气液相反应过程与反应器
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气液反应过程及反应器
量较少旳反应设备 连串副反应：返混较少旳反应器，或半间歇
（3）有利于降低能量消耗 反应热旳回收，压力能旳回收，分散液体所需要旳动力。
（4）有利于反应温度旳控制 降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难
（5）应能在较少流体流率下操作 填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。
32
气液反应器旳型式和特点
本征动力学方程
(rA )
1 V
dnA dt
kcALcBbL
气液反应旳宏观速率：
(R A )
1 VL
dnA dt
因为气液相反应依托界面传质，因而受单位体积液相具有旳界面积影响。
定义：α --- 单位气液混合物容积中旳相界面积。 m2/m3
fL ---- 气液两相旳液含量。fL
V VL
(RA )
1 VL
ALC
b BL
29
8.4 气液相反应器
工业生产对气液反应器旳要求： （1）较高旳生产强度 （2）有利于反应选择性旳提升 （3）有利于降低能量消耗 （4）有利于反应温度旳控制 （5）应能在较少流体流率下操作
30
（1）较高旳生产强度
（a)气膜控制情况 气相容积传质系数大旳反应器： 液体高度分散； 气体高速湍动。 可选用喷射、文氏等反应器
1924年由Lewis和Whitman提出。 基本论点： （1）气液界面旳两侧分别有一呈层流流 动旳气膜和液膜，膜旳厚度随流动状态 而变化。 （2）组分在气膜和液膜内以分子扩散形 式传质，服从菲克定律。 （3）经过气膜传递到相界面旳溶质组分 瞬间溶于液相且到达平衡，符合亨利定 律，相界面上不存在传质阻力。 （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，各膜内旳阻力能够串联相加。
（3）有利于降低能量消耗 反应热旳回收，压力能旳回收，分散液体所需要旳动力。
（4）有利于反应温度旳控制 降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难
（5）应能在较少流体流率下操作 填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。
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气液反应器旳型式和特点
本征动力学方程
(rA )
1 V
dnA dt
kcALcBbL
气液反应旳宏观速率：
(R A )
1 VL
dnA dt
因为气液相反应依托界面传质，因而受单位体积液相具有旳界面积影响。
定义：α --- 单位气液混合物容积中旳相界面积。 m2/m3
fL ---- 气液两相旳液含量。fL
V VL
(RA )
1 VL
ALC
b BL
29
8.4 气液相反应器
工业生产对气液反应器旳要求： （1）较高旳生产强度 （2）有利于反应选择性旳提升 （3）有利于降低能量消耗 （4）有利于反应温度旳控制 （5）应能在较少流体流率下操作
30
（1）较高旳生产强度
（a)气膜控制情况 气相容积传质系数大旳反应器： 液体高度分散； 气体高速湍动。 可选用喷射、文氏等反应器
1924年由Lewis和Whitman提出。 基本论点： （1）气液界面旳两侧分别有一呈层流流 动旳气膜和液膜，膜旳厚度随流动状态 而变化。 （2）组分在气膜和液膜内以分子扩散形 式传质，服从菲克定律。 （3）经过气膜传递到相界面旳溶质组分 瞬间溶于液相且到达平衡，符合亨利定 律，相界面上不存在传质阻力。 （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，各膜内旳阻力能够串联相加。
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，
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
化学反应工程-24-第七章-气液相反应过程
或采用以下关联式：
3 0.484 0.339 d b g Sh = 2.0 + 0.0187 Re P Sc L 23 DL
1
0.072
1.61
②湍动区 若床层内的气泡直径db为已知时，则有如下关联式：
DL µ L u t k L = 0.321 d b (µ L − µ G )
−2
− Re 0 0.05
式中：dVS：气泡直径（m）；d0：小孔直径（m）；u0：小孔 d u ρ Re 0 = 0 0 G 气速（m/s）； µG 由上式可见在高气速时，气速对气泡直径影响很小。
秋田等提出用鼓泡床床径作关联，得经验式如下：
d VS − 0.50 − 0.12 u 0 G = 26 Bo Ga gD D 2 式中： = gD ρ L ，称为朋特（Bond）准数； Bo σ
d VS
6ε G = a
a
=
n
π
6
3 d VS
2 nπd VS
