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化学反应工程_第六章_气液反应工程 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望目目 录录u 第一节气液反应平衡第一节气液反应平衡u 第二节气液反应历程第二节气液反应历程u 第三节气液反应动力学特征第三节气液反应动力学特征u 第四节气液反应器概述第四节气液反应器概述u 第五节第五节 鼓泡反应器鼓泡反应器u 第六节第六节 填料反应器填料反应器第六章气液反应及反应器第六章气液反应及反应器u 气气液液相相反反应应器器的的定定义义：包包括括气气相相和和液液相相，且且气气相相中中的的组组分必须进入到液相中才能进行的反应。分必须进入到液相中才能进行的反应。u 进行气液相反应的装置：气进行气液相反应的装置：气液相反应器。液相反应器。u 基本特征：基本特征：（1）至少有一反应物在气相；）至少有一反应物在气相；（2）反应物都是气相，但须进入液相催化才能进行反应；）反应物都是气相，但须进入液相催化才能进行反应；（3）气气液液相相反反应应属属于于非非均均相相反反应应，气气相相反反应应物物必必须须经经过过相相界界面面进进入入液液相相，于于是是不不仅仅包包括括反反应应过过程程，还还包包括括传传质质过过程程。p 有机物氧化有机物氧化p 有机物氯化有机物氯化p 有机物加氢有机物加氢p 其他有机反应其他有机反应p 酸性气体的吸收酸性气体的吸收p 合成产物合成产物 气气液液相相反反应应器器的的操操作作条条件件不不是是很很苛苛刻刻，液液相相的的蒸蒸发发和和流流动动可可把把热热量量带带出出，易易于于实实现现传传热热和和传传质质，另另外外由由于于高高效效催催化化剂剂的的开开发发，使使气气液液相相反反应应器器应应用用较较广广泛。泛。第六章气液反应及反应器第六章气液反应及反应器n相似点：相似点：反应物历程：外扩散反应物历程：外扩散内扩散内扩散反应。反应。气相的扩散反应过程气相的扩散反应过程气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应）气体在多孔介质内的扩散（气固相催化反应）溶解的气体在液体内的扩散（气液相反应）溶解的气体在液体内的扩散（气液相反应）n差别点：差别点：（1）单相传质过程）单相传质过程 VS 相间传质过程相间传质过程 （气固相催化反应）（气固相催化反应）（气液反应）（气液反应）（2）对流传质）对流传质 VS 孔扩散传质孔扩散传质气液反应与气固相催化反应的异同气液反应与气固相催化反应的异同 A:C=5mol/L C=3mol/L B:C=5mol/L C=3mol/L传质方向传质方向GasGasPorous SolidLiquid 气液反应的相平衡关系如下，包括气液相平衡和气液反应的相平衡关系如下，包括气液相平衡和化学反应平衡，先讨论相平衡。化学反应平衡，先讨论相平衡。设气相中组分设气相中组分i溶解于液相中，当气液相平衡时，组溶解于液相中，当气液相平衡时，组分分i在气相和液相中的逸度相等，即在气相和液相中的逸度相等，即第一节第一节 气液反应平衡气液反应平衡 式中：式中：i的摩尔分率的摩尔分率i的逸度系数的逸度系数(6-1)(6-2)一、气液相平衡一、气液相平衡对于稀溶液，可用亨利定律表示：对于稀溶液，可用亨利定律表示：式中：式中：亨利系数亨利系数i在液相中的摩尔分率在液相中的摩尔分率 1.气液平衡的一般关系为：气液平衡的一般关系为：(6-3)一、气液相平衡一、气液相平衡1)气相为理想气体气相为理想气体，气液相平衡关系为：，气液相平衡关系为：溶剂摩尔浓度溶剂摩尔浓度溶解度系数溶解度系数式中：式中：低压下：低压下：2.Hi和和Ei的关系的关系对于稀溶液，对于稀溶液，M近似等于溶剂的分子量近似等于溶剂的分子量M0，可得，可得Hi 和和Ei的近似关系：的近似关系：式中式中，溶液密度，溶液密度，M溶液平均分子量溶液平均分子量3.i、Ei 和温度的关系和温度的关系 i 在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。在溶液中的偏摩尔容积，可查文献得到。4.i、Ei 和压力的关系和压力的关系 亨亨利利定定律律只只适适用用于于稀稀溶溶液液和和纯纯溶溶剂剂，但但在在工工业业生生产产过过程程中中，液液相相中中含含有有电电解解质质和和非非电电解解质质，亨亨利利定定律律并并不不适用。适用。二、溶液中气体溶解度的估算二、溶液中气体溶解度的估算1.