RU2348451C2 - Process vessel for gas-liquid catalytic reactions (versions) - Google Patents
Process vessel for gas-liquid catalytic reactions (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348451C2 RU2348451C2 RU2007112357/12A RU2007112357A RU2348451C2 RU 2348451 C2 RU2348451 C2 RU 2348451C2 RU 2007112357/12 A RU2007112357/12 A RU 2007112357/12A RU 2007112357 A RU2007112357 A RU 2007112357A RU 2348451 C2 RU2348451 C2 RU 2348451C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- tiers
- monolithic catalyst
- distribution
- additional
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения газожидкостных реакций в каналах монолитного катализатора, например, реакций гидрирования олефинов, диенов, стирола, ароматических соединений, а также в реакциях окисления, нитрования, аминирования, сульфирования, цианирования, хлорирования, фторирования, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.The present invention relates to apparatus for conducting gas-liquid reactions in channels of a monolithic catalyst, for example, hydrogenation reactions of olefins, dienes, styrene, aromatic compounds, as well as in oxidation, nitration, amination, sulfonation, cyanidation, chlorination, fluorination reactions, and can be used in chemical, petrochemical, pharmaceutical, food, biotechnological and other industries.
Известен аппарат для проведения газожидкостных каталитических реакций в каналах монолитного катализатора - реактор с монолитным катализатором (МПК7 С01В 3/26, С07С 5/03, С07С 5/00, С07С 5/10, пат. США №6632414, 2003 г.), содержащий корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, патрубки для ввода газа и жидкости в корпус, устройство для диспергирования газа. В реакторе с монолитным катализатором в зависимости от соотношения расходов газа и жидкости может быть реализован один из следующих основных режимов течения: пузырьковый, снарядный, взрывной (эмульсионный) и пленочный (кольцевой). Наиболее эффективным для осуществления газожидкостных реакций принято считать снарядный (другие названия - тейлоровский, сегментированный) режимы течения, когда газ движется в виде вытянутых пузырей - "снарядов", отделенных друг от друга жидкостными снарядами (пробками) (Бауэр Т. Интенсификация гетерогенно-каталических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором / Т.Бауэр, М.Шуберт, Р.Ланге, Р.Ш.Абиев // Журн. прикл. химии, 2006, Т.79, №7, С.1057-1066; Kreutzer, М.Т.Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels / М.T.Kreutzer, F.Kapteijn, J.A.Moulijn. J.J.Heiszwolf // Chemical Engineering Science. - 2005. - V.60 - P.5895-5916). Благоприятными особенностями этого режима являются: хорошее перемешивание внутри жидкостных снарядов, возникающее при циркуляции в них жидкости, а также малая толщина пленки вокруг пузырей, что сокращает длину диффузионного пути для молекул газа. Кроме того, монолитные катализаторы обладают малым гидравлическим сопротивлением (на два порядка ниже, чем в аппаратах с орошаемым катализатором в виде неподвижного насыпного слоя).A known apparatus for conducting gas-liquid catalytic reactions in the channels of a monolithic catalyst is a reactor with a monolithic catalyst (IPC 7
К недостаткам известного аппарата относятся: изменение соотношения расходов жидкости и газа по длине аппарата в ходе вступления газа в реакцию с жидкостью, влекущее за собой изменение режима течения газожидкостной смеси в капиллярах. Переход от снарядного режима течения к пузырьковому приводит к резкому снижению эффективности работы аппарата и требует увеличения его габаритов.The disadvantages of the known apparatus include: a change in the ratio of flow rates of liquid and gas along the length of the apparatus during the gas entering the reaction with the liquid, entailing a change in the flow regime of the gas-liquid mixture in the capillaries. The transition from slug flow to bubble flow leads to a sharp decrease in the efficiency of the apparatus and requires an increase in its dimensions.
