BR112021000814B1 - Aparelho de casco e tubo de bolha - Google Patents

Abstract

"APARELHO DE CASCO E TUBO DE BOLHA". A presente invenção refere-se a equipamentos para processos gás-líquido. O aparelho de casco e tubo de bolha compreende pelo menos uma unidade de casco e tubo vertical formada como um alojamento com dispositivos de alimentação de reagente e dispositivos de retirada de produto de reação, alimentação de agente de transferência de calor e dispositivos de retirada e um primeiro grupo de tubos e um segundo grupo de tubos que são fixados em uma folha de tubo superior e uma folha de tubo inferior. Os tubos do primeiro grupo de tubos estendem-se além da folha de tubo inferior e os tubos do segundo grupo de tubos são dispostos de modo que suas extremidades sejam substancialmente niveladas com a folha de tubo inferior, os tubos do primeiro grupo de tubos sendo distribuídos substancialmente uniformemente sobre a folha de tubo. Ao implementar um método para a realização de reações químicas em um aparelho de casco e tubo de bolha de acordo com a invenção, os tubos do primeiro grupo de tubos atuam como tubos de circulação, enquanto os tubos do segundo grupo de tubos atuam como tubos de bolha (Figura 6).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a equipamentos de produção para processos gás-líquido e podem ser usados nas indústrias química, petroquímica e outras.

TÉCNICA ANTECEDENTE

[002] Para a maioria dos processos gás-líquido, um ou mais dos reagentes de partida está na fase gasosa, e para que uma reação ocorra, os reagentes devem ser convertidos na fase líquida ou no limite das duas fases, o que requer alta massa taxas de transferência. Além disso, os processos realizados nas fases líquida e gasosa são frequentemente acompanhados por uma alta liberação ou absorção de calor, o que requer uma troca de calor eficiente entre a mistura e o agente de transferência de calor.

[003] Também é de grande importância a uniformidade das condições de execução da transferência de calor e massa em todo o aparelho, uma vez que o aumento ou redução local da temperatura da mistura de reação ou da concentração de reagentes pode diminuir a seletividade e conversão do processo, e a taxa de reação. A uniformidade das condições de reação pode ser alcançada usando equipamento com distribuição uniforme de tubos por volume, isto é, com distribuição de tubos, que equaliza as velocidades do fluxo da fase líquida em todo o aparelho e elimina as zonas de estagnação.

[004] Um aparelho convencional de casco e tubo para realizar processos exotérmicos gás-líquido (reações) é divulgado em US 5,846,498 (publicação 12.08.1998). O aparelho compreende um tubo de aspiração oco nele disposto. O tubo acomoda um meio de impulsor para causar a recirculação do líquido para baixo através do tubo em uma câmara de mistura inferior. O fluxo de líquido é introduzido no aparelho através de uma linha de alimentação e o gás é introduzido acima do nível do líquido através da linha. O aparelho exibe transferência de calor melhorada, alta produtividade e seletividade devido ao uso de circulação forçada criada pelos meios de impulsor. No entanto, a fixação da estrutura de rotação rápida com um único ponto de ancoragem (apenas na posição para cima) é tecnicamente problemática, uma vez que ao girar o rotor pode desalinhar do eixo de rotação sob forças tangenciais. Portanto, vedações especiais serão necessárias para a operação do eixo do impulsor em altas pressões. Além disso, uma alta velocidade de líquido é necessária para criar o fluxo descendente de gás-líquido através do tubo central, o que causará perdas adicionais de energia na rotação do impulsor. O comprimento do aparelho será severamente limitado, mesmo com uma velocidade de rotação significativa do impulsor.

