Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения тепло- и массообменных процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, в том числе сопровождающихся химическими (включая каталитические) и биохимическими реакциями, в частности для проведения газожидкостных реакций в каналах (капиллярах) монолитного катализатора, например реакций гидрирования олефинов, диенов, стирола, ароматических соединений, а также в реакциях окисления, нитрования, аминирования, сульфирования, цианирования, хлорирования, фторирования, для процессов жидкостной экстракции в пучках параллельных каналов, параллельных мини- или микроканалов (капилляров), и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.
При проведении каталитических реакций используют так называемые монолитные катализаторы, представляющие собой пучок параллельных мини- или микроканалов (капилляров), на поверхность которых нанесены покрывной слой и активный компонент. При проведении некаталитических реакций возможно использование пучка параллельных мини- или микроканалов, на стенки которого при необходимости может быть нанесен активный компонент. Таким образом, понятие "пучок параллельных мини- или микроканалов" является обобщением понятия "монолитный катализатор" и относится к аппаратам для проведения массообменных процессов, в том числе с каталитическими и некаталитическими реакциями.
Известен аппарат для проведения процессов в системах жидкость - газ и жидкость - жидкость - реактор с монолитным катализатором (МПК7 C01B 3/26, C07C 5/03, C07C 5/00, C07C 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, эмульсионный и пленочный (кольцевой). Наиболее эффективным для осуществления газожидкостных реакций принято считать снарядный (другие названия - тейлоровский, сегментированный) режим 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 (пучки параллельных мини- или микроканалов) обладают малым гидравлическим сопротивлением (на два порядка ниже, чем в аппаратах с орошаемым катализатором в виде неподвижного насыпного слоя).
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. Кроме того, в нем не предусмотрено элементов, гарантирующих существование снарядного режима даже в процессах без поглощения либо выделения газа. Наконец, в известном аппарате не контролируется распределение дисперсной фазы по поперечному сечению пучка параллельных мини- или микроканалов. По этой причине возможен проскок дисперсной фазы только в часть капилляров, а в остальных капиллярах будет только сплошная среда (жидкость). Поскольку сопротивление капилляров с гетерогенной средой выше, чем сопротивление капилляров со сплошной средой (жидкостью), это может привести к тому, что во второй части капилляров движение сплошной среды будет возвратным (Grolman E., Edvinsson R.K., Stankiewicz A., Moulijn J.A. Hydrodynamic instabilities in gas-liquid monolithic reactors // HTD-Vol. 334, Proceeding of the ASME Heat Transfer Division, Vol.3, ASME 1996 / P.171-178), что существенно нарушит работоспособность аппарата.
Известен способ, реализованный в аппарате для проведения процессов в системах жидкость - газ и жидкость - жидкость (МПК7 C07C 5/02, B01J 8/04, пат. США № 6822128, 2004 г.), 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 диспергирования газа, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами. В известном способе ввод газа осуществлют 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.
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).
Неравномерное распределение пузырьков газа (либо капель жидкости) 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 дисперсная фаза будет поступать только в половину каналов монолитного катализатора, то в этих каналах будет избыток дисперсной фазы, и их производительность по жидкости снизится, а в остальных каналах будет двигаться чистая жидкость, и тепло- либо массообменный процесс между сплошной и дисперсной средой протекать не будет. Таким образом, неравномерное распределение дисперсной фазы по сечению аппарата приводит к неравномерности ее распределения по капиллярам монолитного катализатора (либо пучка параллельных мини- или микроканалов) и, как следствие, к резкому ухудшению степени превращения, к проскоку непрореагировавшей жидкости.
Наиболее близким к заявляемому является аппарат для проведения процессов в системах жидкость - газ и жидкость - жидкость (МПК7 B01J 8/04, пат. РФ № 2348451, 2009 г.), содержащий корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором (пакетом параллельных мини- или микроканалов), 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, а 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 (вариант 1). Каждое из устройств для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа может быть также выполнено в виде крыльчатки, установленной неподвижно в корпусе аппарата (вариант 2). Каждое из устройств для первичного или дополнительного диспергирования и распределения газа может быть также 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 (вариант 3).
Известный аппарат позволяет увеличить степень превращения реагирующих веществ, повысить производительность аппарата по жидкой фазе и полноту использования катализатора, а также предотвратить проскок жидкости, не вступившей в реакцию.