由于气泡之间的相互影响，dVS的大小仍只能依靠实验。 对空气—水系统，经验式如下：
200 < Re 0 < 2100， d VS = 0.29 × 10 d 0 Re 0 3
2 −1 1 1
d Re 0 > 10000 ， VS = 0.71 × 10
1 2 1 2
式中：db为球形气泡直径；CD为曳力系数，是气泡雷诺数的函数，一 般实验结果为C D = 0.68 − 0.773
−3 3 （r 当 0.7 × 10 m < re < 3 × 10 m e为与气泡体积相同的球体半径）时，
气泡不再是球形，尾涡后的旋涡使浮升阻力增加，此时：
3 0.484 0.339 d b g Sh = 2.0 + 0.0187 Re P Sc L 23 DL
1
0.072
1.61
②湍动区 若床层内的气泡直径db为已知时，则有如下关联式：
DL µ L u t k L = 0.321 d b (µ L − µ G )
−2
− Re 0 0.05
式中：dVS：气泡直径（m）；d0：小孔直径（m）；u0：小孔 d u ρ Re 0 = 0 0 G 气速（m/s）； µG 由上式可见在高气速时，气速对气泡直径影响很小。
秋田等提出用鼓泡床床径作关联，得经验式如下：
d VS − 0.50 − 0.12 u 0 G = 26 Bo Ga gD D 2 式中： = gD ρ L ，称为朋特（Bond）准数； Bo σ
d VS
6ε G = a
a
=
n
π
6
3 d VS
2 nπd VS
由于气泡之间的相互影响，dVS的大小仍只能依靠实验。 对空气—水系统，经验式如下：
200 < Re 0 < 2100， d VS = 0.29 × 10 d 0 Re 0 3
2 −1 1 1
d Re 0 > 10000 ， VS = 0.71 × 10
1 2 1 2
式中：db为球形气泡直径；CD为曳力系数，是气泡雷诺数的函数，一 般实验结果为C D = 0.68 − 0.773
−3 3 （r 当 0.7 × 10 m < re < 3 × 10 m e为与气泡体积相同的球体半径）时，
气泡不再是球形，尾涡后的旋涡使浮升阻力增加，此时：
化学反应过程与设备
气液相反应与化学吸收的特点： 气液相反应与化学吸收，既有相同点，又有不同之处
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
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
• γ决定了反应是快是慢，是否存在反应面， 反应在何处进行。 • 判据： • γ>2属于瞬间反应或快反应过程；宜选用 停留时间短的反应器，如填料塔。 • 0.02< γ<2为中速反应；反应大量在液相 主体进行，宜选用持液量大的反应器， 如鼓泡塔。 • γ<0.02属于慢反应。
8.3 气液反应器
型气 ，液 常反 见应 的器 有有 ：许 多 类
• 解之，得：
cBL cBL R cBL cB l ＝ － l－ R L－ R R－ L L R
• 反应面的位置： dc A A dcB DLA DLB dl B dl c Ai A cBL DLB R B L－ R DLA A R DLB c Ai cBL B L－ R DLA
• • • • •
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。 • 填料高度的最直接影响因素为摩尔流量、 总压、填料比表面及出入口浓度差。 • 与物理吸收的差别仅在于。如果=1， 相当于用大量的液体吸收气相中的A。
cBi不一定为0，与 中速反应的区别 在于cAL为0，即 在液相主体中没 有A。
pA
pAi cBL cAi
δG
δL
• 瞬时反应过程 • A与B之间的 反应进行得极 快，以致于A 与B不能在液 相中共存。在 液膜区存在一 个反应面，此 面上AB的浓 度均为0。
反应面 δR cBL pAi cAi
pA
• 鼓泡塔式反应器的计算 • 液相是连续相，气相是分散相。 • 鼓泡塔反应器的操作分两种，连续与半 连续。 • 所谓半连续是指液体一次加入，达到反 应要求后一次排出，而气相连续通过。 • 半连续鼓泡塔计算，假定： • 气相流动为平推流，气体分压随高度呈 线性变化。 • 液相在塔内为理想混合，物性参数不变。
气液相反应器
鼓泡式反应器的优点及缺点
鼓泡式反应器结构简单，造价低、 易控制、易修理、防腐问题容易解决。 但鼓泡塔内液体的返混程度大，气泡 易产生聚并，反应效率低。
二、鼓泡管反应器
鼓泡管反应器，它是由管接头依次连接的许多垂直 管组成，在第一根管下端装有气液混合器，最后一根管与 气体分离器相连接。这种反应器中，既有向上运动的气液 混合物，又有下降的气液混合物，而下降的物流的流型变 化有其独特的规律，下降管的直径较小，在其鼓泡流动时， 气泡沿管截面的分布较均匀，但当气流速度较小时，反应 器中某根管子会出现环状流，从而造成气流波动，引起总 阻力显著增加，会使设备操作引起波动而处于不稳定状态， 因此气体空塔流速不应过小，一般控制在大于0.4m/s.
