МАШИНОСТРОЕНИЕ

РЕАКТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ГАЗ — ЖИДКОСТЬ

Основными характеристиками газожид­костной смеси являются ее объемное газосо­держание

Єг=^г/кгж (6.4.1)

И удельная площадь межфазной поверхности

(6.4.2)

Где Угж - объем газожидкостной смеси, запол­няющей аппарат; Vr - объем газа, заключенно-

Sy д =6вг/5п.

В зависимости от способа формирования межфазной поверхности реакторы можно раз­делить на три основные группы:

барботажные, в которых поверхность контакта фаз образуется при введении газа через газораспределительные устройства (бар - ботеры) в слой жидкости;

с механическим диспергированием га­за, в которых вводимый в аппарат через барбо­тер газ диспергируется в жидкости различными перемешивающими устройствами;

пленочные, в которых контакт газа осуществляется с жидкостью, находящейся в основном в виде пленки на стенках аппарата.

6.4.1 БАРБОТАЖНЫЕ АППАРАТЫ

Барботажные колонные аппараты обычно выполняют в виде вертикальных цилиндриче­ских емкостей У, в придонной части которых размещены газораспределители - барботеры 2 (рис. 6.4.1). Колонны могут быть пустотелыми или секционированными гоонтальными пере­городками 3, которые служат промежуточными газораспределителями и уменьшают продоль­ную циркуляцию жидкости. Теплообменными устройствами служат размещенные внутри змеевики или стенки аппарата, заключенные в рубашку.

Простота конструкции барботажных ко­лонн позволяет проектировать их на большие объемы, допускает установку антикоррозион­ной футеровки, обеспечивает высокую надеж­ность в эксплуатации.

Характерным признаком работы барбо­тажных колонн является неорганизованная и слабая циркуляция жидкости, поэтому при анализе гидродинамики таких аппаратов обыч­но считают, что газ барботирует через жид­кость, не имеющую направленного движения. Слабая циркуляция не позволяет обрабатывать в барботажной колонне неоднородные жидкие системы (суспензии, эмульсии) с большой раз­ностью плотностей фаз.

Среднее газосодержание в аппарате при обработке маловязкой жидкости можно рас­считать по формуле, полученной С. С. Кутате - ладзе и М. А. Стыриковичем в результате обобщения опытных данных многих исследо­вателей [13]:

\0,25

Ґ \0,15 Рж

(6.4.4)

Где С = 0,4, рг - плотность газа, кг/м3, рж - плотность жидкости, кг/м3; а - поверхностное натяжение жидкости, Н м; vr - кинематическая вязкость газа, м2/с.

Для вязких жидкостей в уравнение (6.4.14) В. В. Консетов рекомендует [17] вво­дить дополнительный сомножитель и считать

\0,5

С = 0,4

П У

Пропускная способность барботажных колонн по газу лимитируется его приведенной скоростью (объемным расходом, отнесенным к площади свободного сечения) около 0,1 м/с. При более высоких скоростях газа образуются слишком крупные пузыри, возникают крупно­масштабные пульсации, влекущие за собой значительные колебания давления и вибрацию аппаратов.

С точки зрения математического модели­рования при упрощенном подходе барботаж­ные колонны, не секционированные горизон­тальными перегородками, обычно относят к аппаратам идеального смешения по жидкой фазе и вытеснительного типа по газовой. При секционировании каждая секция рассматрива­ется как аппарат идеального смешения.

Пустотелые колонны наиболее целесооб­разно использовать для реакций, продолжи­тельных по времени, т. е. протекающих в кине­тической области, и сопровождаемых малым тепловым эффектом. Роль теплообменной по­верхности обычно выполняют стенки колонны, заключенные в рубашку. Если площадь по­верхности боковых стенок не обеспечит отвод теплоты реакции, то внутри колонны устанав­ливают змеевики или трубчатые вертикальные теплообменные элементы.

Где Ren =^Г8П/Уж ' vr ~ приведенная к полному сечению колонны средняя скорость газа, м/с; 5П - средний эквивалентный диа­метр пузырька, м; Уж - кинематическая вяз­кость жидкости, м2/с.

Удельная площадь межфазной поверхно­сти определяется физическими свойствами жидкости и газа, их скоростями и практически не зависит от размера отверстий в газораспре­делителе. Существенное влияние на величину £уД оказывает присутствие в жидкости по-

Верхностно-активных веществ (ПАВ). Неболь­шие и часто практически нефиксируемые до­бавки ПАВ могут в значительной степени из­менять структуру газожидкостной системы, приводить к образованию устойчивых пен с повышенным газосодержанием. При приблизи­тельно одинаковых вязкости, поверхностном натяжении и плотности жидкостей величина SyR зависит и от химической природы жидко­сти. Для растворов электролитов величина SWR оказывается значительно больше, чем для

Недиссоциированных жидкостей.

Помимо полых барботажных колонн в химической промышленности используются колонны, заполненные насадкой. По конструк­ции они практически не отличаются от абсорб­
Ционных и ректификационных насадочных колонн. Насадка обычно выполняется из кера­мических колец. В качестве насадки может быть использован и гранулированный катали­затор, который позволяет увеличить площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жид­кость, интенсифицировать процесс массопере- носа.

Барботажные колонны с затопленной на­садкой применяют для осуществления химиче­ских превращений как в диффузионном, так и в кинетическом режимах. Если гранулы катали­затора не слишком велики или насадка пред­ставляет собой полые шары со средней плотно­стью, почти не отличающейся от плотности жидкости, то при восходящем течении газо­жидкостной смеси можно осуществить взве­шивание насадочных тел. При этом улучшается теплоперенос в радиальном направлении, что способствует отводу реакционной теплоты из всего объема аппарата.

Реакторы с насадкой в виде гранулиро­ванного катализатора в последние годы нашли применение в ряде каталитических газожидко­стных процессов. Такие аппараты выполняют в виде барботажных колонн 1 (рис. 6.4.2), весь объем катализатора в которых разделен на слои. Каждый слой 3 уложен на газораспреде­лительную решетку с сеткой и сверху пружи­нами поджат другой сеткой. Пространства ме­жду слоями служат для перераспределения газовой фазы и дополнительного ввода газа или сырья (если это необходимо) и размещения теплообменных элементов 2.

Время непрерывной работы реактора ограничено сроком службы катализатора. Су­щественным недостатком является также большое сопротивление аппарата, достигаю­щее 2,5-105 Па на 1 м высоты слоя. Это сопро­тивление может сильно возрастать за счет ос - моления катализатора и закупорки межзерно­вых каналов. В более благоприятных условиях с этой точки зрения работают аппараты с сус­пендированным катализатором, который мож­но непрерывно обновлять за счет стока и прито­ка регенерированного, не прекращая процесса.

В барботажных колоннах с восходящим течением газожидкостной смеси через слой неподвижной насадки газосодержание не зави­сит от формы и размеров насадочных тел, от скорости жидкости в пределах 0..Д007 м/с и от диаметра аппарата. При динамической вязкости жидкости |1ж = 0,001...0,025 Пас

Газосодержание в насадочных колоннах может быть рассчитано по уравнению

1,3 №/(GdT) 1 + 1,3^/(^3 )'

Где d3 - эквивалентный диаметр насадочного тела.