Файл: 101 глава iv реакторы в гетерогенной системе газ жидкость реакторы в гетерогенной системе газжидкость достаточно широко распространены как в синтезе органических, таки неорганических веществ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 33
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
101 ГЛАВА IV РЕАКТОРЫ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ ГАЗ – ЖИДКОСТЬ Реакторы в гетерогенной системе газ-жидкость достаточно широко распространены как в синтезе органических, таки неорганических веществ. При реализации реакций в данной системе разработчики реакторов стремились, в первую очередь, создать развитую поверхность контакта обеих фаз, так как очень часто кинетика химической реакции не являлась лимитирующей стадией, а процесс определялся либо скоростью диффузии одного из реагентов, либо способом отвода или подвода теплоты. Количество продуктов, в реакторе в единицу времени, может быть записано в виде известного уравнения массопередачи
M = м · F · ΔC, (4.1) где Км – коэффициент массопередачи, который может быть записан следующим образом [5]:
р
М
К
К
1 1
1 1
, (4.2) где
- коэффициент массоотдачи от газа к поверхности жидкости, мс
- коэффициент массоотдачи внутри объема жидкости, отражающий скорость внутренне-диффузионной стадии, мс Кр - константа скорости химической реакции, мс
F
- поверхность реакции, м
C
- средняя разность концентраций в газовой и жидкой фазах в выделенном объеме реактора,
3
м
КМоль
Увеличение двух первых составляющих уравнения (4.1.) приводит к росту удельной производительности реактора. Поэтому в каждом из реакторов стремятся к увеличению либо коэффициента массопередачи Км, либо поверхности массообмена, либо обеих составляющих. Но очень часто в чрезмерное увеличение коэффициента массопередачи и поверхности контакта фаз вмешивается решение вопросов теплообмена для поддержания оптимальной температуры в реакционной зоне, особенно при больших тепловых эффектах реакции. При больших тепловых (эндо- или экзо-) эффектах реакции и технологической необходимостью проведения реакций в условиях, близких к изотермическим, лимитирующим процессом в реакторе становится процесс теплообмена, обеспечивающий изотермичность реакционной зоны. Решение именно этих задач лежит в основе конструктивного оформления реакторов в системе газ-жидкость. Классификацию реакторов в этой системе удобно осуществлять по способу создания развитой межфазной поверхности и поддержанию заданной температуры в реакционной зоне. По этим признакам реакторы можно разделить наследующие группы
102 а) реакторы колонного типа б) барботажные реакторы в) реакторы пленочного типа г) реакторы с интенсивным диспергированием реагентов.
4.1. Реакторы колонного типа Принципиальной особенностью гетерогенных процессов газ+ж и газ+твердое, влияющей на конструктивное оформление реакторов в этих системах, является разность плотностей реагентов более чем в тысячу раза реакция протекает кмоль одного реагента на кмоль другого. Реакторы колонного типа в, свою очередь, разделяются на насадочные и тарельчатые аппараты. Насадочные аппараты разделяются наследующие типы с насыпной насадкой различной формы и разных материалов насыпных тел сорганизованной и пакетной насадкой с колеблющейся насадкой с псевдоожиженной насадкой. Тарельчатые колонные реакторы имеют все виды тарелок, которые применяются также для осуществления процессов абсорбции, десорбции и ректификации. Успешно работают в реакторах различных производств ситчатые провальные тарелки, клапанные, колпачковые, образные и струйные тарелки, в частности, в производствах большинства неорганических кислот серной, азотной, соляной, фтористоводородной и др. Колонные насадочные и тарельчатые реакторы работают в противоточном режиме, когда свежий газовый реагент взаимодействует уже с насыщенной жидкостью (с заданной степенью превращения по жидкой фазе. Насадочные колонные реакторы с насыпной насадкой различной формы находят еще широкое применение в связи с простотой таких реакторов и возможностью использования различных коррозионно-стойких материалов для насадки керамику, полимеры, гуммированные насадки, насадки из коррозионно-стойких металлических материалов. Однако насадочные аппараты с насыпными насадками имеют существенный недостаток – малую скорость течения газового реагента (1-1,5 мс, что приводит к большим диаметрам колонн при больших производительностях аппаратов, так как диаметр реактора обычно определяют из расчета расхода газового, а не жидкого реагента, т.к. объемные расходы по уравнению реакции у них различаются на 3 порядка
г = F
ап-та
· г , (4.3) где г – расход газового реагентам с
F
ап-та
– площадь поперечного сечения аппарата (свободное сечение без учета сечения, занятого насадкой, мг скорость газового реагентам с.
103 Другим недостатком аппаратов с насыпной насадкой является большое гидравлическое сопротивление насыпного слоя даже при малых линейных скоростях газа. Поэтому в последние годы наибольшее применение нашли массообменные аппараты сорганизованной пакетной насадкой, у которых оптимальные скорости течения газов значительно выше скоростей течения газов или паров аппаратов с насыпной насадкой. Организованные пакетные (типа швейцарской насадки фирмы «Зульцер») и пакетно-вихревые насадки (типа насадки МАХП-ИГХТУ) позволяют, во- первых, резко увеличить поверхность контакта систем газ-жидкость в единице объема аппарата, а во-вторых, существенно повысить, особенно в пакетно- вихревой насадке, коэффициент массопередачи. Все это приводит к уменьшению (враз) габаритов реакторов и, соответственно, к снижению их стоимости. Скорость течения газового реагента в таких организованных насадках уже можно поднять до 4,5-5,5 мс. На рис. представлена схема одной из конструкций высокоэффективной вихревой пакетной насадки [18]. С помощью данной насадки аппарат делится на n вихревых ячеек, каждая из которых работает как миниаппарат с высокоэффективным контактом между газом и жидкостью. При больших скоростях газового реагента 5 мс жидкая фазане только смачивает все поверхности насадки, но также и дробится на капли, которые сразу же сепарируются в ячейке за счет закрученного вихревого движения газового реагента в ячейке. Размеры ячеек в сечении х, х мм, а высота пакета
30, 50, 65 мм. Пакеты с такими ячейками набираются на любой диаметр реактора. Несмотря на большое число ячеек по диаметру аппарата, свободное сечение аппарата составляет 98-98,5 %. Поэтому гидравлическое сопротивление пакетов, установленных друг на друга при плотности орошения жидкой фазы 100 м
3
/м
2
ч и скорости течения газовой среды 5 мс составляет всего 1200 Па/м. С учетом того, что в тарельчатых колонных аппаратах скорость течения газового реагента много меньше 5 мс, а также то, что расстояние между тарелками всегда большем, габариты реакторов с вихревой пакетной насадкой будут намного меньше тарельчатых колонных реакторов при бóльшей эффективности тепло- и массообмена. Колонные тарельчатые реакторы работают в барботажном режиме, а реакторы с насыпными насадками - в пленочном режиме.
104 Рис. 4.1. Пакетная вихревая насадка ИГХТУ (каф.МАХП).
4.2. Барботажные реакторы В системе газ-жидкость чрезвычайно широкое применение нашли барботажные реакторы. По конструктивному оформлению они, в свою очередь, подразделяются натри подгруппы а) барботажные колонные реакторы с колпачковыми, клапанными, ситчатыми и
S – образными тарелками а) барботажные реакторы с механическими перемешивающими устройствами б) барботажные реакторы для проведения реакций с большим тепловым эффектом. Газожидкостные аппараты с перемешивающими устройствами в свободном объеме представляет собой обычный емкостной аппарат 1 с рубашкой 2, мешалкой 3, газораспределителем (барботером) 4 (рис. 4.2). Обычно для лучшего диспергирования газа в объеме аппарата навалу устанавливают 2÷4 мешалки, а барботер располагают под нижней мешалкой или на одном уровне с ней. Мешалки быстроходные, поэтому в аппарате устанавливают 3÷8 отражательных перегородок 5.
105 Рис. 4.2. Схема барботажного аппарата с мешалками
1 – корпус 2 – рубашка 3 – мешалка 4 – барботер 5 – отражательные перегородки. Недостатком подобных аппаратов является малая степень превращения газового реагента вследствие наличия тенденции объединения (роста) газовых пузырей по высоте аппарата. При малых давлениях газового реагента и с целью большей полноты его использования водном аппарате применяются самовсасывающие турбинные мешалки разного конструктивного оформления. В этих аппаратах газ всасывается в центр мешалки через полый вали кольцевые сопла 2, диспергируется сначала потоком жидкости, поступающей в кольцевые окна сверху и снизу турбинной мешалки, выбрасываемой на периферию радиальными лопастями 3. Вторичное дробление газа (рис. 4.3.) в жидкости происходит за счет ударного нагружения газожидкостной смеси об отражательные планки 4 статора 5. Выбрасывающаяся из мешалки жидкость создает в центре турбинки разрежение, вследствие чего и происходит подсос газа.
106 Рис. 4.3. Аппарат с самовсасывающими аэрирующими устройствами для микробиологического процесса 1 – полный вал 2 – кольцевое сопло
3 – радиальные лопасти турбинной мешалки 4 – отражательные планки
5 – статор 6 – зона разрежения. Другие конструкции самовсасывающихся мешалок изображены на рис.
4.4 ирис. На рис. 4.4 представлена схема самовсасывающейся мешалки Американской фирмы «Denver Egnipment Division [1]. Мешалка 1 приводится во вращение от шкива 7. При этом жидкая фаза всасывается через конус 3, захватывая газовый реагент, поступающий через патрубок 5 и диффузор 4. Газожидкостная смесь выбрасывается в аппарат удлиненными лопатками турбинной мешалки 1, соударяясь с лопастями 2 (лопасти даны в разрезе) статора, где происходит ее интенсивное перемешивание и циркуляция. Статор способствует увеличению количества засасываемого газа и его лучшему диспергированию в жидкой среде. Фирмой предлагается выполнение всех неподвижных частей аппарата, диффузора 4, конуса 3 и статора 2 из коррозионно- и абразивостойкого металла (полиуретана, что уменьшает веси стоимость аппарата в целом.