气液相反应器
项目一 气液相反应器的结构
一、鼓泡塔反应器
气体以鼓泡形式通过催化剂液层进行化学反应的塔 式反应器，称作鼓泡式反应器，简称鼓泡塔。 式反应器，称作鼓泡式反应器，简称鼓泡塔。 应用最广泛的时简单鼓泡塔反应器，其基本原理结 应用最广泛的时简单鼓泡塔反应器， 构式内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器，壳外 构式内盛液体的空心圆筒，底部装有气体分布器， 装有夹套或其他型式换热器或设有扩大断、液滴捕集器 装有夹套或其他型式换热器或设有扩大断、 等。
• 搅拌釜式气液相反应器的优点是： 搅拌釜式气液相反应器的优点是： • 气体分散良好，气液相界大，强化了传质、
传热过程，并能使非均相液体均稳定。
• 主要缺点是： 主要缺点是： • 搅拌器的密封较难解决，在处理腐蚀性介质
及加压操作时，应采用封闭式电动传动设备。达 到相同转化率时，所需要反映体积较大
鼓泡管反应器的最大优点： 鼓泡管反应器的最大优点：
是生产过程中反应温度易于控制 和调节。由于反应管内流体的流动属 于理想置换模型，故达到一定转化率 时所需要的反应体积较小，对要求避 免反混的生产体系更是十分有利。
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气液两相间存在 着稳定的相界面， 界面两侧分别存 在滞留膜，组份 通过在滞留膜中 稳定的分子扩散 进行传质，传质 阻力完全存在于 滞留膜中。
• 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
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL )S
kLA (cAi
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。
• 气液反应的步骤：
• 气液相反应－－反应物和产物至少有一 个存在于液相中，其中典型的是气体的 反应吸收。
• 更具有普遍意义：A(g)+B(l)=C(g) • 其宏观反应历程为： • 1 A从气相主体向气液界面扩散； • 2 A在气液界面处溶解于液相； • 3 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l0
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
th cAi cAL
• β恒大于1。
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
cBi不一定为0，与 中速反应的区别 pA
在于cAL为0，即 在液相主体中没
有A。
pAi cBL
cAi
δG
δL
• 瞬时反应过程
反应面
• A与B之间的 反应进行得极 pA 快，以致于A 与B不能在液 相中共存。在 液膜区存在一
cAL )S
根据亨利定律，
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
DGA
G
kGA
DLA
L
kLA
dnA dt
1
1
HA
pA
H AcAL S
1
1
1
pA HA
cAL S
kGA kLA
H AkGA kLA
• 因此可以写成：
dnA dt
KGA ( pA H AcAL )S
δL
•中速反应 •反应在液相主体与液膜中同时进行：
•令
k L2 kDLA
DLA
kLA
前有kLA
DLA
L
: 膜内转换系数八田数
• 方程转变为：
d 2cA dz 2
2cA
z 0, cA cAi z 1, cA cAL
此方程的解为：
cA
cAish
1 z cALshz sh
• 继续推导：
δR
cBL pAi cAi
个反应面，此 面上AB的浓 度均为0。
δG
δL
• 反应面左侧，只有A，没有B，因此，在 此区域，为纯物理扩散。
d2cA dl 2
0
l 0, cA cAi
l R ,cA 0
cA
cAi
R
l
cAi
• 反应面右侧，只有B，没有A，因此，在 此区域，亦为纯物理扩散。
d 2cB dl 2
0
l R , cB 0 l L , cB cBL
• 解之，得：
cA
cAi
R
l
cAi
cB
cBL
L－ R
l
cBL R R－ L
＝
cBL
L－
R
l－ R
• 反应面的位置：
DLA
dcA dl
A B
DLB
dcB dl
cAi
R
A B
cBL
L－ R
DLB DLA
cAi
A B
R L－ R
K LA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA KGA kGA kLA
1 1 1 KLA H AkGA kLA
K
GA和K
分别是以气相和液相表示的
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
•
L
变为
' L
。
• 注意液膜是流体
力学特性，而变
薄的液膜就不单
k
'LA
(
pA HA
cAL )S
kLA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA
KGA kGA kLA
1 1 1
KLA H AkGA kLA
K
GA和K
分别是以气相和液相表示的总括
LA
传质系数。与物理吸收过程相比，仅相差
一个化学增强因子。
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）：
•
d 2cA
凹。dl 2
0
kL2
曲线下
pA
•
DLA 八田数决
定了β ,γ0, β 1
(γ0，ch γ 1, γ/
th γ
1)
cAi
cAL
ch
th
cAi
cAL
dl
cB pAi cAi
cA
δG
δL
• 快速反应
• 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。
散的同时与液相中的B发生反应；
• 4 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界 面；
• 5 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。
物理吸收过程的 双膜理论模型
