EA040074B1

EA040074B1 - BUBBLING SHELL AND TUBE DEVICE

Info

Publication number: EA040074B1
Application number: EA202190175
Authority: EA
Inventors: Олег Александрович Конков; Максим Владимирович Липских
Original assignee: Публичное акционерное общество "СИБУР Холдинг"
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2022-04-18

Description

Область техники, к которой относится настоящее изобретениеThe field of technology to which the present invention relates

Изобретение относится к области технологического оборудования для осуществления газожидкостных процессов и может быть использовано в химической, нефтехимической и других областях промышленности.The invention relates to the field of technological equipment for the implementation of gas-liquid processes and can be used in chemical, petrochemical and other industries.

Уровень техникиState of the art

Для большинства газожидкостных процессов один или несколько исходных реагентов находятся в газовой фазе, и для протекания реакции требуется их перевод в жидкую фазу либо на границу двух фаз, что требует высоких коэффициентов массообмена. Также процессы, проводимые в жидкой и газовой фазе, зачастую сопровождаются большим выделением или поглощением тепла, что требует обеспечения эффективного теплообмена между смесью и теплоносителем.For most gas-liquid processes, one or more initial reagents are in the gas phase, and for the reaction to proceed, they must be transferred to the liquid phase or to the boundary of two phases, which requires high mass transfer coefficients. Also, processes carried out in the liquid and gas phases are often accompanied by a large release or absorption of heat, which requires efficient heat exchange between the mixture and the coolant.

Кроме того, важное значение имеет равномерность условий протекания процесса тепло- и массообмена по всему объему аппарата, так как локальное завышение или занижение значений температуры реакционной смеси или концентрации реагентов может привести к снижению селективности и конверсии процесса, скорости протекания реакции. Такая равномерность условий протекания реакций может быть достигнута за счет использования оборудования с равномерным распределением трубок по объему, т.е. с распределением трубок, обеспечивающим выравнивание скоростей движения жидкой фазы по всему объему аппарата и устранение застойных зон.In addition, the uniformity of the conditions for the process of heat and mass transfer throughout the volume of the apparatus is important, since local overestimation or underestimation of the temperature of the reaction mixture or the concentration of reagents can lead to a decrease in the selectivity and conversion of the process, the reaction rate. Such uniformity of reaction conditions can be achieved by using equipment with a uniform distribution of tubes over the volume, i.e. with the distribution of tubes, ensuring the alignment of the velocities of the liquid phase throughout the volume of the apparatus and the elimination of stagnant zones.

Из уровня техники известен кожухотрубный аппарат, раскрытый в US 5846498 (опубл. 08.12.1998), для проведения экзотермических газожидкостных процессов (реакций). Согласно данному техническому решению аппарат включает расположенную в нем полую всасывающую трубу. Внутри трубы находится вращающаяся мешалка, способствующая рециркуляции жидкости вниз по трубе в нижнюю часть смесительной камеры. Жидкий поток поступает в аппарат через линию подачи, газ вводят выше уровня жидкости по линии. Данный аппарат отличается улучшенным теплопереносом, высокой производительностью и селективностью благодаря использованию принудительной циркуляции, создаваемой с помощью вращающейся мешалки. Однако закрепление быстровращающейся конструкции с одной точкой крепления (только в верхнем положении) является технически сложной задачей, поскольку при вращении мешалки возникает опасность ее отклонения от оси вращения под действием тангенциальных сил. В этом случае потребуются специальные уплотнения вала мешалки при работе на повышенных давлениях. Кроме того, для создания нисходящего газожидкостного потока по центральной трубе необходима высокая скорость жидкости, которая приведет к дополнительным потерям энергии при вращении мешалки. При этом даже при значительной скорости вращения мешалки длина аппарата будет сильно ограничена.The prior art shell-and-tube apparatus, disclosed in US 5846498 (publ. 08.12.1998), for carrying out exothermic gas-liquid processes (reactions). According to this technical solution, the apparatus includes a hollow suction pipe located in it. Inside the tube is a rotating agitator to help recirculate the liquid down the tube to the bottom of the mixing chamber. The liquid stream enters the apparatus through the supply line, the gas is injected above the liquid level through the line. This apparatus is characterized by improved heat transfer, high productivity and selectivity due to the use of forced circulation created by a rotary agitator. However, fixing a fast-rotating structure with one attachment point (only in the upper position) is a technically difficult task, since when the agitator rotates, there is a danger of it deviating from the axis of rotation under the action of tangential forces. In this case, special agitator shaft seals will be required when working at higher pressures. In addition, to create a downward gas-liquid flow through the central pipe, a high liquid velocity is required, which will lead to additional energy losses during the rotation of the agitator. In this case, even at a significant speed of rotation of the stirrer, the length of the apparatus will be severely limited.

В документе RU 2040940 (опубл. 09.08.1995) представлен аппарат для проведения газожидкостных химических и тепломассообменных процессов с большим тепловым эффектом, который позволяет уменьшить дисперсию времени пребывания (т.е. отклонение значения времени пребывания реальных потоков от расчетного значения) жидкого реагента в аппарате путем организации его многоходового движения через рабочую зону. Аппарат включает пучок барботажных (по которым газожидкостная смесь движется снизу вверх) и циркуляционных (по которым осуществляется возврат (циркуляция) жидкости в нижнюю часть аппарата) труб, закрепленных в трубных решетках и размещенных в цилиндрическом вертикальном корпусе, верхнюю камеру с вертикальными пластинами и нижнюю камеру с газораспределительным устройством. Корпус снабжен штуцерами для ввода и вывода теплоносителя, нижняя камера снабжена штуцером ввода газа и дренажным штуцером. Отличительной особенностью предлагаемого аппарата является наличие вертикальной перемычки в нижней камере, а также наличие газораспределительного устройства, выполненного в виде горизонтальной перегородки с отверстиями по осям барботажных труб. При этом перемычки смещены относительно пластин в верхней камере так, что создают многоходовой канал для движения жидкости от входного штуцера к выходному. Указанные элементы позволяют снизить дисперсию времени пребывания отдельных порций жидкости. Изменяя количество и размещение пластинок в верхней камере и перемычек в нижней камере, можно создать аппараты с необходимым числом ходов по трубному пространству, которое может варьироваться от 2 до 6-10. Однако такой аппарат требует большого расхода газа, который необходим для предотвращения попадания большого объема жидкости в нижнюю газовую камеру. Но даже при режиме работы с большим расходом газа полностью избежать попадания жидкости в нижнюю камеру не удастся, что может привести к потерям реагентов. Следовательно, для известного из RU 2040940 аппарата характерно наличие нерабочих зон, занимаемых газом. Кроме того, вследствие возможной закупорки отверстий является нежелательным использование данного аппарата в процессах, которые могут сопровождаться выпадением твердого осадка, высокомолекулярных и/или высоковязких соединений, в том числе смол и полимеров, а также процессов, сопровождающихся кристаллизацией одного из компонентов реакционной смеси.The document RU 2040940 (publ. 09.08.1995) presents an apparatus for carrying out gas-liquid chemical and heat and mass transfer processes with a large thermal effect, which makes it possible to reduce the dispersion of the residence time (i.e., the deviation of the residence time of real flows from the calculated value) of the liquid reagent in the apparatus by organizing its multi-pass movement through the working area. The apparatus includes a bundle of bubbling (through which the gas-liquid mixture moves from bottom to top) and circulation (through which the liquid is returned (circulated) to the lower part of the apparatus) pipes fixed in tube sheets and placed in a cylindrical vertical housing, an upper chamber with vertical plates and a lower chamber with gas distributor. The housing is equipped with fittings for inlet and outlet of the coolant, the lower chamber is equipped with a gas inlet fitting and a drain fitting. A distinctive feature of the proposed apparatus is the presence of a vertical bridge in the lower chamber, as well as the presence of a gas distribution device made in the form of a horizontal partition with holes along the axes of the bubble pipes. At the same time, the jumpers are displaced relative to the plates in the upper chamber so that they create a multi-pass channel for the movement of fluid from the inlet fitting to the outlet. These elements make it possible to reduce the dispersion of the residence time of individual portions of the liquid. By changing the number and placement of plates in the upper chamber and bridges in the lower chamber, it is possible to create devices with the required number of strokes through the tube space, which can vary from 2 to 6-10. However, such an apparatus requires a large flow of gas, which is necessary to prevent a large volume of liquid from entering the lower gas chamber. But even when operating with a high gas flow rate, liquid ingress into the lower chamber cannot be completely avoided, which can lead to loss of reagents. Therefore, the apparatus known from RU 2040940 is characterized by the presence of non-working zones occupied by gas. In addition, due to the possible clogging of the holes, it is undesirable to use this apparatus in processes that may be accompanied by the precipitation of a solid precipitate, high-molecular and / or high-viscosity compounds, including resins and polymers, as well as processes accompanied by crystallization of one of the components of the reaction mixture.

