СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ИЛИ НАГРЕВА ТЕРМОЛАБЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В ТОНКОЙ ПЛЕНКЕ Российский патент 1997 года по МПК B01J10/02 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к технологическим процессам химической промышленности, осуществляемым при пленочном течении жидкостей, и может быть использовано также в пищевой, фаpмацевтической и других отраслях промышленности.

Процессы тепло- и массообмена, а также химического взаимодействия интенсифицируются при проведении в тонких пленках, что обусловливает их широкое применение в промышленности. К достоинствам процессов с применением пленочного течения жидкостей относят незначительное и фиксированное среднее время их пребывания в зоне реакции (тепло- или массообмена), что особенно важно при недопустимости местных перегревов, вызывающих побочные реакции или термическую деструкцию веществ.

Наиболее близким к предлагаемому способу осуществления тепло- и массообмена, а также химического превращения в стекающей жидкостной пленке является проведение этих процессов в однопленочном аппарате. При этом образование жидкостной пленки обеспечивают различными способами (переливом жидкости через верхнюю кромку трубы, путем использования распределительных вращающихся дисков и др.).

Недостатком такого пленочного аппарата является существенная неравномерность скоростей течения отдельных слоев жидкостей пленки. Скорость пристенных слоев вследствие их "прилипания" к стенке близка к нулю, а время их пребывания в аппарате очень велико. При таком способе нагрева жидкостей и проведения в них химических реакций возможно образование зон с недопустимым местным перегревом, вызывающим побочные реакции или термическую деструкцию веществ.

Цель изобретения повышение селективности объемных химических реакций и понижение термической деструкции жидкостей при их пленочном стекании противотоком или прямотоком к газу путем осуществления процесса, при котором исключена возможность "прилипания" рабочей жидкой пленки к стенке.

Цель достигается предлагаемым способом, сущность которого заключается в создании слоя примыкающей к стенке термически стойкой пленки нейтральной жидкости, взаимонерастворимой со стекающей пленкой рабочей жидкости.

На фиг.1 представлен двухпленочный аппарат для осуществления способа; на фиг.2 эпюра скоростей при течении двух пленок жидкости и газа.

Аппарат содержит вертикальную трубу 1, два вращающихся диска 7 и 8 для создания пленок 3 и 2 соответственно рабочей жидкости 5 и нерастворимой с ней пристенной жидкости 6.

Данный способ реализуется в приведенном аппарате следующим образом. Сначала создают пленку пристенной жидкости, а затем пленку рабочей жидкости, в которой происходит химическая реакция или ее нагрев от стенки. При наличии двухпленочного течения жидкостей для случая противоточного движения газа в жидкостных пленках возникает показанная на фиг.2 эпюра скоростей: в стекающей по стенке жидкости 2 скорость течения отдельных слоев пленки толщиной δ_c изменяется от 0 до W_o на границе раздела пленок, а в основной (рабочей) жидкостной пленке толщиной δ от W_o до скорости ее течения на границе с газом W_гр. Значение W_гр зависит от физических свойств рабочей жидкости и скорости газового потока 4. В зависимости от выбранной схемы взаимодействия (прямо- или противоток) возможен ввод газа сверху или снизу. При больших скоростях газового потока в случае противотока скорость на границе с газом W_гр<W_o.

Варьируя расход и физические свойства пристенной жидкости, можно активно изменять толщину ее пленки d_c и, соответственно, скорость W_o. Благодаря этому появляется возможность влиять на распределение скоростей в основной (рабочей) жидкостной пленке и, тем самым, управлять временем пребывания отдельных слоев пленки рабочей жидкости в реакционной зоне. Естественно, при этом регулируется и распределение времени пребывания в реакционной зоне всей рабочей жидкости.

На профиль скоростей в пленке рабочей жидкости можно воздействовать и газовым потоком, движущимся прямо- или противотоком по отношению к стекающей пленке рабочей жидкости. Наилучший профиль скоростей (с точки зрения равномерности скоростей слоев пленки рабочей жидкости и времени их пребывания в рабочей зоне) получается при минимальном отношении максимальной скорости к средней. Варьирование скоростей газового потока осуществляют за счет изменения его расхода.

Скорость газа должна быть такой, чтобы напряжение трения на границе с жидкостью было равно [1]

где коэффициент проскальзывания; r, μ плотность и коэффициент динамической вязкости рабочей жидкости; d толщина пленки рабочей жидкости.

Об эффективности предлагаемого способа проведения объемных химических реакций в жидкостной пленке или ее нагрева можно судить по приведенным в таблице значениям отношений средней скорости пленки к максимальной. Заметим, что "идеальный" случай соответствует W_ср/W_макс=1. Используемый в таблице безразмерный комплекс G_e= t/(ρgδ) характеризует соотношение сил трения (на границе газ пленка) и веса пленки [1]
Согласно данным, приведенным в таблице, при увеличении коэффициента проскальзывания ψ от 0 до 10 отношение W_ср/W_макс увеличивается: в отсутствии газового потока от 0,667 до 0,970, а при оптимальном воздействии газового потока от 0,750 до 0,992. Видно также, что при одинаковом коэффициенте проскальзывания j газовым потоком можно существенно повлиять на отношение средней скорости к максимальной и, следовательно, повысить селективность химической реакции или равномерность нагрева различных слоев жидкостной пленки.