107 Рис. 4.4. Самовсасывающее аэрирующее устройство фирмы «Denver Equipment
Division»: 1 – аэратор 2 – статор 3 – конус 4 – диффузор
5 – патрубок для воздуха 6 – вал 7 – привод. Предложена также [19] самовсасывающая мешалка для двух и трехфазной системы (газ-жидкость-твердое), в которой газовый реагент поступает по полому валу 1, а далее направляется в зону разрежения через отверстия в роторе турбинки (рис. 4.5). Турбинка выполнена в виде перфорированного раструба 5, по периферии которого расположен диск 7. На верхней поверхности диска выполнены радиальные лопасти 8, а на нижней – радиальные лопасти 4, имеющие в поперечном сечении форму крыла, установленного с наклоном к плоскости ротора. Над раструбом расположен усеченный конус 6, частично перекрывающий лопасти 8. Статор выполнен в виде диска 10 с радиальными лопастями 9 и входным конусом 11. В случае работы с трехфазной системой во входном конусе 11 имеются циркуляционные отверстия 2 для трехфазной суспензии. При вращении ротора лопасти 8 и 4
108 создают зоны разрежения, в которые подсасывается газ. Первичное дробление газа на пузырьки больших размеров происходит в зоне этих лопастей. Вторичное дробление происходит на срыве этих лопастей. Третичное дробление происходит при соударении газожидкостных потоков о лопасти 9. Наклон лопастей 4 и плоскости ротора имеет угол атаки, создающий подъемную силу, благодаря чему снижаются осевые нагрузки на подшипники и повышается срок их работы. Рис. 4.5. Аэрирующее устройство с ротором в виде перфорированного раструба 1 – полый вал 2 – ротор 3 – статор 4 – радиальные лопасти
5 – перфорированный раструб 6 – усеченный конус 7 – диск ротора
8 – радиальные лопасти ротора 9 – радиальные лопасти статора 10 – диск статора 11 – стакан 12 – циркуляционные отверстия для пульпы. На рис. 4.6 представлен горизонтальный сварной цилиндрический реактор 1 с четырьмя самовсасывающими турбинными мешалками и встроенными внутрь трубчатыми теплообменниками 3, разработанный
НИИХИММАШ. Для лучшего перемешивания газожидкостной смеси навалу перемешивающего устройства расположена аэрирующая самовсасывающая мешалка 4 и пропеллерная мешалка 5.
109 Рис. 4.6. Горизонтальный аппарат с аэрирующими перемешивающими устройствами конструкции НПО «НИИхиммаш»: 1 – корпус реактора 2 – вал
3 – трубчатые теплообменники 4 – самовсасывающая мешалка
5 – пропеллерная мешалка 6 – перегородка. Аппарат может работать как в периодическом, таки непрерывном режимах. В случае непрерывного режима работы реактор снабжается тремя вертикальными перегородками 6, разделяющими аппарат на четыре последовательно расположенных секции, в которые реагенты попадают путем перелива через эти перегородки. Корпуса аппаратов могут быть выполнены из кислотостойкой стали или футеровки изнутри. При футеровке стального корпуса в качестве подслоя используют гомогенную освинцовку или полиизобутилен, затем положенные в два слоя керамические плитки АТМ на диабазовой замазке и далее слой кислотостойкого кирпича. Отличительной особенностью данных реакторов является возможность достижения высоких коэффициентов массопередачи как в системах газ- жидкость, таки в трехфазных системах газ-жидкость-твердое при значительной степени использования газового реагента вследствие многократной его циркуляции из верхнего объема реактора (занимающего 25-30% общего объема аппарата) в жидкий реагента также создания развитой межфазной поверхности. Газовый реагент, прошедший в этих аппаратах через жидкость и непрореагировавший с ней, многократно засасывается самовсасывающей мешалкой и снова подается в перемешиваемую жидкость. Вторая мешалка навалу обязательна в случае осуществления реакции в трехфазной системе, так
110 как она препятствует осаждению частиц твердой фазы на теплообменниках и на днище аппарата. Отсюда следует, что самовсасывающие мешалки достаточно перспективны в химических и биохимических аппаратах. Пропускная способность по газу аппаратов с мешалками в свободном объеме ограничена режимом захлебывания, когда при достижении некоторого расхода подаваемого в аппарат газа избыточный его объем не диспергируется в жидкости, а, обтекая мешалку, поднимается вдоль вала.
4.3. Барботажные реакторы с циркуляционным контуром При больших объемах реактора и малом тепловом эффекте реакции используют барботажные аппараты с мешалкой в циркуляционном контуре, которые могут быть выполнены в двух вариантах с винтовой или пропеллерной мешалкой внутри циркуляционного стакана 3 (риса) и с открытой турбинной мешалкой, расположенной под циркуляционным стаканом рис. б. Аппарат с винтовой мешалкой внутри циркуляционного контура имеет отношение высоты корпуса Н к диаметру Н/D
р
≥ 5÷10. Диаметр циркуляционного стакана 3 рассчитывается из условия равенства площадей сечения стакана и кольцевого зазора, образованного им со стенками сосуда. Нижняя часть стакана имеет уменьшенное сечение, в нем размещена винтовая мешалка 4, выполняющая роль, как осевого насоса, таки диспергатора газа, подаваемого под мешалку. Практика эксплуатации таких аппаратов показала, что в качестве насоса может быть использована мешалка с прямыми лопастями, имеющими угол наклона к горизонтали α = 15÷45 Аппарат наиболее эффективно работает в условиях полного заполнения его объема газожидкостной смесью, поэтому выход непоглощенного газа и жидкости осуществляется через верхний штуцер, соединенный с сепаратором 1 газожидкостной смеси. Конструктивно аппарат с одним циркуляционным стаканом может быть выполнен объемом дом. При установке водном корпусе 2 нескольких стаканов со своими мешалками объем реактора можно увеличить дом, что позволяет существенно снизить удельные затраты энергии. Например, в аппарате стремя стаканами удельные затраты энергии снижаются на 40 %. Пропускная способность аппарата по газу определяется предельной скоростью его в циркуляционном стакане, которая не должна превышать 0,02 мс (по свободному сечению аппарата. В противном случае возможен срыв работы мешалки и нарушение циркуляции жидкости. Устойчивая работа мешалки определяется газосодержанием системы, предельная величина которого составляет г ≈0,4,
111 поэтому аппараты с мешалкой и циркуляционным контуром можно применять только для реакционных систем, которые не образуют устойчивых пен. Рис. 4.7. Схемы барботажных аппаратов с винтовой (аи турбинной (б) мешалками в циркуляционном контуре 1 – сепаратор 2 – корпус реактора
3 – циркуляционный стакан 4 – пропеллерная мешалка. Если в реакции участвуют газы с возможным образованием взрывоопасной смеси, то аппарат с циркуляцией газожидкостной смеси является одним из наиболее надежных устройств, так как внутри аппарата не образуется больших объемов газов со взрывоопасной концентрацией.
112 Недостатком этих аппаратов является малая пропускная способность по газу, поэтому они применяются при малых и средних производительностях в реакторах как периодического, таки непрерывного действия.
4.4. Барботажный аппарат с большим тепловым эффектом реакции При больших тепловых эффектах реакции целесообразно использовать барботажный газлифтный реактор, в котором газовый реагент поступает по штуцеру 7 в межтрубное пространство, ограниченное трубными решетками 8 риса затем направляется в отверстия 4 реакционных труби эжектирует жидкий реагент, поступающий в нижний штуцер 5. Газовые пузыри поднимаются вверх и захватывают с собой жидкий реагент, который поднимается вверх в виде тонкого столба или пленки переменной толщины, в результате чего интенсифицируется теплообмен со стенкой реакционной трубки и строго поддерживается оптимальная температура процесса. Остаточный непрореагировавший газ отделяется от жидкости в верхней сепарационной зоне реактора 1 и выходит в верхний штуцер. Жидкий реагент с малым газосодержанием опускается по центральной циркуляционной трубе, смешивается со свежим реагентом и вновь поступает в реакционные трубки 2, контактируя со свежим газом. Подобная циркуляция осуществляется до заданной степени превращения по жидкой фазе. Давление газа в этих аппаратах должно быть достаточным для преодоления гидравлического сопротивления барботажной и циркуляционной труб контура. Достоинством таких аппаратов является проведение реакции при четко заданной температуре даже при больших тепловых эффектах реакции. Теплоноситель подается в межтрубное пространство, ограниченное трубными решетками 8 и 9. На рис. 4.8 представлена схема аппарата с экзотермическим эффектом реакции, так как в межтрубном пространстве подается пар. Нижней трубной решетки 8 может и не быть, но при этом должен поддерживаться уровень жидкого реагента примерно на уровне нижней трубной решетки 8. Одной из основных задач гидродинамического и теплового расчета данного реактора является определение скорости циркуляции газожидкостной смеси или приведенной скорости жидкости в реакционных трубах.
113 Рис. 4.8. Схема кожухотрубного газлифтного аппарата 1 – корпус реактора
2 – реакционные трубы 3 – центральная переливная труба 4 – отверстия для подачи газового реагента 5 – штуцер ввода жидкого реагента 6 – вывод жидкого продукта 7 – штуцер ввода газа 8,9 – трубные решетки
114
4.5. Барботажные реакторы с быстропротекающими реакциями
4.5.1. Аппарат ИТН Примером реакторов в системе газ-жидкость с быстропротекающими реакциями являются аппараты ИТН (использование тепла нейтрализации) в производстве одного из основных видов азотного удобрения – нитрата аммония. Нитрат аммония получают нейтрализацией слабой азотной кислоты
(40÷60 % HNO
3
) аммиаком с интенсивной циркуляцией раствора за счет образования и подъема парового потока (реакция экзотермическая. Схема аппарата ИТН представлена на рис. Реактор работает следующим образом. Газообразный аммиак, подогретый до 120÷160 С, по трубопроводу 7 поступает в кольцевой барботер с перфорированными трубами
1. Пузырьки аммиака, поднимаясь вверх, с высокой скоростью реагируют с азотной кислотой, нейтрализуя ее с образованием нитрата аммония (NH
4
NO
3
). Теплота нейтрализации используется на испарение воды и повышение концентрации нитрата аммония. Раствор аммиачной селитры через отверстия под крышкой внутреннего цилиндра с паром выходит в сепарационную часть аппарата 15 и непрерывно циркулирует между внутренним цилиндром и сепарационной частью. Раствор аммиачной селитры с концентрацией 92÷94 % по штуцеру 16 выводят из аппарата на дальнейшую упарку. Соковый пар для очистки от брызг раствора NH
4
NO
3
и азотной кислоты последовательно промывают на ситчатых тарелках 9 раствором аммиачной селитры, подаваемым по штуцерами конденсатом сокового пара, который подают по штуцеру 13. Промывные растворы стекают в реакционную часть. Соковый пар проходит сетчатый отбойник 12, где улавливаются капли жидкости, и через штуцер 11 выходит из аппарата. Аппарат имеет опоры 5 и люки 10 для осмотра и ремонта аппарата. Аппарат работает при малом избыточном давлении 0,02 МПа, температура в реакционной части составляет
180 С. Основные части аппарата изготавливают из стали 08Х18Н10Т, а отдельные детали, подверженные сильному коррозионному воздействию среды
– из титана.
