氣液相反應(yīng)和反應(yīng).ppt

1、氣液相反應(yīng)和反應(yīng)器分析,化環(huán)學(xué)院 晉梅,概述,氣液反應(yīng)過程 氣相反應(yīng)物溶解于液相后，再與液相中的反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)的一種非均相反應(yīng)過程 主要用于 直接制取產(chǎn)品，如環(huán)己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，氣態(tài)二氧化碳和氨水反應(yīng)制取碳酸氫銨 化學(xué)吸收，脫除氣相中某一種或幾種組分，如熱鉀堿或乙醇胺溶液脫除合成氣中的二氧化碳，用銅氨溶液脫除合成氣中一氧化碳等,1. 氣液相反應(yīng)動(dòng)力學(xué),理論基礎(chǔ)是由日本學(xué)者八田四郎次在雙膜理論的基礎(chǔ)上完成的 用于氣液相理論的研究還有表面更新理論和溶質(zhì)滲透理論 三種模型在實(shí)際過程中的應(yīng)用結(jié)果相差不大 用雙膜理論來描述更為合適,氣相反應(yīng)物A與不揮發(fā)的液相反應(yīng)物B進(jìn)行反應(yīng) 反應(yīng)過程 分壓

2、為pA的反應(yīng)物A從氣相主體傳遞到氣液界面 在界面上A的氣相分壓為pAi，液相濃度為cAi，兩者處于相平衡狀態(tài) 反應(yīng)物A從氣液界面?zhèn)魅胍合?，在液相?nèi)濃度 為cA的A與濃度為cB的B進(jìn)行反應(yīng) 氣液相反應(yīng)過程存在反應(yīng)相外部的質(zhì)量傳遞 和反應(yīng)相內(nèi)部的傳質(zhì)和反應(yīng)同時(shí)發(fā)生的過程,1.1 氣液反應(yīng)過程的基本方程,氣液相反應(yīng)中的傳遞過程方向 氣相組分A由氣液界面向液相主體傳遞 液相組分B由液相主體向氣液界面?zhèn)鬟f 氣液組分的濃度分布 采用雙膜理論進(jìn)行分析時(shí)，組分A和B的濃度梯度僅存在于液膜內(nèi)，在液相主體中的濃度梯度為0 如虛線所示,反應(yīng)的物料衡算 在液相內(nèi)離相界面為z處取一厚度為dz的微元體 達(dá)到定常態(tài)時(shí)-A組

3、分物料衡算 擴(kuò)散進(jìn)入該微元體的組分A的量-由該微元擴(kuò)散出去的組分A=微元體中反應(yīng)掉的組分A的量 組分A和B反應(yīng)級(jí)數(shù)為一級(jí)，DA為常數(shù) B組分的物料衡算,求解 邊值條件,表明穿過液膜進(jìn)入液相主體的組分A將在主體中和組分B進(jìn)行反應(yīng)-穿過液膜的擴(kuò)散量等于主體中的反應(yīng)量,八田數(shù),單位反應(yīng)器體積中液相總體積和液膜體積之比,八田數(shù) 無化學(xué)反應(yīng)時(shí)的傳質(zhì)系數(shù) 物理意義 類似于氣固相反應(yīng)中的Thiele模數(shù),八田數(shù)可作為氣液相反應(yīng)中反應(yīng)快慢程度的判據(jù) Ha3，屬于反應(yīng)在液膜內(nèi)進(jìn)行飛速反應(yīng)或快速反應(yīng) Ha0.02，屬于反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行慢反應(yīng) 0.02Ha3，屬于反應(yīng)在液膜和液相主體的反應(yīng)都不能忽略的中速反應(yīng),

4、1. 2 擬一級(jí)不可逆反應(yīng),若液相組分B大量過剩，液相中組分B的濃度視為常數(shù) 反應(yīng)速率方程 按照一級(jí)反應(yīng)處理 方程 方程的通解,組分A在液膜內(nèi)的濃度分布,組分A在液膜內(nèi)的濃度分布 濃度分布為Ha和的函數(shù) 同時(shí)還可計(jì)算出伴有化學(xué)反應(yīng)時(shí)通過液膜的傳質(zhì)通量 K1為伴有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的液相傳質(zhì)系數(shù) 增強(qiáng)因子E 有化學(xué)反應(yīng)時(shí)的液相傳質(zhì)系數(shù)與無化學(xué)反應(yīng)時(shí)的液相傳質(zhì)系數(shù)之比,增強(qiáng)因子E 化學(xué)反應(yīng)對過程有加速作用 加速作用實(shí)質(zhì)表現(xiàn)在由于反應(yīng)存在改變了液膜內(nèi)反應(yīng)物的濃度梯度 E為有反應(yīng)時(shí)和無反應(yīng)時(shí)的濃度梯度之比 液膜傳質(zhì)阻力忽略時(shí)，通過界面的傳質(zhì)通量表達(dá) 等于液相主體均相反應(yīng)速率計(jì)算 液相有效利用率-JA與RA的比