Недостатком известного аппарата является недостаточно высокая равномерность распределения дисперсной фазы по каналам монолитного катализатора. Трубы Вентури и крыльчатки действительно позволяют диспергировать газ, однако в первом случае газ может сосредотачиваться преимущественно на периферии аппарата, так как по оси возможен проскок струи сплошной (жидкой) фазы, а во втором случае под действием центробежного поля может происходить оттеснение жидкости к периферии, и газ будет сосредотачиваться вблизи оси аппарата.
Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности работы аппарата за счет увеличения равномерности распределения дисперсной фазы по каналам (капиллярам) монолитного катализатора (пучка параллельных мини- или микроканалов), а также за счет предотвращения проскока жидкости, не вступившей в реакцию, предотвращение коалесценции пузырей и капель у входа в каналы (капилляры), повышение коэффициента массоотдачи за счет увеличения относительной скорости движения фаз (мгновенной и средней) в каналах (капиллярах), увеличение равномерности распределения размеров дисперсной фазы.
Поставленная задача достигается тем, что в аппарате для проведения процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, содержащем корпус протяженной формы с установленным в нем одним или несколькими последовательно расположенными пучками параллельных каналов, патрубки для ввода исходных компонентов, устройство для первичного диспергирования и распределения дисперсной фазы по сечению аппарата, а также установленные между пучками патрубки для дополнительной подачи дисперсной фазы, согласно изобретению, в корпусе перед каждым пучком установлено устройство для генерирования пульсаций давления, причем перед первым по направлению движения фаз пучком установлен распределитель потоков, обеспечивающий раздвоение потока сплошной фазы, а именно жидкости, либо потока дисперсной фазы, а именно жидкости или газа, а также распределитель потоков установлен между пучками, обеспечивающий раздвоение потока гетерогенной системы жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, и имеются устройства для генерирования пульсаций, установленные в один из раздвоенных потоков, каждое из которых соединено с генератором колебаний, при этом генераторы колебаний присоединены к контроллеру.
Поставленная задача достигается также тем, что в аппарате для проведения процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, согласно изобретению, каждое из устройств для генерирования пульсаций выполнено в виде прерывателя потока.
Поставленная задача достигается также тем, что в аппарате для проведения процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, согласно изобретению, каждое из устройств для генерирования пульсаций выполнено в виде эластичного элемента либо цилиндра с поршнем, соединенного с рабочим органом генератора колебаний, совершающим возвратно-поступательное движение.
Поставленная задача достигается также тем, что в способе эксплуатации аппарата для проведения процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, включающем генерирование пульсаций в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, согласно изобретению, амплитуду генерируемых пульсаций задают такой, чтобы исключить возвратное течение гетерогенной системы в каналах пучка, а колебания создают с частотой, определяемой по формуле
где f - частота генерируемых колебаний, Гц;
а - скорость распространения возмущений в гетерогенной среде, м/с;
L - длина параллельных каналов в пучке, м;
n - целое число из диапазона 1, 2,…, 5,
причем сдвиг колебаний по фазе задают согласно расчетной формуле
где Δφ - сдвиг колебаний по фазе, рад;
m - целое число из диапазона 1, 2,…, 5.
Техническим результатом является повышение эффективности работы аппарата и степени превращения реагирующих веществ, увеличение производительности аппарата и полноты использования его объема, предотвращение проскока фаз, не вступивших в реакцию. Этот результат достигается за счет повышения равномерности распределения сплошной и дисперсной фаз как по длине аппарата, так и по сечению каждого из пучков параллельных каналов.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
Дополнительно при реализации способа эксплуатации аппарата для проведения процессов в системах жидкость - газ и жидкость - жидкость, объем дисперсной среды, подаваемой в первый из пучков параллельных каналов устройством для генерирования пульсаций в среднем за период пульсаций, можно задать согласно расчетной формуле
где Vд - объем подаваемой дисперсной среды в среднем за период пульсаций, м3;
Nc - количество каналов в пучке;
Lb - средняя длина пузыря в каналах, м;
Sc - площадь поперечного сечения каждого из каналов, м2,
а скважность пульсаций задают в соответствии с расчетной формулой
где ψ - скважность пульсаций;
Lb - средняя длина пузыря в каналах, м;
Ls - средняя длина жидкостного снаряда в каналах, м.
