Патент на изобретение №2348451

(54) АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Аппарат может быть использован в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической промышленности. Аппарат предназначен 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. Катализатор установлен в корпусе аппарата в виде ярусов. Между ярусами установлены патрубки для дополнительной подачи газа. За патрубками последовательно установлены устройства для дополнительного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата. Каждое из устройств выполнено в виде трубы Вентури, состоящей из конфузора, горловины и диффузора. Устройство также может быть выполнено в виде крыльчатки, установленной неподвижно в корпусе аппарата, а также может содержать трубу Вентури и крыльчатку, неподвижно закрепленную в корпусе аппарата перед трубой Вентури. Данная конструкция обеспечивает повышение эффективности работы и производительности аппарата. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

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.

Известен аппарат для проведения газожидкостных каталитических реакций в каналах монолитного катализатора – реактор с монолитным катализатором (МПК⁷

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.

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.

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.

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.

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.

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°.

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 катализаторов

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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).

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.

Аналогичные результаты получаются и при использовании аппаратов, изображенных на фиг.1 и 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.

Формула изобретения

1. Аппарат для проведения газожидкостных каталитических реакций, 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 первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами, отличающийся тем, что 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.

2. Аппарат для проведения газожидкостных каталитических реакций, 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 первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами, отличающийся тем, что в корпусе между ярусами монолитного катализатора за парубками 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.

3. Аппарат для проведения газожидкостных каталитических реакций, 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 первичного диспергирования и распределения газа по сечению аппарата, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами, отличающийся тем, что 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 трубой Вентури.

4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что 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°.

РИСУНКИ