РЕАКТОР ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ТРЕХФАЗНЫХ СИСТЕМАХ

Заявляемое изобретение относится к химическим реакторам для проведения в трехфазных системах (жидкость, газ, твердое вещество) химических реакций гидрирования, окисления, гидратации, синтеза, разложения, а также может быть использовано для проведения реакций с участием микроорганизмов.
При проведении в трехфазных системах (жидкость, газ, твердое вещество) химических реакций возникает необходимость решения проблем организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ, интенсификации процессов межфазного обмена и увеличения степени использования зерна катализатора (В.А.Кириллов. Реакторы с участием газа, жидкости и твердого неподвижного катализатора. Новосибирск, Изд-во Сибирского Отделения Российской Академии наук, 1997, 1997, 483 стр., ISBN-5-7692-0057-X).
Известен реактор для химических реакций в трехфазных системах (жидкость, газ, твердое вещество), включающий впускное сопло для подачи в нижнюю часть газа-реагента, одну или несколько совмещенных секций теплового обмена, погруженных в соответствующую зону синтеза, головку, содержащую выпускные сопла для отвода суспензии, выходные сопла для отвода непрореагировавшего газа и группу наклонных поперечных перегородок для разделения втянутых частиц жидкости и/или твердого вещества (Патент России №2153928, МПК 7 B01J 8/22, приоритет от 13.10.1998, опубликован 10.08.2000). Реактор позволяет предотвратить возможные местные "горячие точки", приводящие к ухудшению качества катализатора и качества продукта, эффективно осуществлять контроль температуры с помощью одной или более совмещенных секций теплообмена.
Существенными недостатками реактора являются то, что его можно применять только для случаев осуществления химических реакций в подвижном суспензионном слое катализатора, где суспендирование катализатора осуществляется газовой фазой, а так же то, что в нем не решены проблемы организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ и увеличения степени использования зерна катализатора.
Известен также каталитический твердо-жидкостной многофазный реактор для проведения непрерывной многофазной каталитической реакции, содержащий реакционный сосуд для приема суспензии, фильтрующий элемент,
контактирующий с суспензией и ограничивающий зону фильтрации, которая отделена от суспензии, и имеющий выпускной патрубок для отфильтрованного продукта, средство для установления слабого перепада давления поперек фильтрующего элемента, средство для вызывания флуктуации или осцилляции в зоне слабого перепада давления и средство для введения газообразных реагентов или других компонентов в форме газовых пузырьков в суспензию (Патент России №2120820, МПК B01J 8/22, С07С 1/04, B01J 8/26, приоритет от 24.02.1993, опубликовано 27.10.1998). В реакторе суспензия поддерживается в состоянии непрерывного перемешивания за счет введения газообразных компонентов, например пузырьков пара, флуктуации перепада давления через фильтрующий элемент предотвращают засорение фильтрующего элемента, а газовые пространства над фильтратом и суспензией сообщены. Реактор обеспечивает эффективное отделение частиц катализатора при непрерывном проведении многофазной каталитической реакции, позволяет предотвратить возможные местные "горячие точки", приводящие к ухудшению качества катализатора и качества продукта.
Существенными недостатками известного реактора являются его ограниченные возможности применения (круг химических реакций ограничен случаями использования суспензии тонкоизмельченного катализатора; имеются ограничения по соответствию размеров пор фильтрующего элемента размеру зерна используемого катализатора: материал фильтрующего элемента и катализатор предпочтительно выбираются таким образом, чтобы максимальный размер пор или отверстий в фильтрующем элементе имел величину того же порядка, что и размер частиц катализатора; размер частиц предпочтительно не меньше половины размера пор.), не решены проблемы организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ и увеличения степени использования зерна катализатора.
Известен также реактор, предназначенный для проведения химических реакций в трехфазных системах, который взят в качестве прототипа, представляющий собой интегральный неорганический мембранный реактор суспензионного слоя, который используется в жидкость - твердое, газ - жидкость - твердое и других многофазных реакционных системах с тонко суспензионными частицами (Патент Китая №1403189, МПК B01J 8/10; B01J 8/08; (IРС 1-7): B01J 8/10, приоритет от 2002.10.15, опубл. 2004.08.18). Реактор содержит корпус, входное устройство для подачи реагирующих веществ, тонкоизмельченный катализатор,
выходное устройство, мешалку и неорганический мембранный отделяющий агрегат, включающий несколько неорганических мембранных труб и их опору. Каждая мембранная труба имеет заглушенный конец, и другой конец, связанный с трубой выхода фильтрата и выполнена из керамической и/или металлической мембраны. Мембранные трубы могут быть устроены на опоре различными способами, вертикально, горизонтально и комбинированно: вертикально-ротационно, и горизонтально-ротационно, и т.д. Реактор обеспечивает одновременное осуществление химической реакции и разделение веществ (твердого и жидких) непрерывно в одном простом малогабаритном низкозатратном устройстве.
