Реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости

 

Содержимое реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости представляет собой трехфазную систему, состоящую из неподвижного слоя нерастворимого катализатора, а также подвижных газовой и жидкой фаз. Поступающие в реактор жидкая и газовая фазы содержат по одному или несколько реагентов, поэтому скорость биохимической реакции зависит от характеристик контакта между жидкостью, в которую переносится ограниченно растворимый реагент из газовой фазы, и поверхностью катализатора. Отсюда следует, что на работу таких реакторов в существенной степени влияет физическое состояние газожидкостного потока, проходящего через неподвижный слой катализатора, и связанные с этим процессы массопереноса.

К числу важных характеристик таких реакторов и содержащихся в них систем относятся площадь поверхности катализатора, эффективность смачивания катализатора подвижной жидкой фазой, структура течений газожидкостной смеси, массопереноса ограниченно растворимых реагентов из газовой в жидкую фазу, массопереноса реагентов к поверхности катализатора, а в случае пористого или проницаемого катализатора—диффузия реагентов к каталитическим центрам, находящимся внутри частиц катализатора.

Одной из первых областей применения биореакторов с насадкой и струйным течением жидкости, сохраняющей свое значение и в настоящее время, является обработка сточных вод с помощью биологических капельных фильтров, описанных детальнее в гл. 14: вращающееся распределительное устройство разбрызгивает поток жидких отходов по кольцевому слою гравия, на котором находится пленка микроорганизмов. Жидкость стекает через неподвижный слой в почти ламинарном режиме, а воздух поднимается через слой катализатора благодаря естественной конвекции за счет выделяющейся в микробиологическом процессе теплоты. Аналогичный принцип лежит в основе традиционного способа производства винного уксуса (биологического окисления этанола до уксусной кислоты), где применяются прямоугольные колонны с насадкой из древесной щепы. Для ламинарного течения жидкой фазы и упрощенной геометрии слоя, например для плоского слоя, можно создать детальную математическую модель, описывающую характеристики потоков и процессов переноса, и решить соответствующие уравнения. Детальнее ознакомиться с этой проблемой можно в монографии Аткинсона [5].

В промышленности встречаются и другие конструкции реакторов со струйным течением жидкости и неподвижным слоем катализатора, в частности такие, в которых параллельные потоки газовой и жидкой фаз движутся сверху вниз или снизу вверх. Подобные реакторы уже давно применяются в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности для гидрокрекинга, гидроочистки и других многофазных процессов. При изучении режима работы таких реакторов и разработке соответствующих моделей необходимо помнить, что в зависимости от относительных скоростей газовых и жидкостных потоков (и в некоторой степени от других свойств газожидкостной системы) можно получить самые разные дисперсные системы, начиная от непрерывной жидкой фазы с диспергированными в ней газовыми пузырьками и кончая непрерывной газовой фазой с диспергированными каплями жидкости (туманом) (рис. 9.33). На этом рисунке выделена и зона нестабильности потока, когда через реактор попеременно проходят газ и жидкость в виде крупных газовых пузырей и жидких поршней соответственно. Участки графика, обозначенные как «пилотная установка» и «промышленная установка», заимствованы из опытных данных, полученных при изучении процессов переработки нефти. В некоторых режимах работы биореактора применяются низкие скорости потока воздуха. Так, в процессах биологической обработки отходов на капельных фильтрах аэрация осуществляется за счет естественной конвекции, обусловленной небольшой экзотермичностью происходящих реакций.

Конструкционно реакторы с неподвижным слоем катализатора и со струйным течением жидкости напоминают реакторы, рассматривавшиеся ранее в этом разделе. При математическом моделировании систему обычно условно рассматривают как твердую фазу, находящуюся в контакте с жидкой пленкой, которая в свою очередь контактирует с газовой фазой. В сущности такой подход к моделированию является расширенным вариантом уже упоминавшейся двухфазной модели барботажной колонны. Затем рассматриваются процессы переноса между фазами и в каждой из фаз, а также ограничения, налагаемые на скорость реакций диффузионными эффектами. Блестящим примером инженерного подхода к анализу биологических реакторов со струйным течением жидкости могут служить работы Бриффо и Энгассера, посвященные изучению превращения глюкозы в лимонную кислоту в биореакторе со струйным течением жидкости и с неподвижной пленкой катализатора [46].

РИС. 9.33. Различные состояния двухфазной дисперсной системы с параллельными потоками газовой и жидкой фаз в неподвижном слое катализатора. [Воспроизведено с разрешения из работы: van de Vusse J. G., Wesselingh J. A., Multiphase Reactors, p. 561 in Chemical Reaction Engineering: Survey Papers (4th International/6th European Symposium on Chemical Reaction Engineering), DECHEMA, Frankfurt, 1976.]

 

Таблица 9.11. Сравнение основных конструкционных и эксплуатационных характсрпстик различных реакторов для трехфазных систем (+ положительные характеристики, — отрицательные характеристики)^а

Как обычно, при выборе конкретной конструкции реактора приходится учитывать самые различные характеристики проектируемого процесса и эксплуатационные параметры. В табл. 9.11 суммированы преимущества и недостатки трех типов реакторов, применяемых для осуществления процессов в трехфазных системах: реакторов с неподвижным слоем катализатора и струйным течением жидкости, реакторов с перемешиваемой суспензией и реакторов с перемешиваемой суспензией и с барботажем (с псевдоожиженным слоем катализатора).