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1、會計學(xué)1氣液相反應(yīng)過程與反應(yīng)器氣液相反應(yīng)過程與反應(yīng)器2第1頁/共40頁3 液相：出總總邊界條件：相界面積BBB0BLLALALABLBAALALALABALABB,0:11dddd1ddccttcctSVVVSVcckcSVtcckVStNVtcii第2頁/共40頁4 積分上式，得：可以據(jù)此計算反應(yīng)時間。式中的各參數(shù)由經(jīng)驗方程計算。連續(xù)流動鼓泡塔計算出B0BALABLABAd1cciccckt出進(jìn)邊界條件：AAAAAA01ddYYHlYYlrlYF第3頁/共40頁5 上式的關(guān)鍵是YA與-rA的關(guān)系。是氣相組成，而反應(yīng)發(fā)生在液相中。因此涉及到傳遞現(xiàn)象，并且和液相的流型相關(guān)聯(lián)。鼓泡塔中流型復(fù)雜，存

2、在不同的區(qū)域，如安定區(qū)和湍動區(qū)。HYYlrYF0AAd1dAA出進(jìn)第4頁/共40頁6 氣液反應(yīng)的步驟：氣液相反應(yīng)反應(yīng)物和產(chǎn)物至少有一個存在于液相中，其中典型的是氣體的反應(yīng)吸收。更具有普遍意義：A(g)+B(l)=C(g)其宏觀反應(yīng)歷程為：1 A從氣相主體向氣液界面擴散；2 A在氣液界面處溶解于液相；3 溶解于液相的A向液相內(nèi)部擴散，在擴散的同時與液相中的B發(fā)生反應(yīng)；第5頁/共40頁7第6頁/共40頁8物理吸收過程的雙膜理論模型氣液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)分別存在滯留膜，組份通過在滯留膜中穩(wěn)定的分子擴散進(jìn)行傳質(zhì)，傳質(zhì)阻力完全存在于滯留膜中。第7頁/共40頁9 根據(jù)雙膜理論的物理模型，可

3、以寫出：ScHpkkHScHpkHktncHpkDScckSccDtnkDSppkSppDtniiiiiiALAALAGAAALAALAAGAAAAALALLAALALAALALLAAGAGGAAAGAAAGGAA11111dd)()(dd)()(dd由以上兩式可以推得：相界面處達(dá)到平衡根據(jù)亨利定律，第8頁/共40頁10 因此可以寫成：總括傳質(zhì)系數(shù)。示的分別是以氣相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAAGAA11111)()(ddKKkkHKkHkKScHpKScHpKtn第9頁/共40頁11 擴散物A在液膜中的化學(xué)反應(yīng)，使液膜較物理過程的液膜變薄，由 變?yōu)?。注意

4、液膜是流體力學(xué)特性，而變薄的液膜就不單純是流體力學(xué)的概念了。LLGLpApAicAcAiL第10頁/共40頁12 則：化學(xué)增強因子:ddddLLLLLALLLLALLALAALALAAAAAAAGAAkDDkccSktncHpppSktniiii第11頁/共40頁13一個化學(xué)增強因子。過程相比，僅相差傳質(zhì)系數(shù)。與物理吸收示的總括分別是以氣相和液相表和LAGALAGAALALAAGAGAALAALAALAALAALAAGAA11111)()()(ddKKkkHKkHkKScHpkScHpkScHpktn第12頁/共40頁14 在液膜內(nèi)取一微元體，在定常態(tài)下，對A組份作物料衡算（服從Fick擴散定

5、律）：第13頁/共40頁15LBBBAAB2B2LBLAAAAAAA2A2LAAAALAALA,;0dd,0BCddB,;,0BCdd0ddddddddccllclrlcDcclHpcclrlcDlSrllcclSDlcSDii：，亦有方程：同理，對液相反應(yīng)物：積累反應(yīng)擴散離開擴散進(jìn)入第14頁/共40頁16 模型分析：模型是以存在穩(wěn)定的膜為前提，即：不論氣液相主體如何擾動，相界面上滯留膜總是穩(wěn)定存在。隨著氣液相流動狀況的不同，氣液膜的厚度不同。強化傳質(zhì)要通過增加擾動改變膜厚度實現(xiàn)。傳質(zhì)與反應(yīng)速率的不同，得到不同的膜內(nèi)濃度分布。第15頁/共40頁17極慢反應(yīng)傳遞速率遠(yuǎn)比反應(yīng)速率快得多；液相中溶解

