气液两相反应器
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
气升式环流反应器内气液两相流动CFD数值模拟的研究
internal baffle 1999
24.Couvert A.Bastoul D.Roustan M Prediction of liquid velocity and gas hold-up in rectangular air-lift reactors of different scales 2001
36.Warsito.Ohkawa M.Kawata N.Uchida S Cross-sectional distributions of gas and solid holdups in slurry bubble column investigated by ultrasonic computed tomography 1999
45.Iguchi M.Kondoh T.Morita Z I.Nakajima K Velocity and turbulence measurements in a cylindrical bath subject to
centric bottom gas injection 1995(02)
46.Deshpande N S.Joshi J B Simultaneous measurements of gas and liquid phase velocities and gas hold-up using laser Doppler velocimeter 1997
10.Visnovsky G.Claus J D.Merchuk J C Cultivation of Insect Cells in Bioreactors:Influence of Reactor Configuration and Superficial Velocity 2003
反应器工程中气液两相流的传质传热特性
反应器工程中气液两相流的传质传热特性随着工业和科技的不断发展，人们对反应器工程的需求越来越大。
反应器工程中的气液两相流是一种非常常见的流体现象，尤其在化学反应器中更为显著。
此类流体现象涉及到多个重要参数，如传质系数、传热系数、液体的浓度、以及气液的动力学行为等等。
了解反应器工程中气液两相流的传质传热特性，对于提高反应器工程的效率和稳定性，具有重要的意义。
一、气液两相流的传质气液两相流的传质现象一般介于分子扩散和对流扩散之间。
其传质速率受到了许多因素的影响，如总质量传递系数、液体和气相之间的传质系数、以及气液两相之间的物理性质等等。
在反应器工程中，气液两相流的传质通常是由化学反应的发生和物质传递的需求所产生的。
化学反应通常是以气相中的一个或几个成份的浓度变化为基础的。
反应速率通常受限于气、液相中的物质之间的传质速率。
因此，有效控制气液两相流的传质速率，可以提高反应的稳定性和效率。
此外，变化的传质速率还可以改变容器外部的温度和压力，从而实现反应的控制。
二、气液两相流的传热气液两相流的传热特性受到许多因素的影响。
气液两相流的传热过程是一个复杂的过程。
它在很大程度上与流量、液体的浓度、环境温度和湿度、以及交错流动的气相和液相之间的湍流等因素有关。
气液两相之间的传热系数是对气液两相之间传热能力的度量。
它是指在给定比例下气相向液相传热的能力。
在经典气液传热传质研究中，由于液相的传热系数数值大于气相传热系数数值，因此通常认为气液传热以液相传热为主。
然而，在气液两相流中，气相具有较快的动力学响应速度会产生涡流，液相在其前端形成流动的薄膜。
液态和气态的交叉流动促进了气液两相之间的传热，从而提高了传热系数的数值。
因此，对气液两相之间的传热研究，需要考虑到对液相和气相(液态边界层)的传热两个过程的影响。
三、气液两相流的气液传质模型对气液两相之间传质现象进行数值模拟是研究气液两相之间传质效果的最好方法之一。
这种模型通常包括了大量输入参数，如反应器内部温度、物质浓度、气体流量、以及物质浓度在不同位置的分布。
第六章气液相
6.2.1 气液相间物质传递
双膜模型组分A相际传质如图所示：
相界面 气膜 液膜 液相主体
按照双膜理论模型，在气液 相界面处A组分达到平衡状 态。即：
气相主体
PGA
PA PAI cAI
CAi HpAi （低压下）
cA
cAL
z
δG δL
双膜模型组分A相际传质的示意图
A组分由气相主体扩散到气液相界面的速率方程为：
6.3 气液反应动力学特征
6.3.1 气液反应过程的基础方程
假定气相中A组分与液相中B组分的反应过程按双膜模 型进行。 气相中A组分向气液相界面扩散的速率为：
dn AG k AG S ( p AG p Ai ) dt
A组分由气液相界面向液相主体扩散的速率为：
dn AL k AL S (c Ai c AL ) dt
DAB
c Ai c A kc c Ai c A
