第六章 气－液反应及反应器
? 第一节 气－液反应平衡
? 第二节 气－液反应历程
? 第三节 气－液反应动力学特征
? 第四节 气－液反应器概述
第六章 气－液反应及反应器
? 有机物氧化
? 有机物氯化
? 有机物加氢
? 其他有机反应
? 酸性气体的吸收
第一节 气－液反应平衡
? 气液反应与气固相催化反应的异同
? 相似点,
反应物历程, 外扩散，内扩散－反应。
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）
溶解的气体在液体内的扩散（气－液相反应）
? 差别点,
（ 1） 单相传质过程（气固相催化反应） VS
相间传质过程（气液反应）
（ 2）对流传质 VS孔扩散传质
A,C=5mol/l C=3mol/l B,C=5mol/l C=3mol/l
传质方向
Gas Gas porous
Solid
Liquid
第一节 气－液反应平衡
6－ 1 气－液反应平衡
气液相达平衡时,i组分在气相与液相中的化学位相等。
化学位通过逸度表达时，则
稀溶液 符合享利定律
若气相为理想气体的混合物
( ) ( )i g i Lff?
() iiiLf E x?
() i p i p i iigf f y f y p y?? ? ?
i i i ip p y E x??
0
()
/ / /
i i i
i i i i
i
i i i i i i
i
ii
n
H E E E E E
n n V n m M
C C C
Cp
H
M E M E
px
??
??
? ? ? ? ? ?
?
?
ln
GL
ii
id RT d f
??
?
?
?
第二节 气－液反应历程
6－ 4 气－液相间物质传递
传质模型,双膜论 Higbie渗透论 Danckwerts表面更新理论
双膜论：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
假设：扩散组分 在气－液界面处 达到气液相平衡。
双膜理论
gLδ δ
()
()
Gi
G G G G i
G
iL
G
L
G
G
L L L i L
L
GL
Li
G
L
ii
L
k
k
D
k
D
k
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?
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?
?
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??
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
扩散系数与扩散尺度的比值
传质系数 ＝ 阻力的倒数
双膜理论
,
/
,
/
Gi
G G i
G G G
iL
L i L
L L L
ii
pp N
N D p p
D
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D
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* *
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Gi
GG
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LL
GL L
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GL
LL
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G
G
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D
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D
Hp C CC
N
HH
D D D D
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( * ) /
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LL
G L G
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p C H p p
N
D H D D H D
N K pp CHp
?
?
????
??
?
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??
??
?
?
?
??
1
1
G L
G G L
GL
L L G
K D H D
H
K D D
? ?
??
??
??
阻力加和定理
电流过程与双膜传质过程的类似
//
* *
/ / / /
( * ) ( * )
G i i L
G G L L
G L
G G L L G G L L
GGL L
p p C C
N
DD
pp CC
D H D H D D
p Kp C CK
??
? ? ? ?
??
??
? ?
??
??
? ? ? ?
G L
pG
pi CL
Ci
2312
12
1 2 1 2
1 2 0
UUUU
I
RR
U U U U
R R R
??
??
??
??
?
GL??
U1 U2 U3
0 1 2R R R??
iiC H p?
R1 R2
电流过程与双膜传质过程的类似
/ / 1 / 1 /
* *
1 / 1 /
G i i L G i i L
G G L L G L
G L
GL
p p C C p p C C
N
D D k k
pp CC
KK
??
? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
??
G L
pG
pi CL
Ci
2312
12
1 2 1 2
1 2 0
UUUU
I
RR
U U U U
R R R
??
??
??
??
?
GL??
U1 U2 U3
0 1 2R R R??
1 1 1 1 1,
G G L L L G
H
K k H k K k k? ? ? ?
iiC H p?
电流过程与双膜传质过程的类似
GL?? G L
pG pi CL Ci U1 U2 U3
iiC H p?
12
0
11
,
11
,
GL
GL
RR
kk
R
KK
2312
12
12
0
UUUU
I
RR
UU
R
??
??
?
?
1 / 1 /
* *
1 / 1 /
G i i L
GL
G L
GL
p p C C
N
kk
pp CC
KK
??
??
? ?
??
6－ 5 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
一、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
AAr k C?
0
1
R A AV k C V C
k ?
VA CA
VR
6－ 5 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
二、液相主体中进行缓慢化学反应过程 （慢反应）
液膜中的反应量远小于通过液膜传递的量
AAr k C?
