第8章多相反应及反应器.ppt

《第8章多相反应及反应器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章多相反应及反应器.ppt（45页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、8 8 气液相反应及反应器气液相反应及反应器 气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到气液反应是化工、炼油等过程工业经常遇到的多相反应，根据使用目的的不同可以分为的多相反应，根据使用目的的不同可以分为两大类。两大类。一类是通过气液反应以制备所需的产品：一类是通过气液反应以制备所需的产品：例如水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在例如水吸收二氧化氮以生产硝酸，乙烯在氯化钯水溶液中氧化制乙醛，前者为非催化氯化钯水溶液中氧化制乙醛，前者为非催化反应，后者则是液相络合催化反应。反应，后者则是液相络合催化反应。还有烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧还有烃类氧化制氯代烃、异丙苯氧化制过氧化氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛

2、、乙醛氧化成化氢异丙苯、乙烯氧化制乙醛、乙醛氧化成乙酸等等。乙酸等等。气液相反应及反应器气液相反应及反应器另一类是通过气液反应净化气体，例如另一类是通过气液反应净化气体，例如用铜氨水溶液除去气体中的一氧化碳，用铜氨水溶液除去气体中的一氧化碳，用碱溶液脱除煤气中的硫化氢，用氢氧用碱溶液脱除煤气中的硫化氢，用氢氧化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化化钠吸收二氧化碳，乙醇胺吸收二氧化碳等碳等 。由于这类气体吸收过程中有化学反应产由于这类气体吸收过程中有化学反应产生，为与气体的物理吸收过程相区别，生，为与气体的物理吸收过程相区别，常称之为化学吸收常称之为化学吸收。气液吸收反应器气液吸收反应器脱脱硫硫塔塔

3、气液吸收反应器气液吸收反应器尿尿素素合合成成塔塔气液吸收反应器气液吸收反应器二二氧氧化化碳碳吸吸收收塔塔气液反应过程的特点气液反应过程的特点反应发生前气液两相中的反应组分首先需要反应发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，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。并与液相中的组分进行反应。化学吸收过程既与反应速率有关又与气液平化学吸收过程既与反应速率有关又与气液平衡有关。衡有关。描述气液反应过程总速率的宏观反应速率方描述气液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程将是本征化学反应速率和气液传质速率的组合。组

4、合。8.1 8.1 气液反应模型气液反应模型由于气相和液相均为流动相，两相间的界面由于气相和液相均为流动相，两相间的界面不是固定不变的，它由反应器的型式及反应不是固定不变的，它由反应器的型式及反应器中的流体力学条件所决定。器中的流体力学条件所决定。气液相间的物质传递对于气液反应过程速率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。传质模型来描述。气液反应过程的传质模型有多种，气液反应过程的传质模型有多种，如双膜模如双膜模型，型，表面更新模型与溶质渗透模型等，表面更新模型与溶质渗透模型等，但用但用之以处理具体问题

5、时，结果都相差不多。之以处理具体问题时，结果都相差不多。双膜模型双膜模型气液两侧的传质阻力气液两侧的传质阻力分别集中于相界面两分别集中于相界面两侧的气膜与液膜之内；侧的气膜与液膜之内；相界面处气液处于平相界面处气液处于平衡状态衡状态c cAiAiHPHPAiAi定态时，气相的传质定态时，气相的传质速率与液相传质速率速率与液相传质速率相等。相等。溶质渗透模型溶质渗透模型HigbieHigbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借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在很短时间内又由界面向流体进

6、行不稳态的分子扩散，位于界面的原来的旋涡又被其它分子扩散，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。旋涡取代，如此反复进行这一过程。根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决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，其数扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量，其数学表达式为：学表达式为：溶质渗透模型溶质渗透模型其中其中 为气液接触时间。由于为气液接触时间。由于 一般未一般未知，所以溶质渗透理论的应用受到限制。传知，所以溶质渗透理论的应用受到限制。传质系数质系数 与分子扩散系数的平方

7、根成正比，这与分子扩散系数的平方根成正比，这一点已由实验证实是正确的，证明溶质渗透一点已由实验证实是正确的，证明溶质渗透理论比双膜理论更能代表两相间的传质机理。理论比双膜理论更能代表两相间的传质机理。表面更新模型表面更新模型DankwertsDankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发展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的分率，平均吸收于各种年龄期的表面单元的分率，平均吸收速率是将不同年龄期的表面分率乘以该表面速率是将不同年

8、龄期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的瞬时吸收速率，然后将所有表面单元的表达式相加得到。由此得到达式相加得到。由此得到 ：表面更新模型表面更新模型为表面更新分率，必须由实验测定。从该为表面更新分率，必须由实验测定。从该式可以看出，式可以看出，与与D DABAB 的平方根成正比，与赫的平方根成正比，与赫格比获得的结果完全一致。格比获得的结果完全一致。虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够比双虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够比双膜论更接近气液相间传质的真实情况，但由膜论更接近气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时间于气液接触时间 和表面更新分率均不易和表面更新分率均不易获

9、得，而且在实际应用中会使过程的数学描获得，而且在实际应用中会使过程的数学描述复杂化。所以，述复杂化。所以，目前对于很多实际过程的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学描述简化，而计算结果的误差也是可以接受的。受的。气液反应历程气液反应历程设所进行的气液反应为设所进行的气液反应为 :A A(g)(g)+B BB B(1)(1)vvR RR R(1)(1)根据双膜模型其气液反根据双膜模型其气液反应历程如图所示为应历程如图所示为:(1)(1)气相反应组分气相反应组分A A由气由气相主体通过气膜传递到相

