第六章 气-液反应工程2015年11月24日
第六章 气-液反应工程 2015年11月24日
山本章授课内容气-液反应平衡1气-液反应历程23气-液反应动力学特征气-液反应器概述45鼓泡反应器填料反应器67讨论与分析
本章授课内容 1 气-液反应平衡 2 气-液反应历程 3 气-液反应动力学特征 4 气-液反应器概述 5 鼓泡反应器 6 填料反应器 7 讨论与分析
1气-液反应平衡
气-液反应平衡 1
气-液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等化学加工过程；合成气净化，废气及污水处理，以及好气性微生物发酵等过程均常应用气-液反应。工业应用气一液反应实例有机物氧化链状烷烃氧化成酸：对-二甲苯氧化成对苯二甲酸：环已烷氧化成环已酮：乙醛氧化成醋酸有机物氯化苯氯化为氯化苯；十二烷烃的氯化；甲苯氯化为氯化甲苯有机物加氢烯烃加氢：脂肪酸酯加氢其他有机反应甲醇羟基化为醋酸：异丁烯被硫酸所吸收：烯烃在有机溶剂中聚合气体的吸收SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被碱性溶液所吸收合成产物CO2与液氨合成尿素：CO2与氨氮水生成碳铵；CO2与含NH3的盐水生成NaHCO3和NH.CI
气-液反应广泛地应用于加氢、磺化、卤化、氧化等 化学加工过程；合成气净化，废气及污水处理，以及好气 性微生物发酵等过程均常应用气-液反应。 工业应用气－液反应实例 有机物氧化 链状烷烃氧化成酸；对-二甲苯氧化成对苯二甲酸；环己烷氧化成环 己酮；乙醛氧化成醋酸 有机物氯化 苯氯化为氯化苯；十二烷烃的氯化；甲苯氯化为氯化甲苯 有机物加氢 烯烃加氢；脂肪酸酯加氢 其他有机反应 甲醇羟基化为醋酸；异丁烯被硫酸所吸收；烯烃在有机溶剂中聚合 气体的吸收 SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被碱性溶液所吸 收 合成产物 CO2与液氨合成尿素；CO2与氨水生成碳铵；CO2与含NH3的盐水生成 NaHCO3和NH4Cl
>气一液相平衡气-液相达平衡时，组分在气相与液相中的逸度相等，即Ji(g) = ji(L)气相中i组分的逸度Jie）是分压Py,与逸度因子的乘积，即J(s) = Py,PiD.液相中组分为被溶解的气体，x;是组分在液相中摩尔分数，如果是符合亨利定律的稀溶液，即亨利系数EiJ i(L) = E,x;
一 气-液相平衡 气-液相达平衡时，i组分在气相与液相中的逸度 相等，即 气相中i 组分的逸度 是分压 与逸度因子 的乘积，即 液相中i组分为被溶解的气体，xi是i组分在液相 中摩尔分数，如果是符合亨利定律的稀溶液，即 亨利系数Ei i(g) i(L) f = f i(g ) f Pyi i i g( ) i i f Py = i L( ) i i f E x =
->气-液相平衡若气相为理想气体的混合物，即Φ,=1：则低压下的气一液平衡关系为p, = py, =E, x,如果不是稀溶液，则还应引入活度和活度因子亨利定律也可用容积摩尔浓度c来表示，则C; = H, Ji(g)溶解度系数Hi在低压下则为c; = H pi
一 气-液相平衡 若气相为理想气体的混合物，即 , 则低压下的气－液平衡关系为 如果不是稀溶液，则还应引入活度和活度因子。 亨利定律也可用容积摩尔浓度ci来表示，则 溶解度系数 Hi 在低压下则为 1 i = i i i i p = p y = E x i i i(g) c = H f i Hi pi c =
->气-液相平衡溶解度系数和亨利系数的近似关系为pH,=M'Ep为溶液的密度：MO为溶剂摩尔质量亨利系数E.与溶解度系数H与温度和压力的关系为d ln Ed ln H;△H福Rd(1/T)d (1/T)d ln H,-Vd ln E.iRTdpdpV气体在溶液中的偏摩尔容积m3/kmol
