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第六章 气液反应及反应器. 第一节 气液反应平衡. 6-1 气液相平衡 1 、平衡关系 : ； i 组分在气相与液相中的逸度相等。 液相为理想溶液 气相为理气 * 稀溶液（符合亨利定律）：. 6-1 气液相平衡. 若气相为 理想溶液 （ ）： 若气相为 理想气体 （低压下）： （ 6-4 ）； 或 （ 6-6 ）. 6-1 气液相平衡. 2 、
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第一节 气液反应平衡 • 6-1 气液相平衡 • 1、平衡关系: ； i组分在气相与液相中的逸度相等。 液相为理想溶液 气相为理气 * • 稀溶液（符合亨利定律）：
6-1 气液相平衡 • 若气相为理想溶液（ ）： 若气相为理想气体（低压下）： （6-4）； 或 （6-6）
6-1 气液相平衡 • 2、 （6-8） （6-9）
6-2 溶液中气体溶解度的估算 • 1、若溶液中有电解质： （6-10） • 式中：E0，H0 ——在水中的亨利系数、溶解度系数； • ，离子强度 • 2、若溶液中含有非电解质 • （6-11）
6-3 带化学反应的气——液平衡 1、 相平衡 化学平衡 HA + + • ; —活度系数 • 若气相为理想气体： • （6-14）
6-3 带化学反应的气——液平衡 • 讨论： • ①被吸收组分与溶剂相互作用（溶剂化作用，如水吸收氨）： 若气相为理想气体： • （6-15） • ②被吸收组分在溶液中离解: • （6-17）
6-3 带化学反应的气——液平衡 ③吸收组分与溶剂中活性组分作用： （6-18a） 式中， 表示化学反应气液平衡 ④若物理溶解量相对于化学转化量可忽略时： （6-19） 化学吸收时典型的气液平衡关系
6-3 带化学反应的气——液平衡 • 2、物理吸收与化学吸收比较
第二节 气—液反应历程 • 6-4 气—液相间物质传递： • 常见传质模型：双膜论；渗透论；表面更新论；湍流传质论。
6-5 化学反应在相间传递的作用 • 1、化学反应可忽略的过程： 当液相中反应量<<物理溶解量，可视为物理吸收过程。 如：对液相中进行的一级不可逆反应， 若 （6-24） 则可视为物理吸收； • 2、液相气体中进行缓慢化学反应过程： 化学反应不可忽略的过程 用无因次准数M表示液膜中化学反应与传递之间相对速率 大小，作为反应类别判据。判定化学反应是在膜中进行还是在 液相中进行（慢反应、快反应、瞬间反应、中速反应——反应 类型）
6-5 化学反应在相间传递的作用 • 3、化学吸收的增强因子 ： • 的作用：降低液相传质阻力的比例（增强液相传质系数的 倍数。）
第三节 气—液反应动力学特征 • 6-6 伴有化学反应的液相扩散过程： 液膜中，边扩散，边反应，进而形成浓度分布。如： 由微元内液膜物料衡算：
6-6 伴有化学反应的液相扩散过程 • 边界条件： • 界面上吸收速率（扩散速率）：
6-7 一级不可逆反应 • 1、 （6-36） • （6-37） • （6-38）
6-7 一级不可逆反应 = • 液相反应利用率（表示液相反应被利用的程度：若 低，则 表示由于受传递过程限制而使液相A浓度较界面大为降低）。 • 单位传质表面的液相容积（或厚度）与液膜容积 （或厚度）之比。
6-7 一级不可逆反应 • 2、有关讨论： 不同反应速率的化学吸收过程，其过程特征是不同的。 ①快速反应（ ）： 无关，加剧液相 湍动无效； 反应在液膜中进行完毕液相平均反应浓 度趋于0。