2
2
()
( ) 1
L
L A i L A i L
L
LL
L
L L L
D
k C k C k
k D kk
M
D k k
?
?
?
?
?
? ? ?
M准数：代表了液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小
八田 (Hatta) 准数 M H a?
八田准数 是与气固催化反应 thiele模数 相对应的准数
两者（平方）的物理意义：反应速率与扩散速率的比值
2
L
L
L
L
e ff
k
M
D
k
Ha
D
k
R
D
?
?
?
?
?
?
（或 φ ）准数数
值大小的含义,
M或 φ 数值 越大：反应越快于传
质，传质速率越, 跟不上,,
,滞后于, 反应速率，则，
浓度分布越显著。
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
三,M准数的判据
M准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小
条 件 反应类别 反应进行情况
反应可忽略 液膜液相的反应均可忽略
慢反应 反应在液相主体中进行
中速反应 反应在液膜和液相中进行
快反应 反应在液膜中进行完毕
瞬间反应 反应在膜内某处进行完毕
1M
1M
1M
M ??
0M ?
快
反
应
慢
反
应
瞬
间
反
应
中
速
反
应
四、化学吸收的增强因子
气液反应和气固相催化反应都是, 边扩散边
反应, 过程，但两者又各有特点。针对这些
特点，理论上处理气液反应与气固相催化反
应的方法也有异同。
气 -固相催化反应：内扩散有效因子 ζ
又称为：内表面利用率
vs,
气液反应（同）：液相反应利用率 η( 相当于 ζ)
气液反应（异）：增强因子 β
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
β＝
无反应时的浓度梯度
有反应时的浓度梯度
DD’的斜率
DE的斜率
＝
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
0|
A
A A L x
dCND
dx ???
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
＝
DD’的斜率
DE的斜率
反应速率越快,
浓度分布曲线越弯曲,
则 β 数值越来越大。
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
＝
DD’的斜率
DE的斜率
反应速率越快,
浓度分布曲线越弯曲,
则 β 数值越来越大。
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
＝
DD’的斜率
DE的斜率
反应速率越快,
浓度分布曲线越弯曲,
则 β 数值越来越大。
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
β＝
无反应时的浓度梯度
有反应时的浓度梯度
DD’的斜率
DB的斜率
＝
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
0|
A
A A L x
dCND
dx ???
B
四、化学吸收的增强因子
化学吸收增强因子 β ＞ 1，降低液相传质阻力所
占比例。
β 足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定
( ) ( )G G i L i LN k p p k C C?? ? ? ?
1 1 1
11
( * ) * )
GL
G
G
GL
LL
L
G
KK
K k H k
H
K k k
p p C
?
?
? ?
??
? ? ?
四、化学吸收的增强因子
液相反应利用率 η
η ＝
有内扩散影响时的反应速率
= 内扩散有影响时的反应速率 内扩散无影响时的反应速率 ζ
无内扩散影响时的反应速率
＝ ＝
CAi
CAL
CAL
CAi
当气体净化时，着眼点为气体向液相的传质速率，用 η 。
当制取产品时，着眼点为气液反应的速率，用 β 。
第三节 气－液反应动力学特征
6-6 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
A B Q???dx x
通过, 扩散－反应,
方程来确定浓度分
布，进而确定化学
吸收增强因子 β
dx x
扩散入＝扩散出＋反应 微元
液膜
2
2()
AAA
A L A L A
dCd C d CD D d x r d x
d x d x d x? ? ? ? ?
2
2
A A
AL
dC r
d x D?
薄片状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分方程
( ) ( ) ( )AAe ff Z d Z e ff Z v Ad C d CD A D A k f C A d Zd Z d Z? ??
[ ( ) ( ) ] ( )
()
A A A
e ff Z Z e ff Z
vA
d C d C d Cd
D A d Z D A
d Z d Z d Z d Z
k f C A d Z
??
?
Z Z+dZ
2
2 ()
vA
A
e f f
kdC fC
d Z D?
进入＝离开＋反应
00
A A s
A
R = R C C
dC
R
dR
?
??
p
边 界 条 件 （ 无 死 区 ）,
时,
时,
R R+dR
厚度,2Rp
2
2
A A
AL
dC r
d x D
?
2
2
B A
BL
dC r
d x D
??
