Современные конструкции аппаратов с механическими перемешивающими устройствами для процессов в газожидкостных системах

В.Г. Деркач, Л.С. Марковский.


Аппарат с циркуляционным контуром

Рис.1 Эскиз аппарата с винтовой мешалкой в циркуляционном контуре.

Для проведения физикохимических и биологических превращений в гетерогенных системах газ–жидкость применяется широкий спектр различных типов химических реакторов. Одним из основных направлений деятельности ООО ПЕТЕРБУРГНИИХИММАШ является разработка и изготовление оборудования для осуществления этих процессов. В современной литературе достаточно подробно освещены методы расчета и математического моделирования процессов в существующем многообразии химических реакторов. Однако, определяющие их факторы — гидродинамические явления при взаимодействии газа с жидкостью, конвективный теплообмен между газожидкостной смесью и стенками теплообменных элементов и массоперенос в гетерогенных системах с учетом конструктивных особенностей реакторов до сих пор представляют интересную область для исследований. Наиболее широкое распространение в промышленности получили реакторы с механическим перемешиванием газожидкостных систем. Эффективность этих реакторов обусловлена созданием развитой турбулентности механическим органом. При этом достигается наиболее тонкое диспергирование газа, что при достаточно высоком газосодержании создает большую удельную поверхность контакта фаз. Особое место среди реакторов с механическим перемешиванием занимают реакторы с мешалкой в циркуляционном контуре, разрабатываемые ООО ПЕТЕРБУРГНИИХИММАШ. Эти аппараты (рис. 1) имеют электропривод поз. 1, винтовую мешалку поз. 2, размещенную в узкой части циркуляционной трубы поз. 3, цилиндрическую рубашку поз. 4 для обеспечения изотермических условий реакции и выносной сепаратор поз. 5. Жидкость заполняет весь объем реактора. Газ подается под мешалку или при необходимости раздельной подачи компонентов газовой фазы в центральную и периферийную зоны циркуляционного контура реактора. Вследствие увеличения объема газожидкостной смеси, часть ее вытесняется в сепаратор, где происходит разделение прореагировавших фаз, отвод газовой фазы и возвращение жидкости в контур для дальнейшей реакции. Диспергирование газа происходит как в зоне мешалки (за счет непосредственного воздействия ее лопастей на газовые пузырьки), так и в циркуляционном контуре (за счет турбулентных пульсаций жидкости). Поэтому в таких аппаратах удается получить наибольшую межфазную поверхность системы газ–жидкость. В отличие от реакторов с механическим перемешивающим устройством в свободном объеме, центральная труба в рассматриваемом реакторе делит рабочий объем на две зоны потока, создавая значительно меньшую площадь приведенного сечения для протока циркулирующей газожидкостной смеси. Это обеспечивает более высокую скорость циркуляции среды и позволяет обрабатывать в реакторе неоднородные системы с большой разностью плотностей фаз. При этом газ в виде мелких и сравнительно однородных пузырьков равномерно распределяется во всем объеме жидкости. Пропускная способность реактора по газу определяется критическим значением газосодержания системы, при котором происходит срыв работы мешалки. Это наступает при приведенной скорости газа в центральной трубе 0,2 — 0,3 м/с. Расположение мешалки в верхней части реактора позволяет уменьшить консоль вала перемешивающего устройства и обеспечить его устойчивую работу в дорезонансной области при сравнительно высокой частоте вращения. Теплообменным элементом в рассматриваемом реакторе может являться не только цилиндрическая рубашка, но и центральная труба, выполненная с полыми стенками. Поскольку удельная тепловая поверхность таких теплообменных элементов уменьшается с увеличением объема аппарата, в крупно- габаритных реакторах пока не удается проводить реакции с большим тепловым эффектом. Вытянутая вдоль главной оси форма реактора (высота рабочей части реактора в 3–6 раз превышает его диаметр), а также полное его заполнение газожидкостной смесью способствуют увеличению времени контакта фаз, а следовательно и эффективности проводимых в аппарате реакций. Возможно герметичное исполнение аппарата с применением магнитной муфты. Для расчета газосодержания в аппаратах с механическим перемешивающим устройством в циркуляционном контуре пока нет надежных методик. При непрерывной подаче газа, его объемная доля в рабочей среде будет зависеть от условий перемешивания, что детально пока еще не изучено. Поэтому для расчета среднего газосодержания можно использовать ряд эмпирических корреляций, основанных, как правило, на результатах лабораторных исследований. Структура газожидкостной смеси в реакторе зависит от интенсивности перемешивания, условий ввода газа и его расхода. Начало диспергирования газа и увеличения газосодержания соответствует некоторому минимальному уровню интенсивности перемешивания, который зависит от расхода газа, размеров аппарата и свойств фаз. В условиях, когда интенсивность перемешивания в аппарате незначительно превышает порог диспергирования, основная масса подаваемого в аппарат газа диспергируется и в виде мелких пузырьков распределяется в зоне размещения мешалки, а остальная область рабочего объема не аэрируется. При увеличении частоты вращения устойчивость деления рабочего объема на аэрируемую и неаэрируемую зоны нарушается, и при превышении некоторого критического значения частоты вращения весь объем аппарата оказывается заполненным газожидкостной смесью. Рассматриваемая критическая величина частоты вращения увеличивается с возрастанием расхода газа. Ввод газа в аппарат и образование в нем газожидкостной смеси приводит к снижению мощности, потребляемой на перемешивание, вследствие уменьшения плотности среды в зоне лопастей мешалки. При увеличении доли газа в аппарате снижение мощности происходит до некоторого критического значения, при котором наблюдается проскок части газа без диспергирования в виде крупных пузырей. При этом прекращается не только снижение мощности, но и повышение газосодержания в аппарате. Рассматриваемое критическое значение не является постоянной величиной, а зависит от размеров аппарата, конфигурации и размеров мешалки. Суммарная мощность, необходимая для перемешивания, включает в себя мощность, затрачиваемую мешалкой на перемешивание газожидкостной смеси, и мощности, подводимые с газом за счет его кинетической и потенциальной энергии. Это значение определяет диссипацию энергии в известном объеме аппарата при известных частоте вращения и диаметре мешалки или удельную мощность. Приведенная скорость газа в аппарате определяется расходом газа и средним значением проходного сечения циркуляционного контура. Уравнение, принятое за основу для расчета коэффициента удельного газонасыщения среды в аппарате с мешалкой в циркуляционном контуре, учитывает рассмотренные выше факторы: среднее по аппарату значение диссипации энергии с учетом уменьшения потребляемой мощности в газожидкостной среде, приведенную скорость газа в аппарате и физические свойства фаз. Размеры пузырьков и соответственно площадь поверхности контакта фаз зависит от разности динамических напоров, деформирующих пузырек. При этом разность напоров должна превышать капиллярное давление, препятствующее деформации. Уравнение, используемое для расчета диаметра наибольших пузырьков в турбулентном потоке, было получено на основании предположения, что разность динамических напоров возникает как результат движения газа под действием турбулентных пульсаций скорости жидкости.