6、的A接近其飽和溶解度；化學(xué)反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行，反應(yīng)速率代表了A的傳遞速率。第16頁/共40頁18慢反應(yīng)反應(yīng)在液相主體中進(jìn)行，但速率較傳遞速率為大，液膜中的反應(yīng)可以忽略（即-rA視為0），與物理吸收相同。GLpApAicBcAcAi第17頁/共40頁19中速反應(yīng)反應(yīng)在液相主體與液膜中同時進(jìn)行：ALA2L2A2LA2A2LALAAAAAAA2A2LAdddd,;,0BCddcDkzclzkclcDcclHpcclrlcDii變?yōu)闉闊o因次長度，原方程令對一級反應(yīng)，：第18頁/共40頁20 令 方程轉(zhuǎn)變?yōu)椋喊颂飻?shù)膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)前有:LLALALALALA2LDkkkDDk shsh1sh,1,0ddA

7、LAAAAAAA22A2zczcccczcczczciLi此方程的解為：第19頁/共40頁21 繼續(xù)推導(dǎo)：ALAALAALAALAALALAALALLAALALLA0ALAAALAAchthchthchshchshchddddshch1chddccccccccccSkccSDccSDlcSDtnzczczciiiiiiili因此：第20頁/共40頁22 恒大于1。曲線下凹。八田數(shù)決定了,0,1(0，ch 1,/th 1)0dd2A2lcALAALAchthcccciiLA2LDkGLpApAicBcAcAidl第21頁/共40頁23 快速反應(yīng) 反應(yīng)僅發(fā)生在液膜區(qū)，組份在液膜區(qū)已全部反應(yīng)掉，在液

8、相主體區(qū)沒有A，因此液相主體中沒有反應(yīng)。th00ddALAAA2A2LA對一級反應(yīng)，可得：，邊界條件：clcclrlcDi第22頁/共40頁24cBi不一定為0，與 中速反應(yīng)的區(qū)別在于cAL為0，即在液相主體中沒有A。GLpApAicBLcAi第23頁/共40頁25 瞬時反應(yīng)過程 A與B之間的反應(yīng)進(jìn)行得極快，以致于A與B不能在液相中共存。在液膜區(qū)存在一個反應(yīng)面，此面上AB的濃度均為0。GLpApAicBLcAi反應(yīng)面R第24頁/共40頁26 反應(yīng)面左側(cè)，只有A，沒有B，因此，在此區(qū)域，為純物理擴散。反應(yīng)面右側(cè)，只有B，沒有A，因此，在此區(qū)域，亦為純物理擴散。iiclccclccllcARAiA

9、ARAA2A20,00ddBLBLBR2B2,0,0ddcclcllc第25頁/共40頁27 解之，得：反應(yīng)面的位置：RRLBLLRRBLRLBLBlcclccBLLALBRLRBAALALBRLBLBARABLBBAALAddddcDDcDDcclcDlcDii第26頁/共40頁28 代表了反應(yīng)面的位置，=1，反應(yīng)面在液膜位置上，反應(yīng)面與氣液界面重合。iiiicckkccDDccDDDDccABLLALBBAABLLALBBAABLLALBBARLLALBRLBLBARA1111第27頁/共40頁29 意味著B在液膜中的擴散遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A組份的擴散或B的濃度遠(yuǎn)大于A。在反應(yīng)面與氣液界面重合的情況

10、下，B組份在液相主體中的濃度稱為在氣相A分壓下的臨界濃度。若此時cBLcBL臨，液相中將不再有A。ALBLALAGAABBL臨AGAABBL臨LLB00pDDkkcpkcD第28頁/共40頁30只要是瞬時反應(yīng)過程，就存在反應(yīng)面，而反應(yīng)面的位置，取決于AB的濃度和擴散速率。反應(yīng)面向相界面移動，剛好接觸時的cBL即為cBL臨。不僅液相主體沒有A，而且連液膜內(nèi)也沒有A。GLpApAicBL臨cBLcBLcAi第29頁/共40頁31 氣液反應(yīng)動力學(xué)小結(jié) 兩個重要參數(shù)：化學(xué)增強因子和八田數(shù)。=f(，cAi,cAL),=f(k,DALL)宏觀反應(yīng)速率最終取決于反應(yīng)物A的反應(yīng)特性k，傳遞特性DAL和體系的流