,,
0,
| ( )
L
A A i
A
L A L x A L
x C C
dC
x D r V
dx
??? ?
??
? ? ? ?
0|
A
A A L x
dCND
dx ???
边界条件
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（实际就是气液反应的宏观动力学）
2
2 ()
vA
A
e f f
kdC fC
d Z D
?
6-7 一级不可逆反应
2
2
A A
AL
dC kC
d x D?
AAr k C?
反应扩散方程
将此方程进行无因次化
2 2
22 2
()
,,
( ) ( )
A i A A iA A A
A
A i L L
A AiA A A
L
d C C CC dC d Cx d x
Cx
C dx dxd x d x
dC CdC dC d Cd d d x
dx dx dx dx dxdx dx
??
?
? ? ? ?
?
?
??
2
2
2
A
L A A
AL
dC k C M C
Ddx ???
4/ ( 1 0 1 0 )
( 1 ) ( 1 ) ( 1 )
( 1 )
L L L
L
A
L
V
c h M x M sh x
C
c h M M sh M
? ? ?
?
?
? ? ?
? ? ? ?
?
??
0
|
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
AL Ai A
A x
L
Ai L
L
DC dC
N
dx
k C M M t h M
M t h M
?
?
?
?
??
??
?
??
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
AL
L A i L
N M M t h M
kC M t h M
??
?
????
??
液相反应利用率 η
（气液反应中有效因子）
η ＝
有内扩散影响时的反应速率
无内扩散影响时的反应速率
＝
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
AL
Ai LL
N M th M
k C V M M th M
??
??
????
??
CAi
CAL
CAL
CAi
/ LLV ???
η值的大小是对液相利用程度的一种度量,
η=1表示化学反应在整个液相中均匀进行；
η<1表示反应在液相中不均匀，液相利用不充分。
因此，称为液相利用率。
液相反应利用率 η
（气液反应有效因子）
6-7 一级不可逆反应
分以下三种情况讨论,
① 当反应速率很大，在液膜中反应完毕
②虽尚未达快速反应，但从液膜中扩散至液相主体的
A组分在主体中反应完毕
③反应速率很小，反应在液相主体中进行。
① 当反应速率很大，在液膜中反应完毕
1 3 1
1
,0
L
M M th M
M
M
??
?
??
?
??
? ? ?
A L A i A L A iN M k C k D C??
CAi
② 中速反应（ CAL＝ 0的情况 ）
CAi
CAL
( 1 ) 1 /( )
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
L
L
L
M th M
M M th M
M th M
M
th M
?
?
?
?
?
??
?
??
?
1
L M t h M
? ??
③ 反应速率很小,反应在液相主体中进行。
CAi
1M
1
1
1
L
L
L
t h M M
M
MM
MM
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
L
L
L L L
kV V kM
kk
??
???
液相反应速率与液膜传质速
率的比值
③ 反应速率很小,反应在液相主体中进行。
CAi
1M
1
11,
L
L
M
M
?
??
?
??
1
,1
L
L
A L A i L L A i A i
M
M
N k C M k C V k C
?
? ? ?
??
??
? ? ?
CAi
A L A i L A iN k C k C???
① 对于快速反应过程，反应在邻近相界面的液膜层中
进行，吸收速率仅决定于速率常数、扩散系数和界面
浓度。故：加剧液相对流、湍动不能增加吸收速率；
改善反应条件、提高界面浓度、增大接触面积则能有
效提高吸收速率。
②对慢反应过程，反应基本上在液相主体中进行，采
用液相容积大的吸收设备比较有利。
6-7 一级不可逆反应
1L
A L A i L A i
M
N k C k C
?
???
1L
A L A i L L A i A i
M
N k C M k C V k C
?
??? ? ?
A L A i A L A iN M k C k D C??
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）较高的生产强度
（ 2）有利于反应选择性的提高
（ 3）有利于降低能量消耗
（ 4）有利于反应温度的控制
（ 5）应能在较少流体流率下操作
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）应具备较高的生产强度
（ a）气膜控制情况（ βH很大）
气相容积传质系数大的反应器,
液体高度分散；
气体高速湍动。
喷射、文氏等反应器
1 1 1
11
( * ) ( * )
GL
G
G
GL
LL
L
G
KK
K k H k
H
K k k
N p p C C
?
?
?
?
?
??
? ? ?