电解质溶液的电解质溶液的式中式中E0、E为气体在水中和在电解质溶液中的亨利系数；为气体在水中和在电解质溶液中的亨利系数；H0、H为气体在水中和在电解质溶液中的溶解度系数；为气体在水中和在电解质溶液中的溶解度系数；I1、I2为溶液中各电解质的离子强度，为溶液中各电解质的离子强度，其中其中ci为离子浓度，为离子浓度，Zi为离子价数；为离子价数；h1、h2为为溶溶液液中中各各电电解解质质所所引引起起的的溶溶解解度度降降低低系系数数，其其数数值值为为 ，其其中中h+、h-、hG分分别别为为该该电电解解质质正正、负离子及被溶解的气体引起的数值。负离子及被溶解的气体引起的数值。式中式中 hs 为非电解质溶液为非电解质溶液盐效应系数盐效应系数，；Cs 为非电解质的浓度，为非电解质的浓度，。盐效应系数随分子量增大而增加，可查表而得。盐效应系数随分子量增大而增加，可查表而得。2.非电解质溶液的非电解质溶液的 二、溶液中气体溶解度的估算二、溶液中气体溶解度的估算三、带化学反应的气三、带化学反应的气液相平衡液相平衡 气气体体A与与液液相相组组分分B发发生生化化学学反反应应，则则A组组分分既既遵遵从从相相平平衡衡关关系系又又遵遵从从化化学学平平衡衡关关系系。设设溶溶解解气气体体A与与液液相相中中B发发生生反应，则可表示为反应，则可表示为 由化学平衡常数可写出由化学平衡常数可写出由相平衡关系式可得由相平衡关系式可得当气相是理想气体混合物时，上式为当气相是理想气体混合物时，上式为三、带化学反应的气三、带化学反应的气液相平衡液相平衡 为为了了较较深深入入地地阐阐明明带带化化学学反反应应的的气气液液平平衡衡关关系系，下下面面分分几种类型来分析。几种类型来分析。1.被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分与溶剂相互作用 三、带化学反应的气三、带化学反应的气液相平衡液相平衡 设被吸收组分设被吸收组分A在溶液中总浓度为在溶液中总浓度为 ，即，即 可可得得 。联联合合理理想想气气体体亨亨利利定定律律 ,整理得整理得 当当A为为稀稀溶溶液液时时，溶溶剂剂B是是大大量量的的，与与 表表观观上上仍仍遵遵从从亨亨利利定定律律，但但溶溶解解度度系系数数较较无无溶溶剂剂化化作作用用时时增大增大(1+)倍。倍。如如水吸收氨水吸收氨即属此例。即属此例。1.被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分与溶剂相互作用2.被吸收组分在溶液中离解被吸收组分在溶液中离解 由由反反应应平平衡衡，当当溶溶液液中中无无其其他他离离子子存存在在时时，则，则 A的总浓度的总浓度 ，由，由 ，则得则得该式表示该式表示A组分的溶解度为物理溶解量与离解量之和。组分的溶解度为物理溶解量与离解量之和。如如水吸收二氧化硫水吸收二氧化硫即属此类型。即属此类型。2.被吸收组分在溶液中离解被吸收组分在溶液中离解3.被吸收组分与溶剂中活性组分作用被吸收组分与溶剂中活性组分作用 设溶剂中活性组分起始浓度为设溶剂中活性组分起始浓度为 ，若组分，若组分B的转化率为的转化率为 ，此时此时 ，由化学平衡关系，由化学平衡关系 将气液平衡关系将气液平衡关系 引入，则引入，则 液相总的液相总的A组分浓度组分浓度式式中中 为为平平衡衡常常数数Kc与与溶溶解解度度系系数数HA的的乘乘积积，表征带化学反应的气表征带化学反应的气-液平衡特征。液平衡特征。如如果果物物理理溶溶解解量量相相对对于于化化学学转转化化量量可可以以忽忽略略时时，则则 该式为化学吸收典型的气液平衡关系。该式为化学吸收典型的气液平衡关系。3.被吸收组分与溶剂中活性组分作用被吸收组分与溶剂中活性组分作用 与与物物理理吸吸收收 的的关关系比较如下：系比较如下：物物理理吸吸收收时时，气气体体的的溶溶解解度度随随分分压压呈呈直直线线关关系系；而而化化学学吸吸收收则则呈呈渐渐近近线线关关系系，在在分分压压很很高高时时，气气体体的的溶溶解解度度趋趋近近于于化化学学计计量量的的极极限限；物物理理吸吸收收宜宜应应用用于于高高分分压压的的情情况况下下，而而化化学学吸吸收收宜宜应应用用于于低低分压的情况下。分压的情况下。与物理吸收与物理吸收 的关系比较如下：的关系比较如下：对对各各种种气气体体的的溶溶解解度度的的高高低低，物物理理吸吸收收主主要要体体现现在在H的的数数值值上上，而而化化学学吸吸收收则则不不同同，取取决决于于 (的的乘乘积积)的的数数值值，即除了即除了HA值外，化学平衡常数值外，化学平衡常数Kc更具有特殊的选择性。更具有特殊的选择性。