В описанных ниже аппаратах, известных из предшествующего уровня техники, достигается равномерное распределение газа по сечению аппарата (т.е. в любой точке трубки в горизонтальном сечении аппарата концентрация газа одинакова) за счет того, что в стенках труб, находящихся под нижней трубной решеткой, имеются отверстия для перехода газа, поступающего в трубы из газовой подушки, образующейся под трубной решеткой. Однако использование аппаратов с отверстиями в стенках труб затруднительно в процессах, сопровождающихся образованием кристаллизующихся и выпадающих в оса- 1 040074 док продуктов реакции или катализатора вследствие закупорки этих отверстий и нарушения гидродинамических параметров аппарата. Вероятность образования взрывоопасных смесей газа и паров жидкости в газовом пространстве под нижней трубной решеткой также ограничивает возможности использования таких аппаратов.In the apparatuses described below, known from the prior art, a uniform distribution of gas over the cross section of the apparatus is achieved (i.e., at any point of the tube in the horizontal section of the apparatus, the gas concentration is the same) due to the fact that in the walls of the pipes located under the lower tube sheet, there are openings for the transition of gas entering the pipes from the gas cushion formed under the tube sheet. However, the use of devices with holes in the pipe walls is difficult in processes accompanied by the formation of crystallizing and precipitating reaction products or a catalyst due to clogging of these holes and violation of the hydrodynamic parameters of the device. The possibility of formation of explosive mixtures of gas and liquid vapors in the gas space under the lower tube sheet also limits the possibility of using such devices.

Представленный в документе SU 1212550 (опубл. 23.02.1986) газлифтный аппарат включает вертикальный цилиндрический корпус с расположенными внутри него верхней и нижней трубной решеткой, в которых закреплен вертикальный пучок циркуляционных и барботажных труб. Верхние торцы барботажных труб расположены выше торцов циркуляционных труб. С целью повышения производительности за счет увеличения реакционной зоны аппарата, поверхности контакта фаз и создания устойчивой циркуляции аппарат снабжен установленной над верхней трубной решеткой дополнительной трубной решеткой с образованием между ними газовой камеры. Концы барботажных труб расположены в газовой фазе, а концы циркуляционных труб - в жидкой фазе, при этом на участках циркуляционных труб, расположенных в газовой камере, выполнены отверстия. Аппарат снабжен сепарационной камерой с каплеотбойником и штуцерами для ввода и вывода фаз и тепло- или хладоносителя. Заявленная конструкция аппарата не позволяет исключить попадание жидкости из циркуляционных труб в верхнюю газовую камеру, что может привести к нарушению его работы. Кроме того, для газа в циркуляционных трубках, попадающего из верхней газовой камеры, возможны затруднения в движении в нижнюю часть аппарата под воздействием жидкой фазы.Presented in the document SU 1212550 (publ. 23.02.1986) gas lift apparatus includes a vertical cylindrical body with located inside the upper and lower tube sheets, in which a vertical bundle of circulation and bubbling tubes is fixed. The upper ends of the bubble pipes are located above the ends of the circulation pipes. In order to increase productivity by increasing the reaction zone of the apparatus, the phase contact surface and creating stable circulation, the apparatus is equipped with an additional tube sheet installed above the upper tube sheet with the formation of a gas chamber between them. The ends of the bubble pipes are located in the gas phase, and the ends of the circulation pipes are in the liquid phase, while holes are made in the sections of the circulation pipes located in the gas chamber. The apparatus is equipped with a separation chamber with a drop separator and fittings for input and output of phases and heat or coolant. The claimed design of the device does not allow to exclude the ingress of liquid from the circulation pipes into the upper gas chamber, which can lead to disruption of its operation. In addition, for the gas in the circulation tubes coming from the upper gas chamber, it may be difficult to move to the lower part of the apparatus under the influence of the liquid phase.

Аппарат, раскрытый в документе SU 129643 (опубл. 01.01.1960), выполнен в виде вертикального корпуса с центральной циркуляционной трубой. Каждая труба аппарата выполнена с удлиненным концом, проходящим через нижнюю трубную решетку с отверстиями. Нижний срез циркуляционной трубы находится ниже срезов труб. При подаче газа в аппарат через патрубок жидкость, заполняющая полость под трубной решеткой, отжимается вниз и под трубной решеткой образуется газовая подушка; газ барботирует через отверстия всех труб, и таким образом достигается равномерное распределение газа по сечению аппарата. Поднимаясь по трубам, пузырьки газа увлекают за собой жидкость, создавая ее интенсивную циркуляцию, что улучшает теплообмен. Однако в описании данного технического решения не раскрывается, что данный аппарат обеспечивает стабильный теплообмен (т.е. отсутствие изменения градиента температур в аппарате во времени) по всему объему аппарата. Поскольку газожидкостной поток в барботажных трубках данного аппарата, непосредственно примыкающих к центральной циркуляционной трубе, будет иметь более высокую скорость, чем в остальных трубках, будет наблюдаться различие условий тепло- и массообмена в разных частях аппарата и как результат снижение селективности реакции. Даже в случае увеличения количества циркуляционных труб протекающие в аппарате процессы не будут стабильны, т.к. и циркуляционные, и барботажные трубки выступают за трубную решетку, что приведет к накоплению газовой фазы в нижней части аппарата.The apparatus disclosed in SU 129643 (publ. 01/01/1960) is made in the form of a vertical body with a central circulation pipe. Each tube of the device is made with an elongated end passing through the lower tube sheet with holes. The lower cut of the circulation pipe is below the cuts of the pipes. When gas is supplied to the apparatus through a branch pipe, the liquid filling the cavity under the tube sheet is pressed down and a gas cushion is formed under the tube sheet; gas bubbles through the holes of all pipes, and thus a uniform distribution of gas over the cross section of the apparatus is achieved. Rising through the pipes, gas bubbles entrain the liquid, creating its intensive circulation, which improves heat transfer. However, in the description of this technical solution, it is not disclosed that this apparatus provides stable heat exchange (ie, the absence of a change in the temperature gradient in the apparatus over time) throughout the entire volume of the apparatus. Since the gas-liquid flow in the bubble tubes of this apparatus, directly adjacent to the central circulation tube, will have a higher velocity than in the other tubes, there will be a difference in the conditions of heat and mass transfer in different parts of the apparatus and, as a result, a decrease in the selectivity of the reaction. Even in the case of an increase in the number of circulation pipes, the processes occurring in the apparatus will not be stable, because both circulation and bubbling tubes protrude beyond the tube sheet, which will lead to the accumulation of the gas phase in the lower part of the apparatus.

