RU2393005C1 - Способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам проведения газожидкостных реакций в реакторах с монолитным катализатором и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности, а также в аналитической химии при использовании капиллярных каналов в качестве устройств для анализа проб в микросистемах. Способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором включает диспергирование газа в жидкости при помощи диспергатора, подачу газожидкостной смеси в капиллярные каналы и дополнительную подачу газа между ярусами. Непрерывно измеряют количество газовых пузырей N. образующихся на выходе из диспергатора в течение интервала измерений Т. Расходы жидкости и газа задают такими, чтобы частота образования пузырей составляла не менее предельного значения расчетной частоты образования газовых пузырей, в противном случае подают управляющие сигналы, направленные либо на уменьшение расхода жидкости, либо на увеличение расхода газа, либо на улучшение степени диспергирования. Изобретение позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов при проведении газожидкостных каталитических реакций, достичь оптимальных параметров процесса, сократить стоимость оборудования и снизить энергетические затраты на преодоление сопротивления реактора. 3 ил.

Description

Изобретение относится к способам проведения газожидкостных реакций в реакторах с монолитным катализатором, например, для осуществления реакций гидрогенизации 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, а также в аналитической химии при использовании капиллярных каналов в качестве устройств для анализа проб в микросистемах (M.T.Kreutzer, A.Guenther, K.F.Jensen Sample Dispersion for Segmented Flow in Microchannels with Rectangular Cross Section // Anal. Chem. 2008, V.80. P.1558-1567).

Известен способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором (МПК⁷ C01B 3/26, C07C 5/03, C07C 5/00, C07C 5/10, пат. США №6632414, 2003 г.), заключающийся в подаче в капиллярные каналы монолитного катализатора газа и жидкости. 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 (далее - слагами) (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, M.T.Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels / M.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).

В ряде исследований доказано существенное влияние длины пузырей и длины слагов на интенсивность массопереноса в капиллярах от газа к жидкости и далее - к поверхности капилляра. Так, в работе (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. Vol.52. Nos. 21-22. P.3709-3719) определялась массоотдача от газа к жидкости (по количеству метана, переходящего из пузырей в воду) и от жидкости - к поверхности капилляров диаметром 1.5, 2.5 и 3.1 мм (по количеству бензойной кислоты, растворяемой водой). Длина пузырей в диапазоне от 3 до 11 мм практически не влияла на массоперенос от газа к жидкости, и лишь для коротких пузырей (длиной 1 мм, L_b/d_c<0.67) массоотдача снижалась на 20-25%), а увеличение длины слагов приводило к заметному ухудшению массопереноса (например, при увеличении L_s от 1 мм до 5.5 мм объемный коэффициент массоотдачи k_GLv уменьшался с 0.065 до 0.025 с^-1, т.е. более чем вдвое).

На массоотдачу на границе жидкость - твердая стенка оказывают влияние обе длины: с ростом длины пузырей коэффициент массоотдачи плавно и незначительно растет (с 0.095 до 0.12 с^-1 при увеличении L_b от 1 мм до 5.5 мм, т.е. примерно на 25% при увеличении длины пузыря в 5.5 раз), а при увеличении длины слагов L_s от 1 мм до 5.5 мм объемный коэффициент массоотдачи k_SLv снижается с 0.095 до 0.045 с^-1. Аналогичные результаты получены при каталитическом гидрировании нитрит-ионов в керамических капиллярах с нанесенным на них катализатором (Pd) (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. Vol.52. No.21-22. P.3709-3719).

Влияние длины слагов на массоперенос в обоих случаях объясняется через усиление скорости циркуляции в них при сокращении их длины (Thulasidas T.C., Abraham M.A., Cerro R.L. Flow patterns in liquid slugs during bubble-train flow inside capillaries // Chem. Eng. Sci. 1997. V.52, 2947-2962; Tsoligkas A.N., Simmons M.J.H., Wood J. The effect of hydrodynamics on reaction rates in capillary reactor // 6th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2007, Leipzig, Germany, July 9-13, 2007). Ухудшение массоотдачи от стенки при росте длины пузырей связано, по-видимому, с сокращением доли длины капилляра, занятой жидкостными снарядами.