6-7 一级不可逆反应 • ②中速反应： • （ ） • 很小，反应既在液膜，又扩散至液相主体中进行。
6-7 一级不可逆反应 • ③缓慢反应（ ）
6-8 不可逆瞬间反应 • 1、反应仅在液膜内某一平面（反应面）上完成。 • 对 : • (6-45) • (6-46)
6-8 不可逆瞬间反应 • 2、临界浓度 ： ：反应面为界面时的 ，即吸收速率最大时的 当 ，反应面趋向于界面、 当 反应面到达界面、 （6-49）
6-8 不可逆瞬间反应 • 当 • 可见：
6-8 不可逆瞬间反应 • 二级不可逆反应： • 式中： ， • 瞬间反应增强因子：表征吸 收组分A与活性组分B的扩散速率相对大小。
6-8 不可逆瞬间反应 • ①虚拟一级快反应： 条件——液膜中B的扩散>>反应的消耗（B供应很充分，液膜中B的浓度可视为恒定） 即当 时， ②瞬间反应： 条件——k2很大，而B供应很不充分， 即当 时，
6-11 平行反应和连串反应 • 一、平行反应： 多种反应剂对一种气体的吸收过程（工业中常见）属此。 两种反应剂对同一种气体吸收的浓度分布的形式，因反应 类型不同而不同:
6-11 平行反应和连串反应 • 1、拟一级快反应： * 判别条件： 对任一反应剂Bi （6-63） 式中：判据 A与Bi间的反应吸收准数（Ha— 八田准数）
6-11 平行反应和连串反应 • 若A与各反应剂B间都为拟一级反应，则A组分的吸收增大因 子，可由一级不可逆反应公式计算： • 式中， （6-64） • 而一级（单吸收剂）： • 可见，增大因子较单一反应剂时要大，
6-11 平行反应和连串反应 • 2、瞬间不可逆反应 • 判别条件： （6-65） • * 若A与各反应剂间都为瞬间反应： • （6-66）
K2 K1 K1 K2 6-11 平行反应和连串反应 • 二、连串反应： • 1、与反应剂B间的连串反应： • ①若 ，（即B与C的反应速率为零），则为单一反应 的情况，据 可求得 • ②若 （即生成的C立即与B反应），则相当于 的情况
6-11 平行反应和连串反应 • ③若 ，则（ ）
K1 K2 6-11 平行反应和连串反应 • 2、与气相组分A的连串反应： • ， • *当 时， ；
第五节 鼓泡反应器 • 特点：气相高度分散在液相中（持液量大、相际接触面大、传质和传热效率高，适用于缓慢反应和大量放热情况）；结构简单，操作稳定，费用低。 缺点：液相返混较大；气相压降较大。 • 型式：按结构分： ①空心式（针对热效应较大）②多段式（克服液相返混） ③气体气提式 ④液体喷射式； ③④统称环流式——针对高黏物料，借循环运动强化传质， 有利固体悬浮。
6-14 鼓泡塔的操作状态 • 流动状态的三个区域： • 安静鼓泡区；湍流鼓泡区； 柱塞气泡流动区。 • （取决于DT，UOG—表观气速） • （气体分布器形式、液体物理化学性质、液相流速也影响）。
6-15 鼓泡反应器的流体力学特性 • 一、气泡直径及径向分布： • * Akita准数关联式计算气泡直径：（6-67） • dvs-Sauter平均直径 • * 径向分布：dB—塔内直径d处的气泡平均直径
6-15 鼓泡反应器的流体力学特性 • 二、鼓泡塔的气含率及径向分布： • * 气含率εG： • ①定义：塔内气液混合物中气体所占分率（体积） • ②关联式：（6-68）（DT>15cm） • ③关联图：Hughmark图（DT<15cm） • 径向分布：
6-15 鼓泡反应器的流体力学特性 • 三、鼓泡塔中液体循环速度： • 处，轴向循环速度为零； • （6-70）， • 中心上升液体速度，max • （6-71）， • 近壁处液体速度，max
6-15 鼓泡反应器的流体力学特性 • 四.环流反应器的气含率和合适尺寸：（6-72）
6-16 鼓流反应器的轴向混合 • 一、气相轴向混合： 气相轴向弥散系数：EGZ • 二、液相轴向弥散系数： ELZ（6-73），（6-74）鼓液塔液相可视为全混流。
6-17 鼓泡反应器的传质、传热特性 • 气膜传质与系数： • *给热系数 • 临界
6-18 鼓泡反应器的简化反应模型 • 气相反应物A和液相反应物B均为一级的气液反应： 一、气相为平推流，液相为全混流：（小直径鼓泡塔） • １、气相浓度与高度的关系： ①等压反应过程（塔高较低、或操作压力较高）：（6-81） 若为不可逆反应，且 为常量： （6-82）低气体浓度 (6-83) ②压力随塔高变化（塔高较高，或操作压力较低）：（6-85） 若为不可逆反应，且 为常量：（6-86） • 2、液相反应剂B的转化率： • ①液相为连续出料达定态时：（6-87） • ②液相为间歇加料和出料时：（6-88）
6-18 鼓泡反应器的简化反应模型 • 二、气相和液相均为全混流：（搅拌鼓泡反应器） • 1、连续操作：液相反应剂B浓度变化（CB1-CB2）：（6-89） • 2、半间歇操作： （6-90）
6-18 鼓泡反应器的简化反应模型 • 三、考虑气相轴向弥散的计算法：Levenspie1图。 • 液相为全混流，气相轴向部分返混 • 步骤： • ①先按气相为平衡流条件， 计算所需反应器高度Lp； • ②再用Fig6-24确定气相轴向 弥散条件下实际应增大的倍数。
第六节 搅拌鼓泡反应器 • 适用：气体与粘性液体或是悬浮溶液的反应系统。 • 特点：气体分散―靠机械搅拌（气体流率很小时，也能充分 分散；操作可靠，易于控制；放大容易，半间歇操作方便）
第六节 搅拌鼓泡反应器 • 型式：按气体导入方式分三种 • 强制分散：气体由搅拌器下的 各种静态予分布装置（如分气环， 多孔烧结板）导入。 • 自吸分散：借搅拌桨旋转形成的 低的背压，使气体经中空轴由液面 上方吸入。 • 表面充气分散：借快速表面搅拌形成的旋涡，夹带气体而使 液体表面充气；并由处于下方的轴流型搅拌器使气液混合均匀。
6-19 强制分散式搅拌鼓泡反应 • 搅拌器形式：盘式涡轮；斜式平板桨；螺旋桨。 • 搅拌器作用：液体混合，气体分散。
6-19 强制分散式搅拌鼓泡反应 • 一、操作区域和特征转速： • 操作区域： • 按不同搅拌速度，分五个区域； 合理操作区：区域2。 • 临界转速（最小转速）Nmin：使在区域2操作的最小转速。 • 液泛气速UoG，max：在一定转速下，防止冲破反应器中心区 的最大气速。
6-19 强制分散式搅拌鼓泡反应 • 二、传质与传热特性： • （气含率）； （气泡直径，Bubble）； • （传质系数）； （给热系数） • 三、搅拌器的功率消耗：功率降低系数
6-20 自吸式搅拌鼓泡反应器 • 型式：管式；扁平管式；叶轮式 • 性能：临界转速NC；吸气速率；
6-21 表面充气式搅拌反应器 • 液面下搅拌器：小型，轴向流，高速，表面充气。 • 距底部Dg搅拌器：轴向流，均匀分散。
6-22 反应器的热稳定性 • 1、搅拌或鼓泡搅拌反应器中的气液体反应： 热稳定性较单向反应更复杂——①多重定态数目更多，②影响固态更多（反应速率，传递速率，溶解度） • * 热平衡：（理想混合，单位气、液入料热容量为基准，定态） （6-114） • * 多态特征：（单－反应， 绝热式，连续操作，理想混合 型气液反应器）