Наиболее близким к заявляемому является аппарат для проведения газожидкостных реакций в каналах монолитного катализатора (МПК7 С07С 5/02, B01J 8/04, пат. США №6822128, 2004 г.), содержащий корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, расположенным в виде нескольких последовательно установленных ярусов, патрубки для ввода газа и жидкости в корпус, устройство для диспергирования газа, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами. В известном аппарате ввод газа распределен по длине реактора, что позволяет повысить равномерность распределения газа путем компенсации части прореагировавшего газа. Вместе с тем, в известном изобретении не предусмотрено никаких мер по диспергированию газа и его равномерному распределению по сечению монолитного катализатора.Closest to the claimed is an apparatus for conducting gas-liquid reactions in the channels of a monolithic catalyst (IPC 7 C07C 5/02,
Отсутствие диспергирующих устройств приводит к тому, что пузыри могут оказаться чрезмерно крупными, и объемная доля жидкости в каналах монолитного катализатора будет чрезвычайно малой, что, в свою очередь, повлечет за собой, во-первых, снижение производительности аппарата по жидкой фазе, во-вторых, нерациональное использование вводимого в аппарат газа (Bercic G., Pintar A. The role of gas bubbles and liquid slug lengths on mass transport in the Taylor flow through capillaries // Chem. Eng. Sci. 1997. V.52, №21/22. P.3709-3719).The absence of dispersing devices leads to the fact that the bubbles can be excessively large, and the volume fraction of liquid in the channels of the monolithic catalyst will be extremely small, which, in turn, will entail, firstly, a decrease in the productivity of the apparatus in the liquid phase, and secondly , Irrational use of gas introduced into the apparatus (Bercic G., Pintar A. The role of gas bubbles and liquid slug lengths on mass transport in the Taylor flow through capillaries // Chem. Eng. Sci. 1997. V.52, No. 21 / 22. P.3709-3719).
Неравномерное распределение пузырьков газа по сечению монолитного катализатора также является нежелательным явлением (Бауэр Т. Интенсификация гетерогенно-каталических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором / Т.Бауэр, М.Шуберт, Р.Ланге, Р.Ш.Абиев // Журн. прикл. химии, 2006, Т.79, №7, С.1057-1066). Действительно, если газ будет поступать только в половину каналов монолитного катализатора, то в этих каналах будет избыток газа, и их производительность по жидкости снизится, а в остальных каналах будет двигаться чистая жидкость, и газожидкостная реакция протекать не будет. Таким образом, неравномерное распределение газа по сечению аппарата приводит к неравномерности распределения пузырьков по каналам монолитного катализатора и, как следствие, - к резкому ухудшению степени превращения, к проскоку непрореагировавшей жидкости.Uneven distribution of gas bubbles over the cross section of a monolithic catalyst is also an undesirable phenomenon (T. Bauer Intensification of heterogeneous-catalytic gas-liquid reactions in reactors with a multi-channel monolithic catalyst / T. Bauer, M. Schubert, R. Lange, R.Sh. Abiev // Zhurn. Prikl. Chemistry, 2006, T.79, No. 7, S.1057-1066). Indeed, if the gas enters only half the channels of the monolithic catalyst, then there will be an excess of gas in these channels, and their liquid productivity will decrease, and in the remaining channels pure liquid will move, and the gas-liquid reaction will not proceed. Thus, the uneven distribution of gas over the cross section of the apparatus leads to uneven distribution of bubbles along the channels of the monolithic catalyst and, as a result, to a sharp deterioration in the degree of conversion, to the slip of unreacted liquid.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности работы аппарата за счет увеличения степени превращения реагирующих веществ, увеличения производительности аппарата по жидкой фазе и полноты использования катализатора, а также за счет предотвращения проскока жидкости, не вступившей в реакцию.The objective of the invention is to increase the efficiency of the apparatus by increasing the degree of conversion of reacting substances, increasing the productivity of the apparatus in the liquid phase and the full use of the catalyst, as well as by preventing leakage of liquid that has not entered into a reaction.
Поставленная задача достигается тем, что в аппарате для проведения газожидкостных каталитических реакций, содержащем корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, расположенным в виде нескольких последовательно установленных ярусов, патрубки для ввода газа и жидкости в корпус, устройство для первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами, согласно изобретению в корпусе между ярусами монолитного катализатора за патрубками для дополнительной подачи газа установлены устройства для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, причем каждое из устройств для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа выполнено в виде одной или нескольких последовательно соединенных труб Вентури, состоящих из конфузора, горловины и диффузора.This object is achieved by the fact that in the apparatus for conducting gas-liquid catalytic reactions, comprising a long-shaped housing with a monolithic catalyst installed in it, arranged in the form of several successively installed tiers, nozzles for introducing gas and liquid into the housing, a device for the primary dispersion and distribution of gas through the cross section of the apparatus, as well as the nozzles installed between the tiers of the monolithic catalyst for additional gas supply between the tiers, according to the invention in the housing between the tiers of the monolithic catalyst behind the nozzles for additional gas supply, devices for additional dispersing and distributing gas over the apparatus cross section are installed, each of the devices for primary or additional dispersing and distributing gas is made in the form of one or more series-connected Venturi pipes, consisting of a confuser, a neck and diffuser.
