14.2 Реакторы для проведения гетерогенных процессов

При создании реакторов для проведения гетерогенных процессов необходимо принимать во внимание несколько факторов, усложняющих конструкцию. Во-первых, в гетерогенных системах компоненты находятся в разных фазах, поэтому протекающие в них процессы связаны с переносом вещества через поверхность соприкосновения фаз. В этом случае на скорость процесса значительное влияние оказывают физические факторы: размер и состояние поверхности раздела фаз, диффузия вещества из одной фазы к поверхности раздела фаз и объем второй фазы, а также обратная диффузия образующихся продуктов и т.д. Поэтому конструкция реактора для гетерогенных процессов должна обеспечивать наилучшие условия для массопередачи и, кроме того, создавать возможно большую поверхность соприкосновения фаз. В ряде случаев в конструкции аппарата должно быть предусмотрено обновление поверхности контакта фаз.

В гетерогенной системе, в отличие от гомогенной, каждая фаза может иметь свой режим движения реагентов; возможны также различные комбинации режимов. Кроме того, в этой системе могут существовать различные потоки фаз: прямоток, противоток, перекрестный ток.

И наконец, конструкция реактора зависит от того, в каких фазах находятся реагенты. Так, конструкция реакторов для осуществления процессов в системе «ГАЗ-ТВЕРДОЕ ТЕЛО» отличается от конструкции реакторов для системы «ЖИДКОСТЬ-ЖИДКОСТЬ».

При разработке гетерогенного процесса необходимо учитывать, что правильный выбор конструкции аппарата позволяет в значительной степени интенсифицировать процесс, переводя его из одной области протекания в другую. Например, уменьшая интенсивным перемешиванием диффузионное сопротивление, можно перевести процесс из диффузионной области в кинетическую и далее уже повышать скорость химической реакции.

14.3 Реакторы для проведения реакций в системах

«ГАЗ-ТВЕРДОЕ ТЕЛО» И «ЖИДКОСТЬ-ТВЕРДОЕ»

Характеристика промышленных реакторов во многих случаях довольно близка по своим показателям к характеристикам РИВ и РИС-Н (рисунок 14.3).

К недостаткам реакторов вытеснения относятся незначительное перемешивание фаз либо полное отсутствие обновления поверхности контакта фаз. Такие реакторы невыгодно применять в тех случаях, когда процесс протекает в области внешней диффузии; рационально использовать реакторы смешения, в которых твердый материал находится в режиме смешения.

Конструктивно реакторы смешения могут быть оформлены в двух вариантах: первый – это полная камера, в которой перемешивание твердого материала происходит в потоке газа. Тонкоизмельченный твердый материал вдувается с помощью форсунки в полый реактор, где и происходит его взаимодействие с потоком газа (кислородом воздуха) при интенсивном перемешивании.

Второй вариант реакторов – это аппараты с псевдоожиженным слоем твердого материала. Достоинство аппаратов с кипящим слоем состоит в том, что при высоких скоростях газового потока снижается внешнедиффузионное сопротивление газовой фазы в сотни раз; кроме этого, легко отводить тепло от кипящего слоя.

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

ж – аппарат с псевдоожиженным слоем, твердая фаза – в режиме смешения, газ – в промежуточном режиме

Рисунок 14.3 – Принципиальные схемы аппаратов для

проведения некаталитических реакций между газом и твердым

веществом или жидкостью и твердым веществом