精细化工合成过程及设备 精细化工合成过程及设备 5.2.1气-液相反应器的选择、设计与评价.docVIP

5.2、气-液相反应器选型、设计与评价 5.2.1气-液相反应器的选择、设计与评价 气-液相反应属于非均相反应，在反应过程中必然伴有反应物质的传递过程。研究气-液相反应，首先要了解的是气-液相间的传质问题。相间传质理论主要有双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论，然而无论哪一种理论都未能说明气-液反应过程的全部问题。此外对实际过程用不同理论处理的结果大致都相同。因此，下面仍以双膜理论来处理气-液反应过程。 （一）双膜理论 双膜传质理论是刘易斯(W. K. Lewis) 和惠特曼（W. Whitman）于1924年提出的。薄膜理论在两个流体相界面两侧的传质中应用，是最经典的传质理论之一。 双膜理论的基本假设要点： ①在气液相界面两侧，各有一定厚度的气膜和液膜，气膜和液膜内的物质传递方式是分子扩散； ②扩散阻力全部集中在气膜、液膜内（分子扩散），而在气液相主体中不存在浓度梯度（端流扩散）； ③相界面的传质阻力可以忽略，气液达平衡，且服从亨利定律。 图5-5 双膜理论相际传质过程示意图 （5-1） 其中：~A组分在界面气相侧的分压，Pa； ~A组分在界面液相侧的浓度，kmol/m3。 按此假设，则反应物A从气相主体向液相主体传质的全过程，依次是从气相主体、气膜、相界面、液膜进入到液相主体的过程，相际的传质过程只是两层稳定边界膜的分子扩散，传质阻力只集中在两边界膜中，相际传质的总阻力只是气膜和液膜阻力的叠加。 设组分A的扩散速率为，则 扩散速率： （5-2） 其中：组分A的扩散速率，kmol/(h?m2); A传质面积，m2； PA气相主体中组分A的分压，Pa； CA,L液相主体中组分A的浓度，kmol/m3; 与气相主体中组分A的分压平衡的液相浓度，kmol/m3; 组分A在气膜中的分子扩散系数 组分A在液膜中的分子扩散系数，m2/h； 气膜有效厚度,m； 液膜有效厚度,m； 与液相主体中组分A浓度平衡分压，Pa； 组分A在气膜内的传质系数 组分A以分压表示的总传热系数 组分A以物质的量浓度表示的总传质系数，m/h； 组分A在液膜内的传质系数，m/h； 组分A的亨利常数 总传质系数与膜传质系数的关系为 （5-3） （5-4） 对于稳定扩散，液膜内z处，取dz微元体积，对组分A作物料衡算： 扩散进入的组分A量-扩散出去的组分A量=反应掉的组分A量 则有 （5-5） 对于物理吸收： 求解方程的边界条件： 代入边界条件，解出 （5-6） 液膜中随直线下降，在液膜内浓度梯度相等，组分A在液膜中的物理吸收速度，可通过气-液界面处的液体浓度梯度来计算，则可以得到 （5-7） 可见， 吸收速度与位置z无关。 （二）宏观动力学方程的建立 对于等温二级不可逆气-液反应 要实现这样的反应，需经历以下步骤： 1．气相反应物A由气相主体扩散到相界面，在界面上假定达到气液相平衡； 2．气相反应物A从气液相界面扩散入液相主体，并在液相内进行化学反应； 3．在液相主体内，液相产物沿浓度梯度下降方向扩散，气相产物则由液相主体扩散到相界面，再扩散到气相主体。 注：液相反应物B或催化剂不能挥发进入气相，只在液相中与A进行化学反应。 由于反应过程经历以上步骤，所以实现表现出来的反应速率是包括这些传递过程在内的综合反应速率，而不是纯粹的化学反应速率，这种速率关系就称为宏观动力学，用以与描述化学反应真实速率的一般反应动力学相区别。当传递速率远大于化学反应速率时，实际的反应速率就完全取决于后者，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，例如经过气膜或液膜的传递阻力很大时，过程速率就完全取决于该步的传递速率，叫做扩散控制。如果两者的速率具有相同的数量级，则两者都对过程速率具有显著的影响。 前已述及，对于组分A作物料衡算得 DA,L 同理，对于组分B作物料衡算得 DB,L 根据化学能力和扩散能力相对数值的不同，把气液相反应过程分为极快反应、快速反应、中速反应、慢速反应、极慢反应五种。 Hatta数可以作为气液相反应中反应快慢程度的判据，通过对上两式的计算得