[005] RU2040940 (publ. 08.09.1995) divulga um aparelho para a realização de processos químicos gás-líquido e de transferência de calor e massa com um alto efeito térmico, o que pode reduzir a dispersão do tempo de residência (isto é, desvio do tempo de residência dos fluxos reais de um valor nominal) de um reagente líquido no aparelho, através do fornecimento de sua passagem múltipla pela área de trabalho. O aparelho compreende um feixe de tubos de bolha (através dos quais a mistura gás-líquido flui de baixo para cima) e tubos de circulação (através dos quais o líquido retorna (circula) para a parte inferior do aparelho), os tubos sendo fixados em folhas de tubo e acomodado em um alojamento vertical cilíndrico; uma câmara superior com placas verticais e uma câmara inferior com um dispositivo de distribuição de gás. O alojamento compreende bicos de alimentação e remoção do agente de transferência de calor, a câmara inferior tem um bocal de alimentação de gás e um bocal de drenagem. O aparelho é caracterizado pela existência de uma divisória vertical na câmara inferior e um dispositivo de distribuição de gás na forma de uma divisória horizontal com orifícios ao longo dos eixos dos tubos de bolha. Além disso, as partições são deslocadas em relação às placas na câmara superior para criar um canal de passagem múltipla para o fluxo de líquido do bocal de alimentação ao bocal de remoção. Os elementos acima reduzem a dispersão do tempo de residência de porções individuais de líquido. Variando o número e a disposição das placas na câmara superior e divisórias na câmara inferior, é possível criar aparelhos com um número desejado de passagens através do espaço do tubo, que pode variar de 2 a 6-10. No entanto, tal aparelho requer uma alta taxa de fluxo de gás para evitar a entrada de uma grande quantidade de líquido na câmara de gás inferior. Porém, mesmo operando com uma alta vazão de gás, a entrada de líquido na câmara inferior não pode ser totalmente evitada, o que pode levar à perda de reagentes. Consequentemente, o aparelho divulgado em RU2040940 inclui zonas inativas ocupadas por gás. Além disso, devido ao possível bloqueio dos orifícios, é indesejável o uso deste aparelho em processos que podem ser acompanhados por precipitação de precipitado sólido, compostos altamente moleculares e / ou altamente viscosos, incluindo resinas e polímeros, e em processos acompanhados por cristalização de um dos componentes da mistura de reação.

[006] Em aparelhos convencionais descritos abaixo, a distribuição uniforme de gás ao longo da seção transversal do aparelho (ou seja, a concentração de gás é a mesma em qualquer ponto do tubo na seção horizontal do aparelho) é alcançada devido ao fato de que as paredes dos tubos dispostas sob o a folha do tubo tem orifícios para a transição do gás que entra nos tubos da manta de gás formada sob a folha do tubo. No entanto, o uso de aparelhos com orifícios nas paredes dos tubos é problemático nos processos acompanhados pela formação de produtos de reação cristalizados e precipitados ou catalisador devido ao bloqueio dos orifícios e perturbação dos parâmetros hidrodinâmicos do aparelho. A probabilidade de formação de misturas de gás explosivas e vapores líquidos no espaço de gás abaixo da folha do tubo inferior também limita a aplicabilidade dos aparelhos.

[007] Um aparelho de elevação de gás divulgado em SU1212550 (publ. 02.23.1986) compreende um alojamento cilíndrico vertical que acomoda folhas de tubo superior e inferior para proteger um feixe vertical de tubos de circulação e de bolha. As extremidades superiores dos tubos de bolhas são dispostas mais altas do que as extremidades dos tubos de circulação. Para melhorar a produtividade aumentando a zona de reação do aparelho, a superfície de contato de fase e criando uma circulação estável, o aparelho compreende ainda uma folha de tubo suplementar montada acima da folha de tubo superior de modo que uma câmara de gás seja formada entre eles. As extremidades dos tubos de bolha estão dispostas na fase gasosa, enquanto as extremidades dos tubos de circulação estão dispostas na fase líquida, e orifícios são fornecidos nas seções de tubo de circulação dispostas na câmara de gás. O aparelho compreende uma câmara de separação com um eliminador de gotas e bocais de alimentação e remoção para fases e agente de transferência de calor. A estrutura de aparelho divulgada não exclui a entrada de líquido dos tubos de circulação na câmara de gás superior, o que pode prejudicar o seu funcionamento. Além disso, o fluxo de gás, proveniente da câmara de gás superior, em tubos de circulação pode ser dificultado ao se deslocar para a parte inferior do aparelho sob o efeito da fase líquida.

[008] Um aparelho divulgado em SU129643 (publ. 01.01.1960) é projetado como um alojamento vertical com um tubo de circulação central. Cada tubo do aparelho tem uma extremidade alongada que se estende através de uma folha de tubo inferior com orifícios. A seção inferior do tubo de circulação está abaixo dos cortes do tubo. Quando o gás é alimentado através de um tubo ramificado para o aparelho, o líquido que preenche a cavidade sob a folha do tubo é pressionado para baixo e uma manta de gás é formada sob a folha do tubo; o gás borbulha através dos orifícios de todos os tubos e, portanto, é uniformemente distribuído na seção do aparelho. Enquanto sobe pelos tubos, as bolhas de gás arrastam o líquido e criam sua circulação intensiva, o que melhora a transferência de calor. No entanto, o documento não divulga que o aparelho fornece uma troca de calor estável (isto é, gradiente de temperatura inalterado no aparelho no tempo) em todo o aparelho. Uma vez que o fluxo de gás-líquido nos tubos de bolhas deste aparelho, que são diretamente adjacentes ao tubo de circulação central, terá uma velocidade mais alta do que nos outros tubos, diferentes condições de transferência de calor e massa serão observadas em diferentes partes do aparelho, e como resultado, seletividade de reação reduzida. Os processos que ocorrem no aparelho não serão estáveis mesmo com o aumento do número de tubos de circulação, uma vez que os tubos de circulação e de bolha se estendem além da folha do tubo, causando, assim, o acúmulo de fase gasosa na parte inferior do aparelho.