Также известен кожухотрубный газлифтный аппарат, раскрытый в SU 199087 (опубл. 01.01.1967), включающий верхнюю камеру и нижнюю камеру с рубашками, трубными решетками и проходящими через них циркуляционными трубами и барботажными трубами, концы которых в верхней камере расположены на разном уровне, штуцер для ввода жидкой фазы и штуцер для ввода газовой фазы. При подаче газа под трубной решеткой образуется газовый слой, из которого газ через отверстия поступает в барботажные трубы. Вследствие разности плотностей жидкой фазы в циркуляционных трубах и газожидкостной смеси в барботажных трубах происходит интенсивная циркуляция фаз: газожидкостная смесь по барботажным трубам движется вверх, а жидкая фаза по циркуляционным трубам - вниз. В верхней камере благодаря расположению концов труб на разном уровне происходит расслоение жидкой фазы в зависимости от удельного веса компонентов. Однако в SU 199087 отсутствует информация по стабильности циркуляции потоков. Влияние величины выступов трубок над верхней трубной решеткой аппарата на циркуляцию жидкости не подтверждается в описании данного технического решения конкретными примерами. Кроме того, возможно образование взрывоопасных газовых смесей в этом пространстве.Also known is a shell-and-tube gas lift apparatus, disclosed in SU 199087 (publ. 01/01/1967), including an upper chamber and a lower chamber with jackets, tube sheets and circulation pipes and bubble pipes passing through them, the ends of which in the upper chamber are located at different levels, a fitting for introducing the liquid phase and a fitting for introducing the gas phase. When gas is supplied under the tube sheet, a gas layer is formed, from which the gas enters through the holes into the bubbling tubes. Due to the difference in the densities of the liquid phase in the circulation tubes and the gas-liquid mixture in the bubble tubes, intensive phase circulation occurs: the gas-liquid mixture moves up through the bubble tubes, and the liquid phase moves down through the circulation tubes. In the upper chamber, due to the location of the ends of the pipes at different levels, the liquid phase separates depending on the specific gravity of the components. However, SU 199087 lacks information on the stability of the flow circulation. The influence of the size of the protrusions of the tubes above the upper tube sheet of the apparatus on the circulation of the liquid is not confirmed in the description of this technical solution by specific examples. In addition, the formation of explosive gas mixtures in this space is possible.

Таким образом, в настоящее время из уровня техники не известен аппарат, позволяющий проводить газожидкостные процессы, сопровождающиеся высоким тепловыми эффектами, образованием кристаллических осадков, высокомолекулярных и/или высоковязких соединений или сопровождающиеся образованием взрывоопасных газов, с высокой эффективностью, в частности с высокой селективностью и высокими выходами целевого продукта в случае, когда процесс представляет собой химическую реакцию.Thus, at present, no apparatus is known from the prior art that allows carrying out gas-liquid processes accompanied by high thermal effects, the formation of crystalline precipitates, high-molecular and/or high-viscosity compounds, or accompanied by the formation of explosive gases, with high efficiency, in particular with high selectivity and high yields of the target product in the case when the process is a chemical reaction.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Задачей настоящего изобретения является разработка барботажного кожухотрубного газлифтного аппарата для проведения газожидкостных процессов, характеризующегося стабильностью и равномерностью тепло- и массообмена по всему объему аппарата, а также устойчивостью его работы.The objective of the present invention is to develop a bubbling shell-and-tube gas-lift apparatus for carrying out gas-liquid processes, characterized by stability and uniformity of heat and mass transfer throughout the entire volume of the apparatus, as well as the stability of its operation.

Технический результат заключается в разработке барботажного кожухотрубного газлифтного аппарата, обеспечивающего уменьшение дисперсии времени пребывания жидкости в реакционной зоне, повышение гидродинамической эффективности, а также повышение селективности проводимых в аппарате процессов (в том числе и химических реакций).The technical result consists in the development of a bubbling shell-and-tube gas-lift apparatus, which reduces the dispersion of the residence time of the liquid in the reaction zone, increases the hydrodynamic efficiency, and also increases the selectivity of the processes carried out in the apparatus (including chemical reactions).

Техническим результатом заявляемого изобретения также является разработка барботажного кожу- 2 040074 хотрубного газлифтного аппарата, позволяющего проводить процессы со значительными тепловыми эффектами, а также процессы, сопровождающиеся образованием твердого осадка, высокомолекулярных и/или высоковязких соединений, в том числе смол и полимеров, а также проводить процессы, сопровождающиеся кристаллизацией одного из компонентов реакционной смеси.The technical result of the claimed invention is also the development of a bubbling skin-2 040074 hot-tube gas-lift apparatus, which makes it possible to carry out processes with significant thermal effects, as well as processes accompanied by the formation of a solid precipitate, high-molecular and/or high-viscosity compounds, including resins and polymers, as well as carrying out processes accompanied by crystallization of one of the components of the reaction mixture.

Кроме того, технический результат заключается в уменьшении вероятности образования взрывоопасных смесей газа и паров жидкости за счет уменьшения в аппарате объема газового пространства, не взаимодействующего с жидкой фазой.In addition, the technical result consists in reducing the likelihood of the formation of explosive mixtures of gas and liquid vapors by reducing the volume of the gas space in the apparatus that does not interact with the liquid phase.

Дополнительный технический результат заключается в отсутствии в аппарате нерабочих зон, занимаемых газом.An additional technical result consists in the absence of non-working zones occupied by gas in the apparatus.

Дополнительным техническим результатом также является увеличение производительности аппарата за счет увеличения объемной эффективности работы аппарата и увеличения реакционной зоны.An additional technical result is also an increase in the productivity of the apparatus due to an increase in the volumetric efficiency of the apparatus and an increase in the reaction zone.

В рамках настоящего изобретения стабильность тепло- и массообмена в аппарате трактуется как постоянство значений параметров (состав, температура, скорость потока и т.д.) для каждой точки потока во времени.Within the framework of the present invention, the stability of heat and mass transfer in the apparatus is interpreted as the constancy of the values of the parameters (composition, temperature, flow rate, etc.) for each point of the flow in time.

