1、气液相反应和反应器分析 化环学院 晋梅 概述 气液反应过程 气相反应物溶解于液相后，再与液相中的反应物进行反应的一种非均相反应过程 主要用于 直接制取产品，如环己烷制取乙二酸，乙醛氧化制乙酸，气态二氧化碳和氨水反应制取碳酸氢铵 化学吸收，脱除气相中某一种或几种组分，如热钾碱或乙醇胺溶液脱除合成气中的二氧化碳，用铜氨溶液脱除合成气中一氧化碳等 1. 气液相反应动力学 理论基础是由日本学者八田四郎次在双膜理论的基础上完成的 用于气液相理论的研究还有表面更新理论和溶质渗透理论 三种模型在实际过程中的应用结果相差不大 用双膜理论来描述更为合适 气相反应物 A与不挥发的液相反应物 B进行反应 反应过程
2、分压为 pA的反应物 A从气相主体传递到气液界面 在界面上 A的气相分压为 pAi，液相浓度为 cAi，两者处于相平衡状态 反应物 A从气液界面传入液相，在液相内浓度 为 cA的 A与浓度为 cB的 B进行反应 气液相反应过程存在反应相外部的质量传递 和反应相内部的传质和反应同时发生的过程 1.1 气液反应过程的基本方程 气液相反应中的传递过程方向 气相组分 A由气液界面向液相主体传递 液相组分 B由液相主体向气液界面传递 气液组分的浓度分布 采用双膜理论进行分析时，组分 A和 B的浓度梯度仅存在于液膜内，在液相主体中的浓度梯度为 0 如虚线所示 反应的物料衡算 在液相内离相界面为 z处取一厚
3、度为 dz的微元体 达到定常态时 -A组分物料衡算 扩散进入该微元体的组分 A的量 -由该微元扩散出去的组分 A=微元体中反应掉的组分 A的量 组分 A和 B反应级数为一级， DA为常数 B组分的物料衡算 求解 边值条件 表明穿过液膜进入液相主体的组分 A将在主体中和组分 B进行反应 -穿过液膜的扩散量等于主体中的反应量 八田数 单位反应器体积中液相总体积和液膜体积之比 八田数 无化学反应时的传质系数 物理意义 类似于气固相反应中的 Thiele模数 八田数可作为气液相反应中反应快慢程度的判据 Ha3，属于反应在液膜内进行飞速反应或快速反应 Ha0.02，属于反应在液相主体中进行慢反应 0.0
4、2Ha3，属于反应在液膜和液相主体的反应都不能忽略的中速反应 1. 2 拟一级不可逆反应 若液相组分 B大量过剩，液相中组分 B的浓度视为常数 反应速率方程 按照一级反应处理 方程 方程的通解 组分 A在液膜内的浓度分布 组分 A在液膜内的浓度分布 浓度分布为 Ha和 的函数 同时还可计算出伴有化学反应时通过液膜的传质通量 K1为伴有化学反应时的液相传质系数 增强因子 E 有化学反应时的液相传质系数与无化学反应时的液相传质系数之比 增强因子 E 化学反应对过程有加速作用 加速作用实质表现在由于反应存在改变了液膜内反应物的浓度梯度 E为有反应时和无反应时的浓度梯度之比 液膜传质阻力忽略时，通过界
5、面的传质通量表达 等于液相主体均相反应速率计算 液相有效利用率 -JA与 RA的比值 液相有效利用率 定义：气液反应过程中液相利用程度的度量 物理意义：与气固相催化反应中的内部效率因子相当 当 JA=RA时，液相有效利用率为 1，整个反应在液相中进行，表明反应是相对于传质十分缓慢的反应 在严重的扩散限制下， JARA时，液相利用率很低，反应在液膜中进行，表明反应相对于传质来讲，反应十分快速 增强因子 E和液相利用率 均为 Ha和液相总体积与液膜体积之比 的函数 反应速率常数和液相主体中组分 B的浓度乘积 大时 Ha很大 tanhHa1 液相利用率很小，说明反应在液膜内进行 应该采用比表面积大的