В работе (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. Vol.52. Nos. 21-22. P.3709-3719) показано также, что основную роль в массопереносе между жидкостью с растворенным в ней газом и поверхностью капилляра играют жидкостные снаряды, а не пленка вокруг пузырей.

Таким образом, выполненные ранее исследования показывают, что для оптимального ведения процесса длина слагов и длина пузырей должна быть ограничена. В противном случае снижается общая эффективность массопереноса.

К недостаткам известного способа относятся: отсутствие контроля за размерами пузырей и жидкостных снарядов в капиллярах монолитного катализатора, обеспечивающих оптимальные условия массопереноса с каталитической реакцией в капиллярах монолитного катализатора.

Наиболее близким к заявляемому является способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором (МПК⁷ C07C 5/02, B01J 8/04, пат. США №6822128, 2004 г.), заключающийся в подаче в капиллярные каналы монолитного катализатора газа и жидкости, причем ввод газа распределен по длине реактора, что позволяет повысить равномерность распределения газа путем компенсации части прореагировавшего газа.

К недостаткам известного способа относятся: отсутствие контроля за размерами пузырей и жидкостных снарядов в капиллярах монолитного катализатора, в результате чего процесс может протекать в условиях, далеких от оптимальных. Вследствие этого снизится выход газожидкостных реакций, сопровождающихся массопереносом. Для их более полного протекания потребуется увеличение длины реактора, что повлечет за собой рост его стоимости и повышение текущих затрат на преодоление сопротивления более длинного реактора.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности массообменных и реакционных процессов при проведении газожидкостных каталитических реакций, в достижении оптимальных параметров процесса, сокращении стоимости оборудования и снижении энергетических затрат на преодоление сопротивления реактора.

Поставленная задача решается тем, что в способе проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором, заключающемся в диспергировании газа в жидкости при помощи диспергатора, подаче газожидкостной смеси в капиллярные каналы монолитного катализатора, расположенного в реакторе в один или несколько ярусов, каждый из которых представляет собой совокупность параллельных каналов в количестве n_c, и дополнительной подаче газа между ярусами, согласно изобретению непрерывно измеряют количество газовых пузырей N, образующихся на выходе из диспергатора в течение интервала измерений T, а расходы жидкости и газа задают такими, чтобы частота образования пузырей, определяемая по расчетной формуле

где N_ср - среднее количество газовых пузырей, приходящееся на один канал монолитного катализатора, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений Т, шт, которое рассчитывают по формуле

где Т - продолжительность интервала измерений, с;

n_c - количество параллельных капиллярных каналов в ярусах монолитного катализатора, шт,

составляла не менее предельного значения расчетной частоты образования газовых пузырей, которую вычисляют по расчетной формуле

где L_с - суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах, м;

d_c - гидравлический диаметр каналов в монолитных катализаторах, м;

K_N - коэффициент неравномерности распределения числа газовых пузырей по каналам монолитного катализатора, отн. ед.,

который рассчитывают согласно формуле

где N_max - максимальное количество газовых пузырей, приходящееся на один канал монолитного катализатора, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений Т, шт;

N_min - минимальное количество газовых пузырей, приходящееся на один канал монолитного катализатора, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений Т, шт,

то есть параметры процесса задают такими, чтобы выполнялось неравенство

в противном случае, подают управляющие сигналы в следующей очередности: сначала подают управляющие сигналы, направленные на уменьшение расхода жидкости; затем, если при уменьшении расхода жидкости неравенство (5) не выполняется, и расход жидкости более уменьшать нельзя, подают управляющие сигналы, направленные на увеличение расхода газа; а если после вышеперечисленных воздействий неравенство (5) не выполняется, подают управляющие сигналы, направленные на улучшение степени диспергирования газа в диспергаторе.

