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 с тем, 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 с очень малым тепловым эффектом, а также при осуществлении реакций с резкой 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.
Рис. 4.20. Реактор с интенсивным диспергированием жидкого реагента газом.
Газовый реагент входит во входной патрубок 1 реактора со скоростью 25÷35 м/с и далее ускоряется в сужении трубы Вентури 2 до 180÷300 м/с. 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 с очень малым тепловым эффектом и в 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 на валу 2 (рис. 4.21).
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, так 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, так и по газовой фазам.