Таким образом, в результате создания пленки пристенной (взаимонерастворимой с рабочей) жидкости регулируемой толщины, а также при оптимальном воздействии газовым потоком достигается выравнивание профиля скоростей рабочей жидкости и времени пребывания всех слоев пленки. Это приводит к росту селективности процесса и снижению вероятности термической деструкции, так как все неблагоприятные факторы процесса, связанные с неравномерностью скоростей, воспринимает на себя прилегающая к стенке нейтральная пристенная жидкость.

Пример 1. Процесс вакуумной отгонки этилбензола из смеси его со стиролом. Известно, что процесс вакуумной отгонки проводят с целью понижения температуры до 70^oС. Даже при такой температуре происходит нежелательный процесс полимеризации стирола со скоростью 0,0035% относительных в минуту. Допустимая степень полимеризации 0,1% Проведение такого процесса отгонки в емкостных аппаратах оказалось невозможным из-за повышенной полимеризации стирола, связанной с большим временем пребывания стирола в аппарате при повышенной температуре. Первым шагом по регулированию времени пребывания отдельных порций смеси этилбензол стирол явилось использование однопленочного испарителя. Из-за медленной скорости течения пристенных слоев время пребывания их в таком аппарате велико и степень полимеризации в этих слоях значительно больше, чем в основной массе рабочей пленки жидкости: в пристенном слое толщиной 1/10 от общей толщины пленки полимеризуется столько же стирола, сколько и в остальной пленке (9/10 ее толщины).

По предлагаемому способу за счет подачи пристенной жидкости (в данном случае это может быть вода, которая практически нерастворима в стироле) скорость движения рабочей пленки испаряемой смеси этилбензол стирол увеличивается. При этом увеличивается (что самое важное) и скорость движения пограничного слоя рабочей жидкости, соприкасающегося с текущей пленкой пристенной жидкости, но не со стенкой. Это приводит к уменьшению степени полимеризации стирола примерно в 2 раза.

Пример 2. В случае нитрования парафинов

оксидами азота при давлении 2 2,5 МПа и температуре 150 220^oС время контакта составляет 15 с, а при парофазном нитровании (метод Хэсса) парами HNO₃ при давлении 0,7 1,0 МПа и температуре 400 500^oС время контакта составляет 1 с. Побочные процессы деструкция углеводородной цепи и окисление можно в значительной степени уменьшить, если вести процесс по предлагаемому способу, выбрав в качестве инертной нейтральной жидкости глицерин, который практически не растворяет парафины. В таком аппарате отсутствуют слои жидкостной пленки с большим временем пребывания (слои у стенки в случае однопленочного аппарата без пристенной пленки). В зависимости от толщины стенки пристенной жидкости выход побочных продуктов может быть уменьшен в 2 раза и более.

Пример 3. При сульфировании органических соединений газообразным триоксидом серы возможно протекание нежелательных побочных реакций. Так, в случае сульфирования алкилбензола возможна побочная реакция с образованием кетона

скорость которой существенно зависит от температуры. Поэтому с целью уменьшения выхода кетона необходимо поддерживать постоянной температуру в рабочей пленке жидкости и регулировать время пребывания отдельных ее слоев по предлагаемому способу. В качестве пристенной жидкости можно выбрать воду, практически не растворяющую алкилбензол. В зависимости от толщины пленки пристенной жидкости выход нежелательного продукта (кетона) может быть уменьшен в 2 раза и более.

Использование: проведение химических реакций или нагрева термолабильных жидкостей в тонкой пленке. Сущность изобретения: рабочая жидкость стекает в виде пленки по вертикальным или наклонным поверхностям стенок при воздействии газовым потоком. Между поверхностью стенки и пленкой рабочей жидкости создают стекающую пленку взаимонерастворимой жидкости, толщину которой регулируют ее расходом, что приводит к увеличению скорости движения по толщине пленки рабочей жидкости. Оптимальный профиль скорости по толщине пленки рабочей жидкости создают за счет встречного потока газа. 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ проведения химических реакций или нагрева термолабильных жидкостей в тонкой пленке путем стекания пленки рабочей жидкости по вертикальным или наклонным поверхностям стенок при воздействии газовым потоком, отличающийся тем, что между поверхностью стенки и пленкой рабочей жидкости создают стекающую пленку взаимонерастворимой жидкости, толщину которой и соответствующее ей увеличение скорости движения всех слоев пленки рабочей жидкости регулируют расходом взаимонерастворимой жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптимальный профиль скорости по толщине пленки рабочей жидкости создают за счет встречного потока газа.