[009] Outro aparelho de elevação de gás convencional de casco e tubo, divulgado em SU199087 (publ. 01.01.1967), compreende: uma câmara superior e uma câmara inferior com camisas, folhas de tubo e tubos de circulação que passam por eles, e tubos de bolha, cujas extremidades em a câmara superior está disposta em diferentes níveis, um bico de alimentação de fase líquida e um bico de alimentação de fase gasosa. Durante a alimentação do gás, uma camada de gás se forma sob a folha do tubo, a partir da qual o gás entra nos tubos de bolha através de orifícios. Devido à diferença de densidades da fase líquida nos tubos de circulação e da mistura gás-líquido nos tubos de bolha, ocorre uma circulação de fase intensiva: a mistura gás-líquido move-se para cima através dos tubos de bolha e a fase líquida move-se para baixo através da circulação tubos. Devido à disposição das extremidades dos tubos em diferentes níveis, na câmara superior a fase líquida é estratificada em função da gravidade específica dos componentes. No entanto, SU199087 é silencioso sobre a estabilidade da circulação do fluxo. O efeito da quantidade de extensões de tubo acima da folha de tubo superior do aparelho na circulação de líquido não é suportado por exemplos específicos na descrição desta patente. Além disso, misturas de gases explosivos podem se formar neste espaço.

[0010] Portanto, nenhum aparelho é conhecido atualmente na técnica, o que permitiria a realização de processos gás-líquido acompanhados por altos efeitos térmicos, formação de precipitados cristalinos, compostos altamente moleculares e / ou altamente viscosos, ou acompanhados pela formação de gases explosivos, com alta eficiência, em particular, com alta seletividade e altos rendimentos do produto desejado, onde o processo é uma reação química.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0011] O objetivo da presente invenção é fornecer um aparelho de elevação a gás de casco e tubo de bolha para realizar processos gás- líquido, exibindo calor e transferência de massa estáveis e uniformes em todo o aparelho e desempenho estável.

[0012] Um efeito técnico da invenção é o fornecimento de um aparelho de elevação a gás de casco e tubo de bolha que reduz o tempo de dispersão do líquido na zona de reação, melhora a eficiência hidrodinâmica e também aumenta a seletividade dos processos realizados nos aparelhos (incluindo reações químicas).

[0013] Um outro efeito técnico da invenção é o fornecimento de um aparelho de elevação a gás de casco e tubo de bolha permitindo processos com efeitos térmicos significativos, bem como processos acompanhados pela formação de precipitado sólido, compostos de alto peso molecular e / ou altamente viscosos, incluindo resinas e polímeros, e também processos acompanhados pela cristalização de um dos componentes da mistura de reação.

[0014] Um outro efeito técnico da invenção é a probabilidade reduzida de formação de misturas explosivas de gás e vapores líquidos devido ao reduzido volume do espaço de gás no aparelho, que não reage com a fase líquida.

[0015] Além disso, o presente aparelho está livre de zonas inativas ocupadas por gás.

[0016] Além disso, a produtividade do aparelho é aumentada devido ao aumento da eficiência volumétrica do aparelho e aumento da zona de reação.

[0017] No contexto da presente invenção, a estabilidade da transferência de calor e massa no aparelho deve ser interpretada como a constância das características (composição, temperatura, taxa de fluxo, etc.) em cada ponto de fluxo ao longo do tempo.

[0018] O desempenho estável do aparelho deve ser interpretado como o modo de operação, cujas características retornam ao estado inicial após a eliminação de uma perturbação.

[0019] Além disso, a dispersão do tempo de residência do líquido na zona de reação deve ser interpretada como o desvio do tempo de residência dos fluxos reais de um valor nominal e a eficiência hidrodinâmica deve ser interpretada como características aproximadas do aparelho real para um aparelho de fluxo em pistão.

[0020] No contexto da presente invenção, o termo "substancialmente" significa um desvio dentro de uma faixa de erro permissível para um valor particular determinado por um especialista na técnica.

[0021] O objetivo e os efeitos técnicos são alcançados usando um aparelho, que compreende uma ou mais unidades verticais de casco e tubo formadas como um alojamento com dispositivos de alimentação de reagentes e dispositivos de retirada de produto de reação, alimentação de agente de transferência de calor e dispositivos de retirada; dois grupos de tubos fixados por folhas de tubos nas partes superior e inferior do alojamento, um grupo de tubos se estendendo além da folha de tubos inferior e o segundo grupo de tubos tendo extremidades de tubos substancialmente niveladas com a folha de tubos inferior, os tubos do primeiro grupo de tubos sendo distribuído de maneira substancialmente uniforme sobre a folha do tubo.

