9.5 Типи реакторів для гетерогенних процесів

При створенні реакторів для проведення гетерогенних процесів необхідно брати до уваги декілька чинників, що ускладнюють конструкцію. По-перше, в гетерогенних системах компоненти знаходяться в різних фазах, тому перебігаючі в них процеси пов'язані з перенесенням речовини через поверхню зіткнення фаз. В цьому випадку на швидкість процесу значний вплив роблять фізичні чинники: розмір і стан поверхні розділу фаз, дифузія речовини з однієї фази до поверхні розділу фаз і в об'єм другої фази, а також зворотна дифузія продуктів, що утворюються, і т.ін. Тому конструкція реактора для гетерогенних процесів повинна забезпечувати якнайкращі умови для масопередачі і, крім того, створювати можливо велику поверхню зіткнення фаз. У ряді випадків у конструкції апарату повинні бути передбачені оновлення поверхні контакту фаз.

У гетерогенній системі, на відміну від гомогенної, кожна фаза може мати свій режим руху реагентів; можливі також різні комбінації режимів.

Крім того, в цій системі можуть існувати різні потоки фаз:

прямотечія, протитечія перехресний потік.

І, нарешті, конструкція реактора залежить від того, в яких фазах знаходяться реагенти. Так, конструкція реакторів для здійснення процесів в системі г—т відрізняється від конструкції реакторів для системи г—р.

При розробці гетерогенного процесу необхідно враховувати, що правильний вибір конструкції апарату дозволяє в значній мірі інтенсифікувати процес, переводячи його з однієї області протікання в іншу. Наприклад, зменшуючи інтенсивним перемішуванням дифузійний опір, можна перевести процес з дифузійної області в кінетичну і далі вже підвищувати швидкість хімічної реакції.

9.5.1 Реактори для проведення реакцій в системах г-т і р-т

Характеристика промислових реакторів у багатьох випадках досить близька за своїми показниками до характеристики реакторів з ідеальним режимом руху реакційної суміші, тому останні можуть служити вихідною моделлю для розрахунку і детального дослідження промислових реакторів. При цьому реактори для проведення гетерогенних процесів г—т і р—т з достатнім ступенем точності можна віднести до однієї з двох груп: реактори, в яких реакційна суміш знаходиться в умовах, близьких до режиму витіснення, і реактори, в яких умови близькі до режиму змішання.

У реакторі, зображеному на рис. 9.20, а, створюється режим витиснення за протитечії реагентів. Прикладом такого реактора є доменна піч і піч для випалення СаСОз. На рис. 9.20, б наведений реактор−барабан, що обертається. Тут також створюється режим витиснення, але при прямотоці реагентів. Такий реактор застосовують для сушіння речовин, чутливих до перегріву.

Перехресний хід реагентів і режим витиснення створюється в топках парових котлів, де на рухомій колосниковій решітці

(рис. 9.20,в) знаходиться тверде паливо, а через нього продувається повітря.

У поличній печі для випалення твердої сировини (рис. 9.20, г) організовано змішаний рух потоків, що працюють в режимі витиснення, але з перемішуванням твердої фази.

Рис. 9.20. Принципові схеми апаратів для проведення некаталітичних реакцій між газом і твердою речовиною або рідиною і твердою речовиною: а—протитечійний апарат, що працює в режимі витиснення; б —апарат з паралельним потоком, що працює в режимі витиснення; в—апарат з перехресним потоком, що працює в режимі витиснення; г—апарат із змішаною організацією потоку, що працює в режимі витиснення (з механічною мішалкою); д—напівперіодичний реактор, газ—в режимі витиснення; е— реактор для перетворення твердої речовини в потоці газу, тверда фаза—в режимі змішання, газ — в проміжному режимі між змішанням і витисненням; ж— апарат з псевдозрідженим шаром, тверда фаза—в режимі змішання, газ—в проміжному режимі.

До недоліків реакторів витиснення відноситься або незначне перемішування фаз (рис. 9.20, а і г), або повна відсутність оновлення поверхні контакту фаз (рис. 9.20, д). Такі реактори невигідно застосовувати в тих випадках, коли процес перебігає у області зовнішньої дифузії; раціональніше використовувати реактори другої групи, в яких твердий матеріал знаходиться в режимі змішання.

Конструктивно реактори другої групи можуть бути оформлені в двох варіантах: перший—це порожниста камера, в якій перемішування твердого матеріалу відбувається в потоці газу (наприклад, печі для пилоподібного випалення колчедану, рис. 9.20, е). Тонкоздрібнений твердий матеріал вдувається за допомогою форсунки в порожнистий реактор, де і відбувається його взаємодія з потоком газу (кисень повітря) за інтенсивного перемішування.

Другий варіант реакторів — це апарати з псевдозрідженим (так званим киплячим) шаром твердого матеріалу (рис. 9.20, ж). Псевдозріджений шар твердих частинок утворюється при продуванні газу від низу до верху крізь шар твердого зернистого матеріалу з такою швидкістю, за якої частинки як би зважуються, плавають і пульсують в потоці газу. Проте при підтримці такої швидкості потоку частинки не повинні покидати межі зваженого шару; створюється враження, що матеріал кипить.

При застосуванні реактора з псевдозрідженим шаром твердий матеріал подається на решітки, а знизу надходить газ. Продукт реакції або зола безперервно виводяться з реактора. У таких реакторах твердий зернистий матеріал знаходиться в режимі витиснення, а характеристика газового потоку важко піддається визначенню. Звичайно вважають, що в цьому випадку створюється проміжний режим руху газу: між режимами змішання і витиснення.

Переваги апаратів з киплячим шаром полягають в тому, що за високих швидкостей газового потоку знижується зовнішньодифузійний опір газової фази в десятки і сотні разів. Завдяки цьому в газовій фазі значно зростає коефіцієнт масопередачі. Таким чином, в тих випадках, коли взаємодія газу з твердою речовиною перебігає у зовнішньодифузійній області, вигідно застосовувати реактори цього типу. Необхідно також відзначити сприятливі умови для відведення тепла в таких апаратах: коефіцієнт тепловіддачі від киплячого шару до поверхні складає 500-1000 КДж∙м^-2·год^-1 ·К^-1. Природно, що ця обставина має велике значення для процесів, що перебігають з виділенням тепла.