物物理理吸吸收收溶溶解解热热较较小小，仅仅数数千千焦焦耳耳每每摩摩尔尔之之内内，而而化化学学吸吸收收溶溶解解热热高高达达数数万万焦焦耳耳每每摩摩尔尔，因因此此，温温度度改改变变对对化化学学吸吸收收平衡的影响较物理吸收时更为强烈。平衡的影响较物理吸收时更为强烈。一、气液相间物质传递一、气液相间物质传递传质模型：传质模型：双膜论双膜论 Higbie渗透论渗透论 Danckwerts表面更新理论表面更新理论 湍流传质论湍流传质论双膜论：双膜论：气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜气液相界面两侧各存在一个静止膜：气膜，液膜 传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率。传质速率取决于通过液膜和气膜的分子扩散速率。假设：假设：扩散组分在气液界面处达到气液相平衡。扩散组分在气液界面处达到气液相平衡。第二节气液反应历程第二节气液反应历程双膜理论双膜理论G LpGpiCLCi扩散系数与扩散尺度的比值扩散系数与扩散尺度的比值传质系数阻力的倒数传质系数阻力的倒数在界面上在界面上DG和和DL分别表示组分在气体和液体中的分子扩散系数。分别表示组分在气体和液体中的分子扩散系数。上两式消去界面条件上两式消去界面条件ci 和和pi，可得吸收速率，可得吸收速率 而而 上列各式中：上列各式中：p*为与液相为与液相cL相平衡的气相分压，相平衡的气相分压，MPa；c*为与气相为与气相pG相平衡的液相浓度，相平衡的液相浓度，；、分别为气膜和液膜的有效厚度，分别为气膜和液膜的有效厚度，m；kG、kL分别等于分别等于 和和 ；DG和和DL分别表示组分别表示组 分在气体和液体中的分子扩散系数，分在气体和液体中的分子扩散系数，m2/s；表表6-6 常见传质模型的主要特征常见传质模型的主要特征二、化学反应在相间传递中的作用二、化学反应在相间传递中的作用 按化学反应和传递的相对大小区分为各种情况按化学反应和传递的相对大小区分为各种情况1.化学反应可忽略的过程化学反应可忽略的过程液相中的反应量与物理吸收的量相比可忽略液相中的反应量与物理吸收的量相比可忽略VACAVR 液膜中的反应量远小于通过液膜传递的量，绝大部分在液液膜中的反应量远小于通过液膜传递的量，绝大部分在液相主体内完成，判别条件为：相主体内完成，判别条件为：液膜中反应量液膜中反应量 11DEED4.化学吸收的增强因子化学吸收的增强因子反应速率越快，反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，浓度分布曲线越弯曲，则则数值越来越大。数值越来越大。无反应时的浓度梯度无反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度DD的斜率的斜率DE的斜率的斜率11DEED4.化学吸收的增强因子化学吸收的增强因子11反应速率越快，反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，浓度分布曲线越弯曲，则则数值越来越大。数值越来越大。无反应时的浓度梯度无反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度DD的斜率的斜率DE的斜率的斜率4.化学吸收的增强因子化学吸收的增强因子11DEEDDEED反应速率越快，反应速率越快，浓度分布曲线越弯曲，浓度分布曲线越弯曲，则则数值越来越大。数值越来越大。无反应时的浓度梯度无反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度有反应时的浓度梯度DD的斜率的斜率DE的斜率的斜率114.化学吸收的增强因子化学吸收的增强因子化学吸收增强因子化学吸收增强因子1，降低液相传质阻力所占比例。，降低液相传质阻力所占比例。足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定。足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定。4.