11、體力學(xué)特性L。強化宏觀反應(yīng)速率需要提高k，DAL，減小L。當(dāng)然還與氣相傳遞特性有關(guān)。第30頁/共40頁32 決定了反應(yīng)是快是慢，是否存在反應(yīng)面，反應(yīng)在何處進(jìn)行。判據(jù)：2屬于瞬間反應(yīng)或快反應(yīng)過程；宜選用停留時間短的反應(yīng)器，如填料塔。0.02 2為中速反應(yīng)；反應(yīng)大量在液相主體進(jìn)行，宜選用持液量大的反應(yīng)器，如鼓泡塔。0.02屬于慢反應(yīng)。第31頁/共40頁33氣液反應(yīng)器氣液反應(yīng)器有許多類型，常見的有：第32頁/共40頁34 填料塔式反應(yīng)器計算 反應(yīng)器特點：液體沿填料表面向下流動，持液量??；氣液接觸界面近似等于填料表面積；氣液傳質(zhì)過程可以按雙膜理論計算。適用于瞬間反應(yīng)及快反應(yīng)過程。塔徑計算：取0.6-0

12、.8倍液泛速度為空塔操作氣速u，V為體積流量。uVd4內(nèi)第33頁/共40頁3512A12AAtAAAthmkmol:ddhmkmol:ddddddtnFYFtnAtnYYFAFYAAt因次：輸入輸出反應(yīng)傳遞 填料層高度計算 取塔內(nèi)微元高度dl對氣相作物料衡算：HF,YA出F,YA進(jìn)L,XA進(jìn)L,XA出dl第34頁/共40頁36 快反應(yīng)及瞬間反應(yīng)cAL=0，微元體內(nèi)的相接觸面積近似為填料面積：為填料比表面。氣相中的A分壓用比摩爾分率表示：ldSd42內(nèi)AAA1 YYPp總SkHkcHptnLAAGAALAAA1ddALALAAAGAAddccSkppSktnii第35頁/共40頁37 代入前式可

13、得：出進(jìn)出進(jìn)總內(nèi)出進(jìn)總內(nèi)在全塔為常數(shù)，得：積分上式并視邊界條件：AAAALAAGA2AAAALAAGA2ln140d114dYYYYkHkPdFHYYHlYYlYYYkHkPdFlA第36頁/共40頁38 kGA,kLA有經(jīng)驗公式可算。氣相視為平推流操作。由于視cAL=0，與液相流型無關(guān)。反應(yīng)級數(shù)體現(xiàn)在中。因為是快速反應(yīng)，傳質(zhì)阻力主要存在于氣膜之中。填料高度的最直接影響因素為摩爾流量、總壓、填料比表面及出入口濃度差。與物理吸收的差別僅在于。如果=1，相當(dāng)于用大量的液體吸收氣相中的A。第37頁/共40頁39 鼓泡塔式反應(yīng)器的計算 液相是連續(xù)相，氣相是分散相。鼓泡塔反應(yīng)器的操作分兩種，連續(xù)與半連續(xù)。所謂半連續(xù)是指液體一次加入，達(dá)到反應(yīng)要求后一次排出，而氣相連續(xù)通過。假定：氣相流動為平推流，氣體分壓隨高度呈線性變化。液相在塔內(nèi)為理想混合，物性參數(shù)不變。第38頁/共40頁40取反應(yīng)器內(nèi)任意橫截面對氣相進(jìn)行物料衡算：輸入輸出=反應(yīng)鼓泡塔反應(yīng)器適用于慢反應(yīng)過程，全部反應(yīng)發(fā)生在液相主體。ldlYA出F,YA入出進(jìn)邊界條件：AAAAAAtAAAtAt01ddd1dYYHlYYlrlYFlArYYFAFYA第39頁/共40頁