1、第四章第四章 气液相反应技术气液相反应技术n知识目标知识目标 了解气液相反应器的结构、特点和应用范围了解气液相反应器的结构、特点和应用范围 理解气液相反应的动力学过程理解气液相反应的动力学过程 掌握鼓泡塔的传递特性及其特性参数掌握鼓泡塔的传递特性及其特性参数 掌握鼓泡塔的工艺计算掌握鼓泡塔的工艺计算n能力目标能力目标 能应用过程动力学来确定气液相反应器的类型能应用过程动力学来确定气液相反应器的类型 能根据生产任务进行鼓泡塔的设计计算能根据生产任务进行鼓泡塔的设计计算 能进行典型气液相反应器的生产过程控制能进行典型气液相反应器的生产过程控制第一节第一节 气液相反应器的特点及结构气液相反应器的特点
2、及结构n一、气液相反应器的特点及工业应用一、气液相反应器的特点及工业应用n二、气液相反应器的结构二、气液相反应器的结构气液相反应器的结构气液相反应器的结构n（一）鼓泡塔反应器（一）鼓泡塔反应器n（二）鼓泡管反应器（二）鼓泡管反应器n（三）搅拌釜式反应器（三）搅拌釜式反应器n（四）膜式反应器（四）膜式反应器鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器鼓泡管反应器鼓泡管反应器搅拌釜式反应器搅拌釜式反应器膜式反应器膜式反应器主要型式气液相反应器的特性及应用范围主要型式气液相反应器的特性及应用范围液相体积分率型式相界面积相界面积液相体积气液比mol应用范围液相体积m2/m3反应器体积m2/m3液膜体积喷雾塔填料塔1200
3、1200601000.050.08210101001911.5极快反应和快速反应，气相浓度低，气液比大，为了提高液相利用率要求增加膜体积板式塔鼓泡搅拌釜10002001502000.150.90401001508005.670.111中速反应和慢速反应，也适用于气相浓度高，气液比小的快速反应鼓泡塔20200.9840001040.0204极慢反应，也可用于中速反应第二节第二节 气液相反应器的生产原理气液相反应器的生产原理n一、双膜理论一、双膜理论n二、宏观动力学方程式的建立二、宏观动力学方程式的建立 n三、测定液相反应速度的方法三、测定液相反应速度的方法n四、反应器型式的选择四、反应器型式的选
4、择 一、双膜理论一、双膜理论双膜理论基本点：双膜理论基本点：n在气液相界面两侧，各有一定厚度的气膜和液膜，气膜和液膜内的物质传递方式是分子扩散；n扩散阻力全部集中在气膜、液膜内，而在气液相主体中物质传递方式是湍流扩散，不存在浓度梯度；n相界面的传质阻力可以忽略，气液达平衡，且服从亨利定律。组分组分A的扩散速率的扩散速率 n总传质系数与膜传质系数的关系为总传质系数与膜传质系数的关系为 AL*AALALAiALALAiLALACCKCCkCCZDNALAAGAGkHk1K1 ALAGAALk1kH1K1二、宏观动力学方程式的建立二、宏观动力学方程式的建立对于等温二级不可逆气液相反应（产物）液气Rb
5、BA要实现这样的反应，需经历以下步骤：1气相反应物A由气相主体扩散到相界面，在界面上假定达到气液相平衡；2气相反应物A从气液相界面扩散入液相主体，并在液相内进行化学反应；3在液相主体内，液相产物沿浓度梯度下降方向扩散，气相产物则由液相主体扩散到相界面，再扩散到气相主体。注：液相反应物B或催化剂不能挥发进入气相，只在液相中与A进行化学反应。五种反应类型五种反应类型 n根据化学反应能力和扩散能力相对大小的不同，把上述气液相反应过程分为n极快反应n快速反应n中速反应n慢速反应n极慢反应1.极快反应n此时化学反应能力远远大于扩散能力，化学反应瞬间完成，液相中A、B不能同时存在，化学反应仅在液膜内某个反