化学吸收的增强因子化学吸收的增强因子第三节气液反应动力学特征第三节气液反应动力学特征一、伴有化学反应的液相扩散过程一、伴有化学反应的液相扩散过程讨论气体在液膜中边扩散边反应的过程讨论气体在液膜中边扩散边反应的过程dxx通过通过“扩散反应扩散反应”方程来确定浓度方程来确定浓度分布，进而确定化分布，进而确定化学吸收增强因子学吸收增强因子dxxdxx扩散入扩散出反应扩散入扩散出反应微元微元液膜液膜边界条件边界条件注意，化学吸收速率为：注意，化学吸收速率为：所以，解出扩散反应方程之后，就能得出化学吸收速率所以，解出扩散反应方程之后，就能得出化学吸收速率（实际就是气液反应的宏观动力学）（实际就是气液反应的宏观动力学）对于对于B，在液膜内的扩散反应方程为：，在液膜内的扩散反应方程为：二、一级不可逆反应二、一级不可逆反应反应扩散方程反应扩散方程将此方程进行无因次化将此方程进行无因次化液相反应利用率液相反应利用率（气液反应中有效因子）（气液反应中有效因子）有内扩散影响时的反应速率有内扩散影响时的反应速率无内扩散影响时的反应速率无内扩散影响时的反应速率CAiCALCALCAi二、一级不可逆反应二、一级不可逆反应值的大小是对液相利用程度的一种度量：值的大小是对液相利用程度的一种度量：=1表示化学反应在整个液相中均匀进行；表示化学反应在整个液相中均匀进行；反应的消耗（反应的消耗（B供应很充分，液膜供应很充分，液膜中中B的浓度可视为恒定）的浓度可视为恒定）即当即当 时，时，n瞬间反应：瞬间反应：条件条件 kL很大，而很大，而B供应很不充分，供应很不充分，即当即当 时，时，四、二级不可逆反应四、二级不可逆反应五、可逆反应五、可逆反应即简化为一级不可逆反应。即简化为一级不可逆反应。可逆反应的吸收过程比较复杂，下面讨论几种特殊情况。可逆反应的吸收过程比较复杂，下面讨论几种特殊情况。1.组分组分B、Q的浓度作常量处理的浓度作常量处理2.一级可逆快速反应一级可逆快速反应 扩散反应扩散反应 3.瞬间可逆反应瞬间可逆反应为瞬间可逆反应，反应在液膜中任一点都达到了平衡状态，为瞬间可逆反应，反应在液膜中任一点都达到了平衡状态，则按化学计量关系，液膜中的扩散反应方程为则按化学计量关系，液膜中的扩散反应方程为 设反应设反应六、平行反应六、平行反应 多种反应剂对一种气体的吸收过程（工业中常见）属此。多种反应剂对一种气体的吸收过程（工业中常见）属此。两种反应剂对同一种气体吸收的浓度分布的形式，因反应类两种反应剂对同一种气体吸收的浓度分布的形式，因反应类型不同而不同：型不同而不同：1、拟一级快反应：、拟一级快反应：判别条件：判别条件：（对任一反应剂（对任一反应剂Bi）式中：判据式中：判据 A与与Bi间的反应吸收准数间的反应吸收准数 （Ha-八田准数）八田准数）六、平行反应六、平行反应 2、瞬间不可逆反应、瞬间不可逆反应 判别条件：判别条件：若若A与各反应剂间都为瞬间反应：与各反应剂间都为瞬间反应：六、平行反应六、平行反应第四节气液反应器概述第四节气液反应器概述（1）较高的生产强度）较高的生产强度（2）有利于反应选择性的提高）有利于反应选择性的提高（3）有利于降低能量消耗）有利于降低能量消耗（4）有利于反应温度的控制）有利于反应温度的控制（5）应能在较少流体流率下操作）应能在较少流体流率下操作一、工业生产对气液反应器的要求一、工业生产对气液反应器的要求（a）气膜控制情况（）气膜控制情况（H很大）很大）气相容积传质系数大的反应器：气相容积传质系数大的反应器：液体高度分散；液体高度分散；气体高速湍动。气体高速湍动。喷射、文氏等反应器喷射、文氏等反应器（1）应具备较高的生产强度）应具备较高的生产强度喷射或文氏反应器喷射或文氏反应器（b）快速反应情况（）快速反应情况（M准数远大于准数远大于1）反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行；中进行；要求反应器：表面积较大，具备一定的液要求反应器：表面积较大，具备一定的液相传质系数。相传质系数。填料反应器和板式反应器填料反应器和板式反应器（1）应具备较高的生产强度）应具备较高的生产强度（1）应具备较高的生产强度）应具备较高的生产强度（c）慢速反应情况（）慢速反应情况（M准数远小于准数远小于1）反应基本上是在液相主体中进行，反应基本上是在液相主体中进行，要求反应器：液相反应容要求反应器：液相反应容积较大。积较大。鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器鼓泡反应器和搅拌鼓泡反应器对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应，而要抑对于多重反应，选择的反应器要有利于主反应，而要抑制副反应。制副反应。平行副反应：如主反应快于副反应，则采用储液量较少平行副反应：如主反应快于副反应，则采用储液量较少的反应设备。的反应设备。