Реактори для реалізації процесів у системі рідина–тверда речовина
Багато хімічних виробництв ґрунтуються на процесах, які відбуваються за участю твердих і рідких реаґентів. До таких процесів належать розчинення та топлення твердих речовин, кристалізація із розчинів і розтопів, екстрагування і вилуговування, полімеризація в середовищі рідких мономерів із утворенням твердих полімерів, поліконденсація в рідкій фазі з утворенням твердих високомолекулярних продуктів, коагуляція в колоїдних системах, диспергування твердих частинок у рідині, адсорбція розчинених у рідині речовин та їх десорбція, іонний обмін між рідинами та іонообмінними смолами тощо.
Більшість процесів у системі Р–Т відбувається у дифузійній області, тому в реакторах використовують різні способи їх інтенсифікації, зокрема, збільшення відносної лінійної швидкості руху фаз (перемішування) і збільшення площі поверхні контакту фаз (подрібнення твердої сировини, застосування пористого твердого матеріалу).
Реактори для здійснення процесів у системі Р–Т поділяють залежно від того, як інтенсифікують процес, на такі, в яких:
1) забезпечується висока лінійна швидкість рідини відносно твердої фази;
2) відбувається перемішування системи Р–Т.
Реактори першого типу охоплюють апарати з фільтрувальним шаром і з псевдозрідженим (“киплячим шаром”) твердого матеріалу.
Реактори з фільтрувальним шаром (рис. 3.58) – це циліндричні апарати, в нижній частині яких горизонтально або похило встановлена ситоподібна чи ковпачкова тарілка. На тарілці розміщений шар пористого твердого матеріалу, через який пропускають рідину. Чим більша пористість твердого матеріалу, тим більша величина міжфазової твердої поверхні. Головний опір дифузії рідкого компонента створюють внутрішні канали пор, тобто у системі Р–Т процеси переважно відбуваються у внутрішньодифузійній області.
Напрям руху потоку та його швидкість залежать від висоти фільтрувального шару та розмірів частинок твердого матеріалу. У більшості апаратів рідину подають зверху вниз. За гідродинамічним режимом ці апарати наближаються до реакторів ідеального витіснення, за тепловим режимом – адіабатичні.
Для підвищення ефективності процесу використовують батареї (каскади) реакторів з фільтрувальним шаром, які називають дифузорами.
Реактори з фільтрувальним шаром мають такі переваги: простота конструкції, стабільність технолоґічного режиму, низькі енерговитрати. Головним недоліком цих реакторів є низька інтенсивність роботи.
Рис. 3.58. Реактор з фільтрувальним шаром твердого матеріалу:
1 – корпус; 2 – ситоподібна тарілка
Реактори з псевдозрідженим шаром твердого зернистого матеріалу в рідині застосовують тоді, коли рідкий і твердий реаґенти істотно відрізняються за густиною, а зерна мають великі розміри. Конструкція такого апарата є аналогічною до апарата для реалізації процесів у системі Г–Т (див. рис. 3.54).
Якщо різниця між густинами фаз є невеликою, а розміри твердих частинок малими, то використовують реактори з фонтануючим шаром (рис. 3.59). Вони є різновидом апаратів з псевдозрідженим шаром. У реакторі з фонтануючим шаром лінійна швидкість рідини на два порядки перевищує її величину у псевдозрідженому шарі. Тому реактор з фонтануючим шаром є значно інтенсивнішим і продуктивнішим.
За гідродинамічним режимом роботи обидва реактори (з псевдозрідженим і фонтануючим шаром) наближаються до ідеального змішування, за тепловим режимом вони є ізотермічними або адіабатичними. У цих апаратах рух фаз є назагал перехресним, але в ядрі фонтануючого потоку реалізується прямотечійний.
Реактори із псевдозрідженим і фонтануючим шаром твердого реаґенту характеризуються високою інтенсивністю, порівняно невисокими енерговитратами, простотою конструкції, безперервністю роботи (для реакторів КШ), легкістю в керуванні та автоматизації. Серед недоліків цих апаратів варто зазначити певну нестабільність технолоґічного процесу і періодичність роботи (для апаратів з фонтануючим шаром).
