氣液反應過程及反應器

8.1概述8.2氣液傳質(zhì)理論8.3氣液反應宏觀動力學方程8.4氣液相反應器8.1概述氣液相反應和反應器廣泛應用于石油、化工、輕工、醫(yī)藥和環(huán)境保護等生產(chǎn)過程在化工生產(chǎn)過程中，進行氣-液相反應的目的主要有兩個：

1）得到某種產(chǎn)品

2）凈化氣體以及廢氣和污水的處理氣液相反應過程是伴有化學反應的傳遞過程，又稱為化學吸收操作過程該過程涉及傳質(zhì)過程、反應過程和氣液兩相處理問題的方法不同于以往類型的反應，首先需要解決的問題是氣-液相平衡

氣-液相反應是一類重要的非均相反應。主要分為二種類型：（1）化學吸收：原料氣凈化、產(chǎn)品提純、廢氣處理等。（2）制取化工產(chǎn)品a.b.c.（淤漿床）氣液反應與氣固相催化反應的異同相似點：（1）反應物歷程：外擴散，內(nèi)擴散－反應。（2）氣相的擴散反應過程（3）氣體在多孔介質(zhì)內(nèi)的擴散（氣固相催化反應）（4）溶解的氣體在液體內(nèi)的擴散（氣－液相反應）差別點：

（1）單相傳質(zhì)過程（氣固相催化反應）Vs相間傳質(zhì)過程（氣液反應）（2）對流傳質(zhì)VS孔擴散傳質(zhì)

A:

C=5mol/lC=3mol/lB:C=5mol/lC=3mol/l??GasGasporousSolidLiquid傳質(zhì)方向8.2氣液傳質(zhì)理論傳質(zhì)模型:1、雙膜模型2、Higbie滲透模型3、Danckwerts表面更新模型。

。1、

雙膜模型

1924年由Lewis和Whitman提出?；菊擖c：（1）氣液界面的兩側(cè)分別有一呈層流流動的氣膜和液膜，膜的厚度隨流動狀態(tài)而變化。（2）組分在氣膜和液膜內(nèi)以分子擴散形式傳質(zhì)，服從菲克定律。（3）通過氣膜傳遞到相界面的溶質(zhì)組分瞬間溶于液相且達到平衡，符合亨利定律，相界面上不存在傳質(zhì)阻力。（4）氣相和液相主體內(nèi)混合均勻，不存在傳質(zhì)阻力。全部傳質(zhì)阻力都集中在二層膜內(nèi)，各膜內(nèi)的阻力可以串聯(lián)相加。雙膜模型解釋反應過程示意圖δGδLMainbodyofgas氣膜

液膜PGpiCLCi擴散系數(shù)與擴散尺度的比值傳質(zhì)系數(shù)＝阻力的倒數(shù)雙膜理論氣膜傳質(zhì)速率：液膜傳質(zhì)速率：設c*為與氣相分壓pG相平衡的液相濃度

p*為與液相濃度cL相平衡的氣相分壓

同時在界面處：ci=Hpi

(1)+(4):

(2)+(3)得：

綜合以上步驟：

2、滲透模型

由希格比（Higbie）提出。該傳質(zhì)理論的主要觀點是：處于界面的液體，由于流體的擾動常被液流主體的質(zhì)點所置換，當液體在界面逗留期間，溶解氣體將借不穩(wěn)定的分子擴散面滲透到液相，并假設處于界面的各液體單元都具有相同的逗留時間。

3、表面更新模型由Danckwerts首先提出。該理論主要針對滲透論中關于界面的各個單元的逗留時間都相同提出的，認為存在一個界面的壽命分布函數(shù)，界面各單元的逗留時間按表面更新率S的分布函數(shù)來分布。常見傳質(zhì)模型的比較本教材中處理化學吸收問題均采用雙膜理論。

氣液相反應是傳質(zhì)與反應過程的綜合，其宏觀反應速率取決于其中速率最慢的一步，即控制步驟。如反應速率遠大于傳質(zhì)速率，則稱為傳質(zhì)控制（氣膜或液膜擴散控制），宏觀反應速率在形式上就是相應的傳質(zhì)速率方程。如傳質(zhì)速率遠大于反應速率，稱為反應控制，宏觀反應速率就等于本征反應速率。如果傳質(zhì)速率與反應速率相當，則宏觀反應速率要同時考慮傳質(zhì)和反應的影響。了解氣液反應的控制步驟，是對過程進行分析和設備選型的重要依據(jù)。8.3氣液反應宏觀動力學方程一、氣液相反應的類型A（氣相）＋B（液相）→產(chǎn)物反應步驟：（1）反應物氣相組分A由氣相主題擴散到氣液相界面，在界面上假定達到氣液平衡；（2）由氣相界面進入液相；（3）反應物由相界面擴散到液相；（4）反應物在液相內(nèi)反應；（5）產(chǎn)物從高濃度向低濃度擴散〔若為氣相產(chǎn)物，則向界面擴散，再回到氣相。氣液相反應的類型

