氣體所占體積之和）；充氣液層上部（塔頂）除沫分離空間體積；反應器頂蓋死區(qū)體積，如果反應器內設有隔板、換熱器或填料，計算時還要考慮隔板、換熱器或固體填料所占的體積。1. 1. 充氣液層體積充氣液層體積充氣液層體積是反應器在操作中所必須保證的氣泡和液體混合物的體積。 GLGLR1VVVVHD42式中 LV液相體積，m3；GV充氣液層中氣體體積，m3；RV充氣液層體積，m3。2. 2. 分離空間體積分離空間體積分離空間的作用是除去上升氣體所夾帶的液滴，而液滴與氣體的分離靠自重沉降實現(xiàn)。分離空間的體積為E2EHD4V 式中 EV分離空間體積；EH分離空間高度 3. 3. 頂蓋死區(qū)體積頂蓋死區(qū)體積1

13、2DV3C0 . 10 . 2對于球形頂蓋，形狀系數(shù) 對于21橢圓頂蓋，（二）反應器直徑和高的確定（二）反應器直徑和高的確定 因為所以式中 G0GuV0.0188D 2GtGG0D785. 0VAVuVG氣體體積流量，m3/h；At反應器橫截面積，m2；一、鼓泡塔流體力學：(一)流動狀態(tài)的劃分 （二）氣泡大小 1.發(fā)泡頻率2.當量直徑 （三）氣泡上升速度真實并流上升速度真實逆流上升速度 （四）鼓泡塔氣體壓降（五）含氣率定義及影響因素二、鼓泡塔的傳質和傳熱（一）傳質（二）傳熱 小 結三、鼓泡塔的設計計算（一）反應器體積（二）反應器直徑和高度的確定第四節(jié)第四節(jié) 氣液相反應器的生產實例氣液相反應器的

14、生產實例（以乙醛催化自氧化生產醋酸的工藝為例，介紹氣、液相反應器的日常運行和操作要點。） 一、反應器的結構一、反應器的結構二、工藝流程二、工藝流程三、操作參數(shù)三、操作參數(shù)1 1反應溫度反應溫度2 2反應壓力反應壓力3 3氧化氣空速氧化氣空速 四、技術經濟指標四、技術經濟指標技能訓練技能訓練 氣液相反應器的仿真操作氣液相反應器的仿真操作訓練目標訓練目標 乙醛氧化制醋酸乙醛氧化制醋酸 (氧化工段)訓練準備訓練準備 一一 、生產方法及反應機理、生產方法及反應機理 CH3CHO+O2CH3COOOH CH3COOOH+CH3CHO2CH3COOH 二二 、 工藝流程簡述工藝流程簡述 氧化工段采用雙塔串聯(lián)氧化流程，