Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава IV. РЕАКТОРЫ БАРБОТАЖНЫЕ ГАЗЛИФТНЫЕ

В п. 1 были рассмотрены только общие представления о барботажных газлифтных реакторах и условиях их работы, определяющие область применения аппаратов этого типа. Содержание предлагаемой главы более подробно отражает разнообразие конструкций газлифтных реакторов и методику их расчета.

11. Конструкции газлифтных реакторов

Наиболее простая конструкция газлифтного реактора, выполненного в виде колонны с центральной барботажной трубой, была показана на рис. 2. Такой аппарат, снабженный рубашкой на корпусе колонны, может быть использован для проведения химических реакций, сопровождающихся тепловым эффектом. Отличаясь простотой конструкции, он имеет один существенный недостаток — малую удельную поверхность теплообмена (отнесенную

к объему жидкости в аппарате), величина которой уменьшается с увеличением диаметра колонны Следовательно, применение в промышленности реакторов больших объемов, выполненных в виде колонны с центральной барботажной трубой и рубашкой на корпусе, допустимо только при малых тепловых эффектах реакции.

Теплообменную поверхность реактора можно увеличить, применив специальную конструкцию барботажной трубы (рис. 38).

Рис. 38. Газлифтный реактор с центральной барботажной трубой

Рис. 39. Реактор, секционированный перегородками с газораспределительными патрубками

Здесь вокруг барботажной трубы 1 расположены вертикальные теплообменные трубы 2, объединенные вверху и внизу коллекторами 3. Штуцера 4 для ввода и вывода теплоносителя выведены наружу через крышки аппарата. В газлифтном реакторе с рубашкой, имеющем дополнительные теплообменные элементы на барботажной трубе, общая удельная теплопередающая поверхность при условии, что площадь сечения барботажной трубы равна площади сечения кольцевой циркуляционной зоны, составляет

Если диаметр центральной (барботажной) трубы большой, то в ней, несмотря на наличие внешней циркуляционной зоны, будет существовать самостоятельная циркуляция жидкости, приводящая к неравномерному распределению газа по сечению барботажной зоны. Желание устранить этот недостаток привело к конструкциям аппаратов, в которых барботажная труба секционирована горизонтальными газораспределительными решетками (рис. 39).

Барботажная зона реактора выполнена в виде цилиндра 1 с приваренными снаружи теплообменными трубами 2, объединенными сверху и снизу в кольцевые коллекторы.

Внутри барботажной трубы размещены горизонтальные перегородки 3, в которые вварены патрубки с отверстиями в стенках для прохода газа (см. рис. 21). В заполненный жидкостью аппарат газ вводится под нижнюю перегородку и через отверстия в трубках поступает в расположенную выше секцию. В следующей перегородке он переходит вместе с жидкостью по патрубкам, а часть его, накопившаяся под перегородкой, поступает в патрубки через отверстия. Таким образом, поднимаясь вверх, газ равномерно распределяется по всему сечению барботажной зоны.

Рис. 40. Реактор, секционированный ситчатыми перегородками

Рис. 41. Реактор с выносными барботажными трубами

Аналогичная конструкция секционированного газлифтного реактора, но с выносной зоной циркуляции и теплообмена, была разработана в институте хлорной промышленности. В этом аппарате (рис. 40) барботажная зона выполнена в виде колонны 1, секционированной ситчатыми перегородками 2. В наружный циркуляционный контур включен теплообменник 3. В некоторых конструкциях теплообменники подсоединены к каждой ступени, ограниченной сверху и снизу ситчатыми перегородками. Возможность использования стандартных теплообменников упрощает технологию изготовления аппарата, а установка, например, блочных графитных теплообменных устройств позволяет работать на коррозионных средах.

Исследования такого аппарата показали, что газ проходит вместе с жидкостью через отверстия перегородок, равномерно распределяясь по всему сечению барботажной зоны. Прямоточное движение газа и жидкости обеспечивает устойчивый режим работы реактора без захлебывания при любых нагрузках по обеим фазам. Однако при монтаже реактора следует учитывать, что незначительное отклонение ситчатой перегородки от горизонтального

положения нарушает равномерность распределения газа, особенно это ощутимо при больших диаметрах аппарата.

