Реакторы для проведения реакций между газом и твердым веществом (Г-Т) или жидкостью и твердым веществом (Ж-Т)

Промышленные реакторы во многих случаях довольно близки по характеристикам к реакторам с идеальными режимами движения фаз. Поэтому, идеализированные аппараты могут служить хорошей исходной моделью для расчета и более глубокого исследования промышленных реакторов.

Поэтому, целесообразно разделить реакторы для гетерогенных процессов Г-Т (Ж-Т) на две группы: на реакторы, где гидродинамические условия, при которых находятся реагирующие вещества, близки к режиму вытеснения и реакторы, где эти условия близки к режиму смешения.

В первой группе реакторов (при режиме вытеснения) соприкосновение твердых и газообразных фаз может осуществляться различными способами: созданием противотока реагентов, например, в доменном процессе или в печи для обжига известняка (рис. 4.2,а); созданием прямотока реагентов, например, во вращающейся сушилке для веществ, чувствительных к перегреву (рис. 4.2,б); созданием перекрестного тока, например, в топках с движущимися колосниковыми решетками (рис. 4.2,в); созданием смешанной организации потока, например, в полочных печах для обжига колчедана при движении сверху вниз твердого материала, осуществляемом вращением механической мешалки (рис. 4.2,г).

Часто при осуществлении процессов Г-Т (Ж-Т) в движении находится лишь одна фаза – более легкая, а по твердому веществу реактор является периодическим (рис. 4.2,д). Так работают, например, ионообменные колонны.

Для перечисленных реакторов, работающих в режиме вытеснения, характерно, что состав фаз меняется по мере прохождения через реактор. Кроме того, процессы в таких реакторах, как правило, являются неизотермическими. К недостаткам описанных реакторов относится либо незначительное перемешивание фаз (рис. 4.2,а,г), либо его отсутствие (рис. 4.2,д) и практически отсутствие обновления поверхности контакта фаз. Поэтому, такие реакторы невыгодно применять там, где необходимо интенсивное перемешивание. В этом случае используют реакторы, относящиеся ко второй группе, где твердый материал находится в режиме смешения.

Конструктивно такие реакторы могут быть оформлены в двух вариантах. Первый тип реакторов – это аппараты, где перемешивание твердого материала происходит в потоке газа, например, печи для пылевидного обжига колчедана (рис. 4.2,е). Тонкоизмельченный твердый материал вдувается с помощью форсунки в полый аппарат, где и происходит его взаимодействие с газовым потоком при интенсивном перемешивании.

Второй вариант реакторов, где твердая фаза находится в режиме смешения – это аппараты с псевдоожиженным ("кипящим") слоем твердого материала (рис. 4.2,ж). Псевдоожиженный слой твердых частиц образуется при пропускании газа снизу вверх через слой твердого зернистого материала с такой скоростью, при которой частицы взвешиваются, плавают и пульсируют в потоке газа. Однако, скорость потока такова, что частицы не покидают пределов взвешенного слоя; создается впечатление, что материал кипит, поэтому, такой слой иногда называют кипящим слоем.

а – противоточный аппарат, работающий в режиме вытеснения; б – аппарат с параллельным током, работающий в режиме вытеснения; в – аппарат с перекрестным током, работающий в режиме вытеснения; г – аппарат со смешанной организацией потока, работающий в режиме вытеснения (с механической мешалкой); д – полупериодический реактор – газ в режиме вытеснения; е – реактор для превращения твердого вещества в потоке газа, твердая фаза в режиме смешения, газ в промежуточном режиме между смешением и вытеснением; ж – аппарат с псевдоожиженым слоем – твердая фаза в режиме смешения, газ в промежуточном режиме.

Рис. 4.2 – Принципиальные схемы аппаратов для проведения некаталитических реакций между газом и твердым веществом или жидкостью и твердым веществом

В случае кипящего слоя твердый материал непрерывно подается на решетку, снизу которой поступает воздух. Продукт реакции или вода также непрерывно выводятся из реактора.

Характеристика газового потока в аппаратах такого типа трудно поддается определению. Обычно считают, что режим движения газа в этом случае промежуточный между режимами смешения и вытеснения.

К достоинствам аппаратов двух последних типов относится то, что при высоких скоростях газового потока происходит уменьшение диффузионного сопротивления газовой фазы в десятки и сотни раз. Благодаря этому значительно увеличивается коэффициент массопередачи в газовой фазе. Поэтому в тех случаях, когда взаимодействие газа с твердым веществом протекает во внешней диффузионной области особенно выгодно использование реакторов пылевидного обжига и с кипящим слоем. Необходимо отметить благоприятные условия в этих реакторах и для теплоотвода (вследствие большой эффективности теплопроводности псевдооиженного слоя) и создания необходимого температурного режима.

2 Реакторы для проведения реакций в системе газ–жидкость (Г-Ж) и жидкость–жидкость (Ж-Ж)

Реакторы для проведения процессов в системе газ–жидкость конструируются по принципу абсорбционных аппаратов, имеют большой объем, но относительно просты и легки в эксплуатации. Чаще всего это реакторы непрерывного действия, иногда используются реакторы полупериодические, имеющие непрерывное питание газом, реже применяются периодические реакторы (для системы жидкость–жидкость).

На рисунке 4.3 показаны принципиальные схемы аппаратов, используемых для осуществления контакта жидкости с газом и жидкости с жидкостью. Это могут быть аппараты типа колонн с насадкой (рис. 4.3,а), барботажные колонны (рис. 4.3,б,в), либо аппараты оросительного типа (рис. 4.3,г).

а – насадочная колонна (режим вытеснения); б – барботажная колонна с колпачковыми тарелками(режим вытеснения); в – барботажная колонна с ситчатыми тарелками (режим вытеснения); г – распылительная колонна (режим вытеснения); д – реактор идеального смешения (с сепаратором) – одностадийный контакт фаз; е – каскад реакторов смешения, противоточная система; ж – каскад реакторов смешения проточная система; 1 – газ или легкая жидкость; 2 – тяжелая жидкость

Рис 4.3 – Принципиальные схемы аппаратов для проведения реакций между газом и жидкостью и между двумя труднорастворимыми жидкостями:

Нужно отметить, что для многих аппаратов, применяемых для проведения реакций в системе Г-Ж (Ж-Ж), характерны режимы вытеснения с параллельными потоками или противотоком (рис. 4.3,а-г).

Однако могут быть использованы и аппараты, работающие в режиме смешения – одиночные аппараты с мешалками (система смеситель–сепаратор) (рис. 4.3,д), а также каскады таких реакторов (рис. 4.3,е,ж).