可得化学吸收速率与物理吸收速率的比值
N AR N AR HaHaV 1 thHa V 1HathHa 1 N A kc c Ai 0
—— 化学吸收增强因子
N AR N A
引入一个模型参数 S 来表达任何龄期的流体表面单元在单位 时间内被更新的机率（更新频率）。
由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄 期为 0→∞ 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析 求得传质系数为
kc SDAB
表面更新理论
kc SDAB
该理论得出的传质系数正比于扩散系数 DAB 的 0.5 次方；
δG δL
则气膜中：
dn A k AG S ( p AG p Ai ) dt
微通道反应器的分类介绍
微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。
微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。
微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。
1.气固相催化微反应器由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。
最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。
复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。
运用最广的甲苯气-固催化氧化。
2.液液相反应器到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。
液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。
专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。
主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。
3.气液相微反应器一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字形。
由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。
另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。
这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。
4.气液固三相催化微反应器气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。
气液两相流应用
气液两相流应用以气液两相流应用为题，我们将探讨气液两相流在不同领域的应用。
气液两相流是指同时存在气体和液体的流体状态，常见的应用包括石油工业、化工工艺、能源系统等。
在这些领域，气液两相流的研究和应用具有重要的意义。
气液两相流在石油工业中的应用十分广泛。
石油开采过程中，常常需要将地下的油气通过管道或井筒运输到地面。
在这个过程中，由于地下油气的特殊性，常常会形成气液两相流。
研究气液两相流的流动规律能够帮助工程师更好地设计和运营油气输送系统，提高输送效率。
化工工艺中的气液两相流应用也非常重要。
在化工生产过程中，常常需要进行气体和液体的混合反应或分离。
气液两相流在这个过程中起到了至关重要的作用。
研究气液两相流的传热、质传和动量传递规律，能够帮助工程师优化化工反应器的设计和操作参数，提高生产效率和产品质量。
能源系统中的气液两相流应用也备受关注。
例如，核电站中的蒸汽发生器就是一个典型的气液两相流装置。
蒸汽发生器中的核燃料产生的热量将水转化为蒸汽，然后驱动汽轮机发电。
研究气液两相流的动态特性和传热规律，能够帮助工程师更好地设计和优化蒸汽发生器，提高核电站的发电效率和安全性。
气液两相流还广泛应用于环境保护和污水处理领域。
例如，在废气处理中，常常需要将废气中的有害物质与液体进行接触和吸收，以实现废气的净化。
气液两相流技术可以提高废气与液体的接触面积，加快吸收反应速度，从而提高废气处理的效率。
在污水处理中，气液两相流也常被用于气浮和曝气等工艺中，通过气泡的作用来提高污水中悬浮物的去除效果。
气液两相流在石油工业、化工工艺、能源系统以及环境保护等领域都有重要的应用。
研究和应用气液两相流技术，能够帮助工程师更好地设计和优化工艺装置，提高生产效率和产品质量，同时也有助于保护环境和提高能源利用效率。
随着科学技术的不断进步，相信气液两相流技术在更多领域的应用将会得到进一步的拓展和深化。
气液两相流反应器的研究与应用