[0022] Os inventores descobriram inesperadamente que a estrutura inventiva e a disposição do primeiro e do segundo grupo de tubos mantêm uma direção de fluxo constante nos tubos, o que fornece calor estável e uniforme e transferência de massa em todo o aparelho e desempenho estável do aparelho, garantindo assim os efeitos técnicos.

[0023] Uma descrição detalhada de vários aspectos e modalidades da presente invenção seguirá abaixo.

[0024] Os tubos do primeiro grupo de tubos estendem-se por 10 150 mm, de preferência 50-100 mm, para além de uma folha de tubo inferior. Se o comprimento de extensão dos tubos do primeiro grupo de tubos em relação à folha inferior do tubo for inferior a 10 mm, a probabilidade de deslizamento do gás através do circuito de circulação aumenta, o que perturba a hidrodinâmica e, como consequência, a transferência de calor e massa no aparelho. A extensão dos tubos do primeiro grupo de tubos em mais de 150 mm em relação à folha inferior do tubo não é aconselhável, uma vez que isso pode aumentar as dimensões geométricas do aparelho e, consequentemente, seu conteúdo de metal sem melhorar a eficiência do aparelho. As partes estendidas dos tubos do primeiro grupo podem ter comprimentos iguais ou diferentes. O mesmo comprimento das partes estendidas dos tubos do primeiro grupo de tubos não é um pré-requisito para a operação do aparelho. A condição determinante é o comprimento de mais de 10 mm, suficiente para evitar a entrada de gás.

[0025] Os diâmetros dos tubos do primeiro e do segundo grupo de tubos podem ser iguais ou diferentes, no entanto, para aumentar a zona de contato gás / líquido, é preferível usar os tubos do segundo grupo de tubos de diâmetro maior do que os tubos do primeiro grupo de tubos.

[0026] O requisito obrigatório para a operação do aparelho é a distribuição uniforme dos tubos do primeiro grupo de tubos em todo o aparelho, isto é, a distribuição dos tubos, que equaliza as velocidades da fase líquida em todo o aparelho e elimina as zonas de estagnação.

[0027] A proporção do número de tubos do primeiro e do segundo grupo de tubos é de 1: 1,25 a 1: 5. De preferência, pelo menos um dos tubos do primeiro grupo de tubos é adjacente a cada um dos tubos do segundo grupo de tubos na seção horizontal da unidade. Mais preferencialmente, cada um dos tubos do primeiro grupo de tubos é circundado no perímetro pelos tubos do segundo grupo de tubos na seção horizontal da unidade. Esta disposição dos tubos é obtida em uma proporção de cerca de 1: 2.

[0028] Em uma modalidade, os tubos do primeiro grupo de tubos são os tubos de circulação e os tubos do segundo grupo de tubos são tubos de bolha.

[0029] As dimensões globais do dispositivo, o número de unidades de casco e tubo, o número de tubos na unidade e o número total de tubos no aparelho são selecionados com base nos requisitos da aplicação específica do dispositivo.

[0030] Os dispositivos de alimentação de reagentes incluem um dispositivo de alimentação de fase líquida e um dispositivo de alimentação de fase gasosa, e os dispositivos de retirada de produto de reação incluem um dispositivo de retirada de fase líquida e um dispositivo de retirada de fase gasosa.

[0031] O aparelho pode ser empregado como um reator para realizar várias reações de fase líquida, por exemplo, oxidação de hidrocarbonetos, oligomerização de olefinas, síntese de ácidos carboxílicos, cloração de etileno, hidroformilação e como um aparelho para processos microbiológicos, etc.

[0032] Um método para realizar reações químicas em um aparelho de casco e tubo de bolha de acordo com a invenção compreende: - alimentar uma fase líquida para preencher todo o volume livre na parte tubular do aparelho; - alimentar uma fase de gás para a parte inferior do aparelho para fazer com que o gás suba para a folha de tubo inferior e entre nos tubos do segundo grupo de tubos de modo que os tubos do segundo grupo de tubos funcionem como tubos de bolha; - fornecer movimento de líquido sob o efeito do gás para cima através dos tubos de bolha; - ao alcançar a parte superior do aparelho, a mistura gás- líquido se separa; - retirar a fase gasosa do aparelho; - retirar uma porção menor da fase líquida, enquanto uma porção maior da fase líquida começa a se mover sob a gravidade para baixo através dos tubos do primeiro grupo de tubos que atuam como tubos de circulação.

