МАШИНОСТРОЕНИЕ

РЕАКТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ ЖИДКОСТЬ — ТВЕРДОЕ ТЕЛО

Реакции в гетерогенной системе жид­кость - твердое тело могут протекать при раз­личных условиях подачи реагентов:

жидкий реагент непрерывно проходит сквозь один или несколько слоев неподвижно­го твердого реагента - реакции умягчения воды ионообменом и регенерации ионообменной смолы и др. Для проведения процесса ионооб - мена необходимо иметь развитую поверхность жидкости в потоке, скорость которого должна выбираться таким образом, чтобы при выходе из реактора вода была полностью умягчена;

твердый реагент вводится в реактор непрерывно или периодически вместе с жид­ким реагентом (реакция происходит при не­прерывном перемешивании суспензии) - реак­ции гидрометаллургических процессов раство­рения нежелезистых металлов в кислотах, по­лучения суперфосфатных удобрений и др. Час­то твердый реагент содержит, по крайней мере, один растворимый компонент, растворение которого сопровождается химической реакци­ей. При этом между фазами возникает зона, насыщенная растворенным твердым реагентом. Реакция происходит вне этой зоны в жидкой фазе.

Расчетные уравнения для химических превращений жидкость - твердое тело. Для

Того чтобы скорость реакции была наиболь­шей, необходимо иметь по возможности более тонкий насыщенный слой на межфазной по­верхности. Достичь этого можно энергичным перемешиванием, приводящим к увеличению коэффициента массопередачи и к интенсифи­кации процесса в целом. Вывод уравнения об­щей скорости реакции, проводимой в гетеро­генной системе жидкость - твердое тело, ана­логичен выводу уравнения скорости реакции, протекающей в системе газ - твердое тело (не­каталитические реакции).

На рис. 6.6.1 дан профиль концентрации с Жидкого реагента х вблизи твердой сфериче­ской поверхности для реакции типа когда твердый продукт растворен в реакцион­ной среде, например,

2НС1 + MgO MgCl2 + Н20.

Предположив, что это реакция первого порядка, можно записать

RR =Skc(C0-се),

Где Гд - скорость химической реакции; кс - Константа скорости химической реакции; CQ - концентрация жидкого реагента у поверхности раздела; се - концентрация этого же реагента

В состоянии равновесия; S - площадь поверх­ности контакта реагентов в системе жидкость - твердое тело (межфазной поверхности).

Скорость переноса массы реагента через неподвижный слой твердых круглых частиц (зерен)

RD=SD*{CL-C0)5~[5].

Где D* - коэффициент диффузии жидкого реагента; с І - концентрация жидкого реагента в конвективной зоне на поверхности зерен; б - толщина пограничного неподвижного слоя (см. рис. 6.6.1).

При установившемся режиме обе скоро­сти должны быть равны, т. е. гR = Гр. Следо­вательно,

Необходимо учитывать, что площадь по­верхности твердых зерен изменяется в течение реакции вследствие уменьшения радиусов. Поэтому ее нужно выражать в функции изме­няющегося радиуса частицы. Общая скорость реакции, полученная таким образом, может быть использована для подстановки в одно из характеристических уравнений.

Можно получить уравнение общей ско­рости реакции и без учета объема твердой фа­зы, распределенной в жидкости. Обозначим через Cg концентрацию насыщения при рас­творении дисперсной твердой фазы в сплош­ной жидкой фазе и через с^ концентрацию,

При которой достигается переход всего количе­ства твердого вещества в раствор. Тогда

При Ci < Cg концентрация Cg не может быть достигнута;

При Ci > Cg при насыщении в дисперс­ной фазе еще остается нерастворенное вещест­во;

При cL = Cg в дисперсной фазе нахо­дится необходимое для достижения насыщения количество твердого вещества.

Пусть с - концентрация реагента в сплошной (жидкой) фазе в данный момент реакции. Скорость, с которой происходит ре­акция, пропорциональна произведению разно­сти Cg - с (величина отклонения от равнове­сия, выраженная через разность между концен­трацией насыщения, которую можно устано­вить для вещества, переходящего в сплошную фазу, и действительной его концентрацией в этой фазе) на площадь поверхности переноса между фазами. В свою очередь, площадь по­верхности переноса между фазами пропорцио­нальна количеству дисперсной фазы, еще не перемещенной в сплошную фазу в результате химической реакции, с І - с, т. е. разности меж­ду концентрацией, которая устанавливается в сплошной фазе, когда все количество вещества, находящееся в дисперсной фазе, перемещается в нее, и действительной концентрацией в сплошной фазе.

