Патент на изобретение №2348450

(54) СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ РЕАКЦИЙ В РЕАКТОРЕ С МОНОЛИТНЫМ КАТАЛИЗАТОРОМ

(57) Реферат:

Способ может быть использован в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической промышленности. Предназначен для осуществления реакций гидрогенизации олефинов, диенов, стирола, ароматических соединений, а также в реакциях окисления, нитрования, аминирования, сульфирования, цианирования, хлорирования, фторирования. В реакторе в один или несколько ярусов расположен монолитный катализатор. В его капиллярные каналы осуществляют подачу газа и жидкости и дополнительную подачу газа между ярусами. Расходы жидкости и газа задают так, чтобы капиллярное число не превышало критическое капиллярное число, зависящее от числа Бонда, с учетом косинуса угла между вектором скорости двухфазной смеси в капилляре U_s и вектором ускорения свободного падения g. Способ позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов и облегчить управление технологическим процессом и регулирование его параметров. 6 ил., 1 табл.

Предлагаемое 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.

Известен способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором (МПК⁷

К недостаткам известного способа относятся: возможность самопроизвольной перестройки режима течения от снарядного к пузырьковому, что может происходить в результате взаимодействия газа с жидкостью; кроме того, в известном способе не регламентируются режимные параметры, гарантирующие поддержание снарядного режима течения.

Наиболее близким к заявляемому является способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором (МПК⁷

_up=0.5, для горизонтальных капилляров Ca*_hor=0.7, а для нисходящего течения Ca*_down=0.6. При условии Са<Са* снарядное течение происходит в циркуляционной форме, а при Са>Са* форма течения меняется на байпасную. Следует заметить некоторую несогласованность этих данных: критическое число Са*_hor для горизонтальных капилляров оказалось больше, чем Ca*_down для нисходящего течения, что противоречит гидродинамике течения.

Кроме того, в указанных выше опубликованных источниках информации критические капиллярные числа не зависят ни от свойств жидкости, ни от размеров капилляра. Таким образом, в опубликованных источниках информации нет четких сведений об условиях существования снарядного режима течения и, в частности, циркуляционной формы снарядного течения. Это не позволяет использовать перечисленные выше преимущества снарядного течения и затрудняет управление технологическим процессом.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности массообменных и реакционных процессов при проведении газожидкостных каталитических реакций, в облегчении управления технологическим процессом и регулирования его параметров.

Поставленная задача решается тем, что в способе проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором, заключающемся в подаче в капиллярные каналы монолитного катализатора, расположенного в реакторе в один или несколько ярусов, газа и жидкости и дополнительной подаче газа между ярусами, при этом, согласно изобретению, расходы жидкости и газа задают такими, чтобы обеспечить циркуляционную форму снарядного режима течения газожидкостной смеси в каналах, а капиллярное число, рассчитываемое по формуле

не превышало критическое капиллярное число, рассчитываемое по формуле

где U_b – скорость движения пузыря в капилляре, м/с;

₁ – динамическая вязкость жидкости, Па·с;

– поверхностное натяжение на границе газ-жидкость, Н/м,

Во – число Бонда, которое рассчитывают согласно формуле

где ₁ – плотность жидкости фазы, кг/м³;

d_c – гидравлический диаметр капилляра, м;

g – модуль вектора ускорения свободного падения, м/с²;

– угол между вектором скорости двухфазной смеси в капилляре U_s и вектором ускорения свободного падения g, рад.

Заявляемый способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором позволяет обеспечить снарядный режим течения газожидкостной смеси в капиллярных каналах монолитного катализатора, а именно циркуляционную форму снарядного режима течения. За счет этого гарантируется хорошее циркуляционное перемешивание внутри жидкостных снарядов, способствующее выравниванию концентраций в объеме жидкости, заключенной между каждой парой соседних пузырей в каналах катализатора. Улучшение перемешивания является одним из условий интенсификации массопереноса, что, в свою очередь, способствует ускорению протекания реакции (реакция переходит в кинетическую область) и более полному использованию поверхности катализатора. Наличие информации о режиме снарядного течения и частной его форме – циркуляционного течения, получаемой из формул (1)-(3), позволяет с высокой точностью установить режимные параметры технологического процесса, т.е. предлагаемый способ облегчает управление технологическим процессом и регулирование его параметров.