На фиг.1 представлена схема аппарата с одним пучком параллельных каналов, на фиг.2 - схема аппарата с несколькими последовательно расположенными пучками параллельных каналов. На фиг.3 показано устройство для генерирования пульсаций, выполненное в виде эластичного элемента, на фиг.4 - выполненное в виде цилиндра с поршнем, соединенного с рабочим органом генератора колебаний (например, электромеханического привода), совершающего возвратно-поступательное движение. На фиг.5 представлена схема снарядного течения в пучке параллельных каналов. На фиг.6, 7 изображены временные диаграммы, иллюстрирующие реализацию предлагаемого способа.
На фиг.1 представлена схема аппарата для проведения процессов в системах жидкость - газ и жидкость - жидкость, содержащего корпус 1 протяженной формы с установленным в нем одним пучком 2 параллельных каналов, патрубки 3, 4, 5, 6 для ввода исходных компонентов в корпус, диспергатор 7 - устройство для первичного диспергирования и распределения дисперсной фазы по сечению аппарата (например, пористый керамический элемент).
На фиг.2 представлена схема аппарата, в котором корпус 1 состоит из нескольких (в данном случае - из двух) секций 1-а и 1-б соответственно, в корпусе установлено несколько последовательно расположенных пучков 2 параллельных каналов, а между пучками 2 установлены патрубки 5, 6 для дополнительной подачи дисперсной фазы.
Перед первым (фиг.1 и фиг.2) по направлению движения сред пучком установлен распределитель потоков 8, обеспечивающий раздвоение потока сплошной фазы, а именно жидкости, поступающего в патрубки 3 и 4, либо потока дисперсной фазы, а именно жидкости или газа, поступающего в патрубки 5 и 6. Кроме того, распределитель 8, установленный между пучками (выполненный как одно целое с корпусом 1), обеспечивает раздвоение потока гетерогенной системы жидкость - газ или жидкость - жидкость (фиг.2).
В корпусе перед каждым пучком 2 установлено устройство для генерирования пульсаций давления, причем перед первым пучком линия подачи сплошной фазы либо линия подачи дисперсной фазы, а между пучками линии подачи гетерогенной системы либо линии подачи дисперсной фазы разделяются на два потока, один из которых подается непрерывно (через патрубок 3 для сплошной фазы и патрубки 5 для дисперсной фазы), а в другой (через патрубок 4 для сплошной фазы и патрубки 6 для дисперсной фазы) включены устройства для генерирования пульсаций, выполненные в виде прерывателей потока 9 и 10 соответственно (например, электромагнитные или пневматические клапаны), каждое из которых соединено с генератором колебаний 11, при этом генераторы колебаний 11 присоединены к контроллеру 12, поддерживающему заданную частоту колебаний и сдвиг по фазе между генераторами колебаний 11. Готовый продукт выводится из аппарата через патрубок 13.
На фиг.3 показан аппарат, в котором устройство для генерирования пульсаций выполнено в виде эластичного элемента 14 (например, сильфона или упругой мембраны), соединенного с рабочим органом генератора колебаний 11, выполненного в виде электромеханического привода, совершающего возвратно-поступательное движение.
На фиг.4 показан аппарат, в котором устройство для генерирования пульсаций выполнено в виде цилиндра с поршнем 15, соединенного с рабочим органом генератора колебаний 11, выполненного в виде электромеханического привода, совершающего возвратно-поступательное движение.
Устройство для генерирования пульсаций может быть выполнено в виде прерывателей потока 9 и 10 (фиг.1 и 2), в виде эластичного элемента 14 (фиг.3) либо в виде цилиндра с поршнем 15 (фиг.4).
На фиг.3 и 4 к устройствам для генерирования пульсаций подключены патрубки 4 для ввода сплошной жидкой фазы, возможно также подключение к устройствам для генерирования пульсаций патрубков 6 для ввода дисперсной фазы.
На фиг.5 изображена схема снарядного режима течения в пучке 2 параллельных каналов 16 при оптимальном проведении процесса диспергирования и распределения пузырей (капель) 17 по каналам 16, когда размеры пузырей (капель) 17 и жидкостных снарядов 18 лежат в узких интервалах.
На фиг.6 показана зависимость генерируемых пульсаций (в данном случае - мгновенного расхода жидкости Q) от времени t, которая задана такой, чтобы исключить возвратное течение гетерогенной системы в каналах пучка, т.е. обеспечено условие Qmin>0, где Qmin - минимальный мгновенный расход жидкости. То есть при этом амплитуду пульсаций расхода гетерогенной системы QA задают такой, чтобы выполнялось условие QA<Qcp, где Qcp - постоянная составляющая расхода гетерогенной системы.