[0033] Outras características e vantagens da presente invenção serão mais evidentes de acordo com as modalidades preferidas da presente invenção, que são descritas em mais detalhes com referência aos desenhos anexos. As modalidades são fornecidas para descrever a presente invenção apenas como um exemplo e, portanto, não devem ser interpretadas como limitando o escopo técnico da presente invenção.

Breve descrição dos desenhos

[0034] A Figura 1 ilustra um aparelho para realizar reações exotérmicas gás-líquido de acordo com US 5.846.498.

[0035] A Figura 2 ilustra um aparelho para realizar processos químicos gás-líquido e de troca de calor e massa de acordo com RU2040940.

[0036] A Figura 3 ilustra um aparelho de elevação de gás de acordo com SU1212550.

[0037] A Figura 4 ilustra um aparelho de acordo com SU129643.

[0038] A Figura 5 ilustra um aparelho de acordo com SU199087.

[0039] A Figura 6 ilustra esquematicamente a estrutura de um aparelho de acordo com a presente invenção.

[0040] A Figura 7 ilustra esquematicamente o arranjo de tubos no aparelho de acordo com o Exemplo Comparativo 2.

[0041] A Figura 8 ilustra esquematicamente o arranjo de tubos no aparelho de acordo com o Exemplo Comparativo 3.

[0042] A Figura 9 ilustra esquematicamente o arranjo de tubos no aparelho de acordo com o Exemplo 4.

[0043] A Figura 10 ilustra esquematicamente o arranjo de tubos no aparelho de acordo com o Exemplo 5.

[0044] A Figura 11 ilustra uma unidade do aparelho de acordo com a invenção.

[0045] A Figura 12 ilustra um aparelho de vidro com tubos do mesmo comprimento de acordo com o Exemplo Comparativo 6.

Modalidade da invenção

[0046] Um aparelho de acordo com a invenção, mostrado esquematicamente na Figura 6, compreende uma única unidade vertical de casco e tubo 1 com tubos de circulação 3 e tubos de bolha 4 fixados em uma folha de tubo 2. A parte inferior do aparelho compreende um dispositivo de alimentação de líquido 5 e um dispositivo de alimentação de gás 6. A parte superior do aparelho compreende um dispositivo de retirada de fase gasosa 7 e um dispositivo de retirada de fase líquida 8. O espaço intertubular do aparelho compreende bocais de circulação de agente de transferência de calor 9 e 10. Dispositivo de alimentação e retirada refere-se daqui em diante a qualquer meios convencionais para alimentação e retirada de fluxo, por exemplo, um bocal, um injetor, etc.

[0047] O processo é realizado no aparelho inventivo da seguinte maneira: 1. A fase líquida é alimentada através do dispositivo de alimentação de líquido 5 para preencher completamente todo o volume livre na parte tubular do aparelho; 2. A fase gasosa é então alimentada através do dispositivo de alimentação de gás 6 para a parte inferior do aparelho; 3. O gás sobe pela folha de tubo 2 e, em seguida, entra nos tubos de bolha 3; 4. O líquido começa a subir pelos tubos de bolhas sob o efeito do gás; 5. Tendo alcançado a parte superior do aparelho, a mistura gás-líquido é separada; 6. A fase de gás é retirada do aparelho através do dispositivo de retirada de gás 7; 7. A porção menor da fase líquida é retirada através do dispositivo de retirada de líquido 8 e a porção maior da fase líquida começa a se mover para baixo sob a gravidade através dos tubos de circulação 3. A distribuição uniforme dos tubos de circulação garante a velocidade igual do líquido através de todos os tubos de bolhas e, como consequência, condições iguais para os processos de transferência de calor e massa em todo o aparelho. Para garantir a transferência de calor no espaço intertubular do aparelho, um agente de transferência de calor é circulado através dos bocais 9 e 10.

Exemplos Exemplo Comparativo 1. Uso de um aparelho que compreende tubos do mesmo comprimento.

[0048] Os testes foram realizados em um aparelho de aço compreendendo uma unidade de casco e tubo vertical de 80 mm de diâmetro e 19 tubos de 725 mm de comprimento e 13x1,4 mm de diâmetro, fixados em uma folha de tubo. A parte inferior do aparelho compreende um bocal de alimentação de líquido e gás. A parte superior do aparelho compreende bocais de retirada de fase gasosa e líquida. O espaço intertubular do aparelho compreende bocais de circulação do agente de transferência de calor (ver Figura 2).

[0049] Os testes foram realizados à pressão atmosférica. O ciclo- hexano foi usado como a fase líquida, e o nitrogênio foi usado como a fase gasosa. O número de tubos no modo de borbulhamento foi determinado visualmente a cada minuto pelas bolhas de gás emergentes. Em seguida, os resultados foram calculados ao longo do intervalo de tempo de 30 minutos, e uma conclusão foi feita quanto ao modo e atividade de cada tubo.

