第八章气液相反应过程与反应器(201305)
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第八章气液相反应过程与反应器(201305)
对于一级反应 在0<l<δ 的液膜区内,液膜中仅有A组分而B组分 R 基础方程 边界条件
d 2c A DAL 2 0 dl
l 0 l R c A c AI cA 0
在δR <l<δL的液膜区内,液膜中仅有B 组分而A组分 基础方程
d 2 cB DBL 2 rB 0 dl
液膜传质速率方程
p
Ai
H AiCAi
气液界面相平衡方程
dnA k AG S ( p AG p Ai ) k AL S (C Ai C AL ) dt p AG p Ai C Ai C AL S S 1 1 k AG k AL 1 HA 1 k AG k AL S ( p AG H AC AL )
δ
2 瞬时反应 CB过大 反应面在相界面上 反应面与相界面重合
相界面 气膜 液膜
反应区
CB
PAG
PAI C AI
Z
3 快速反应 无反应面,只有反应区 反应区在液膜内 反应物A,B均在液膜内消耗完毕
δ
L
4中速反应 反应面和相界面不重合 反应在液膜内及液相主体
相界面 气膜 液膜 反应面 CB
PAG
PAI C AI
L L
β称为化学增强因子
（1）吸收是化工原 理单元操作，同学们 熟悉，从此点切入。 （2）讲清物理吸收 与化学吸收，引入气 液反应
HA 1 1 K G k AG k AL
8.2 气液反应动力学
讲授思路
1以双膜理论为基础，理解成有化学反应的双膜理论，
膜体现传递过程的传质阻力 2 建立通用基础微分方程，根据化学反应快慢确定边 界条件进行求解
8.气-液相反应器
其中 为气液接触时间。由于 一般未知， 所以溶质渗透理论的应用受到限制。传质 系数K 系数KC与分子扩散系数的平方根成下比这 一点已由实验证实是正确的，证明溶质渗 透理论比双膜理论更能代表两相间的传质 机理。
3. 表面更新模型
Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而 Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而 发展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面 单元暴露的时间不同，而质量传递的平均 速率取决于各种年龄期的表面单元的颁， 平均吸收速率是将年龄期为 的表面分率乘 以该表面的瞬时吸收速率，然后将所有表 面单元的表达式相加得到。由此得到
式中 为组分A在液相中的扩散系数。如 为组分A 果扩散系数为常数，上式化简为
(8.3)
同理，对该微元体作组分Ｂ的物料衡算， 有
(8.4)
组分Ｂ在液相中扩散系数
,
亦为常数。
(8.3)和(8.4)式的边界条件为 (8.3)和(8.4)式的边界条件为 当l＝0 时, 发)
,
(设Ｂ不挥 (设Ｂ不挥
，
其中C 其中CAi 为相界面处组分Ａ的浓度。因为 在液膜与液相主体的交界处，即当 时， ，组分Ａ向液相主体的扩散量等 于其在液相主体中的反应量，即
Hale Waihona Puke （8-2）其中，Ｓ为表面更新分率，必须由实验测定。从 该式可以看出，K 该式可以看出，KC与DAB 的平方根成正比，与赫 格比获得的结果完全一致。 虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够反映 出气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时 间 和表面更新分率Ｓ均不易获得，而且在实际 应用中会使过程的数学描述复杂化。所以，目前 对于很多实际过程的描述仍采用双膜理论，这样 可以使过程的数学描述简化，而计算结果的误差 也是可以接受的。
化学反应工程(第三版)陈甘棠主编第八章气液两相反应器PPT课件
（8-14）
定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即
NA(rA )d SA n dtD LA ddA czz0
将A的浓度分布对z求导后代入上式得
式中，
N A( rA )D L LA cA 1 i b D L L D c B c B A AL i kLc A Ai
k LA
DLA L
，称为液膜传质系数。
（8-16）
1 DLBcBL bDLAcAi
，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气
液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率 kLAcAi 之比。 13
式（8-15）中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将 其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为，
N AkG(A p Ap A)i( rA )kLc A A 1 ib D L L D c c B B A A L i
第八章 气液两相反应器
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
8.1 概述
气-液相反应是一类重要的非均相反应。主要分为二种类型： （1）化学吸收： 原料气净化、产品提纯、废气处理等。 （2）制取化工产品
a.
b.
c.
