Увеличение поверхности контакта фаз.

_{Увеличение поверхности контакта способствует интенсификации процесса и производится различно в зависимости от вида системы: Г-Ж, Г-Т, Ж-Т, Ж-Ж(несмеш.) и Т-Т, а также от необходимого режима процесса, т.е. применяемых давлений, температур, концентрации реагентов, катализаторов и т.п. Способ создания поверхности соприкосновения определяет конструкцию аппарата для данной агрегатной системы.}

_{Во всех случаях стремятся увеличить поверхность более тяжелой (плотной) фазы – твердой в системах Г-Т, Ж-Т и жидкой в системе Г-Ж. Более же легкая фаза во всех типах аппаратов омывает поверхность тяжелой фазы.}

_{Система Г-Т (горение, обжиг, адсорбционные процессы)}

_{Для увеличения поверхности соприкосновения необходимо:}

_{а) повысить дисперсность материала или пористость его кусков, что достигается тонким измельчением.}

_{б) в аппарате необходимо создать такие гидродинамические условия, при которых вся или большая часть поверхности твердых частиц омывается потоком газа}

_{С уществует четыре способа увеличения поверхности соприкосновения:}

_{1. Перемешивание измельченного твердого материала механическими мешалками на полках аппарата, омываемых газом. При перемешивании обновляется поверхность соприкосновения и производится передвижение твердого материала по полкам (рис. 4.16).}

_{Аппарат представляет собой вертикальный цилиндр 1, внутри которого находятся горизонтальные своды 3. В центре аппарата установлен вал 4. На валу горизонтально расположены гребенки 5 с насаженными на них лопатками (зубьями). Во время работы вал с гребенками вращается и не только перемешивает твердый материал, находящийся на сводах, но и перемещает его с верхнего свода на нижний через отверстия в сводах 6. Газ подается снизу и движется противотоком по отношению к твердому материалу. Получаемые газообразные продукты реакции выводятся из аппарата сверху, твердые – снизу. Такого типа аппараты применялись, например, в сернокислотной промышленности для обжига колчедана (механические печи).}

_{Поверхность соприкосновения твердого материала с газом в полочных печах условно принимается равной площади всех полок: F=Sполок.}

_{В аппаратах с мешалками обеспечивается непрерывное обновление поверхности контактных фаз, которое ускоряет диффузионные процессы. Вместе с тем данные аппараты сложны по устройству и не обеспечивают высокой степени превращения исходного сырья.}

_{2 . Перемешивание тонко измельченного твердого материала в объеме (в потока) газа, при котором площадь соприкосновения достигает придельной величены, равной общей поверхности всех твердых частиц. Реакторы для создания таких условий представляют собой полые камеры, в которых при помощи пневматических сопел распыляется тонко измельченный материал, осаждающийся в потока взаимодействующего с ним газа (рис. 4.17).}

_{Отделение твердых продуктов от газообразных происходит под действием силы тяжести. Аппараты этого типа отличаются простотой конструкции. Благодаря развитию поверхности соприкосновения фаз реакция в потоке протекает с большой скоростью, что обусловливает высокую интенсивность реактора. Поверхность взаимодействия определяется суммой поверхностей измельченных частиц: F=Sчаст.}

_{Существенным недостатком этих аппаратов является унос твердых частиц газовым потоком, что приводит к загрязнению газообразных продуктов реакции и потере твердых.}

_{3. Аппараты фильтрующего, или стационарного, слоя (рис. 4.18).}

_{На решетке 1 покоится неподвижный слой т вердых частиц 2, через который пропускается поток газа или жидкости. Аппараты этого типа отличаются простотой конструкции, однако в них отсутствует обновление поверхности соприкосновения фаз, нельзя использовать твердый материал высокой степени измельчения и большие скорости газового потока, так как это повышает расход энергии на подачу газа или жидкости через слой твердого материала. В аппаратах с фильтрующим слоем затруднен отвод или подвод теплоты, необходимой для проведения реакции.}