115 Рис. 4.9. Аппарат ИТН: 1 – кольцевой барботер 2 – реакционная часть аппарата 3 – распределитель 4 – внутренний цилиндр 5 – опоры 6, 8, 11, 13,
14, 16 – штуцер 7 – трубопровод 9 – тарелка 10 – люк 12 – отбойник;
15 – сепарационная часть аппарата 16 – вывод нитрата аммония.
116
4.5.2. образные реакторы В производстве сложных удобрений, получаемых разложением фосфатов азотной кислотой, для нейтрализации смеси фосфорной и азотных кислот аммиаком используют образные барботажные реакторы (рис. Рис. 4.10. образный реактор 1 – реактор 2 – водяная рубашка
3 – пропеллерная мешалка 4 – штуцер вывода продуктов реакции 5 – крышка
6 – штуцер ввода жидких реагентов 7 – перегородка 8 – штуцер ввода Корпус реактора 1 разделен перегородкой 7 на два сообщающиеся отсека, в которых установлены двойные пропеллерные мешалки 3, вращающиеся в разные стороны с числом оборотов 33,3 об/мин. Интенсивное перемешивание ускоряет взаимодействие аммиака с кислотами. Смесь кислот вводят по желобу
6 и нейтрализованные выводят по желобу 4. Аммиак и углекислый газ вводится в аппарат через патрубки 8. Мешалки диспергируют крупные пузыри газа. Аппарат снабжен рубашкой 2 для отвода тепла нейтрализации проточной водой.
117
4.5.3. Реакторы производства аммофоса Ортофосфат аммония аммофос) получают нейтрализацией экстракционной фосфорной кислоты аммиаком. Наиболее часто для производства аммофоса используются скоростные аммонизаторы. САИ- скоростной аммонизатор-испаритель представлен на рис. 4.11а.
Рис. 4.11. Реакторы для получения фосфатов аммония а – САИ; б – П-образный трубчатый. 1 – циркуляционная труба 2 – лапы 3 – штуцер вывода пульпы
4 – люк 5 – штуцер вывода сокового пара 6 – сепаратор 7 – реакционная труба 8 - ввод фосфорной кислоты 9 – вход аммиака 10 – вывод теплоносителя 11 – корпус рубашки 12 – вход охлаждающей воды 13 – вывод продуктов реакции 14 – сопло газового реагента, эжектирующее жидкий реагент. Реактор состоит из реакционной трубы 7, циркуляционной трубы 1 и испарителя 6. Фосфорную кислоту, подогретую в выносном теплообменнике соковым паром до 60÷80 С, подают в штуцера аммиак – в штуцер 9 через сопло в нижнюю часть реакционной трубы. За счет разности плотностей газо- парожидкостной смеси в реакционной трубе 7 и жидкости в трубе 1, скорость смеси в реакционной части доходит до 0,7 мс.
118 В процессе реакции выделяется тепло, образуется пар, который транспортирует парожидкостную смесь в испаритель-сепаратор, где пар отделяется от аммофосной пульпы при температуре 110 С. Пульпу выводят по штуцеру 3, а соковый пар – по штуцеру 5 в теплообменник-конденсатор. Данный аппарат обладает рядом преимуществ в сравнении с аппаратами с механическими мешалками простота конструкции отсутствие перемешивающих устройств в коррозионной среде меньший расход энергии высокая концентрация пульпы за время пребывания в реакционной зоне 3÷6 минут возможность работы, как под вакуумом, таки под давлением. По практическим данным, потери NH
3
с паром не превышает 0,2 %. Аппарат обычно изготавливают из дешевых углеродистых сталей с футеровкой полимерами для защиты от коррозии. Производительность таких аппаратов достигает 100 т пульпы в час или
16-17 кг готового аммофоса в секунду. В производстве комплексных жидких удобрений нейтрализацию полифосфорных кислот аммиаком осуществляют в еще более простом оборудовании. Реакторы выполняют трубчатой П-образной, Г-образной или подковообразной формы, корпус которых снабжен рубашкой для охлаждения реакционный смеси (рис. 4.11 б.
4.5.4. П – образный трубчатый реактор П – образный трубчатый реактор (рис. б) собирается из 3÷4 отдельных секций длиной от 1 дом каждая. Охлаждающую рубашку 11 имеет только первая секция. Воду подают в штуцер 12 и выводят в штуцер 10. Экстракционную полифосфорную кислоту с концентрацией 68÷72 % P
2
O
5
и температурой 70 ÷ 120 С вводят по штуцеру 8, а газообразный аммиак, подогретый до большей температуры (90 ÷ 200 С, по штуцеру 9. Сопло 14 служит для лучшего диспергирования кислоты аммиаком, который обычно подают под давлением до 1,5 МПа. Сопло 14 играет роль распределителя аммиака, так как имеет не одно, а 9 ÷ 20 отверстий диаметром 3 ÷ 5 мм. Температура в трубчатой реакционной зоне зависит от эффективности распределения аммиака. При использовании трубчатого распределителя (сопла)
14 без перфораций температура смеси повышается до 200 ÷ 230 С, а при использовании сопла 14 с 12 отверстиями диаметром 5 мм и с центральным отверстием 12 мм температура в реакторе достигает уже 275÷285 С, что позволяет наиболее полно осуществить реакцию нейтрализации. Готовый плав полифосфатов аммония выводят через штуцер 13 на растворение для приготовления жидких удобрений. Производительность описанного реактора длиной 6,5 м составляет 20,5 т/ч жидкого удобрения, содержащего 10 %-ный N и 34 %-ный Все детали, соприкасающиеся с кислотой и раствором удобрений изготавливают из высоколегированных сталей ХН65МВ, хастеллоя и углеграфита.
119
4.6. Пленочные реакторы в системе газ-жидкость Проведение тепломассообменных процессов в тонком слое жидкости всегда связано с высокой эффективностью, малым временем пребывания жидкости в аппарате, низким сопротивлением по газовой фазе, возможностью проведения реакционных процессов, как в противотоке, таки в прямотоке реагирующих компонентов газ-жидкость и сравнительно развитой поверхностью контакта фаз и проведение реакций при регулируемой и достаточно точно поддерживаемой температуре стенки, по которой движется пленка, и, соответственно, зоны реакции. Пленочные реакторы целесообразно применять для быстротекущих реакций с большим тепловым эффектом, также как и реактор, изображенный на рис. 4.8., так как имеют развитую поверхность тепло- массообмена. По способу организации пленочного течения жидкости различают следующие аппараты с восходящей пленкой (по аналогии с рис. 4.8); со стекающей пленкой с закрученной пленкой пленкой, организованной вращающимся ротором (роторно-пленочные аппараты.
4.6.1. Реакторы со стекающей пленкой При проведении процесса с большим тепловым эффектом наиболее простой и совершенной конструкцией реактора является аппарат типа кожухотрубного теплообменника, в котором (рис. 4.12.) в трубках организуется стекающая пленка и поток реагирующего газа (прямотоком или противотоком. В межтрубное пространство для эндотермических реакций подается пар, что позволяет поддерживать с высокой точностью постоянной температуру стенок реакционных трубок (2), по которым движется тонкая пленка (δ < 1 мм) реагирующей с газом жидкости. Постоянство температур в зоне реакции и малое диффузионное сопротивление в турбулентно стекающей пленке являются огромными преимуществами пленочных реагентов в системе газ- жидкость. Газожидкостная смесь выводится из аппарата через нижний штуцер. В пленочных аппаратах применяются разнообразные конструкции распределителей жидкости (пленкообразователей, которые изображены на рис.
4.13, 4.14, 4.15, 4.16. Удовлетворительное качество распределения жидкости достигается при применении распределителей (или оросителей) с тангенциальной подачей при помощи одного или двухвинтовых каналов (рис. г) или тангенциально расположенных отверстий (рис. 4.13 в, г)
Применение щелевых оросителей позволяет удерживать на трубной решетке слой жидкости высотой более 100 мм.
120 Рис. 4.12. Кожухотрубный аппарат со стекающей пленкой 1 – трубчатый ороситель; 2 – реакционные трубы. Рис. 4.13. Типы оросительных устройства, б – переливные; в, г – щелевые д – струйные е – капиллярно-щелевое.
121 Разбрызгивающие устройства в виде форсунок в каждой трубке используют только в прямоточных аппаратах. Струйные оросители (рис. 4.13 д) надежны при больших плотностях орошения, те. при формировании толстых пленок и используются как в трубчатых, таки в пластинчатых пленочных аппаратах. Рис. 4.14. Схемы распределителей жидкости На рис. 4.15 представлена схема распределительного устройства пленочного аппарата с восходящей пленкой, на котором в отличие от аппарата, изображенного на рис. 4.8, в нижнее межтрубное пространство подается не газа жидкость, которая распределяется в виде пленки и транспортируется вверх газом. Рис. 4.15 Схема распределительного устройства пленочного испарителя с восходящей пленкой
122 Аппарат, изображенный на рис. 4.16. отличается от ранее рассмотренных тем, что внутри каждой реакционной трубки 1 установлены винтовые вставки- завихрители 2, а жидкость подается по трубкам 3 распределителя. Жидкая фаза из трубок 3 попадает в первый завихритель, в котором газовым потоком отбрасывается к стенкам реакционных трубок и далее движется вниз по винтовой спирали, подкручиваясь нижерасположенными винтовыми вставками. Нижняя винтовая вставка позволяет провести первичную сепарацию жидкости от газа. Рис. 4.16. Схема пленочного реактора с закрученным газожидкостным потоком
1 – реакционные трубки 2 – завихрители; 3 – распределительные трубки.
123 В оросительных устройствах на рис. 4.17 сначала закручивается газовый поток, который далее закручивает по спирали по внутренним стенкам реакционных трубок и жидкостной поток, обеспечивая хороший контакт между ними. Рис. 4.17. Оросительные устройства аппарата с закрученным газожидкостным потоком а – питание через тангенциальное отверстие в стенке трубы б – центральное питание через патрубок (закрутка газа с помощью тангенциальных щелей. Отмечено [12], что аппараты с закрученным газожидкостным потоком по сравнению с аппаратами со стекающей пленкой имеют в 2-3 раза более высокий коэффициент массообмена.