Поставленная задача достигается также тем, что в аппарате для проведения газожидкостных каталитических реакций, содержащем корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, расположенным в виде нескольких последовательно установленных ярусов, патрубки для ввода газа и жидкости в корпус, устройство для первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами, согласно изобретению в корпусе между ярусами монолитного катализатора за патрубками для дополнительной подачи газа установлены устройства для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, причем каждое из устройств для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа выполнено в виде крыльчатки, установленной неподвижно в корпусе аппарата.The task is also achieved by the fact that in the apparatus for conducting gas-liquid catalytic reactions, containing an extended body with a monolithic catalyst installed in it, located in the form of several successively installed tiers, nozzles for introducing gas and liquid into the body, a device for primary dispersion and distribution of gas along the cross section of the apparatus, as well as nozzles installed between the tiers of the monolithic catalyst for additional gas supply between the tiers, according to the invention in The housing between the tiers of the monolithic catalyst behind the nozzles for additional gas supply is equipped with devices for additional dispersion and distribution of gas over the cross section of the apparatus, each of the devices for primary or additional dispersion and distribution of gas is made in the form of an impeller mounted motionless in the apparatus body.
Поставленная задача достигается также тем, что в аппарате для проведения газожидкостных каталитических реакций, содержащем корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, расположенным в виде нескольких последовательно установленных ярусов, патрубки для ввода газа и жидкости в корпус, устройство для первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами, согласно изобретению в корпусе между ярусами монолитного катализатора за патрубками для дополнительной подачи газа установлены устройства для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, причем каждое из устройств для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа выполнено в виде одной или нескольких последовательно соединенных труб Вентури, состоящих из конфузора, горловины и диффузора, и крыльчатки, неподвижно закрепленной в корпусе аппарата перед каждой трубой Вентури. При этом угол раскрытия конфузора трубы Вентури выполнен в пределах от 10 до 40°, а угол раскрытия диффузора трубы Вентури выполнен в пределах от 4 до 20°.The task is also achieved by the fact that in the apparatus for conducting gas-liquid catalytic reactions, containing an extended body with a monolithic catalyst installed in it, located in the form of several successively installed tiers, nozzles for introducing gas and liquid into the body, a device for primary dispersion and distribution of gas along the cross section of the apparatus, as well as nozzles installed between the tiers of the monolithic catalyst for additional gas supply between the tiers, according to the invention in The device between the tiers of the monolithic catalyst behind the nozzles for additional gas supply is equipped with devices for additional dispersion and distribution of gas over the cross section of the apparatus, each of the devices for primary or additional dispersion and distribution of gas is made in the form of one or more series-connected Venturi pipes, consisting of a confuser, the neck and diffuser, and the impeller, motionlessly fixed in the casing of the apparatus in front of each venturi. In this case, the opening angle of the venturi pipe confuser is made in the range from 10 to 40 °, and the opening angle of the venturi pipe diffuser is made in the range from 4 to 20 °.
Техническим результатом является повышение эффективности работы аппарата и степени превращения реагирующих веществ, увеличение производительности аппарата по жидкой фазе и полноты использования катализатора, предотвращение проскока жидкости, не вступившей в реакцию. Этот результат достигается за счет повышения равномерности распределения газовой и жидкой фаз как по длине аппарата, так и по сечению монолитных катализаторов, а также за счет достижения оптимальных размеров пузырей и жидкостных снарядов в каналах монолитных катализаторовThe technical result is to increase the efficiency of the apparatus and the degree of conversion of the reacting substances, increase the productivity of the apparatus in the liquid phase and the full use of the catalyst, preventing leakage of liquid that has not entered into a reaction. This result is achieved by increasing the uniformity of the distribution of the gas and liquid phases both along the length of the apparatus and along the cross section of monolithic catalysts, as well as by achieving optimal sizes of bubbles and liquid shells in the channels of monolithic catalysts
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.
На фиг.1, а представлена схема аппарата, в корпусе которого между ярусами монолитного катализатора за патрубками для дополнительной подачи газа установлены устройства для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата. При этом каждое из устройств для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа выполнено в виде одной или несколько последовательно соединенных труб Вентури. На фиг.1, б представлен вариант исполнения патрубков для дополнительной подачи газа, к которым присоединены сопла, установленные соосно по отношению к корпусу аппарата.Figure 1, a shows a diagram of the apparatus, in the case of which between the tiers of the monolithic catalyst behind the nozzles for additional gas supply are installed devices for additional dispersion and distribution of gas over the cross section of the apparatus. Moreover, each of the devices for primary or additional dispersion and distribution of gas is made in the form of one or more series-connected Venturi pipes. Figure 1, b shows an embodiment of the nozzles for additional gas supply, to which are attached nozzles mounted coaxially with respect to the apparatus body.
На фиг.2 представлена схема аппарата, в котором каждое из устройств для диспергирования и распределения газа по сечению аппарата выполнено в виде крыльчатки, установленной неподвижно в корпусе аппарата.Figure 2 presents a diagram of the apparatus, in which each of the devices for dispersing and distributing gas over the cross section of the apparatus is made in the form of an impeller mounted motionless in the apparatus body.
