42.По температурному режиму реактори поділяються на адіабатіче-ські, ізотермічні і політермічні (програмно-регульовані).
Адіабатичні Реактори при спокійному (без перемішування) тече-ванні потоку реагентів не мають теплообміну з навколишнім середовищем, так як забезпечені хорошою теплоізоляцією. Вся теплота реакції акумулюється-ється потоком реагуючих речовин.
Ізотермічний Реактор має постійну робочу температуру (ТР) у всіх точках реакційного об'єму протягом всього періоду його робо-ти. Изотермичности процесу досягається: за допомогою поміщених в реакційний об'єм теплообмінних пристроїв для відводу.
Політермічні Називаються реактори, в яких тепло реакції лише частково компенсується за рахунок відводу (підведення) тепла або процес-сов з тепловим ефектом, протилежним за знаком основного. Кіль-кість підводиться або відводиться тепла розраховується на стадії про- ектировании таких реакторів. Тому вони називаються також програм-но-регульованими.
За гідродинамічного режиму (структурі потоків) ректори діляться на три групи.
Реактори ідеального (повного) перемішування - апарати, в яких потоки реагентів миттєво і рівномірно перемішуються в усьому реакційному обсязі. Це означає, що склад і температуру реакційної суміші в такому апараті можна вважати однаковими у всьому його обсязі. До такого типу реакторів можуть бути віднесені апарати малого обсягу з механічним перемішуванням рідини, частотою обертання мішалки не менше 4 с-1 і часом гомогенізації не більше 8 хвилин.
Реактори ідеального (повного) витіснення - апарати, в яких рух реагентів носить поршеневой характер, тобто кожен попередній обсяг, що проходить через апарат, не змішується з подальшим, так як витісняється ім. В такому апараті існує певний розподіл швидкостей потоку по його перетину. В результаті склад, а так само температура реакційної суміші в цетрі апарату і у його стінок різні; і температур на вході і виході з апарату. До таких апаратів відносяться трубчасті реактори при співвідношенні їх висоти до діаметру, рівним не менше 20 (H / D. 20). Однак, у великих реакційних обсягах, як правило, режим повного (ідеального) витіснення порушується за рахунок ефекту зворотного перемішування.
Реактори з проміжним гідродинамічним режимом. Цей тип апаратів дуже широко поширений на практиці. Найбільш часто відхилення від ідеального режиму перемішування в реакційному обсязі спостерігається, наприклад, в апаратах великого об'ма при недостатній частоті обертання мішалки, наявності теплообмінних пристроїв всередині апарату, великій швидкості подачі реагентів в апарат безперервної дії і т.д. У цих випадках виникають застійні зони (обсяги з малим перемішуванням або взагалі без перемішування), байпасні потоки в апараті а так само проскакування потоку без змішання через апарат.
В апаратах ідеального витіснення регулярний гідродинамічний режим може бути порушений в результаті поперечного і особливо подовжнього пермешіванія потоку. що призводить до часткового вирівнювання концентрацій і температур по перетину і довжині реактора. Пояснюється це тим, що поздовжнє (зворотне) пермешіваніе прискорює переміщення одних елементів обсягу, а інших - уповільнює, внаслідок чого час перебування їх в реакторі стає різним.
Одним їх технічних прийомів зменшення ефекту поздовжнього пермешіванія є секціонування реакційного обсягу. в результаті чого пермешіваніе набуває локальний характер і по довжині апарату зберігається гідродинамічний режим, близький до режиму повного витіснення.
До апаратів з проміжним гідродинамічним режимом ставляться більшість ферментеров колонного типу.
Реактор, як апарат, в якому протікає основний процес біотехнології - створення нової продукту в результаті складної взаємодії вихідних речовин, повинен працювати ефективно, тобто забезпечувати необхідну глибину і вибірковість біохімічного перетворення. Отже, біохімічний реактор повинен задовольняти ряду різних вимог: мати необхідний реакційний обсяг, забезпечувати певний гідродинамічний режим руху реагентів, створювати необхідну поверхню контакту взаємодіючих фаз, підтримувати необхідний теплообмін в процесі, режим аерації і т.д.
У промислових умовах найважливіше значення набуває не тільки швидкість біохімічного перетворення речовини, але і продуктивність апаратури, тому вибір типу і конструкції обладнання є одним з головних і отвествтвенних етапів реалізації хіміко-технологічного процесу.
44. Апарати, в яких здійснюються абсорбційні процеси, називають абсорбера. Як і інші процеси масопередачі, абсорбція протікає на кордоні розділу фаз. Тому абсорбери повинні мати розвинену поверхню зіткнення між рідиною і газом. За способом утворення цієї поверхні абсорбери можна умовно розділити на наступні групи: поверхневі іпленочние, насадок, барботажні (тарілчасті), розпилюючі.
Поверхневі і плівкові абсорбери
В абсорбера цього типу поверхнею зіткнення фаз є дзеркало нерухомою або повільно рухається рідини, або ж поверхню поточної рідкої плівки.
