化学反应工程(第三版)陈甘棠主编讲解.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 将二阶微分方程积分得到液膜中A的浓度分布为： 定常态操作时，单位界面上反应量等于扩散通量，即 将A的浓度分布对z求导后代入上式得 式中， ，称为液膜传质系数。 ，称为瞬间反应的增强系数。物理意义是气 液反应条件下组分A的消失速率与最大物理吸收速率 之比。 （8-16） （8-14） 式（8-15）中cAi是界面浓度，难以测定，工程设计中通常将其换算为容易测量的pA来表示的反应速率。因为， 上式可变换为 在相界面上，溶解达到平衡，气液组成符合亨利定律 则得 （8-18） （2）界面反应 液相中B的浓度足够大时，反应面位置与相界面重合，此时，A组分的消失速率取决于其在气膜中的扩散速率。该过程属于气膜控制过程。 反应面位置的判别 （8-19） 由 和 解得 若 ， ，则必为界面反应。 （3）拟一级快速反应 反应发生在液膜中，A可能在一定距离处反应完全，B浓度足够大，在反应区内可近似认为其浓度不变。 基础方程 边界条件 （8-28） 基础方程的特解为 （8-26） 式中，双曲正弦函数 膜内增强系数 γ又称为Hatta准数，或八田准数，其物理意义是： 因此，可由γ值判断反应快慢程度。 根据膜内组分A的浓度分布式就可求得宏观反应速率 （8-29） 式中， 称为一级不可逆气液反应的增强系数，其物理意义为 注意： 不同的气液反应，导出的增强系数形式不同。 γ0.02 极慢反应 β=1.0 0.02γ2 中速反应 β=γ/tanhγ γ3 快速反应 β=γ 图8-6 β－γ关系图 β与γ的关系见图8-6 （4）二级快速反应 反应在液膜内完成，A和B的浓度均随膜厚变化。 基础方程 边界条件 近似解 （8-25） 宏观速率方程 式（8-25）是隐式方程，可用试差法求解，也可查图8-5求其值。 （8-27） β-γ关系曲线 β =β∞ （5）拟一级中速反应 反应区域为液膜和液相主体，液膜中B浓度基本不变。 基础方程 边界条件 解析解 （8-22） 式中， ε是气相体积分率；a是单位气液混合物体积具有的相界面； δ是液膜厚度；aδ是单位体积中液膜的体积； （6）二级中速反应 反应区域为液膜和液相主体，液膜中B浓度随膜厚变化。 该类型的反应基础方程和边界条件与不可逆一级中速反应相同，方程无解析解，只有近似解。 （7）二级慢速反应 液膜中的反应量比液相主体中小得多，可以忽略不计。即由气相主体传入液相的A，完全在液相中反应，而气膜和液膜中的传质是纯物理过程。定常态操作时，通过气膜和液膜传递的A的量与液相主体中反应消耗的A的量相等，即， 式中，a是单位液相体积具有的相界面。 pA*是与cAL成平衡的气相分压。 （8-34） （8）极慢反应 扩散速率远大于反应速率，传质阻力可忽略，属于反应控制，气液相宏观反应速率等于液相主体中的本征反应速率。 此过程可以直接运用本征动力学方程进行计算。 小结 （1）气液反应宏观速率可表示为 不同的反应，β的表达式不同。 β 值可查图8-5求得。 （8-20） β-γ关系曲线 8.2.4 气液相反应器选型 反应器选型一般要考虑如下因素： ①气液接触形式 塔式设备中气体、液体均可近似看成活塞流，采用逆流接触方式具有最大的推动力；鼓泡塔中气体呈活塞流，液体近似为全混流；搅拌釜中气、液两相均可看成全混流。 ②相间传质系数kGA、kLA 液体呈滴状处于连续的气相中kGA较高， kLA较低；气体呈上升的气泡通过连续的液相时kLA较高， kGA较低。 ③气、液流动速率 除填料塔以外的其他气液反应器液速/气速比可在较大范围内调节而不影响操作；填料塔的液速/气速比在常压下一般控制在10左右。 ④气液反应控制步骤 传质控制的快反应应选择具有高相界面的设备，但要注意结合考虑传质系数的影响；反应控制的慢反应选用具有高液含率的釜式设备或鼓泡塔。 例：二级气液反应A+B R，-rA=20CACB mol/cm3·s，已知DAL=2.0