На фиг.3, а, б представлены схемы аппаратов, в корпусе которых между ярусами монолитного катализатора за патрубками для дополнительной подачи газа последовательно установлены одно (на фиг.3, а - по одному) или несколько (на фиг.3, б - по три) устройств для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата. При этом каждое из устройств для диспергирования и распределения газа по сечению аппарата выполнено в виде трубы Вентури, причем перед каждой трубой Вентури установлена крыльчатка, неподвижно закрепленная в корпусе аппарата. Для достижения наибольшей эффективности диспергирования и распределения газа к патрубкам для дополнительной подачи газа между ярусами могут быть присоединены сопла, установленные соосно по отношению к корпусу аппарата, причем выходной конец каждого сопла находится в зоне горловины трубы Вентури, как показано на фиг.3, в.Figure 3, a, b shows a diagram of the apparatus, in the case of which between the tiers of the monolithic catalyst behind the nozzles for additional gas supply, one or more (in Fig. 3, a - one at a time) or several (in Fig. 3, b - each three) devices for additional dispersion and distribution of gas over the cross section of the apparatus. In addition, each of the devices for dispersing and distributing gas over the cross section of the apparatus is made in the form of a venturi, with an impeller installed in front of each venturi, fixedly mounted in the apparatus body. In order to achieve the greatest efficiency of dispersing and distributing gas, nozzles mounted coaxially with respect to the apparatus body can be connected to nozzles for additional gas supply between the tiers, with the outlet end of each nozzle located in the neck of the Venturi pipe, as shown in Fig. 3, c.
Угол раскрытия конфузора трубы Вентури предпочтительно выполнен в пределах от 10 до 40°, а угол раскрытия диффузора трубы Вентури выполнен в пределах от 4 до 20°. Кроме того, к патрубкам для дополнительной подачи газа между ярусами могут быть присоединены сопла, установленные соосно по отношению к корпусу аппарата, причем выходной конец каждого сопла находится в зоне горловины трубы Вентури.The opening angle of the venturi pipe confuser is preferably made in the range from 10 to 40 °, and the opening angle of the venturi pipe diffuser is made in the range from 4 to 20 °. In addition, nozzles mounted coaxially with respect to the apparatus body can be connected to the nozzles for additional gas supply between the tiers, the outlet end of each nozzle being in the neck of the venturi.
На фиг.4 показаны картины диспергирования газа и его равномерного распределения после прохождения газожидкостной смеси через трубу Вентури (фиг.4, а), через крыльчатку (фиг.4, б) и через трубу Вентури с крыльчаткой при вводе газа перед крыльчаткой (фиг.4, в) и при вводе газа в горловину (фиг.4, г). Стрелками изображены характерные линии тока жидкости, форма которых способствует растяжению и дроблению исходных пузырей, и последующему распределению полученных мелкодисперсных пузырей по поперечному сечению аппарата.Figure 4 shows the patterns of dispersion of the gas and its uniform distribution after the gas-liquid mixture passes through the venturi (figure 4, a), through the impeller (figure 4, b) and through the venturi with the impeller when gas is introduced in front of the impeller (Fig. 4c) and when gas is introduced into the neck (Fig. 4d). The arrows show the characteristic fluid flow lines, the shape of which contributes to the stretching and crushing of the initial bubbles, and the subsequent distribution of the obtained finely dispersed bubbles over the cross section of the apparatus.