Заявляемый способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором за счет управления длиной снарядных пузырей и длиной слагов и достижения оптимальных их значений позволяет обеспечить снарядный режим течения газожидкостной смеси в капиллярных каналах монолитного катализатора, что, в свою очередь, позволяет повысить эффективность массообмена от газа к жидкости, и от жидкости - к твердой поверхности капилляров с активными центрами, а в целом позволяет снизить стоимость реакторов и сократить энергетические затраты.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг.1 представлены схема реального снарядного течения в капиллярах (фиг.1а) и схема снарядного течения пузырей цилиндрической формы с объемом, эквивалентным объему реальных пузырей (фиг.1б). На фиг.1 использованы обозначения: A_b - площадь поперечного сечения пузыря, м²; A_c - площадь поперечного сечения капилляра, м²; L_UC - длина ячейки (включающей один пузырь и один жидкостной снаряд), м; L_b - длина пузыря, м; R - радиус капилляра, м; R_b - радиус пузыря, м; U_b - скорость пузыря, м/с; U_s - скорость жидкости в жидкостном снаряде, приведенная к полному сечению капилляра (скорость двухфазного потока), м/с; V_b - объем пузыря, м³; V_f - объем жидкости в пленке, м³; V_s - объем жидкости в жидкостном снаряде (слаге), м³. На фиг.2 и 3 показаны примеры принципиальной схемы реактора с монолитным катализатором, в которой реализован предлагаемый способ. На фиг.2 монолитный катализатор расположен в реакторе в один ярус длиной L_я, а суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах L_с=L_я, на фиг.3 монолитный катализатор расположен в реакторе в два яруса длиной L_я каждый, а суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах L_с=N_яL_я=2L_я, где N_я - число ярусов, на фиг.3 - число ярусов N_я=2.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. В реакторе с монолитным катализатором 1, представляющим собой совокупность параллельных каналов 2 в количестве n_с, непрерывно измеряют количество газовых пузырей 3 (газ - водород, кислород, фтор, хлор, озон и т.д. либо их смеси с инертными газами, в зависимости от проводимой реакции), образующихся на выходе из диспергатора 4 в течение интервала измерений Т. Попадая в каналы 2, пузыри 3 приобретают форму пузырей-снарядов 5. Количество N пузырей 3, образующихся на выходе из диспергатора 4, измеряют при помощи датчика 6 (например, инфракрасного, оптического, датчика электрического сопротивления и т.п.), что позволяет по формулам (1)-(2) определить среднее количество пузырей N_ср, приходящееся на один канал монолитного катализатора и частоту образования пузырей f_b. Сигнал с датчика 6 подается на контроллер 7, позволяющий поддерживать частоту образования пузырей f_b не менее предельного значения расчетной частоты образования пузырей

, определяемого по формуле (3), то есть параметры процесса задают такими, чтобы выполнялось неравенство (5). Если неравенство (5) не выполняется, при помощи контроллера 7 подают управляющие сигналы в следующей последовательности:

1) сигналы, направленные на уменьшение расхода жидкости через управляемый клапан 8;

2) сигналы, направленные на увеличение расхода газа через управляемый клапан 9 (если расход жидкости уменьшать нельзя);

3) сигналы, направленные на улучшение степени диспергирования газа в диспергаторе, при помощи устройства 10 для ввода дополнительной энергии (например, механического, вибрационного, центробежного либо ультразвукового типа).

Все указанные управляющие воздействия нацелены на поддержание длины слагов 11 максимально короткими (так, чтобы еще не происходило слияния пузырей и перехода к кольцевому режиму течения), т.е. их длина должна составлять не более L_s/d_с=2÷5, причем предпочтительным значением, гарантирующим стабильный эффект при возможных флуктуациях, является значение L_s/d_c=2.

Покажем, как получены расчетные формулы (1)-(5) и другие вспомогательные соотношения.

Допустимо предположить, что закон распределения по каналам 2 монолитного катализатора 1 числа пузырей 5, генерируемых в диспергаторе 4 (за время T, равное продолжительности интервала измерений), симметричен со средним значением N_ср, минимальным значением N_min, максимальным значением N_max. В частности, распределение числа пузырей 5 по каналам 1 может описываться нормальным законом (так называемое распределение Гаусса), поскольку в данном случае на процесс распределения пузырей 5 по каналам 1 влияет большое число независимых и примерно равнозначных факторов: начальные размеры пузырей, интенсивность турбулентных вихрей в диспергаторе 4, направление и величина локальных мгновенных скоростей жидкости у входа в каналы 2, мгновенное гидравлическое сопротивление каналов 2.