根據(jù)反應速率相對快慢，分為以下5種類型。（1）瞬間反應：本征反應速率遠大于傳質(zhì)速率的反應

瞬間反應屬擴散控制，反應阻力來自于氣相及液相傳質(zhì)阻力。（2）快速反應：本征反應速率大于傳質(zhì)速率

快速反應的反應區(qū)在液膜內(nèi)，反應阻力來自于傳質(zhì)阻力及動力學阻力，但傳質(zhì)阻力占主要。

（3）中速反應：本征反應速率與傳質(zhì)速率相當，反應從液膜內(nèi)某一位置開始，蔓延到液相主體。中速反應的阻力主要來自傳質(zhì)及動力學阻力。（4）慢速反應：本征反應速率小于傳質(zhì)速率，反應主要在液相主體內(nèi)進行。慢反應的阻力主要來自動力學阻力。（5）極慢反應：本征反應速率遠小于傳質(zhì)速率的反應極慢反應完全在液相主體內(nèi)進行，反應的阻力完全來自動力學阻力。屬動力學控制。

氣液反應的宏觀速率：二、氣液相反應宏觀反應速率方程對于氣液反應由于氣液相反應依靠界面?zhèn)髻|(zhì)，因而受單位體積液相具有的界面積影響。定義：α---單位氣液混合物容積中的相界面積。m2/m3----氣液兩相的液含量。δGδLpApAicBLcALcAi(1)區(qū)：反應物A首先從氣相主體在氣膜中擴散到界面，這個過程為純物理過程

擴散量為:……..(1)(2)區(qū)：反應物A從界面經(jīng)過液膜，這個過程為物理擴散與化學反應同時參于?；瘜W反應使A的濃度降低，增強了物理擴散效果，引入一參數(shù)對物理擴散修正。

化學增強因子：E

物理意義：伴有化學反應時A在液膜內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)與A在純物理吸收時液膜傳質(zhì)系數(shù)之比，它表示了化學反應對傳質(zhì)速率的影響。這時擴散量為：……….(2)

(3)區(qū)：A組分通過液膜后進入液相主體內(nèi)進行化學反應。

化學反應量為:……..(3)對于一個氣液反應，當傳質(zhì)與反應達平衡時的速率即為宏觀反應速率。此時有：氣膜傳質(zhì)速率=液膜傳質(zhì)速率=液相主體反應速率

由亨利定律：代入上式化簡得：

下面將具體討論化學增強因子E的計算：E的意義類似氣固相反應中的催化劑效率固子,與席勒模數(shù)有關。

對于氣液相反應中增強因子E也與氣液相席勒模數(shù)有關。

增強因子E是的函數(shù)，經(jīng)推導有：

其中：為瞬間反應的增強因子E與取值有關，可有關聯(lián)圖求出。以下可化簡計算：（1）當：可按瞬間反應處理。

（2）當：可按快速反應處理。（3）當：E按上面公式試差計算或查圖。（4）當：E=1.0可按慢反應處理。

氣液相席勒模數(shù)的物理意義不同反應的類型可以由判斷：（1）當＞30時，瞬時反應。反應區(qū)在界面，反應阻力可忽略不計。（2）當＞3時，快速反應。反應區(qū)在液膜內(nèi)，反應阻力可忽略不計。（3）當0.2＜＜3時，中速反應。反應區(qū)直至液膜過界，有部分進入液相。（4）當＜0.2時，慢反應。反應區(qū)在液膜及液相主體中。（5）當＜0.02時，極慢反應。反應區(qū)完全在液相主體中，總傳質(zhì)阻力可忽略不計，8.4氣液相反應器

工業(yè)生產(chǎn)對氣液反應器的要求：

（1）較高的生產(chǎn)強度（2）有利于反應選擇性的提高（3）有利于降低能量消耗（4）有利于反應溫度的控制（5）應能在較少流體流率下操作（1）較高的生產(chǎn)強度（a)氣膜控制情況

氣相容積傳質(zhì)系數(shù)大的反應器：液體高度分散；氣體高速湍動。

可選用噴射、文氏等反應器（b）快速反應情況

反應基本上是在界面近旁的反應帶（液膜）中進行，要求反應器：表面積較大，具備一定的液相傳質(zhì)系數(shù)?？蛇x用填料反應器和板式反應器（c）慢速反應情況

反應基本上是在液相主體中進行，要求反應器：液相反應容積較大。

可選用鼓泡反應器，攪拌鼓泡反應器（2）有利于反應選擇性的提高平行副反應：如主反應快于副反應，則采用儲液量較少的反應設備連串副反應：返混較少的反應器，或半間歇（3）有利于降低能量消耗

反應熱的回收，壓力能的回收，分散液體所需要的動力。

（4）有利于反應溫度的控制

降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：難

（5）應能在較少流體流率下操作

填充床反應器、降膜反應器和噴射反應器有限制。氣液反應器的型式和特點反應器類型氣相液相舉例氣泡型分散連續(xù)鼓泡反應器板式反應器液滴型連續(xù)分散噴霧反應器文氏反應器液膜型連續(xù)膜狀連續(xù)填料反應器降膜反應器液環(huán)流型分散連續(xù)重力循環(huán)型反應器33氣液反應器氣液反應器有許多類型，常見的有：（1）填料反應器（packedcolumnreactor)LLGG用于氣液反應時，也可以并流操作（2）板式反應器(traycolumnreactor)LLGGLLGG（3）降膜反應器(fallingfilmreactor)（4）噴霧反應器(spraycolumnreactor)LLGG（5）鼓泡反應器(bubblecolumnreactor)LLGG空心式多段式環(huán)流反應器：