Крутка газожидкостного потока позволяет равномерно распределить жидкость даже при малых плотностях орошения. Поэтому в аппаратах с закрученным потоком можно применять простейшие устройства для ввода жидкости. Задача этих устройств – подача определенного количества жидкости (для создания пленки заданной толщины) в область действия интенсивно закрученного газового потока.
4.6.2. Роторные пленочные реакторы Роторные пленочные аппараты применяются в тех случаях, когда жидкий реагент имеет высокую вязкость или же в тех случаях, когда вязкость может очень сильно возрастать в процессе химической реакции и, возможно, с образованием твердой фазы.
124 В этих случаях закруткой газового реагента не удается сформировать устойчивую пленку, поэтому для ее формирования используется ротор с лопастями. На рис. 4.18 представлена схема роторно-пленочного реактора с прямоточным движением газожидкостного потока. Роторный пленочный аппарат имеет корпус 1 с рубашкой, вал 2 на всю высоту аппарата, лопасти 3, прикрепленные тем или иным способом к валу, распределитель жидкого реагента 4 и привод ротора, установленный на крышке аппарата. Корпус аппарата может быть цилиндрическими коническим. Аппараты с цилиндрическим корпусом устанавливается вертикально, ас коническим – горизонтально. Рис. 4.18. Вертикальный роторный пленочный реактор 1 – корпус 2 – вал
3 – лопасти 4 – распределительное устройство жидкого реагента.
125 Крепления лопасти 3 вертикальных цилиндрических аппаратов имеют три вида (риса) жесткие, лопасти которых жестко соединены с валом и имеют постоянный зазор с внутренней поверхности корпуса б) шарнирные, лопасти которых крепятся шарнирно, и вовремя работы зазор между кромкой лопасти и корпусом аппарата самоустанавливается под действием центробежных сил и сил вязкого сопротивления жидкости (4.19 б в) маятниковые, лопасти которых закреплены шарнирно, но зазор всегда больше нуля (4.19 в. Рис. 4.19. Роторы вертикальных роторных пленочных реакторов и вертикальных выпарных аппаратов. Распределительное устройство жидкости (жидкого реагента) выполняют в виде кольца 4 (рис. 4.18), вращающегося вместе с валом, в результате чего происходит предварительное распределение жидкости в виде пленки. Также, как ив аппаратах со скребковыми мешалками, в роторно- пленочных аппаратах лопасти существенно интенсифицируют теплообмен между стенкой аппарата и вязкой жидкостью, а также массообмен и химическую реакцию между газом и жидкостью. Вертикальные роторные аппараты изготовляют диаметром 0,15÷1 мс площадью теплообмена дом. В них обрабатывают жидкие среды с вязкостью свыше 20 Пас. В аппаратах с жесткими лопастями окружная скорость обычно составляет
5÷12 мс, а зазор между корпусом и лопастями 1÷3 мм. Эти аппараты применяют в тех случаях, когда продукты истирания лопастей и стенок корпуса не должны попадать в продукты реакции. В аппаратах с шарнирными лопастями окружная скорость уже ниже 1,5÷5 мс, поскольку у них не исключена возможность трения лопастей о стенки аппарата и появление тонкодисперсных продуктов износа в реакционных продуктах. Горизонтальные аппараты с коническим корпусом имеют площадь теплообменной поверхности дом, угол конусности обычно небольшой и составляет 2÷5 0
126 Лопасти роторов горизонтальных аппаратов закрепляются жестко. Зазор между кромками лопастей и корпусом регулируют за счет осевого перемещения всего ротора. Горизонтальные аппараты обладают повышенной удерживающей способностью по жидкости по сравнению с вертикальными аппаратами. Время пребывания в них жидкости может составлять от нескольких секунд до нескольких минут, что очень важно в случае кинетической лимитирующей стадии и позволяет получать высокие степени превращения жидкого реагента.
4.7. Реакторы с интенсивным диспергированием реагентов Реакторы с интенсивным диспергированием реагентов по способу диспергирования подразделяются на 2 подгруппы а) реакторы с гидродинамическим диспергированием б) реакторы с механическим диспергированием реагирующих сред. Особенностью подобных реакторов является то обстоятельство, что у них за очень короткое время развивается чрезвычайно большая поверхность контакта фаз в малом объеме реактора и реализуются высокие коэффициенты массопередачи. Казалось бы, что еще нужно, чтобы иметь малогабаритный высокопроизводительный реактор в системе газ-жидкость согласно уравнению 4.1. Однако большим ограничением в областях применения подобных реакторов выступает решение задачи теплопереноса, связанное стем, что в малом объеме реактора при большой поверхности контакта фаз конструктивно невозможно решить задачу подвода или отвода тепла даже при малых тепловых эффектах реакции. Для реакций с большим тепловым эффектом задача теплопереноса в аппарате малого объема никак не решается даже с использованием самых высокоэффективных конструкций теплообменников и способов подвода или отвода теплоты. Поэтому область применения подобных реакторов ограничена и они могут применяться только для реакций сочень малым тепловым эффектом, а также при осуществлении реакций срезкой нестационарностью температурных полей в объеме реактора.
4.7.1. Гидродинамические диспергаторы реагирующих компонентов в системе газ-жидкость Для быстропротекающих реакций в системе газ-жидкость с малым тепловым эффектом нашли применение реакторы с интенсивным диспергированием (распылением) жидкого реагента за счет высоких скоростей реакционного газа. Эти реакторы имеют различные конструктивные модификации хемабсорберов типа труба Вентури», схема которого изображена на рис. 4.20.
127 Рис. 4.20. Реактор с интенсивным диспергированием жидкого реагента газом. Газовый реагент входит во входной патрубок 1 реактора со скоростью
25÷35 мс и далее ускоряется в сужении трубы Вентури 2 до 180÷300 мс. Благодаря высоким скоростям течения газа в элементе 2 аппарата, статический напор превращается в динамический, в результате чего в зоне обтекания патрубка подачи жидкости 4 возникает разрежение и жидкость может эжектироваться газом. При таких огромных скоростях газового потока жидкость диспергируется до очень мелких капель в виде тумана и эффективно взаимодействует с турбулентными потоками газового реагента. Образуется высокоразвитая межфазная поверхность и повышается скорость массопередачи. Недостатком реакторов типа труба Вентури» является высокая энергоемкость (большая потеря напора газа, сложность отделения туманообразных продуктов реакции от остаточного газа и чрезвычайная сложность решения тепловой задачи. Поэтому они могут применяться для проведения реакций сочень малым тепловым эффектом ив неизотерических условиях протекания реакций. Достоинства – простота, очень малые габариты.
4.7.2. Реактор с диспергированием жидкости в газе вращающимся ротором В синтезе целого ряда органических веществ используется реактор с механическим диспергированием жидкости в газе. Реактор представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат 1, в котором находится быстро вращающийся ротор, представляющий собой набор тонких дисков 3, закрепленных навалу (рис. 4.21).
128 Рис. 4.21. Схема реактора с диспергированием жидкого реагента в газе вращающимся ротором 1 – корпус реактора 2 – вал ротора 3 – вращающиеся диски 4 – перегородки 5 – штуцер ввода газа 6 – штуцер вывода продуктов реакции 7 – рубашка 8 – вход жидкого реагента. Диски на 1/3 погружены в реакционную жидкость и могут иметь шероховатую поверхность (типа хозяйственных терок для овощей. За счет шероховатости жидкий реагент захватывается дисками и диспергируется в газовом объеме в виде тонкодисперсных капель, которые занимают бóльшую часть объема реактора. Реактор может работать как в периодическом, таки в непрерывном режимах работы. При непрерывном режиме работы в реакторе имеются перегородки 4, которые как бы разделяют аппарат на секции. Реакционному газу, который, как правило, движется противотоком жидкости, приходиться двигаться по сложной траектории, огибая вращающиеся диски 3, перегородки 4, проходя последовательно одну за другой зоны туманообразных капель реакционной жидкости. Благодаря этому степень превращения газа в этих аппаратах достаточно высока даже в непрерывном режиме работы. В зависимости от теплового эффекта реакции реактор может иметь или не иметь рубашку 7 и встроенные змеевики (на рис. не показаны. Число оборотов ротора может изменяться в зависимости от диаметра реактора в пределах от 450 до 1000 об/мин. К достоинствам данного реактора необходимо отнести возможность проведения реакций при малом давлении газа, хорошую сепарацию капель жидкости в ступени реактора за счет закрутки ротором газожидкостного потока, а также возможность осуществления высоких степеней превращения как по жидкой, таки по газовой фазам.
129
4.7.3. Турбохемабсорберы Наиболее высокую поверхность контакта фаз можно получить в турбохемабсорберах в зоне взаимодействия быстровращающихся ротора и статора. В турбохемабсорберах в отличие от других конструкций реакторов в системе газ-жидкость в зоне действия ротора и статора диспергируется как газовая, таки жидкая фазы. В подобных реакторах возможно получение самых высоких коэффициентов массоотдачи (β и β
r t
, см. ур-ние 4.2.). Поэтому в зазорах между ротором и статором возможно создать высокие скорости массообмена. В этой связи эти реакторы могут использоваться для осуществления реакций сочень малыми тепловыми эффектами. В случае протекания реакций даже со средним экзо- или эндоэффектом решить проблему подвода или отвода теплоты в данных аппаратах невозможно даже при наличии встроенных теплообменников (см. рис. 4.22). Схема реактора типа турбохемабсорбера представлена на рис. 4.22. Реактор работает следующим образом. Газовый реагент обычно подается по полому валу 3 в зазор между ротором 5 и статором 6. Ротор вращается с большим числом оборотов 1000÷3000 об/мин. Зазор между различной формы ротором и статором обычно колеблется от 0,5÷3 мм. Вследствие больших центробежных сил тонкодисперсная газожидкостная смесь выбрасывается в объем реактора. В центральной части ротора создается разрежение ив эту область подсасываются жидкий и газовый реагенты. Жидкий реагент поступает через окна 2. Для уменьшения высоты воронки и улучшения эффективности перемешивания в реакторе установлены перегородки.
