气液相反应器.ppt

二、气液相界面的传递模型 气液相间的物质传递对于气液反应过程速率有重要影响,这种相间传递过程通常可以用传质模型来描述。常见的传质模型有双膜模型、溶质渗透模型和表面更新模型。
1. 双膜模型 双膜理论假定气液相界面两侧各存在一个静止的膜,即气膜和液膜,两相间的物质传递速率取决于通过气膜与液膜的分子扩散速率。 实际上,很多传质系统中不存在稳定静止的膜。尽管双膜模型不能反映气液相间传质的真实情况,但该模型使用简单。
2. 渗透模型
Higbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借湍流旋涡运动由流体内部运动至界面,随后在很短时间内又由界面向流体进行不稳态的分子扩散,位于界面的原来的旋涡又被其它旋涡取代,如此反复进行这一过程。 根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决于界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量,其数学表达式为
其中为气液接触时间。由于一般未知,所以溶质渗透理论的应用受到限制。传质系数KC与分子扩散系数的平方根成下比这一点已由实验证实是正确的,证明溶质渗透理论比双膜理论更能代表两相间的传质机理。
3. 表面更新模型
Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面单元暴露的时间不同,而质量传递的平均速率取决于各种年龄期的表面单元的颁,平均吸收速率是将年龄期为的表面分率乘以该表面的瞬时吸收速率,然后将所有表面单元的表达式相加得到。由此得到
(8-2)
其中,S为表面更新分率,必须由实验测定。从该式可以看出,KC与DAB 的平方根成正比,与赫格比获得的结果完全一致。 虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够反映出气液相间传质的真实情况,但由于气液接触时间和表面更新分率S均不易获得,而且在实际应用中会使过程的数学描述复杂化。所以,目前对于很多实际过程的描述仍采用双膜理论,这样可以使过程的数学描述简化,而计算结果的误差也是可以接受的。
第二节气液反应宏观动力学
如上节所述,气液反应过程是传质与化学反应同时进行的过程。气相反应物从气相通过气液相界面向液相中传递,在液相中与液相反应物进行反应。在液相中反应组分的传递和化学反应同时进行,是一个并联过程。为了方便起见,采用双膜模型来处理问题。
一、气液反应过程的基础方程
设气相组分A和液相组分B进行如下反应
根据双膜模型,组分A首先从气相主体通过气膜向气液相界面扩散,然后穿过气液界面向液膜扩散;组分B则从液相主体向液膜扩散,反应在液相中进行。。这里假设液相组分B不挥发,所以不存在组分B从相界面向气相扩散的问题。如果气相为纯组分A,则气膜不存在。
气液反应过程和各组分的浓度分布
为了确定液膜内组分A和B的浓度分布,在液膜内离相界面处,取一厚度为的微元体,微元体与传质方向相垂直的表面积为1。当过程达到定常状态时,单位时间内组分A扩散进入该微元体和从该微无体扩散出来的摩尔数的差值,应等于其中反应消耗的组分A的摩尔数,即