_{Реакторы с фильтрующим слоем твердого зернистого материала просты по устройству, надежны в работе и являются наиболее распространенным классом аппаратов в системе Г-Т. Это – различные шахтные печи (доменные печи) обжиг известняка, газификация твердого топлива.}

_{4 . Перемешивание во взвешенном (кипящем, псевдоожиженном) слое. Взвешенный слой образуется при пропускании газа снизу вверх через слой измельченного твердого материала с такой скоростью, при которой частицы взвешиваются, плавают и пульсируют в потоке газа, но не покидают пределов взвешенного слоя (рис. 4.19).}

_{Поверхность контакта: F=Sчаст..}

_{В гидродинамическом отношении взвешенный слой в системе Г-Т подобен пенному слою (Г-Ж). Время контакта в печах с кипящим слоем (обжиг колчедана) составляет несколько секунд тогда как в механических полочных печах оно измеряется часами. Интенсивность печей с кипящим слоем в 10 раз выше, чем полочных механических печей и в 1,5 – 2 раза выше – чем печей пылевидного обжига. Применение псевдоожиженного слоя особенно перспективно для процессов, скорость которых определяется диффузионным сопротивлением газовой фазы. Это сопротивление в условиях псевдоожижиения уменьшается в десятки, а иногда и в сотни раз, что соответственно увеличивает скорость процесса.}

_{Применяется: при обжиге известняка и колчедана, при газификации твердого топлива.}

_{Система Г-Ж}

_{К этой системе относятся: пиролиз жидкостей, полимеризация в газовой фазе, перегонка, абсорбция, десорбция.}

_{Основные способы создания поверхности соприкосновения и соответственно принципы устройства аппаратов можно разделить на четыре класса:}

_{1 Развитие поверхности жидкой фазы достигается распределением жидкости в виде тонкой пленки на поверхности насадочных тел (насадки), заполняющих реакционный объем аппарата. Соответствующие аппараты называются насадочными колоннами или башнями, а массопередача – пленочной (рис. 4.20.). Площадь соприкосновения F газа с жидкостью для расчетов принимают равной всей поверхности насадки, покрытой пленкой жидкости, т.е. F=Sнас.}

Поверхность жидкости, т.е. поверхность контакта фаз (F), тем больше, чем больший объем насадки приходится на единицу объема пропускаемого газа, чем меньше размер насадки и чем более развита поверхность этой насадки. Поскольку при тепло- и массообмене количество переносимых компонентов газа и жидкости или теплоты пропорционально поверхности контакта фаз, целесообразнее пользоваться мелкими насадками, имеющими большую удельную поверхность. Коэффициент массопередачи также, как правило, больше при наличии мелкой насадки. Однако с уменьшением размеров насадочных тел ухудшается их смачивание и уменьшается доля активной поверхности насадки, участвующая в массообмене. В мелких насадках эффективно смоченной бывает менее 50%, а в крупных насадках степень смоченности может достигать почти 100%.

В качестве насадки используют кольца Рашига – керамические (или стальные) кольца h=d=15150мм, металлическую спиральную насадку, деревянную хордовую насадку, плоскопараллельную насадку, кусковые насадки из кокса, кварца, активированного угля и др.

Существенные достоинства таких колонн состоят в том, что они имеют несложную конструкцию, обладают малыми гидравлическим сопротивлением, просты в обслуживании. Недостатки заключаются в тем, что они громоздки и малоинтенсивны.

2. Барботажные колонны, в которых развитие поверхности взаимодействия фаз осуществляется за счет диспергирования газа в объеме жидкости путем барботажа, т.е. пропускания (пробулькивания) пузырьков газа через слой жидкости в колоннах с колпачковыми или ситчатыми (провальными) тарелками (рис. 4.21.).

В этих реакторах газ с большой скоростью проходит через отверстия ( 0,8 – 6 мм) в ситчатых тарелках или через колпачки в колпачковых тарелках (20-50 колпачков на одной тарелке) и, проходя через слой жидкости высотою 20-80мм и более, образует пузырьки. Жидкость перетекает с верхних тарелок на нижние по сливным патрубкам. Реализуемая при этом массопередача называется пузырьковой, а общая поверхность контакта фаз равна поверхности всех пузырьков: F=S_пуз.