（淤浆床）
A ( g b) l) B P(( r A ) k A c B c
定常态条件下，在单位面积的液膜中取一厚度为dz的微元层，对组分
A作物料衡算：
D Ld A dAc z( rA )d z D Ld A d c zAd dAc d z z
整理得
DLAdd2cz2A kcAcB 0
化学反应工程 第8章多流体相的反应过程2
4）气相和液相主体内混合均匀，不存在传质阻力。全部 传质阻力都集中在二层膜内，各膜内的阻力可以串联相加。
假设：
反 应 工 程
第 八 章 气 液 反 应 工 程
溶剂不挥发，气体中溶质以外的组分不溶解。
反应完全发生在液膜和液相主体中。 双膜理论是把复杂的相际传质过程模拟成串联的两层稳定
薄膜中的分子扩散。相际传质的总阻力，被简化为双膜阻
与物理吸收相比，化学吸收推动力大，可更快速彻底地吸 收气相中的某些组分。
化学吸收的基本要求：无毒无害无腐蚀、成本低易回收。
2、制备化学品
反 应 工 程
第 八 章 气 液 反 应 工 程
气相和液相反应物间发生催化反应或非催化反应而生成产 物。
反 应 工 程
第 八 章 气 液 反 应 工 程
反 应 工 程
如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时
考虑传质和反应的影响。 了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选
型的重要依据。
气液相反应的类型
反 应 工 程
第 八 章 气 液 反 应 工 程
A(g) bB( l ) P
（1）瞬间快速反应 （3）二级快速反应 （5）二级中速反应 （7）二级慢速反应
H A DLB cBL H A DLB cBL H Ac Ai pA ( p A H Ac Ai ) bDLA bDLA 1 HA 1 HA kGA k LA kGA k LA
则得
H A DLB cBL ) K GA (rA p A bD LA
2、制取化工产品:
例如 水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯化钯水 溶液中氧化制乙醛，前者为非催化反应，后者则是液 相络合催化反应。
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。
气液两相反应器
反应器选型一般要考虑如下因素：
①气液接触形式 塔式设备中气体、液体均可近似看成活塞 流，采用逆流接触方式具有最大的推动力；鼓泡塔中气体呈活塞 流，液体近似为全混流；搅拌釜中气、液两相均可看成全混流。
②相间传质系数kGA、kLA 液体呈滴状处于连续的气相中kGA 较高， kLA较低；气体呈上升的气泡通过连续的液相时kLA较高， kGA较低。
β =β∞
β-γ关系曲线
（5）拟一级中速反应
反应区域为液膜和液相主体，液
膜中B浓度基本不变。 cB cBL
基础方程
DLA
d 2cA dz2
kcAcB
k1cA
边界条件
z 0,
cA cAi ,
dcB 0; dz
解析解
z ,
cB
cBL,
DLA a
dcA dz
kcAcB[(1 ) a ]
如传质速率远大于反应速率，称为反应控制，宏观反应速率就等 于本征反应速率。
如果传质速率与反应速率相当，则宏观反应速率要同时考虑传质 和反应的影响。
了解气液反应的控制步骤，是对过程进行分析和设备选型的重要 依据。
气液相反应的类型
A(g) bB(l) P (rA) kcAcB
根据反应速率相对快慢，分为以下八种类型。
2
kcBL DLA k L2A
kcAicBL L
k LA c Ai
最大反应速率 最大物理吸收速率
因此，可由γ值判断反应快慢程度。
根据膜内组分A的浓度分布式就可求得宏观反应速率
(rA
)
DLA
dcA dz
z0
tanh
k LA c Ai
k LA c Ai
（8-29）
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-第八章 气液相反应过程与反应器
cAL
ch
th cAi cAL
19
• β恒大于1。
• •
了 dβd2lc,2γAkDLL0A02,八β 田曲数线1 (决下γpA定凹0。，
pAi
ch γ 1, γ/ th γ 1)
cAi
dl cB
cAi
cAL
ch
th
cAi
cAL
δG
δL
cA
20
8.2.5 快速反应过程
反应仅发生在液膜区，组份在液膜区已 全部反应掉，在液相主体区没有A，因此 液相主体中没有反应。
DLA