Рис. 4.22. Турбохемабсорбер: 1 – корпус 2 – патрубок ввода жидкого реагента
3 – полый вал 4 – отражательная перегородка 5 – ротор 6 – статор
7 – отверстия в статоре 8 – вывод продукта реакции 9 – рубашка
10 – змеевик
101 ГЛАВА IV РЕАКТОРЫ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЕ ГАЗ – ЖИДКОСТЬ Реакторы в гетерогенной системе газ-жидкость достаточно широко распространены как в синтезе органических, таки неорганических веществ. При реализации реакций в данной системе разработчики реакторов стремились, в первую очередь, создать развитую поверхность контакта обеих фаз, так как очень часто кинетика химической реакции не являлась лимитирующей стадией, а процесс определялся либо скоростью диффузии одного из реагентов, либо способом отвода или подвода теплоты. Количество продуктов, в реакторе в единицу времени, может быть записано в виде известного уравнения массопередачи
M = м · F · ΔC, (4.1) где Км – коэффициент массопередачи, который может быть записан следующим образом [5]:
р
М
К
К
1 1
1 1
, (4.2) где
- коэффициент массоотдачи от газа к поверхности жидкости, мс
- коэффициент массоотдачи внутри объема жидкости, отражающий скорость внутренне-диффузионной стадии, мс Кр - константа скорости химической реакции, мс
F
- поверхность реакции, м
C
- средняя разность концентраций в газовой и жидкой фазах в выделенном объеме реактора,
3
м
КМоль
Увеличение двух первых составляющих уравнения (4.1.) приводит к росту удельной производительности реактора. Поэтому в каждом из реакторов стремятся к увеличению либо коэффициента массопередачи Км, либо поверхности массообмена, либо обеих составляющих. Но очень часто в чрезмерное увеличение коэффициента массопередачи и поверхности контакта фаз вмешивается решение вопросов теплообмена для поддержания оптимальной температуры в реакционной зоне, особенно при больших тепловых эффектах реакции. При больших тепловых (эндо- или экзо-) эффектах реакции и технологической необходимостью проведения реакций в условиях, близких к изотермическим, лимитирующим процессом в реакторе становится процесс теплообмена, обеспечивающий изотермичность реакционной зоны. Решение именно этих задач лежит в основе конструктивного оформления реакторов в системе газ-жидкость. Классификацию реакторов в этой системе удобно осуществлять по способу создания развитой межфазной поверхности и поддержанию заданной температуры в реакционной зоне. По этим признакам реакторы можно разделить наследующие группы
102 а) реакторы колонного типа б) барботажные реакторы в) реакторы пленочного типа г) реакторы с интенсивным диспергированием реагентов.
4.1. Реакторы колонного типа Принципиальной особенностью гетерогенных процессов газ+ж и газ+твердое, влияющей на конструктивное оформление реакторов в этих системах, является разность плотностей реагентов более чем в тысячу раза реакция протекает кмоль одного реагента на кмоль другого. Реакторы колонного типа в, свою очередь, разделяются на насадочные и тарельчатые аппараты. Насадочные аппараты разделяются наследующие типы с насыпной насадкой различной формы и разных материалов насыпных тел сорганизованной и пакетной насадкой с колеблющейся насадкой с псевдоожиженной насадкой. Тарельчатые колонные реакторы имеют все виды тарелок, которые применяются также для осуществления процессов абсорбции, десорбции и ректификации. Успешно работают в реакторах различных производств ситчатые провальные тарелки, клапанные, колпачковые, образные и струйные тарелки, в частности, в производствах большинства неорганических кислот серной, азотной, соляной, фтористоводородной и др. Колонные насадочные и тарельчатые реакторы работают в противоточном режиме, когда свежий газовый реагент взаимодействует уже с насыщенной жидкостью (с заданной степенью превращения по жидкой фазе. Насадочные колонные реакторы с насыпной насадкой различной формы находят еще широкое применение в связи с простотой таких реакторов и возможностью использования различных коррозионно-стойких материалов для насадки керамику, полимеры, гуммированные насадки, насадки из коррозионно-стойких металлических материалов. Однако насадочные аппараты с насыпными насадками имеют существенный недостаток – малую скорость течения газового реагента (1-1,5 мс, что приводит к большим диаметрам колонн при больших производительностях аппаратов, так как диаметр реактора обычно определяют из расчета расхода газового, а не жидкого реагента, т.к. объемные расходы по уравнению реакции у них различаются на 3 порядка
г = F
ап-та
· г , (4.3) где г – расход газового реагентам с
F
ап-та
– площадь поперечного сечения аппарата (свободное сечение без учета сечения, занятого насадкой, мг скорость газового реагентам с.
103 Другим недостатком аппаратов с насыпной насадкой является большое гидравлическое сопротивление насыпного слоя даже при малых линейных скоростях газа. Поэтому в последние годы наибольшее применение нашли массообменные аппараты сорганизованной пакетной насадкой, у которых оптимальные скорости течения газов значительно выше скоростей течения газов или паров аппаратов с насыпной насадкой. Организованные пакетные (типа швейцарской насадки фирмы «Зульцер») и пакетно-вихревые насадки (типа насадки МАХП-ИГХТУ) позволяют, во- первых, резко увеличить поверхность контакта систем газ-жидкость в единице объема аппарата, а во-вторых, существенно повысить, особенно в пакетно- вихревой насадке, коэффициент массопередачи. Все это приводит к уменьшению (враз) габаритов реакторов и, соответственно, к снижению их стоимости. Скорость течения газового реагента в таких организованных насадках уже можно поднять до 4,5-5,5 мс. На рис. представлена схема одной из конструкций высокоэффективной вихревой пакетной насадки [18]. С помощью данной насадки аппарат делится на n вихревых ячеек, каждая из которых работает как миниаппарат с высокоэффективным контактом между газом и жидкостью. При больших скоростях газового реагента 5 мс жидкая фазане только смачивает все поверхности насадки, но также и дробится на капли, которые сразу же сепарируются в ячейке за счет закрученного вихревого движения газового реагента в ячейке. Размеры ячеек в сечении х, х мм, а высота пакета
30, 50, 65 мм. Пакеты с такими ячейками набираются на любой диаметр реактора. Несмотря на большое число ячеек по диаметру аппарата, свободное сечение аппарата составляет 98-98,5 %. Поэтому гидравлическое сопротивление пакетов, установленных друг на друга при плотности орошения жидкой фазы 100 м
3
/м
2
ч и скорости течения газовой среды 5 мс составляет всего 1200 Па/м. С учетом того, что в тарельчатых колонных аппаратах скорость течения газового реагента много меньше 5 мс, а также то, что расстояние между тарелками всегда большем, габариты реакторов с вихревой пакетной насадкой будут намного меньше тарельчатых колонных реакторов при бóльшей эффективности тепло- и массообмена. Колонные тарельчатые реакторы работают в барботажном режиме, а реакторы с насыпными насадками - в пленочном режиме.
104 Рис. 4.1. Пакетная вихревая насадка ИГХТУ (каф.МАХП).
4.2. Барботажные реакторы В системе газ-жидкость чрезвычайно широкое применение нашли барботажные реакторы. По конструктивному оформлению они, в свою очередь, подразделяются натри подгруппы а) барботажные колонные реакторы с колпачковыми, клапанными, ситчатыми и
S – образными тарелками а) барботажные реакторы с механическими перемешивающими устройствами б) барботажные реакторы для проведения реакций с большим тепловым эффектом. Газожидкостные аппараты с перемешивающими устройствами в свободном объеме представляет собой обычный емкостной аппарат 1 с рубашкой 2, мешалкой 3, газораспределителем (барботером) 4 (рис. 4.2). Обычно для лучшего диспергирования газа в объеме аппарата навалу устанавливают 2÷4 мешалки, а барботер располагают под нижней мешалкой или на одном уровне с ней. Мешалки быстроходные, поэтому в аппарате устанавливают 3÷8 отражательных перегородок 5.
105 Рис. 4.2. Схема барботажного аппарата с мешалками
1 – корпус 2 – рубашка 3 – мешалка 4 – барботер 5 – отражательные перегородки. Недостатком подобных аппаратов является малая степень превращения газового реагента вследствие наличия тенденции объединения (роста) газовых пузырей по высоте аппарата. При малых давлениях газового реагента и с целью большей полноты его использования водном аппарате применяются самовсасывающие турбинные мешалки разного конструктивного оформления. В этих аппаратах газ всасывается в центр мешалки через полый вали кольцевые сопла 2, диспергируется сначала потоком жидкости, поступающей в кольцевые окна сверху и снизу турбинной мешалки, выбрасываемой на периферию радиальными лопастями 3. Вторичное дробление газа (рис. 4.3.) в жидкости происходит за счет ударного нагружения газожидкостной смеси об отражательные планки 4 статора 5. Выбрасывающаяся из мешалки жидкость создает в центре турбинки разрежение, вследствие чего и происходит подсос газа.
106 Рис. 4.3. Аппарат с самовсасывающими аэрирующими устройствами для микробиологического процесса 1 – полный вал 2 – кольцевое сопло
3 – радиальные лопасти турбинной мешалки 4 – отражательные планки
5 – статор 6 – зона разрежения. Другие конструкции самовсасывающихся мешалок изображены на рис.
4.4 ирис. На рис. 4.4 представлена схема самовсасывающейся мешалки Американской фирмы «Denver Egnipment Division [1]. Мешалка 1 приводится во вращение от шкива 7. При этом жидкая фаза всасывается через конус 3, захватывая газовый реагент, поступающий через патрубок 5 и диффузор 4. Газожидкостная смесь выбрасывается в аппарат удлиненными лопатками турбинной мешалки 1, соударяясь с лопастями 2 (лопасти даны в разрезе) статора, где происходит ее интенсивное перемешивание и циркуляция. Статор способствует увеличению количества засасываемого газа и его лучшему диспергированию в жидкой среде. Фирмой предлагается выполнение всех неподвижных частей аппарата, диффузора 4, конуса 3 и статора 2 из коррозионно- и абразивостойкого металла (полиуретана, что уменьшает веси стоимость аппарата в целом.