连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇。连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇。（2）有利于反应选择性的提高）有利于反应选择性的提高 反反应应热热的的回回收收，压压力力能能的的回回收收，分分散散液液体体所所需需要要的的动力。动力。如如图图，就就造造成成相相同同比比表表面面积积而而言言，喷喷射射吸吸收收器器所所需需的的能能耗耗最最小小，其其次次是是搅搅拌拌反反应应器器和和填填料料塔塔，文文氏氏管管和和鼓鼓泡泡反反应应器器所所需需的的能能耗耗最大。最大。（3）有利于降低能量消耗）有利于降低能量消耗（4）有利于反应温度的控制）有利于反应温度的控制n气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热控制好气液反应大部分是放热反应，如何排除反应热控制好操作温度是十分重要的。操作温度是十分重要的。n例如板式塔可以安置冷却盘管，但在填料塔中，排除例如板式塔可以安置冷却盘管，但在填料塔中，排除反应热就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把湿热反应热就比较麻烦，通常只能提高液体喷淋量把湿热带走，但动力消耗大量提高。带走，但动力消耗大量提高。（5）应能在较少流体流率下操作）应能在较少流体流率下操作n液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小，但液体液体流率小，液相转化率高，动力消耗也小，但液体流率的大小应符合反应器的基本要求。流率的大小应符合反应器的基本要求。n填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。二、气液反应器的形式和特点二、气液反应器的形式和特点气相液相举例I分散连续鼓泡反应器板式反应器II连续分散喷雾反应器文氏反应器III连续膜状连续填料反应器降膜反应器（1）填充床反应器填充床反应器(packed column reactor)LLGG用于气液反应时，也可以并流操作用于气液反应时，也可以并流操作特点：特点：u具具有有操操作作适适应应性性好好、结结构构简简单、能耐腐蚀等优点；单、能耐腐蚀等优点；u广广泛泛应应用用于于带带有有化化学学反反应应的的气体净化过程；气体净化过程；u适用于快速和瞬间反应过程。适用于快速和瞬间反应过程。格利奇格利奇(Glitsch)填料填料麦拉派克麦拉派克(Mellapark)填料填料（2）板式反应器）板式反应器(tray column reactor)LLGG筛板情况筛板情况特点：特点：u可以将轴向返混降低至最小程度；可以将轴向返混降低至最小程度；u在单塔中获得极高的液相转化率；在单塔中获得极高的液相转化率；u并并可可安安装装冷冷却却或或加加热热元元件件，维维持持所所需的温度；需的温度；u适用于快速和中速反应过程。适用于快速和中速反应过程。u缺点：气相流动压降较大。缺点：气相流动压降较大。（3）降膜反应器）降膜反应器(falling film reactor)LLGG特点：特点：u具有压降小和没有返混的优点；具有压降小和没有返混的优点；u适用于快速和瞬间反应过程；适用于快速和瞬间反应过程；u降降膜膜管管的的安安装装垂垂直直度度要要求求较较高高，液液体成膜和均布是降膜塔的关键问题。体成膜和均布是降膜塔的关键问题。u适宜于较大热效应的加工过程。适宜于较大热效应的加工过程。（4）喷雾反应器）喷雾反应器(spray column reactor)LLGG特点：特点：由由空空塔塔构构成成，适适用用于于有有污污泥泥、沉沉淀淀和和固固相相产产物物的的反反应应过过程程，适适用用于于受受气气膜膜控制的瞬间反应。控制的瞬间反应。例：碱性溶液脱除例：碱性溶液脱除H2S。（5）鼓泡反应器）鼓泡反应器(bubble column reactor)LLGG特点：特点：u具具有有较较高高的的储储液液量量，适适用用于于慢反应和放热量大的场合。慢反应和放热量大的场合。u轴轴向向返返混混严严重重，可可认认为为液液相相处于理想混合状态。处于理想混合状态。u由由于于转转化化率率低低，常常采采用用半半间间歇操作和多级串联操作。歇操作和多级串联操作。（6）搅拌鼓泡反应器）搅拌鼓泡反应器(agitated tank reactor)特点：特点：u适适用用于于高高粘粘度度的的非非牛牛顿顿型型液液体体，例例如如广广泛泛应应用用于于发发酵酵工工业业和和高高分分子材料工业；子材料工业；u适用于慢速反应过程；适用于慢速反应过程；u搅搅拌拌消消耗耗动动力力，还还要要考考虑虑轴轴封封的的问题。