Одним із найефективніших шляхів інтенсифікації процесів у системі Р–Т є використання перемішувальних пристроїв різних типів.
Рис. 3.59. Реактор з фонтануючим шаром: І – фонтануюче ядро;
ІІ – фонтан; ІІІ – щільний нисхідний потік
Реактори з механічним і пневматичним перемішуванням широко використовуються для процесів в системі Р–Т, зокрема, для розчинення, екстрагування, вилуговування, полімеризації, у технолоґії солей, гідрометалургії, виробництві органічних речовин. Ці реактори за конструкцією є такими самими, як і для здійснення гомогенних процесів (див. ч.1, 3.4.1). Вибір типу мішалки залежить від в’язкості реакційного середовища. Для перемішування рідин з незначною в’язкістю використовують пропелерні мішалками, а також пневматичне перемішування. За середнього значення в’язкості рідини використовують лопатеві мішалки, а за підвищеної в’язкості – якірні. Поодинокі реактори з мішалками можуть працювати як періодично, так і безперервно. Для збільшення ступеня перетворення твердої речовини застосовують каскади реакторів із мішалками.
До недоліків таких реакторів належать значна ерозія стінок реактора та мішалки, високі енерговитрати, недостатня надійність у роботі.
Реактори із струменево-циркуляційним змішуванням реаґентів як за принципом роботи, так і головними характеристиками наближаються до апаратів, які застосовують для гомогенних систем Г–Р (див. ч. 1, 3.4.2).
Усі зазначені вище реактори наближаються до реакторів ідеального змішування, переважно прямотечійні; за тепловим режимом – ізотермічні.
Для здійснення деяких процесів у системі Р–Т застосовують реактори з перемішуванням на полицях, які за конструкцією та принципом дії є схожими на механічні поличкові печі (див. ч. 1, 3.4.3). Однак, на відміну від здійснення процесів у системі Г–Т, у цьому випадку тверда і рідка фази подаються зверху і рухаються прямотечійно згори донизу. За гідродинамічним режимом цей реактор наближається до ідеального витіснення, за тепловим режимом – адіабатичний. Використовується, наприклад, для одержання ацетилену із карбіду кальцію розкладом останнього водою. Ці апарати мають низьку інтенсивність, складні конструктивно та в обслуговуванні.
Реактори із шнековим перемішуванням мають коритоподібний корпус, в якому до горизонтального вала знаходиться шнек, що перемішує твердий реаґент з рідкою фазою і транспортує реакційну масу вздовж осі апарата (рис. 3.60). Ці реактори реактори наближаються до РІВ, за характером руху фаз – проти- або прямотечійні, за тепловим режимом – ізотермічні або політермічні. Вони використовуються для розчинення, вилуговування і характеризуються високою продуктивністю та безперервністю роботи. Недоліки: низька інтенсивність, значні енерговитрати, складність конструкції.
Рис. 3.60. Реактор із шнековим перемішуванням: 1 – коритоподібний корпус;
2 – вал; 3 – шнек
Для здійснення процесів у системі Р–Т використовуються також трубчасті (барабанні) реактори, які за конструкцією подібні до обертових барабанних печей (див. ч. 1, 3.4.3). Забезпечення необхідного температурного режиму досягається теплообміном, для чого ці реактори оснащують зовнішньою оболонкою, куди подається теплоносій (холодоагент). За гідродинамічним режимом ці апарати наближаються до моделей ідеального витіснення, за рухом потоків – прямо- або протитечійні, за температурним режимом – адіабатичні, ізотермічні чи політермічні (якщо мають теплообмінні елементи). Вони використовуються переважно як кристалізатори. Барабанні реактори є безперервними, мають просту конструкцію, надійні у роботі, однак мають низьку інтенсивність.
. Реактори для каталітичних процесів
Закономірності роботи реакторів для здійснення каталітичних процесів такі самі, як і для реакторів, в яких відбуваються некаталітичні. Наприклад, за режимом перемішування ці реактори поділяються на РІЗ і РІВ; за температурним режимом – на адіабатичні, ізотермічні та політермічні.