[0050] Sem extensão de tubos, uma alternância caótica de circulação e tubos de bolha foi observada. Além disso, em operação, o tubo de circulação pode começar a borbulhar e vice-versa. Além disso, o número de tubos de bolhas era diferente em momentos diferentes. Tudo isso indica a instabilidade do regime de fluxo da mistura gás- líquido ao longo do tempo. Isso leva a saltos locais na concentração do gás dissolvido e na temperatura, que também foram observados visualmente. Note-se que este aparelho compreende cerca de 60% de tubos, através dos quais não passa gás, o que significa que não ocorre movimento de líquido na parte dos tubos e se formam zonas de estagnação.

[0051] Exemplo Comparativo 2. Uso de um aparelho que compreende um único tubo estendido.

[0052] Os testes foram realizados no aparelho descrito no Exemplo 1, com a diferença de que o tubo disposto no centro do aparelho se estende 50 mm abaixo da folha do tubo (ver Figura 7).

[0053] A extensão de um tubo central define estritamente que esse tubo é o tubo de circulação. No entanto, a capacidade de vazão do tubo é insuficiente para fornecer uma circulação estável de líquido em toda a unidade do aparelho. Além disso, parte dos tubos de bolhas entram em regime de circulação caótica de líquido, ou seja, funcionam alternadamente como tubos circulantes ou de bolhas, o que leva, como no Exemplo 1, a saltos locais na concentração do gás dissolvido e na temperatura.

[0054] Exemplo Comparativo 3. Uso de um aparelho que compreende três tubos estendidos.

[0055] Os testes foram realizados no aparelho descrito no Exemplo 2, com a diferença de que três tubos, dispostos a seguir por um ao redor de um tubo central, se estendem 50 mm para baixo além da folha do tubo (ver Figura 8).

[0056] O número aumentado de tubos de circulação para três e sua distribuição pelo aparelho estabilizou significativamente o fluxo. Todos os tubos de bolhas funcionaram apenas como tubos de bolhas. No entanto, a taxa de vazão de gás e, portanto, líquido, nos tubos de bolha era significativamente diferente, o que levou à desestabilização das condições de transferência de calor e massa no espaço do tubo do aparelho.

[0057] Exemplo 4. Uso de um aparelho que compreende três tubos de circulação dispostos próximos a um tubo central, com três tubos de fileira externa plugados.

[0058] Os testes foram realizados no aparelho descrito no Exemplo 1, com a diferença de que três tubos, dispostos a seguir por um ao redor do tubo central, se estendem 50 mm além da folha do tubo, e três tubos da fileira externa são plugados (ver Figura 9).

[0059] Esta distribuição de tubos de circulação garante um desempenho estável da unidade com uma velocidade média de circulação de líquido em todo o aparelho (ou seja, a velocidade média de circulação de líquido é substancialmente estável ao longo do tempo em todo o aparelho). Isso resulta em condições uniformes de transferência de calor e massa em todo o aparelho.

[0060] Exemplo 5. Uso de um aparelho que compreende três tubos de circulação dispostos perto de um tubo central e três tubos de circulação da fileira externa.

[0061] Os testes foram realizados no aparelho descrito no Exemplo 1, com a diferença de que três tubos, dispostos um ao lado do outro em torno do tubo central, se estendem 50 mm além de uma folha de tubo (ver Figura 9).

[0062] O número elevado de tubos de circulação para seis leva a um aumento significativo na taxa de circulação do líquido. Além disso, a estrutura do fluxo é estável, ou seja, a composição, as velocidades locais e as características físicas do meio em cada ponto do fluxo na zona de trabalho do aparelho permanecem substancialmente constantes ao longo do tempo. Isso resulta em condições uniformes de transferência de calor e massa em todo o aparelho. Em comparação com o Exemplo 4, as velocidades da fase líquida aumentam, aumentando assim a eficiência da remoção de calor da superfície do aparelho.

[0063] Exemplo Comparativo 6. Testes de transferência de massa em um aparelho de vidro que compreende tubos do mesmo comprimento.

[0064] Os testes foram realizados em aparelho de vidro com volume de 2 litros, constituído por uma unidade vertical com duas folhas tubulares metálicas de 100 mm de diâmetro com 19 tubos de vidro de 800 mm de comprimento e 10x1,5 mm de diâmetro, fixadas nas folhas tubulares. Todos os tubos se estendiam além da folha do tubo. A parte inferior do aparelho compreende bocais de alimentação de líquido e gás. A parte superior do aparelho compreende bocais de retirada de fase gasosa e líquida (ver Figura 2).