问题。（7）高速湍动反应器）高速湍动反应器(如：如：venturi reactor)特点：特点：u喷喷射射反反应应器器、文文氏氏反反应应器器、湍湍动动浮浮球球反反应应器器等等属属于于高高速速湍动反应器；湍动反应器；u适适用用于于气气膜膜控控制制的的瞬瞬间间反反应过程；应过程；u气气膜膜传传递递速速率率高高，反反应应速速率高。率高。第五节第五节 鼓泡反应器鼓泡反应器n鼓泡反应器的优点：鼓泡反应器的优点：气相高度分散在液相之中；气相高度分散在液相之中；具有大的液体持有量和相际接触面；具有大的液体持有量和相际接触面；传质和传热效率较高；传质和传热效率较高；适用于缓慢化学反应和高度放热的情况；适用于缓慢化学反应和高度放热的情况；结构简单，操作稳定，投资和维修费用低。结构简单，操作稳定，投资和维修费用低。n缺点：液相有较大的返混和气相有较大的压降。缺点：液相有较大的返混和气相有较大的压降。鼓鼓泡泡反反应应器器在在石石油油化化工工、有有机机化化工工和和食食品品工工业业中中获获得得了了广广泛泛的的应应用用。例例如如，各各种种有有机机化化合合物物的的氧氧化化反反应应、各各种种石石蜡蜡和和芳芳烃烃的的氯氯化化反反应应、各各种种生生物物化化学学反反应应、污污水水处处理理曝曝气气氧氧化化和和氨氨水水碳碳化化生生成成固固体体碳碳酸酸氢氢铵铵等等反反应应，都都采采用用这这种种鼓鼓泡泡反反应应器。器。工工业业所所遇遇到到的的鼓鼓泡泡反反应应器器，按按其其结结构构可可分分为为：空空心心式式、多段式、气提式和液体喷射式多段式、气提式和液体喷射式。第五节第五节 鼓泡反应器鼓泡反应器 空空心心式式鼓鼓泡泡塔塔在在工工业业上上得得到到了了广广泛泛的的应应用用。这这类类反反应应器器最最适适用用于于缓缓慢慢化化学学反反应应系系统统或或伴有大量热效应的反应系统。伴有大量热效应的反应系统。若若热热效效应应较较大大时时，可可在在塔塔内内或塔外装备热交换单元。或塔外装备热交换单元。第五节第五节 鼓泡反应器鼓泡反应器LLGG 图图6-13 具有塔内热交换单元的鼓泡塔具有塔内热交换单元的鼓泡塔图图6-12 空心式鼓泡塔空心式鼓泡塔 为为克克服服鼓鼓泡泡塔塔中中的的液液相相返返混混现现象象，当当高高径径比比较较大大时时，亦亦采用多段鼓泡塔，以提高反应效果。采用多段鼓泡塔，以提高反应效果。图图6-14 多段式鼓泡反应器多段式鼓泡反应器LLGG n对对于于高高黏黏性性物物系系，常常采采用用气气体体提提升升式式鼓鼓泡泡反反应应器器或或液液体体喷喷射射式式鼓鼓泡泡反反应应器器。例例如如生生化化工工程程的的发发酵酵、环环境境工工程程中中活活性性污污泥泥的的处处理理、有有机机化化工工中中催催化化加加氢氢(含含固固体体催催化化剂剂)等情况。等情况。n此此种种利利用用气气体体提提升升和和液液体体喷喷射射形形成成有有规规则则的的循循环环流流动动，可可以以强强化化反反应应器器传传质质效效果果，并并有有利利于于固固体体催催化化剂剂的的悬悬浮浮。此此类类又又统统称称为为环环流流式式鼓鼓泡泡反反应应器器。特特点点：它它具具有有径径向向气气液液流流动动速速度度均均匀匀，轴轴向向弥弥散散系系数数较较低低，传传热热、传传质质系系数数较大，液体循环速度可调节等优点。较大，液体循环速度可调节等优点。第五节第五节 鼓泡反应器鼓泡反应器 图图6-15气体提升式鼓泡反应器气体提升式鼓泡反应器LGGGLGLL 图图6-16 液体喷射式鼓泡塔液体喷射式鼓泡塔一、鼓泡反应器的操作状态一、鼓泡反应器的操作状态 鼓泡塔的流动状态可划分为如下三种区域：鼓泡塔的流动状态可划分为如下三种区域：图图617 鼓泡塔流动状态分布区区域图鼓泡塔流动状态分布区区域图 安安静静鼓鼓泡泡区区 当当表表观观气气速速低低于于0.05时时，气气泡泡呈呈分分散散状状态态，气气泡泡大小均匀，进行有秩序的鼓泡，目测液体搅动微弱。大小均匀，进行有秩序的鼓泡，目测液体搅动微弱。湍湍流流鼓鼓泡泡区区 在在较较高高的的表表观观气气速速下下，安安静静鼓鼓泡泡状状态态不不再再能能维维持持。此此时时部部份份气气泡泡凝凝聚聚成成大大气气泡泡，塔塔内内气气、液液剧剧烈烈无无定定向向搅搅动动，呈呈现现极极大大的的液液相相返返混混。气气体体以以大大气气泡泡和和小小气气泡泡两两种种形形态态与与液液体体相相接接触触，大大气气泡泡上上升升速速度度较较快快，停停留留时时间间较较短短，小小气气泡泡上上升升速速度度较较慢慢，停停留留时时间间较较长长，形形成成不不均均匀匀接接触触的的状状态态，称为湍流鼓泡区。