107 Рис. 4.4. Самовсасывающее аэрирующее устройство фирмы «Denver Equipment
Division»: 1 – аэратор 2 – статор 3 – конус 4 – диффузор
5 – патрубок для воздуха 6 – вал 7 – привод. Предложена также [19] самовсасывающая мешалка для двух и трехфазной системы (газ-жидкость-твердое), в которой газовый реагент поступает по полому валу 1, а далее направляется в зону разрежения через отверстия в роторе турбинки (рис. 4.5). Турбинка выполнена в виде перфорированного раструба 5, по периферии которого расположен диск 7. На верхней поверхности диска выполнены радиальные лопасти 8, а на нижней – радиальные лопасти 4, имеющие в поперечном сечении форму крыла, установленного с наклоном к плоскости ротора. Над раструбом расположен усеченный конус 6, частично перекрывающий лопасти 8. Статор выполнен в виде диска 10 с радиальными лопастями 9 и входным конусом 11. В случае работы с трехфазной системой во входном конусе 11 имеются циркуляционные отверстия 2 для трехфазной суспензии. При вращении ротора лопасти 8 и 4
108 создают зоны разрежения, в которые подсасывается газ. Первичное дробление газа на пузырьки больших размеров происходит в зоне этих лопастей. Вторичное дробление происходит на срыве этих лопастей. Третичное дробление происходит при соударении газожидкостных потоков о лопасти 9. Наклон лопастей 4 и плоскости ротора имеет угол атаки, создающий подъемную силу, благодаря чему снижаются осевые нагрузки на подшипники и повышается срок их работы. Рис. 4.5. Аэрирующее устройство с ротором в виде перфорированного раструба 1 – полый вал 2 – ротор 3 – статор 4 – радиальные лопасти
5 – перфорированный раструб 6 – усеченный конус 7 – диск ротора
8 – радиальные лопасти ротора 9 – радиальные лопасти статора 10 – диск статора 11 – стакан 12 – циркуляционные отверстия для пульпы. На рис. 4.6 представлен горизонтальный сварной цилиндрический реактор 1 с четырьмя самовсасывающими турбинными мешалками и встроенными внутрь трубчатыми теплообменниками 3, разработанный
НИИХИММАШ. Для лучшего перемешивания газожидкостной смеси навалу перемешивающего устройства расположена аэрирующая самовсасывающая мешалка 4 и пропеллерная мешалка 5.
109 Рис. 4.6. Горизонтальный аппарат с аэрирующими перемешивающими устройствами конструкции НПО «НИИхиммаш»: 1 – корпус реактора 2 – вал
3 – трубчатые теплообменники 4 – самовсасывающая мешалка
5 – пропеллерная мешалка 6 – перегородка. Аппарат может работать как в периодическом, таки непрерывном режимах. В случае непрерывного режима работы реактор снабжается тремя вертикальными перегородками 6, разделяющими аппарат на четыре последовательно расположенных секции, в которые реагенты попадают путем перелива через эти перегородки. Корпуса аппаратов могут быть выполнены из кислотостойкой стали или футеровки изнутри. При футеровке стального корпуса в качестве подслоя используют гомогенную освинцовку или полиизобутилен, затем положенные в два слоя керамические плитки АТМ на диабазовой замазке и далее слой кислотостойкого кирпича. Отличительной особенностью данных реакторов является возможность достижения высоких коэффициентов массопередачи как в системах газ- жидкость, таки в трехфазных системах газ-жидкость-твердое при значительной степени использования газового реагента вследствие многократной его циркуляции из верхнего объема реактора (занимающего 25-30% общего объема аппарата) в жидкий реагента также создания развитой межфазной поверхности. Газовый реагент, прошедший в этих аппаратах через жидкость и непрореагировавший с ней, многократно засасывается самовсасывающей мешалкой и снова подается в перемешиваемую жидкость. Вторая мешалка навалу обязательна в случае осуществления реакции в трехфазной системе, так
110 как она препятствует осаждению частиц твердой фазы на теплообменниках и на днище аппарата. Отсюда следует, что самовсасывающие мешалки достаточно перспективны в химических и биохимических аппаратах. Пропускная способность по газу аппаратов с мешалками в свободном объеме ограничена режимом захлебывания, когда при достижении некоторого расхода подаваемого в аппарат газа избыточный его объем не диспергируется в жидкости, а, обтекая мешалку, поднимается вдоль вала.
4.3. Барботажные реакторы с циркуляционным контуром При больших объемах реактора и малом тепловом эффекте реакции используют барботажные аппараты с мешалкой в циркуляционном контуре, которые могут быть выполнены в двух вариантах с винтовой или пропеллерной мешалкой внутри циркуляционного стакана 3 (риса) и с открытой турбинной мешалкой, расположенной под циркуляционным стаканом рис. б. Аппарат с винтовой мешалкой внутри циркуляционного контура имеет отношение высоты корпуса Н к диаметру Н/D
р
≥ 5÷10. Диаметр циркуляционного стакана 3 рассчитывается из условия равенства площадей сечения стакана и кольцевого зазора, образованного им со стенками сосуда. Нижняя часть стакана имеет уменьшенное сечение, в нем размещена винтовая мешалка 4, выполняющая роль, как осевого насоса, таки диспергатора газа, подаваемого под мешалку. Практика эксплуатации таких аппаратов показала, что в качестве насоса может быть использована мешалка с прямыми лопастями, имеющими угол наклона к горизонтали α = 15÷45 Аппарат наиболее эффективно работает в условиях полного заполнения его объема газожидкостной смесью, поэтому выход непоглощенного газа и жидкости осуществляется через верхний штуцер, соединенный с сепаратором 1 газожидкостной смеси. Конструктивно аппарат с одним циркуляционным стаканом может быть выполнен объемом дом. При установке водном корпусе 2 нескольких стаканов со своими мешалками объем реактора можно увеличить дом, что позволяет существенно снизить удельные затраты энергии. Например, в аппарате стремя стаканами удельные затраты энергии снижаются на 40 %. Пропускная способность аппарата по газу определяется предельной скоростью его в циркуляционном стакане, которая не должна превышать 0,02 мс (по свободному сечению аппарата. В противном случае возможен срыв работы мешалки и нарушение циркуляции жидкости. Устойчивая работа мешалки определяется газосодержанием системы, предельная величина которого составляет г ≈0,4,
111 поэтому аппараты с мешалкой и циркуляционным контуром можно применять только для реакционных систем, которые не образуют устойчивых пен. Рис. 4.7. Схемы барботажных аппаратов с винтовой (аи турбинной (б) мешалками в циркуляционном контуре 1 – сепаратор 2 – корпус реактора
3 – циркуляционный стакан 4 – пропеллерная мешалка. Если в реакции участвуют газы с возможным образованием взрывоопасной смеси, то аппарат с циркуляцией газожидкостной смеси является одним из наиболее надежных устройств, так как внутри аппарата не образуется больших объемов газов со взрывоопасной концентрацией.
112 Недостатком этих аппаратов является малая пропускная способность по газу, поэтому они применяются при малых и средних производительностях в реакторах как периодического, таки непрерывного действия.
4.4. Барботажный аппарат с большим тепловым эффектом реакции При больших тепловых эффектах реакции целесообразно использовать барботажный газлифтный реактор, в котором газовый реагент поступает по штуцеру 7 в межтрубное пространство, ограниченное трубными решетками 8 риса затем направляется в отверстия 4 реакционных труби эжектирует жидкий реагент, поступающий в нижний штуцер 5. Газовые пузыри поднимаются вверх и захватывают с собой жидкий реагент, который поднимается вверх в виде тонкого столба или пленки переменной толщины, в результате чего интенсифицируется теплообмен со стенкой реакционной трубки и строго поддерживается оптимальная температура процесса. Остаточный непрореагировавший газ отделяется от жидкости в верхней сепарационной зоне реактора 1 и выходит в верхний штуцер. Жидкий реагент с малым газосодержанием опускается по центральной циркуляционной трубе, смешивается со свежим реагентом и вновь поступает в реакционные трубки 2, контактируя со свежим газом. Подобная циркуляция осуществляется до заданной степени превращения по жидкой фазе. Давление газа в этих аппаратах должно быть достаточным для преодоления гидравлического сопротивления барботажной и циркуляционной труб контура. Достоинством таких аппаратов является проведение реакции при четко заданной температуре даже при больших тепловых эффектах реакции. Теплоноситель подается в межтрубное пространство, ограниченное трубными решетками 8 и 9. На рис. 4.8 представлена схема аппарата с экзотермическим эффектом реакции, так как в межтрубном пространстве подается пар. Нижней трубной решетки 8 может и не быть, но при этом должен поддерживаться уровень жидкого реагента примерно на уровне нижней трубной решетки 8. Одной из основных задач гидродинамического и теплового расчета данного реактора является определение скорости циркуляции газожидкостной смеси или приведенной скорости жидкости в реакционных трубах.
113 Рис. 4.8. Схема кожухотрубного газлифтного аппарата 1 – корпус реактора
2 – реакционные трубы 3 – центральная переливная труба 4 – отверстия для подачи газового реагента 5 – штуцер ввода жидкого реагента 6 – вывод жидкого продукта 7 – штуцер ввода газа 8,9 – трубные решетки
114
4.5. Барботажные реакторы с быстропротекающими реакциями
4.5.1. Аппарат ИТН Примером реакторов в системе газ-жидкость с быстропротекающими реакциями являются аппараты ИТН (использование тепла нейтрализации) в производстве одного из основных видов азотного удобрения – нитрата аммония. Нитрат аммония получают нейтрализацией слабой азотной кислоты
(40÷60 % HNO
3
) аммиаком с интенсивной циркуляцией раствора за счет образования и подъема парового потока (реакция экзотермическая. Схема аппарата ИТН представлена на рис. Реактор работает следующим образом. Газообразный аммиак, подогретый до 120÷160 С, по трубопроводу 7 поступает в кольцевой барботер с перфорированными трубами
1. Пузырьки аммиака, поднимаясь вверх, с высокой скоростью реагируют с азотной кислотой, нейтрализуя ее с образованием нитрата аммония (NH
4
NO
3
). Теплота нейтрализации используется на испарение воды и повышение концентрации нитрата аммония. Раствор аммиачной селитры через отверстия под крышкой внутреннего цилиндра с паром выходит в сепарационную часть аппарата 15 и непрерывно циркулирует между внутренним цилиндром и сепарационной частью. Раствор аммиачной селитры с концентрацией 92÷94 % по штуцеру 16 выводят из аппарата на дальнейшую упарку. Соковый пар для очистки от брызг раствора NH
4
NO
3
и азотной кислоты последовательно промывают на ситчатых тарелках 9 раствором аммиачной селитры, подаваемым по штуцерами конденсатом сокового пара, который подают по штуцеру 13. Промывные растворы стекают в реакционную часть. Соковый пар проходит сетчатый отбойник 12, где улавливаются капли жидкости, и через штуцер 11 выходит из аппарата. Аппарат имеет опоры 5 и люки 10 для осмотра и ремонта аппарата. Аппарат работает при малом избыточном давлении 0,02 МПа, температура в реакционной части составляет
180 С. Основные части аппарата изготавливают из стали 08Х18Н10Т, а отдельные детали, подверженные сильному коррозионному воздействию среды
– из титана.
