1、6.气液相反应和反应器6.气液相反应和反应器的分析气液相反应和反应器的分析n气液反应器是化工、石油化工，以及食品等工业中广泛使用的一类反应装置，主要包括：q通过气液反应以制取所需的产品。如烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧化氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛、乙醛氧化成乙酸等等。q通过气液反应净化气体，除去气体中不希望存在的组分，这样的过程也叫化学吸收。如氢氧化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化碳等。q某些气相复合反应，其目的产物的收率不高，通过改成气液反应过程使目的产物容易溶解到液相中，提高其收率。气气-液相反应过程及界面传递模型液相反应过程及界面传递模型n气液反应过程的特点气液反应过程的特点q 反应发
2、生前气液两相中的反应组分首先需要接触，气相反应组分通过气液界面传入液相，并与液相中的组分进行反应。q 描述反应过程总速率的宏观反应速率方程将是本征化学反应速率和气液传质速率的组合。气气-液相反应过程及界面传递模型液相反应过程及界面传递模型n气液相界面的传递模型气液相界面的传递模型q气液相间的物质传递对于气液反应过程速率有重要影响，这种相间传递过程通常可以用传质模型来描述。常见的传质模型有双膜模型、溶质渗透模型和表面更新模型。q 双膜模型双膜模型n双膜理论假定气液相界面两侧各存在一个静止的膜，即气膜和液膜，两相间的物质传递速率取决于通过气膜与液膜的分子扩散速率。n实际上，很多传质系统中不存在稳定
3、静止的膜。尽管双膜模型不能反映气液相间传质的真实情况，但该模型使用简单。气气-液相反应过程及界面传递模型液相反应过程及界面传递模型n气液相界面的传递模型气液相界面的传递模型q渗透模型渗透模型nHigbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借湍流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后在很短时间内又由界面向流体进行不稳态的分子扩散，位于界面的原来的旋涡又被其它旋涡取代，如此反复进行这一过程。n根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决于界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量，其数学表达式为气气-液相反应过程及界面传递模型液相反应过程及界面传递模型n气液相界面的传递模型气液相界面的
4、传递模型q 表面更新模型表面更新模型nDankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面单元暴露的时间不同，而质量传递的平均速率取决于各种年龄期的表面单元，平均吸收速率是将年龄期为 的表面分率乘以该表面的瞬时吸收速率，然后将所有表面单元的表达式相加得到。n虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够反映出气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时间 和表面更新分率均不易获得，而且在实际应用中会使过程的数学描述复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学描述简化，而计算结果的误差也是可以接受的。气气-液相反应过程及界面传递模型液相反应过程及界面传
5、递模型n常见传质模型的比较气液反应基本方程气液反应基本方程n气液反应过程是传质与化学反应同时进行的过程。气相反应物从气相通过气液相界面向液相中传递，在液相中与液相反应物进行反应。在液相中反应组分的传递和化学反应同时进行，是一个并联过程。为了方便起见，采用双膜模型来处理问题。n气液反应过程的基础方程气液反应过程的基础方程q根据双膜模型，组分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。这里假设液相组分不挥发，所以不存在组分从相界面向气相扩散的问题。如果气相为纯组分，则气膜不存在。气液
6、反应基本方程气液反应基本方程气液反应基本方程气液反应基本方程n气液反应过程的基础方程气液反应过程的基础方程q为了确定液膜内组分和的浓度分布，在液膜内离相界面 处，取一厚度为dz的微元体。q当过程达到定常状态时，单位时间内组分扩散进入该微元体和从该微无体扩散出来的摩尔数的差值，应等于其中反应消耗的组分的摩尔数，即dz)r(dzdzcddzdcDdzdcDA2A2AAAA气液反应基本方程气液反应基本方程n气液反应过程的基础方程气液反应过程的基础方程)aV(ckcdzdcaDcc zdzdc cc z ckc)r(dzcdDBckc)r(dzcdD AlBlAAA BlBlBAiABABABBBBA