称为湍流鼓泡区。栓栓塞塞气气泡泡流流动动区区 在在小小直直径径气气泡泡塔塔中中，较较高高表表观观气气速速下下会会出出现现栓栓塞塞气气泡泡流流动动状状态态。这这是是由由于于大大气气泡泡直直径径被被鼓鼓泡泡塔塔的的器器壁壁所所限限制制，实实验验观观察察到到栓栓塞塞气气泡泡流流发发生生在在直直径径小小于于0.15m的的鼓鼓泡塔中。泡塔中。一、鼓泡反应器的操作状态一、鼓泡反应器的操作状态 三个流动区域的交界是模糊的（图中）。三个流动区域的交界是模糊的（图中）。例如：例如：n孔径较大的分布器在很低的气速下就成为湍流鼓泡区；孔径较大的分布器在很低的气速下就成为湍流鼓泡区；n高高黏黏度度的的液液体体在在较较大大的的气气泡泡塔塔中中也也会会形形成成栓栓塞塞流流，而而在在较较高气速下才能过渡到湍流鼓泡区。高气速下才能过渡到湍流鼓泡区。工工业业鼓鼓泡泡塔塔的的操操作作常常处处于于安安静静区区和和湍湍动动区区的的流流动动状状态态之中。之中。一、鼓泡反应器的操作状态一、鼓泡反应器的操作状态1.气泡直径及径向分布气泡直径及径向分布计算气泡直径的关联式：计算气泡直径的关联式：式中：式中：等体积外表面比的气泡直径等体积外表面比的气泡直径鼓泡塔内径鼓泡塔内径鼓泡塔表观气速鼓泡塔表观气速液体表面张力液体表面张力二、鼓泡反应器的流体力学特性二、鼓泡反应器的流体力学特性 液体粘度液体粘度注注：此式只能计算气泡平均直径。：此式只能计算气泡平均直径。对于存在径向分布的气泡直径计算：对于存在径向分布的气泡直径计算：式中：式中：气泡在塔内的任一点直径气泡在塔内的任一点直径处于直径处于直径 d 处的气泡平均直径处的气泡平均直径1.气泡直径及径向分布气泡直径及径向分布反应器内气含率平均值计算式：反应器内气含率平均值计算式：式中：式中：C为常数，纯液体和非电解质：为常数，纯液体和非电解质：C=0.2；电解质溶液：；电解质溶液：C=0.25。适用于低粘度液体（小于。适用于低粘度液体（小于0.20 Pas）。）。气含量随塔径的变化：气含量随塔径的变化：气含量：气液混合物中气体所占的体积分率。气含量：气液混合物中气体所占的体积分率。2.鼓泡塔的气含率及径向分布鼓泡塔的气含率及径向分布对于直径小于对于直径小于15cm的气泡反应器，可采用的气泡反应器，可采用Hughamark图确图确定气含率。定气含率。2.鼓泡塔的气含量及径向分布鼓泡塔的气含量及径向分布 气体上升时夹带着液体，靠近塔壁处液体向下运动，气体上升时夹带着液体，靠近塔壁处液体向下运动，构成了液体循环。构成了液体循环。上升速度：上升速度：(中心处最大速度中心处最大速度)液体下降速度：液体下降速度：(塔壁处最大下降速度塔壁处最大下降速度)3.鼓泡塔中液体循环速度鼓泡塔中液体循环速度4.环流反应器的气含率和合适尺寸环流反应器的气含率和合适尺寸对于提升式环流反应器气含率：对于提升式环流反应器气含率：式中：式中：液体循环的表观速度液体循环的表观速度为了提高液体循环流速，环流反应器的为了提高液体循环流速，环流反应器的尺寸为：尺寸为：(1)导流筒长度为导流筒长度为(2)顶部转向高度顶部转向高度(3)底部转向高度底部转向高度(4)反应器高度反应器高度(5)导流筒直径导流筒直径 三、搅拌鼓泡反应器三、搅拌鼓泡反应器n型式型式：按气体导入方式分三种：按气体导入方式分三种n强制分散强制分散：气体由搅拌器下的各种静态予分布装置（如分：气体由搅拌器下的各种静态予分布装置（如分气环，多孔烧结板）导入。气环，多孔烧结板）导入。n自吸分散自吸分散：借搅拌桨旋转形成的低的背压，使气体经中空：借搅拌桨旋转形成的低的背压，使气体经中空轴由液面上方吸入。轴由液面上方吸入。n表面充气分散表面充气分散：借快速表面搅拌形成的旋涡，夹带气体而：借快速表面搅拌形成的旋涡，夹带气体而使液体表面充气；并由处于下方的轴流型搅拌器使气液混使液体表面充气；并由处于下方的轴流型搅拌器使气液混合均匀。合均匀。n 液体搅拌功率消耗可表达为下列诸变量的函数：液体搅拌功率消耗可表达为下列诸变量的函数：式中：式中：N 搅拌功率，搅拌功率，W；K无量钢系数；无量钢系数；n 搅拌转数，搅拌转数，r/s；d 搅拌器直径，搅拌器直径，m；流体密度，流体密度，kg/m3；流体粘度，流体粘度，Pas；g 重力加速度，重力加速度，m/s2。三、搅拌鼓泡反应器三、搅拌鼓泡反应器n由因次分析法可得下列无因次数群的关联式：由因次分析法可得下列无因次数群的关联式：令令称为功率【无量纲数】；称为功率【无量纲数】；Re 称为搅拌雷诺数；称为搅拌雷诺数；Fr 称为搅拌佛鲁德数；称为搅拌佛鲁德数；称为功率因数称为功率因数 令令则则令令则则 三、搅拌鼓泡反应器三、搅拌鼓泡反应器对于不打旋的系统重力影响极小，可忽略对于不打旋的系统重力影响极小，可忽略Fr的影响，即的影响，即y=0。则则 因此，在对数坐标纸上可标绘出因此，在对数坐标纸上可标绘出NP 和和Re 的关系。的关系。搅拌功率计算方法：搅拌功率计算方法：式中：式中：I 搅拌电机的电枢电流，搅拌电机的电枢电流，A；V 搅拌电机的电枢电压，搅拌电机的电枢电压，V。三、搅拌鼓泡反应器三、搅拌鼓泡反应器第六节第六节 填料反应器填料反应器 填填料料吸吸收收反反应应器器虽虽然然存存在在较较为为严严重重的的气气、液液相相各各自自的的返返混混，但但是是由由于于此此返返混混尚尚未未有有较较好好的的模模型型加加以以预预计计，至至今今，工工程程上上应应用用的的设设计计计计算算方方法法仍仍是是假假定定气气、液液两两相相均均呈呈平平推推流流状状态态，然然后后将将设设计计计计算算结结果果再再考考虑虑一一定定的的安安全系数，当然，此安全系数具有较大的经验性。全系数，当然，此安全系数具有较大的经验性。u 填料反应器有效高度的计算填料反应器有效高度的计算填料反应器有效高度的计算填料反应器有效高度的计算 在在气气、液液相相处处于于平平推推流流状状态态下下，填填料料吸吸收收反反应应器器的的所所需高度需高度L可由微元高度可由微元高度dZ的微分速率式积分而得的微分速率式积分而得 则塔高则塔高 式中式中 为填料塔内不被吸收的惰性物料的空塔摩尔流率，为填料塔内不被吸收的惰性物料的空塔摩尔流率，y、y*分分别别为为气气相相中中被被吸吸收收组组分分的的摩摩尔尔分分数数和和液液流流主主体体中中被被吸收组分平衡摩尔分数；吸收组分平衡摩尔分数；y1、y2分分别别为为进进、出出吸吸收收塔塔气气体体中中被被吸吸收收组组分分摩摩尔尔分分数数；KG为气相总传质系数，为气相总传质系数，；a为传质比表面，为传质比表面，。由由于于在在整整个个塔塔高高的的区区间间内内，气气、液液相相温温度度和和浓浓度度一般均有变化，为此：一般均有变化，为此：1.需需进进行行物物料料衡衡算算求求出出气气相相组组分分和和液液相相组组分分变变化化间间的的定定量关系。量关系。2.进行热衡算，确定液相温度的相应变化。进行热衡算，确定液相温度的相应变化。3.根根据据液液相相组组分分浓浓度度和和温温度度，计计算算平平衡衡分分压压，即即确确定定实实际吸收过程平衡线。际吸收过程平衡线。4.并并根根据据个个别别不不同同的的反反应应模模型型，确确定定沿沿塔塔高高不不同同点点的的增增大因子和相应的气膜和液膜传质系数。大因子和相应的气膜和液膜传质系数。5.确定确定KG，再进行图解积分，求得计算塔高。，再进行图解积分，求得计算塔高。填料反应器有效高度的计算填料反应器有效高度的计算几种较为简单的气、液吸收系统几种较为简单的气、液吸收系统 当当反反应应为为瞬瞬间间反反应应且且液液相相中中活活性性组组分分B的的浓浓度度大大于于临临界界值值时时；或或快快速速反反应应时时，全全塔塔处处于于气气膜膜控控制制(即即KG=kG)。此此时时，设设计计计计算算方方法法和和物物理理吸吸收收相相近近。当当气气体体中中被被吸收组分含量较低时，吸收组分含量较低时，计算式：计算式：1.全塔处于气膜控制全塔处于气膜控制 如果液流主体中如果液流主体中 y*=0，即可认为不可逆吸收时，得，即可认为不可逆吸收时，得式中为吸收塔中气体的空塔摩尔流率，式中为吸收塔中气体的空塔摩尔流率，。经常会出现这种气膜控制的情况经常会出现这种气膜控制的情况:l多数碱性溶液的脱硫过程多数碱性溶液的脱硫过程;l铜液吸收铜液吸收CO和和O2的过程的过程;l有过量反应剂的强酸和氨中和过程。有过量反应剂的强酸和氨中和过程。1.全塔处于气膜控制全塔处于气膜控制2.快速虚拟一级不可逆反应快速虚拟一级不可逆反应 快快速速虚虚拟拟一一级级不不可可逆逆反反应应系系统统，反反应应在在膜膜内内完完成成，其其增增强强因因子子 ，由由于于吸吸收收塔塔内内液液相相主主体体中中活活性性组组分分浓浓度度cBL沿沿塔塔高高面面变变化化，因因而而也也随随之之而而改改变变。若若考考虑虑到到cBL在在塔塔内内的的变变化化，可可得得等等温温逆逆流流操操作作的的塔塔高高L的计算式为的计算式为 上式中：上式中：cB1、cB2分别为进塔和出塔吸收液中活性组分分别为进塔和出塔吸收液中活性组分B的浓度，的浓度，；qL为塔中液体的喷淋密度，为塔中液体的喷淋密度，。