Реакторы для проведения реакций между газом и твердым веществом (г-т) или жидкостью и твердым веществом (ж-т)
Промышленные реакторы во многих случаях довольно близки по характеристикам к реакторам с идеальными режимами движения фаз. Поэтому, идеализированные аппараты могут служить хорошей исходной моделью для расчета и более глубокого исследования промышленных реакторов.
Поэтому, целесообразно разделить реакторы для гетерогенных процессов Г-Т (Ж-Т) на две группы: на реакторы, где гидродинамические условия, при которых находятся реагирующие вещества, близки к режиму вытеснения и реакторы, где эти условия близки к режиму смешения.
В первой группе реакторов (при режиме вытеснения) соприкосновение твердых и газообразных фаз может осуществляться различными способами: созданием противотока реагентов, например, в доменном процессе или в печи для обжига известняка (рис. 4.2,а); созданием прямотока реагентов, например, во вращающейся сушилке для веществ, чувствительных к перегреву (рис. 4.2,б); созданием перекрестного тока, например, в топках с движущимися колосниковыми решетками (рис. 4.2,в); созданием смешанной организации потока, например, в полочных печах для обжига колчедана при движении сверху вниз твердого материала, осуществляемом вращением механической мешалки (рис. 4.2,г).
Часто при осуществлении процессов Г-Т (Ж-Т) в движении находится лишь одна фаза – более легкая, а по твердому веществу реактор является периодическим (рис. 4.2,д). Так работают, например, ионообменные колонны.
Для перечисленных реакторов, работающих в режиме вытеснения, характерно, что состав фаз меняется по мере прохождения через реактор. Кроме того, процессы в таких реакторах, как правило, являются неизотермическими. К недостаткам описанных реакторов относится либо незначительное перемешивание фаз (рис. 4.2,а,г), либо его отсутствие (рис. 4.2,д) и практически отсутствие обновления поверхности контакта фаз. Поэтому, такие реакторы невыгодно применять там, где необходимо интенсивное перемешивание. В этом случае используют реакторы, относящиеся ко второй группе, где твердый материал находится в режиме смешения.
Конструктивно такие реакторы могут быть оформлены в двух вариантах. Первый тип реакторов – это аппараты, где перемешивание твердого материала происходит в потоке газа, например, печи для пылевидного обжига колчедана (рис. 4.2,е). Тонкоизмельченный твердый материал вдувается с помощью форсунки в полый аппарат, где и происходит его взаимодействие с газовым потоком при интенсивном перемешивании.
Второй вариант реакторов, где твердая фаза находится в режиме смешения – это аппараты с псевдоожиженным ("кипящим") слоем твердого материала (рис. 4.2,ж). Псевдоожиженный слой твердых частиц образуется при пропускании газа снизу вверх через слой твердого зернистого материала с такой скоростью, при которой частицы взвешиваются, плавают и пульсируют в потоке газа. Однако, скорость потока такова, что частицы не покидают пределов взвешенного слоя; создается впечатление, что материал кипит, поэтому, такой слой иногда называют кипящим слоем.
|
|
|
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 псевдоожиженым слоем – твердая фаза в режиме смешения, газ в промежуточном режиме. |
|
Рис. 4.2 – Принципиальные схемы аппаратов для проведения некаталитических реакций между газом и твердым веществом или жидкостью и твердым веществом |
В случае кипящего слоя твердый материал непрерывно подается на решетку, снизу которой поступает воздух. Продукт реакции или вода также непрерывно выводятся из реактора.
Характеристика газового потока в аппаратах такого типа трудно поддается определению. Обычно считают, что режим движения газа в этом случае промежуточный между режимами смешения и вытеснения.
К достоинствам аппаратов двух последних типов относится то, что при высоких скоростях газового потока происходит уменьшение диффузионного сопротивления газовой фазы в десятки и сотни раз. Благодаря этому значительно увеличивается коэффициент массопередачи в газовой фазе. Поэтому в тех случаях, когда взаимодействие газа с твердым веществом протекает во внешней диффузионной области особенно выгодно использование реакторов пылевидного обжига и с кипящим слоем. Необходимо отметить благоприятные условия в этих реакторах и для теплоотвода (вследствие большой эффективности теплопроводности псевдооиженного слоя) и создания необходимого температурного режима.