1、第九章气液相反应过程与反应器 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。概述 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
2、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：ScHpkkHScHpkHktncHpkDScckSccDtnkDSppkSppDtniiiiiiALAALAGAAALAALAAGAAAAALALLAALALAALALLAAGAGGAAAGAAAGGAA11111dd)()(dd)()(dd由以上两式可以推得：相界面处达
3、到平衡根据亨利定律， 因此可以写成：总括传质系数。示的分别是以气相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAAGAA11111)()(ddKKkkHKkHkKScHpKScHpKtn 扩散物A在液膜中的化学反应，使液膜较物理过程的液膜变薄，由 变为 。 注意液膜是流体力学特性，而变薄的液膜就不单纯是流体力学的概念了。LLGLpApAicAcAiL 则：化学增强因子:ddddLLLLLALLLLALLALAALALAAAAAAAGAAkDDkccSktncHpppSktniiii一个化学增强因子。过程相比，仅相差传质系数。与物理吸收示的总括分别是以气相和液相表和LAGALA
4、GAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAA11111)()()(ddKKkkHKkHkKScHpkScHpkScHpktn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）： LBBBLAAAAAAAAALAALA,; 0dd, 0BCB,;, 0BC0ddddddddccllclcclHpccllSrllcclSDlcSDii ：，亦有方程：，亦有方程：同理，对液相反应物同理，对液相反应物：积累积累反应反应扩散离开扩散离开扩散进入扩散进入 A2A2LAddrlcD AAB2B2LBddrlcD 模型分析： 模型是以存在稳定的膜为前提
5、，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。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。GLpApAicBcAcAi中速反应反应在液相主体与液膜中同时进行：ALA2L2A2LA2A2LALAAAAAAA2A2LAdddd,;, 0BCddcDkzclzkclcDcclH
6、pcclrlcDii变为为无因次长度，原方程令对一级反应，： 令 方程转变为：八田数膜内转换系数前有:LLALALALALA2LDkkkDDk shsh1sh, 1, 0ddALAAAAAAA22A2zczcccczcczczciLi此方程的解为： 继续推导： ALAALAALAALAALALAALALLAALALLA0ALAAALAAchthchthchshchshchddddshch1chddccccccccccSkccSDccSDlcSDtnzczczciiiiiiili因此： 恒大于1。 曲线下凹。 八田数决定了 ,0, 1 (0，ch 1, / th 1)0dd2A2lcALAALA
7、chthcccciiLA2LDkGLpApAicBcAcAidl 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。th00ddALAAA2A2LA对一级反应，可得：，边界条件：clcclrlcDicBi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。GLpApAicBLcAi 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。GLpApAicBLcAi反应面R 反应面左侧，只有A，没有B，因此，在此区域，为纯物理扩散。 反应面右侧，只有B，没有A，因此，
8、在此区域，亦为纯物理扩散。iiclccclccllcARAiAARAA2A20, 00dd BLBLBR2B2,0,0ddcclcllc 解之，得： 反应面的位置： RRLBLLRRBLRLBLB lcclcc BLLALBRLRBAALALBRLBLBARABLBBAALAddddcDDcDDcclcDlcDiiiclccARAiA 代表了反应面的位置，代表了反应面的位置， =1，反应面在反应面在液膜位置上，液膜位置上， ，反应面与气液界面反应面与气液界面重合。重合。 iiiicckkccDDccDDDDccABLLALBBAABLLALBBAABLLALBBARLLALBRLBLBARA1
9、111 意味着B在液膜中的扩散远远大于A组份的扩散或B的浓度远大于A。 在反应面与气液界面重合的情况下，B组份在液相主体中的浓度称为在气相A分压下的临界浓度。若此时cBLcBL临，液相中将不再有A。ALBLALAGAABBL临AGAABBL临LLB00pDDkkcpkcD只要是瞬时反应过程，就存在反应面，而反应面的位置，取决于AB的浓度和扩散速率。反应面向相界面移动，刚好接触时的cBL即为cBL临。不仅液相主体没有A，而且连液膜内也没有A。GLpApAicBL临cBLcBLcAi 气液反应动力学小结 两个重要参数：化学增强因子和八田数。=f(，cAi,cAL), =f(k,DALL) 宏观反应
10、速率最终取决于反应物A的反应特性k，传递特性DAL和体系的流体力学特性L。 强化宏观反应速率需要提高k，DAL，减小L。 当然还与气相传递特性有关。 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： 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 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。 2时无有限解，说明当2时反应器的操作是不稳定的。 w222wwg2201, 0dd0expdd1ddexpdd1ddTTzzzzzzTTTREzzz即边界条件相应转变为： 径向最大允许温度差： 基于=2，解得=1.37，意为在稳定的前提下
11、， max=1.37，即：ETRTTETRTTTTTRE2wgw2wgw2wwg37. 137. 1即： 床层最大直径： 为单位床层体积内放出的热量，称放热强度。则：HRQBA1令：EQTRRTREQRTREkcfHTRERr2wgmaxr2wg2maxwg0ASBr2wg222exp1因此： 讨论： 1 由床层最大允许温差条件，壁温不能太低，否则允许温差太小。 2 由最大床层直径条件，放热强度增加，允许床层直径变小，但床层直径还受催化剂颗粒直径和反应器压降限制，不能过小，因此，在必要的情况下，有时对催化剂活性进行限制。反应器的热点和操作的安全性 反应器的轴向温度分布，对于放热反应，可能存在热
12、点。 由一维拟均相平推流模型： 如果反应放热与壁面传热相等，反应器轴向将没有温度变化。rgpBA4dd1TTdUlTucHRi 即dT/dl=0 如果放热量大于移热量，则dT/dl0，温度沿轴向升高，反之温度下降。 如果放热量急剧增大，而热量又不能迅如果放热量急剧增大，而热量又不能迅速移走时，将发生温度的失控，称飞温。速移走时，将发生温度的失控，称飞温。 飞温通常发生在： 1入口浓度急剧增高； 2入口温度急剧增高； 3冷剂流量变小； 4冷剂温度增高等。 飞温可能会造成严重事故催化剂烧结，飞温可能会造成严重事故催化剂烧结，燃烧，爆炸等。燃烧，爆炸等。 产生爆炸的原因： 1反应体积急剧膨胀造成压力猛增，超过设备能够承受的压力； 2局部超温，使设备强度下降，在正常操作压力下爆炸； 3超温造成设备应力增大； 4设备腐蚀造成局部强度下降等。 防止爆炸的措施： 1严格控制温度、压力、浓度等操作参数； 2超限报警，联锁停车，排放可燃物； 3安全阀，阻火器，防爆膜等。
