Барботажные реакторы с циркуляционным контуром

При больших объемах реактора и малом тепловом эффекте реакции используют барботажные аппараты с мешалкой в циркуляционном контуре, которые могут быть выполнены в двух вариантах: с винтовой или пропеллерной мешалкой внутри циркуляционного стакана 3 (рис. 4.7а) и с открытой турбинной мешалкой, расположенной под циркуляционным стаканом (рис. 4.7б).

Аппарат с винтовой мешалкой внутри циркуляционного контура имеет отношение высоты корпуса Н к диаметру Н/D_р ≥ 5÷10.

Диаметр циркуляционного стакана 3 рассчитывается из условия равенства площадей сечения стакана и кольцевого зазора, образованного им со стенками сосуда.

Нижняя часть стакана имеет уменьшенное сечение, в нем размещена винтовая мешалка 4, выполняющая роль, как осевого насоса, так и диспергатора газа, подаваемого под мешалку.

Практика эксплуатации таких аппаратов показала, что в качестве насоса может быть использована мешалка с прямыми лопастями, имеющими угол наклона к горизонтали α = 15÷45⁰.

Аппарат наиболее эффективно работает в условиях полного заполнения его объема газожидкостной смесью, поэтому выход непоглощенного газа и жидкости осуществляется через верхний штуцер, соединенный с сепаратором 1 газожидкостной смеси.

Рис. 4.7. Схемы барботажных аппаратов с винтовой (а) и турбинной (б) мешалками в циркуляционном контуре: 1 – сепаратор; 2 – корпус реактора; 3 – циркуляционный стакан; 4 – винтовая мешалка.

Конструктивно аппарат с одним циркуляционным стаканом может быть выполнен объемом до 20 м³. При установке в одном корпусе 2 нескольких стаканов со своими мешалками объем реактора можно увеличить до 100 м³, что позволяет существенно снизить удельные затраты энергии. Например, в аппарате с тремя стаканами удельные затраты энергии снижаются на 40 %.

Пропускная способность аппарата по газу определяется предельной скоростью его в циркуляционном стакане, которая не должна превышать 0,02 м/с (по свободному сечению аппарата).

В противном случае возможен срыв работы мешалки и нарушение циркуляции жидкости. Устойчивая работа мешалки определяется газосодержанием системы, предельная величина которого составляет ε_г ≈0,4, поэтому аппараты с мешалкой и циркуляционным контуром можно применять только для реакционных систем, которые не образуют устойчивых пен.

Если в реакции участвуют газы с возможным образованием взрывоопасной смеси, то аппарат с циркуляцией газожидкостной смеси является одним из наиболее надежных устройств, так как внутри аппарата не образуется больших объемов газов со взрывоопасной концентрацией.

Недостатком этих аппаратов является малая пропускная способность по газу, поэтому они применяются при малых и средних производительностях в реакторах как периодического, так и непрерывного действия.