В этом случае коэффициент неравномерности K_N может быть рассчитан по формуле (4), а исходя из симметрии распределения можно записать

откуда следует

При числе капилляров 2 в монолитном катализаторе 1, равном n_c, пузыри должны генерироваться в диспергаторе с частотой, определяемой по формуле (1).

Из формулы (1) следует, что среднее количество пузырей, генерируемых за время T, равное продолжительности интервала измерений, составляет

Самые длинные слаги (где тейлоровская циркуляция наиболее слабая и массоперенос протекает хуже) окажутся в тех каналах, где число пузырей минимально (N_min), и их длина составит

Если обеспечить высокую эффективность массопереноса даже в наиболее длинных слагах, в остальных слагах массоперенос будет протекать не хуже. Подставляя формулу (9) в (8), получим

Тогда из формулы (10) следует максимально возможная длина слагов

Для того чтобы обеспечить максимальную длину слагов в оптимальных с точки зрения массопереноса пределах, известных из литературы (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. Vol.52. Nos.21-22. P.3709-3719)

необходимо, чтобы частота образования (генерирования) пузырей составляла, как следует из приравнивания правых частей формул (12) и (13), не менее предельной величины, определяемой по формуле (3), т.е. чтобы выполнялось условие (5).

Пример конкретного выполнения 1 (базовый вариант). Проводится реакция каталитического гидрирования альфа-метилстирола (плотность ρ=790 кг/м³; динамическая вязкость µ=2.71·10^-4 Па·с; поверхностное натяжение σ=0.0196 Н/м) с использованием палладиевого катализатора, нанесенного на поверхность монолитного катализатора, покрытого слоем γ-Al₂O₃.

При подаче жидкости (альфа-метилстирола) с расходом j_L=5.206·10^-5 м³/с и газа (водорода) с расходом j_G=7.18·10^-5 м³/с в диспергатор 4 (см. фиг.2) по известному способу (т.е. без контроля выполнения неравенства (5)) формируются пузыри 3 с формой, близкой к сферической, и расчетным диаметром d₀=5.4 мм. Пузыри 3 увлекаются жидкостью и попадают в каналы 2 монолитного катализатора 1, где приобретают вытянутую форму пузырей 5 (форму снарядов), а жидкость между ними движется в виде жидкостных снарядов (слагов) 11. Среднее количество пузырей, приходящееся на один канал 5 монолитного катализатора 1, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений T=10 с, в соответствии с расчетной формулой (2) равно N_ср=60, их минимальное число N_min=57, максимальное число N_max=63. Коэффициент неравномерности распределения числа пузырей по каналам монолитного катализатора согласно формуле (4) составляет K_N=0.1. Количество параллельных капиллярных каналов в ярусах (количество ярусов - один, N_я=1) монолитного катализатора 1 равно n_c=144. Частота образования пузырей в диспергаторе 4, определяемая по расчетной формуле (1), равна f_b=864 Гц. Гидравлический диаметр каналов в монолитных катализаторах d_с=1.8 мм, суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах (в рассматриваемом случае - в единственном ярусе длиной L_я=0.5 м) L_с=N_яL_я=0.5 м. Предельное (минимальное) значение расчетной частоты образования пузырей, определенное по расчетной формуле (3), составляет f_b ^min=2105 Гц. Таким образом, условие (5) в рассматриваемом примере не выполняется.

