Процеси и апарати на химичните технологии
Тази група реактори, отличаващи се преди всичко с простата си конструкция и следователно с висока експлоатационна надеждност, станаха най-широко използваните в химическата промишленост. Те се използват както в периодични, така и в непрекъснати процеси за обработка на течности. Обща характеристика на барботиращия апарат е естествената дисперсия на газ, когато мехурчетата му се издигат в течност. Движението на течност или смес газ-течност, в зависимост от конструкцията на апарата, може да бъде различно. Това е причината за въвеждането на различни видове барботиращи реактори в класификацията.
Реактор с балонна колона
Апарат от този тип (фиг. 18.4.2.1) е изпълнен във вид на вертикална колона1с разположени отдолу газоразпределители-барботери2. Колоната може да бъде куха или секционна с хоризонтални прегради3, които служат като междинни газоразпределители и намаляват надлъжната циркулация на течността.
Топлообменните устройства се поставят вътре в бобините или стените на апарата, затворени в кожух.
Относителната простота на конструкцията на балонните колони им позволява да бъдат проектирани за големи обеми, позволява монтирането на антикорозионна облицовка и гарантира висока надеждност при работа. Характерна особеност на работата на балонна колона е неорганизираната и слаба циркулация на течността, следователно, когато се анализира хидродинамиката на такъв апарат, обикновено се счита, че газът мехурчета преминава през течност, която няма насочено движение. Слабата циркулация не позволява обработка в балонна колона на нехомогенни течности (суспензии, емулсии), състоящи се от фази с много различни плътности.
Фиг. 18.4.2.1.Реактор с мехурчеста колона
Възможността за производство на апарати с големи обеми е основната причина за честото използване на балонни реактори за провеждане на бавни реакции в течната фаза.
От гледна точка на математическото моделиране колоните с мехурчета, които не са разделени с хоризонтални прегради, обикновено се наричат устройства с идеално смесване в течната фаза и тип изместване в газовата фаза. При разделянето всяка секция се счита за идеален смесителен апарат.
Болботиращ газлифтен реактор
Газлифтният реактор (фиг. 18.4.2.2) се различава от балонните колони по това, че една или повече балонни тръби2са монтирани вътре в съда1, в който се въвежда газ с помощта на газоразпределител3. Когато газът се подава към апарата, пълен с течност, в мехурчетата се образува смес газ-течност, чиято плътност е по-малка от плътността на хомогенна течност в циркулационната зона (в пръстеновидното пространство), в резултат на което в апарата се получава циркулация на течност с възходящ поток на сместа в мехурчетата.
Фиг. 18.4.2.2.Балон газлифтен реактор
Конструкцията на газлифтните реактори може да бъде различна, но независимо от конструкцията, тяхната работа се основава на принципа на циркулационна верига, състояща се от възходящ поток газ-течност и низходящ течен поток с малко количество газови мехурчета, уловени от него. Максималната намалена скорост на газа в мехурните тръби, която определя газовото натоварване на апарата, е 2 m/s, което по отношение на свободното сечение на корпуса на апарата дава скорост до 1 m/s. Скоростта на циркулиращата течност може да достигне 12 m/s. Това прави възможно обработването на нехомогенни течни системи с голяма разлика в плътностите в газлифтен реактор.непрекъснати и диспергирани фази. Интензивната циркулация спомага за по-добър пренос на топлина между течността и топлообменните повърхности, образувани от стените на балонните тръби. Възможността за поставяне на големи топлообменни повърхности в газлифтните апарати, съчетани с интензивна циркулация, ги прави най-ефективните устройства за провеждане на реакции с голям топлинен ефект.
С математическо моделиране може да се вземе отделна мехурчеста тръба, близка до идеалния апарат за изместване, както по отношение на течната, така и на газовата фаза. Въпреки това, като цяло реакторът с течна фаза трябва да се счита за идеален апарат за смесване.
Бълботиращ серпентинен реактор
Най-разпространената конструкция на спираловиден реактор (фиг. 18.4.2.3) е серия от вертикални тръби1, свързани последователно с намотки3. На дъното на първата тръба е монтиран смесител (газ и течност)2. Последната тръба е свързана със сепаратора4, в който газът се отделя от течността.
Фиг. 18.4.2.3.Реактор с балонна намотка
За разлика от газлифтния тръбен реактор, този апарат има движение както нагоре, така и надолу на сместа газ-течност. Стабилни хидродинамични режими се наблюдават при намалени скорости на газа от 0,3 до 10 m/s и на течността от 0,4 до 2 m/s. Високите скорости на потока правят възможно обработването на нехомогенни течни системи с голяма разлика във фазовите плътности в спираловиден реактор.
За да се поддържат необходимите топлинни условия за реакцията, охлаждащата течност обикновено се подава в кожуси, монтирани на всяка тръба, но понякога целият сноп от тръби се поставя в общо пространство с контролирана температура.
Целесъобразно е да се използва спираловиден реактор за извършване на химикалреакции с кратко време на трансформация не повече от 1520 минути, в противен случай дължината му става твърде голяма.
С математическо моделиране този реактор е близо до идеалния апарат за изместване.