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）应具备较高的生产强度
（ b）快速反应情况（ M准数远大于 1）
反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行,
要求反应器：表面积较大，具备一定的液相传质系数
填料反应器和板式反应器
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）应具备较高的生产强度
（ c）慢速反应情况（ M准数远小于 1）
反应基本上是在液相主体中进行,
要求反应器：液相反应容积较大。
鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 2）有利于反应选择性的提高
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
连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 2）有利于反应选择性的提高
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
连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 3）有利于降低能量消耗
反应热的回收，压力能的回收，分散液体所需要的
动力。
（ 4）有利于反应温度的控制
降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难
（ 5）应能在较少流体流率下操作
填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。
第四节 气液反应器概述
6－ 13 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
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 1） 填充床反应器 （ packed column reactor)
L
L
G
G 用于气液反应时，也可以并流操作
格利奇 (Glitsch)填料
麦拉派克
(Mellapark)填料
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 2）板式反应器 (tray column reactor)
L
L
G
G
筛板情况
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 3）降膜反应器 (falling film reactor)
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 4）喷雾反应器 (spray column reactor)
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
空心式
多段式
环流反应器,
气提式：内环流，外环流
液喷式,
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
空心式,
乙烯氧化制乙醛
对二甲苯（ PX）氧化塔（产品为 PTA）
塔式、管式、列管式
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
空心式,
塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
多段式,L
L
G
G
L
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
内环流,
环己烷氧化塔
（生成环己酮、己内酰胺）
（可用 环烷酸钻催化）
G
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
环流反应器,
外环流
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 6）搅拌鼓泡反应器 (agitated tank reactor)
强制分散
自吸分散
表面充气分散
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 7）高速湍动反应器 (如,venturi reactor)
? 第一节 气－液反应平衡
? 第二节 气－液反应历程
? 第三节 气－液反应动力学特征
? 第四节 气－液反应器概述
第六章 气－液反应及反应器
? 有机物氧化
? 有机物氯化
? 有机物加氢
? 其他有机反应
? 酸性气体的吸收
第一节 气－液反应平衡
? 气液反应与气固相催化反应的异同
? 相似点,
反应物历程, 外扩散，内扩散－反应。
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）
溶解的气体在液体内的扩散（气－液相反应）
? 差别点,
（ 1） 单相传质过程（气固相催化反应） VS
相间传质过程（气液反应）
（ 2）对流传质 VS孔扩散传质
A,C=5mol/l C=3mol/l B,C=5mol/l C=3mol/l
传质方向
Gas Gas porous
Solid
Liquid
第一节 气－液反应平衡
6－ 1 气－液反应平衡
气液相达平衡时,i组分在气相与液相中的化学位相等。
化学位通过逸度表达时，则
稀溶液 符合享利定律
若气相为理想气体的混合物
( ) ( )i g i Lff?
() iiiLf E x?
() i p i p i iigf f y f y p y?? ? ?
i i i ip p y E x??
0
()
/ / /
i i i
i i i i
i
i i i i i i
i
ii
n
H E E E E E
n n V n m M
C C C
Cp
H
M E M E
px
??
??
? ? ? ? ? ?
?
?
ln
GL
ii
id RT d f
??
?
?
?
第二节 气－液反应历程
6－ 4 气－液相间物质传递
传质模型,双膜论 Higbie渗透论 Danckwerts表面更新理论
双膜论：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
假设：扩散组分 在气－液界面处 达到气液相平衡。
双膜理论
gLδ δ
()
()
Gi
G G G G i
G
iL
G
L
G
G
L L L i L
L
GL
Li
G
L
ii
L
k
k
D
k
D
k
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J D D p p
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?
? ? ? ?
?
?
?
?
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G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
扩散系数与扩散尺度的比值
传质系数 ＝ 阻力的倒数
双膜理论
,
/
,
/
Gi
G G i
G G G
iL
L i L
L L L
ii
pp N
N D p p
D
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* *
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GG
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LL
GL L
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D
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D
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GG L
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p C H p p
N
D H D D H D
N K pp CHp
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????
??
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?
?
??
1
1
G L
G G L
GL
L L G
K D H D
H
K D D
? ?
??
??
??
阻力加和定理
电流过程与双膜传质过程的类似
//
* *
/ / / /
( * ) ( * )
G i i L
G G L L
G L
G G L L G G L L
GGL L
p p C C
N
DD
pp CC
D H D H D D
p Kp C CK
??
