气液相反应和反应[优质内容]
化学反应工程 第六章气-液反应及反应器
第六章气－液反应及反应器概述在化学工业中，气－液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程。
气体的净化、废气及污水的处理常用气－液反应。
工业应用气－液反应实例见表6－1。
气－液反应是气相中的反应组分A越过相界面进入液相，和液相中的组分B 进行的反应，反应过程如下。
A（液相）＋B（液相）产物A（气相）1、反应特点⑴反映物⑵反应区在液相内，包括相界面。
⑶多相反应，反应过程由传递过程和化学反应组成。
⑷反应平衡。
包括相平衡和化学反应平衡：A（液相）＋bB（l）产物A（气相）2、反应目的⑴净化原料气例如：H2S+NH3·H2O NH4HS+H2OCO2+K2CO32KHCO3⑵制取产品3、主要内容讨论气－液反应相平衡、气－液相间物质传递和气－液反应动力学特征。
第一节气－液反应平衡6－1 气－液相平衡气－液反应的相平衡关系如下，包括气－液相平衡和化学反应平衡，先讨论相平衡。
设气相中组分i溶解于液相中，当气－液相平衡时，组分i在气相和液相中的逸度相等，即()()L i g i f f = ()i i P g i y f f ϕ=式中：i P y f －分逸度；i y －i 的摩尔分率；i ϕ－i 的逸度系数；()()i L i x f f =，对于稀溶液，可用亨利定律表示：()i i L i x E f =式中：i E －亨利系数，i x －i 在液相中的摩尔分率。
气－液平衡关系为：i i i i P x E y f =ϕ （6－3）其中P f 对混合气体中各组分间非理想性的数值，i ϕ 是对i 组分非理想性的数值。
1、亨利定律的其他形式⑴气相为理想溶液（各组分间是非理想的，而各组分是理想的）1=i ϕ，气－液相平衡关系为：i i i P x E y f =⑵气相为理想气体混合物（低压）i i i i P x E Py P f === （6－4）或者i i i P H C = （6－5）式中：i C －容积摩尔浓度；i H －溶解度系数2、i H 和i E 的关系由式（6－4）和（6－5），得到0C C E H x E H P H C i ii i i i i i i === 式中C =Mρ，ρ－溶液密度，M －溶液平均分子量，对于稀溶液，M 近似为溶剂分子量0M ，故i H 和i E 的近似关系为：i i E M H 0ρ= （6－6）3、i E 、i H 和温度的关系()()g i i i R H T d H d T d E d ∆=-=1ln 1ln （6－8） 4、i E 、i H 和压力的关系1935年苏联学者克里契夫斯基提出如下关系式：TR V dP dH dP dE g i i i =-= （6－9） 式中：Vi －i 在溶液中的偏摩尔溶积，可查文献得到。
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。
气液反应及反应器.ppt
时， ；
B ,opt
max
y y
半间歇搅拌釜
连续加热搅拌釜
第五节 鼓泡反应器
❖ 特点：气相高度分散在液相中（持液量大、相际接触面大、 传质和传热效率高，适用于缓慢反应和大量放热情况）；结 构简单，操作稳定，费用低。
缺点：液相返混较大；气相压降较大。
❖ 型式：按结构分：
①空心式（针对热效应较大）②多段式（克服液相返混）
(C：)反应面为界面时的 ，即C吸收速率最大时的
BL C
BL
C BL
当C 时， ，（反 应面）趋向于界面、
BL
1
2
；N A
当 C 至 （0 反应面）到时达，界面、
BL
1
1
2
(C ) (v（kG6)(-D49AL）)P
BL C
kDG
L
BL
；N k P ;
max
A,max
GG
6-8 不可逆瞬间反应
即当 时2 ，M i
②瞬间反应：
M
条件——k2很大，而B供应很不充分，
即当 M 时 1，0 i
i
6-11 平行反应和连串反应
❖ 一、平行反应： 多种反应剂对一种气体的吸收过程（工业中常见）属此。 两种反应剂对同一种气体吸收的浓度分布的形式，因反应
类型不同而不同:
❖
6-11 平行反应和连串反应
❖
1 1 1 ,
K k Hk
G
G
L
1 H1
;
K kk
L
G
L
6-5 化学反应在相间传递的作用
❖ 1、化学反应可忽略的过程： 当液相中反应量<<物理溶解量，可视为物理吸收过程。 如：对液相中进行的一级不可逆反应，
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
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
气液相反应
8.3 气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许
多 类
• 填料塔式反应器计算
• 反应器特点：
• 液体沿填料表面向下流动，持液量小； 气液接触界面近似等于填料表面积；气 液传质过程可以按双膜理论计算。
• 适用于瞬间反应及快反应过程。
• 塔径计算：
• 取0.6-0.8倍液泛速度为空塔操作气速u，
c AL shz
• 继续推导：
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l 0
DLA
S
L
cAich cAL sh
DLA
L
S
ch sh
cAi
cAL
ch
kLAS cAi
cAL
th
cAi
cAL
ch
cAi cAL
因此：
cAi
cAL
ch
• 根据双膜理论的物理模型，可以写出：
dnA dt
DGA
G
(
pA
pAi )S
kGA( pA
pAi )S
DGA
G
kGA
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL)S
kLA (cAi
cAL)S
根据亨利定律，
DLA
L
kLA
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
dnA dt
LA
总括传质系数。
• 扩散物A在液膜中