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

На фиг.1 представлены схемы двух форм снарядного течения газожидкостной смеси в капиллярах: а – циркуляционной, б – байпасной. На фиг.2 показан график влияния числа Бонда Во на значения критических капиллярных чисел Са* для восходящего (Во<0), нисходящего течений (Во>0) и горизонтального капилляра (Во=0), где точки получены расчетным путем, т.е. путем численного эксперимента (с использованием уравнений Навье-Стокса и неразрывности, для замыкания которых привлечены необходимые дополнительные уравнения) и аппроксимированы линией, описываемой выражением (2). На фиг.3 представлены профили скорости при восходящем (а), нисходящем (б) и горизонтальном течении (в) для силиконового масла №3 в капилляре диаметром 4 мм. U_s=0.01 м/с (1 – пузырь, 2 – жидкостной снаряд, 3 – пленка жидкости вокруг пузыря).

На фиг.1 u_s(r) – распределение скорости в жидкостном снаряде, U_s – средняя скорость в жидкостном снаряде (равная скорости двухфазного течения). Представленные на фиг.2 точки получены путем численного эксперимента для следующих видов жидкостей: 1) силиконовое масло №3, =0.02218 Н/м: d_c=1 мм (точки ), d_c=2 мм (точки ), d_c=4 мм (точки ); 2) модификации силиконового масла №3, d_c=2 мм: =0.2 Н/м (точки ), =0.004 Н/м (точки ); 3) силиконовое масло №2, d_c=2 мм (точки ); 4) тетрадекан, d_c=2.3 мм (точки +). Свойства жидкостей указаны в таблице.

Таким образом, график на фиг.2 и формула (2) показывают, что критические капиллярные числа зависят от числа Бонда, рассчитанного по формуле (3) с учетом косинуса угла между вектором скорости двухфазной смеси в капилляре U_s и вектором ускорения свободного падения g.

При горизонтально расположенном капилляре Ca*_horhorup=0.6. Как видно из графика на фиг.2, это значение соответствует числу Бонда Bo-3.5. В нисходящем течении значения Са* выше, чем в горизонтальном капилляре. Это связано с тем, что при заданной скорости двухфазного потока для данной жидкости и данного диаметра капилляра скорость пузыря выше всего в восходящем потоке, а ниже всего – в нисходящем. В восходящем газожидкостном потоке (фиг.3,а), как следует из уравнения неразрывности, пленка стекающей жидкости толще, а поперечное сечение пузыря меньше, что и приводит к более заметному увеличению скорости пузыря, чем в нисходящем потоке (фиг.3,б). Поэтому в восходящем потоке пузырь опережает самые быстрые элементы жидкости в жидкостном снаряде (U_b>2U_s) при меньших капиллярных числах. Другими словами, переход от циркуляционной формы течения к байпасной для восходящего потока наступает при меньших значениях U_b, а значит, и при меньших значениях Са, чем для горизонтального и, тем более, нисходящего течения.

Информация, получаемая из формулы (2) с учетом выражения (3), позволяет определить границы существования циркуляционной формы течения и позволяет облегчить управление технологическим процессом и регулирование его параметров. Обеспечение течения газожидкостной смеси в каналах катализаторов в циркуляционной форме позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов.

Пример конкретного выполнения 1. В монолитный катализатор с сотовой структурой, представляющий собой структуру из параллельных каналов с гидравлическим диаметром d_c=1 мм, установленный в реакторе, подают жидкость и газ (число Бонда, рассчитанное по формуле (3), равно Во=5) нисходящим потоком (=0), с расходами, при которых капиллярное число составляет Са=1.1. Как показывает расчет по формуле (2), критическое капиллярное число равно Са*=0.95<Са, т.е. при заданных расходах жидкости и газа течение происходит в байпасной форме, показанной на фиг.1,б. Течение жидкости внутри жидкостных снарядов ламинарное, и перемешивание в них довольно слабое, что приводит к недостаточно равномерному распределению компонентов в жидкости, порождает большие градиенты концентраций (что может приводить к переходу в диффузионный режим реакции) и, в конечном счете, снижает эффективность массообменных и реакционных процессов в реакторе.

Пример конкретного выполнения 2. В монолитный катализатор с сотовой структурой, описанный в примере 1, жидкость и газ подают нисходящим потоком (=0), с расходами, при которых капиллярное число составляет Са=0.7, а число Бонда равно Во=5. Критическое капиллярное число, найденное по формуле (2), равно Са*=0.95>Са, т.е. при заданных расходах жидкости и газа течение происходит в циркуляционной форме, показанной на фиг.1,а. Внутри жидкостных снарядов происходит интенсивное перемешивание, обусловленное возвратными линиями тока, соединяющими пристенные области течения с осевыми зонами. В результате этого концентрации компонентов в жидкостных снарядах выравниваются, градиенты концентраций становятся исчезающе малыми (реакция переходит в кинетический режим), что приводит, в конечном счете, к росту эффективности массообменных и реакционных процессов в реакторе.

Пример конкретного выполнения 3. В монолитный катализатор с сотовой структурой, описанный в примере 1, жидкость и газ подают восходящим потоком (=, число Бонда, рассчитанное по формуле (3), равно Во=-5), с расходами, при которых капиллярное число составляет Са=0.7. Как показывает расчет по формуле (2), критическое капиллярное число равно Са*=0.544<Са, т.е. при заданных расходах жидкости и газа течение происходит в байпасной форме, показанной на фиг.1,б. Течение жидкости внутри жидкостных снарядов ламинарное, со слабым перемешиванием, что приводит к неравномерному распределению компонентов в жидкости, порождает высокие градиенты концентраций веществ и снижает эффективность массообменных и реакционных процессов в реакторе.

Пример конкретного выполнения 4. В монолитный катализатор с сотовой структурой, описанный в примере 1, жидкость и газ подают восходящим потоком (=, число Бонда, рассчитанное по формуле (3), равно Во=-5), с расходами, при которых капиллярное число составляет Са=0.4. Критическое капиллярное число, найденное по формуле (2), равно Са*=0.544>Са, т.е. при заданных расходах жидкости и газа течение происходит в циркуляционной форме, показанной на фиг.1,а. В результате интенсивного циркуляционного перемешивания внутри жидкостных снарядов концентрации компонентов в них выравниваются, градиенты концентраций становятся чрезвычайно малыми (реакция переходит в кинетический режим), что обуславливает увеличение эффективности массообменных и реакционных процессов в реакторе.

Аналогичные результаты получены и для горизонтального капилляра. Представленные примеры показывают, что использование расчетных формул (1)-(3) позволяет задавать оптимальные значения режимных параметров (скорость движения пузырей и двухфазно смеси), выбирать оптимальную геометрию (диаметр капилляра) в зависимости от свойств жидкости и газа (вязкости жидкости и поверхностного натяжения на границе газ – жидкость).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов при проведении газожидкостных каталитических реакций, облегчить управление технологическим процессом и регулирование его параметров.

Таблица Свойства сред, использованные в расчетах
Название жидкости		1, Па·с	1, кг/м3	, H/м
1.	Силиконовое масло №2	0.048	957	0.02218
2.	Силиконовое масло №3	0.971	971	0.02218
3.	Тетрадекан	2.32	762	0.026
4	Модифицированное силиконовое масло №3а	0.971	971	0.2
5	Модифицированное силиконовое масло №3b	0.971	971	0.004

Формула изобретения

Способ проведения газожидкостных реакций в реакторе с монолитным катализатором, заключающийся в подаче в капиллярные каналы монолитного катализатора, расположенного в реакторе в один или несколько ярусов, газа и жидкости и дополнительной подаче газа между ярусами, отличающийся тем, что расходы жидкости и газа задают такими, чтобы обеспечить циркуляционную форму снарядного режима течения газожидкостной смеси в каналах, а капиллярное число, рассчитываемое по формуле

не превышало критическое капиллярное число, рассчитываемое по формуле

где U_b – скорость движения пузыря в капилляре, м/с;

₁ – динамическая вязкость жидкости, Па·с;

– поверхностное натяжение на границе газ-жидкость, Н/м;

Во – число Бонда, которое рассчитывают согласно формуле

где ₁ – плотность жидкости фазы, кг/м³;

d_c – гидравлический диаметр капилляра, м;

g – модуль вектора ускорения свободного падения, м/с²;

– угол между вектором скорости двухфазной смеси в капилляре U_s и вектором ускорения свободного падения g, рад.

РИСУНКИ