? ? ? ?
??
??
? ?
??
??
? ? ? ?
G L
pG
pi CL
Ci
2312
12
1 2 1 2
1 2 0
UUUU
I
RR
U U U U
R R R
??
??
??
??
?
GL??
U1 U2 U3
0 1 2R R R??
iiC H p?
R1 R2
电流过程与双膜传质过程的类似
/ / 1 / 1 /
* *
1 / 1 /
G i i L G i i L
G G L L G L
G L
GL
p p C C p p C C
N
D D k k
pp CC
KK
??
? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
??
G L
pG
pi CL
Ci
2312
12
1 2 1 2
1 2 0
UUUU
I
RR
U U U U
R R R
??
??
??
??
?
GL??
U1 U2 U3
0 1 2R R R??
1 1 1 1 1,
G G L L L G
H
K k H k K k k? ? ? ?
iiC H p?
电流过程与双膜传质过程的类似
GL?? G L
pG pi CL Ci U1 U2 U3
iiC H p?
12
0
11
,
11
,
GL
GL
RR
kk
R
KK
2312
12
12
0
UUUU
I
RR
UU
R
??
??
?
?
1 / 1 /
* *
1 / 1 /
G i i L
GL
G L
GL
p p C C
N
kk
pp CC
KK
??
??
? ?
??
6－ 5 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
一、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
AAr k C?
0
1
R A AV k C V C
k ?
VA CA
VR
6－ 5 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
二、液相主体中进行缓慢化学反应过程 （慢反应）
液膜中的反应量远小于通过液膜传递的量
AAr k C?
2
2
()
( ) 1
L
L A i L A i L
L
LL
L
L L L
D
k C k C k
k D kk
M
D k k
?
?
?
?
?
? ? ?
M准数：代表了液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小
八田 (Hatta) 准数 M H a?
八田准数 是与气固催化反应 thiele模数 相对应的准数
两者（平方）的物理意义：反应速率与扩散速率的比值
2
L
L
L
L
e ff
k
M
D
k
Ha
D
k
R
D
?
?
?
?
?
?
（或 φ ）准数数
值大小的含义,
M或 φ 数值 越大：反应越快于传
质，传质速率越, 跟不上,,
,滞后于, 反应速率，则，
浓度分布越显著。
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
（或 φ ）准数数值大小的含义,
gLδ δ
G L
pG
pi
CL
Ci
GL??
（ 或 φ ）
准数数值大小的含
义,
M或 φ 数值 越大，反
应越快于传质，浓
度分布越显著。
M H a?
M H a?
三,M准数的判据
M准数：液膜中化学反应与传递之间相对速率的大小
条 件 反应类别 反应进行情况
反应可忽略 液膜液相的反应均可忽略
慢反应 反应在液相主体中进行
中速反应 反应在液膜和液相中进行
快反应 反应在液膜中进行完毕
瞬间反应 反应在膜内某处进行完毕
1M
1M
1M
M ??
0M ?
快
反
应
慢
反
应
瞬
间
反
应
中
速
反
应
四、化学吸收的增强因子
气液反应和气固相催化反应都是, 边扩散边
反应, 过程，但两者又各有特点。针对这些
特点，理论上处理气液反应与气固相催化反
应的方法也有异同。
气 -固相催化反应：内扩散有效因子 ζ
又称为：内表面利用率
vs,
气液反应（同）：液相反应利用率 η( 相当于 ζ)
气液反应（异）：增强因子 β
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
β＝
无反应时的浓度梯度
有反应时的浓度梯度
DD’的斜率
DE的斜率
＝
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
0|
A
A A L x
dCND
dx ???
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
＝
DD’的斜率
DE的斜率
反应速率越快,
浓度分布曲线越弯曲,
则 β 数值越来越大。
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
＝
DD’的斜率
DE的斜率
反应速率越快,
浓度分布曲线越弯曲,
则 β 数值越来越大。
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
＝
DD’的斜率
DE的斜率
反应速率越快,
浓度分布曲线越弯曲,
则 β 数值越来越大。
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
四、化学吸收的增强因子
L?
D
E E’ D’
β＝
无反应时的浓度梯度
有反应时的浓度梯度
DD’的斜率
DB的斜率
＝
β＝
化学吸收的速率
纯物理吸收速率
>1
0|
A
A A L x
dCND
dx ???