•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 pA 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。
cB pAi cAi
cA
δG
DLA
d2cA dl 2
rA
DLB
d2cB dl 2
B A
rA
• 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。
DBL
L－ R
DLB DLA
纯是流体力学的
概念了。
δ'L
pAi cAi
δG
cA δL
•
则： dnA
dt
kGAS pA pAi
pAi H AcAi
dnA dt
k 'LA
S cAi
cAL
k 'LA
DLA
'L
DLA
L
L 'L
kLA
L 'L
L : 化学增强因子 'L
dnA dt
kGA ( pA
H AcAL )S
• 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
dnA dt
DLA
L
(cAi
cAL )S
kLA (cAi
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。
• 气液反应的步骤：
• 气液相反应－－反应物和产物至少有一 个存在于液相中，其中典型的是气体的 反应吸收。
• 更具有普遍意义：A(g)+B(l)=C(g) • 其宏观反应历程为： • 1 A从气相主体向气液界面扩散； • 2 A在气液界面处溶解于液相； • 3 溶解于液相的A向液相内部扩散，在扩
dcA dz
cAich 1 z cALchz sh
dnA dt
DLA
S
dcA dl
l0
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
th cAi cAL
• β恒大于1。
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
cBi不一定为0，与 中速反应的区别 pA
在于cAL为0，即 在液相主体中没
有A。
pAi cBL
cAi
δG
δL
• 瞬时反应过程
反应面
• A与B之间的 反应进行得极 pA 快，以致于A 与B不能在液 相中共存。在 液膜区存在一
cAL )S
根据亨利定律，
pAi H AcAi ‘相界面处达到平衡’ 由以上两式可以推得：
DGA
G
kGA
DLA
L
kLA
dnA dt
1
1
HA
pA
H AcAL S
1
1
1
pA HA
cAL S
kGA kLA
H AkGA kLA
• 因此可以写成：
dnA dt
KGA ( pA H AcAL )S
δL
•中速反应 •反应在液相主体与液膜中同时进行：
•令
k L2 kDLA
DLA
kLA
前有kLA
DLA
L
: 膜内转换系数八田数
• 方程转变为：
d 2cA dz 2
2cA
z 0, cA cAi z 1, cA cAL
此方程的解为：
cA
cAish
1 z cALshz sh
• 继续推导：
δR
cBL pAi cAi
个反应面，此 面上AB的浓 度均为0。
δG
δL
• 反应面左侧，只有A，没有B，因此，在 此区域，为纯物理扩散。
d2cA dl 2
0
l 0, cA cAi
l R ,cA 0
cA
cAi
R
l
cAi
• 反应面右侧，只有B，没有A，因此，在 此区域，亦为纯物理扩散。
d 2cB dl 2
0
l R , cB 0 l L , cB cBL
• 解之，得：
cA
cAi
R
l
cAi
cB
cBL
L－ R
l
cBL R R－ L
＝
cBL
L－
R
l－ R
• 反应面的位置：
DLA
dcA dl
A B
DLB
dcB dl
cAi
R
A B
cBL
L－ R
DLB DLA
cAi
A B
R L－ R
K LA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA KGA kGA kLA
1 1 1 KLA H AkGA kLA
K
GA和K
分别是以气相和液相表示的
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
•
L
变为
' L
。
• 注意液膜是流体
力学特性，而变
薄的液膜就不单
k
'LA
(
pA HA
cAL )S
kLA
(
pA HA
cAL )S
1 1 HA
KGA kGA kLA
1 1 1
KLA H AkGA kLA
K
GA和K
分别是以气相和液相表示的总括
LA
传质系数。与物理吸收过程相比，仅相差
一个化学增强因子。
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）：
•
d 2cA
凹。dl 2
0
kL2
曲线下
pA
•
DLA 八田数决
定了β ,γ0, β 1
(γ0，ch γ 1, γ/
th γ
1)
cAi
cAL
ch
th
cAi
cAL
dl
cB pAi cAi
cA
δG
δL
• 快速反应
• 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。
散的同时与液相中的B发生反应；
• 4 液相中的产物C透过液膜扩散到气液界 面；
• 5 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。
物理吸收过程的 双膜理论模型
•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 pA 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。
cB pAi cAi
cA
δG
DLA
d2cA dl 2
rA
DLB
d2cB dl 2
B A
rA
• 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。
DBL
L－ R
DLB DLA
纯是流体力学的
概念了。
δ'L
pAi cAi
δG
cA δL
•
则： dnA
dt
kGAS pA pAi
pAi H AcAi
dnA dt
k 'LA
S cAi
cAL
k 'LA
DLA
'L
DLA
L
L 'L
kLA
L 'L
L : 化学增强因子 'L
dnA dt
kGA ( pA
H AcAL )S