5、值,液相有效利用率 定義：氣液反應(yīng)過程中液相利用程度的度量 物理意義：與氣固相催化反應(yīng)中的內(nèi)部效率因子相當(dāng) 當(dāng)JA=RA時(shí)，液相有效利用率為1，整個(gè)反應(yīng)在液相中進(jìn)行，表明反應(yīng)是相對于傳質(zhì)十分緩慢的反應(yīng) 在嚴(yán)重的擴(kuò)散限制下，JARA時(shí)，液相利用率很低，反應(yīng)在液膜中進(jìn)行，表明反應(yīng)相對于傳質(zhì)來講，反應(yīng)十分快速,增強(qiáng)因子E和液相利用率 均為Ha和液相總體積與液膜體積之比的函數(shù) 反應(yīng)速率常數(shù)和液相主體中組分B的濃度乘積 大時(shí) Ha很大tanhHa1 液相利用率很小，說明反應(yīng)在液膜內(nèi)進(jìn)行 應(yīng)該采用比表面積大的氣液反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng),增強(qiáng)因子E和液相利用率 反應(yīng)速率常數(shù)和液相主體中組分B的濃度乘積 小時(shí) Ha很

6、小tanhHaHa 兩個(gè)參數(shù)均為Ha和液相總體積與液膜體積之比的函數(shù) 根據(jù)Ha和的定義 Ha很小， 大，則存在 過程由物理傳質(zhì)速率決定，化學(xué)反應(yīng)僅在液相主體的某一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,增強(qiáng)因子E和液相利用率 根據(jù)Ha和的定義 Ha很小， 小，則存在 整個(gè)反應(yīng)過程將在液相中進(jìn)行，過程速率由均相反應(yīng)速率決定,1.3 不可逆飛速反應(yīng),當(dāng)反應(yīng)速率非常大時(shí)，不僅反應(yīng)物A在液膜內(nèi)被完全耗盡，反應(yīng)物B的濃度在液膜內(nèi)也將逐漸下降 簡化處理 當(dāng)反應(yīng)飛速反應(yīng)，反應(yīng)僅僅發(fā)生在液膜內(nèi)的某一個(gè)平面上時(shí)，可以獲得簡化處理,非線性方程,飛速反應(yīng) 反應(yīng)過程 液膜內(nèi)存在一反應(yīng)面，當(dāng)自氣液界面向液相 主體擴(kuò)散的組分A和自液相主體向氣液界面

7、 擴(kuò)散的組分B在反應(yīng)面上相遇時(shí)，相互反應(yīng)而耗盡，也就意味著反應(yīng) 面上組分A和B的濃度均為0 定常態(tài)下，組分A從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面的量和從氣液界面擴(kuò)散到反應(yīng)面的量應(yīng)相等，且和組分B從液相主體擴(kuò)散到反應(yīng)面的量符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系,定態(tài)條件下的擴(kuò)散通量之間的關(guān)系,同時(shí)考慮氣膜阻力和液膜阻力時(shí)，飛速反應(yīng)的速率計(jì)算式,僅考慮液膜阻力時(shí) 飛速反應(yīng)的增強(qiáng)因子 飛速反應(yīng)的增強(qiáng)因子與反應(yīng)速率常數(shù)無關(guān) 飛速反應(yīng)的增強(qiáng)因子與八田數(shù)也無關(guān) 只有提高液相中B的濃度，才能提高飛速反應(yīng)的增強(qiáng)因子 原因：濃度的提高，使得反應(yīng)面向氣液界面推移，組分A在液膜中的擴(kuò)散距離縮短 極限情況：反應(yīng)面與氣液界面相重合,反應(yīng)面與氣液界面重合

8、時(shí)，過程阻力集中在氣膜內(nèi)，則傳質(zhì)通量 此時(shí)對應(yīng)于一個(gè)液相反應(yīng)物B的濃度-臨界濃度 液相主體擴(kuò)散至相界面的B的量和從氣相主體擴(kuò)散到相界面A的量符合化學(xué)計(jì)量關(guān)系 過程控制步驟的判斷 若 若,1.4 二級(jí)不可逆反應(yīng),對于二級(jí)不可逆反應(yīng) Van krevelen在假設(shè)組分A在液膜內(nèi)全部耗盡，即在 的條件下，求取上述方程的近似解,非線性方程,1.5 擬一級(jí)反應(yīng)、飛速反應(yīng)與二級(jí)反應(yīng)中Ha和E的關(guān)系,當(dāng) 相當(dāng)于反應(yīng)速率k很大或k10很小的情況 按照飛速反應(yīng)處理 圖中為A區(qū)，E不隨Ha的增加而增大 當(dāng) ，圖中的B區(qū)，為一直線，斜率為1，E=Ha 當(dāng) ，采用擬一級(jí)反應(yīng)處理 當(dāng) ，E約等于1； 時(shí)，可以用均相反應(yīng)