Кмоль/(м2 с), кмоль/(м3с); Z - мольная доля растворимого соединения во всем растворяе­мом материале; S - площадь поверхности твер­дого тела, м2; р - плотность раствора, кг/м3; М - средняя молекулярная масса раствора; (р/М)т - среднее арифметическое значений р/М на поверхности раздела фаз и в объеме раствора; Х\, Х2 - мольные доли растворимого твердого вещества на поверхности раздела фаз насыщения и в состоянии кристаллизации. Площадь поверхности твердых частиц опреде­ляется их средними линейными размерами. При обработке экспериментальных данных с использованием уравнения (6.6.2) получена зависимость общего вида:

-0,5

Kgd

D*
Где D - диаметр мешалки, м; D* - коэффици­ент молекулярной диффузии растворимого компонента; ц - динамическая вязкость рас­твора; п - частота вращения мешалки, мин-1; a, b - коэффициенты для пропеллерной ме­шалки а = 0,13, b = 0,58; для турбинной ме­шалки а = 0,0032, b = 0,87.

Уравнение (6.6.3) действительно как для периодического, так и для непрерывного про­цесса.

Аппараты непрерывного действия для производства суперфосфата. Для производст­ва суперфосфата используются от трех до пяти вертикальных цилиндрических аппаратов, по-

Следовательно соединенных между собой и изготовленных из стали, облицованной внутри кислотоупорным кирпичом. Каждый аппарат снабжен мешалками 1 с четырьмя плоскими лопастями (рис. 6.6.2). Окружная скорость первой мешалки 6... 6,5 м/с, последней 5,5 м/сек. Мешалки обернуты асбестом и по­крыты сверху кислотоупорной замазкой. Время перемешивания составляет 6 мин.

Аппарат имеет устройство для точной до­зировки серной кислоты и смеси фосфатов. Расход серной кислоты регулируется с помо­щью ковшевого дозатора, а подача фосфата осуществляется ленточным конвейером с авто­регулятором. Реакция между природным фос­фатом и серной кислотой протекает в опти­мальных условиях и точно выдерживается оп­ределенное время пребывания материала в реакторе.

В реакторе башенного типа непрерывно­го производства суперфосфата процесс не­прерывного производства суперфосфата сопро­вождается быстро протекающей реакцией ме­жду фосфоритной мукой и 62 %-ной серной кислотой. Реактор 2 выполнен из кислотоупор­ной стали (рис. 6.6.3). Производительность такого реактора 45 т суперфосфата в 1 ч. Удельный расход электроэнергии на 36 % меньше, чем при периодических процессах.

Реакторы для ионного обмена. Ионный обмен является обратимой химической реакци­ей, которая происходит между замещенными ионами различных нерастворимых твердых веществ и ионами раствора. Ионообмен в про­мышленных условиях осуществляется тремя способами:

в неподвижном слое (полупериодиче - ски или с непрерывной циркуляцией жидко­сти);

в суспензии (полупериодически);

в противотоке (непрерывно).

Приблизительно 90 % процессов ионооб-

Мена проводят в неподвижном слое.

Реактор с ионообменом в неподвижном слое имеет форму вертикального цилиндра с перфорированной тарелкой, которая поддер­живает слой ионообменной смолы, занимаю­щий 50...75 % всего объема реактора (рис. 6.6.4).

Процесс, протекающий в этом реакторе, состоит из следующих этапов:

обрабатываемый раствор проходит че­рез неподвижный слой обычно сверху вниз (реакция); реакция заканчивается, когда кон­центрация ионов, которые должны быть удале­ны, достигает предельного значения, называе­мого точкой проскока;

слой промывается водой, которая течет снизу вверх и одновременно увеличивает его высоту от 50 до 100 % (очистка); цель промы­вания заключается в очистке ионообменной смолы от посторонних фильтрующих примесей и в разрыхлении слоя;

слой обрабатывается раствором, кото­рый содержит ионы, участвующие в обмене (регенерация);

вторичное промывание водой для уда­ления избытка регенерирующего раствора (от­мывка).

Аппараты с механическими переме­шивающими устройствами. Наиболее рас­пространенный класс оборудования - стан­дартные аппараты с мешалками, по разным оценкам они составляют 80...90% общего числа применяемого оборудования. Они отли­чаются простотой и универсальностью.

При обработке систем жидкость - твер­дое тело необходимо обеспечить упорядочен­ное движение обрабатываемой среды. При этом интенсификация протекающих в аппарате с мешалкой процессов достигается за счет уве­личения скорости диссипации энергии в еди­нице объема перемешиваемой среды. Наиболее благоприятные условия для увеличения интен­сивности перемешивания достигаются при возникновении устойчивого циркуляционного движения. Циркуляция может быть принуди­тельной при наличии замкнутого контура, ес­тественной при возникновении одиночного или парного вихрей или ряда самостоятельных, как правило, парных, обменивающихся между со­бой вихрей.

Для аппаратов циркуляционного типа ха­рактерно движение обрабатываемой среды по замкнутому контуру. В них используются од­нотипные мешалки - встроенные осевые насо­сы. Их совершенствование связано с более тщательным учетом особенностей проведения конкретных технологических процессов. Оп­тимальные условия достигаются путем изме­нения формы корпуса и использования встро­енных устройств специальных конструкций.

