第八章气液相反应器
气液相反应器基本类型与结构
6.1.2 气液相反应器基本类型与结构1.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。
(a) (b) (c) (d) (e) (f)(g)气液相反应器的主要类型示意图(a)填料塔反应器；（b）板式塔反应器；（c）降膜反应器；（d）喷雾塔反应器；（e）鼓泡塔反应器；（f）搅拌鼓泡釜式反应器；（g）喷射或文氏反应器2.气液相反应器的特点(1)鼓泡塔反应器（图片）特点：a.气相既与液相接触进行反应同时搅动液体以增加传质速率；b.鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。
c.鼓泡塔内液体返混严重，气泡易产生聚并，故效率较低。
应用：这类反应器适用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量大的反应。
(2)填料塔反应器（图片）特点：a.液体沿填料表面下流，在填料表面形成液膜而与气相接触进行反应，故液相主体量较少。
b.填料塔反应器气体压降很小，液体返混极小，是一种比较好的气液相反应器。
应用：适用于瞬间、界面和快速反应。
（3）板式塔反应器（图片）特点:a.板式塔反应器中的液体是连续相而气体是分散相，借助于气相通过塔板分散成小气泡而与板上液体相接触进行化学反应；b.能在单塔中直接获得极高的液相转化率；c.板式塔反应器的气液传质系数较大，可以在板上安置冷却或加热元件，以适应维持所需温度的要求；d.但是板式塔反应器具有气相流动压降较大和传质表面较小等缺点。
应用：板式塔反应器适用于快速及中速反应。
(4)膜反应器（图片）特点：a.通常借助管内的流动液膜进行气液反应，管外使用载热流体导入或导出反应热。
b.降膜反应器还具有压降小和无轴向返混的优点。
c.由于降膜反应器中液体停留时间很短，d.降膜管的安装垂直度要求较高，液体成膜和均匀分布是降膜反应器的关键，工程使用时必须注意。
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
点击此处输入 相关文本内容
01
概况二
点击此处输入 相关文本内容
02
概况三
点击此处输入 相关文本内容
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
化工基础 第八章 典型反应器
（10）滴流床反应器
实质是按传递过程的特征分类，相同结构反应器内物料具有相同流动、混和、
传质、传热等特征。
3 根据温度条件和传热方式分类 （1）根据温度条件分：等温、非等温式反应器。 （2）根据传热方式分：
绝热式：不与外界进行热交换； 外热式：由热载体供给或移走热量，
又有间壁传热式、直接传热式、外循环传热式之分。 蒸发传热式：靠挥发性反应物、产物、溶剂的蒸发移除热量。
直叶和弯曲叶。涡轮搅拌器速度较大，300～600r／min。
涡轮搅拌器的主要优点是当能量消耗不大时，搅拌效率较高，搅拌产生很强
的径向流。因此它适用于乳浊液、悬浮液等。
C、推进式搅拌器
推进式搅拌器，搅拌时能使物料在反应釜内循环流动，所起作用以容积循环 为主，剪切作用较小，上下翻腾效果良好。当需要有更大的流速时，反应釜内设 有导流筒。
第八章 典型反应器
§8.1 概述
任何化学品的生产，都离不开三个阶段：原料预处理、化学反应、产品精制。 化学反应过程是化工生产过程的核心。 物理过程的原理和操作设备——《流体流动与传热》和《传质与分离技术》。 化学反应过程的原理和反应设备——《化学反应过程与设备》，属于化学反 应工程的范畴。 1 研究目的 研究目的：使化学工业生产中的反应过程最优化。 （1）设计最优化：由给定的生产任务，确定反应器的型式和适宜的尺寸及 其相应的操作条件。 （2）操作最优化：在反应器投产运行之后，还必须根据各种因素和条件的 变化作相应的修正，以使它仍能处于最优的条件下操作。 2 研究内容 从实验室开发到工业生产存在放大效应。 在工业反应器中实际进行的过程不但包括有化学反应，还伴随有各种物理过 程，如热量的传递、物质的流动、混和和传递等，所有这些传递过程使得反应器 内产生温度分布和浓度分布，从而影响反应的最终结果。 化学动力学特性的研究 ：在实验室的小反应器内进行，完全排除传递过程 的影响。 流动、传递过程对反应的影响 处理整个反应工程的问题需要具备三个方面的知识（三传一反）： a. 化学反应的规律（反应动力学）； b. 传递过程的规律（质量、热量和动量的传递）； c. 上述两者的结合。 3 研究作用 （1）反应器的合理选型
化学反应过程与设备
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（一）气液相反应的特点与应用