6、应面上发生，与界面大小有关，和液体体积无关，此时，宏观速度取决于扩散速度，称扩散控制过程。极快反应的两种情况极快反应的两种情况2.快速反应快速反应 n化学反应能力低于极快反应，但仍比传质能力强，传质和反应均影响宏观速度，反应仍仅发生于液膜内。但由一个反应面伸展为反应区，反应区内A、B同时存在，反应区外的液面中，A、B不能同时存在。生产能力和界面大小及液膜体积有关，与液体总量无关，当极高时，反应区由相界面开始延伸到液膜内某个面为止。若假设在液膜内基本不变，二级反应可简化为拟一级反应。快速反应的两种情况快速反应的两种情况3.中速反应中速反应 n化学反应能力和扩散能力基本相等，化学反应在整个液膜内进
7、行。未反应部分A扩散进液相中体，在液相主体中继续反应。生产能力不仅与相界面大小有关，还与液体体积有关。当足够高时，二级反应可简化为拟一级反应。中速反应的两种情况中速反应的两种情况4.慢速反应慢速反应n化学反应能力比扩散能力低，化学反应主要在液相主体中进行，此时为动力学控制。慢速反应慢速反应5.极慢反应n化学反应能力远远小于传质能力，扩散阻力可忽略不计。组分A和B浓度在整个液相中很均匀，反应发生在整个液相，过程为动力学控制，总速度等于化学反应速度，相当于液相均相反应。极慢反应极慢反应三、测定液相反应速度的方法三、测定液相反应速度的方法n在实验室常用的反应器为半间歇操作或连续操作的釜式反应器，在半
8、间歇釜式反应器内要求反应温度一定，气体流量一定，液相体积保持不变，分析不同反应时间下的气相进、出口的组成或从釜内液相取样分析。在连续釜式反应器内一般认为液相为全混流，釜内液相浓度等于出料液浓度，改变液相流量，就是改变平均停留时间。四、反应器型式的选择四、反应器型式的选择型式应用范围喷雾塔填料塔极快反应和快速反应，气相浓度低，气液比大，为了提高液相利用率要求增加膜体积板式塔鼓泡搅拌釜中速反应和慢速反应，也适用于气相浓度高，气液比小的快速反应鼓泡塔极慢反应，也可用于中速反应第三节第三节 鼓泡塔反应器鼓泡塔反应器n一、鼓泡塔流体力学一、鼓泡塔流体力学n（一）气泡尺寸（一）气泡尺寸n（二）鼓泡塔的气体
9、压力降（二）鼓泡塔的气体压力降Pn（三）气泡上升速度三）气泡上升速度n（四）含气率（四）含气率n（五）比相界面（五）比相界面（一）气泡尺寸（一）气泡尺寸n1当量比表面平均直径n2体积平均直径n3几何平均直径dg（二）鼓泡塔的气体压力降（二）鼓泡塔的气体压力降P 鼓泡塔的气体压力降P由气体分布器阻力和床层静压头的阻力两部分组成。gH2uC1dG202H -充气液层高度，m。2C0ud式中 小孔阻力系数约0.8；小孔气速，m/s；鼓泡层密度kg/m3；（三）气泡上升速度（三）气泡上升速度n（1）单个气泡自由浮升速度n（2）气泡真实上升速度 n（3）气泡群的滑动速度（四）含气率（四）含气率n单位体积
10、鼓泡床（充气层）内气体所占体积分数。n静态含气率：液体不流动时的含气率；n动态含气率：液体连续流动时的含气率。HHHG00H式中 H0充气液层高度，m；H静液层高度，m；G含气率。（五）比相界面（五）比相界面SVGd6单位气液混合鼓泡床层体积内所具有的气泡表面积。可以通过气泡平均直径dvs和含气率计算，即单位：m2/m3 二、鼓泡塔的传质和传热二、鼓泡塔的传质和传热n（一）鼓泡塔的传质（一）鼓泡塔的传质n（二）鼓泡塔的传热（二）鼓泡塔的传热 三、鼓泡塔的设计计算三、鼓泡塔的设计计算n（一）反应器体积（一）反应器体积n（二）反应器直径和高的确定（二）反应器直径和高的确定（一）反应器体积（一）反应
11、器体积n鼓泡塔体积包括以下几部分：n充气液层体积（静液层体积和充气液层中气体所占体积之和）；n充气液层上部（塔顶）除沫分离空间体积；n反应器顶盖死区体积，如果反应器内设有隔板、换热器或填料，计算时还要考虑隔板、换热器或固体填料所占的体积。1.充气液层体积充气液层体积n充气液层体积是反应器在操作中所必须保证的气泡和液体混合物的体积。GLGLR1VVVVHD42式中 LV液相体积，m3；GV充气液层中气体体积，m3；RV充气液层体积，m3。2.分离空间体积分离空间体积n分离空间的作用是除去上升气体所夹带的液滴，而液滴与气体的分离靠自重沉降实现。分离空间的体积为E2EHD4V 式中 EV分离空间体积