[0065] Os testes foram realizados à pressão atmosférica. Solução aquosa de NaOH foi usada como fase líquida e dióxido de carbono foi usado como fase gasosa. A velocidade do líquido foi ajustada por uma bomba, a concentração do líquido na saída foi medida com um medidor de pH. O gás foi alimentado de um cilindro através de um medidor de fluxo.

[0066] A reação de neutralização prossegue com uma alta taxa, respectivamente, o fator limitante do processo é a transição do dióxido de carbono para o líquido. Por meio do exemplo da reação de neutralização do ácido carbônico com um álcali forte, é possível estimar a eficácia da transferência de massa entre as fases gasosa e líquida no aparelho.

[0067] Os testes foram realizados da seguinte maneira: o aparelho foi completamente preenchido com líquido por meio de uma bomba. Em seguida, foi estabelecida uma taxa de fluxo constante necessária (200 ml / min) de fase líquida e a injeção de gás foi iniciada (500 ml / min). Os valores de pH foram detectados a cada 2 minutos. O estabelecimento da operação em estado estacionário foi fixado no tempo em que nenhuma variação do valor de pH ocorreu na saída do aparelho em 10 minutos.

[0068] Com os parâmetros acima, o tempo para operação em estado estacionário foi de 40 minutos, com valor de pH estacionário = 10,2. Além disso, o movimento caótico do fluxo de duas fases foi observado como no Exemplo 1.

[0069] Exemplo 7. Testes de transferência de massa em um aparelho de vidro compreendendo três tubos de circulação dispostos próximo a um tubo central e três tubos de circulação da fileira externa.

[0070] Os testes foram realizados em aparelho de vidro com volume de 2 litros, composto por uma unidade vertical com duas folhas de tubos metálicos de 100 mm de diâmetro e 19 tubos de vidro de 800 mm de comprimento e 10x1,5 mm de diâmetro, fixados nas folhas de tubos. Parte dos tubos estendia-se para além da folha de tubo inferior como no Exemplo 5. A parte inferior do aparelho compreendia um bico de alimentação de líquido e gás. A parte superior do aparelho compreendia bocais de retirada de fase gasosa e líquida (ver Figura 9).

[0071] Os testes foram realizados à pressão atmosférica. Solução aquosa de NaOH foi usada como fase líquida e dióxido de carbono foi usado como fase gasosa. A velocidade do líquido foi regulada por uma bomba, a concentração do líquido na saída foi medida com um medidor de pH. O gás foi alimentado de um cilindro através de um medidor de fluxo.

[0072] Os testes foram realizados da seguinte maneira: o aparelho foi completamente preenchido com líquido por meio de uma bomba. A taxa de fluxo constante necessária (200 ml / min) da fase líquida foi então ajustada e a injeção de gás (500 ml / min) foi iniciada. Os valores de pH foram detectados a cada 2 minutos. O estabelecimento da condição de estado estacionário foi fixado no tempo em que nenhuma variação no valor de pH ocorreu na saída do aparelho em 10 minutos.

[0073] Com os parâmetros acima, o tempo para a operação em estado estacionário foi de 30 minutos, com valor de pH estacionário = 9,4.

[0074] Como pode ser visto nos Exemplos 6 e 7, os processos de transferência de massa são mais eficientes no aparelho inventivo porque o valor de pH estacionário é mais baixo. A diminuição do pH indica que os processos de troca de massa (reações) ocorrem no sistema gás-líquido de forma mais rápida e completa. Além disso, o tempo para alcançar o equilíbrio é reduzido em 25%, o que indica que não existem zonas de estagnação que possam causar saltos perceptíveis na concentração da fase líquida, e que o aparelho compreende um campo de velocidade uniforme, permitindo a transferência efetiva de massa na fase líquida.

[0075] Exemplo Comparativo 8. Uso de um aparelho que compreende tubos do mesmo comprimento que um reator para trimerização de etileno.

[0076] Os ensaios foram realizados em um reator de aço composto por uma unidade vertical de tubo e casca de 80 mm de diâmetro, com 19 tubos de 725 mm de comprimento e 13x1,4 mm de diâmetro, fixados em uma folha tubular. A parte inferior do reator compreende um bocal de alimentação de líquido e gás. A parte superior do reator compreende bocais de retirada de fase gasosa e líquida. O espaço intertubular do reator compreende bocais de circulação do agente de transferência de calor (ver Figura 2).

[0077] A reação de trimerização do etileno foi realizada sob uma pressão de 14 bar. Ciclo-hexano com a adição de um complexo catalítico homogêneo foi usado como fase líquida, e etileno foi usado como fase gasosa. A concentração do produto da reação, hexeno-1, e subprodutos foi medida por amostragem periódica na saída do reator. A cromatografia gasosa foi utilizada como método de controle analítico.

