Реакторы для газо-жидкостных процессов

Схемы реакторов для данного вида процессов иллюстрирует рис. 4.73. Взаимодействие газа с жидкостью осуществляют тремя способами: прямо- или противоточным движением сплошных потоков газа и жидкости; барбатажем газа в жидкость (газ диспергирован в объеме жидкости); разбрызгиванием жидкости в газе (диспергирована жидкость в объеме газа).

В трубчатом реакторе (рис. 4.73, а) жидкость стекает по стенкам трубок (на рисунке показана только одна), одновременно контактируя со встречным или попутным потоком газа. Это наиболее организованный процесс — поверхность контакта фаз равна поверхности труб. Потоки хорошо разделены. Тепловой режим поддерживается регулированием температуры трубок. Такие реакторы используют в производствах, где нужно точно выдерживать необходимый режим и быстро его регулировать. Обычно это малотоннажные производства тонкого органического и неорганического синтеза.

Более интенсивное взаимодействие фаз достигается в спутном (движущемся в одном направлении) газо-жидкостном потоке (рис. 4.73, б), в котором в зависимости от скорости потоков возможно осуществление различных режимов течения. На схеме показано движение потока с полным расслоением фаз, раздельное течение с сильно возмущенной развитой поверхностью контакта фаз и хорошо перемешанный газо-жидкостной поток. Реализация указанных режимов наблюдается последовательно с возрастанием скорости потоков, особенно газа. Скорость развитого газо-жидкостного потока составляет несколько метров в секунду. Такие реакторы обладают рядом преимуществ: они компактны, даже при необходимости протекания длительной реакции (их делают в виде вертикального или горизонтального змеевика, схематично показанного на рис. 4.73, б), и в них достигает- ся очень высокий коэффициент объемного массообмена — до 1,2 с^^!. Реактор данного типа используется в производстве полиэтилена и окислении этилена в ацетальдегид.

Насадочные реакторы более распространены (рис. 4.73, в). Их внутреннее пространство занимает насадка, образованная из небольших элементов, по поверхности которых стекает жидкость, а в пространстве между ними, как правило, противотоком движется газ. Насадка -кольца или элементы другой формы имеют размер в среднем 10-50 мм. Поверхность элементов и, следовательно, поверхность контакта фаз составляет сотни квадратных метров в кубометре слоя, и потому взаимодействие фаз происходит достаточно интенсивно. Коэффициент объемного массообмена достигает 0,5 с"¹. Такое значение ограничено тем, что жидкость стекает только под действием силы тяжести. При большой скорости газовый поток захватывает жидкость, препятствуя ее стеканию. Это режим «захлебывания», хотя при этом в узком интервале нагрузок по газу и жидкости наблюдается аномально большое увеличение массообмена.

Простейший способ организации взаимодействия жидкости и газа — барбатаж последнего (рис. 4.73, г, д) и разбрызгивание жидкости в газе (рис. 4.73, е). Интенсивность взаимодействия фаз при барбатаже зависит от скорости всплытия пузырей и их размера. Первое определено гравитационными силами и потому ограничено. Размер пузырей можно варьировать в ограниченных пределах, т.к. в свободном барба-тажном слое мелкие пузыри сливаются, а крупные - неустойчивы и быстро распадаются. Всплывающий пузырь быстро «забывает» свое происхождение (приблизительно на высоте 10—20 см от отверстия, из которого он вышел). Объемный коэффициент массообмена в свободном барбатажном слое, как правило, не превышает величины 0,3 с~К Мелкие пузыри, размер которых зависит от выходного отверстия в барботере, удается сохранить в тонком слое жидкости. Это удобно сделать в многослойном реакторе как с переливными устройствами (рис. 4.73, ж), так и ситчатыми провальными распределителями потока (тарелками — рис. 4.73, з). Реактор, изображенный на рис. 4.73, е, оснащен разбрызгивателем. Мелкие капли более устойчивы в размерах, но скорость их падения определена силами гравитации и захватом потоком газа (особенно для мелких капель), поэтому, диспергируя жидкость, можно интенсифицировать массообмен между фазами, - специальные форсунки значительно развивают поверхность контакта фаз и увеличивают скорость движения. Но это же добавляет трудности в последующем сепарировании газа и жидкости.

 

Рис. 4.73. Схемы реакторов для газожидкостных процессов: Г -газ; Ж —жидкость