Стремление увеличить удельную поверхность теплообмена привело к конструкциям многотрубных газлифтных реакторов. Один из таких аппаратов, предложенный Кружаловым и Хчеяном [46], изображен на рис. 41. Он состоит из верхней 1 и нижней 5 цилиндрических емкостей, соединенных между собой вертикальными трубами. В центре находится циркуляционная труба 3 а по периферии — барботажные трубы 2. В каждой трубе 2 размещен барботер 4. Теплоноситель подается в рубашки, установленные на барботажных трубах. Не исключена возможность установки рубашки и на циркуляционной трубе.

С целью приближения аппарата к модели идеального вытеснения по жидкой фазе теми же авторами [46] был предложен многоступенчатый вариант трубчатого газлифтного реактора. В этом аппарате каждая ступень состоит из одной циркуляционной трубы и двух барботажных. Внизу эти трубы соединены коллектором, и в каждую трубу введен барботер. Вверху все трубы соединены с емкостью, разделенной вертикальными полуперегородками на отсеки — ступени. Переток жидкости из одной ступени в другую осуществляется по патрубкам, соединяющим циркуляционные трубы, причем патрубок выхода жидкости из ступени расположен выше патрубка ввода ее в циркуляционную трубу данной ступени. Этим обеспечивается хотя бы однократный проход реакционной массы через ступень.

Для создания одинаковых гидростатических давлений на уровне ввода газа в барботажные трубы высота расположения барботеров понижается от ступени к ступени по ходу движения жидкости.

Рассмотренные здесь многотрубные газлифтные реакторы, обладая большей удельной теплообменной поверхностью по сравнению с колонными аппаратами, имеют и свои недостатки. Прежде всего это касается сложности изготовления и большой металлоемкости. Конструктивно более совершенными следует признать газлифтные реакторы, в которых барботажные и циркуляционные трубы объединены в общем кожухе Два варианта таких кожухотрубных газлифтных реакторов показаны на рис. 42.

Аппарат на рис. 42, а выполнен в виде трубчатого теплообменника с увеличенной по высоте верхней крышкой 1, где происходит отделение газа от жидкости. Закрепленные в трубных решетках трубы поделены на барботажные 2 и циркуляционные 3. Нижние концы всех труб выведены под трубную решетку на длину где -внутренний диаметр труб. В стенках выступающих концов барботажных труб на расстоянии от их нижнего среза просверлены отверстия 4, расположенные на одном уровне. Диаметр и количество отверстий в одной трубе выбираются исходя из условий работы газораспределителя (см. п. 12).

Жидкость вводится в реактор через штуцер 5 и, заполнив трубное пространство, сливается через штуцер 6. При подаче в реактор газа по штуцеру 7 под нижней трубной решеткой образуется газовый слой, отжимающий жидкость вниз до тех пор, пока не откроются отверстия 4 и газ не устремится через них в барботажные трубы. Расчетная высота газового слоя (от оси отверстий до уровня жидкости) будет определяться сопротивлением односторонне затопленных отверстий, зависящим в основном от скорости проходящего через них газа. Для устранения волнения поверхности жидкости газ направляется под нижнюю трубную решетку отбойным листом 8. Межтрубное пространство реактора используется для подачи в него теплоносителя.

При обработке в газлифтном реакторе несмешивающихся жидкостей легкая жидкость будет отстаиваться в верхней части барботажного слоя над трубной решеткой и сливаться в избыточном количестве через штуцер 6. Для устранения этого нежелательного явления необходимо верхние концы циркуляционных труб удлинить так, чтобы их срезы находились чуть ниже уровня сливного штуцера 6.

Рис. 42 Кожухотрубные газлифтные реакторы: а — с равномерным распределением труб; с центральной циркуляционной трубой

В ряде случаев целесообразно в аппарате устанавливать циркуляционную трубу большого диаметра, как это показано на рис. 42, б. При этом желательно, чтобы площадь сечения этой трубы была равна суммарной площади сечений барботажных труб.

Установка одной или нескольких циркуляционных труб большого диаметра и увеличение диаметра барботажных труб позволяют изменять как рабочий объем реактора (объем трубного пространства), так и его теплообменную поверхность (рис. 43). Значения и приведены для трубного участка реактора высотой Кривые на рис. 43 построены для частного случая, когда диаметр кожуха реактора а шаг размещения труб однако их расположение будет аналогичным и для реакторов других диаметров Эти кривые показывают, что для реакций с небольшим тепловым эффектом, но продолжительных по времени, когда требуется большой рабочий объем,

целесообразно применять аппараты с трубами больших диаметров.

