多流体相的反应过程.pptVIP

第八章 多流体相的反应过程 多流体相反应过程是指同时存在两个或更多相态的反应系统所进行的反应过程。如气—液相、液－液相和气—液—固相等。本章主要介绍气液相反应过程及其反应器。 所谓气液相反应，是指气相中的组分必需进入到液相中才能进行的反应，反应组分可能是一在气相一在液相，也可能都在气相，但需进入含有催化剂的溶液中才能进行反应。 8.1 理论简述 （1）气-液相反应器定义：用来进行气-液相反应的装置称之。 （2）气-液相反应器用途:气-液相反应器主要应用于以下两个方面： ① 气体净化，即从气体原料或产物中除去有害的气体组分。众所周 知的化学吸收，就是气液相反应过程的一种。如合成氨生产中除去 二氧化碳，硫化氢等，以及从各种尾气中回收有用组分或除去有害 组分等。这些吸收过程伴有化学反应，故不同于物理吸收。 ② 制取某种化学品。如用乙烯与氧气通入PdCl2—CuCl2的醋酸水 溶液以制取乙醛；用氧气通入含醋酸锰的乙醛溶液以制取醋酸；乙 烯通入含三氯化铝的苯中合成乙苯；异丙苯空气氧化以制取过氧化 氢异丙苯、氯化石蜡和黑药的制备等都属气液相反应过程。 (4) 双膜理论 双膜理论也称双膜传质理论，亦称为双阻力理论或阻力叠加理论。双膜理论最早是由刘易斯（Lewis）和惠特曼（Whitman）在1923年提出来的。它把复杂的相际传质过程模拟成串联的两层稳定薄膜中的分子扩散。简单易懂，便于数学处理。 双膜理论假设 ① 气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜。静止膜是 很薄的静止层或层流层。 ② 气相组分向液相扩散时，必须先到达气液相界面，并在相界 面上达到气液平衡，即服从亨利定律。 ③ 在气膜之外的气相主体和液膜之外的液相主体中，达到完全 的混合均匀，即全部传质阻力都集中在膜内。 双膜理论的数学模型 若以NA表示组分A的物理吸收速率，即单位时间、单位相界面积吸收组分A的摩尔数，则： 我们也可以根据分子扩散理论写出它们的扩散速率方程（单位面积）： 8.2 伴有不可逆与可逆反应的传质 （1）气－液两相流反应系统的宏观动力学分析 在气-液相反应中，至少有一个反应组分存在于气相，它首先须通过相界面的传质进入液相，然后再与液相中的反应组分在液相中发生化学反应。如对于反应： 其宏观反应历程为： ① 反应组分A从气相主体向气液相界面扩散； ② 气态反应组分A在界面处溶解，并在界面上达气液相平衡； ③ 在界面处溶解的反应组分A从气液相界面向液相主体扩散，并 且同时与液相中的反应组分B发生化学反应； ④ 液相反应产物R向浓度下降方向扩散，气相产物D向界面扩散； ⑤ 气相产物D从界面向气相主体扩散。 气液相反应的宏观反应速率 由于气液相反应是一个多步骤反应过程，所以，其实际表现出来的反应速率是包适这些传递过程在内的综合反应速率，即宏观反应速率。 控制步骤 当传递速率远大于化学反应速率时，实际反应速率就完全取决于后者，这就叫做动力学控制；反之，如果化学反应的速率很快，而某一步的传递速率很慢时，这就叫做这一步的扩散控制。如果两者的速率具有相同数量级则两者都对过程速率具有显著影响。 所以，研究气液相反应，首先要了解的是气液相间的传质问题。再用传质模型来描述气液间的传质。 （2）气-液相反应分类 将双膜理论用于气-液相反应过程，根据扩散速率与反应速率的相对大小，可把气-液相反应分为四类： ① 极慢反应； ② 慢反应； ③ 快反应； ④ 极快反应（瞬间反应）。 瞬间反应的宏观动力学 快速反应，由于反应速率足够地快，以致于扩散进入到液相的反应组分尚在一个反应带内就已全部反应掉了，反应组分到达不了液相主体。 而瞬间反应，反应速率更快，以致于扩散进入到液相的反应组分A一旦与B接触，则立即被反应掉，A、B在液相中不能共存。只存在一个反应面。 在反应面上，至少有一个组分的浓度为零。整个过程的速率完全由传质过程控制。 ① 极慢反应的宏观动力学 极慢反应是指化学反应速率远远小于气膜、液膜的扩散速率的化学反应过程。反应极其缓慢，传质阻力可以忽略不计，在液相中组分A和B是均匀的，整个反应过程的反应速率完全取决于化学反应动力学。 ② 慢速反应的宏观动力学 慢速反应的反应速率缓慢，反应仍主要发生在液相主体，液膜中的反应量可忽略不计。但液相主体内的反应速率已经远大于A在液膜中传质速率。A的液膜扩散已经成为速率控制步骤。所以，整个过程的反应速率等于A的液膜扩散速率： ③