Реакторы для системы газ-жидкость

Большинство химических реакций промышленного значения протекают между газообразным реагентом и реагентом, находящимся в жидкой фазе. Гетерогенные реакции в системе газ - жидкость происходят только в жидкой фазе, при этом для осуществления реакции необходимо, чтобы газообразный реагент был предварительно растворен в жидкой фазе.

По конструктивному признаку реакторы для системы газ - жидкость классифицируются в зависимости от способа создания поверхности контакта фаз: реакторы с мешалкой; реакторы с механическим распыливанием жидкости; реакторы колонного типа с насадкой или тарелками; реакторы барботажного типа; реакторы пленочного типа; пенные аппараты; реакторы типа Эрлифта.

Реакторы для проведения процессов в системе газ - жидкость конструируются главным образом, по принципу абсорбционных аппаратов, имеют большой объем, но относительно просты и легки в эксплуатации. Такие процессы называются хемосорбцией.

Реакторы с мешалками

Реакторы с мешалками обычного типа применяются редко, да и то при малых масштабах производства. Плохо обеспечивается контакт фаз, и условия теплообмена не из лучших.

Реакторы с механическим распылением жидкости

Реакторы этого типа тоже очень редко применяются для системы газ - жидкость вследствие следующих причин: это реакторы периодического действия; трудности с уплотнением валов; движущиеся части быстро выходят из строя; большие затраты энергии.

Реакционные аппараты колонного типа

Реакторы колонного типа не отличаются от абсорбционных аппаратов насадочного и тарельчатого типа. Отличием является движение жидкости, она циркулирует в системе. Насадочные реакторы проще, но большая часть жидкости находится в системе циркуляции и для обеспечения достаточного ее объема необходимо использовать многократную циркуляцию, что плохо влияет на свойства жидкости. В тарельчатых аппаратах определенный объем жидкости можно обеспечить уровнем ее на тарелке (применяются для поглащения олефинов серной кислотой, окисления уксусного альдегида в уксусную кислоту). Проблема отвода тепла решается устройством встроенных и выносных теплообменников.

Реакторы барботажного типа

Представляют собой полую колонну, заполненную жидкостью, газ подается через распределитель, проходит через слой жидкости в сепарационной части отделяется от капель и выводится из аппарата. Барботажные реакторы особенно пригодны для реакций, протекающих в кинетической области. Равномерное распределение газа обеспечивает хороший контакт газа и жидкости, непрерывный барботаж кроме того осуществляет хорошее перемешивание жидкости. Тепло подводится либо с газовой смесью, либо реактор снабжается рубашкой или встроенным теплообменником.

Реакторы пленочного типа

Высокая степень контакта между газом и жидкостью достигается в реакторах пленочного типа, в которых жидкость стекает тонкой пленкой по внутренней поверхности труб.

Такие аппараты пригодны для проведения процессов, протекающих в диффузионной области.

Реактор состоит из реакционной камеры 1, служащей одновременно распределительным устройством, и трубчатки 2. В камере 1 протекает основное превращение, реакционная жидкость вытекает через колибровочные ниппели 5 в переливные камеры 4 (индивидуальные для каждой трубы) и далее равномерной пленкой стекает по внутренней поверхности рабочих труб. Навстречу жидкости движется поток газа, а в межтрубное пространство трубчатки подается теплоноситель.

1- реакционная камера; 2 - трубчатка; 3 - газовыводящие трубы; 4 - переливная камера; 5 - ниппель.

Рисунок 189 - Реактор пленочного типа.

1 - корпус; 2 - решетки; 3 - переливное устройство; 4 - порог.

Рисунок 190 - Схема трехполочного пенного аппарата.

Пенный реактор

Пенный способ отличается от барботажного тем, что пузырьки газа не свободно всплывают в слое жидкости, а поступают в последнюю с большой скоростью. В результате происходит очень бурное перемешивание реакционной массы и образование так называемой подвижной пены. Такая система характеризуется весьма малыми значениями диффузионного сопротивления и поэтому должна быть очень эффективной для процессов, идущих в диффузионной области.

Пенный аппарат состоит из металлического корпуса, в котором на равном расстоянии расположены перфорированные тарелки решетки, снабженные порогами. Перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется через переливные устройства, которые должны быть достаточно широкими, чтобы выделяющиеся из разрушающейся пены газы не создавали газовых пробок и не препятствовали переливу. Газ подается снизу перекрестно к движущейся жидкости. Слой жидкости на тарелке регулируется высотой порога.

Пенные аппараты по конструкции очень мало отличаются от ситчатых ретификационных колонн. Названием "пенный" аппарат подчеркиваются не конструктивные особенности, а особенность гидродинамического режима.

Пенные аппараты компактны, стоимость их не велика и эксплуатационные затраты малы.

Реакторы типа "эрлифт"

Такие аппараты отличаются высокой степенью контакта между газом и жидкостью. Такой аппарат состоит из двух частей: барботажной и циркуляционной.

Для соосного эрлифтного аппарата при скорости жидкости в циркуляционной трубе >0.25 м/с сепарация происходит не полностью, газовые пузыри захватываются потоком жидкости и, попадая в циркуляционную часть аппарата, создают дополнительное гидравлическое сопротивление, в результате чего скорость циркуляции уменьшается. Таким образом, движущая сила циркуляции зависит от высоты слоя жидкости и объемной доли газовых пузырей (газосодержания).

, (12.30)

1 - корпус аппарата; 2 - соосная труба; 3 - борбатер.

Рисунок 191 - Реактор типа “ЭРЛИФТ”.

где - сопротивление в циркуляционном пространстве, Па; - сопротивление в барбатажной трубе, Па; h - высота барбатажной трубы, м; - газонаполнение в барбатажной трубе; - удельный вес циркулирующей жидкости, кг/м³.

Сопротивление, возникающее при циркуляции жидкости складывается из сопротивления на трение и местных сопротивлений.

, (12.31)

где - коэффициент трения жидкости о конус аппарата; Н - высота циркулляционного пространства, м; D - диаметр аппарата, м; - коэффициент местных сопротивлений; - скорость движения жидкости в циркулляционном пространстве, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с².

В эрлифтных аппаратах устанавливается циркуляция жидкости скорость которой может быть определена из равенства.

, (12.32)

При диаметре барботажной трубы 0,3 м скорость циркуляции будет больше, чем определяемое по уравнению т.к. в трубах малого диаметра на циркуляцию жидкости оказывает влияние не только разность статических давлений жидкости в циркуляционной и барботажной частях, но и поршневой эффект, т.е. увлечение пузырями газа близлижащих слоев жидкости.

Существуют многосекционные эрлифтные аппараты (рисунок 192). В многосекционном эрлифтном аппарате в каждой секции имеются циркуляционные и барботажные трубы. Газ подводится в каждую секцию по отдельному трубопроводу. Жидкость выводится из верхней части секции, газ подается в нижнюю ее часть. Газ собирается в верхней части секционного барабана и выводится по общему трубопроводу. Такого типа аппараты применяются в процессах жидкофазного окисления углеводорода.

1 - корпус аппарата; 2 - циркуляционная труба; 3 - борбатажная труба.

Рисунок 192 - Многосекционный эрлифтный аппарат