Предлагаемый аппарат содержит корпус 1 протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором 2, расположенным в виде нескольких последовательно установленных ярусов (ступеней) (на фиг.3, а - четыре яруса, на фиг.3, б - три яруса; номера ярусов указаны в скобках римскими цифрами), патрубок 3 для ввода газа и патрубок 4 для ввода жидкости в корпус 1, устройство 5 для первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора 2 патрубки 6 для дополнительной подачи газа между ярусами. В корпусе 1 между ярусами монолитного катализатора 2 за патрубками 6 последовательно установлены (по одному между ярусами) устройства 7 для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата. Устройства 5 и 7 для диспергирования и распределения газа по сечению аппарата выполнены в виде трубы Вентури 8 и крыльчаток 9, установленных неподвижно в корпусе 1 аппарата перед каждой трубой Вентури 8 (фиг.3, а). В составе устройств 5 и 7 может быть нескольких труб Вентури 8 и установленных перед ними крыльчаток 9 (на фиг.3, б показано по три трубы Вентури 8 и по три установленных перед ними крыльчатки 9). К патрубкам 6 для дополнительной подачи газа могут быть присоединены сопла 10, установленные соосно по отношению к корпусу 1 (см. фиг.3, в). Трубы Вентури 8 состоят из конфузора 11, горловины 12 и диффузора 13, причем угол раскрытия конфузоров 11 трубы Вентури 8 выполнен в пределах от 10 до 40°, а угол раскрытия диффузоров 13 трубы Вентури 8 выполнен в пределах от 4 до 20°, что позволяет сократить потери энергии (гидравлические потери). Выходной конец сопел 10 находится в зоне горловины 12 трубы Вентури 8, что позволяет вводить газ в зону, где максимальное разрежение сочетается с максимальной скоростью сдвига. Это способствует более эффективному преобразованию потенциальной энергии потока в поверхностную энергию вновь образовавшихся пузырей, т.е. приводит к улучшению качества диспергирования пузырей.The proposed apparatus comprises a
Аппарат работает следующим образом. В корпус 1 через патрубки 3 и 4 соответственно подаются газ и жидкость, которые попадают в устройство 5 для первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата. В устройстве 5 происходит частичное преобразование потенциальной энергии давления в кинетическую энергию поступательного и вращательного движения газожидкостной смеси (за счет формы труб Вентури и крыльчаток соответственно). В результате возникновения больших ускорений потока, а также мощного сдвигового поля происходит диспергирование газа (главным образом в горловине 12 трубы Вентури 8 и в зоне крыльчаток 9), а при дальнейшем расширении потока (в диффузоре 13 трубы Вентури 8) образовавшиеся пузырьки равномерно распределяются по поперечному сечению аппарата. Далее газожидкостная смесь с равномерно распределенными пузырьками газа поступает в монолитный катализатор 2 первого яруса, при прохождении через него происходит каталитическая реакция, в ходе которой расходуется часть газа. Для компенсации прореагировавшего газа дополнительно вводится газ через патрубки 6. Свежие порции газа, а также непрореагировший газ, выходящий из монолитного катализатора 2, подвергаются дополнительному (повторному) диспергированию и распределению по поперечному сечению аппарата при помощи устройств 7, конструкция которых выполнена такой же, как и конструкция устройства 5, после чего газожидкостная смесь поступает в монолитный катализатор следующего яруса. Аналогичным образом осуществляется перемещение фаз от второго яруса к третьему и т.д. Количество ярусов монолитного катализатора 2 подбирают так, чтобы обеспечить необходимую полноту протекания реакции (степень превращения исходных реагентов).The device operates as follows. In the
Необходимая степень диспергирования газа может достигаться установкой нескольких труб Вентури 8 и установленных перед ними крыльчаток 9 в составе устройств 5 и 7 (на фиг.3, б показано по три трубы Вентури 8 и по три крыльчатки 9), подбором оптимального соотношения диаметров корпуса 1 и горловины 12, установкой неподвижно в корпусе 1 аппарата крыльчаток 9 с оптимальным углом наклона лопастей.The necessary degree of gas dispersion can be achieved by installing
При присоединении к патрубкам 6 для дополнительной подачи газа сопел 10, установленных соосно по отношению к корпусу 1, достигается ввод газа в зоне горловины 12 трубы Вентури 8, т.е. в той зоне, где скорость жидкости и скорость сдвига максимальны, а давление минимально. Это способствует облегченному всасыванию газа, способствует улучшению качества диспергирования газа и, как следствие, позволяет повысить эффективность работы аппарата.When connecting
Диспергирование газа и распределение образовавшихся пузырьков по сечению аппарата позволяет в устройствах 5 и 7 создать газожидкостную смесь с оптимальными размерами пузырей, которые при попадании в каналы монолитного катализатора 2 обеспечивают снарядный режим течения.Dispersing the gas and distributing the resulting bubbles over the cross section of the apparatus allows
На фиг.4 показано, что за счет особенностей течений, формируемых в трубе Вентури (фиг.4, а) и за крыльчаткой (фиг.4, б), а также в устройстве, сочетающем трубу Вентури и крыльчатку (фиг.4, в, г), происходит эффективное диспергирование (дробление) пузырей и их равномерное распределение по поперечному сечению аппарата (линии тока изображены в виде стрелок).Figure 4 shows that due to the characteristics of the currents formed in the venturi (figure 4, a) and behind the impeller (figure 4, b), as well as in the device that combines the venturi and the impeller (figure 4, c , d), there is an effective dispersion (crushing) of bubbles and their uniform distribution over the cross section of the apparatus (streamlines are shown in the form of arrows).
