4.2 Реакторы для гомогенных процессов
Гомогенными называют химические процессы, протекающие в однородной среде, т.е. в жидких или газообразных смесях, не имеющих поверхностей раздела, отделяющих части систем друг от друга.
Для проведения гомогенных процессов используются емкостные (рис. 4.7, a – e,и,к) или трубчатые (рис. 4.7, ж,з) реакторы. Емкостные аппараты, подразделяющиеся на периодические и проточные, снабжены мешалками различной конструкции: пропеллерные (рис.4.7,а), лопастные (рис.4.7,б), турбинные с расположенной в центре трубой, обеспечивающие наиболее интенсивное перемешивание (рис.4.7,в – реактор Вишневского). Особый тип мешалок применяется для перемешивания наиболее вязких жидкостей (рис.4.7,г,д). Поддержание определенного температурного режима осуществляется через рубашку аппарата (рис.4.7,а,д), либо через поверхность вставленных теплообменников, имеющих форму змеевика или «беличьего колеса» (рис.4.7,е).
Рис.4.7 Схемы реакторов для гомогенных процессов
Для периодических процессов предназначены реакторы, приведенные на рис.4.7,а,б,г. В начале рабочего цикла исходные вещества загружают в реактор, после завершения процесса продукты выгружают, как показано на рисунке стрелками. Для проведения непрерывных процессов служат реакторы, изображенные на рис.4.7,в,д. Конструкции аппаратов на рис.4.7,а и в используются во многих процессах органического синтеза, на рис.4.7,б – в производстве красок, на рис.4.7г и д – в производстве полимеров.
Трубчатые реакторы применяются для термического крекинга в нефтепереработке, например, в производстве хлорпрена (рис.4.7,ж), синтеза гликоля (рис.2.7,з), в котором реактор в виде змеевика помещен в камеру горения, поэтому такие реакторы называют трубчатой печью.
Синтез HCl из Cl2 и Н2 проводят в полом пламенном реакторе (рис.4.7,и). К гомогенному твердофазному реактору можно отнести печь коксования (рис.4.7,к), где сырье (уголь) загружают в камеры коксования, обогреваемые снаружи дымовым газом, циркулирующим по вертикальным отопительным каналам, а газообразные продукты непрерывно удаляются.
4.3 Реакторы для гетерогенных процессов
Гетерогенными называют химико-технологические процессы, в которых реагенты находятся в разных фазах, например, газ – жидкость, газ – твердое вещество, жидкость – твердое вещество, жидкость - жидкость (для несмешивающихся жидкостей).
4.3.1 Реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой
Схемы реакторов для осуществления гетерогенных процессов с твердой фазой показаны на рис. 4.8. В простейшем реакторе (рис.4.8,а) твердое вещество загружают в реактор, а газ циркулирует через неподвижный слой. В таком реакторе проводят многие процессы адсорбционной очистки газов и жидкостей, таких как, например, очистка природного газа от серосодержащих соединений (от «серы»), которая заключается в гидрировании этих соединений до сероводорода (H2S), который затем поглощают оксидом цинка: ZnO +H2S = ZnS + H2O. Поглощение H2S протекает в сравнительно узкой зоне слоя, послойно. По мере отработки первых слоев сорбента зона реакции продвигается дальше. После появления «проскока» H2S ( не полного поглощения из-за расходования сорбента) поглотитель заменяют. Неудобство такого процесса – его периодичность. Можно, конечно, дать возможность твердым частицам медленно проваливаться через реактор подобно перетеканию песка в песочных часах, и постепенно добавлять свежий твердый реагент (рис.4.8,б). Способ простой, но время пребывания твердых частиц в таком случае будет очень неравномерным – у стенок они будут задерживаться значительно дольше, чем по оси слоя. Равномерность времени пребывания твердого материала обеспечивают механически. В реакторе (рис.4.8,в) скребки с направляющими лопатками передвигают материал по полкам и пересыпают его с одной полки на другую. Так устроен реактор обжига серного колчедана. Передвижение материала может быть реализовано с помощью транспортера (рис.4.8,г), удобен и распространен процесс с непрерывным движением твердого материала во вращающейся наклонной трубе (рис.4.8,д). Классическим примером такого реактора является вращающаяся печь получения клинкера в цементном производстве, к этому же типу реакторов относится аммиачный нейтрализатор в производстве двойного суперфосфата.
Интенсивность химических процессов «газ – твердое» увеличивается при дроблении твердого реагента. В описанных выше реакторах это сделать практически невозможно, так как с уменьшением размера частиц возрастает вероятность их слипания, комкования, что приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления слоя. Обойти это ограничение можно в аппаратах со взвешенным слоем твердых частиц – в псевдоожиженном (рис.4.8,е) или фонтанирующем (рис.4.8,ж) слоях, применяя распылительное инжектирование твердого материала через специальную форсунку (рис.4.8,з) или режим пневмотранспорта (рис.4.8,и), в котором мелкие твердые частицы
4.8 Схемы реакторов для гетерогенных процессов с твердой фазой (Г- газ, ТВ – твердый компонент)
пролетают реактор вместе с газом. К основным недостаткам этих способов можно отнести эрозию стенок аппарата, дробление частиц, унос пыли и загрязнение ею газового потока.
Твердые частицы легче образуют однородную смесь с жидкостью (суспензию), нежели с газом из-за более близких плотностей компонентов. Поэтому нередко для осуществления процесса в системе «жидкость-твердое» применяют реактор с мешалкой, схема которого подобна общей схеме б на рис. 4.7 для гомогенного процесса. Такой реактор применяется для кислотного разложения апатита.