На фиг. 7 показаны временные диаграммы состояния устройств для генерирования пульсаций (прерывателей потока 9 и 10, показанных на фиг. 2), когда в каждом из пучков 2 параллельных каналов создают колебания с частотой, определяемой по формуле (1), а сдвиг колебаний по фазе задают согласно расчетной формуле (2).
Дополнительно можно обеспечить в предлагаемом аппарате условия, препятствующие возникновению кавитации в жидкости. При этом амплитуду колебаний задают такой, чтобы выполнялось условие pmin>pн, где pmin - минимальное давление в жидкости, Па; pн - давление насыщенных паров жидкости при рабочей температуре, Па.
Кроме того, в некоторых случаях в предлагаемом аппарате можно создать колебания равной частоты и согласованные по фазе так, чтобы обеспечить динамическую уравновешенность системы. В частности, в многоступенчатом аппарате с четным числом пучков, уложенных параллельно друг другу и соединенных последовательно отводами с углом поворота на 180°, при генерировании импульсов с одинаковой частотой и фазой будет происходить динамическая компенсация возникающих в аппарате динамических нагрузок (инерционных сил).
Формулы (1)-(4) получены следующим образом. Время прохождения импульса (возмущения) в пучке с гетерогенной средой равно
где a - скорость распространения возмущений в гетерогенной среде (скорость звука), м/с;
L - длина параллельных каналов в пучке, м.
Для усиления пульсаций в каналах пучка необходимо, чтобы колебания возбуждались с периодичностью, кратной τ, т.е. чтобы период колебаний T определялся по формуле
где n - целое число, n=1,2,….
Наиболее эффективно пульсации будут усиливаться при n=1; при более высоких значениях n пульсации будут затухать, тем сильнее, чем больше значение n. Вместе с тем, во всем диапазоне значений n=1, 2,…5 затухание колебаний можно считать сравнительно слабым, что и обуславливает выбор именно этого диапазона значений n.
Частота пульсаций (колебаний) определяется соотношением
откуда следует, с учетом выражений (5) и (6), формула (1).
При установке генераторов пульсаций перед каждым пучком необходимо, чтобы их колебания были согласованы не только по частоте, но и по фазе. Только в это случае будет происходить усиление импульсов, приходящих от предыдущего пучка к следующему. Для выполнения условия совпадения фаз пульсаций, генерируемых перед каждым из пучков, необходимо, чтобы выполнялось условие (2).
Предпочтительным является значение m=1. По мере увеличения значения m пульсации будут затухать, тем сильнее, чем больше значение m. Вместе с тем, во всем диапазоне значений m=1, 2,…5 затухание колебаний можно считать сравнительно слабым, что и обуславливает выбор именно этого диапазона значений m.
Объем дисперсной среды, подаваемой в каждый из пучков параллельных каналов устройством для генерирования пульсаций в среднем за период пульсаций T (т.е. за один импульс), для обеспечения дозированной дискретной подачи дисперсной среды, должен быть равен объему одного пузыря, определяемому, в свою очередь, по формуле
где Lb - средняя длина пузыря в каналах, м;
Sc - площадь поперечного сечения каждого из каналов, м2.
При количестве каналов в пучке, равном Nc, объем дисперсной среды, подаваемой в первый из пучков параллельных каналов устройством для генерирования пульсаций в среднем за период пульсаций, задают равным
что соответствует формуле (3). При уменьшении объема дисперной среды от пучка к пучку (в результате химического превращения) дополнительный объем подаваемой между пучками дисперсной среды должен компенсировать объем, вступивший в реакцию.
Полагая, что скорости сплошной и дисперсной фаз примерно равны, скважность пульсаций задают так, чтобы средняя длина формирующихся в каналах пучка пузырей (капель) дисперсной фазы, отнесенная к средней суммарной длине ячейки (пузырь либо капля плюс жидкостной снаряд), была равна
где τi - продолжительность импульса, с;
T - период колебаний, с.
Учитывая, что скважность пульсаций определяется по формуле ψ=T/τi, получаем формулу (4).