7、AAA002222边值条件：组分：对组分：对气液反应基本方程气液反应基本方程n在液相中，反应速率的大小与选用的吸收剂有关，主要有以下几种情况：（1）化学反应可忽略的过程：被吸收组分与吸收剂的活性组分间的反应速率足够缓慢而可忽略时，吸收过程可作为物理吸收来处理。（2）缓慢化学反应：反应在液流主体进行。（3）快反应：反应在液膜中进行完毕。（4）瞬间反应：反应在气液界面或液膜中某一平面上完成。气液反应基本方程气液反应基本方程n不可逆飞速反应不可逆飞速反应ALAGABBlAlBlAAiAAkkHcDDHpN)r(1气液反应基本方程气液反应基本方程n慢速反应n中速反应q中速反应不能像快速反应和慢速反应那
8、样可以只用传质速率方程或动力学速率方程来表示气液反应的宏观动力学速率方程BLALALAckcdtdnV)r(1气液反应器气液反应器n 气液反应器的主要类型气液反应器的主要类型q填料塔，也叫填充床反应器n广泛用于拌有化学反应的气体吸收或净化过程。q喷雾塔n液体通过该塔系将液体分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相。n喷雾塔反应器适用于受气膜控制的瞬间快速反应过程,特别是有固体产物生成的情况。n这种设备的结构简单，关键部件是塔顶的液相喷头，但应用范围非常有限。q板式塔n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。n存液量较填料塔多。n板式塔反应器的气液传质系
9、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气液反应器气液反应器q鼓泡塔n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。n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。n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。n如在鼓泡塔反应器中装入填料，即所谓的填料鼓泡塔反应器,上述两个缺点均得到克服，但同时塔内的有效体积由于填料
10、的装入而减小。近年来使用规整填料进行充填，有效体积有所增加。气液反应器气液反应器n揽拌反应器q强烈的搅拌使反应器内的反应物料接近完全混合，对反应的转化率和收率有很大的影响。q在很多情况下采用多釜串联,用于改善反应系统的返混状况，但相应的造价大为增加。另外,搅拌反应器如用于高压系统，由于存在机械转动部分，密封问题是关键。气液反应器气液反应器n选择时，应结合气液反应的特点,速率控制步骤和化学反应的特性等进行综合考察。通常情况下,相界面积的大小和液含率的高低是选择气液反应器类型的主要技术指标,此外还要考虑设备的投资，系统的返混状况和耐腐蚀情况等。总之,要权衡各方面的情况，根据具体要求选择最优的反应器
11、型式。n如果化学反应在液膜内完成,过程为扩散控制时，反应器的相界面积越大越有利，液含率的高低就变得不重要了。这时相界面积的大小,应是选择气液反应器时首先需要考虑的因素。当化学反应和扩散阻力两者都不可忽略时,就需要同时保证较大的相界面积和液含率。n如果过程为化学反应控制,而化学反应在整个液相中进行时，那么液含率的高低是首先需要考虑的因素，液含率越高越好,相界面积的大小则是次要的，这种情况采用鼓泡塔反应器能够满足要求。当然采用搅拌反应器也是可以的,但若系统需要在高压下操作、或反应物料有严重的腐蚀性或由于反应热效应大而需安装换热器时,搅拌反应器的应用就受到了限制，而采用鼓泡塔反应器就很容易克服上面的
12、问题。气液反应器气液反应器n 鼓泡塔反应器的设计鼓泡塔反应器的设计q传递参数传递参数n气体通过静止的液层所生成的小气泡，其形状基本上是球形，且垂直上升。但随气泡的变大，其形状变为椭圆形，螺旋上升。如再变大，则成笠帽状垂直上升。反应器内是大小不等的气泡群，所以其性能不仅与气泡的平均直径有关，而且与其分布有关。n气泡大小的分布与气体分布器的结构、反应器大小以及液体的物性等因素有关。q如果气体的空塔速度 ug小于0.5 cm/s，气泡大小主要取决出气孔的直径。但当 ug大于0.5cm/s 而小于10 cm/s 时，气泡大小主要取决孔内气体的线速。u0g10 cm/s 时，影响气泡大小的主要因素是液体
13、的物理性质。气液反应器气液反应器n鼓泡塔反应器的设计鼓泡塔反应器的设计q传递参数传递参数n气泡的相当直径可按下式估算n鼓泡塔内，单位体积气液混合物中，气体所占的体积，叫做气含率，用g 表示。g 可用下列关联式计算：n比相界面积 可以通过气泡的相当直径及气含率求得，当然也可根据相应的关联式得到。n根据液体的物理性质及系统的流体力学条件，可用下式获得鼓泡塔反应器内液侧的体积传质系数：气液反应器气液反应器n鼓泡塔反应器的设计鼓泡塔反应器的设计q传递参数传递参数n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。n如果鼓泡塔的高度与直径比足
14、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：气液反应器气液反应器n 反应器的数学模型和计算反应器的数学模型和计算q在鼓泡塔反应器中气体为分散相，而液体为连续相。这类反应器的设计，一般可按等温过程处理，分别对气相及液相作反应组分的物料衡算，便可得到设计方程。设计方程的形式，与气相及液相在反应器内的流动型式有关。q由于鼓泡塔反应器内液相存在某种程度的返混，有时气相也如此，通常使用的假设有：（1）气相为活塞流，液相全混流，（2）气相及液相均存在一定程度的返流，按扩散模型处理。