气液相反应工业应用： 气液相反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工 过程。
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 鼓泡塔反应器： 广泛应用于液体相也参与反应的中速、慢速反应和放热量 大的反应。 优点： 缺点：
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应 的基本类型与特点
化学反应过 程与设备
一、气液相反应器种类和工业应用
（二）气液相反应的基本类型与特点
气液相反应器的特点： 填料塔反应器： 广泛应用于气体吸收的设备，也可用作气液相反应器。 反应方式： 适用于： 优点： 缺点：
二、鼓泡塔反应器结构
（二）鼓泡塔反应器的结构
组成： (1)塔底部的气体分布器分布 作用： (2)塔筒体部分 作用： (3)塔顶部的气液分离器 作用：
化学反应过 程与设备
三、填料塔反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器结构
（一）填料塔反应器的结构
定义：填料塔是以塔内装有大量的 填料为相间接触构件的气液传质设备。 结构：填料塔的塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板，填料以乱堆或 整砌的方式放置在支承板上。
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （5）液体分布装置
化学反应过 程与设备
三、填料塔反应器结构
（一）填料塔反应器的结构 5、塔内件 （6）液体收集及再分布装置
化学反应过 程与设备
气液相反应器及其放大注意事项
9
（2）板式反应器(tray column reactor)
G L
G
10
L
板式塔
• 工作原理：操作时液 体在重力作用下，自 上而下依次流过各层 塔板，至塔底排出， 气体在压力差推动下 ，自下而上穿过各层 塔板，至塔顶排出。 每块塔板上保持着一 定高度的液层，气体 以气泡形式分散于液 层中。
液相主体中进行，所以应选用持液量大的设备。
③当αHa2≈1时，说明相际传质和主体反应的阻力都不能忽
略，应选用相界面积和持液量均大的设备。
19
20
首先应根据气液反应中传质与反应过程各自的特点来进行选型,并确定相应的操作方 式(连 续 或 半 连续 操 作)。
1) 气/液比大的情况。当伴有快速反应,且过程阻力主要在气膜传质方面,则应选用气相为 连续相,湍动程度较高而相界面大的喷雾塔、填料塔型式。而在气相中被吸收组份的 浓 度很高,反应又快,过程属液膜控制时,液 体容量将显得重要,应选用液相为连续相, 湍动较大,利于液相传质而相界面大的板式塔、泡罩塔型式。
G
L
用于气液反应时，也可以并流操作
G
7
L
填料塔
• 工作原理：逆流操作时，气体自塔底进 入，在填料间隙中向上流动；液体自塔 顶加入，通过液体分布器均匀喷洒于整 个塔截面上。液体在填料表面形成液膜 ，液膜向下流动时传质表面被不断更新 。
• 液体分布器：液体沿乱堆填料向下流动 时，沿塔壁流动的液体逐渐增多，称为 壁流现象。当填料层较高时，宜隔一定 距离重新设置液体再分布器，使液体重 新均匀分布，改善气液接触。
者两者阻力都不能忽略。此时，需借助参数αHa2作进一
气液相反应
•极慢反应 传递速率远比 反应速率快得 多；液相中溶 解的A接近其 饱和溶解度； 化学反应在液 相主体中进行， 反应速率代表 了A的传递速 率。
•慢反应 反应在液相主 体中进行，但 速率较传递速 率为大，液膜 中的反应可以 忽略（即-rA视 为0），与物 理吸收相同。
pA
cB pAi cAi cA δG δL
8.2 气液反应动力学
• 在液膜内 取一微元 体，在定 常态下， 对A组份 作物料衡 算（服从 Fick扩散 定律）：
• 模型分析： • 模型是以存在稳定的膜为前提，即：不 论气液相主体如何扰动，相界面上滞留 膜总是稳定存在。 • 随着气液相流动状况的不同，气液膜的 厚度不同。强化传质要通过增加扰动改 变膜厚度实现。 • 传质与反应速率的不同，得到不同的膜 内浓度分布。
• β恒大于1。 d 2cA • 曲线下 0 2 dl pA 凹。 2 • 八田数决 定了β ,γ0, β 1 (γ0，ch γ 1, γ/ th γ 1) c AL
c Ai ch th c Ai c AL
dl
k L DLA
输入－输出＝反应传递 At Fy A At F y A dy A dn A At dt dnA Fdy A dt kmol 因次：F : [ 2 ]， mh
L,XA进
F,yA出