В результате этого в каналах 5 монолитного катализатора 1 формируются чрезмерно длинные газовые пузыри (L_b=35.2 мм, L_b/d_с=19.6) и жидкостные снаряды (L_s=27.7 мм, L_s/d_с=15.4), что, как известно из литературы (Bercic G., Pintar A. The role of gas bubbles and liguid slug lengths on mass transport in the Taylor flow through capillaries // Chem. Eng. Sci. 1997. Vol.52. Nos. 21-22. P.3709-3719), приводит к существенному ухудшению массопереноса от жидкости к твердой стенке более чем вдвое, и в целом приводит к уменьшению эффективности проведения реакций, снижению их выхода, увеличению необходимой длины аппарата и росту энергетических затрат на транспортировку сред по длине аппарата. В рассматриваемом случае выход кумола при гидрировапии альфа-метилстирола составил всего 34%.

Пример конкретного выполнения 2 (по предлагаемому изобретению).

Проводится реакция каталитического гидрирования альфа-метилстирола с использованием катализатора, описанная в примере конкретного выполнения 1, при тех же расходах жидкой и газовой сред, но по предлагаемому изобретению. При подаче жидкости с расходом j_L=5.206·10^-5 м³/с и газа (водорода) с расходом j_G=7.18·10^-5 м³/с в диспергатор 4 (см. фиг.2) формируются пузыри 3 с формой, близкой к сферической, и расчетным диаметром d₀=2.83 мм. Уменьшение размера пузырей достигается за счет улучшения степени диспергирования газа в диспергаторе, например, благодаря использованию более эффективных режимов работы диспергатора 4 либо при помощи устройства 10 для ввода дополнительной энергии (например, механического, вибрационного, центробежного, роторно-пульсационного устройства, пульсатора, механической мешалки либо излучателя ультразвукового типа). Пузыри 3 увлекаются жидкостью и попадают в каналы 2 монолитного катализатора 1, где приобретают вытянутую форму пузырей 5 (форму снарядов), а жидкость между ними движется в виде жидкостных снарядов (слагов) 11. Среднее количество пузырей, приходящееся на один канал 5 монолитного катализатора 1, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений T=10 с, в соответствии с расчетной формулой (2) равно N_ср=420, их минимальное число N_min=399, максимальное число N_max=441. Коэффициент неравномерности распределения числа пузырей по каналам монолитного катализатора согласно формуле (4) составляет K_N=0.1. Количество параллельных капиллярных каналов в ярусах (количество ярусов - один, N_я=1) монолитного катализатора 1 равно n_c=144. Частота образования пузырей в диспергаторе 4, определяемая по расчетной формуле (1), равна f_b=6048 Гц. Гидравлический диаметр каналов в монолитных катализаторах d_c=1.8 мм, суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах (в рассматриваемом случае - в единственном ярусе длиной L_я=0.5 м) L_с=N_яL_я=0.5 м. Предельное (минимальное) значение расчетной частоты образования пузырей, определенное по расчетной формуле (3), составляет f_b ^min=2105 Гц. Таким образом, условие (5) в рассматриваемом примере выполняется.

Благодаря этому в каналах 5 монолитного катализатора 1 поддерживается достаточно короткая длина газовых пузырей (L_b=5.03 мм, L_b/d_с=2.79>0.67) и жидкостных снарядов (L_s=3.95 мм, L_s/d_с=2.19), что, как известно из литературы (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. Vol.52. Nos. 21-22. P.3709-3719), позволяет обеспечить высокую (близкую к оптимальной) интенсивность массопереноса от газа к жидкости и от жидкости к твердой стенке, и в целом способствует наиболее эффективному проведению реакций, увеличению их выхода, сокращению длины аппарата и снижению энергетических затрат на транспортировку сред по длине аппарата. В рассматриваемом случае выход кумола при гидрировании альфа-метилстирола составил 86%.

Если неравенство (5) не выполняется, подают управляющие сигналы в следующей последовательности: 1) сигналы, направленные на уменьшение расхода жидкости; 2) сигналы, направленные на увеличение расхода газа (если расход жидкости уменьшать нельзя); 3) сигналы, направленные на улучшение степени диспергирования газа в диспергаторе.

Сначала управляющие сигналы подают на управляемый клапан 8 с целью уменьшения расхода жидкости. В результате этого возрастает расходное газосодержание β=j_G/(j_L+j_G), а также истинное объемное газосодержание, вследствие чего уменьшается длина слагов и длина ячейки, а частота генерирования пузырей f_b возрастает.