B
四、化学吸收的增强因子
化学吸收增强因子 β ＞ 1，降低液相传质阻力所
占比例。
β 足够大时，总阻力将由气膜阻力所决定
( ) ( )G G i L i LN k p p k C C?? ? ? ?
1 1 1
11
( * ) * )
GL
G
G
GL
LL
L
G
KK
K k H k
H
K k k
p p C
?
?
? ?
??
? ? ?
四、化学吸收的增强因子
液相反应利用率 η
η ＝
有内扩散影响时的反应速率
= 内扩散有影响时的反应速率 内扩散无影响时的反应速率 ζ
无内扩散影响时的反应速率
＝ ＝
CAi
CAL
CAL
CAi
当气体净化时，着眼点为气体向液相的传质速率，用 η 。
当制取产品时，着眼点为气液反应的速率，用 β 。
第三节 气－液反应动力学特征
6-6 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
A B Q???dx x
通过, 扩散－反应,
方程来确定浓度分
布，进而确定化学
吸收增强因子 β
dx x
扩散入＝扩散出＋反应 微元
液膜
2
2()
AAA
A L A L A
dCd C d CD D d x r d x
d x d x d x? ? ? ? ?
2
2
A A
AL
dC r
d x D?
薄片状催化剂颗粒内组分的浓度分布微分方程
( ) ( ) ( )AAe ff Z d Z e ff Z v Ad C d CD A D A k f C A d Zd Z d Z? ??
[ ( ) ( ) ] ( )
()
A A A
e ff Z Z e ff Z
vA
d C d C d Cd
D A d Z D A
d Z d Z d Z d Z
k f C A d Z
??
?
Z Z+dZ
2
2 ()
vA
A
e f f
kdC fC
d Z D?
进入＝离开＋反应
00
A A s
A
R = R C C
dC
R
dR
?
??
p
边 界 条 件 （ 无 死 区 ）,
时,
时,
R R+dR
厚度,2Rp
2
2
A A
AL
dC r
d x D
?
2
2
B A
BL
dC r
d x D
??
,,
0,
| ( )
L
A A i
A
L A L x A L
x C C
dC
x D r V
dx
??? ?
??
? ? ? ?
0|
A
A A L x
dCND
dx ???
边界条件
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（实际就是气液反应的宏观动力学）
2
2 ()
vA
A
e f f
kdC fC
d Z D
?
6-7 一级不可逆反应
2
2
A A
AL
dC kC
d x D?
AAr k C?
反应扩散方程
将此方程进行无因次化
2 2
22 2
()
,,
( ) ( )
A i A A iA A A
A
A i L L
A AiA A A
L
d C C CC dC d Cx d x
Cx
C dx dxd x d x
dC CdC dC d Cd d d x
dx dx dx dx dxdx dx
??
?
? ? ? ?
?
?
??
2
2
2
A
L A A
AL
dC k C M C
Ddx ???
4/ ( 1 0 1 0 )
( 1 ) ( 1 ) ( 1 )
( 1 )
L L L
L
A
L
V
c h M x M sh x
C
c h M M sh M
? ? ?
?
?
? ? ?
? ? ? ?
?
??
0
|
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
AL Ai A
A x
L
Ai L
L
DC dC
N
dx
k C M M t h M
M t h M
?
?
?
?
??
??
?
??
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
AL
L A i L
N M M t h M
kC M t h M
??
?
????
??
液相反应利用率 η
（气液反应中有效因子）
η ＝
有内扩散影响时的反应速率
无内扩散影响时的反应速率
＝
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
AL
Ai LL
N M th M
k C V M M th M
??
??
????
??
CAi
CAL
CAL
CAi
/ LLV ???
η值的大小是对液相利用程度的一种度量,
η=1表示化学反应在整个液相中均匀进行；
η<1表示反应在液相中不均匀，液相利用不充分。
因此，称为液相利用率。
液相反应利用率 η
（气液反应有效因子）
6-7 一级不可逆反应
分以下三种情况讨论,
① 当反应速率很大，在液膜中反应完毕
②虽尚未达快速反应，但从液膜中扩散至液相主体的
A组分在主体中反应完毕
③反应速率很小，反应在液相主体中进行。
① 当反应速率很大，在液膜中反应完毕
1 3 1
1
,0
L
M M th M
M
M
??
?
??
?
??
? ? ?
A L A i A L A iN M k C k D C??