dl H
F,yA进
L,XA出
dn A kmol :[ 2 ] dt mh
第八章 气液相反应过程与反应器
• 8.1 概述 • 气液反应过程指一个反应物在气相，另 一个在液相，气相反应物需进入液相才 能反应；或两个反应物都在气相，但需 进入液相与液相的催化剂接触才能反应。 • 与化学吸收过程极为相似。
《化学反应工程》教学大纲
《化学反应工程》教学大纲《化学反应工程》课程教学大纲【学时学分】 64 学时； 4学分【开课模式】必修【实验学时】 12学时【上机学时】0学时【课程类型】专业基础课【考核方式】考试【先修课程】物理化学，高等数学等【开课单位】石油化工系【课程编号】 G02019【授课对象】大专（3年制）石油化工生产技术一、本课程教学目的和任务本课程是化学工程与工艺专业的专业基础必修课，其主要任务是使学生掌握化工生产中的关键过程——化学反应过程的基本理论和知识，培养学生具体分析、计算和解决化工生产中有关化学反应过程的实际问题的能力。
1、课程对学生思想品德培养的目标要求：①通过课程讲授、复习及辅导、作业等教学环节，培养学生严谨求实的科学态度和一丝不苟的工作作风。
②通过用理论分析解决问题的过程中，培养学生辩证唯物主义的思想方法。
③通过我国反应工程发展史及现状，激发学生为化工事业献身的精神。
2、课程对学生知识与能力培养的目标要求：①培养学生从基础理论、工程观点、经济观点出发，综合处理工程问题的能力。
②培养学生能熟练进行反应器选型、设计、校核的能力。
③培养学生根据反应的特点分析反应器的问题，具有解决工业反应器的问题的能力。
④通过实验数据的收集和解析，培养学生实验设计和处理数据能力。
3、课程对学生科学思维方面的目标要求：①通过基本原理的学习，使学生掌握过程的本质，在众多影响因素中，抓住问题的主要方面，提高学生的科学思维能力。
②通过计算问题的学习，使学生掌握计算依据的基本概念、模型简化处理的方法，从而培养学生抽象的思维能力。
③通过典型反应器的学习，使学生了解应从基本原理出发来分析反应器性能、特征、应用范围及强化方法，培养学生逻辑思维能力。
二、本课程的性质、特点及基本要求本课程是在学完物理化学、化工原理、化工热力学的基础上，讲授化学反应过程的基本理论和知识，以研究工业反应器为主体，介绍反应工程的基本概念、原理和方法，以及反应器的设计、优化、开发、放大问题。
反应工程答案
第二章 均向反应动力学1.在473K 等温及常压下进行气相反应：（1）3→A R 1.5R A r C = （2）2→A S0.5S Ar C =（3）→A T 2.1TA r C= 式中C A 为反应物A 的浓度（kmol/l ），原料中A 和惰性气体各为一半（体积比），试求当A 的转化率达85%时，其转化速率是多少？解：先求出总摩尔变化数δA ，首先将产物的生成速率变为对应的反应物的转化速率：10.53AR R A r r C ==10.252AS S A r r C == 2.1AT T A r r C== 总反应速率为： 2.85A AR AS AT AR r r r C =++= 以一摩尔反应物A 为基准，总摩尔变化数为：0.50.25 2.13210.4392.85 2.85 2.85A δ=⨯+⨯+-=初始浓度为：200030.10130.5 1.28810/8.31410473A A P y C kmol l RT --⨯===⨯⨯⨯则有：2300(1) 1.288100.151.62810/110.50.4390.85A A A A A A C X C kmol ly X δ---⨯⨯===⨯++⨯⨯332.85 2.85 1.62810 4.64010/(.min)A A R C kmol l --==⨯⨯=⨯2.可逆一级液相反应PA −−←−→−，已知0,m kmol 5.0P030=⋅=-c c A ；当此反应在间歇反应器中进行，经过8min 后，A 的转化率为33.3%，而平衡转化率是66.7%，求此反应的动力学方程式。
解：()()x c k x c k txc t c x c c x c c c c k c k c k c k tc r A02A01A0A A0P A0A A A02A 1P 2A 1AA 1d d d d )1(d d --==-=-=--=-=-=-⎩⎨⎧=====+-+-=xx t t x t txk k k xx k k k tx,0,0d )(d )(d d 2112118333.022667.01667.01)1()(ln 121e e e 0A e 0A Ae Pe 21121121=====-=-=-====+-+-t x k k K x x x c x c c c k k K t k xk k k k k ()PA A A 1211212121212102888.005776.0d d min02888.0min 05776.02/08664.086931.05.0ln 18333.02111ln 1c c tcr k k k k k k k k k k k k -=-=-⎩⎨⎧==⎩⎨⎧==+=+=+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+--- 3.