Рабочий объем газлифтного реактора можно увеличить, используя для циркуляции жидкости его межтрубное пространство, как это показано на рис. 38. Такой принцип конструирования эрлифтных аппаратов используется в микробиологической промышленности при создании ферментеров больших объемов.

Рис. 43. Изменение объема трубного пространства (кривые 1) и поверхности теплообмена (кривые 2) с увеличением диаметра барботажных труб:

Рис. 44. Реактор с зоной циркуляции в межтрубном пространстве

Например, для аэробного выращивания кормовых дрожжей на гидролизных средах широко распространен ферментер Лефрансуа высотой и диаметром имеющий одну барботажную трубу высотой и диаметром . В барботажной трубе такого диаметра при локальном вводе газа газовые пузыри сосредотачиваются в центральной ее части, что уменьшает поверхность контакта фаз. Неравномерное распределение газа по сечению барботажной трубы создает в ней самостоятельную циркуляцию жидкости и тем самым ухудшает перемешивание дрожжевой суспензии во всем объеме ферментера. В этом отношении более совершенны дрожжерастительные аппараты с несколькими барботажными трубами меньших диаметров.

Стремясь к увеличению рабочего объема газлифтного реактора и используя с этой целью его межтрубное пространство для циркуляции жидкости, не следует забывать и об увеличении объема зон барботажа, где непосредственно протекает химическое превращение. Это условие обеспечено в конструкции реактора, показанного на рис. 44.

Аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором равномерно распределены барботажные трубы 2, газовой камеры 3

с газораспределительными патрубками 4, служащими для подачи газа в барботажные трубы, теплообменных элементов 7, размещенных внутри барботажных труб, и камер 5 и 6 для ввода и вывода теплоносителя. Барботажные трубы установлены нижними концами на направляющие 8 так, чтобы обеспечивался зазор между нижним срезом трубы и верхним днищем камеры 3 для прохода циркулирующей жидкости из межтрубного пространства. Верхнее концы барботажных труб скреплены скобами 9, что не препятствует перетоку жидкости из барботажных труб в циркуляционную зону.

Рис. 45. Каскад реакторов с рециклом газа

В таком реакторе при развитой поверхности контакта фаз обеспечены хорошие условия для перемешивания жидкости, но он может быть рекомендован только для газожидкостных реакций, проводимых при невысоких давлениях. Это ограничение обусловлено наличием плоских перегородок, разделяющих камеры для газа и теплоносителя.

Газожидкостные реакторы могут работать как при периодической загрузке жидкости, так и при непрерывной ее подаче.

При осуществлении непрерывных процессов, а также для обеспечения необходимых температурных условий на различных стадиях реакции отдельные аппараты компонуются в каскад реакторов. В таком каскаде жидкость проходит последовательно через все аппараты, а газ может подаваться последовательно или параллельно в каждый реактор. В случае, если количество газа, рассчитанного по стехиометрическому уравнению реакции, недостаточно для обеспечения оптимальных гидродинамических условий в каждом аппарате, а разбавление инертным газом нежелательно, каскад может работать по замкнутой циркуляционной схеме (рис. 45). Согласно этой схеме, основная масса газа транспортируется через все аппараты каскада циркуляционным компрессором 1. Свежий газ в количестве, достаточном для реакции, вводится в циркуляционной контур компрессором 2. На выходе из

последнего реактора 3 часть отработавшего газа может выводиться через дроссельный вентиль 4. С целью экономии площади, занимаемой каскадом, его можно выполнить в виде колонны (рис. 46).

При таком исполнении нижние выступающие концы труб 1 вышестоящих реакторов помещаются в чаше 2. Газ в вышестоящие реакторы проходит через зазор между чашей 2 и обечайкой колонны 3, а жидкость перетекает из одного реактора в другой по трубопроводу 4.

Показанное на рис. 46 вертикальное расположение реакторов имеет один существенный недостаток. При прекращении подачи газа жидкость будет стекать через чаши в нижние ступени аппарата, поэтому такой вариант можно рекомендовать только для непрерывных процессов при устойчивом расходе газа.

Рис. 46. Вертикальная компоновка каскада реакторов

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление