РЕАКТОРЫ ДЛЯ ЖИДКОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ Реакторы с перемешивающими устройствами
Аппараты с перемешивающими устройствами для переработки жидкостей или суспензий могут работать как в условиях периодической загрузки и выгрузки материала, так и непрерывно. Для непрерывной работы устанавливают обычно батареи или каскады реакторов с последовательным перетоком реагентов. Большинство аппаратов, предназначенных для проведения указанных выше операций, представляют собой вертикальные цилиндрические сосуды, снабженные мешалками и устройствами для теплообмена, загрузки, выгрузки, измерений режимных параметров.
В производстве катализаторов большое применение нашли аппараты периодического действия. Это связано главным образом с относительно невысокой тоннажностью подавляющего большинства предприятий, а также обусловлено и некоторыми преимуществами такого рода аппаратов перед реакторами непрерывного действия. В условиях производства катализаторов наиболее важными являются следующие достоинства реакторов периодического действия:
Простота загрузки реагентов и выгрузки полупродуктов, а также точность дозировки, позволяющая добиться высокой стабильности химического состава катализатора;
Возможность точного и плавного изменения параметров проведения процесса и последовательной переработки одной партии реагентов на всех стадиях производства с пооперационным контролем, что облегчает выявление причин отклонения качества катализатора от нормы и уменьшает вероятность бракировки больших партий катализатора;
Более высокая технологическая надежность при переходе от лабораторных исследований к организации промышленного выпуска, что способствует ускорению завершения научно-исследовательских разработок и быстрому освоению новых технологий.
Как правило, рассматриваемые реакторы являются типовыми аппаратами, изготовляемыми из сравнительно небольшого числа нормализованных по размерам однородных деталей, смена большинства которых возможна без демонтажа самого реактора. Подобные аппараты применяют в различных производствах. Описание их, вопросы расчета, конструирования подробно изложены в литературе [51, 164—166].
Устройства для теплообмена разделяют на внутренние и наружные. Наружные теплообменные элемеяты выполняются, как правило, в виде рубашек или змеевиковых каналов, примыкающих к наружной стенке корпуса аппарата. Реже в производстве катализаторов используют внутренние погружные змеевики. Применять такие змеевики в сосудах с вязкими жидкостями или при наличии осадка не рекомендуется. В корпусах некоторых чугунных аппаратов при их отливке предусматривают змееви-ковые каналы для осуществления теплообмена. Разработаны конструкции аппаратов с различными вращающимися теллообменными поверхностями, выполняющими одновременно роль перемешивающих устройств. Такие аппараты позволяют увеличить теплосъем за счет добавочной поверхности теплообмена в объеме аппарата и повышенной эффективности теплообмена от реакционной среды к вращающейся поверхности. Установка теплообменного перемешивающего устройства позволяет увеличить удельную площадь поверхности теплообмена в 1,8 раза, а его интенсивность — в 1,6—2,0 раза [167, 168]. В качестве хладоагента чаще всего используют воду. Из теплоносителей наибольшее распространение как самый доступный и дешевый имеет водяной пар.
Устройства для механического перемешивания. Перемешивающие устройства служат для гомогенизации смесей в различных системах, а также для интенсификации процессов тепло - и массо - обмена. При перемешивании достигается однородность концентрации и температуры в объеме реактора. Различают механическое, гидравлическое и пневматическое перемешивание. Наиболее распространено механическое перемешивание. Чаще всего аппараты комплектуют с лопастными, пропеллерными, якорными, рамными и турбинными мешалками. Лопастные и пропеллерные мешалки применяют для перемешивания жидкостей с вязкостью до 4 Па-с. Рамные, якорные и турбинные мешалки обеспечивают перемешивание жидкостей с вязкостью до 40 Па-с. Преимуществом пропеллерных и турбинных мешалок является быстроходность, высокая эффективность, малый пусковой момент, что значительно упрощает их эксплуатацию. Конструкции и характеристики мешалок рассмотрены в работе 151]. Интенсивность и эффективность работы
Таблица 4.1 Относительная интенсивность и эффективность мешалок *
|
* РТМ 144 — 66. Аппараты с перемешивающими устройствами, вертикальные. Перемешивающие устройства механические. М.: Комитет стандартов, мер и измерительных приборов. 1969. 20 с. |
Мешалок рассмотрены в работе [51]. Интенсивность и эффективность работы мешалок являются критериями при оценке их применения в конкретных технологических процессах, проводимых в рассматриваемых реакторах.
Интенсивность действия определяют временем работы аппарата, необходимым для достижения технологического результата. Эффективность оценивают энергозатратами на перемешивание. При одинаковых конструкциях мешалок интенсивность зависит от частоты вращения перемешивающего устройства и соотношений геометрических размеров. Интенсифицировать процесс можно, либо увеличивая частоту вращения, либо уменьшая отношение диаметра корпуса аппарата Da к диаметру вращения лопастей машалки dм. В табл. 4.1 представлены ориентировочные данные относительной эффективности и интенсивности различных конструкций мешалок. Эти результаты получены при перемешивании маловязких жидкостей. За основу сравнения взята пропеллерная мешалка, интенсивность и эффективность которой приняты за единицу.
Виброперемешивание гетерогенных жидкофазных сред с помощью механических колебаний звуковой частоты применяют для интенсификации процессов, скорость протекания которых лимитируется скоростью тепло - и массопереноса, а вязкость реакционной среды не превышает 0,1 Па-с. Рациональный диапазон частот — 10—100 Гц [169, 170]. В качестве перемешивающего устройства применяют горизонтально расположенный диск, перфорированный коническими отверстиями. При работе вибровозбудителя шток с перемешивающим органом получает вертикально направленное колебательное движение. Реакционная среда полу
чает как колебательное, так и направленное циркуляционное движение за счет насосного эффекта, создаваемого конусными отверстиями диска.