115 Рис. 4.9. Аппарат ИТН: 1 – кольцевой барботер 2 – реакционная часть аппарата 3 – распределитель 4 – внутренний цилиндр 5 – опоры 6, 8, 11, 13,
14, 16 – штуцер 7 – трубопровод 9 – тарелка 10 – люк 12 – отбойник;
15 – сепарационная часть аппарата 16 – вывод нитрата аммония.
116
4.5.2. образные реакторы В производстве сложных удобрений, получаемых разложением фосфатов азотной кислотой, для нейтрализации смеси фосфорной и азотных кислот аммиаком используют образные барботажные реакторы (рис. Рис. 4.10. образный реактор 1 – реактор 2 – водяная рубашка
3 – пропеллерная мешалка 4 – штуцер вывода продуктов реакции 5 – крышка
6 – штуцер ввода жидких реагентов 7 – перегородка 8 – штуцер ввода Корпус реактора 1 разделен перегородкой 7 на два сообщающиеся отсека, в которых установлены двойные пропеллерные мешалки 3, вращающиеся в разные стороны с числом оборотов 33,3 об/мин. Интенсивное перемешивание ускоряет взаимодействие аммиака с кислотами. Смесь кислот вводят по желобу
6 и нейтрализованные выводят по желобу 4. Аммиак и углекислый газ вводится в аппарат через патрубки 8. Мешалки диспергируют крупные пузыри газа. Аппарат снабжен рубашкой 2 для отвода тепла нейтрализации проточной водой.
117
4.5.3. Реакторы производства аммофоса Ортофосфат аммония аммофос) получают нейтрализацией экстракционной фосфорной кислоты аммиаком. Наиболее часто для производства аммофоса используются скоростные аммонизаторы. САИ- скоростной аммонизатор-испаритель представлен на рис. 4.11а.
Рис. 4.11. Реакторы для получения фосфатов аммония а – САИ; б – П-образный трубчатый. 1 – циркуляционная труба 2 – лапы 3 – штуцер вывода пульпы
4 – люк 5 – штуцер вывода сокового пара 6 – сепаратор 7 – реакционная труба 8 - ввод фосфорной кислоты 9 – вход аммиака 10 – вывод теплоносителя 11 – корпус рубашки 12 – вход охлаждающей воды 13 – вывод продуктов реакции 14 – сопло газового реагента, эжектирующее жидкий реагент. Реактор состоит из реакционной трубы 7, циркуляционной трубы 1 и испарителя 6. Фосфорную кислоту, подогретую в выносном теплообменнике соковым паром до 60÷80 С, подают в штуцера аммиак – в штуцер 9 через сопло в нижнюю часть реакционной трубы. За счет разности плотностей газо- парожидкостной смеси в реакционной трубе 7 и жидкости в трубе 1, скорость смеси в реакционной части доходит до 0,7 мс.
118 В процессе реакции выделяется тепло, образуется пар, который транспортирует парожидкостную смесь в испаритель-сепаратор, где пар отделяется от аммофосной пульпы при температуре 110 С. Пульпу выводят по штуцеру 3, а соковый пар – по штуцеру 5 в теплообменник-конденсатор. Данный аппарат обладает рядом преимуществ в сравнении с аппаратами с механическими мешалками простота конструкции отсутствие перемешивающих устройств в коррозионной среде меньший расход энергии высокая концентрация пульпы за время пребывания в реакционной зоне 3÷6 минут возможность работы, как под вакуумом, таки под давлением. По практическим данным, потери NH
3
с паром не превышает 0,2 %. Аппарат обычно изготавливают из дешевых углеродистых сталей с футеровкой полимерами для защиты от коррозии. Производительность таких аппаратов достигает 100 т пульпы в час или
16-17 кг готового аммофоса в секунду. В производстве комплексных жидких удобрений нейтрализацию полифосфорных кислот аммиаком осуществляют в еще более простом оборудовании. Реакторы выполняют трубчатой П-образной, Г-образной или подковообразной формы, корпус которых снабжен рубашкой для охлаждения реакционный смеси (рис. 4.11 б.
4.5.4. П – образный трубчатый реактор П – образный трубчатый реактор (рис. б) собирается из 3÷4 отдельных секций длиной от 1 дом каждая. Охлаждающую рубашку 11 имеет только первая секция. Воду подают в штуцер 12 и выводят в штуцер 10. Экстракционную полифосфорную кислоту с концентрацией 68÷72 % P
2
O
5
и температурой 70 ÷ 120 С вводят по штуцеру 8, а газообразный аммиак, подогретый до большей температуры (90 ÷ 200 С, по штуцеру 9. Сопло 14 служит для лучшего диспергирования кислоты аммиаком, который обычно подают под давлением до 1,5 МПа. Сопло 14 играет роль распределителя аммиака, так как имеет не одно, а 9 ÷ 20 отверстий диаметром 3 ÷ 5 мм. Температура в трубчатой реакционной зоне зависит от эффективности распределения аммиака. При использовании трубчатого распределителя (сопла)
14 без перфораций температура смеси повышается до 200 ÷ 230 С, а при использовании сопла 14 с 12 отверстиями диаметром 5 мм и с центральным отверстием 12 мм температура в реакторе достигает уже 275÷285 С, что позволяет наиболее полно осуществить реакцию нейтрализации. Готовый плав полифосфатов аммония выводят через штуцер 13 на растворение для приготовления жидких удобрений. Производительность описанного реактора длиной 6,5 м составляет 20,5 т/ч жидкого удобрения, содержащего 10 %-ный N и 34 %-ный Все детали, соприкасающиеся с кислотой и раствором удобрений изготавливают из высоколегированных сталей ХН65МВ, хастеллоя и углеграфита.
119
4.6. Пленочные реакторы в системе газ-жидкость Проведение тепломассообменных процессов в тонком слое жидкости всегда связано с высокой эффективностью, малым временем пребывания жидкости в аппарате, низким сопротивлением по газовой фазе, возможностью проведения реакционных процессов, как в противотоке, таки в прямотоке реагирующих компонентов газ-жидкость и сравнительно развитой поверхностью контакта фаз и проведение реакций при регулируемой и достаточно точно поддерживаемой температуре стенки, по которой движется пленка, и, соответственно, зоны реакции. Пленочные реакторы целесообразно применять для быстротекущих реакций с большим тепловым эффектом, также как и реактор, изображенный на рис. 4.8., так как имеют развитую поверхность тепло- массообмена. По способу организации пленочного течения жидкости различают следующие аппараты с восходящей пленкой (по аналогии с рис. 4.8); со стекающей пленкой с закрученной пленкой пленкой, организованной вращающимся ротором (роторно-пленочные аппараты.
4.6.1. Реакторы со стекающей пленкой При проведении процесса с большим тепловым эффектом наиболее простой и совершенной конструкцией реактора является аппарат типа кожухотрубного теплообменника, в котором (рис. 4.12.) в трубках организуется стекающая пленка и поток реагирующего газа (прямотоком или противотоком. В межтрубное пространство для эндотермических реакций подается пар, что позволяет поддерживать с высокой точностью постоянной температуру стенок реакционных трубок (2), по которым движется тонкая пленка (δ < 1 мм) реагирующей с газом жидкости. Постоянство температур в зоне реакции и малое диффузионное сопротивление в турбулентно стекающей пленке являются огромными преимуществами пленочных реагентов в системе газ- жидкость. Газожидкостная смесь выводится из аппарата через нижний штуцер. В пленочных аппаратах применяются разнообразные конструкции распределителей жидкости (пленкообразователей, которые изображены на рис.
4.13, 4.14, 4.15, 4.16. Удовлетворительное качество распределения жидкости достигается при применении распределителей (или оросителей) с тангенциальной подачей при помощи одного или двухвинтовых каналов (рис. г) или тангенциально расположенных отверстий (рис. 4.13 в, г)
Применение щелевых оросителей позволяет удерживать на трубной решетке слой жидкости высотой более 100 мм.
120 Рис. 4.12. Кожухотрубный аппарат со стекающей пленкой 1 – трубчатый ороситель; 2 – реакционные трубы. Рис. 4.13. Типы оросительных устройства, б – переливные; в, г – щелевые д – струйные е – капиллярно-щелевое.
121 Разбрызгивающие устройства в виде форсунок в каждой трубке используют только в прямоточных аппаратах. Струйные оросители (рис. 4.13 д) надежны при больших плотностях орошения, те. при формировании толстых пленок и используются как в трубчатых, таки в пластинчатых пленочных аппаратах. Рис. 4.14. Схемы распределителей жидкости На рис. 4.15 представлена схема распределительного устройства пленочного аппарата с восходящей пленкой, на котором в отличие от аппарата, изображенного на рис. 4.8, в нижнее межтрубное пространство подается не газа жидкость, которая распределяется в виде пленки и транспортируется вверх газом. Рис. 4.15 Схема распределительного устройства пленочного испарителя с восходящей пленкой
122 Аппарат, изображенный на рис. 4.16. отличается от ранее рассмотренных тем, что внутри каждой реакционной трубки 1 установлены винтовые вставки- завихрители 2, а жидкость подается по трубкам 3 распределителя. Жидкая фаза из трубок 3 попадает в первый завихритель, в котором газовым потоком отбрасывается к стенкам реакционных трубок и далее движется вниз по винтовой спирали, подкручиваясь нижерасположенными винтовыми вставками. Нижняя винтовая вставка позволяет провести первичную сепарацию жидкости от газа. Рис. 4.16. Схема пленочного реактора с закрученным газожидкостным потоком
1 – реакционные трубки 2 – завихрители; 3 – распределительные трубки.
123 В оросительных устройствах на рис. 4.17 сначала закручивается газовый поток, который далее закручивает по спирали по внутренним стенкам реакционных трубок и жидкостной поток, обеспечивая хороший контакт между ними. Рис. 4.17. Оросительные устройства аппарата с закрученным газожидкостным потоком а – питание через тангенциальное отверстие в стенке трубы б – центральное питание через патрубок (закрутка газа с помощью тангенциальных щелей. Отмечено [12], что аппараты с закрученным газожидкостным потоком по сравнению с аппаратами со стекающей пленкой имеют в 2-3 раза более высокий коэффициент массообмена.