Если расход жидкости уменьшать нельзя, т.е. его уменьшение не приводит к желаемому результату, подают сигналы, направленные на увеличение расхода газа через управляемый клапан 9. Это также приводит к росту расходного газосодержания, уменьшению длины слагов и длины ячейки, и последующему увеличению частоты генерирования пузырей f_b.

Наконец, если в результате чрезмерного снижения расходов жидкости и газа происходит увеличение размеров пузырей, вызванное снижением уровня энергии, диссипируемой в диспергаторе 4, подают сигналы, направленные на улучшение степени диспергировапия газа в диспергаторе 4 при помощи устройства 10 для ввода дополнительной энергии (например, механического, вибрационного, центробежного, роторно-пульсационного устройства, пульсатора, механической мешалки либо излучателя ультразвукового типа).

Пример конкретного выполнения 3 (по предлагаемому изобретению).

Проводится реакция каталитического гидрирования альфа-метилстирола с использованием катализатора, описанная в примере конкретного выполнения 2, при тех же расходах жидкой и газовой сред. При этом число ярусов - два, N_я=2, длина каждого яруса L_я=0.5 м, суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах L_с=N_яL_я=2×0.5 м=1 м (см. фиг.3). Гидравлический диаметр каналов в монолитных катализаторах d_с=1.8 мм.

При подаче жидкости с расходом j_L=5.206·10^-5 м³/с и газа (водорода) с расходом j_G=7.18·10^-5 м³/с в диспергатор 4 (см. фиг.3) формируются пузыри 3 с формой, близкой к сферической, и расчетным диаметром d₀=2.83 мм. Пузыри 3 увлекаются жидкостью и попадают в каналы 2 монолитного катализатора I, где приобретают вытянутую форму пузырей 5 (форму снарядов), а жидкость между ними движется в виде жидкостных снарядов (слагов) 11. Среднее количество пузырей, приходящееся на один канал 5 монолитного катализатора 1, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений Т=10 с, в соответствии с расчетной формулой (2) равно N_ср=420, их минимальное число N_min=399, максимальное число N_max=441. Коэффициент неравномерности распределения числа пузырей по каналам монолитного катализатора согласно формуле (4) составляет K_N=0.1. Количество параллельных капиллярных каналов в ярусах монолитного катализатора 1 равно n_c=144. Частота образования пузырей в диспергаторе 4, определяемая по расчетной формуле (1), равна f_b=4211 Гц. Предельное (минимальное) значение расчетной частоты образования пузырей, определенное по расчетной формуле (3), составляет f_b ^min=2105 Гц. Таким образом, условие (5) в рассматриваемом примере выполняется.

Благодаря этому в каналах 5 монолитного катализатора 1 поддерживается достаточно короткая длина газовых пузырей (L_b=5.03 мм, L_b/d_с=2.79>0.67) и жидкостных снарядов (L_s=3.95 мм, L_s/d_с=2.19), что, как известно из литературы (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. Vol.52. Nos. 21-22. P.3709-3719), позволяет обеспечить высокую интенсивность массопереноса от газа к жидкости и от жидкости к твердой стенке, и в целом способствует наиболее эффективному проведению реакций, увеличению их выхода, сокращению длины аппарата и снижению энергетических затрат на транспортировку сред по длине аппарата. В рассматриваемом случае выход кумола при гидрировании альфа-метилстирола составил 92%.

Если неравенство (5) не выполняется, подают управляющие сигналы в последовательности, описанной в примере конкретного выполнения 2.

Пример конкретного выполнения 4 (по предлагаемому изобретению).

Проводится реакция каталитического гидрирования альфа-метилстирола с использованием катализатора, описанная в примере конкретного выполнения 2, при тех же расходах жидкой и газовой сред. При этом число ярусов - три, N_я=3, длина каждого яруса L_я=0.5 м, суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах L_с=N_яL_я=3×0.5 м=1.5 м (см. фиг.3). Среднее количество пузырей, приходящееся на один канал 5 монолитного катализатора 1, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений T=10 с, в соответствии с расчетной формулой (2) равно N_ср=620, их минимальное число N_min=589, максимальное число N_max=651. Остальные исходные параметры - те же, что и в примере конкретного выполнения 2.

