1、第八章 多流體相的反響過程l多流體相反響過程是指同時存在兩個或更多相態的反多流體相反響過程是指同時存在兩個或更多相態的反響系統所進展的反響過程。如氣響系統所進展的反響過程。如氣液相、液液相和液相、液液相和氣氣液液固相等。本章主要引見氣液相反響過程及其固相等。本章主要引見氣液相反響過程及其反響器。反響器。 l所謂氣液相反響，是指氣相中的組分必需進入到液相所謂氣液相反響，是指氣相中的組分必需進入到液相中才干進展的反響，反響組分能夠是一在氣相一在液中才干進展的反響，反響組分能夠是一在氣相一在液相，也能夠都在氣相，但需進入含有催化劑的溶液中相，也能夠都在氣相，但需進入含有催化劑的溶液中才干進展反響。才

2、干進展反響。 8.1 實際簡述實際簡述1氣氣-液相反響器定義：用來進展氣液相反響器定義：用來進展氣-液相反響的安裝稱液相反響的安裝稱之。之。2氣氣-液相反響器用途液相反響器用途:氣氣-液相反響器主要運用于以下液相反響器主要運用于以下兩個方面：兩個方面： 氣體凈化，即從氣體原料或產物中除去有害的氣體組氣體凈化，即從氣體原料或產物中除去有害的氣體組分。眾所周分。眾所周 知的化學吸收，就是氣液相反響過程的一種。如合成氨消知的化學吸收，就是氣液相反響過程的一種。如合成氨消費中除去費中除去 二氧化碳，硫化氫等，以及從各種尾氣中回收有用組分或二氧化碳，硫化氫等，以及從各種尾氣中回收有用組分或除去有害除去有

3、害 組分等。這些吸收過程伴有化學反響，故不同于物理吸收。組分等。這些吸收過程伴有化學反響，故不同于物理吸收。 制取某種化學品。如用乙烯與氧氣通入制取某種化學品。如用乙烯與氧氣通入PdCl2CuCl2的醋酸水的醋酸水溶液以制取乙醛；用氧氣通入含醋酸錳的乙醛溶液以制取溶液以制取乙醛；用氧氣通入含醋酸錳的乙醛溶液以制取醋酸；乙醋酸；乙烯通入含三氯化鋁的苯中合成乙苯；異丙苯空氣氧化以制烯通入含三氯化鋁的苯中合成乙苯；異丙苯空氣氧化以制取過氧化取過氧化氫異丙苯、氯化石蠟和黑藥的制備等都屬氣液相反響過程。氫異丙苯、氯化石蠟和黑藥的制備等都屬氣液相反響過程。3 3氣液相反響器氣液相反響器 型式簡介型式簡介G

4、GGGLLLLLLGGGLLLLGGGLLGGGLLG(4) 雙膜實際雙膜實際也稱雙膜傳質實際，亦稱為雙阻力實際或阻力疊加實際。雙膜實際最早是由劉易斯Lewis和惠特曼Whitman在1923年提出來的。它把復雜的相際傳質過程模擬成串聯的兩層穩定薄膜中的分子分散。簡單易懂，便于數學處置。雙膜實際假設 氣液相界面兩側各存在一個靜止膜：氣膜，液膜。靜止膜是 很薄的靜止層或層流層。 氣相組分向液相分散時，必需先到達氣液相界面，并在相界 面上到達氣液平衡，即服從亨利定律。 在氣膜之外的氣相主體和液膜之外的液相主體中，到達完全 的混合均勻，即全部傳質阻力都集中在膜內。 l雙膜實際的數學模型l假設以NA表

5、示組分A的物理吸收速率，即單位時間、單位相界面積吸收組分A的摩爾數，那么：LGZdzAPAiPAiCALCAC界面氣膜液膜()()AGAAAiLAAiALNkPPkCC根據亨利定律AiAAiPH C111AALAAALAAAAGALAGALAPCPH CHNHH kkkk()()AAGAAAALLAALAPNKPH CKCH11AGAGALAHKkk111LAAG ALAKHkk液相主體氣相主體8-6l我們也可以根據分子分散實際寫出它們的分散速率方程單位面積：()()AGALAAAiAiALGLDDNPPCC()AiALLCCA GG AGDkA LL ALDk8-3比較8-2和8-3可得：8

6、-48-2為濃度梯度溶質浸透實際、外表更新實際等非穩定態模型略。8.2 伴有不可逆與可逆反響的傳質1氣液兩相流反響系統的宏觀動力學分析 在氣-液相反響中，至少有一個反響組分存在于氣相，它首先須經過相界面的傳質進入液相，然后再與液相中的反響組分在液相中發生化學反響。如對于反響： 其宏觀反響歷程為： 反響組分A從氣相主體向氣液相界面分散； 氣態反響組分A在界面處溶解，并在界面上達氣液相平衡； 在界面處溶解的反響組分A從氣液相界面向液相主體分散，并 且同時與液相中的反響組分B發生化學反響； 液相反響產物R向濃度下降方向分散，氣相產物D向界面分散； 氣相產物D從界面向氣相主體分散。 (All g)+b