Крутка газожидкостного потока позволяет равномерно распределить жидкость даже при малых плотностях орошения. Поэтому в аппаратах с закрученным потоком можно применять простейшие устройства для ввода жидкости. Задача этих устройств – подача определенного количества жидкости (для создания пленки заданной толщины) в область действия интенсивно закрученного газового потока.
4.6.2. Роторные пленочные реакторы Роторные пленочные аппараты применяются в тех случаях, когда жидкий реагент имеет высокую вязкость или же в тех случаях, когда вязкость может очень сильно возрастать в процессе химической реакции и, возможно, с образованием твердой фазы.
124 В этих случаях закруткой газового реагента не удается сформировать устойчивую пленку, поэтому для ее формирования используется ротор с лопастями. На рис. 4.18 представлена схема роторно-пленочного реактора с прямоточным движением газожидкостного потока. Роторный пленочный аппарат имеет корпус 1 с рубашкой, вал 2 на всю высоту аппарата, лопасти 3, прикрепленные тем или иным способом к валу, распределитель жидкого реагента 4 и привод ротора, установленный на крышке аппарата. Корпус аппарата может быть цилиндрическими коническим. Аппараты с цилиндрическим корпусом устанавливается вертикально, ас коническим – горизонтально. Рис. 4.18. Вертикальный роторный пленочный реактор 1 – корпус 2 – вал
3 – лопасти 4 – распределительное устройство жидкого реагента.
125 Крепления лопасти 3 вертикальных цилиндрических аппаратов имеют три вида (риса) жесткие, лопасти которых жестко соединены с валом и имеют постоянный зазор с внутренней поверхности корпуса б) шарнирные, лопасти которых крепятся шарнирно, и вовремя работы зазор между кромкой лопасти и корпусом аппарата самоустанавливается под действием центробежных сил и сил вязкого сопротивления жидкости (4.19 б в) маятниковые, лопасти которых закреплены шарнирно, но зазор всегда больше нуля (4.19 в. Рис. 4.19. Роторы вертикальных роторных пленочных реакторов и вертикальных выпарных аппаратов. Распределительное устройство жидкости (жидкого реагента) выполняют в виде кольца 4 (рис. 4.18), вращающегося вместе с валом, в результате чего происходит предварительное распределение жидкости в виде пленки. Также, как ив аппаратах со скребковыми мешалками, в роторно- пленочных аппаратах лопасти существенно интенсифицируют теплообмен между стенкой аппарата и вязкой жидкостью, а также массообмен и химическую реакцию между газом и жидкостью. Вертикальные роторные аппараты изготовляют диаметром 0,15÷1 мс площадью теплообмена дом. В них обрабатывают жидкие среды с вязкостью свыше 20 Пас. В аппаратах с жесткими лопастями окружная скорость обычно составляет
5÷12 мс, а зазор между корпусом и лопастями 1÷3 мм. Эти аппараты применяют в тех случаях, когда продукты истирания лопастей и стенок корпуса не должны попадать в продукты реакции. В аппаратах с шарнирными лопастями окружная скорость уже ниже 1,5÷5 мс, поскольку у них не исключена возможность трения лопастей о стенки аппарата и появление тонкодисперсных продуктов износа в реакционных продуктах. Горизонтальные аппараты с коническим корпусом имеют площадь теплообменной поверхности дом, угол конусности обычно небольшой и составляет 2÷5 0
126 Лопасти роторов горизонтальных аппаратов закрепляются жестко. Зазор между кромками лопастей и корпусом регулируют за счет осевого перемещения всего ротора. Горизонтальные аппараты обладают повышенной удерживающей способностью по жидкости по сравнению с вертикальными аппаратами. Время пребывания в них жидкости может составлять от нескольких секунд до нескольких минут, что очень важно в случае кинетической лимитирующей стадии и позволяет получать высокие степени превращения жидкого реагента.
4.7. Реакторы с интенсивным диспергированием реагентов Реакторы с интенсивным диспергированием реагентов по способу диспергирования подразделяются на 2 подгруппы а) реакторы с гидродинамическим диспергированием б) реакторы с механическим диспергированием реагирующих сред. Особенностью подобных реакторов является то обстоятельство, что у них за очень короткое время развивается чрезвычайно большая поверхность контакта фаз в малом объеме реактора и реализуются высокие коэффициенты массопередачи. Казалось бы, что еще нужно, чтобы иметь малогабаритный высокопроизводительный реактор в системе газ-жидкость согласно уравнению 4.1. Однако большим ограничением в областях применения подобных реакторов выступает решение задачи теплопереноса, связанное стем, что в малом объеме реактора при большой поверхности контакта фаз конструктивно невозможно решить задачу подвода или отвода тепла даже при малых тепловых эффектах реакции. Для реакций с большим тепловым эффектом задача теплопереноса в аппарате малого объема никак не решается даже с использованием самых высокоэффективных конструкций теплообменников и способов подвода или отвода теплоты. Поэтому область применения подобных реакторов ограничена и они могут применяться только для реакций сочень малым тепловым эффектом, а также при осуществлении реакций срезкой нестационарностью температурных полей в объеме реактора.
4.7.1. Гидродинамические диспергаторы реагирующих компонентов в системе газ-жидкость Для быстропротекающих реакций в системе газ-жидкость с малым тепловым эффектом нашли применение реакторы с интенсивным диспергированием (распылением) жидкого реагента за счет высоких скоростей реакционного газа. Эти реакторы имеют различные конструктивные модификации хемабсорберов типа труба Вентури», схема которого изображена на рис. 4.20.
127 Рис. 4.20. Реактор с интенсивным диспергированием жидкого реагента газом. Газовый реагент входит во входной патрубок 1 реактора со скоростью
25÷35 мс и далее ускоряется в сужении трубы Вентури 2 до 180÷300 мс. Благодаря высоким скоростям течения газа в элементе 2 аппарата, статический напор превращается в динамический, в результате чего в зоне обтекания патрубка подачи жидкости 4 возникает разрежение и жидкость может эжектироваться газом. При таких огромных скоростях газового потока жидкость диспергируется до очень мелких капель в виде тумана и эффективно взаимодействует с турбулентными потоками газового реагента. Образуется высокоразвитая межфазная поверхность и повышается скорость массопередачи. Недостатком реакторов типа труба Вентури» является высокая энергоемкость (большая потеря напора газа, сложность отделения туманообразных продуктов реакции от остаточного газа и чрезвычайная сложность решения тепловой задачи. Поэтому они могут применяться для проведения реакций сочень малым тепловым эффектом ив неизотерических условиях протекания реакций. Достоинства – простота, очень малые габариты.
4.7.2. Реактор с диспергированием жидкости в газе вращающимся ротором В синтезе целого ряда органических веществ используется реактор с механическим диспергированием жидкости в газе. Реактор представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат 1, в котором находится быстро вращающийся ротор, представляющий собой набор тонких дисков 3, закрепленных навалу (рис. 4.21).
128 Рис. 4.21. Схема реактора с диспергированием жидкого реагента в газе вращающимся ротором 1 – корпус реактора 2 – вал ротора 3 – вращающиеся диски 4 – перегородки 5 – штуцер ввода газа 6 – штуцер вывода продуктов реакции 7 – рубашка 8 – вход жидкого реагента. Диски на 1/3 погружены в реакционную жидкость и могут иметь шероховатую поверхность (типа хозяйственных терок для овощей. За счет шероховатости жидкий реагент захватывается дисками и диспергируется в газовом объеме в виде тонкодисперсных капель, которые занимают бóльшую часть объема реактора. Реактор может работать как в периодическом, таки в непрерывном режимах работы. При непрерывном режиме работы в реакторе имеются перегородки 4, которые как бы разделяют аппарат на секции. Реакционному газу, который, как правило, движется противотоком жидкости, приходиться двигаться по сложной траектории, огибая вращающиеся диски 3, перегородки 4, проходя последовательно одну за другой зоны туманообразных капель реакционной жидкости. Благодаря этому степень превращения газа в этих аппаратах достаточно высока даже в непрерывном режиме работы. В зависимости от теплового эффекта реакции реактор может иметь или не иметь рубашку 7 и встроенные змеевики (на рис. не показаны. Число оборотов ротора может изменяться в зависимости от диаметра реактора в пределах от 450 до 1000 об/мин. К достоинствам данного реактора необходимо отнести возможность проведения реакций при малом давлении газа, хорошую сепарацию капель жидкости в ступени реактора за счет закрутки ротором газожидкостного потока, а также возможность осуществления высоких степеней превращения как по жидкой, таки по газовой фазам.
129
4.7.3. Турбохемабсорберы Наиболее высокую поверхность контакта фаз можно получить в турбохемабсорберах в зоне взаимодействия быстровращающихся ротора и статора. В турбохемабсорберах в отличие от других конструкций реакторов в системе газ-жидкость в зоне действия ротора и статора диспергируется как газовая, таки жидкая фазы. В подобных реакторах возможно получение самых высоких коэффициентов массоотдачи (β и β
r t
, см. ур-ние 4.2.). Поэтому в зазорах между ротором и статором возможно создать высокие скорости массообмена. В этой связи эти реакторы могут использоваться для осуществления реакций сочень малыми тепловыми эффектами. В случае протекания реакций даже со средним экзо- или эндоэффектом решить проблему подвода или отвода теплоты в данных аппаратах невозможно даже при наличии встроенных теплообменников (см. рис. 4.22). Схема реактора типа турбохемабсорбера представлена на рис. 4.22. Реактор работает следующим образом. Газовый реагент обычно подается по полому валу 3 в зазор между ротором 5 и статором 6. Ротор вращается с большим числом оборотов 1000÷3000 об/мин. Зазор между различной формы ротором и статором обычно колеблется от 0,5÷3 мм. Вследствие больших центробежных сил тонкодисперсная газожидкостная смесь выбрасывается в объем реактора. В центральной части ротора создается разрежение ив эту область подсасываются жидкий и газовый реагенты. Жидкий реагент поступает через окна 2. Для уменьшения высоты воронки и улучшения эффективности перемешивания в реакторе установлены перегородки.
Рис. 4.22. Турбохемабсорбер: 1 – корпус 2 – патрубок ввода жидкого реагента
3 – полый вал 4 – отражательная перегородка 5 – ротор 6 – статор
7 – отверстия в статоре 8 – вывод продукта реакции 9 – рубашка
10 – змеевик