的化学反应，使 pA
液膜较物理过程
的液膜变薄，由
变为 L
化学反应工程 7. 气液相反应和反应器分析[精]
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根据双膜模型，组分Ａ首先从气相主体通过气膜向气液相界 面扩散，然后穿过气液界面向液膜扩散；组分Ｂ则从液相主 体向液膜扩散，反应在液相中进行。整个反应过程的各步骤 和组分的浓度变化如图所示。这里假设液相组分Ｂ不挥发， 所以不存在组分Ｂ从相界面向气相扩散的问题。如果气相为 纯组分Ａ，则气膜不存在。
有限。
板式塔
筛板塔板或泡罩塔板, 在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分 散相,液体为连续相。
存液量较填料塔多。 板式塔反应器的气液传质系数较大,而且液相的轴向返混程度很小，塔
板上的温度也比较容易控制。但这种反应器的压降较大，气液传质表 面积也较小。
气液反应器
气液反应器
鼓泡塔
传递参数
如果在反应器内装有换热器，流体与换热器壁间的传热系 数 视气液混合物处于鼓泡状态区还是泡沫状态区而有不 同的关联式。
如果鼓泡塔的高度与直径比足够大，气相返混程度极小， 可按活塞流处理。但是，液相的返混一般就不一定能够忽 略。大多数实验结果表明，液相的返混取决于气体流速及 塔径，基本上与液体的流速及物理性质（密度、粘度及表 面张力等）无关。液相返混程度可以液相的轴向扩散系数 Dal来表示，可按下式进行计算：
塔内充满液体，气体从塔底部经过气体分布器通入,分散 成气泡，并沿着液层上升，在液层顶部与液体分离、溢出, 最后从塔的顶部排走。
鼓泡塔反应器的优点是结构简单、造价低、易控制、易维 修。如反应物料有腐蚀性,防腐问题易于解决。鼓泡塔也 可以较为容易地用于高压操作体系。
鼓泡塔反应器存在严重的液体返混和气泡聚并现象,这两 者均使反应器的效率下降。
气液反应基本方程
气液反应过程的基础方程
对A组分：DA
气液相反应动力学-
dc A aD A kc A c B l V a l dz
l
c Bl ： 液相主体中，组分B的浓度； ：液膜厚度
7
1.1 气液反应过程的基本方程
控制方程与边界条件的无量纲化： cA cB z f , f , y 令： A B cB cBl l 控制方程无量纲化结果：
kl HaHa 1 tanh Ha 1Ha tanh Ha 1 k l0
JA D A Ha V RA l kc Bl a
Ha - 1 tanh Ha Ha - 1 tanh Ha - 1Ha tanh Ha 1 Ha -1Ha tanh Ha 1
（6-16）
方程（6-13）的通解为：
根据（6-14）可得：
f A C1e yHa C 2 e yHa
C1 1 C 2
12
1.2 拟一级不可逆反应
结合条件（6-15）得到：
进一步得到：
Ha 1 1e Ha C 2 Ha e e Ha Ha 1e Ha e Ha 1 Ha 1e Ha C1 1 C 2 Ha e e Ha Ha 1e Ha e Ha
第六章 气液相反应和反应器分析
主讲人：徐加陵 能动学院 指导教师：杨伯伦 教授 日期： 2014.11.12
1
主要内容
第一节 气液相反应动力学 第二节 气液相反应器的分类和选型 第三节 气液相反应器的设计计算
2
第一节 气液相反应动力学
1.1 气液反应过程的基本方程
1.2 拟一级不可逆反应 1.3 不可逆飞速反应
JA D A Ha V RA l kc Bl a
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2
1. 气液相反应动力学
理论基础是由日本学者八田四郎次在双膜理论的基础上完 成的
用于气液相理论的研究还有表面更新理论和溶质渗透理论 三种模型在实际过程中的应用结果相差不大 用双膜理论来描述更为合适
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3
1.1 气液反应过程的基本方程
气相反应物A与不挥发的液相反应物B进行反应
气液相反应和反应器分析
化环学院 晋梅
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1
概述
气液反应过程
气相反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行反应的一种 非均相反应过程
主要用于
直接制取产品，如环己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，气态二 氧化碳和氨水反应制取碳酸氢铵
化学吸收，脱除气相中某一种或几种组分，如热钾碱或乙醇胺溶 液脱除合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成气中一氧化碳 等
扩散到反应面的量应相等，且和组分B从液相主体扩散到反应面 的量符合化学计量关系
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19
定态条件下的扩散通量之间的关系
同时考虑气膜阻力和液膜阻力 时，飞速反应的速率计算式
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20
仅考虑液膜阻力时
飞速反应的增强因子
飞速反应的增强因子与反应速率常数无关
飞速反应的增强因子与八田数也无关
只有提高液相中B的浓度，才能提高飞速反应的增强因子
两个参数均为Ha和液相总体积与液膜体积之比的函数 根据Ha和的定义
Ha很小，
大，则存在
过程由物理传质速率决定，化学反应精制仅课在件液相主体的某一区域内进行
16
增强因子E和液相利用率
根据Ha和的定义
Ha很小，
小，则存在
整个反应过程将在液相中进行，过程速率由均相反应速率决定
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17
1.3 不可逆飞速反应
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13