9、處理 當(dāng) ，按照二級(jí)不可逆反應(yīng)處理，處于E區(qū),2. 氣液相反應(yīng)器的分類和選型,按照氣液的接觸方式 液膜型 如填料塔、濕壁塔 液體成膜狀，氣液兩相均為連續(xù)相 氣泡型 如鼓泡塔、板式塔、通氣攪拌釜 液體為連續(xù)相、氣體以氣泡形式分散在液體中 液滴型 噴灑塔、噴射反應(yīng)器、文丘里反應(yīng)器 氣體為連續(xù)相、液體以液滴形式分散在氣體中,2.1 填料塔,由塔體、填料、填料的壓板和支撐板以及液體分布器等組成 可以逆流操作也可以并流操作 液體再分布器的作用 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，適用于腐蝕性的液體 氣液相流量的允許變化范圍較大，適用于低氣速、高液速的場合 氣液流型接近于活塞流，用于要求較高轉(zhuǎn)化率的反應(yīng) 填料塔的單位體積相界

10、面大而持液量小，適用于過程阻力主要在相間傳遞的氣液反應(yīng),缺點(diǎn) 液相停留時(shí)間短，對慢反應(yīng)不適合 為保證填料的潤濕，不能用于液體流量太低的場合 填料易為固體顆粒堵塞，在氣相或液相中含有懸浮雜質(zhì)或會(huì)生成固體產(chǎn)物時(shí)不宜使用 傳熱性能差，不適用與反應(yīng)熱效應(yīng)大的場合,2.2 噴灑塔,結(jié)構(gòu)最簡單的氣液反應(yīng)設(shè)備 液體在塔頂經(jīng)噴霧分散成液滴，和自上而下的氣流及接觸 單位液相體積的相界面面積很大，但是持液量和單位反應(yīng)器體積的相界面面積均很小 液滴噴灑形成后，很少有機(jī)會(huì)發(fā)生凝并和分裂，傳質(zhì)效果交叉 優(yōu)點(diǎn) 空體積大，處理含固體雜質(zhì)或會(huì)生成固體產(chǎn)物的氣液反應(yīng)過程時(shí)無堵塞現(xiàn)象,2.3 板式塔,圓筒形塔體和按照一定間距水平

11、設(shè)置在塔內(nèi)的若干塔板組成 塔板類型有篩板或泡罩塔，近年來浮閥塔也較多 液體在重力作用下，自上而下穿過隔層塔板，從塔底排出，氣體在壓差的推動(dòng)下，自下而上的穿過各層塔板，至塔頂排出，氣體以氣泡形式分散于液層中 優(yōu)點(diǎn)-單位體積的氣液相界面大，氣液傳質(zhì)系數(shù)和持液量都大于填料塔 缺點(diǎn)-結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣體流動(dòng)的阻力大 適用于氣體流量高、液體流量低，反應(yīng)時(shí)間較長的場合,2.4 鼓泡塔,基本形式 空塔，塔內(nèi)充滿液體 氣體從底部分布板或噴嘴以氣泡形式通過液層，氣相中的反應(yīng)物溶入液相并進(jìn)行反應(yīng) 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)部件 對加壓反應(yīng)或腐蝕性物系均可使用 單位體積持液量大，相界面小 適用于慢反應(yīng)和強(qiáng)放熱反應(yīng)體系 缺點(diǎn)

12、液相返混大,為了克服返混的影響 在塔內(nèi)裝一導(dǎo)流筒 在塔內(nèi)設(shè)置多層多孔水平擋板 液相的流型可接近與多級(jí)串聯(lián)的全混釜模型 裝填填料減少液相的返混和氣泡的合并,2.5 通氣攪拌釜,鼓泡機(jī)械攪拌釜 生物化工中使用的發(fā)酵罐 適用于持液量和相界面都較大的反應(yīng)過程 通氣攪拌釜中液體停留時(shí)間根據(jù)需要調(diào)節(jié) 缺點(diǎn) 反應(yīng)器中氣液兩相呈全混流 高壓下，攪拌器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和密封是個(gè)問題,2.6 氣液反應(yīng)器的選型,要考慮的因素 生產(chǎn)強(qiáng)度 能耗 設(shè)備投資 操作性能 核心問題：反應(yīng)器的傳遞特性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性 不同類型氣液反應(yīng)器的區(qū)別 液相體積分率 單位反應(yīng)器有效體積中的液體量）的大小 單位液相體積的傳質(zhì)界面的大小,用何參數(shù)作