6、气液反应器进行反应 增强因子 E和液相利用率 反应速率常数和液相主体中组分 B的浓度乘积 小时 Ha很小 tanhHaHa 两个参数均为 Ha和液相总体积与液膜体积之比 的函数 根据 Ha和 的定义 Ha很小， 大，则存在 过程由物理传质速率决定，化学反应仅在液相主体的某一区域内进行 增强因子 E和液相利用率 根据 Ha和 的定义 Ha很小， 小，则存在 整个反应过程将在液相中进行，过程速率由均相反应速率决定 1.3 不可逆飞速反应 当反应速率非常大时，不仅反应物 A在液膜内被完全耗尽，反应物 B的浓度在液膜内也将逐渐下降 简化处理 当反应飞速反应，反应仅仅发生在液膜内的某一个平面上时，可以获
7、得简化处理 非线性方程 飞速反应 反应过程 液膜内存在一反应面，当自气液界面向液相 主体扩散的组分 A和自液相主体向气液界面 扩散的组分 B在反应面上相遇时，相互反应而耗尽，也就意味着反应 面上组分 A和 B的浓度均为 0 定常态下，组分 A从气相主体扩散到气液界面的量和从气液界面扩散到反应面的量应相等，且和组分 B从液相主体扩散到反应面的量符合化学计量关系 定态条件下的扩散通量之间的关系 同时考虑气膜阻力和液膜阻力时，飞速反应的速率计算式 仅考虑液膜阻力时 飞速反应的增强因子 飞速反应的增强因子与反应速率常数无关 飞速反应的增强因子与八田数也无关 只有提高液相中 B的浓度，才能提高飞速反应的
8、增强因子 原因：浓度的提高，使得反应面向气液界面推移，组分 A在液膜中的扩散距离缩短 极限情况：反应面与气液界面相重合 反应面与气液界面重合时，过程阻力集中在气膜内，则传质通量 此时对应于一个液相反应物 B的浓度 -临界浓度 液相主体扩散至相界面的 B的量和从气相主体扩散到相界面 A的量符合化学计量关系 过程控制步骤的判断 若 若 1.4 二级不可逆反应 对于二级不可逆反应 Van krevelen在假设组分 A在液膜内全部耗尽，即在 的条件下，求取上述方程的近似解 非线性方程 1.5 拟一级反应、飞速反应与二级反应中 Ha和 E的关系 当 相当于反应速率 k很大或 k10很小的情况 按照飞速
9、反应处理 图中为 A区， E不随 Ha的增加而增大 当 ，图中的 B区，为一直线，斜率为 1， E=Ha 当 ，采用拟一级反应处理 当 ， E约等于 1； 时，可以用均相反应处理 当 ，按照二级不可逆反应处理，处于 E区 2. 气液相反应器的分类和选型 按照气液的接触方式 液膜型 如填料塔、湿壁塔 液体成膜状，气液两相均为连续相 气泡型 如鼓泡塔、板式塔、通气搅拌釜 液体为连续相、气体以气泡形式分散在液体中 液滴型 喷洒塔、喷射反应器、文丘里反应器 气体为连续相、液体以液滴形式分散在气体中 2.1 填料塔 由塔体、填料、填料的压板和支撑板以及液体分布器等组成 可以逆流操作也可以并流操作 液体再
10、分布器的作用 优点 结构简单，适用于腐蚀性的液体 气液相流量的允许变化范围较大，适用于低气速、高液速的场合 气液流型接近于活塞流，用于要求较高转化率的反应 填料塔的单位体积相界面大而持液量小，适用于过程阻力主要在相间传递的气液反应 缺点 液相停留时间短，对慢反应不适合 为保证填料的润湿，不能用于液体流量太低的场合 填料易为固体颗粒堵塞，在气相或液相中含有悬浮杂质或会生成固体产物时不宜使用 传热性能差，不适用与反应热效应大的场合 2.2 喷洒塔 结构最简单的气液反应设备 液体在塔顶经喷雾分散成液滴，和自上而下的气流及接触 单位液相体积的相界面面积很大，但是持液量和单位反应器体积的相界面面积均很小 液滴喷洒形成后，很少有机会发生凝并和分裂，传质效果交叉 优点 空体积大，处理含固体杂质或会生成固体产物的气液反应过程时无堵塞现象 2.3 板式塔 圆筒形塔体和按照一定间距水平设置在塔内的若干塔板组成 塔板类型有筛板或泡罩塔，近年来浮阀塔也较多 液体在重力作用下，自上而下穿过隔层塔板，从塔底排出，气体在压差的推动下，自下而上的穿过各层塔板，至塔顶排出，气体以气泡形式分散于液层中 优点 -单位体积的气液相界面大，气液传质系数和持液量都大于填料塔 缺点 -结构复杂，气体流动的阻力大 适用于气体流量高、液体流量低，反应时间较长的场合