Указанные особенности течений связаны со следующими обстоятельствами. В трубе Вентури сначала происходит сужение потока в конфузоре 11 (фиг.1), сопровождающееся возникновением радиальной компоненты скорости и ее градиента, порождающего соответствующие касательные напряжения в жидкости, за счет чего пузыри вытягиваются в горловине 12 (фиг.1), приобретая сигарообразную форму. Благодаря высоким сдвиговым напряжениям в горловине 12 (а именно там диссипируется наибольшее количество кинетической энергии потока) и высоким относительным скоростям в зоне горловины происходит потеря устойчивой формы пузырей, что приводит к их интенсивному дроблению. Далее происходит расширение потока в диффузоре 13 (фиг.1). При оптимальной геометрии трубы Вентури (угол раскрытия конфузора трубы Вентури предпочтительно выполнен в пределах от 10 до 40°, а угол раскрытия диффузора трубы Вентури выполнен в пределах от 4 до 20°) расширение потока происходит без его отрыва от стенок диффузора, и микропотоки жидкости (линии тока показаны на фиг.4 стрелками) равномерно распределяют пузыри, сформировавшиеся вблизи горловины, по поперечному сечению аппарата. Таким образом достигается высокая эффективность диспергирования и распределения пузырей при использовании трубы Вентури.These features of the currents are associated with the following circumstances. In the venturi, the flow first narrows in confuser 11 (Fig. 1), accompanied by the appearance of a radial velocity component and its gradient, which generates the corresponding tangential stresses in the fluid, due to which the bubbles are elongated in the neck 12 (Fig. 1), acquiring a cigar-shaped shape. Due to the high shear stresses in the neck 12 (namely, there the largest amount of kinetic energy of the flow is dissipated) and high relative velocities in the neck zone, the stable shape of the bubbles is lost, which leads to their intense fragmentation. Next, there is an expansion of the flow in the diffuser 13 (figure 1). With optimal geometry of the Venturi pipe (the opening angle of the venturi of the venturi is preferably in the range of 10 to 40 °, and the opening angle of the diffuser of the Venturi is in the range of 4 to 20 °), the flow expands without separation from the walls of the diffuser, and microflows of the liquid ( the streamlines are shown in FIG. 4 by arrows) evenly distribute the bubbles formed near the neck over the cross section of the apparatus. Thus, a high efficiency of dispersion and distribution of bubbles is achieved when using a venturi.
В аппарате, в котором устройства для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа выполнены в виде крыльчатки (фиг.4, б), установленной неподвижно в корпусе аппарата, происходит закручивание потока жидкости, в который вводится газ. Под действием центробежного поля, формируемого в зоне крыльчатки, газ затягивается в вихревую зону, одновременно приобретая форму вытянутых пузырей, где под действием мощного сдвигового поля и высоких относительных скоростей пузыри сильно деформируются, происходит потеря устойчивой формы пузырей, что приводит к их последующему распаду на множество мелких пузырей. За крыльчаткой под действием сил инерции поток продолжает вращательное движение, которое постепенно затухает вниз по потоку. За счет этого центробежная сила, действующая на пузыри в зоне за крыльчаткой, также ослабевает. Пузыри, оказавшиеся на разных радиусах вблизи крыльчатки, под действием переменной по радиусу центробежной силы равномерно распределяются по поперечному сечению аппарата. Таким путем достигается высокая эффективность диспергирования и распределения пузырей при использовании крыльчатки.In the apparatus, in which the devices for primary or additional dispersion and distribution of gas are made in the form of an impeller (Fig. 4, b), which is installed motionlessly in the apparatus body, there is a twisting of the fluid flow into which the gas is introduced. Under the influence of a centrifugal field formed in the zone of the impeller, the gas is drawn into the vortex zone, at the same time acquiring the shape of elongated bubbles, where under the influence of a powerful shear field and high relative velocities the bubbles are strongly deformed, the stable shape of the bubbles is lost, which leads to their subsequent decay into many small bubbles. Behind the impeller, under the action of inertia forces, the flow continues to rotate, which gradually attenuates downstream. Due to this, the centrifugal force acting on the bubbles in the area behind the impeller also weakens. Bubbles that are at different radii near the impeller, under the action of a variable along the radius of the centrifugal force, are evenly distributed over the cross section of the apparatus. In this way, a high efficiency of dispersion and distribution of the bubbles when using the impeller is achieved.
При сочетании труб Вентури и крыльчаток (фиг.4, в, г) описанные выше эффекты складываются, что приводит к улучшению качества диспергирования и распределения газа по поперечному сечению аппарата.With a combination of venturi tubes and impellers (Fig. 4, c, d), the effects described above are added up, which leads to an improvement in the quality of dispersion and gas distribution over the cross section of the apparatus.