CAi
② 中速反应（ CAL＝ 0的情况 ）
CAi
CAL
( 1 ) 1 /( )
[ ( 1 ) ]
( 1 ) 1
L
L
L
M th M
M M th M
M th M
M
th M
?
?
?
?
?
??
?
??
?
1
L M t h M
? ??
③ 反应速率很小,反应在液相主体中进行。
CAi
1M
1
1
1
L
L
L
t h M M
M
MM
MM
?
?
?
?
?
?
?
??
?
??
L
L
L L L
kV V kM
kk
??
???
液相反应速率与液膜传质速
率的比值
③ 反应速率很小,反应在液相主体中进行。
CAi
1M
1
11,
L
L
M
M
?
??
?
??
1
,1
L
L
A L A i L L A i A i
M
M
N k C M k C V k C
?
? ? ?
??
??
? ? ?
CAi
A L A i L A iN k C k C???
① 对于快速反应过程，反应在邻近相界面的液膜层中
进行，吸收速率仅决定于速率常数、扩散系数和界面
浓度。故：加剧液相对流、湍动不能增加吸收速率；
改善反应条件、提高界面浓度、增大接触面积则能有
效提高吸收速率。
②对慢反应过程，反应基本上在液相主体中进行，采
用液相容积大的吸收设备比较有利。
6-7 一级不可逆反应
1L
A L A i L A i
M
N k C k C
?
???
1L
A L A i L L A i A i
M
N k C M k C V k C
?
??? ? ?
A L A i A L A iN M k C k D C??
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）较高的生产强度
（ 2）有利于反应选择性的提高
（ 3）有利于降低能量消耗
（ 4）有利于反应温度的控制
（ 5）应能在较少流体流率下操作
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）应具备较高的生产强度
（ a）气膜控制情况（ βH很大）
气相容积传质系数大的反应器,
液体高度分散；
气体高速湍动。
喷射、文氏等反应器
1 1 1
11
( * ) ( * )
GL
G
G
GL
LL
L
G
KK
K k H k
H
K k k
N p p C C
?
?
?
?
?
??
? ? ?
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）应具备较高的生产强度
（ b）快速反应情况（ M准数远大于 1）
反应基本上是在界面近旁的反应带（液膜）中进行,
要求反应器：表面积较大，具备一定的液相传质系数
填料反应器和板式反应器
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 1）应具备较高的生产强度
（ c）慢速反应情况（ M准数远小于 1）
反应基本上是在液相主体中进行,
要求反应器：液相反应容积较大。
鼓泡反应器，搅拌鼓泡反应器
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 2）有利于反应选择性的提高
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
连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 2）有利于反应选择性的提高
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
连串副反应：返混较少的反应器，或半间歇
第四节 气液反应器概述
6－ 12 工业生产对气－液反应器的要求
（ 3）有利于降低能量消耗
反应热的回收，压力能的回收，分散液体所需要的
动力。
（ 4）有利于反应温度的控制
降膜、板式塔、鼓泡塔：易；填料塔：难
（ 5）应能在较少流体流率下操作
填充床反应器、降膜反应器和喷射反应器有限制。
第四节 气液反应器概述
6－ 13 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
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 1） 填充床反应器 （ packed column reactor)
L
L
G
G 用于气液反应时，也可以并流操作
格利奇 (Glitsch)填料
麦拉派克
(Mellapark)填料
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 2）板式反应器 (tray column reactor)
L
L
G
G
筛板情况
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 3）降膜反应器 (falling film reactor)
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 4）喷雾反应器 (spray column reactor)
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
空心式
多段式
环流反应器,
气提式：内环流，外环流
液喷式,
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
空心式,
乙烯氧化制乙醛
对二甲苯（ PX）氧化塔（产品为 PTA）
塔式、管式、列管式
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
空心式,
塔式、管式、列管式气液鼓泡反应器
L
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
多段式,L
L
G
G
L
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
内环流,
环己烷氧化塔
（生成环己酮、己内酰胺）
（可用 环烷酸钻催化）
G
L
G
G
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 5）鼓泡反应器 (bubble column reactor)
环流反应器,
外环流
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 6）搅拌鼓泡反应器 (agitated tank reactor)
强制分散
自吸分散
表面充气分散
6－ 13 气液反应器的形式和特点
（ 7）高速湍动反应器 (如,venturi reactor)
