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1、第三章 气-液反应器第一节 概述第二节 气-液反应宏观动力学第三节 气-液反应的类型及其动力学方程第四节 气-液反应器的选型及设计 第一节 概述一、气-液反应器应用举例1、化学吸收：用乙醇胺溶液或氢氧化钠溶液吸收气体混合物中的硫化氢气体；用稀碱液吸收气体混合物中的氨气。2、化学反应：对硝基乙苯空气氧化制取对硝基苯乙酮；邻二甲苯空气氧化制取邻甲基苯甲酸；对二甲苯空气氧化制取对苯二甲酸；环己醇空气氧化制取己二酸 苯氯化制取氯苯。二、气-液反应器的型式及性能 填料塔 板式塔 喷淋塔 鼓泡塔 搅拌鼓泡釜由于比表面大，适用于中、快速反应及易溶性气体。比表面小，适用于慢速反应及难溶性气体。(a)填料塔(b
2、)板式塔(c)喷淋塔(d)鼓泡塔(e)鼓泡搅拌器(f)鼓泡搅拌釜第二节 气-液反应宏观动力学一、宏观动力学概念二、气-液反应传质模型双膜理论三、动力学基础方程式一、宏观动力学概念对于气-液反应：A（气相）+bB（液相）产物反应历程一般需要经过以下五个步骤：1、气相反应组分A由气相主体扩散到气-液相界面，并假定在界面达到气-液相平衡；2、气相反应组分A由气-液相界面扩散进入液相；3、气相反应组分A同液相反应组分B在液相内进行化学反应；4、液相产物向浓度梯度下降的方向扩散，气相产物向气-液相界面扩散；5、气相产物向气相主体扩散。宏观动力学概念：宏观动力学就是包括扩散或传质过程在内的化学反应动力学。
3、控制步骤：实际的反应速度（表观反应速度）受其中最慢步骤控制，该步骤就称为控制步骤。动力学控制：当传质过程速度远大于化学反应速度时，实际的反应速度受化学反应速度控制，就称为动力学控制。扩散控制：当某一步传质过程速度远小于化学反应速度和其它传质步骤速度时，实际的反应速度受该传质过程速度控制，就称为该步骤的扩散控制。二、双膜理论1923年由刘易斯(Lewis)和惠特曼(Whitman)提出。模型假定在气-液相界面两侧各存在一层很薄的静止膜，气相一侧的膜叫气膜，液相一侧的膜叫液膜，传质阻力集中在两膜中（即两膜以外的气相主体和液相主体中不存在浓度梯度）。双膜理论不仅适用于物理吸收，也适用于化学吸收。GA
4、AAiGAAiGLAAiALLAiALLAiAiAiAiAiAiGAALADppkppZDCCkCCZCpCHpCpKppKCCAAA组分A在气膜中的扩散速度为：N组分A在液膜中的扩散速度为：N在界面上，与处于平衡状态，即：消去上述式中的与后，得到组分A通过双膜向液相的扩散速度为：NAL11111ALAAAGLGLGGLLGLGLCpHCHpKKkkKkHkKHkkKHK式中，、分别为气相、液相吸收总系数，它们与膜系数、的关系为：2222/GALAAkmol msDAkmol m s PaDAmskmol ms Pakmol ms Pa AGLGL式中，N组分 的吸收速度，；组分 在气相中的分
5、子扩散系数，；组分 在液相中的分子扩散系数，；k气膜吸收系数，；k液膜吸收系数，m/s；K气相吸收总系数，；K液相吸收总系数，AAAAim/s；p组分 在气相主体中的分压，Pa；p组分 在气液界面上的分压，Pa；GLAAAAHPaZZAAL3AL3Ai3AA3 p组分 与液相浓度C 相平衡的分压，Pa；C组分 在液相主体的浓度，kmol/m；C组分 在气液界面上的浓度，kmol/m；C组分 与气相分压p 相平衡的液相浓度，kmol/m；溶解度系数，kmol/m；气膜厚度，m；液膜厚度，m。三、动力学基础方程式22AAAAAdCdCdCdZrdZdZdZdZd CdZ LALALA对于气-液反应