Устойчивость работы аппарата трактуется как режим работы, параметры которого возвращаются в исходное состояние после устранения возмущения.The stability of the device operation is interpreted as an operating mode, the parameters of which return to their original state after the disturbance is eliminated.

При этом дисперсия времени пребывания жидкости в реакционной зоне определяется как отклонение значения времени пребывания реальных потоков от расчетного значения, а гидродинамическая эффективность определяется как приближение характеристик реального аппарата к аппарату с идеальным вытеснением.In this case, the dispersion of the residence time of the liquid in the reaction zone is defined as the deviation of the residence time of real flows from the calculated value, and the hydrodynamic efficiency is defined as the approximation of the characteristics of a real apparatus to an apparatus with ideal displacement.

В рамках настоящего изобретения определение по существу означает отклонение в допустимом диапазоне погрешностей для конкретного значения, определенного специалистом в данной области техники.In the context of the present invention, the definition essentially means a deviation within the acceptable range of errors for a particular value, as determined by a person skilled in the art.

Поставленная задача и технический результат достигаются за счет использования аппарата, состоящего из одной или нескольких вертикальных кожухотрубных секций, представляющих собой корпус с устройствами ввода реагентов и ввода продуктов реакции, ввода и вывода теплоносителя, в верхней и нижней части которого посредством трубных решеток закреплены две группы трубок, при этом одна группа трубок выступает за пределы нижней трубной решетки, а вторая группа трубок выполнена с расположением их концов по существу вровень с нижней трубной решеткой, при этом трубки первой группы распределены по трубной решетке по существу равномерно.The set task and the technical result are achieved through the use of an apparatus consisting of one or more vertical shell-and-tube sections, which are a housing with devices for input of reagents and input of reaction products, input and output of the coolant, in the upper and lower parts of which two groups of tubes are fixed by means of tube sheets , wherein one group of tubes extends beyond the lower tube sheet, and the second group of tubes is made with the location of their ends essentially flush with the lower tube sheet, while the tubes of the first group are distributed essentially evenly over the tube sheet.

Авторами изобретения неожиданно было обнаружено, что заявляемая конструкция и расположение трубок первой и второй групп поддерживает постоянное направление потоков в трубках, что обеспечивает стабильность и равномерность тепло- и массообмена по всему объему аппарата, а также устойчивость работы аппарата, что позволяет обеспечить заявляемые технические результаты.The authors of the invention unexpectedly found that the claimed design and arrangement of the tubes of the first and second groups maintains a constant flow direction in the tubes, which ensures the stability and uniformity of heat and mass transfer throughout the volume of the apparatus, as well as the stability of the apparatus, which allows to provide the claimed technical results.

Далее приводится подробное описание различных аспектов и вариантов реализации настоящего изобретения.The following is a detailed description of various aspects and embodiments of the present invention.

Трубки первой группы на 10-150 мм, предпочтительно 50-100 мм, выступают за пределы нижней трубной решетки. При превышении длины выступа трубок первой группы относительно нижней трубной решетки менее чем на 10 мм увеличивается вероятность проскока газа по циркуляционному контуру, что нарушает гидродинамику и, как следствие, тепло- и массообмен в аппарате. Удлинение трубок первой группы более чем на 150 мм относительно нижней трубной решетки нецелесообразно, так как это приводит к увеличению геометрических размеров аппарата, а следовательно, увеличению его металлоемкости без улучшения эффективности работы аппарата. Выступающие части трубок первой группы при этом могут быть как одинаковой длины, так и разной длины. Одинаковая длина выступающих частей трубок первой группы не является обязательным условием работы аппарата. Определяющим условием является значение их длины более 10 мм, достаточное для того, чтобы препятствовать попаданию в них газа.Tubes of the first group 10-150 mm, preferably 50-100 mm, protrude beyond the lower tube sheet. When the protrusion length of the tubes of the first group exceeds the lower tube sheet by less than 10 mm, the probability of gas breakthrough along the circulation circuit increases, which disrupts hydrodynamics and, as a result, heat and mass transfer in the apparatus. Elongation of the tubes of the first group by more than 150 mm relative to the lower tube sheet is impractical, since this leads to an increase in the geometric dimensions of the apparatus, and, consequently, an increase in its metal consumption without improving the efficiency of the apparatus. The protruding parts of the tubes of the first group can be either the same length or different lengths. The same length of the protruding parts of the tubes of the first group is not a prerequisite for the operation of the apparatus. The determining condition is that their length is more than 10 mm, sufficient to prevent the ingress of gas into them.

Диаметры трубок первой и второй групп могут быть как одинаковыми, так и различными, однако для увеличения зоны контакта газа и жидкости предпочтительно использовать трубки второй группы большего диаметра, чем трубки первой группы.The diameters of the tubes of the first and second groups can be either the same or different, however, to increase the zone of contact between gas and liquid, it is preferable to use tubes of the second group of a larger diameter than the tubes of the first group.

Обязательным условием работы аппарата является равномерное распределение трубок первой группы по объему аппарата, т.е. распределение трубок, обеспечивающих выравнивание скоростей движения жидкой фазы по всему объему аппарата и устранение застойных зон.A prerequisite for the operation of the apparatus is the uniform distribution of the tubes of the first group over the volume of the apparatus, i.e. distribution of tubes that ensure the alignment of the liquid phase movement rates throughout the entire volume of the apparatus and the elimination of stagnant zones.

Соотношение количества трубок первой и второй групп составляет от 1:1,25 до 1:5. Предпочтительно, чтобы в горизонтальном сечении секции к каждой трубке второй группы прилегала как минимум одна трубка первой группы. Более предпочтительно в горизонтальном сечении секции каждая трубка первой группы окружена по периметру трубками второй группы. Данное расположение трубок достигается при соотношении примерно 1:2.The ratio of the number of tubes of the first and second groups is from 1:1.25 to 1:5. Preferably, in the horizontal section of the section, at least one tube of the first group adjoins each tube of the second group. More preferably, in the horizontal section of the section, each tube of the first group is surrounded around the perimeter by tubes of the second group. This arrangement of tubes is achieved at a ratio of approximately 1:2.

В одном из вариантов изобретения трубки первой группы представляют собой циркуляционные трубки, а трубки второй группы являются барботажными.In one embodiment of the invention, the tubes of the first group are circulation tubes, and the tubes of the second group are bubbling.

Габаритные размеры аппарата, количество кожухотрубных секций, количество труб в секции, а также общее количество труб в аппарате выбирают исходя из требований конкретного применения аппарата.The overall dimensions of the apparatus, the number of shell-and-tube sections, the number of pipes in the section, as well as the total number of pipes in the apparatus are selected based on the requirements of a particular application of the apparatus.

- 3 040074- 3 040074

Устройства ввода реагентов включают в себя устройство для подачи жидкой фазы и устройство для подачи газовой фазы, а устройства вывода продуктов реакции включают в себя устройство для вывода жидкой фазы и устройство для вывода газовой фазы.The reactant input devices include a liquid phase supply device and a gas phase supply device, and the reaction product output devices include a liquid phase output device and a gas phase output device.

Аппарат может быть использован в качестве реактора для проведения различных жидкофазных реакций, например таких, как окисление углеводородов, олигомеризация олефинов, синтез карбоновых кислот, хлорирование этилена, гидроформилирование, а также как аппарат для проведения микробиологических процессов и др.The device can be used as a reactor for carrying out various liquid-phase reactions, such as hydrocarbon oxidation, olefin oligomerization, synthesis of carboxylic acids, ethylene chlorination, hydroformylation, as well as a device for microbiological processes, etc.

Способ проведения химических реакций в барботажном кожухотрубном аппарате согласно изобретению включает в себя этапы, на которых подают жидкую фазу с заполнением всего свободного объема в трубной части аппарата;The method for carrying out chemical reactions in a bubbling shell-and-tube apparatus according to the invention includes the steps at which a liquid phase is supplied to fill the entire free volume in the tube part of the apparatus;

подают газовую фазу в нижнюю часть аппарата с обеспечением подъема газа до нижней трубной решетки и его попадания в трубки второй группы таким образом, что трубки второй группы работают в качестве барботажных трубок;the gas phase is fed into the lower part of the apparatus, ensuring that the gas rises to the lower tube sheet and enters the tubes of the second group in such a way that the tubes of the second group work as bubble tubes;

обеспечивают движение жидкости под действием газа вверх по барботажным трубкам;ensure the movement of liquid under the action of gas up the bubbling tubes;

при достижении верхней части аппарата газожидкостная смесь разделяется;when reaching the upper part of the apparatus, the gas-liquid mixture is separated;

выводят газовую фазу из аппарата;remove the gas phase from the apparatus;

выводят меньшую часть жидкой фазы, в то время как большая часть жидкой фазы под действием силы тяжести начинает опускаться вниз по трубкам первой группы, которые работают в качестве циркуляционных трубок.a smaller part of the liquid phase is withdrawn, while a larger part of the liquid phase, under the action of gravity, begins to fall down the tubes of the first group, which work as circulation tubes.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, которые более подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. Варианты осуществления, приведены для описания настоящего изобретения только в качестве примера и, следовательно, не должны толковаться как ограничивающие технический объем настоящего изобретения.Other features and advantages of the present invention will become more apparent in accordance with the preferred embodiments of the present invention, which are described in more detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments provided to describe the present invention are by way of example only and, therefore, should not be construed as limiting the technical scope of the present invention.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 иллюстрирует аппарат для проведения экзотермических газожидкостных реакций, описанный в US 5846498.Fig. 1 illustrates the exothermic gas-liquid reaction apparatus described in US 5,846,498.

Фиг. 2 иллюстрирует аппарат для проведения газожидкостных химических и тепломассообменных процессов, описанный в RU 2040940.Fig. 2 illustrates an apparatus for carrying out gas-liquid chemical and heat and mass transfer processes, described in RU 2040940.

Фиг. 3 иллюстрирует газлифтный аппарат, описанный в SU 1212550.Fig. 3 illustrates the gas lift apparatus described in SU 1212550.

Фиг. 4 иллюстрирует аппарат, описанный в SU 129643.Fig. 4 illustrates the apparatus described in SU 129643.

Фиг. 5 иллюстрирует аппарат, описанный в SU 199087.Fig. 5 illustrates the apparatus described in SU 199087.

Фиг. 6 схематически иллюстрирует конструкцию заявляемого аппарата.Fig. 6 schematically illustrates the design of the proposed apparatus.

Фиг. 7 схематически иллюстрирует расположение трубок в аппарате по сравнительному примеру 2.Fig. 7 schematically illustrates the arrangement of tubes in the apparatus of Comparative Example 2.

Фиг. 8 схематически иллюстрирует расположение трубок в аппарате по сравнительному примеру 3.Fig. 8 schematically illustrates the arrangement of tubes in the apparatus of Comparative Example 3.

Фиг. 9 схематически иллюстрирует расположение трубок в аппарате по примеру 4.Fig. 9 schematically illustrates the arrangement of tubes in the apparatus of example 4.

Фиг. 10 схематически иллюстрирует расположение трубок в аппарате по примеру 5.Fig. 10 schematically illustrates the arrangement of tubes in the apparatus of example 5.

Фиг. 11 иллюстрирует секцию аппарата по изобретению.Fig. 11 illustrates a section of the apparatus of the invention.

Фиг. 12 иллюстрирует стеклянный аппарат с трубками одинаковой длины по сравнительному примеру 6.Fig. 12 illustrates the glass apparatus with tubes of the same length according to Comparative Example 6.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Аппарат по изобретению, схематично приведенный на фиг. 6, состоит из одной вертикальной кожухотрубной секции 1 с циркуляционными 3 и барботажными трубками 4, закрепленными в трубной решетке 2. В нижней части аппарата находятся устройства для подачи жидкости 5 и для подачи газа 6. Верхняя часть аппарата снабжена устройством для вывода газовой фазы 7 и устройством для вывода жидкой фазы 8. Межтрубное пространство аппарата оборудовано штуцерами 9 и 10 для циркуляции теплоносителя. Устройство ввода и вывода здесь и далее трактуется как любое известное из уровня техники средство для ввода и вывода потока, например штуцер, форсунка и т.д.The apparatus according to the invention, shown schematically in FIG. 6, consists of one vertical shell-and-tube section 1 with circulation 3 and bubble tubes 4 fixed in the tube sheet 2. In the lower part of the apparatus there are devices for supplying liquid 5 and for supplying gas 6. The upper part of the apparatus is equipped with a device for removing the gas phase 7 and a device for withdrawing the liquid phase 8. The annular space of the apparatus is equipped with fittings 9 and 10 for the circulation of the coolant. The input and output device is hereinafter interpreted as any means known from the prior art for input and output of the flow, for example, a fitting, a nozzle, etc.

Процесс в заявляемом аппарате осуществляют следующим образом.The process in the proposed apparatus is carried out as follows.

1. Жидкая фаза подается через устройство для подачи жидкости 5 и полностью заполняет весь свободный объем в трубной части аппарата.1. The liquid phase is supplied through the liquid supply device 5 and completely fills the entire free volume in the tubular part of the apparatus.

2. Затем в нижнюю часть аппарата подается газовая фаза через устройство для подачи газа 6.2. Then the gas phase is fed into the lower part of the apparatus through the gas supply device 6.

3. Газ поднимается до трубной решетки 2 и далее попадает в барботажные трубки 3.3. The gas rises to the tube sheet 2 and then enters the bubble tubes 3.

4. Жидкость под действием газа начинает двигаться вверх по барботажным трубкам.4. The liquid under the action of the gas begins to move up the bubble tubes.

5. Достигнув верхней части аппарата, газожидкостная смесь разделяется.5. Having reached the upper part of the apparatus, the gas-liquid mixture is separated.

6. Газовая фаза выводится из аппарата через устройство для вывода газа 7.6. The gas phase is removed from the apparatus through the gas outlet device 7.

7. Меньшая часть жидкой фазы выводится через устройство для вывода жидкости 8, а большая часть жидкой фазы под действием силы тяжести начинает опускаться вниз по циркуляционным трубкам 3.7. A smaller part of the liquid phase is discharged through the liquid output device 8, and a large part of the liquid phase begins to fall down through the circulation tubes 3 under the action of gravity.

Равномерное распределение циркуляционных труб обеспечивает равную скорость жидкости во всех барботажных трубках и, как следствие, равные условия протекания тепло- и массообменных процессов по всему объему аппарата. Для обеспечения теплообмена в межтрубном пространстве аппарата циркулирует теплоноситель через штуцеры 9 и 10.Uniform distribution of circulation tubes ensures equal liquid velocity in all bubble tubes and, as a result, equal conditions for heat and mass transfer processes throughout the entire volume of the apparatus. To ensure heat transfer in the annular space of the apparatus, the coolant circulates through fittings 9 and 10.

- 4 040074- 4 040074

ПримерыExamples

Пример 1 - сравнительный. Использование аппарата, содержащего трубки одной длины.Example 1 - comparative. Using an apparatus containing tubes of the same length.

Испытания проводились на стальном аппарате, состоящем из вертикальной кожухотрубной секции диаметром 80 мм с 19 трубками длиной 725 мм и диаметром 13x1,4 мм, закрепленными в трубной решетке. В нижней части аппарата находится штуцер подачи жидкости и газа. Верх аппарата снабжен штуцерами вывода газовой и жидкой фаз. Межтрубное пространство аппарата оборудовано штуцерами для циркуляции теплоносителя (см. фиг. 2).The tests were carried out on a steel apparatus consisting of a vertical shell-and-tube section 80 mm in diameter with 19 tubes 725 mm long and 13x1.4 mm in diameter, fixed in a tube sheet. At the bottom of the apparatus is a fitting for the supply of liquid and gas. The top of the apparatus is equipped with fittings for the output of gas and liquid phases. The annular space of the apparatus is equipped with fittings for the circulation of the coolant (see Fig. 2).

Испытания проводились при атмосферном давлении. В качестве жидкой фазы использовался циклогексан, в качестве газовой - азот. Количество работающих в барботажном режиме трубок определялось визуально по всплывающим пузырькам газа через каждую минуту. Затем производилось усреднение результатов за промежуток времени, равный 30 мин, и делался вывод о режиме и активности работы каждой трубки.The tests were carried out at atmospheric pressure. Cyclohexane was used as the liquid phase, and nitrogen was used as the gas phase. The number of tubes operating in the bubbling mode was determined visually by emerging gas bubbles every minute. Then the results were averaged over a period of time equal to 30 min, and a conclusion was made about the mode and activity of each tube.

Без удлинения трубок наблюдалось хаотичное чередование циркуляционных и барботажных трубок. Также во время работы циркуляционная трубка могла стать барботажной и наоборот. Кроме того, в разное время количество барботажных трубок было разным. Все это говорит о нестабильности режима течения газожидкостной смеси по времени. Это приводит к локальным скачкам концентрации растворенного газа и температуры, что также наблюдалось визуально. Следует заметить, что в данном аппарате число трубок, по которым не проходит газ, составляет около 60%, что может говорить о том, что в части трубок не осуществляется движение жидкости и образуются застойные зоны.Without extension of the tubes, a chaotic alternation of circulation and bubble tubes was observed. Also, during operation, the circulation tube could become bubbling and vice versa. In addition, at different times the number of bubble tubes was different. All this indicates the instability of the flow regime of the gas-liquid mixture over time. This leads to local jumps in the dissolved gas concentration and temperature, which was also observed visually. It should be noted that in this apparatus the number of tubes through which gas does not pass is about 60%, which may indicate that in some of the tubes there is no movement of liquid and stagnant zones are formed.

Пример 2 - сравнительный. Использование аппарата, содержащего одну удлиненную трубку.Example 2 - comparative. Using an apparatus containing one elongated tube.

Испытания проводились на аппарате, описанном в примере 1, с той разницей, что трубка, расположенная в центре аппарата, выступает вниз за трубную решетку на 50 мм (см. фиг. 7).The tests were carried out on the apparatus described in example 1, with the difference that the tube located in the center of the apparatus protrudes downwards beyond the tube sheet by 50 mm (see Fig. 7).

Удлинение одной центральной трубки четко определило, что данная трубка является циркуляционной. Однако пропускной способности трубки не достаточно для обеспечения устойчивой циркуляции жидкости по всему объему секции аппарата. При этом часть барботажных трубок переходит в режим хаотической циркуляции жидкости, т.е. работают попеременно и в качестве циркуляционных, и в качестве барботажных трубок, что, так же как и в примере 1, приводит к локальным скачкам концентрации растворенного газа и температуры.The extension of one central tube clearly determined that this tube is a circulation tube. However, the throughput of the tube is not sufficient to ensure stable circulation of liquid throughout the entire volume of the apparatus section. In this case, part of the bubble tubes goes into the mode of chaotic circulation of the liquid, i.e. work alternately as both circulation and bubble tubes, which, as in example 1, leads to local jumps in the concentration of the dissolved gas and temperature.

Пример 3 - сравнительный. Использование аппарата, содержащего три удлиненные трубки.Example 3 - comparative. Using an apparatus containing three elongated tubes.

Испытания проводились на аппарате, описанном в примере 1, отличающемся тем, что 3 трубки, расположенные через одну вокруг центральной трубки, выступают вниз за трубную решетку на 50 мм (см. фиг. 8).The tests were carried out on the apparatus described in example 1, characterized in that 3 tubes, located through one around the central tube, protrude down the tube sheet by 50 mm (see Fig. 8).

Увеличение числа циркуляционных трубок до трех и их распределение по аппарату значительно стабилизировало поток. Все барботажные трубки начали выполнять роль только барботажных трубок. Однако скорость пропускания газа, а следовательно и жидкости, в барботажных трубках значительно отличалась, что приводило к дестабилизации условий тепло- и массообмена в трубном пространстве аппарата.Increasing the number of circulation tubes to three and their distribution throughout the apparatus significantly stabilized the flow. All bubbling tubes began to play the role of only bubbling tubes. However, the rate of gas transmission, and hence the liquid, in the bubble tubes differed significantly, which led to destabilization of the conditions of heat and mass transfer in the tube space of the apparatus.

Пример 4. Использование аппарата, содержащего три циркуляционные трубки, находящиеся около центральной, а три трубки внешнего ряда заглушены.Example 4. The use of an apparatus containing three circulation tubes located near the central one, and the three tubes of the outer row are plugged.

Испытания проводились на аппарате, описанном в примере 1, отличающемся тем, что 3 трубки, расположенные через одну вокруг центральной трубки, выступают вниз за трубную решетку на 50 мм, а три трубки внешнего ряда заглушены (см. фиг. 9).The tests were carried out on the apparatus described in example 1, characterized in that 3 tubes, located through one around the central tube, protrude down the tube sheet by 50 mm, and three tubes of the outer row are plugged (see Fig. 9).

При данном распределении циркуляционных трубок обеспечивается стабильная работа секции со средней скоростью циркуляции жидкости по всему объему аппарата (т.е. обеспечивается практически неизменная во времени средняя скорости циркуляции жидкости по всему объему аппарата). Это приводит к равным условиям тепло- и массообмена по всему объему аппарата.With this distribution of circulation tubes, stable operation of the section with an average liquid circulation rate throughout the entire volume of the apparatus is ensured (i.e., an average velocity of liquid circulation throughout the entire volume of the apparatus is practically unchanged in time). This leads to equal conditions for heat and mass transfer throughout the volume of the apparatus.