气液两相流反应器的研究与应用气液两相流反应器是一种常见的反应器类型，它能够同时处理气态和液态反应物，在化学反应、生物制药、环境保护等领域广泛应用。
本文将介绍气液两相流反应器的研究和应用，并探讨其未来的发展方向。
一、气液两相流反应器的基本原理气液两相流反应器是指将气体和液体同时引入反应器中，使其在反应器内发生化学反应，得到所需产品。
其基本原理可分为三个方面：1、质量传递：气液两相流反应器中，气体通常是反应物，气泡和液相接触面积较大，能够快速实现物质的传递。
2、热传递：气液两相流反应器中，气泡和液相之间的不断液化和汽化过程也能带来相应的热效应。
3、动力学：气液两相流反应器中，气液之间不断的物质传递和热传递能够影响反应的速率和平衡状态，从而影响反应器的反应效果。
二、气液两相流反应器的分类气液两相流反应器按反应介质的状态和流动情况分为很多种类，常见的有以下几种：1、气-液搅拌反应器气-液搅拌反应器是最常见的反应器类型，通常采用机械搅拌或导流板等装置促进反应物之间的混合和传质过程。
在这种反应器中，气泡会受到机械搅拌的影响，互相碰撞合并，加快气体的传输速度和改善反应的均相性质。
2、气-液静态反应器气-液静态反应器是指不需要搅拌或导流板等装置，反应介质通过重力作用，自然混合反应。
这种反应器具有结构简单，几乎没有能耗损失的优点，但气泡的数量和传输速度较慢，难以对反应物进行快速处理。
3、气-液旋流反应器气-液旋流反应器是指利用旋转机械产生旋流场，使反应介质沿着旋流径向流动，产生强烈的离心力作用，从而加快了气-液质量传递和热传递效率。
这种反应器可用于大规模的化工生产中，但较难控制反应过程。
三、气液两相流反应器的应用气液两相流反应器在化学、生物、环保等领域有着广泛的应用。
常见的应用包括以下几个方面：1、氧化反应氧化反应是气液两相流反应器最常见的应用之一，特别是用于氧化废气和废水处理。
反应器内无论是搅拌式还是静态式都能进行氧化反应，其中搅拌反应器的反应效率较高。
鼓泡塔的工作原理
鼓泡塔的工作原理
鼓泡塔，又称鼓泡反应器，是一种常用的气液接触反应设备。
其工作原理主要是利用气体通过液体时产生的气泡来实现气液两相的充分接触和反应。
具体来说，气体从塔底向上经分布器以气泡形式通过液层，气泡在上升过程中与液体进行接触和反应。
气泡的搅拌作用可使液体充分混合，增加气液接触面积，提高传质和传热效率。
鼓泡塔中的液体分批加入，气体连续通入，属于半连续操作。
在塔内，气体和液体可以进行逆流或并流操作，具体取决于实际需求。
此外，为加强液体循环和传递反应热，鼓泡塔内可设外循环管和塔外换热器。
同时，为减少液体返混，塔内常设有挡板。
鼓泡塔结构简单，没有运动部件，适用于高压反应或腐蚀性物系。
在各种有机化合物的氧化反应中，如乙烯氧化生成醛、乙醛氧化生成乙酸或乙酸酐等，鼓泡塔都发挥了重要作用。
请注意，鼓泡塔的工作原理和应用领域可能因具体设备和应用场景的不同而有所差异。
在实际应用中，需要根据具体需求进行设计和优化。
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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）
式中， 称为一级不可逆气液反应的增强系数，其物理意义为 tanh
相界面
反应面
pAi cAi
CBL
δR δL
z R,
cA
cB
0,
DLA
dcA dz
DLB
dcB dz
0
将二阶微分方程积分得到液膜中A的浓度分布为：
cA
cAi
1
1
DLB DLA
cBL bcAi
z
L
（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 )
dnA Sdt
H AcAi
H A DLB cBL bDLA
pA
H
A DLB cBL bDLA
1
HA
1 HA
kGA
k LA
kGA kLA
（8-18）
则得
(rA )
KGA
pA
H
ADLB cBL bDLA
1 1 HA KGA kGA kLA
（2）界面反应
液相中B的浓度足够大时，反应面位置与相界面重合，此时，
A组分的消失速率取决于其在气膜中的扩散速率。该过程属于气膜
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，
NA
kGA( pA
pAi )
(rA )
kLAcAi 1
DLB cBL bDLAcAi
在相界Байду номын сангаас上，溶解达到平衡，气液组成符合亨利定律 pAi H AcAi
上式可变换为
( pA
H AcAi )
(rA )
a(rA )
kGAa( pA
pAi )
k LA a
pAi HA
cAL
k cALcBL
(rA)
pA pAi 1
pA p*A HA
p*A HA
1
pA HA HA
kGAa
k LA a
kcBL kGAa kLAa kcBL
（8-34）