d 2cA dl 2
rA
边界条件：l 0，cA cAi
对一级反应，可得：
l L，cA 0
th
21
cBi不一定为0， 与 中速反应的 pA
积分上式并视在全塔为常数，得：
H
4F
πd内2P总
1 kGA
HA
kLA
YA进
YA出
ln
YA进 YA出
35
• kGA,kLA有经验公式可算。 • 气相视为平推流操作。 • 由于视cAL=0，与液相流型无关。
• 反应级数体现在中。
• 因为是快速反应，传质阻力主要存在于 气膜之中。
散的同时与液相中的B发生反应；
4
⑷液相中的产物C透过液膜扩散到气液界面； ⑸产物C由气液界面扩散到气相主体。 基本理论：双膜理论 • 与物理吸收的差别在于在液相主体和液
膜中存在化学反应，反应速率的快慢直 接影响了吸收的速率。 • 反应历程亦为连串过程，反应速率决定 了控制步骤的所在。
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液膜而言
相界面而言
(
S
L L
转化为求化学增强因子
8.2.1 气液反应过程的基础方程
8.2.1.1 基础方程推导
相界面
假设:
1. 气相A组分 与液相B组 分的反应过 程按双膜模 型进行; 2. B组分不挥 发,不存在B 组分向气相 扩散。
气相主体
气膜
液膜
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
液相主体
PA
PAG PAI CAI
（反应面与相界面重合） （反应面与相界面重合）
2 膜内转换系数(八田准数)γ
对于一级反应
k L2 DAL k DAL 2 k AL
k DAL k AL k L k AL k ( L S )c AI k AL S (c AI 0)
液膜内最大反应消耗A量 液膜内最大传递量
c AI c AL p AG p AI Kc AI Kc AL
dnA (rA )V dt dnA m n (rA ) kC ALCBL （同均相反应速率定义） Vdt
由此,液相无双膜存在， 故β=0
8.2.3 慢反应过程
相界面 气膜 液膜
CBL PAG PAI CAI
膜内转换系数反映出液膜内进行反应的那部分量占 总反应量的比例,可以用于判断反应快慢的程度
极慢反应过程
0
慢反应过程 中速反应过程
1
c c AL cosh( ) AI tanh c AI c AL
快速反应过程
tanh( )
瞬时反应
L A DBL cBL A k BL cBL 1 1 R B DAL c AI B k AL c AI
CB CA
δ
L
CAL
特点：化学反应在液相主体,在液膜内的反应可 以忽略,即在液膜内仅发生A组分的扩散过程,与物理 吸收相同。
基础方程及边界条件
D AL
d cA rA 2 dl
2
DBL
d 2 cB B rB (rA ) 2 dl A
l 0 l L
c A c AI c A c AL
dC A ( ) dl
0
C AL C Ai
L
dn A dn ( A ) dt dt dn A dt 1 1 k AG
l 0
SDAL (
dC A ) dl
0
SDAL
C Ai C AL
L
Sk AL (C Ai C AL ) HA k AL S ( p AG Kc AL ) K AG S ( p AG Kc AL )
CB
CAI
Z
瞬时反应特点： 反应面和相界面不重合 反应面在液膜内 组分A,B均在液膜内消耗完
δ
相界面(反应面)
气膜
液膜
CB
PAG
δ
瞬时反应特点：:CB过大 反应面在相界面上 反应面与相界面重合
A组分与B组分之间的反应进行极快,以致在液相中A组分与B组分不能共存。 在液膜区存在一反应面,在此液面上A、B组分浓度为0
CA dl
l
CAL
δ
G
δ
Z
L
模型图
推导:
化学反应式
aA bB rR
r rA
A
B
rB
取体积元(S×1×dL),进行组分A微分衡算 （根据费克定律推导）
DAL
dcA d dcA S DAL S c A dl (rA ) Sdl dl dl dl
临界浓度CBL0
dnA p Ai 0 k AG ( p AG p Ai ) k AG p AG dt dnB cBi 0 k BL (c BL 0 cBi ) k BL c BL 0 dt ( rA ) / A ( rB ) / B
边界条件
l R l L
cB 0 cB cBL
求解：
L A DBL cBL A k BL cBL 1 1 R B DAL c AI B k AL c AI
（请记住公式）
相界面(反应面)
