Глава IV реакторы в гетерогенной системе газ – жидкость

Реакторы в гетерогенной системе газ-жидкость достаточно широко распространены как в синтезе органических, так и 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, образующихся в реакторе в единицу времени, может быть записано в виде известного уравнения массопередачи:

M = K_м · F · ΔC, (4.1)

где К_м – коэффициент массопередачи, который может быть записан следующим образом [5]:

, (4.2.)

где - коэффициент массоотдачи от газа к поверхности жидкости, м/с;

- коэффициент массоотдачи внутри объема жидкости, отражающий скорость внутреннедиффузионной стадии, м/с;

- константа скорости химической реакции, м/с;

- поверхность реакции, м²;

- средняя разность концентраций в газовой и жидкой фазах в выделенном объеме реактора, .

Увеличение двух первых составляющих уравнения (4.1.) приводит к росту удельной производительности реактора. Поэтому в каждом из реакторов стремятся к увеличению либо коэффициента массопередачи К_м, 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 на следующие группы:

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 раз, а реакция протекает: кмоль одного реагента на кмоль другого.

Реакторы колонного типа в, свою очередь, разделяются на насадочные и тарельчатые аппараты.

Насадочные аппараты разделяются на следующие типы: с насыпной насадкой различной формы и разных материалов насыпных тел; с организованной 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, S-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 м/с), 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

G_г = F_ап-та · υ_г , (4.3)

где G_г – расход газового реагента, м³/с;

F_ап-та – площадь поперечного сечения аппарата (свободное сечение без учета сечения, занятого насадкой), м²;

υ_г – скорость газового реагента, м/с.

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 с организованной 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 (в 3-8 раз) габаритов реакторов и, соответственно, к снижению их стоимости.

Скорость течения газового реагента в таких организованных насадках уже можно поднять до 4,5-5,5 м/с.

На рис. 4.1. 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 м/с жидкая фаза не 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 20х20, 30х30 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 м³/м²ч и скорости течения газовой среды 5 м/с составляет всего 1200 Па/м.

Рис. 4.1.

С учетом того, что в тарельчатых колонных аппаратах скорость течения газового реагента много меньше 5 м/с, а также то, что расстояние между тарелками всегда больше 250 м, габариты реакторов с вихревой пакетной насадкой будут намного меньше тарельчатых колонных реакторов при бóльшей эффективности массообмена.