Поверхневі абсорбери. Ці абсорбери використовують для поглинання добре розчинних газів (наприклад, для поглинання хлористого водню водою). У зазначених апаратах газ проходить над поверхнею нерухомої або повільно рухається рідини (ріс.XI-6). Так як поверхня дотику в таких абсорбера мала, то встановлюють кілька послідовно з'єднаних апаратів, в яких газ і рідина рухаються протитечією один до одного. Для того щоб рідина перемішувалася по абсорберам самопливом, кожний наступний по ходу рідини апарат розташовують трохи нижче попереднього. Для відводу тепла, що виділяється при абсорбції, в апаратах встановлюють змійовики, що охолоджуються водою або іншим охолоджуючим агентом, або поміщають абсорбери в посудину з проточною водою.
Більш досконалим апаратом такого типу є абсорбер. що складається з ряду горизонтальних труб, зрошуваних зовні водою. Необхідний рівень рідини в кожному елементі 1 такого апарату підтримується за допомогою порога 2.
Пластинчастий абсорбер складається з двох систем каналів: по каналах 1 великого перерізу рухаються протитечією газ і абсорбент, по каналах 2 меншого перетину - охолоджуючий агент (як правило, вода). Пластинчасті абсорбери зазвичай виготовляють з графіту, так як він є хімічно стійким, добре проводять тепло.
Поверхневі абсорбери мають обмежене застосування внаслідок їх малої ефективності і громіздкість.
Плівкові абсорбери. Ці апарати більш ефективні і компактні, ніж поверхневі абсорбери. У плівкових абсорбера поверхнею контакту фаз є поверхня поточної плівки рідини. Розрізняють такі різновиди апаратів даного типу: 1) трубчасті абсорбери; 2) абсорбери з плоско-паралельної або листової насадкою; 3) абсорбери з висхідним рухом плівки рідини.
Трубчастий абсорбер подібний по влаштуванню з вертикальним кожухотрубчасті теплообмінник. Абсорбент надходить на верхню трубну грати 1, розподіляється по трубах 2 і стікає по їх внутрішньої поверхні у вигляді тонкої плівки. В апаратах з великим числом труб для більш рівномірної подачі і розподілу рідини по трубах використовують спеціальні розподільні пристрої. Газ рухається по трубах від низу до верху назустріч стікає рідкої плівки. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному просторі пропускають воду або інший охолоджувальний агент.
Абсорбер з плоскопараллельной насадкою. Цей апарат являє собою колону з листової насадкою 1 у вигляді вертикальних листів з різного матеріалу (метал, пластичні маси і ін.) Або туго натягнутих полотнищ з тканини. У верхній частині абсорбера знаходяться розподільні пристрої 2 для рівномірного змочування листової насадки з обох сторін.
Абсорбер з висхідним рухом плівки складається з труб 1, закріплених в трубних решітках 2. Газ з камери 3 проходить через патрубки 4, розташовані співвісно з трубами 1. Абсорбент надходить в труби через щілини 5. Рухомий з досить великою швидкістю газ захоплює рідку плівку в напрямку свого руху (від низу до верху), тобто апарат працює в режимі висхідного прямотока. На виході з труб 1 рідина зливається на верхню трубну грати і виводиться з абсорбера. Для відводу тепла абсорбції по міжтрубному просторі пропускають охолоджуючий агент. Для збільшення ступеня вилучення застосовують абсорбери такого типу, що складаються з двох або більше ступенів, кожна з яких працює за принципом прямотока, в той час як в апараті в цілому газ і рідина рухаються протитечією один до одного. В апаратах з висхідним рухом плівки внаслідок великих швидкостей газового потоку (до 30-40 м / сек) досягаються високі значення коефіцієнтів масопередачі, але, разом з тим, гідравлічний опір цих апаратів відносно велике.
Широке поширення в промисловості в якості абсорберов отримали колони, заповнені насадкою - твердими тілами різної форми. У насадок колоні (рис.7) насадка 1 укладається на опорні решітки 2, що мають отвори або щілини для проходження газу і стоку рідини. Остання за допомогою розподільника 3 рівномірно зрошує насадок тіла і стікає вниз. По всій висоті шару насадки рівномірного розподілу рідини по перетину колони зазвичай не досягається, що пояснюється пристінковим ефектом - більшою щільністю укладання насадки в центральній частині колони, ніж у її стінок. Внаслідок цього рідина має тенденцію розтікатися від центральної частини колони до її стінок. Тому для поліпшення змочування насадки в колонах великого діаметра насадку іноді укладають шарами (секціями) висотою 2-3 м і під кожною секцією, крім нижньої, встановлюють перерозподілювачі рідини 4.