Снарядный режим является наилучшим с точки зрения достижения максимальных показателей массопереноса (Бауэр Т. Интенсификация гетерогенно-каталических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором / Т.Бауэр, М.Шуберт, Р.Ланге, Р.Ш.Абиев // Журн. прикл. химии, 2006, Т.79, №7, С.1057-1066; Kreutzer, М.Т.Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels / М.T.Kreutzer, F.Kapteijn, J.A.Moulijn, J.J.Heiszwolf // Chemical Engineering Science. - 2005. - V.60 - P.5895-5916). Дополнительный ввод газа позволяет скомпенсировать то его количество, которое было израсходовано в ходе каталитической реакции. Использование трубы Вентури в качестве диспергатора газа позволяет сократить потери энергии, т.е. гарантирует высокий коэффициент преобразования потенциальной энергии потока в энергию диспергирования пузырей. Выполнение углов раскрытия конфузора 11 трубы Вентури 8 в пределах от 10 до 40°, а углов раскрытия диффузоров 13 трубы Вентури 8 в пределах от 4 до 20° позволяет сократить энергетические затраты (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 559 с.), а значит, более эффективно использовать вводимую в аппарат энергию. Это создает предпосылки для получения более мелких пузырей и позволяет более равномерно распределить их по каналам монолитного катализатора 2. Использование крыльчаток 9 позволяет закрутить поток, а затем трансформировать энергию вращательного движения жидкости и возникающее центробежное поле для диспергирования газа и его равномерного распределения по сечению аппарата. Сочетание (суперпозиция, наложение) вращательного движения с пульсациями параметров потока (скорости, давления, ускорения) способствует еще большему улучшению степени диспергирования пузырей и их более равномерному распределению по сечению монолитного катализатора 2.Shell mode is the best from the point of view of achieving maximum mass transfer (Bauer T. Intensification of heterogeneous-catalytic gas-liquid reactions in reactors with a multi-channel monolithic catalyst / T. Bauer, M. Schubert, R. Lange, R.Sh. Abiev // J. Prikl. Chemistry, 2006, Vol. 79, No. 7, P.1057-1066; Kreutzer, M.T. Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels / M.T. Kreutzer, F. Kapteijn, JAMoulijn, JJ Heiszwolf // Chemical Engineering Science. - 2005. - V.60 - P.5895-5916). An additional gas input allows you to compensate for the amount that was consumed during the catalytic reaction. The use of a Venturi pipe as a gas dispersant reduces energy losses, i.e. guarantees a high coefficient of conversion of the potential energy of the flow into the energy of dispersion of the bubbles. The opening angles of the
Пример конкретного выполнения. В аппараты, схема которых показана на фиг.3,а, б, через патрубок 4 подается органическая жидкость, а через патрубок 3 вводится водород. После прохождения через устройство 5 в результате первичного диспергирования и равномерного распределения по сечению аппарата образуется газожидкостная смесь с пузырьками диаметром 1.5÷1.7 мм, равномерно распределенная по сечению аппарата. При попадании в каналы монолитного катализатора 2, сечение которого выполнено квадратным со стороной 1 мм, пузырьки вытягиваются, приобретая форму снарядов (пробок, поршней) и имея длину ≈2.2÷3.3 мм. Течение газожидкостной смеси в каналах монолитного катализатора 2 реализуется в снарядном режиме, что способствует оптимальному протеканию реакционных и массообменных процессов. На выходе из первого яруса в газожидкостной смеси остается 30% от первоначального количества введенного газа, поэтому в патрубок 6 между первым и вторым ярусами монолитного катализатора 2 для компенсации прореагировавшего газа вводится водород с расходом, составляющим 70% от вводимого через патрубок 3. Вновь поступивший водород, как и остатки непрореагировавшего водорода, в устройстве 7 подвергается дополнительному (повторному) диспергированию и равномерному распределению по сечению аппарата, и затем вместе с жидкостью поступает в монолитный катализатор 2 второго яруса. Далее процесс повторяется в третьем ярусе (а при большем их количестве - и далее).An example of a specific implementation. In the apparatus, the scheme of which is shown in Fig. 3, a, b, organic liquid is supplied through the pipe 4, and hydrogen is introduced through the
Таким образом, в каждом ярусе монолитного катализатора, во-первых, поддерживается оптимальное соотношение газ : жидкость; во-вторых, течение газожидкостной смеси происходит в наиболее эффективном (снарядном) режиме; в-третьих, газ в монолитный катализатор 2 вводится в виде пузырьков с оптимальными размерами (при формировании более мелких пузырьков - менее 1.2 мм - режим течения станет пузырьковым, а если пузырьки будут значительно крупнее - более 2 мм - уменьшится производительность аппарата по жидкой фазе). Наконец, в-четвертых, пузырьки газа равномерно распределяются по всем каналам монолитного катализатора 2 в каждом ярусе, что способствует более полному использованию катализатора и препятствует проскоку непрореагировавшей жидкости.Thus, in each tier of the monolithic catalyst, firstly, the optimal gas: liquid ratio is maintained; secondly, the gas-liquid mixture flows in the most efficient (projectile) mode; thirdly, the gas is introduced into the