液相有效利用率
定义：气液反应过程中液相利用程度的度量 物理意义：与气固相催化反应中的内部效率因子相当
当JA=RA时，液相有效利用率为1，整个反应在液相中进行， 表明反应是相对于传质十分缓慢的反应
在严重的扩散限制下，JA<<RA时，液相利用率很低，反应 在液膜中进行，表明反应相对于传质来讲，反应十分快速
反应过程
分压为pA的反应物A从气相主体传递到气液界面 在界面上A的气相分压为pAi，液相浓度为cAi，两者处于相平衡状态 反应物A从气液界面传入液相，在液相内浓度 为cA的A与浓度为cB的B进行反应 气液相反应过程存在反应相外部的质量传递 和反应相内部的传质和反应同时发生的过程
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4
气液相反应中的传递过程方向
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增强因子E和液相利用率
均为Ha和液相总体积与液膜体积之比的函数 反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积 大时
Ha很大tanhHa1
液相利用率很，说明反应在液膜内进行 应该采用比表面积大的气液反应器进行反应
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增强因子E和液相利用率
反应速率常数和液相主体中组分B的浓度乘积 小时 Ha很小tanhHaHa
扩散进入该微元体的组分A的量-由该微元扩散出去的组分A=微元体中反应掉的组分A的量
组分A和B反应级数为一级，DA为常数
B组分的物料衡算
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6
求解
边值条件
表明穿过液膜进入液相主体的组分A将在主体中和组分B进行反应---穿 过液膜的扩散量等于主体中的反应量
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7
单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比
八精制田课件数
8
八田数
无化学反应时的传质系数
物理意义
类似于气固相反应中的Thiele模数
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9
八田数可作为气液相反应中反应快慢程度的判据
Ha>3，属于反应在液膜内进行飞速反应或快速反应 Ha<0.02，属于反应在液相主体中进行慢反应 0.02<Ha<3，属于反应在液膜和液相主体的反应都不能忽
有化学反应时的液相传质系数与无化学反应时的液相传质系数之比
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增强因子E
化学反应对过程有加速作用 加速作用实质表现在由于反应存在改变了液膜内反应物的浓度梯
度 E为有反应时和无反应时的浓度梯度之比
液膜传质阻力忽略时，通过界面的传质通量表达
等于液相主体均相反应速率计算
液相有效利用率---JA与RA的比值
气相组分A由气液界面向液相主体传递 液相组分B由液相主体向气液界面传递
气液组分的浓度分布
采用双膜理论进行分析时，组分A和B的浓度梯度仅存在于液膜 内，在液相主体中的浓度梯度为0
如虚线所示
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5
反应的物料衡算
在液相内离相界面为z处取一厚度为dz的微元体 达到定常态时---A组分物料衡算
过程控制步骤的判断
若
若
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1.4 二级不可逆反应
对于二级不可逆反应
非线性方程
Van krevelen在假设组分A在液膜内全部耗尽，即在
的
条件下，求取上述方程的近似解
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23
1.5 拟一级反应、飞速反应与二级反应中Ha和E的关系
当
相当于反应速率k很大或k10很小的情况 按照飞速反应处理
原因：浓度的提高，使得反应面向气液界面推移，组分A在液膜中 的扩散距离缩短
极限情况：反应面与气液界面相重合
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21
反应面与气液界面重合时，过程阻力集中在气膜内，则传质通量
此时对应于一个液相反应物B的浓度---临界浓度
液相主体扩散至相界面的B的量和从气相主体扩散到相界面A的量符合化学计量关系
略的中速反应
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1. 2 拟一级不可逆反应
若液相组分B大量过剩，液相中组分B的浓度视为常数 反应速率方程
按照一级反应处理 方程
方程的通解
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组分A在液膜内的浓度分布
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组分A在液膜内的浓度分布
浓度分布为Ha和的函数 同时还可计算出伴有化学反应时通过液膜的传质通量
K1为伴有化学反应时的液相传质系数 增强因子E
当反应速率非常大时，不仅反应物A在液膜内被完全耗尽， 反应物B的浓度在液膜内也将逐渐下降
非线性方程
简化处理
当反应飞速反应，反应仅仅发生在液膜内的某一个平面上时，可 以获得简化处理
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飞速反应
反应过程 液膜内存在一反应面，当自气液界面向液相 主体扩散的组分A和自液相主体向气液界面 扩散的组分B在反应面上相遇时，相互反应而耗尽，也就意味着反应 面上组分A和B的浓度均为0 定常态下，组分A从气相主体扩散到气液界面的量和从气液界面