10、主体通过气膜传递到气液相界面，其分压从气液相界面，其分压从气相主体处的气相主体处的P PAGAG降至相降至相界面处的界面处的P PAiAi；气液反应历程气液反应历程(2)(2)组分组分A A由相界面传递到液由相界面传递到液膜内，并在此与由液相主体膜内，并在此与由液相主体传递到液膜的组分传递到液膜的组分B B进行化学进行化学反应，此时反应与扩散同时反应，此时反应与扩散同时进行进行;(3)(3)未反应的未反应的A A继续向液相主继续向液相主体扩散。并与体扩散。并与B B在液相主体中在液相主体中反应反应;(4)(4)生成的反应产物生成的反应产物R R向其浓向其浓度梯度下降的方向扩散。度梯度下降的方向

11、扩散。由于由于B B组分不挥发，所以反应组分不挥发，所以反应仅在液相中进行。仅在液相中进行。气液反应宏观速率气液反应宏观速率气固催化反应时，反应速率以单位体积催化剂定义，因气固催化反应时，反应速率以单位体积催化剂定义，因此定态时对于一级不可逆反应有：此定态时对于一级不可逆反应有：N NA A=k=kG Ga am m(c(cAGAGc cASAS)r rA A kckcAsAs由此可将由此可将c cAsAs消除，得到宏观速率方程消除，得到宏观速率方程：气液反应时，吸收速率以单位相界面定义，并且液相中气液反应时，吸收速率以单位相界面定义，并且液相中化学吸收速率以物理吸收乘以化学吸收增大因子化学吸

12、收速率以物理吸收乘以化学吸收增大因子 表示。表示。因此对于定态过程，气膜传质速率应等于液相中因此对于定态过程，气膜传质速率应等于液相中A A的转的转化速率。化速率。mgAGAkkCr11气液反应宏观速率气液反应宏观速率由此消除界面分压与浓度，便可获得气液吸由此消除界面分压与浓度，便可获得气液吸收宏观速率方程：收宏观速率方程：AiAAiAiLAiAgGPHcckPPk)(ALGAgAHkkP11气液反应的扩散反应方程气液反应的扩散反应方程仿照前边处理气固相催仿照前边处理气固相催化反应的方法，可建立化反应的方法，可建立气液反应的扩散反应方气液反应的扩散反应方程。程。即液膜内反膜内离相界即液膜内反膜

13、内离相界面面Z Z处，取厚度为处，取厚度为dZdZ的的微元体积，微元体积，该微元体积该微元体积与传质方向垂直的截面与传质方向垂直的截面积为积为1 1，对该微元体积对该微元体积作组分作组分A A的物料衡算，的物料衡算，当过程达到定态时有当过程达到定态时有:气液反应的扩散反应方程气液反应的扩散反应方程dzrdzdcDdzdcDAdzzAALzAALdzdzdcdzddzdcdzdcAzAdzzAAAALrdzcdD22气液反应的扩散反应方程气液反应的扩散反应方程边界条件为边界条件为式中式中L L为液膜厚度，为液膜厚度，为单位液相体积所具有的相界为单位液相体积所具有的相界面积，面积，L L因之为液膜

14、体积，因之为液膜体积，1 1一一L L则为液相主体体则为液相主体体积。积。A A从液膜向液相主体的扩散量等于在液相主体中从液膜向液相主体的扩散量等于在液相主体中A A的反应的反应量。量。AAALrdzcdD22)1(0/0LAAALBLBLBAiAardzdcaDcczdzdccczA气液反应的转化速率气液反应的转化速率因为定态下因为定态下A A从相界面向液膜扩散的速率应等于在液从相界面向液膜扩散的速率应等于在液相内相内A A的转化速率。的转化速率。只要相界面处组分只要相界面处组分A A的浓度梯度已的浓度梯度已知，便可由下式求其转化速率知，便可由下式求其转化速率:需要注意这里的转化速率系基于相

15、界面积计算，即其需要注意这里的转化速率系基于相界面积计算，即其单位为单位为kmol/(mkmol/(m2 2s)s)。对于一般反应，液膜中的浓度分布微分方程难以解析对于一般反应，液膜中的浓度分布微分方程难以解析求解，除非作出某些简化的假定。求解，除非作出某些简化的假定。0)()(ZAALAdZdcD拟一级不可逆反应拟一级不可逆反应拟一级反应拟一级反应 ：溶解于液相的气体组分溶解于液相的气体组分A A与液相组分与液相组分B B在液相中进行不在液相中进行不可逆反应时，一般可用二级反应速率方程表示可逆反应时，一般可用二级反应速率方程表示:r rA A=k=k2 2c cA Ac cB B，但若液相组

16、分但若液相组分B B大量过剩，以致在液膜内的浓度可视大量过剩，以致在液膜内的浓度可视为常数，则为常数，则k k2 2c cB B为定值，并令其等于为定值，并令其等于k,k,这时反应速率这时反应速率对对A A可按一级反应处理。可按一级反应处理。即即 r rA A=kC=kCA A 则有：则有：AAALkcdzcdD22拟一级不可逆反应的解析拟一级不可逆反应的解析将微分方程无因次化，即令：将微分方程无因次化，即令：则液膜中的浓度微分方程变为：则液膜中的浓度微分方程变为：整理得到：整理得到：即即LAiAzccAiALLAiAAALcDkddckcdzcdD22222MkkDkddLLALL222Mdd22拟一级不可逆反应解析的边界条件拟一级不可逆反应解析的边界条件拟一级反应的在液膜中的无因次浓度分布方程的边界条件为：拟一级反应的在液膜中的无因次浓度分布方程的边界条件为：式中式中 为液相体积与液模体积之比。为液相体积与液模体积之比。)1()11()1(110121MddaDkddakcdzdcaDccLALLLAAALAiAL拟一级不可逆反应的解析解拟一级不可逆反应的解析解 该二阶常系数线性齐