Аппарат работает следующим образом. В корпус 1 (см. фиг.1 - фиг.4) с установленным в нем одним или несколькими последовательно расположенными пучками 2 параллельных каналов подают исходные компоненты (сплошную среду - жидкость и дисперсную среду - жидкость или газ). Устройства для генерирования пульсаций, выполненные в виде прерывателей потока 9 и 10 соответственно (например, электромагнитные или пневматические клапаны), каждое из которых соединено с генератором колебаний 11, либо в виде эластичного элемента 14, либо в виде цилиндра с поршнем 15, соединенных с рабочим органом генератора колебаний 11, создают в аппарате пульсации давления. При этом амплитуду генерируемых пульсаций задают такой, чтобы исключить возвратное течение гетерогенной системы в каналах пучка, колебания создают с частотой, определяемой по формуле (1), а сдвиг колебаний по фазе задают согласно расчетной формуле (2).
Объем дисперсной среды, подаваемой в первый из пучков параллельных каналов устройством для генерирования пульсаций в среднем за период пульсаций, задают согласно расчетной формуле (3), а скважность пульсаций задают в соответствии с расчетной формулой (4).
При этих условиях в параллельных каналах пучков 2 возникает стабилизированное снарядное течение газожидкостной смеси, причем размеры пузырей (капель) дисперсной среды, также как и размеры жидкостных снарядов сплошной среды имеют монодисперсное распределение с малым разбросом (см. фиг.5).
Генерирование пульсаций в аппарате позволяет повысить равномерность распределения сплошной и дисперсной фаз как по длине аппарата, так и по сечению каждого из пучков параллельных каналов. Кроме того, дозированный импульсами ввод дисперсной и сплошной фаз обеспечивает хорошую управляемость размерами пузырей (капель) дисперсной среды, а также размерами жидкостных снарядов сплошной среды. В комплексе эти явления приводят к повышению эффективности работы аппарата и степени превращения реагирующих веществ, увеличению производительности аппарата и полноты использования его объема, предотвращению проскока фаз, не вступивших в реакцию.
Пример конкретного выполнения 1. В аппарат, схема которого показана на фиг. 2, включающий два пучка 2 с длиной каналов L=1 м, через патрубки 3 и 4 подается органическая жидкость, а через патрубки 5 и 6 вводится газообразный реагент. При этом генераторы колебаний 11 создают колебания в аппарате посредством попеременного открывания и закрывания прерывателей потока 9-а и 9-б, установленных соответственно на линии подачи сплошной фазы (9-а) и линии подачи гетерогенной среды - газожидкостной смеси (9-б).
Скорость распространения возмущений в гетерогенной среде жидкость - газ составляет a=35 м/с. Согласно формуле (1), при значениях n=1, 2, 3, 4, 5 частота генерируемых колебаний (пульсаций) составляет соответственно f=35.0, 17.5, 11.7, 8.8, 7.0 Гц.
Принимая значения m в диапазоне m=1, 2, 3, 4, 5, сдвиг колебаний по фазе задают согласно расчетной формуле (2), т.е. сдвиг колебаний по фазе задают равным соответственно Δφ=2π, 4π, 6π, 8π, 10π. Указанные сочетания параметров (частоту f и сдвиг колебаний по фазе Δφ) последовательно задают при помощи контроллера 12, управляющего генераторами колебаний 11.
Во всех указанных случаях после прохождения газа через диспергатор 7 под действием пульсаций, генерируемых устройством для генерирования пульсаций давления, у входов в параллельные каналы пучков 2 образуется газожидкостная смесь с пузырьками диаметром 1.5÷1.7 мм, равномерно распределенная по сечению аппарата. При попадании в каналы 16 пучков 2, сечение которых выполнено круглым диаметром 1 мм (либо квадратным со стороной 0.89 мм), пузырьки вытягиваются, приобретая форму снарядов (пробок, поршней) и имея длину ≈2.2÷3.3 мм. Течение газожидкостной смеси в каналах 16 пучков 2 реализуется в снарядном режиме, что способствует оптимальному протеканию реакционных и массообменных процессов. На выходе из первого яруса в газожидкостной смеси остается 70% от первоначального количества введенного газа, поэтому в патрубки 5 и 6 между первым и вторым пучками 2 (фиг.2) для компенсации прореагировавшего газа вводится дополнительно газ с расходом, составляющим 30% от вводимого перед первым пучком 2.