Аналогичные результаты получаются и при использовании аппаратов, изображенных на фиг.1 и 2.Similar results are obtained when using the devices depicted in figures 1 and 2.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность работы аппарата, а именно повысить степень превращения реагирующих веществ, увеличить производительность аппарата по жидкой фазе и полноту использования катализатора, предотвратить проскок жидкости, не вступившей в реакцию.Thus, the present invention allows to increase the efficiency of the apparatus, namely to increase the degree of conversion of reacting substances, to increase the productivity of the apparatus in the liquid phase and the full use of the catalyst, to prevent leakage of liquid that has not entered into a reaction.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007112357/12A RU2348451C2 (en) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | Process vessel for gas-liquid catalytic reactions (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007112357/12A RU2348451C2 (en) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | Process vessel for gas-liquid catalytic reactions (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007112357A RU2007112357A (en) | 2008-10-20 |
| RU2348451C2 true RU2348451C2 (en) | 2009-03-10 |
Family
ID=40040807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007112357/12A RU2348451C2 (en) | 2007-04-03 | 2007-04-03 | Process vessel for gas-liquid catalytic reactions (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2348451C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614283C1 (en) * | 2016-02-15 | 2017-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Device for dispersing droplets or bubbles in liquid in micro-channels and method for operation thereof |
| RU2625980C1 (en) * | 2016-09-19 | 2017-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method of producing suspension of high-dispersed particles of inorganic and organic materials and apparatus for its implementation |
| RU2652222C1 (en) * | 2017-03-27 | 2018-04-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Multi-channel micro-reactor |
| RU216750U1 (en) * | 2022-12-07 | 2023-02-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Лиматех" | Aerator-adsorber |
-
2007
- 2007-04-03 RU RU2007112357/12A patent/RU2348451C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614283C1 (en) * | 2016-02-15 | 2017-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Device for dispersing droplets or bubbles in liquid in micro-channels and method for operation thereof |
| RU2625980C1 (en) * | 2016-09-19 | 2017-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method of producing suspension of high-dispersed particles of inorganic and organic materials and apparatus for its implementation |
| RU2652222C1 (en) * | 2017-03-27 | 2018-04-25 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Multi-channel micro-reactor |
| RU216750U1 (en) * | 2022-12-07 | 2023-02-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Лиматех" | Aerator-adsorber |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007112357A (en) | 2008-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4994242A (en) | Jet impingement reactor | |
| US8303164B2 (en) | Low-pressure-drop mixing device and use thereof in the mixing of two gases/vapours | |
| US4973770A (en) | Manufacture of organic nitro compounds | |
| USRE48466E1 (en) | Modular reactor | |
| US6257754B1 (en) | Mixing device and flue gas channel provided therewith | |
| CN109675453B (en) | Gas-liquid mixing equipment and application | |
| RU2348451C2 (en) | Process vessel for gas-liquid catalytic reactions (versions) | |
| WO2012011844A1 (en) | Gas-liquid reactor (variant embodiments) | |
| WO2001064333A2 (en) | Tubular reactor, process for conducting liquid/liquid multiphase reactions in a tubular reactor, and a process for ring-nitrating aromatic compounds | |
| JPH11503070A (en) | Apparatus and method for oxidizing aqueous media | |
| CN113457591B (en) | Microchannel reactor | |
| US20090251989A1 (en) | Streamlined flow mixer | |
| CN105121401A (en) | Method for producing nitroalkanes in a microstructured reactor | |
| US6863121B2 (en) | Flow distributor for an alkylation reactor or heat exchanger | |
| CN111434377B (en) | Coil microreactor and microreactor system | |
| RU2420349C1 (en) | Apparatus for liquid-gas and/or liquid-liquid processes and method of its operation | |
| RU2614283C1 (en) | Device for dispersing droplets or bubbles in liquid in micro-channels and method for operation thereof | |
| RU2652222C1 (en) | Multi-channel micro-reactor | |
| CN111111600A (en) | Reactor with a reactor shell | |
| RU2342990C1 (en) | Method of mass-exchange and reaction processes in liquid-liquid, liquid-gas systems and associated plant (versions) | |
| CA2036174C (en) | Jet-impingement reactor | |
| CN109678121B (en) | High-efficiency hydrogenation process and system for producing hydrogen peroxide by anthraquinone method | |
| RU2294320C2 (en) | Method of alkylation of benzene and alkylator for realization of this method | |
| RU2146556C1 (en) | Methyl formate synthesis reactor | |
| RU2393005C1 (en) | Method of conducting gas-fluid reactions in reactor with monolithic catalyst |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140404 |