液相自催化反应的动力学方程A+P-P+P 速率表达式00()/(.) c 0.95/ c 0.05/AA A P A P dc r kc c mol l h mol L mol L dt -=-===，1h 后测得速率最大值，求反应速率常数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
相界面 气相主体
反 应 组分 A 气相主体 气膜
相界面
气膜
液膜 液相主体
(2)
反 应 组分 A
相界面
液膜
液相主体
z A R
图8-1 气液相反应过程
(3)液相中的化学反应A(resolve)+B(l) →R(g)
(4) (5) 产物R 产物R
石油化学工程系
液相主体
相界面
液膜 气膜
相界面
气相主体
weigang
D AL
d 2c A ( rA ) 2 dl
反应区
pAG pAI
cAI
cB cAL
l 0 c A c AI l L c A c AL
对于一级反应，方程有解析解: 定义：膜内转化系数，也称八田准数，
8-6 中速反应（反应在 液相主体内）
2 k L D AL
kDAL k AL
cAI
cB cAL
对于一级反应，方程有解析解:
8-7 快速反应（反应在 液相主体内）
2 k L D AL
kDAL k AL
z l
c AI sinh[ (1 z )] cA sinh( )
石油化学工程系
L
weigang
化学工程与工艺教研室
则：
dnA k AL Sc AI dt
由于这类反应过程内似于液相均相反应过程，通常选用间 歇反应器。 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang
8.2.3 慢反应过程
特点： 反应在液相主体内发生（液膜内的反应可忽略），液 膜内只发生A组分的扩散过程，因此与物理吸收相同， 如图8-5所示：
相界面
基础方程为：
反应区
d 2c A D AL ( rA ) 0 2 dl d 2 cB b DBL ( rA ) 0 2 dl a
A
单元体积
A
D AL S
dc A dl
δG
δL
单元体积
d dc A DAL S [c A ] dl dl
单元体积
单元体积
消耗的A量
累积的A量
(rA ) Sdl
dl
02图8-4单元体积 Nhomakorabea选定δV=Sdl dcA D ( r ) AL A 所以，物料衡算为： dl 2 2 dcB b 同理，B物质的物料衡算为：DBL 2 (rB ) (rA ) dl a
8.1-1 8.1-2
式中KAG为气相传质总系数。
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
若液相中存在化学反应，则导致液膜较纯物理 过程的液膜变薄，如图8-3所示： 则气膜中： 液膜中：
' k AL
δG
δL
dn A k AG S ( p AG p AI ) dt
则：
dnA ' k AG S ( p AG p AI ) k AL S (c AI c AL ) k AL S (c AI c AL ) dt 1 S ( p AG HcAL ) 1 H k AG k AL 1 k AG H k AL
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
8.2.5 快速反应过程
特点： 反应仅发生在液膜区，A组分在膜内全部转化掉，液 相主体中，cAL=0。如图8-7所示：
相界面 反应区
基础方程为：
D AL
d cA ( rA ) 2 dl
2
pAG pAI
边界条件为:
l 0 c A c AI l L cA 0
dn AL k AL S (c AI c AL ) dt
dn AG dn AL dt dt
过程在定态下操作时：
组分A与B在液相中进行化学反应：
其动力学方程式为： r
石油化学工程系
aA bB rR
rA rB a b
weigang
化学工程与工艺教研室
气液反应过程的基础方程： 在液膜内取一厚度为dl，与传质方向垂直的面积为S的体积 作为单元体积，在该单元体积中作物料衡算：
边界条件为:
pAG
cBL
pAI
cA
8-5 慢速反应（反应在 液膜和液相主体内）
l 0 c A c AI l L c A c AI
p AI H