Таким образом, во всех каналах 16 пучков 2, во-первых, поддерживается оптимальное соотношение газ : жидкость; во-вторых, течение газожидкостной смеси происходит в наиболее эффективном (снарядном) режиме; в-третьих, газ в каналы 16 пучков 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 16 пучков 2, что способствует более полному использованию объема аппарата и препятствует проскоку непрореагировавшей жидкости.
При количестве каналов в пучке Nc=50 и их диаметре 1 мм площадь сечения каждого из каналов равна Sc=7.854·10-7 м2. Средняя длина пузырей, образующихся в каналах, Lд=2.75 мм, средняя длина жидкостных снарядов Ls=4 мм. Задавая объем подаваемой дисперсной среды в среднем за период пульсаций равным рассчитанному согласно формуле (3) Vд=0.108 мл со скважностью, рассчитанной по формуле (4) и равной ψ=2.455, достигают оптимальное распределение пузырей по длине каналов и по сечению пучка. Выход реакции при этом увеличивается в 1.6 раза.
Пример конкретного выполнения 2. В аппарат, описанный в примере конкретного выполнения 1, через патрубки 3 и 4 подается органическая жидкость, а через патрубки 5 и 6 вводится газообразный реагент. При этом генераторы колебаний 11 создают колебания в аппарате посредством попеременного открывания и закрывания прерывателей потока 10-а и 10-б, установленных на линиях подачи дисперсной фазы.
При задании тех же параметров, что и в примере 1 (частоты f и сдвига колебаний по фазе Δφ) в аппарате происходит образование газожидкостной смеси в наиболее эффективном (снарядном) режиме. Остальные параметры - размеры пузырей, их высокая равномерность - аналогичны полученным в первом примере.
Пример конкретного выполнения 3. В аппарат, описанный в примере конкретного выполнения 1, через патрубки 3 и 4 подается органическая жидкость с растворенной щелочью, а через патрубки 5 и 6 вводится промывная вода, т.е. в аппарате осуществляется процесс жидкостной экстракции растворенной щелочи водой.
При этом генераторы колебаний 11 создают колебания в аппарате посредством попеременного открывания и закрывания прерывателей потока 9-а и 9-б, установленных соответственно на линии подачи сплошной фазы (9-а) и линии подачи гетерогенной среды - эмульсии (9-б).
Скорость распространения возмущений в гетерогенной среде жидкость - жидкость составляет a=1200 м/с. Согласно формуле (1), при значениях n=1, 2, 3, 4, 5 частота генерируемых колебаний (пульсаций) составляет соответственно f=1200, 600, 400, 300, 240 Гц.
Принимая значения m в диапазоне m==1, 2, 3, 4, 5, сдвиг колебаний по фазе задают согласно расчетной формуле (2), т.е. сдвиг колебаний по фазе задают равным соответственно Δφ= 2π, 4π, 6π, 8π, 10π. Указанные сочетания параметров (частоту f и сдвиг колебаний по фазе Δφ) последовательно задают при помощи контроллера 12, управляющего генераторами колебаний 11.
Во всех указанных случаях после прохождения газа через диспергатор 7 под действием пульсаций, генерируемых устройством для генерирования пульсаций давления, у входов в параллельные каналы пучков 2 образуется эмульсия с капельками воды диаметром 1.6÷1.8 мм, равномерно распределенная по сечению аппарата. При попадании в каналы 16 пучков 2, сечение которых выполнено круглым диаметром 1 мм (либо квадратным со стороной 0.89 мм), капельки воды вытягиваются, приобретая форму снарядов (пробок, поршней) и имея длину ≈2.7÷3.9 мм. Течение эмульсии в каналах 16 пучков 2 реализуется в снарядном режиме, что способствует оптимальному протеканию процесса жидкостной экстракции.
По сравнению с известными аппаратом и способом (проведение процесса без наложения колебаний на гетерогенную систему в аппарате) полнота экстракции щелочи водой увеличивается на 75%.
Аналогичный результат получается в случае, когда генераторы колебаний 11 создают колебания в аппарате посредством попеременного открывания и закрывания прерывателей потока 10-а и 10-б, установленных на линиях подачи дисперсной фазы.
Пример конкретного выполнения 4. В аппарат, описанный в примере конкретного выполнения 3, вместе с промывной водой через патрубки 5 и 6 вводится газ (воздух).
При этом в аппарате образуется трехфазная гетерогенная система жидкость - жидкость - газ.