При проведении кристаллизации за счет химического превращения необходимо:

Обеспечить быстрое смешение исходных компонентов с циркулирующей в аппарате суспензией;

Свести к минимуму измельчение кристал­лов;

Создать взвешенный слой кристаллов в определенной части аппарата, в которой воз­можна их частичная классификация по разме­рам.

В аппаратах с циркуляционной трубой, показанных на рис. 6.6.5, а, б, используется специальная мешалка 4 винтового типа, снаб­женная отражательным кольцом б, создается устойчивая циркуляция при минимальном ме­ханическом воздействии на кристаллы. В аппа­рате с перфорированным диффузором (рис. 6.6.5, в) с рабочей поверхности непрерывно удаляется осадок за счет динамического воз­действия на него со стороны циркулирующего потока обрабатываемой среды.

Недостатком аппаратов циркуляционного типа, несмотря на их высокую эффективность, является значительное увеличение их высоты при необходимости увеличения объема (при постоянном диаметре). Увеличение диаметра приводит к нарушению устойчивости движе­ния восходящего потока суспензии и образова­нию обратных токов. Аппарат с перфориро­ванным диффузором обеспечивает устойчивое вихревое движение фаз (рис. 6.6.5, в). Движу­щаяся с большой скоростью вдоль теплооб - менного устройства жидкость вызывает вихре­вое движение суспензии в объеме аппарата. Данный аппарат примененяется при кристал­лизации веществ с высокой растворимостью и способностью образовывать устойчивые пере­сыщенные растворы.

Для аппаратов емкостного типа харак­терно развитое трехмерное вихревое (циркуля­ционное) движение обрабатываемой среды с высокой интенсивностью (рис. 6.6.6). Для под­вода и отвода теплоты от реагирующих сред внутри аппарата размещают змеевики 6 (рис. 6.6.6, а), которые позволяют увеличить по­верхность теплообмена и являются достаточно простыми в изготовлении, это способствовало их широкому распространению.

При обработке систем жидкость - твер­дое тело при прочих равных условиях необхо­димо стремиться к снижению частоты враще­ния мешалки, с тем, чтобы исключить дробле­ние кристаллов. Использование лопастных ме-

Шалок с отношением высоты к диаметру 1... 1,2 позволяет снизить частоту ее вращения при неизменной эффективности перемешивания. Установка профилированных отражательных перегородок непосредственно около мешалки позволяет свести к минимуму вращательное движение жидкости, повысить скорости ее радиального и вращательного движения и ис­ключить дробление образовавшихся кристал­лов.

С целью упрощения очистки наружной поверхности теплообменника в качестве пере­городок используют трубки Фильде (рис. 6.6.6, б). В аппаратах такой конструкции осу­ществляют обработку неньютоновских сред с большим содержанием дисперсной фазы.

В вихревых аппаратах для повышения эффективности процесса перемешивания во внутреннем пространстве поток разделяется на ряд вихрей. Малые линейные размеры вихрей и высокая интенсивность циркуляции в них об­рабатываемой среды позволили получить удельную скорость диссипации энергии 600... 1800 Вт/кг.

Аппараты вихревого типа делятся на две группы: с кольцевыми вихревыми потоками, с винтовыми вихревыми потоками. Кольцевой вихрь - это вихревая трубка тока, замкнутая сама на себя. Кольцевое вихревое движение суспензии может быть обеспечено с помощью специальных вихревых аппаратов. Однако бо­лее эффективным оказалось создание вихревых колец между двумя коаксиальными цилиндра­ми, имеющими различную частоту вращения, при небольшом относительном зазоре между ними.

В таких конструкциях, как показано на рис. 6.6.7, перегородка лабиринтного типа яв­ляется теплопередающей поверхностью, разби­вает объем аппарата на две не сообщающихся между собой зоны. В одной зоне находится обрабатываемая среда, в другой - теплоноси­тель. Вихревое движение обрабатываемой сре­ды, так называемые вихри Тейлора, образуются между вращающимися и неподвижными коак­сиальными цилиндрическими поверхностями. Благодаря лабиринтной форме каналов для обрабатываемой среды и хладагента исключа­ется их проскок. Такие аппараты применяются при проведении процессов растворения и хи­мического превращения.

Радиальные винтовые потоки использу­ются в аппаратах для обработки дисперсных частиц (рис. 6.6.8). В вихревой камере на рото­ре 1 под действием центробежных сил суспен­зия движется от центра к периферии. На стато­ре 2 вследствие более высокого давления на периферии имеет место обратное направление движения. За счет противоположного движе­ния фаз интенсифицируются процессы на по­верхности твердых частиц.

Общим для приведенных конструкций аппаратов является рациональное сочетание размеров корпуса с внутренними перемеши­вающими устройствами. При этом достигается высокая эффективность химического превра­щения в системе жидкость - твердое тело при минимальных частотах вращения мешалки.