第8章多相反应及反应器.ppt
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1、8 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的多相反应,根据使用目的的不同可以分为两大类。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。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、乙醛氧化成乙酸等等。,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,用氢氧化钠吸收二氧化碳,乙醇胺吸收二氧化碳等。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,常称之为化学吸收。,气液吸收反应
2、器,脱硫塔,气液吸收反应器,尿素合成塔,气液吸收反应器,二氧化碳吸收塔,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。化学吸收过程既与反应速率有关又与气液平衡有关。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组合。,8.1 气液反应模型,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。气液反应过程的传质模型有多种,如双膜模型,表面更新模型与溶
3、质渗透模型等,但用之以处理具体问题时,结果都相差不多。,双膜模型,气液两侧的传质阻力分别集中于相界面两侧的气膜与液膜之内;相界面处气液处于平衡状态cAiHPAi定态时,气相的传质速率与液相传质速率相等。,溶质渗透模型,Higbie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。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:,溶质渗透模型,其中 为气液接触时间。由于 一般未知,所以溶质渗透
4、理论的应用受到限制。传质系数 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,Dankwerts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:,表面更新模型,为表面更新分率,必须由实验测定。从该式可以看出,与DAB 的平方根成正比,与赫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膜论更接近气液相间传质的真
5、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。,气液反应历程,设所进行的气液反应为:A(g)+BB(1)vRR(1)根据双膜模型其气液反应历程如图所示为:(1)气相反应组分A由气相主体通过气膜传递到气液相界面,其分压从气相主体处的PAG降至相界面处的PAi;,气液反应历程,(2)组分A由相界面传递到液膜内,并在此与由液相主体传递到液膜的组分B进行化学反应,此时反应与扩散同时进行;(3)未反应的A继续向液相主体扩散。并与B在液相主体中反应
6、;(4)生成的反应产物R向其浓度梯度下降的方向扩散。由于B组分不挥发,所以反应仅在液相中进行。,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,因此定态时对于一级不可逆反应有:NA=kGam(cAGcAS)rAkcAs由此可将cAs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,并且液相中化学吸收速率以物理吸收乘以化学吸收增大因子表示。因此对于定态过程,气膜传质速率应等于液相中A的转化速率。,气液反应宏观速率,由此消除界面分压与浓度,便可获得气液吸收宏观速率方程:,气液反应的扩散反应方程,仿照前边处理气固相催化反应的方法,可建立气液反应的扩散反应方程。即液膜内反膜
7、内离相界面Z处,取厚度为dZ的微元体积,该微元体积与传质方向垂直的截面积为1,对该微元体积作组分A的物料衡算,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,边界条件为式中L为液膜厚度,为单位液相体积所具有的相界面积,L因之为液膜体积,1一L则为液相主体体积。A从液膜向液相主体的扩散量等于在液相主体中A的反应量。,气液反应的转化速率,因为定态下A从相界面向液膜扩散的速率应等于在液相内A的转化速率。只要相界面处组分A的浓度梯度已知,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界面积计算,即其单位为kmol/(m2s)。对于一般反应,液膜中的浓度分布微分方程难以解析
8、求解,除非作出某些简化的假定。,拟一级不可逆反应,拟一级反应:溶解于液相的气体组分A与液相组分B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:rA=k2cAcB,但若液相组分B大量过剩,以致在液膜内的浓度可视为常数,则k2cB为定值,并令其等于k,这时反应速率对A可按一级反应处理。即 rA=kCA 则有:,拟一级不可逆反应的解析,将微分方程无因次化,即令:则液膜中的浓度微分方程变为:整理得到:即,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:式中为液相体积与液模体积之比。,拟一级不可逆反应的解析解,该二阶常系数线性齐次微分方程的通解为:,拟一级
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