6、：A（气相）+bB（液相）产物在液膜内进行化学反应，同时液膜内又有物质的扩散传递。在液膜内任一厚度Z处，取单位截面积的微层，对组分A作物料衡算：扩散进入微层的A量-扩散离开微层的A量=微层中反应掉的A量 -DD整理得：DAr222222,BBBBABBBBd CrdZCCd CCdZd CCdZ LBAABALAALBA同样，对组分 作物料衡算可得：D假定（-r）=kC则（-r）=bkC于是，得到一对微分方程组：DkC DbkC代入不同的边界条件，就可以得到相应的浓度分布。第三节 气-液反应的类型及其动力学方程0(ALAAioBdnDCdZrA一、极快反应化学反应在瞬间完成，化学反应速度远大于
7、扩散速度，在液相中组分A、B不能同时存在，化学反应仅在液膜内某个反应面上发生。反应速度与气液相界面大小有关，与液体体积无关。属于扩散控制过程。1、极快反应，反应面在液膜内（见图）以单位相界面面积为基准的宏观反应速度为：1 （-r）=-（A）S )0()LBBLLoDCBbb ZZ LAAiLLBBLLAAiLALssbD C ZD CbD CDZoL22A2AoL式中，Z气液相界面到反应面的距离，m；Z液膜厚度，m；S-相界面面积，m；（-r）-以组分A为基准的宏观反应速度，kmol/m；（-r）-以组分B为基准的宏观反应速度，kmol/m。由上两式可得：Z （C）将k及式（C）代入式（A）,
8、得：0ALAAioLBBLLAAiLBBLLAAiLBBLiLAAiidnDCdZDCbDCDCbDCDCbDCALAiLAiLLLL1 （-r）=-S =k C1+=k C式中，kk1+k令 =1+k的下标i表示瞬间反应，称为瞬间反应的增强因子。1iiiiLBBLLAAiGAAiLBBLGALAiLAAiGLDCbDCkppD Ck pkCbDpHkHkLAiLAiALAiALAi的物理意义：k C化学吸收速度 k C物理吸收速度所以，（-r）=k C （D）对于极快反应，。由 （-r）=k C1+可得：（E）0,0,1111LBBLGALAiAiLAAAiAiGLAGLGAAiLAD Ck
9、 pkpCbDpppkk Hpkk Hkppk Hp AAA由式（E）可知：当时，反应面在液膜内，过程速度由气膜和液膜串联阻力决定，即：N根据定态串联过程的加和性原则，上式又可写为：N当气膜阻力可以忽略时，此时，N,0,0,BLBLBLBLLBBLGALAiAiLACCCCD Ck pkpCbDAiAi2、极快反应，反应面在相界面上（见上图）提高，反应面由液膜内逐渐向相界面移动，宏观反应速度也随之增大。当增大到某临界值时，反应面与相界面重合，此时，C=0,p=0,再增加宏观反应速度不再增大。由式（E）可知：当时，反应面与相界面重合,组分A在液膜内的阻力消失，过程为气膜控制。此时，宏观反应ApA
10、G速度为：（-r）=kBLLBBLGALLAGALABLLLBCD Ck pkbDbk p DCk D临界值的求取：由 ，得：22ABd CCdZLAA二、快速反应 快速反应的化学反应速度比极快反应低些，但比扩散速度高。反应发生在液膜内的某一区域内。在反应区内，组分A、B同时存在；在反应区外，组分A、B不能同时存在。反应速度不仅与相界面大小有关，也与液膜体积有关。1、二级快速反应，反应区在液膜内（见下图）组分A、B在液膜内的浓度呈非线性关系。已知动力学基础方程为：DkC 22BBd CCdZLBA DbkC 0,0;,0,/1tanh/1BAAiLABBLiiiiLBBLiiLAAidCZCC
11、dZZZCCCDCbDC假定边界条件为：近似解为：=（F）式中，瞬间反应的增强因子,1+增强因子,式（F）见图3-11。222,/22BLLBLBLBLLLLCHattakCCC ZkZLALAAiLAAiLAiLALAikD =为二级反应的（八田）准数；称为膜内转化系数，其物理意义为：kDkC DkC =k C Dk C液膜内可能最大反应速度 通过界面可能最大传质速度由 的大小可以判断反应的快慢：在液膜内进行的极快反应和快速反应；0.02在液膜和液相主0.02体内进行的中速反应和慢速反应；在液相主体内进行的极慢反应。11AGLpkk HAALAi宏观反应速度为：N或者，（-r）=k C 21