Частота образования пузырей в диспергаторе 4, определяемая по расчетной формуле (1), равна f_b=8928 Гц. Предельное (минимальное) значение расчетной частоты образования пузырей, определенное по расчетной формуле (3), составляет f_b ^min=6316 Гц. Таким образом, условие (5) в рассматриваемом примере выполняется, что приводит к увеличению выхода кумола при гидрировании альфа-метилстирола до 94%.

Пример конкретного выполнения 5 (по предлагаемому изобретению).

Проводится реакция каталитического гидрирования альфа-метилстирола с использованием катализатора, описанная в примере конкретного выполнения 2, при тех же расходах жидкой и газовой сред. При этом число ярусов N_я=4, длина каждого яруса L_я=0.5 м, суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах L_с=N_яL_я=4×0.5 м=2 м (см. фиг.3). Среднее количество пузырей, приходящееся на один канал 5 монолитного катализатора 1, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений T=10 с, в соответствии с расчетной формулой (2) равно N_ср=620, их минимальное число N_min=589, максимальное число N_max=651. Остальные исходные параметры - те же, что и в примере конкретного выполнения 2.

Частота образования пузырей в диспергаторе 4, определяемая по расчетной формуле (1), равна f_b=8928 Гц. Предельное (минимальное) значение расчетной частоты образования пузырей, определенное по расчетной формуле (3), составляет f_b ^min=8421 Гц. Таким образом, условие (5) в рассматриваемом примере выполняется, что приводит к увеличению выхода кумола при гидрировании альфа-метилстирола до 96%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов при проведении газожидкостных каталитических реакций, достичь оптимальных параметров процесса, сократить стоимость оборудования и снизить энергетические затраты на преодоление сопротивления реактора.

Claims (1)

1. Способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором, заключающийся в диспергировании газа в жидкости при помощи диспергатора, подаче газожидкостной смеси в капиллярные каналы монолитного катализатора, расположенного в реакторе в один или несколько ярусов, каждый из которых представляет собой совокупность параллельных каналов в количестве n_c, и дополнительной подаче газа между ярусами, отличающийся тем, что непрерывно измеряют количество газовых пузырей N, образующихся на выходе из диспергатора в течение интервала измерений T, а расходы жидкости и газа задают такими, чтобы частота образования пузырей, определяемая по расчетной формуле
   

   

   
   где N_ср - среднее количество газовых пузырей, приходящееся на один канал монолитного катализатора, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений T, шт, которое рассчитывают по формуле
   

   

   
   где T - продолжительность интервала измерений, с;
   n_c - количество параллельных капиллярных каналов в ярусах монолитного катализатора, шт,
   составляла не менее предельного значения расчетной частоты образования газовых пузырей, которую вычисляют по расчетной формуле
   

   

   
   где L_c - суммарная длина монолитных катализаторов во всех ярусах, м;
   d_c - гидравлический диаметр каналов в монолитных катализаторах, м;
   K_N - коэффициент неравномерности распределения числа газовых пузырей по каналам монолитного катализатора, отн.ед.,
   который рассчитывают согласно формуле
   

   

   
   где N_max - максимальное количество газовых пузырей, приходящееся на один канал монолитного катализатора, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений Т, шт;
   N_min - минимальное количество газовых пузырей, приходящееся на один канал монолитного катализатора, поступающих из диспергатора в течение интервала измерений Т, шт, то есть параметры процесса задают такими, чтобы выполнялось неравенство
   

   

   
   в противном случае подают управляющие сигналы в следующей очередности: сначала подают управляющие сигналы, направленные на уменьшение расхода жидкости, затем, если при уменьшении расхода жидкости неравенство (5) не выполняется и расход жидкости более уменьшать нельзя, подают управляющие сигналы, направленные на увеличение расхода газа; а если после вышеперечисленных воздействий неравенство (5) не выполняется, подают управляющие сигналы, направленные на улучшение степени диспергирования газа в диспергаторе.

Images