13、為氣液反應(yīng)器選型的依據(jù)？ 八田數(shù)Ha 當(dāng)Ha3時(shí)，反應(yīng)為快速反應(yīng)或飛速反應(yīng)，反應(yīng)在液膜內(nèi)或相界面上完成，液相主體中組分A的濃度為0，表觀反應(yīng)速率 反應(yīng)器的生產(chǎn)強(qiáng)度與相界面成正比 采用相界面面積大的反應(yīng)器，如填料塔、噴淋塔等 當(dāng)反應(yīng)速率較慢，要求較長反應(yīng)時(shí)間時(shí)，采用板式塔,用何參數(shù)作為氣液反應(yīng)器選型的依據(jù)？ 八田數(shù)Ha 當(dāng)Ha0.02時(shí)，反應(yīng)為慢反應(yīng)，反應(yīng)主要在液相主體內(nèi)進(jìn)行，組分A液相主體濃度接近于界面濃度，表觀反應(yīng)速率為 反應(yīng)表觀速率與液相分率成正比 選用持液量大的反應(yīng)器 鼓泡床反應(yīng)器，由于容易操作和控制常被采用 通氣攪拌釜,當(dāng)0.02Ha 0.02時(shí)，反應(yīng)為中速反應(yīng)，過程阻力可能集中在相際

14、傳質(zhì)，也可能出現(xiàn)在液相反應(yīng)，或者兩者都不能忽略 要進(jìn)一步借助 判斷 原因： 的物理意義是可能最大主體化學(xué)反應(yīng)速率與可能的最大物理傳質(zhì)速率之比 當(dāng) 時(shí)，過程阻力主要存在在相際傳質(zhì)，反應(yīng)僅發(fā)生在液相中的某一個(gè)狹小區(qū)域內(nèi)，應(yīng)選用相接面積大的設(shè)備 當(dāng) 時(shí)，過程阻力主要存在液相主體反應(yīng)，反應(yīng)在整個(gè)液相主體中進(jìn)行，應(yīng)選用持液量大的設(shè)備 當(dāng) 時(shí)，說明相際傳質(zhì)和主體反應(yīng)的阻力都不能忽略，應(yīng)選用相界面積和持液量都大的設(shè)備。,例題,3. 氣液相反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算,理想條件下，氣液反應(yīng)器中氣液兩相的流動(dòng)方式的組合 氣液兩相均為活塞流 氣液兩相組成隨著軸向位置改變而發(fā)生變化 并流或逆流操作的填料塔的流型接近這種流動(dòng)方式

15、,理想條件下，氣液反應(yīng)器中氣液兩相的流動(dòng)方式的組合 氣相為活塞流，液相為全混流 氣相組成隨軸向位置的改變而改變，液相組成在反應(yīng)器中保持均一 鼓泡塔的流型接近這種流動(dòng)方式,理想條件下，氣液反應(yīng)器中氣液兩相的流動(dòng)方式的組合 氣相和液相均為全混流 氣液兩相的組成在反應(yīng)器中均保持均一 通氣攪拌釜的流型接近這種流動(dòng)方式,3.1 填料塔的設(shè)計(jì)計(jì)算,逆流操作的填料塔內(nèi)進(jìn)行氣液相反應(yīng) 在塔內(nèi)取一微元做物料衡算,積分，得到填料層高度,增強(qiáng)因子法,擬一級(jí)快反應(yīng),全塔物料衡算,氣膜阻力忽略時(shí),擬一級(jí)快反應(yīng)的填料層高度計(jì)算式,3.2 鼓泡塔的設(shè)計(jì)計(jì)算,高徑比較大時(shí)，氣相流動(dòng)接近活塞流，液相接近全混流 液相濃度處處相等，等于出口濃度 全塔物料平衡確定液相出口濃度 對鼓泡床內(nèi)一微元進(jìn)行物料衡算,與填料塔的設(shè)計(jì)方程一致,在鼓泡塔中 液相濃度因?yàn)槿炝鞯拇嬖谡J(rèn)為是恒定的 氣相總壓隨著塔高的變化而變化，假定氣相總壓隨塔高呈線性變化,擬一級(jí)快反應(yīng)且 忽略氣膜傳質(zhì)阻力時(shí),積分,整理,設(shè)計(jì)實(shí)例,3.3