12、；EH分离空间高度 3.顶盖死区体积顶盖死区体积12DV3C0.10.2对于球形顶盖，形状系数 对于21椭圆顶盖，（二）反应器直径和高的确定（二）反应器直径和高的确定 n因为n所以n式中 G0GuV0.0188D 2GtGG0D785.0VAVuVG气体体积流量，m3/h；At反应器横截面积，m2；第四节第四节 气液相反应器的生产实例气液相反应器的生产实例（以乙醛催化自氧化生产醋酸的工艺为例，介绍气、液相反应器的日常运行和操作要点。）n一、反应器的结构一、反应器的结构n二、工艺流程二、工艺流程n三、操作参数三、操作参数n1反应温度反应温度n2反应压力反应压力n3氧化气空速氧化气空速 n四、技术
13、经济指标四、技术经济指标技能训练技能训练 气液相反应器的仿真操作气液相反应器的仿真操作n训练目标训练目标 乙醛氧化制醋酸乙醛氧化制醋酸(氧化工段)n训练准备训练准备 一一、生产方法及反应机理、生产方法及反应机理 CH3CHO+O2CH3COOOH CH3COOOH+CH3CHO2CH3COOH 二二、工艺流程简述工艺流程简述 氧化工段采用双塔串联氧化流程，乙醛氧化工段采用双塔串联氧化流程，乙醛和氧气经过第一、第二氧化塔反应后生成粗和氧气经过第一、第二氧化塔反应后生成粗醋酸，醋酸，粗醋酸进入蒸馏回收系统，制取成品粗醋酸进入蒸馏回收系统，制取成品醋酸醋酸。其中。其中蒸馏采用先脱高沸物，后脱低沸蒸馏
14、采用先脱高沸物，后脱低沸物的流程。物的流程。训练步骤训练步骤n拓展型训练：拓展型训练：事故处理事故处理拓展型训练：事故处理拓展型训练：事故处理序序 号号现现 象象原原 因因处处 理理一T101塔进醛流量计严重波动，液位波动，顶压突然上升，尾气含氧增加。T101进塔醛球罐中物料用完关小氧气阀及冷却水同时关掉进醛线及时切换球罐补加乙醛直至恢复反应正常。严重时可停车（采用）。二T102塔中含醛高，氧气吸收不好，易出现跑氧。催化剂循环时间过长。催化剂中混入高沸物，催化剂循环时间较长时，含量较低。补加新催化剂，更新。增加催化剂用量。三T101塔顶压力逐渐升高并报警，反应液出料及温度正常。尾气排放不畅，放
15、空调节阀失控或损坏。手控调节阀旁路降压，改换PIC109B调整。在保证塔项含氧量小于5X102的情况下，减少充N2，而后采取其它措施。四T102塔顶压力逐渐升高，反应液出料及温度正常，T101塔出料不畅。T102塔尾气排放不畅，T102塔放空调节阀失控或损坏。将T101塔出料改向E201出料。手控调节阀旁路降压。在保证塔顶含氧量小于5X102的情况下，减少充N2，而后采取其它措施。五T101塔内温度波动大，其它方面都正常冷却水阀调节失灵手动调节，并通知仪表检查。切换为TIC104B调节。六T101塔液面波动较大，无法自控循环泵引起球罐或N2压力引起。开另一台循环泵。七T101塔或T102塔尾气
16、含O2量超限氧醛进料配比失调，催化剂失活。调节好氧气和乙醛配比。分析催化剂含量并切换使用新催化剂。复习与思考复习与思考n1气液相反应的特点是什么？n2气液相反应器分为几种类型？其各自具有什么特点？n3如何选择气液相反应器？n4鼓泡塔中气泡的大小与哪些因素有关？工业生产中如何计算气泡直径？n5什么是含气率？影响因素有哪些？n6什么是比相界面？如何计算？n7鼓泡塔内的气体阻力有哪几部分构成？n8怎样增大鼓泡塔内气液相的接触表面积？n9鼓泡塔的传热方式有哪些？各自的特点是什么？n10如何根据经验法计算鼓泡塔的工艺尺寸？本章小结本章小结含气率、比相界面气 液 相 反 应 器 技 术气液相反应器结构、特点生产原理双膜理论假设条件扩散速率方程宏观动力学 Ha数极快、快速反应中速、慢速反应极 慢 反 应反应速度测定方法反应器的选择依据鼓泡塔反应器流体力学传质、传热设计计算气泡尺寸及上升速度气 体 压 降气液相反应器的生产案例乙醛氧化制醋酸反应器结构、流程体积计算直径、高的计算操作参数及技术指标