12、2ABAd CkC Ck CdZBBBLLAA11BAAiLA2、拟一级快速反应（C 高），反应区在液膜内（见上图）当组分B的浓度较高，在液膜内的浓度近似不变时，C=C,二级快速反应就成为拟一级快速反应。已知动力学基础方程为：D式中，k拟一级反应速度常数，k=kC边界条件：Z=0,C=C Z=Z,C=0 可得解析解，即组分A在液膜中的浓度分布为：110111sinhsinhcoshsinhLALALLALALALAZLALALLAAiLALALALkDZDkkDDkdCDdZkDDkkD CDkDDk AAiAC C宏观反应速度可以通过上式求得：N 11tanhtanh,()tanhLALLA
13、iLALLAiLAiLALALLk Dkk Ck Dkk Ck CDDHattakk1BL kkC式中，=为八田 准数；=上式可以标绘如下图。()Hatta说明：图中 为，即八田 准数01311AGLpkk HA由图可见：，宏观反应速度也可以由下式求得：N3349230.5/1.5 10/1.8 10/0.014/,0.01BBLLLALBLAAiBLC CCkmol mmkmol skm sDmsDDHkmol matmpatmC2AA3例3-2 用氢氧化钠溶液吸收CO 气体，已知化学反应速度方程式（-r）=k，在液膜内可以视作不变，k=5 10，是的两倍，。试求化学吸收总速度。解 是常量，
14、反应可以当33139145 100.52.5 10 2.5 101.8 1014.11.5 102BLLALkCsk Dk 1作拟一级，k 因为，属于快速反应。472112 0.5135722 0.014 0.0114.1 1.5 100.014 0.012.96 10/LBBLLBBLLAAiLAAiLAiLAiD CD CbD CbD Hpk Ck Hpkmol ms iA 查图3-11或图8-2-4，得=14.1所以,-r 212ABAd CkC Ck CdZLAA三、中速反应 中速反应的化学反应速度与扩散速度相当。化学反应在整个液膜内进行，液膜内未反应完的组分A扩散进入液相主体，继续反
15、应。1、二级中速反应（见图）基础设计方程式无解析解。2、拟一级中速反应（见图）当组分B的浓度较高，在液相内的浓度近似不变时，二级中速反应就成为拟一级中速反应。已知动力学基础方程为：D1tanhcosh()sinh()1tanh1,()LLLALALLZZZZDDHattakk11BAAi1BLL式中，k拟一级反应速度常数，k=kC 可得解析解，即组分A在液膜中的浓度分布为：C CkkC式中，=为八田 准数；1-液相体积 =；aZ液膜体积 气含率，即单位体积气液混合物中气体的体积；a3/m2-比表面，即单位体积气液混合物中具有的相界面面积，m01tanh1tanh11tanh1tanh1ALAZ
16、LAAiLLAiLAiLdCDdZDCZk Ck Ck AL 宏观反应速度可以通过上式求得：N k式中，=11tanh11tanh11AAiNaC1液相利用率 概念宏观反应速度 =单位体积气液混合物中可能的最大反应速度 k 当，表示反应全部在液相内进行；1，表示反应受到扩散控制，反应局限于液膜内进行。1()()11GAAiLAiALALBLALBLAGLkppkCCkC CkC CpkHkAABL四、慢速反应(见图)化学反应速度比扩散速度低，化学反应主要发生在液相主体内。但是，气膜阻力和液膜阻力仍然不能忽略。根据串联过程速度相等原则：Na式中，a-比表面；以单位体积为基准的化学反应速度。可导得：N aHkCBLC CAAL五、极慢反应(见图)化学反应速度远远低于扩散速度，扩散阻力可以忽略，属于动力学控制。化学反应发生在整个液相内。液相内各处浓度均匀，情况相当于液相均相反应。总反应速度就等于化学反应速度：（-r）=kGkkaL六、气液反应动力学的实验测定气液反应动力学实验测定的目的是：确定气液反应的类型（即动力学区域）；确定总速度方程式中的参数（例如、等）；确定真实反应动力学速度式（例如