Благодаря дополнительному вводу газа скорость звука в системе снижается до значения a=30 м/с. Согласно формуле (1), при значениях n=1, 2, 3, 4, 5 частота генерируемых колебаний (пульсаций) составляет соответственно f=30, 15, 10, 7.5, 6 Гц. Таким образом, дополнительный ввод газа в аппарат позволяет существенно снизить частоту генерируемых пульсаций и использовать для этих целей низкочастотные генераторы, и резко уменьшить износ эластичного элемента 14 (см. фиг.3), цилиндра с поршнем 15 (см. фиг.4) либо прерывателей потока 9 и 10 (см. фиг.1 и 2).
Размеры капелек получаются такими же, как и в примере 3, однако благодаря увеличению амплитуды колебаний, что обусловлено более высокой сжимаемостью системы жидкость - жидкость - газ по сравнению с системой жидкость - жидкость, по сравнению с известными аппаратом и способом (проведение процесса без наложения колебаний на гетерогенную систему в аппарате) полнота экстракции щелочи водой увеличивается на 95%.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность работы аппарата и степень превращения реагирующих веществ, увеличить производительность аппарата и полноту использования его объема, предотвратить проскок фаз, не вступивших в реакцию.
Изобретение относится к аппаратам для проведения тепло- и массообменных процессов, в частности для проведения газожидкостных реакций в каналах катализатора. Аппарат для проведения процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость содержит корпус протяженной формы с несколькими последовательно расположенными на нем пучками параллельных каналов, патрубки для ввода исходных компонентов, устройство для первичного диспергирования и распределения дисперсной фазы и патрубки для дополнительной подачи дисперсной фазы. В корпусе перед каждым пучком установлено устройство для генерирования пульсаций давления, причем перед первым по направлению движения фаз пучком установлен распределитель потоков, а также распределитель потоков установлен между пучками, обеспечивающий раздвоение потока. В один из раздвоенных потоков установлены устройства для генерирования пульсаций, каждое из которых соединено с генератором колебаний, при этом генераторы колебаний присоединены к контроллеру. Способ эксплуатации аппарата заключается в генерировании пульсаций в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, амплитуда которых исключает возвратное течение гетерогенной системы в каналах пучка, причем колебания создают с определенной частотой. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы аппарата. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Аппарат для проведения процессов в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, содержащий корпус протяженной формы с установленным в нем одним или несколькими последовательно расположенными пучками параллельных каналов, патрубки для ввода исходных компонентов, устройство для первичного диспергирования и распределения дисперсной фазы по сечению аппарата, а также установленные между пучками патрубки для дополнительной подачи дисперсной фазы, отличающийся тем, что в корпусе перед каждым пучком установлено устройство для генерирования пульсаций давления, причем перед первым по направлению движения фаз пучком установлен распределитель потоков, обеспечивающий раздвоение потока сплошной фазы, а именно жидкости, либо потока дисперсной фазы, а именно жидкости или газа, а также распределитель потоков установлен между пучками, обеспечивающий раздвоение потока гетерогенной системы жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, и имеются устройства для генерирования пульсаций, установленные в один из раздвоенных потоков, каждое из которых соединено с генератором колебаний, при этом генераторы колебаний присоединены к контроллеру.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждое из устройств для генерирования пульсаций выполнено в виде прерывателя потока.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что каждое из устройств для генерирования пульсаций выполнено в виде эластичного элемента либо цилиндра с поршнем, соединенного с рабочим органом генератора колебаний, совершающим возвратно-поступательное движение.
4. Способ эксплуатации аппарата по пп.1-3, включающий генерирование пульсаций в системах жидкость - газ и/или жидкость - жидкость, отличающийся тем, что амплитуду генерируемых пульсаций задают такой, чтобы исключить возвратное течение гетерогенной системы в каналах пучка, а колебания создают с частотой, определяемой по формуле
где f - частота генерируемых колебаний, Гц;
а - скорость распространения возмущений в гетерогенной среде, м/с;
L - длина параллельных каналов в пучке, м;
n - целое число из диапазона 1, 2,…,5, причем сдвиг колебаний по фазе задают согласно расчетной формуле
где Δφ - сдвиг колебаний по фазе, рад;
m - целое число из диапазона 1, 2,…,5.
| АППАРАТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ (ВАРИАНТЫ) | 2007 |
|
RU2348451C2 |
| US 6822128 B2, 23.11.2004 | |||
| US 6632414 B2, 14.10.2003. | |||