式中，a是单位液相体积具有的相界面。 pA*是与cAL成平衡的气相分压。
不同类型气液相二级反应的宏观速率式
（1）瞬间快速反应 如图，反应仅在反应面上，反应面左侧
只含A，右侧只含B。因此，反应面两侧的扩
散传质均不受化学反应影响。即
0 z R
DLA
d 2cA dz 2
0
pA
R z L
边界条件：
DLB
d 2cB dz 2
0
z 0, cA cAi ; z L , cB cBL
基础方程
DLA
d 2cA dz2
k cAcB
边界条件
z 0,
c A cAi ,
dcB 0 dz
z δL, c A 0, c B cBL
近似解
1
tanh
1
（8-25）
宏观速率方程
(rA ) kLAcAi
（8-27）
式（8-25）是隐式方程，可用试差法求解，也可查图8-5求其值。
设
A(g) bB(l) P
为快速反应，液相主体中cBL=0，定常态操 作时取一微元段作物料衡算：
气相组分A
GYA dYA YA (rA )a dh
化简得
GdYA (rA )a dh
积分
H
H
dh G
YA2
dYA
0
YA1 (rA )a
（1）
液相组分B 化简得 积分
LX B X B dX B b(rA )a dh
控制过程。
(rA ) kGA pA
（8-19）
反应面位置的判别
由
NA
kGA( pA
pAi )
(rA )
kLAcAi 1
DLB cBL bDLAcAi
和
pAi H AcAi
解得
cAi
kGA
pA
1 b
kLB cBL
kLA H AkGA
若
kGA
pA
1 b
kLB cBL
，
cAi 0
，则必为界面反应。
解：
kcBLDLA 20 2.5103 2105 0.01 0.02
kLA
0.1
故该反应为慢反应，反应区域为液相主体。 可选择持液量大的搅拌釜或鼓泡塔反应器。
8.3 化学吸收填料塔的计算
填料塔具有较高的相界面，气、液逆流接触传质推动力大，主要 用于传质速率为控制步骤的气液反应。计算目的是确定填料用量和设 备结构尺寸等。 8.3.1 填料层高度计算
该类型的反应基础方程和边界条 件与不可逆一级中速反应相同，方程 无解析解，只有近似解。
（7）二级慢速反应 液膜中的反应量比液相主体中小得多，可以忽略不计。即
由气相主体传入液相的A，完全在液相中反应，而气膜和液膜中 的传质是纯物理过程。定常态操作时，通过气膜和液膜传递的A 的量与液相主体中反应消耗的A的量相等，即，
不同的反应，β的表达式不同。 β 值可查图8-5求得。
β-γ关系曲线
1
10, ; 3 0.5 , ; 0.02 0.2, 1;
0.5 10 , 式（8 - 25）； 0.2 3, 式（8 - 30）； 0.02, 按本征动力学方程计算。
8.2.4 气液相反应器选型
LdX B b(rA )a dh
H H dh L XB1 dX B
0
b X B2 (rA )a
（2）
若动力学方程已知，就可由上面的积分计算填料层高度。因为 动力学方程常用气体分压和液相浓度表示，根据物质的量比浓度的 定义可对积分式进行变换。
由 微分
YA
pA pI
pA p pA
,
XB
若为低浓度化学吸收过程，则
p pA p, cT cB cT
高度计算公式可简化为
H G pA2 dpA
L
dc cB1
B
p pA1 (rA )a bcT cB2 (rA )a
（3） （4）
（5）
解：这是低浓度吸收过程，故
YA yA pA / p
X A xA cA / cT
（1）物理吸收 可按化工原理介绍的方法计算。填料层中取
DLA
dcA dz
z0
将A的浓度分布对z求导后代入上式得
式中，
NA
(rA )
DLA
L
cAi 1
DLB cBL bDLAcAi
kLAcAi
k LA
DLA
L
，称为液膜传质系数。
（8-16）
1
DLB cBL bDLA c Ai
，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。
cA
cosh(az)
1 a
1a tanh(a )
sinh(az)
cAi
1 a
1a
tanh(a ) 1
（8-22）
式中， ε是气相体积分率；a是单位气液混合物体积具有的相界面； δ是液膜厚度；aδ是单位体积中液膜的体积； a kcBL
DLA
（6）二级中速反应
反应区域为液膜和液相主体，液膜中B浓度随膜厚变化。
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：
DLA
dcA dz
(rA )dz
DLA
d dz
c
A
dcA dz
dz
整理得
DLA
d 2cA dz2
kcAcB
0
（8-12）
同理可得
DLB
d 2cB dz2
bkcAcB
0
此二式即二级不可逆气液反应的基础方程，
根据不同类型气液反应的边界条件，可得到不同特解。
（8）极慢反应
扩散速率远大于反应速率，传质阻力可忽略，属于反应控 制，气液相宏观反应速率等于液相主体中的本征反应速率。