一 气-液相平衡 溶解度系数和亨利系数的近似关系为 为溶液的密度；M0为溶剂摩尔质量。 亨利系数Ei与溶解度系数Hi与温度和压力的关 系为 气体在溶液中的偏摩尔容积 m3/kmol i 0 i H M E = ( ) ( ) i i i ln ln H 1 T 1 T d E d H d d R = − = i i i ln ln p p d E d H V d d RT = − =
》溶液中气体溶解度的估算如果溶液中含有电解质，这些电解质的离子将会降低气体的溶解度，它可由如下关联式表示Ig(E / E°)=lg(H° / H)=h,I, +h,I2 +:式中E、E为气体在水中和在电解质溶液中的亨利系数H°、H为气体在水中和在电解质溶液中的溶解度系数：I、I,为溶液中各电解质的离子强度，I=c;Z其中c;为离子浓度，Z,为离子价数：
二 溶液中气体溶解度的估算 如果溶液中含有电解质，这些电解质的离子将会降低气体 的溶解度，它可由如下关联式表示 式中E0 、E 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； I1、I2 为溶液中各电解质的离子强度， 其中ci为离子浓度，Zi为离子价数； lg(E / E 0 )= lg(H 0 / H )= h1 I 1 + h2 I 2 + = 2 i i 2 I 1 c Z
》溶液中气体溶解度的估算hi、hz为溶液中各电解质所引起的溶解度降低系数，其数值负离为h=h+h_+hg，其中h+、h.、hc分别为该电解质正、子及被溶解的气体引起的数值。如果吸收剂中含有非电解质溶质，气体溶解度亦会降低则溶解度系数为lg(E / E°)= lg(H° / H)= hsCs式中h.为非电解质溶液盐效应系数，m2/kmol；cs为非电解质的浓度，kmol/m2；并且盐效应系数随分子量增大而增加
二 溶液中气体溶解度的估算 h1、h2为溶液中各电解质所引起的溶解度降低系数，其数值 为 ，其中h+、h-、hG分别为该电解质正、负离 子及被溶解的气体引起的数值。 如果吸收剂中含有非电解质溶质，气体溶解度亦会降低， 则溶解度系数为 式中 hs为非电解质溶液盐效应系数， ； cS为非电解质的浓度， ； 并且盐效应系数随分子量增大而增加。 h = h+ + h− + hG ( ) ( ) S S lg E / E = lg H / H = h c 0 0 m kmol 3 kmol m 3
》溶液中气体溶解度的估算[例6-1]计算CO2在20℃、1mol/LNa2CO,和1mol/LNaOH溶液中的溶解度系数，已知CO,在20℃水中溶解度系数H.为0.385kmol/(m2.MPa)解：查表6-2及表6-3得对1mol/LNazCOg:h, = h,+h_+h=0.091+0.038-0.015=0.1141mol/LNaOH:h2 = h +h_ +hc = 0.091 +0.060 - 0.015 = 0.1361mol/LNa,CO,的离子强度：I =,Zc,Z =(2 + 4)=3
二 溶液中气体溶解度的估算 [例6-1]计算CO2在20℃、1mol/LNa2CO3和1mol/L NaOH溶液中的溶解度系数，已知CO2在20℃水中溶 解度系数H0为0.385 。 解：查表6-2及表6-3得 对1mol/L 1mol/L 1mol/LNa2CO3的离子强度： kmol (m MPa) 3 h h h h 0.091 0.038 0.015 0.114 Na2CO3：1 = + + − + G = + − = NaOH：h2 = h + + h − + h G = 0.091+ 0.060 − 0.015 = 0.136 (2 4) 3 2 1 c Z 2 1 I 2 1 = i i = + =