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化学反应工程-第六章 气液反应工程.ppt 70页

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在过程工业中,采用化学吸收进行气体净化和气-液反应,气-液反应是气相中某组分与液相溶剂产生化学反应而生成另一种液相产物,广泛用于有机物的氧化、氯化、加氢等反应,主要采用填料反应器和鼓泡反应器。
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如为不可逆反应,KGa为常量,则: 上述各式表示了气相浓度和高度的关系。至于液相产品,需由气-液相间物料衡算获得。 当液相为连续出料,达定态时,则 当液相为间歇加料和出料,即为非定态的半间歇过程,则 由于y2随时间t而变,故需对时间积分,即 需联立求解,方可求出xB随t的变化。 2. 气相和液相均为全混流 此情况符合搅拌鼓泡反应器的情况。如果是连续操作,则浓度变化为 如果是半间歇操作,则 积分可得 由于KG和CBL有关,而y2随t而变,因此,上式需数值积分。 3. 考虑气相轴向弥散的计算法 液相为全返混而气相可用轴向弥散模型,对不可逆反应,液相主体cAL=0,即 第六节 填料反应器 填料特性和两相流动特征 填料的润湿表面和传质系数 填料反应器的轴向混合 气-液接触有效表面 填料反应器有效高度的计算 填料吸收反应器虽然存在较为严重的气、液相各自的返混,但是由于此返混尚未有较好的模型加以预计,至今,工程上应用的设计计算方法仍是假定气、液两相均呈平推流状态,然后将设计计算结果再考虑一定的安全系数,当然,此安全系数具有较大的经验性。 在气、液相处于平推流状态下,填料吸收反应器的所需高度L可由微元高度dZ的微分速率式积分而得 则塔高 由于在整个塔高的区间内气、液相温度和浓度一般均有变化,为此,需进行物料衡算求出气相组分和液相组分变化间的定量关系.然后,进行热衡算,确定液相温度的相应变化。最后,根据液相组分浓度和温度,计算平衡分压,即确定实际吸收过程平衡线。并根据个别不同的反应模型,确定沿塔高不同点的增大因子和相应的气膜和液膜传质系数。确定KG,再进行图解积分,求得计算塔高。 几种较为简单的气、液吸收系统 1. 全塔处于气膜控制 当反应为瞬间反应且液相中活性组分B的浓度大于临界值时;或快速反应且很快时,全塔处于气膜控制(即KG=kG)。此时,设计计算方法和物理吸收相近。 例如,当气体中被吸收组分较低时, 如果液流主体中,即可认为不可逆吸收时,得 式中GG为吸收塔中气体的空塔摩尔流率。 多数碱性溶液的脱硫过程,铜液吸收CO和O2的过程和有过量反应剂的强酸和氨中和过程经常会出现这种气膜控制的情况。 2. 快速虚拟一级不可逆反应 快速虚拟—级不可逆反应系统,反应在膜内完成,其增强因子 由于吸收塔内液流主体中活性组分浓度cBL沿塔高面变化,因而也随之而改变。若考虑到cBL在塔内的变化,可得等温逆流操作的塔高L的计算式为: 四、二级不可逆反应 不可逆二级反应: A+νBB→Q 必须考虑B在液膜中的变化。其浓度变化见图6-7。 x 液流主体 cAi cBi cBL cAL 此情况不能直接得到解析解,常用的是液流主体反应进行完毕(cAL=0)情况下的近似解。 此近似解基于吸收剂组分B不挥发,在界面 。 近界面反应区的B浓度可近似认为不变,取界面cBi的数值。 对二级不可逆反应,增强因子可表示为: 结合微分方程,可得: 积分两次,代入相应的边界条件可得: 将上两式消去cBi得: βi为瞬间反应增强因子,它表征了吸收组分A与活性组分B的扩散速率的相对大小。 两种极端情况: 如果液膜中B的扩散远大于反应的消耗,则液膜中组分B的浓度可认为恒定值,这就成为虚拟一级快反应。当 时,其增大因子β落在图6-8中45°斜线之上,即按虚拟一级快反应 来计算; 如果反应速率常数kL很大,而组分B的供应又很不充分时,若 ,此时二级反应过程可作瞬间反应来处理,由图可见,此时落在右面的水平线上,而且在数值上 β = βi。 五、可逆反应 1. 组分B、Q的浓度作常量处理 A+B Q 当液流主体组分B和Q的浓度较大,在液膜中可视为常量时: 边界条件: 以 代替cA,可解得: 2. 一级可逆快反应 当cB=cBL,可简化为A组分和Q组分两个微分方程: 对于此类反应,膜式理论的增大因子可表示为: K1→0时,β=1;当K1→∞时, ,则成为一级不可逆的情况; 当 ,则为瞬间可逆反应情况, 。 3. 瞬间可逆反应 瞬间可逆反应在液相中任一点处反应都达到了平衡状态。 边界条件: 积分两次得: 由边界条件得: 由于组分A在界面上就达到反应平衡,于是组分A的吸收速率应该等

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