[0078] A concentração de hexeno-1 na saída do reator variou na faixa de 6-7% em peso com uma seletividade de 96-97%.

[0079] Exemplo 9. Uso de um aparelho que compreende três tubos de circulação dispostos próximos a um tubo central e três tubos de circulação da fileira externa como um reator para trimerização de etileno.

[0080] Os testes foram realizados no aparelho descrito no Exemplo 8, com a diferença de que três tubos dispostos a seguir a um em torno do tubo central se estendiam 50 mm além da folha do tubo (ver Exemplo 5).

[0081] A concentração de hexeno-1 na saída do reator variou, como no Exemplo 8, dentro do intervalo de 6-7% em peso com uma seletividade de 96-97%.

[0082] A diferença entre os testes nos Exemplos 8 e 9 é quase imperceptível devido à capacidade relativamente pequena do tubo do reator, que foi cerca de 60% do volume total da reação nos testes.

Claims (20)

1. Aparelho de casco e tubo de bolha, compreendendo pelo menos uma unidade de casco e tubo vertical (1) formada como um alojamento com dispositivos de alimentação de reagente (5, 6) e dispositivos de retirada de produto de reação (7, 8), dispositivos de alimentação e retirada de agente de transferência de calor (9, 10) e um primeiro grupo de tubos (3) e um segundo grupo de tubos (4) que são fixados em uma folha de tubo superior e um folha de tubo inferior (2), caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos se estenderem além da folha de tubo inferior e os tubos do segundo grupo de tubos serem dispostos de modo que suas extremidades substancialmente niveladas com a folha de tubo inferior, os tubos do primeiro grupo de tubos sendo distribuídos substancialmente uniformemente sobre a folha de tubo inferior; em que na seção horizontal da unidade, os tubos do primeiro grupo de tubos são dispostos simetricamente em relação a duas linhas que passam através de um centro da folha do tubo inferior e são perpendiculares entre si.

2. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma única unidade de casco e tubo.

3. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende mais do que uma unidade de casco e tubo.

4. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos se estendem 10-150 mm além da folha do tubo inferior.

5. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos se estendem 50-100 mm além da folha do tubo inferior.

6. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a proporção entre o número dos tubos do primeiro grupo de tubos e os tubos do segundo grupo de tubos é de 1:1.25 a 1:5.

7. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na seção horizontal da unidade, cada um dos tubos do primeiro grupo de tubos é circundado no perímetro pelos tubos do segundo grupo de tubos.

8. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na seção horizontal da unidade, pelo menos um tubo do primeiro grupo de tubos é adjacente a cada tubo do segundo grupo de tubos.

9. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos têm comprimentos iguais ou diferentes.

10. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos e os tubos do segundo grupo de tubos têm o mesmo diâmetro.

11. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro dos tubos do primeiro grupo de tubos é maior do que o diâmetro dos tubos do segundo grupo de tubos.

12. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro dos tubos do segundo grupo de tubos é maior do que o diâmetro dos tubos do primeiro grupo de tubos.

13. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um reator de casco e tubo de bolha.

14. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos são tubos de circulação e os tubos do segundo grupo de tubos são tubos de bolha.

15. Aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de alimentação de reagentes incluem um dispositivo de alimentação de fase líquida e um dispositivo de alimentação de fase gasosa, e os dispositivos de retirada de produto de reação incluem um dispositivo de retirada de fase líquida e um dispositivo de retirada de fase gasosa.

16. Método para realizar reações químicas em um aparelho de casco e tubo de bolha, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende: alimentar uma fase líquida para preencher todo o volume livre na parte tubular do aparelho; alimentar uma fase gasosa para a parte inferior do aparelho para fazer com que o gás suba para a folha de tubo inferior e entre nos tubos do segundo grupo de tubos de modo que os tubos do segundo grupo de tubos atuem como tubos de bolha; fornecer movimento de líquido sob o efeito do gás para cima através dos tubos de bolha; ao alcançar a parte superior do aparelho, a mistura gás- líquido separa; retirar a fase gasosa do aparelho; retirando uma porção menor da fase líquida, enquanto uma porção maior da fase líquida começa a se mover sob a gravidade para baixo através dos tubos do primeiro grupo de tubos que atuam como tubos de circulação.

17. Uso de um aparelho de casco e tubo de bolha, como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é realizar as reações químicas.

18. Uso, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a reação química é reação de oligomerização de etileno.

19. Uso, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos atuam como tubos de circulação e os tubos do segundo grupo de tubos atuam como tubos de bolhas.

20. Uso, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos atuam como tubos de circulação e os tubos do segundo grupo de tubos atuam como tubos de bolhas.