7、B( )D g)+R( )l氣液相反響的宏觀反響速率l 由于氣液相反響是一個多步驟反響過程，所以，其實踐表現出來的反響速率是包適這些傳送過程在內的綜合反響速率，即宏觀反響速率。l控制步驟l 當傳送速率遠大于化學反響速率時，實踐反響速率就完全取決于后者，這就叫做動力學控制；反之，假設化學反響的速率很快，而某一步的傳送速率很慢時，這就叫做這一步的分散控制。假設兩者的速率具有一樣數量級那么兩者都對過程速率具有顯著影響。l所以，研討氣液相反響，首先要了解的是氣液相間的傳質問題。再用傳質模型來描畫氣液間的傳質。 2氣-液相反響分類 將雙膜實際用于氣-液相反響過程，根據分散速率與反響速率的相對大小，可把氣

8、-液相反響分為四類： 極慢反響； 慢反響； 快反響； 極快反響瞬間反響。l 瞬間反響的宏觀動力學l快速反響，由于反響速率足夠地快，以致于分散進入到液相的反響組分尚在一個反響帶內就已全部反響掉了，反響組分到達不了液相主體。l而瞬間反響，反響速率更快，以致于分散進入到液相的反響組分A一旦與B接觸，那么立刻被反響掉，A、B在液相中不能共存。只存在一個反響面。l 在反響面上，至少有一個組分的濃度為零。整個過程的速率完全由傳質過程控制。(3) 根底方程 極慢反響的宏觀動力學極慢反響是指化學反響速率遠遠小于氣膜、液膜的分散速率的化學反響過程。反響極其緩慢，傳質阻力可以忽略不計，在液相中組分A和B是均勻的，

9、整個反響過程的反響速率完全取決于化學反響動力學。 LGZAPAiPAiCALC界面氣膜液膜BLC液相主體氣相主體(3) 根底方程AiAALAiAAPPCCHHmnLmnALBLf kCC1mnGmnALBLk C CmnAALBLNkCC8-20G反響系統氣含率Lf反響系統液含率 慢速反響的宏觀動力學 慢速反響的反響速率緩慢，反響仍主要發生在液相主體，液膜中的反響量可忽略不計。但液相主體內的反響速率曾經遠大于A在液膜中傳質速率。A的液膜分散曾經成為速率控制步驟。所以，整個過程的反響速率等于A的液膜分散速率：LGZAPAiPAiCALC界面氣膜液膜BLC()()AAaLAaAiALrNkCC()

10、AiLAaALAPkCH工業反響器氣膜阻力常可忽略。即有： AA iPP()()AAAaLAaALAPrNkCH0ALC()AAAaLAaAPrNkH當反響速率相對足夠大時，有 那么： 快速反響的宏觀動力學 對于快速反響，假設CB的濃度足夠高，那么液膜內CB的變化可以忽略。即CB=CBL。此時，由于反響速率足夠地快，以致于分散進入到液相的反響組分A尚在液膜內就已全部反響掉了，即反響組分A到達不了液相主體，整個化學反響全部發生在液膜內部，而在液膜內構成一個反響帶，在反響帶內A、B并存。所以，整個反響過程的速率主要受液膜內的傳質過程所控制。但由于液膜內存在化學反響，所以，其傳質速率并不等于其物理分

11、散速率： ()()AAaLAaAiALLAaAirNkCCkCl要確定其傳質速率，我們取液膜內單位相界面上的一個厚度為dZ的體積微元進展物料衡算單位時間內：2,2()0mnAAALALAm nABLdCdCd CDDdZkC CdZdZdZdZ 反響掉的量分散進入量分散出的量整理可得：2,2mnALAm nABLd CDkC CdZ00BAAidCZCCdZ00ALAdCZCdZ12(1)mnAABLLAdCkCCdZmD 利用邊境條件求解，初始BLCLGZdzAPAiPAiC0ALCAC界面氣膜液膜AAdCCdzdz反響帶p234l根據菲克定律寫出單位相界面上的分散速率：12()0(1)mn

12、AAiBLLAdCkCCZdZmD 102()(1)mnAALAZLAAiBLLAdCNDDkCCdZmD 12(1)mnLAAiBLAiDkCCCm顯然：12(1)mnLALAAiBLkD kCCm 仿照物理吸收速率寫為LAAikC8-1-26 8-1-27與純物理吸收速率比較1(0)ALAAiALNkCCl引入加強因子 ，令：L AL Akk那么有1L AAL AAkNkN液膜中存在化學反應時的傳質速率(化學吸收)純物理吸收時的傳質速率(物理吸收)所以，加強因子 實踐上表示的是在液膜中存在化學反響時化學吸收使純物理吸收的傳質速率增大的倍數，通常也稱之為加強系數。因此，對于快速反響，其速率方

13、程可表示為：1()AA aA aL AA irNNkCpsrr與催化劑的有效系數的定義相比較： 可看出其類似性。所以，求快速反響的實踐反響速度可轉化為求加強因子 的問題。 l加強因子l對零級、一級反響，上面物料衡算微分方程可直接求解，對于一級反響可得：12(1)mnL AA iB LL AL AL ADkCCmkkk對于快速反響，可直接按上式求出加強系數(因子)，再確定其實踐反響速率。/nL AB LL AnL AB LL ADkCkDkCT a n hk8-30T a n h8-26nL AB LL ADkCk稱為八田準數l八田準數(Hatta) l 從式8-26可以看出，加強因子 是八田準

14、數 的函數，只l要求到八田準數即可求出加強因子從圖8-5可查出。l八田準數 的物理意義l所以，八田準數反映的是化學反響速率和液膜傳質速率的相對大l小。八田準數越大，化學反響速率越大。類似于氣固相反響中的l梯爾模數。根據八田準數我們可判別反響類型。2222nnnL AA iB LLL AA iB LL AB LL AL AA iL AA iDk a CCkk a CCDk Ckka Cka CnA iB LLL AA ikCCaka C液 膜 最 大 可 能 的 反 應 速 率通 過 界 面 的 最 大 可 能 的 傳 質 速 率求供l根據八田準數判別反響類型l ，即為快速反響、極快反響的情況，

15、式8-1-33等價于式8-1-29。l 當 時，為中速反響；l 當 時，為慢速反響；l 當 時，為極慢反響。3,1,Tanh當0.230.020.2 0 .0 2 瞬間反響的宏觀動力學快速反響，由于反響速率足夠地快，以致于分散進入到液相的反響組分尚在一個反響帶內就已全部反響掉了，反響組分到達不了液相主體。而瞬間反響，反響速率更快，以致于分散進入到液相的反響組分A一旦與B接觸，那么立刻被反響掉，A、B在液相中不能共存。只存在一個反響面。 在反響面上，至少有一個組分的濃度為零。整個過程的速率完全由傳質過程控制。l當 時，傳質速率為: LGZAPAiPAiC界面氣膜反響面BLC液膜氣相主體液相主體(

16、)AiLBBLAGAAAiLALAAiLCDCNkPpDkCb11(1)LBBLLLAAiDCDbCLALLADk1(1)AiLBBLALALLAAiLLAAiCDCNDkCDbC(1)LBBLLAAiLAAiDCkCDbCLAAiLAAik Ck C(1)LBBLLAAiDCDbCl改動B組分在液相中的濃度，可改動反響面在液膜中的位置。l 當B組分的濃度增大到使反響面l與界面重合，此時B組分的濃度稱之l為當B的臨界濃度CBLC。屬氣膜控制l 當CBL CBLC ，屬氣膜控制。l 當氣膜阻力可忽略，屬B組分的l液膜控制。LGZAP界面氣膜BLBLCCC液膜氣相主體液相主體LGZAP界面氣膜BL

17、BLCCC液膜氣相主體液相主體LGZAP界面氣膜BLC液膜氣相主體液相主體(4) 反響速率的實驗測定理想的實驗室氣-液相反響器應滿足如下要求： 氣-液兩相均處于穩定操作形狀，并能消除分散阻力； 氣-液相界面大小可調； 液相體積大小可調； 反響溫度可調； 氣-液兩相進料組成及流量 可調。經過測定氣-液兩相進出口的 組成及流量，計算反響速率。PAVG，PA0CB0CB，CBVLVgSl氣-液相反響類型的判別快速反響變VL反響系統極慢反響慢速反響快速反響極快反響變S慢速反響快速反響極快反響變TL極快反響+經過調理相界面積S、液相體積VL和液相反響溫度TL調查其對反響速率的影響來進展判別。(5) 反響器型式的選擇氣-液相反響器型式的選擇根據 反響本身的動力學特性； 各種類型反響器的構造特點； 反響過程的工藝特性。反響過程的工藝特性主要思索系統的溫度、壓力、物料特性、操作特性延續或間歇等要素對反響器的要求。各類氣各類氣-液相反響的特點液相反響的特點反應類型反應類型主要反應區域主要反應區域反應性能要求反應性能要求極快反應液膜 大的相界面積 大氣相擴散系數快速反應液膜 大的相界面積 一定的液相體積 大液相擴散系數慢速反應液相主體 大的液相體積 較大相界面積 大液相擴散系數極慢反應液相主體 大的液相體積各類氣液相反響器的特點各類氣液相反響器的特點反應器型式反應器型式相界面積