У насадок колоні рідина тече по елементу насадки головним чином у вигляді тонкої плівки, тому поверхнею контакту фаз є в основному змочена поверхня насадки, і насадок апарати можна розглядати як різновид плівкових. Однак в останніх плівкове протягом рідини відбувається по всій висоті апарату, а в насадок абсорбера - тільки по висоті елемента насадки. При перетікання рідини з одного елемента насадки на інший плівка рідини руйнується і на нижележащем елементі утворюється нова плівка. При цьому частина рідини проходить через розташовані нижче шари насадки у вигляді цівок, крапель і бризок. Частина поверхні насадки буває змочена нерухомою (застійної) рідиною.
Основними характеристиками насадки є її питома поверхня а (м 2 / м 3) і вільний обсяг e (м 3 / м 3). Величину вільного об'єму для непористої насадки зазвичай визначають шляхом заповнення насадки водою. Відношення обсягу води до об'єму, що займають насадкою, дає величину e. Еквівалентний діаметр насадки знаходиться за формулою
Гідродинамічні режими. Насадок абсорбери можуть працювати в різних гідродинамічних режимах.
Перший режим - плівковий - спостерігається при невеликих щільності зрошення і малих швидкостях газу. Обсяги затриманої в насадці рідини при цьому режимі практично не залежить від швидкості газу.
Другий режим - режим підвисання. При противотоке фаз внаслідок збільшення сил тертя газу про рідину на поверхні зіткнення фаз відбувається гальмування рідини газовим потоком. В результаті цього швидкість течії рідини зменшується, а товщина її плівки і кількість утримуваної в насадці рідини збільшуються. У режимі підвисання зі зростанням швидкості газу збільшується змочена поверхня насадки і відповідно - інтенсивність процесу массопередачи. У режимі підвисання спокійний плин плівки порушується: з'являються завихрення, бризки, тобто створюються умови переходу до барботажу. Все це сприяє збільшенню інтенсивності масообміну.
Третій режим - режим емульгування - виникає в результаті накопичення рідини у вільному обсязі насадки. Накопичення рідини відбувається до тих пір, поки сила тертя між стікає рідиною і піднімається по колоні газом не врівноважить силу тяжіння рідини, що знаходиться в насадці. При цьому настає звернення або інверсія фаз (рідина стає суцільною фазою, а газ - дисперсної). Утворюється газо-рідинна дисперсна система, за зовнішнім виглядом нагадує барботажний шар (піну) або газо-рідинну емульсію. Режим емульгування починається в найвужчому перерізі насадки, щільність засипки якої, як зазначалося, нерівномірна по перетину колони. Шляхом ретельного регулювання подачі газу режим емульгування може бути встановлений по всій висоті насадки. Гідравлічний опір колони при цьому різко зростає.
Режим емульгування відповідає максимальної ефективності насадок колон, перш за все за рахунок збільшення поверхні контакту фаз, яка в цьому випадку визначається не тільки (і не стільки) геометричній поверхнею насадки, а поверхнею пухирців і струменів газу в рідині, що заповнює весь вільний обсяг насадки. Однак при роботі колони в такому режимі її гідравлічний опір відносно велике.
У режимах підвисання і емульгування доцільно працювати, якщо підвищення гідравлічного опору не має істотного значення (наприклад, в процесах абсорбції, що проводяться при підвищених тисках). Для абсорберів, що працюють при атмосферному тиску, величина гідравлічного опору може виявитися неприпустимо великий, що викличе необхідність працювати в плівковому режимі. Тому найбільш ефективний гідродинамічний режим в кожному конкретному випадку можна встановити тільки шляхом техніко-економічного розрахунку.
У звичайних насадок колонах підтримання режиму емульгування представляє великі труднощі. Є спеціальна конструкція насадок колон з затопленої насадкою, званих емульгаціоннимі (ріс.XI-14). У колоні 1 режим емульгування встановлюють і підтримують за допомогою зливної труби, виконаної у вигляді гідравлічного затвора 2. Висоту емульсії в апараті регулюють за допомогою вентилів 3. Для більш рівномірного розподілу газу по перетину колони в ній є тарілка 4. Емульгаціонние колони можна розглядати як насадкові лише умовно. У цих колонах механізм взаємодії фаз наближається до барботажний.
Межею навантаження насадок абсорберів, що працюють в плівковому режимі, є точка емульгування, або інверсія. У звичайних насадок колонах плівковий режим нестійкий і відразу переходить в захлинання. Тому цю точку називають точкою захлебиванія насадок колон. Зі збільшенням швидкості зрошення знижується гранична швидкість газу. У точці інверсії швидкість газу зменшується також зі збільшенням в'язкості рідини і зниженням її щільності. При однакових витратах газу і рідини швидкість газу, відповідна точці інверсії, вище для більшої насадки.
Четвертий режим - режим виносу, або зверненого руху рідини, що виноситься з апарату газовим потоком. Цей режим на практиці не використовується.
45. Розглянемо принципи розрахунку рекуперативних теплообмінників, широко застосовуються в системах ОВТ.
Рівняння теплопередачі. в якому локальна різниця (t ж 1 -t ж 2) замінюється середньої для всієї поверхні теплообміну різницею температур (середнім температурним напором)? tср. є в цьому розрахунку основних: