第六章氣液反應(yīng)及反應(yīng)器

內(nèi)容提要6.1概述6.2氣液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)6.3氣液反應(yīng)器6.1概述氣液反應(yīng)過(guò)程:

氣相中組分必須進(jìn)入液相中才能進(jìn)行反應(yīng)的過(guò)程氣相+氣相氣相+液相至少有一反應(yīng)組分是氣相,反應(yīng)在液相中進(jìn)行,氣相無(wú)反應(yīng)。應(yīng)用范圍:(1)制取化工產(chǎn)品;(2)除去氣相中有害組分;(3)尾氣回收有用組分。6.1.1氣液反應(yīng)步驟氣相中反應(yīng)組分由氣相主體透過(guò)氣膜擴(kuò)散到氣液界面；(2)組分進(jìn)入液相后通過(guò)液膜擴(kuò)散到液相主體；(3)在液相中與其它組分進(jìn)行反應(yīng)生成產(chǎn)物；(4)產(chǎn)物由液相主體透過(guò)液膜擴(kuò)散到氣液界面；(5)產(chǎn)物由氣液界面透過(guò)氣膜擴(kuò)散到氣相主體。傳遞過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程(回顧氣固相催化反應(yīng)過(guò)程的步驟)6.1.2氣液相際傳質(zhì)關(guān)系相界面氣膜液膜Zδ反應(yīng)面PAGPAICAICB氣相主體液相主體氣膜傳質(zhì)方程液膜傳質(zhì)方程相界面平衡方程物理吸收過(guò)程KAG為氣相總傳質(zhì)系數(shù)化學(xué)吸收過(guò)程當(dāng)液相中反應(yīng)物A尚存在化學(xué)反應(yīng),液膜較純物理過(guò)程的液膜薄β稱為化學(xué)增強(qiáng)因子

有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程吸收過(guò)程傳質(zhì)方程式氣液反應(yīng)過(guò)程與物理吸收過(guò)程相比,僅差一化學(xué)增強(qiáng)因子β。6.2氣液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)6.2.1氣液反應(yīng)過(guò)程的基礎(chǔ)方程假設(shè):氣相A組分與液相B組分的反應(yīng)過(guò)程按雙膜模型進(jìn)行;2.B組分不揮發(fā),不存在B組分向氣相擴(kuò)散。模型圖相界面氣膜液膜ZδLPAGPAICAICAL氣相主體液相主體δGZdZCAPA推導(dǎo):化學(xué)反應(yīng)式取體積元(S×1×dL),進(jìn)行組分A微分衡算在體積元(S×1×dL)內(nèi),進(jìn)行組分B微分衡算邊界條件為:邊界條件不同求解二階常微分方程相界面氣膜液膜Zδ反應(yīng)面PAGPAICAICB1瞬時(shí)反應(yīng)反應(yīng)面和相界面不重合反應(yīng)面在液膜內(nèi)相界面(反應(yīng)面)氣膜液膜δPAGCB2瞬時(shí)反應(yīng)

CB過(guò)大反應(yīng)面在相界面上反應(yīng)面與相界面重合氣相主體液相主體相界面氣膜液膜ZδL反應(yīng)區(qū)PAGPAICAICB3快速反應(yīng)無(wú)反應(yīng)面,只有反應(yīng)區(qū)反應(yīng)區(qū)在液膜內(nèi)反應(yīng)物A,B均在液膜內(nèi)消耗完畢相界面氣膜液膜δL反應(yīng)面PAGPAICAICB4慢速反應(yīng)反應(yīng)面和相界面不重合反應(yīng)在液膜內(nèi)及液相主體相界面氣膜液膜δLPAGPAICAICB5中速反應(yīng)反應(yīng)面和相界面不重合反應(yīng)主要在液相主體相界面氣膜液膜δLPAGPAICAICB6極慢速反應(yīng)在液相主體的均相反應(yīng)δ

GCA6.2.2極慢反應(yīng)過(guò)程相界面氣膜液膜δLPAGPAICAICBδG極慢速反應(yīng):指A組分由氣相主體向氣液界面擴(kuò)散的速率以及A組分由氣液界面向液相主體的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A組分在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的消耗速率。類似于液相均相反應(yīng)過(guò)程由此,β為何值沒(méi)有意義6.2.3慢反應(yīng)過(guò)程相界面氣膜液膜δL反應(yīng)面PAGPAICAICB

化學(xué)反應(yīng)在液相主體,在液膜內(nèi)的反應(yīng)可以忽略,即在液膜內(nèi)僅發(fā)生A組分的擴(kuò)散過(guò)程,與物理吸收相同?；A(chǔ)方程及邊界條件求解方程得由此可得,β=16.2.4中速反應(yīng)過(guò)程相界面氣膜液膜δLPAGPAICAICB反應(yīng)不僅發(fā)生在液膜內(nèi),而且在主體相中也存在化學(xué)反應(yīng)邊界條件對(duì)于一級(jí)化學(xué)反應(yīng)膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù),八田準(zhǔn)數(shù)比較傳質(zhì)方程6.2.5快速反應(yīng)過(guò)程相界面氣膜液膜ZδL反應(yīng)區(qū)PAGPAICAICB反應(yīng)僅發(fā)生在液膜內(nèi),A組分在液膜內(nèi)全部被反應(yīng)掉,在液相主體沒(méi)有組分A,在液相主體沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。邊界條件基礎(chǔ)方程求解方程對(duì)于一級(jí)反應(yīng)6.2.6瞬時(shí)反應(yīng)過(guò)程相界面氣膜液膜Zδ反應(yīng)面PAGPAICAICB氣相主體液相主體瞬時(shí)反應(yīng)反應(yīng)面和相界面不重合反應(yīng)面在液膜內(nèi)組分A,B均在液膜內(nèi)消耗完相界面(反應(yīng)面)氣膜液膜δPAGCB瞬時(shí)反應(yīng):CB過(guò)大反應(yīng)面在相界面上反應(yīng)面與相界面重合A組分與B組分之間的反應(yīng)進(jìn)行極快,以致在液相中A組分與B組分不能共存。在液膜區(qū)存在一反應(yīng)面,在此液面上A、B組分濃度為0邊界條件基礎(chǔ)方程對(duì)于一級(jí)反應(yīng)在0<l<δR的液膜區(qū)內(nèi),液膜中僅有A組分而B(niǎo)組分在δR<l<δL的液膜區(qū)內(nèi),液膜中僅有B組分而A組分基礎(chǔ)方程邊界條件聯(lián)合求解方程臨界濃度在A組分濃度(分壓)降低或B組分濃度增加時(shí),反應(yīng)面向相平衡界面移動(dòng),最終兩界面會(huì)重合,此時(shí)的B組分濃度稱該A組分分壓下的臨界濃度在相界面處A,B組分濃度均為0若CBL大于CBL0,在相界面沒(méi)有A,但有組分B,反應(yīng)仍在相界面上,此時(shí)PAI=06.2.7氣液反應(yīng)過(guò)程的重要參數(shù)化學(xué)增強(qiáng)系數(shù)β膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)(八田準(zhǔn)數(shù))γ氣液反應(yīng)過(guò)程的重要參數(shù)1化學(xué)增強(qiáng)系數(shù)β瞬時(shí)反應(yīng)快速反應(yīng)過(guò)程中速反應(yīng)過(guò)程慢反應(yīng)過(guò)程極慢反應(yīng)過(guò)程2膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)(八田準(zhǔn)數(shù))γ對(duì)于一級(jí)反應(yīng)

膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)反映出液膜內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)的那部分量占總反應(yīng)量的比例,可以用于判斷反應(yīng)快慢的程度6.3氣液反應(yīng)器6.3.1工業(yè)常用反應(yīng)器概述1.較高的生產(chǎn)強(qiáng)度反應(yīng)系統(tǒng)的特性選擇反應(yīng)器，使反應(yīng)器具備較高的生產(chǎn)強(qiáng)度。

1）氣膜控制，選擇氣相容積傳質(zhì)系數(shù)大的反應(yīng)器，例如噴射塔和文丘里反應(yīng)器。

2)快速反應(yīng)，反應(yīng)在界面附近的液膜中進(jìn)行，選擇表面積較大，而且較大的反應(yīng)器，例如填料塔和板式反應(yīng)器。

3)緩慢反應(yīng)，反應(yīng)在液流主體中進(jìn)行，應(yīng)選擇液相容積大的設(shè)備，例如鼓泡反應(yīng)器和攪拌鼓泡反應(yīng)器。6.3.1.1工業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣液反應(yīng)器的要求2.有利于提高反應(yīng)選擇性對(duì)于多重反應(yīng)，選擇的反應(yīng)器要有利于主反應(yīng)，而要抑制副反應(yīng)。例如對(duì)于平行反應(yīng)，主反應(yīng)快而副反應(yīng)慢，則要選擇儲(chǔ)液量較少的反應(yīng)器來(lái)抑制副反應(yīng)的發(fā)生。3.有利于降低能耗為了使氣－液兩相分散接觸，需要消耗一定的動(dòng)力。噴射吸收器所需的能耗最小，其次是攪拌反應(yīng)器和填料塔，文氏管和鼓泡反應(yīng)器所需的能耗最大。4.有利于控制反應(yīng)溫度氣液反應(yīng)大部分是放熱反應(yīng)，如何排除反應(yīng)熱控制好操作溫度是十分重要的。例如板式塔可以安置冷卻盤管，但在填料塔中，排除反應(yīng)熱就比較麻煩，通常只能提高液體噴淋量把濕熱帶走，但動(dòng)力消耗大量提高。5.能在較小液體流率下操作液體流率小，液相轉(zhuǎn)化率高，動(dòng)力消耗也小，但液體流率的大小應(yīng)符合反應(yīng)器的基本要求。6.3.1.2.氣液相反應(yīng)器的基本類型氣液相反應(yīng)器按氣液相接觸形態(tài)可分為：（1）氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的鼓泡塔反應(yīng)器、攪拌鼓泡釜式反應(yīng)器和板式反應(yīng)器；（2）液體以液滴狀分散在氣相中的噴霧、噴射和文氏反應(yīng)器等；（3）液體以膜狀運(yùn)動(dòng)與氣相進(jìn)行接觸的填料塔反應(yīng)器和降膜反應(yīng)器等。(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)(a)填料塔反應(yīng)器；（b）板式塔反應(yīng)器；（c）降膜反應(yīng)器；（d）噴霧塔反應(yīng)器；（e）鼓泡塔反應(yīng)器；（f）攪拌鼓泡釜式反應(yīng)器；（g）噴射或文氏反應(yīng)器塔式反應(yīng)器特征：反應(yīng)器高度為直徑的數(shù)倍以至十幾倍。

內(nèi)部常設(shè)置能增加兩相接觸的構(gòu)件，如填料，篩板等。

適用于兩種流體相反應(yīng)的過(guò)程。如氣液反應(yīng)、液液反應(yīng)。

填料塔

板式塔

噴霧塔

無(wú)論哪一種塔式反應(yīng)器，兩種流體可以成逆流，也可以并流操作。環(huán)流反應(yīng)器1.填充床反應(yīng)器填充床反應(yīng)器具有操作適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于帶有化學(xué)反應(yīng)的氣體凈化過(guò)程，適用于快速和瞬間反應(yīng)過(guò)程。2.板式反應(yīng)器板式反應(yīng)器可以將軸向返混降低至最小程度，在單塔中獲得極高的液相轉(zhuǎn)化率，并可安裝冷卻或加熱元件，維持所需的溫度，適用于快速和中速反應(yīng)過(guò)程。3.降膜反應(yīng)器降膜反應(yīng)器具有壓降小和沒(méi)有返混的優(yōu)點(diǎn)，適用于快速和瞬間反應(yīng)過(guò)程。但降膜管的安裝垂直度要求較高，液體成膜和均布是降膜塔的關(guān)鍵問(wèn)題。4.噴霧反應(yīng)器噴霧反應(yīng)器由空塔構(gòu)成，適用于有污泥、沉淀和固相產(chǎn)物的反應(yīng)過(guò)程，適用于受氣膜控制的瞬間反應(yīng)。8.3.1.3氣－液反應(yīng)器的型式和特點(diǎn)填充床反應(yīng)器降膜式光化學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)有效解決了液相、氣液兩相傳統(tǒng)反應(yīng)器大容量低效率的弊端，同時(shí)改變了傳統(tǒng)的攪拌方式，采用了特制的玻璃反應(yīng)器，物料被循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)從底部的貯存室進(jìn)入反應(yīng)器的上部，再沿著與光源平行的管壁自上而下的形成薄膜降落、均勻而充分的接受光輻射，最后流回貯存室，過(guò)程不斷的循環(huán)直至反應(yīng)全部結(jié)束。5.攪拌鼓泡反應(yīng)器攪拌鼓泡反應(yīng)器適用于高粘度的非