dcB 0 dl c B c BL
化学工程与工艺教研室 weigang
石油化学工程系
解方程
d 2c A 0 2 dl
dcA M c A M L N dl 式中M、N是边界常数，用边值条 件代入得： N c AI M c AL c AI
化学工程与工艺教研室
8.1-4
weigang
石油化学工程系
8.2 气液反应动力学
8.2.1 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：
c AI sinh[ (1 z )] c AL cosh( z ) cA sinh( )
石油化学工程系
z
l
L
weigang
化学工程与工艺教研室
则：
dnA k AL S (c AI c AL ) dt c (c AI AL ) cosh tan h (c AI c AL )
1
a k BL c BL b k AL c AI
如果反应面迁移到相界面
则： dnA k AG Sp AG dt
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
第三节
气液反应器
3.1 工业上常用的气液反应器
图 气液反应器的主要类型（a）填料塔 （b）喷淋塔 （c） 板式塔 （d）鼓泡塔 (e) 搅拌反应器 （f）管式反应器 石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang
石油化学工程系 化学工程与工艺教研室 weigang
三 鼓泡塔式反应器的计算 ⑴半连续操作的鼓泡塔式反应器 定义：液体一次加入，气体连续通入反应器底部， 以气泡形式通过床层，最后从顶部逸出，直到 液相中组成达到要求时停止送气且将液体作为 成品排出反应器 简化的物理模型：①气相在反应器内流动为平 推流，气体分压随高度呈线性变化 ②液相在塔内为全混流，在操作过程中液体的物 性参数是不变的 本节讨论中速反应和慢反应过程： 如右图所示对体积单元做物料衡算 联解以上方程可得气体出口组成
化学反应工程
化学工程及工艺教研室 魏刚
第八章 气液相反应器
Lanzhou Petrochemical Vocation College of Technology
8 气液相反应过程与反应器
8.1 概述 8.2 气液反应动力学 8.3 气液反应器
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
上述微分方程有两个边值条件：
p AI dc B 其一为： l 0; c A c AI ; 0 K dl
另一个将根据不同的情况有不同的值，大体可分为以下六种。
相界面（反应面） δG δL 相界面 相界面
cB
pAG
δG
δL 反应面
pAG cB pAI c
8.1 概述
1、气液相反应过程
扩散
气相 液相
反应
2、气液相反应过程的工业应用
（1）制取
化工产品 如：C2H4和O2通入PdCl2-CuCl2 的醋酸水溶液生产乙醛等。
有害组分 CO2等。 有用组分 如：合成氨生产中除去H2S、
（2）除去
（3）回收
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
8.1.1 气液反应的步骤
边界条件为: l R l L
c B Pl Q 式 中P、Q是 边 界 常 数 ， 用 边 值 件 条代 入 得 ： c BL c BL P ,Q L R ( L R ) R
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
对于
aA bB rR rA rB a b
G
, k AL
DAL
L
weigang
则：
dnA k AG S ( p AG p AI ) k AL S (c AI c AL ) dt S ( p AG p AI ) S (c AI c AL ) 1 1 k AG k AL 1 1 k AG K AG H k AG 1 k AG S ( p AG Hc AL ) K AG S ( p AG Hc AL ) H k AG
tan h
石油化学工程系
化学工程与工艺教研室
weigang
8.2.6 瞬时反应过程
特点： A与B反应进行的极快，以致液相中A、B不能共存。 如图8-8所示：
相界面
基础方程为：
0 l R
D AL
d 2c A 0 2 dl
pAG
δG
δL 反应面
pAI
cAI
δR
cB
边界条件为: l 0 c A c AI l L cA 0
二 填料式反应器的计算 （1）反应器的特点 ①液体在填料表面呈液膜状向下流动，主体相的量很少
②气液相的接触面积为填料的表面 ③气液相的传质过程可按双膜模型计算 （2）反应器的应用：适用于瞬间反应过程及快反应过程