Пример 5. Использование аппарата, содержащего три циркуляционные трубки, находящиеся около центральной, и три циркуляционные трубки внешнего ряда.Example 5. Use of an apparatus containing three circulation tubes located near the central one and three circulation tubes of the outer row.

Испытания проводились на аппарате, описанном в примере 1, отличающемся тем, что 3 трубки, расположенные через одну вокруг центральной трубки, выступают вниз за трубную решетку на 50 мм (см. фиг. 10).The tests were carried out on the apparatus described in example 1, characterized in that 3 tubes, located through one around the central tube, protrude down the tube sheet by 50 mm (see Fig. 10).

Увеличение числа циркуляционных трубок до шести приводит к значительному увеличению скорости циркуляции жидкости. При этом структура потоков стабильна, т.е. состав, локальные скорости и физические параметры среды для каждой точки потока в рабочей зоне аппарата практически не изменяются во времени. Это приводит к равным условиям тепло- и массообмена по всему объему аппарата. По сравнению с примером 4 вырастают скорости по жидкой фазе, что увеличивает эффективность теплосъема с единицы поверхности аппарата.Increasing the number of circulation tubes to six leads to a significant increase in the fluid circulation rate. At the same time, the flow structure is stable, i.e. the composition, local velocities and physical parameters of the medium for each point of the flow in the working area of the apparatus practically do not change in time. This leads to equal conditions for heat and mass transfer throughout the volume of the apparatus. Compared to example 4, the liquid phase velocities increase, which increases the efficiency of heat removal per unit surface of the apparatus.

Пример 6 - сравнительный. Опыты по массообмену в стеклянном аппарате, содержащем трубки одной длины.Example 6 - comparative. Experiments on mass transfer in a glass apparatus containing tubes of the same length.

Испытания аппарата проводились на стеклянном аппарате объемом 2 л, состоящем из вертикальной секции с двумя трубными металлическими решетками диаметром 100 мм с закрепленными в них 19 стеклянными трубками длиной 800 мм и диаметром 10x1,5 мм. Все трубки выполнены не выступающи- 5 040074 ми за трубную решетку. В нижней части аппарата находится штуцер подачи жидкости и газа. Верх аппарата снабжен штуцерами вывода газовой и жидкой фаз (см. фиг. 12).The tests of the apparatus were carried out on a glass apparatus with a volume of 2 l, consisting of a vertical section with two tubular metal gratings 100 mm in diameter with 19 glass tubes fixed in them, 800 mm long and 10x1.5 mm in diameter. All tubes are made not protruding beyond the tube sheet. At the bottom of the apparatus is a fitting for the supply of liquid and gas. The top of the apparatus is equipped with outlet fittings for the gas and liquid phases (see Fig. 12).

Испытания проводились при атмосферном давлении. В качестве жидкой фазы использовался водный раствор NaOH, в качестве газовой - углекислый газ. Скорость жидкости задавалась с помощью насоса, концентрация жидкости на выходе измерялась рН-метром. Газ подавали из баллона через расходомер.The tests were carried out at atmospheric pressure. An aqueous solution of NaOH was used as the liquid phase, and carbon dioxide was used as the gas phase. The liquid velocity was set using a pump, and the liquid concentration at the outlet was measured with a pH meter. Gas was supplied from a cylinder through a flow meter.

Реакция нейтрализации характеризуется высокой скоростью протекания, соответственно лимитирующим фактором проведения процесса является переход углекислого газа в жидкость. На примере реакции нейтрализации угольной кислоты сильной щелочью можно судить об эффективности массообмена между газовой и жидкой фазами в аппарате.The neutralization reaction is characterized by a high flow rate; accordingly, the limiting factor in the process is the transition of carbon dioxide into a liquid. Using the example of the reaction of neutralization of carbonic acid with a strong alkali, one can judge the efficiency of mass transfer between the gas and liquid phases in the apparatus.

Испытания проводились следующим образом. Аппарат через насос полностью заполняется жидкостью. Затем выставляется требуемый постоянный расход жидкой фазы (200 мл/мин) и начинается подача газа (500 мл/мин). Начинается фиксация значений рН через каждые 2 мин. За выход на стационарный режим принимали время, при котором в течение 10 мин не происходит изменения значения рН на выходе из аппарата.The tests were carried out as follows. The device is completely filled with liquid through the pump. Then the required constant flow rate of the liquid phase is set (200 ml/min) and the gas supply starts (500 ml/min). Recording of pH values starts every 2 minutes. The time at which there is no change in the pH value at the outlet of the apparatus for 10 min was taken as reaching the stationary regime.

При вышеуказанных параметрах время выхода на стационарный режим составило 40 мин, стационарное значение рН 10,2. Кроме того, как и в примере 1, наблюдалась картина хаотичного движения двухфазного потока.With the above parameters, the time to reach the stationary regime was 40 min, the stationary pH value was 10.2. In addition, as in example 1, a pattern of chaotic movement of a two-phase flow was observed.

Пример 7. Опыты по массообмену в стеклянном аппарате, содержащем три циркуляционные трубки, находящиеся около центральной, и три циркуляционные трубки внешнего ряда.Example 7. Experiments on mass transfer in a glass apparatus containing three circulation tubes located near the central one and three circulation tubes of the outer row.

Испытания аппарата проводились на стеклянном аппарате объемом 2 л, состоящем из вертикальной секции с двумя трубными металлическими решетками диаметром 100 мм с закрепленными в них 19 стеклянными трубками длиной 800 мм и диаметром 10x1,5 мм. Часть трубок выполнены выступающими за нижнюю трубную решетку как в примере 5. В нижней части аппарата находится штуцер подачи жидкости и газа. Верх аппарата снабжен штуцерами вывода газовой и жидкой фаз (см. фиг. 9).The tests of the apparatus were carried out on a glass apparatus with a volume of 2 l, consisting of a vertical section with two tubular metal gratings 100 mm in diameter with 19 glass tubes fixed in them, 800 mm long and 10x1.5 mm in diameter. Some of the tubes are made protruding beyond the lower tube sheet as in example 5. In the lower part of the apparatus there is a fitting for supplying liquid and gas. The top of the apparatus is equipped with outlet fittings for the gas and liquid phases (see Fig. 9).

При вышеуказанных параметрах время выхода на стационарный режим составило 30 мин, стационарное значение рН 9,4.With the above parameters, the time to reach the stationary regime was 30 min, the stationary pH value was 9.4.

Как видно из примеров 6 и 7, в предлагаемом аппарате более эффективно проходят процессы массообмена, так как стационарное значение рН меньше. Уменьшение рН свидетельствует о том, что массообменные процессы (реакции) в системе газ-жидкость проходят быстрее и более полно. Кроме того, наблюдается сокращение времени достижения равновесия на 25%, что говорит об отсутствии застойных зон, которые могут давать заметные скачки концентрации в жидкой фазе, и об однородном поле скоростей в аппарате, которое позволяет осуществлять эффективный перенос массы в жидкой фазе.As can be seen from examples 6 and 7, in the proposed apparatus, mass transfer processes are more efficient, since the stationary pH value is lower. A decrease in pH indicates that the mass transfer processes (reactions) in the gas-liquid system are faster and more complete. In addition, there is a reduction in the time to reach equilibrium by 25%, which indicates the absence of stagnant zones, which can give noticeable concentration jumps in the liquid phase, and a uniform velocity field in the apparatus, which allows effective mass transfer in the liquid phase.

Пример 8 - сравнительный. Использование аппарата, содержащего трубки одной длины в качестве реактора для тримеризации этилена.Example 8 - comparative. Using an apparatus containing tubes of the same length as a reactor for ethylene trimerization.

Испытания проводились на стальном реакторе, состоящем из вертикальной кожухотрубной секции диаметром 80 мм с 19 трубками длиной 725 мм и диаметром 13x1,4 мм, закрепленными в трубной решетке. В нижней части реактора находятся штуцер подачи жидкости и газа. Верх реактора снабжен штуцерами вывода газовой и жидкой фаз. Межтрубное пространство реактора оборудовано штуцерами для циркуляции теплоносителя (см. фиг. 2).The tests were carried out on a steel reactor consisting of a vertical shell-and-tube section 80 mm in diameter with 19 tubes 725 mm long and 13x1.4 mm in diameter, fixed in the tube sheet. At the bottom of the reactor there is a fitting for supplying liquid and gas. The top of the reactor is equipped with outlet fittings for the gas and liquid phases. The annular space of the reactor is equipped with fittings for circulation of the coolant (see Fig. 2).

Реакция тримеризации этилена проводилась при давлении 14 бар. В качестве жидкой фазы использовался циклогексан с добавкой гомогенного каталитического комплекса, в качестве газовой - этилен. Концентрация продукта реакции - гексена-1, а также побочных продуктов измерялась с помощью периодического отбора проб на выходе из реактора. Метод аналитического контроля - газовая хроматография.The ethylene trimerization reaction was carried out at a pressure of 14 bar. Cyclohexane with the addition of a homogeneous catalytic complex was used as the liquid phase, and ethylene was used as the gas phase. The concentration of the reaction product - hexene-1, as well as by-products was measured using periodic sampling at the outlet of the reactor. Method of analytical control - gas chromatography.

Концентрация гексена-1 на выходе из реактора колебалась в пределах 6-7 мас.% при селективности 96-97%.The concentration of hexene-1 at the outlet of the reactor varied within 6-7 wt.% with a selectivity of 96-97%.

Пример 9. Использование аппарата, содержащего три циркуляционные трубки, находящиеся около центральной, и три циркуляционные трубки внешнего ряда в качестве реактора для тримеризации этилена.Example 9 Use of an apparatus containing three circulation tubes located near the central one and three circulation tubes of the outer row as an ethylene trimerization reactor.

Испытания проводились на аппарате, описанном в примере 8, отличающимся тем, что 3 трубки, расположенные через одну вокруг центральной трубки, выступают вниз за трубную решетку на 50 мм (см. пример 5).The tests were carried out on the apparatus described in example 8, characterized in that 3 tubes, located through one around the central tube, protrude down the tube sheet by 50 mm (see example 5).

Концентрация гексена-1 на выходе из реактора, также как и в примере 8, колебалась в пределах 6-7 мас.% при селективности 96-97%.The concentration of hexene-1 at the outlet of the reactor, as in example 8, ranged from 6-7 wt.% with a selectivity of 96-97%.

Разница между экспериментами в примерах 8 и 9 практически незаметна вследствие относительноThe difference between the experiments in examples 8 and 9 is almost imperceptible due to the relatively

- 6 040074 малого трубного объема реактора, который в данных экспериментах составлял около 60% от общего реакционного объема.- 6 040074 small tube volume of the reactor, which in these experiments was about 60% of the total reaction volume.

Claims

CLAIM

1. Bubbling shell-and-tube apparatus, containing at least one vertical shell-and-tube section, which is a housing with devices for input of reagents and output of reaction products, input and output of the coolant, as well as the first and second groups of tubes fixed in the upper and lower tube sheets, characterized in that that the tubes of the first group protrude beyond the lower tube sheet, and the tubes of the second group are made with the location of their ends essentially flush with the lower tube sheet, while the tubes of the first group are distributed essentially evenly over the tube sheet.

2. The bubble shell-and-tube apparatus of claim 1, wherein the apparatus comprises one shell-and-tube section.

3. The bubbling shell-and-tube apparatus of claim 1, wherein the apparatus comprises more than one shell-and-tube section.

4. Bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the tubes of the first group protrude 10-150 mm beyond the lower tube sheet.

5. Bubbling shell-and-tube apparatus according to claim 4, in which the tubes of the first group protrude 50-100 mm beyond the lower tube sheet.

6. Bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the ratio between the number of tubes of the first group and tubes of the second group is from 1:1.25 to 1:5.

7. Bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which in the horizontal section of the section each tube of the first group is surrounded around the perimeter by tubes of the second group.

8. The bubbling shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which at least one tube of the first group adjoins each tube of the second group in the horizontal section of the section.

9. Bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the tubes of the first group are made both of the same and of different lengths.

10. The bubbling shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the tubes of the first group and the tubes of the second group have the same diameter.

11. Bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the diameter of the tubes of the first group is greater than the diameter of the tubes of the second group.

12. Bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the diameter of the tubes of the second group is greater than the diameter of the tubes of the first group.

13. The bubble shell-and-tube apparatus according to claim 1, representing a bubble shell-and-tube reactor.

14. The bubbler shell-and-tube apparatus of claim 1, wherein the tubes of the first group are circulation tubes and the tubes of the second group are bubble tubes.

15. The bubbling shell-and-tube apparatus of claim 1, wherein the reactant input devices include a liquid phase supply device and a gas phase supply device, and the reaction product output devices include a liquid phase output device and a gas phase output device.

16. The method of carrying out chemical reactions in a bubbling shell-and-tube apparatus according to claim 1, in which the liquid phase is supplied with filling the entire free volume in the tubular part of the apparatus;

the gas phase is supplied to the lower part of the apparatus, ensuring that the gas rises to the lower tube sheet and enters the tubes of the second group in such a way that the tubes of the second group work as bubbling tubes;

both sinter the movement of the liquid under the action of the gas up the bubbling tubes;

when reaching the upper part of the apparatus, the gas-liquid mixture is separated;

removing the gas phase from the apparatus;

a smaller part of the liquid phase is withdrawn, while a larger part of the liquid phase, under the action of gravity, begins to fall down the tubes of the first group, which work as circulation tubes.

17. The use of bubbling shell-and-tube apparatus according to claim 1 as an apparatus for carrying out chemical reactions.

18. Use according to claim 17, wherein the chemical reaction is an ethylene oligomerization reaction.

19. Use according to claim 17, wherein the tubes of the first group operate as circulation tubes and the tubes of the second group operate as bubble tubes.

20. Use according to claim 18, wherein the tubes of the first group operate as circulation tubes and the tubes of the second group operate as bubble tubes.