Б арботажные колонны работают интенсивнее башен с насадкой, но создают значительное гидравлическое сопротивление потоку газа, которое зависит от скорости газа: р  w²_г. Конструктивно барботажные аппараты более сложны, чем насадочные, и плохо работают на загрязненных жидкостях (забиваются отверстия).

Широкое распространение барботажных колонн в промышленности связано с высокими коэффициентами массопередачи, а также с большими межфазовыми поверхностями на единицу объема среды, которые сравнительно легко могут быть достигнуты в барботажном слое. Барботажные аппараты повсеместно используют при абсорбции, ректификации, химических превращениях, нагреве жидкостей острым паром в химической, нефтеперерабатывающей, коксохимической промышленности, в технологии органического синтеза.

_{3 Развитие поверхности жидкой фазы за счет диспергирования, т.е. разбрызгивания, распыления ее пневматическим или механическим способом в объеме или потоке газа, проходящего через полый абсорбер или башню. Соответствующие аппараты называются башнями с разбрызгиванием или камерами с распылением жидкости. Площадь соприкосновения F равна поверхности всех капель, на которых и происходит массопередача, называемая капельной F=Sкапель.}

Величина F зависит от ряда технологических параметров:

F=f(d_K, w_K, n)

где w_k – скорость падения капель;

n – плотность орошения, м³/м²;

d_k – диаметр капель, оптимальным размером которых является величина 2 – 4мм.

Если d_k  2мм, то резко увеличивается расход энергии на образование капель и их унос. Если d_k  4мм, то уменьшается поверхность контакта.

Наибольшая эффективность процесса массопередачи наблюдается в момент образования капли (отрыв от сопла форсунки) и начального времени ее падения вследствие сильных конвективных токов внутри капли. Поскольку по мере падения капли конвективные токи затухают, форсуночные абсорберы выполняют многоступенчатыми или с несколькими ярусами орошения (рис. 4.22).

_{Т акие башни работают гораздо интенсивнее насадочных и барботажных , но вследствие затруднений с поддержанием постоянного тонкого распыления жидкости, они неустойчивы в работе и пока мало применяются в промышленности. Например: в производстве H2SO4 для очистки газов от пыли и примесей. Недостатки: наблюдается значительный унос жидкости из аппарата.}

_{4 Создание взвешенного слоя подвижной пены при пропускании газа снизу вверх через решетку пенного аппарата и находящуюся на ней жидкость с такой скоростью, при которой силы трения газа о жидкость уравновешивают массу последней. В результате образуется взвешенный слой подвижной пены, в виде быстро движущихся пленок, струй и капель жидкости, тесно перемешанных с пузырьками и струями газа.}

_{В пенных аппаратах получается наибольшая (из всех четырех) аппаратов поверхность соприкосновения газа с жидкостью. Вследствие сильного перемешивания фаз и непрерывного обновления поверхности жидкости устраняются диффузионные сопротивления и возрастает коэффициент массопередачи ( а следовательно,и теплопередачи) (рис. 4.23.).}

Скорость газа в сечении реактора может составлять от 1 до 4,5 м/с. При более высокой скорости газа взвешенный слой пены разрушается и уносится с газом в виде потока взвеси капель. При сильном уменьшении расхода газа ( и его скорости) пенообразование переходит в барботаж и полное протекание жидкости через отверстия решетки.

Стабилизатор пены представляет собой решетку из вертикально расположенных перекрывающих пластин. Он обеспечивает равномерную высоту пены и равномерную скорость газа по сечению аппарата.

_{Преимущества: высокая поверхность, высокие технологические показатели. Недостаток: трудности с поддержанием заданного гидродинамического режима по высоте аппарата.}

_{Система Ж-Т (адсорбционные процессы).}

_{Основные способы развития поверхности такие же, как и в случае системы Г-Т. В качестве адсорбентов для очистки сточных вод от фенолов применяют активные угли, шлаки, силикагель, диатомиты, сульфат железа и лигнин, пропитанный хлорным железом.}