气膜
液膜
CB
PAG
δ
瞬时反应特点：:CB过大 反应面在相界面上 反应面与相界面重合
δ
2 瞬时反应 CB过大 反应面在相界面上 反应面与相界面重合
相界面 气膜 液膜
反应区
CB
PAG
PAI C AI
Z
3 快速反应 无反应面,只有反应区 反应区在液膜内 反应物A,B均在液膜内消耗完毕
δ
L
4中速反应 反应面和相界面不重合 反应在液膜内及液相主体
相界面 气膜 液膜 反应面 CB
PAG
PAI C AI
d 2c A DAL 2 rA dl
组分A的液膜基础方程
同理，在体积元(S×1×dL)内,进行组分B微分衡算
d 2 cB B rB ( rA ) 2 dl A
在相界面处，B组分 不挥发，A组分达到 溶解平衡
DBL
边界条件为:
l 0; cA cAI
pAI
B k AG B k AG DAL c ( )( ) p AG ( )( )( p AG A k BL A k AL DBL
0 BL
B k AG DAL c ( )( )( p AG A k AL DBL
0 BL
(请记住）
0 cBL cBL , 反应面与相界面重合， 0 , 0 cBL cBL , 反应面与相界面不重合， ？
液膜传质速率方程
p
Ai
H AiCAi
气液界面相平衡方程
dnA k AG S ( p AG p Ai ) k AL S (C Ai C AL ) dt p AG p Ai C Ai C AL S S 1 1 k AG k AL 1 HA 1 k AG k AL S ( p AG H AC AL )
第八章 气液相反应过程与反应器
胡廷平 武汉工业学院 化学与环境工程学院 化学工程专业
内容提要
• 8.1 概述 • 8.2 气液反应动力学（重点） • 8.3 气液反应器
（计划6学时）
8.1 概述
气液反应过程: 气相中组分必须进入液相中才能进行反应的过程 气相+气相 气相+液相 至少有一反应组分是气相,反应在液相中进行,气相无 反应。
dcB ; 0 H A dl
第二个边界条件依据反应类型确定，
两个边界条件才能求解二阶常微分方程
8.2.1.2 反应类型及特点 （按反应快慢分六种类型）
相界面 气相主体 气膜 液膜 反应面 PAG PAI C AI 液相主体 CB
1 瞬时反应 反应面和相界面不重合 反应面在液膜内
Z
δ L
相界面(反应面) 气膜 液膜 CB PAG
2
边界条件
对于一级化学反应 求解二阶线性常微分方程：
D AL
d 2cA k cA 2 dl
k L2 D AL
k DAL k AL
膜内转换系数,八田准数
dnA dc A D AL S k AL S (c AI dt dl l 0 c c AL AI cosh( ) tanh c AI c AL
c c AL AI cosh( ) c AL ) tanh( ) c AI c AL
k AL S (c AI c AL )
tanh( )
tanh( )
分两种情况：
8.2.6 瞬时反应过程
相界面 气相主体 气膜 液膜 液相主体
反应面 PAG PAI
δ
5慢速反应 反应面和相界面不重合 反应主要液相主体，液膜 反应量忽略不计。
L
6 极慢反应 在液相主体内的均相反应
8.2.2 极慢反应过程
相界面
气膜
液膜 CB
PAG
PAI
CAI
cA
δG
δ
L
特点：指A组分由气相主体向气液界面扩散的速率以及A组分由气液
界面向液相主体的扩散速率远远大于A组分在化学反应过程中的消耗 速率。类似于液相均相反应过程
c c AL cosh( ) AI c AL ) tanh( ) c AI c AL
比较液膜传质速率方程
8.2.5 快速反应过程
相界面
气膜
液膜
反应区
CB
PAG
PAI
CAI
Z
δ
L
特点：反应仅发生在液膜内,A组分在液膜内全部被反应掉,在液相主 体没有组分A,在液相主体没有化学反应。
比较液膜传质速率方程
L 1
由此可得,β=1
L
8.2.4 中速反应过程
相界面 气膜 液膜
CB
PAG
PAI
CAI
CA
δ
L
特点：反应不仅发生在液膜内,而且在主体相中也存在化 学反应
基础方程：
D AL
d cA rA 2 dl
l 0 l L c A c AI c A c AL
化学反应过程
传递过程 (回顾气固相催化反应过程的步骤)
物理吸收过程：
dnA DAG ( p AG p Ai ) S k AG ( p AG p Ai ) S dt G
气膜传质速率方程
dnA DAL (C Ai C AL ) S k AL (C Ai C AL ) S dt L