Существенными недостатками известного реактора являются ограниченные возможности применения реактора (круг химических реакций ограничен случаями использования суспензии тонкоизмельченного катализатора; не решены проблемы организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ и увеличения степени использования зерна катализатора.
Задачей изобретения является создание реактора универсального применения для проведения различных каталитических многофазных процессов с участием жидкости, газа и твердого катализатора, при этом важно обеспечить решение проблем организации оптимального профиля концентрации контактирующих веществ, интенсифицировать процессы межфазного обмена, увеличить степень использования зерна катализатора и обеспечить технологическую гибкость устройства.
Задача решается тем, что в реакторе для химических реакций в трехфазной системе, включающем корпус с размещенным в нем катализатором, устройство ввода газа, устройство ввода жидкости и устройство вывода компонентов реакционной смеси, по меньшей мере, одно из этих устройств выполнено в виде системы вертикальных параллельных цилиндрических элементов, выполненных из каталитически активного проницаемого пористого материала. При этом катализатор может быть стационарным, подвижным или может быть организован любым известным образом и может быть выполнен в виде суспензии, а реактор дополнительно содержит встроенный фильтрующий элемент, и реактор дополнительно содержит встроенный теплообменник.
Технический эффект заявляемого изобретения заключается в интенсификации химических и физических процессов в многофазных системах и повышении производительности реакторов, простоте изготовления и
эксплуатации устройств, в широкой универсальности применения, в повышении надежности химических процессов.
Заявляемое устройство поясняется чертежами фиг.1-4, на которых представлены блок-схемы устройства реактора для химических реакций в трехфазной системе (жидкость, газ, твердое вещество).
На Фиг.1 представлена блок-схема реактора в случае исполнения устройства ввода газа в виде системы вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов, где: 1 - корпус реактора, 2 - твердый катализатор, 3 - вход для подачи газа, 4 - вход для подачи жидкости, 5 - система вертикальных параллельных цилиндрических элементов устройства ввода газа, 6 - выход для вывода компонентов реакционной смеси. Блок-схема демонстрирует суть заявляемого устройства для трехфазной системы со спутным восходящим движением газа и жидкости и неподвижным слоем твердого катализатора.
На Фиг.2 представлена блок-схема реактора в случае исполнения устройства ввода газа и жидкости и устройства вывода компонентов реакционной смеси в виде систем вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов при наличии фильтрующего элемента, где: 3 - вход для подачи газа, 4 - вход для подачи жидкости, 5 - система вертикальных параллельных цилиндрических элементов устройства ввода газа, 6 - выход для вывода компонентов реакционной смеси, 7 - фильтрующий элемент. Блок схема демонстрирует суть заявляемого устройства для трехфазной системы со спутным восходящим движением газа и жидкости и суспензированным твердым катализатором.
На Фиг.3 представлена блок-схема реактора в случае исполнения устройства ввода газа в виде системы вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов при наличии встроенного теплообменника, где: 1 - корпус реактора, 2 - твердый катализатор, 3 - вход для подачи газа, 4 - вход для подачи жидкости, 5 - система вертикальных параллельных цилиндрических элементов устройства ввода газа, 6 - выход для вывода компонентов реакционной смеси, 8 - теплообменник. Блок схема демонстрирует суть заявляемого устройства для трехфазной системы со спутным восходящим движением газа и жидкости и неподвижным слоем твердого катализатора.
На Фиг.4 представлена блок-схема реактора в случае исполнения устройства ввода газа и жидкости и устройства вывода компонентов реакционной смеси в виде систем вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических
элементов при наличии теплообменника, где: 1 - корпус реактора, 2 - твердый катализатор, 3 - вход газа, 4 - вход жидкости, 5 - система вертикальных параллельных цилиндрических элементов, 6 - выход компонентов реакционной смеси, 8 - теплообменник. Блок схема демонстрирует суть заявляемого устройства для трехфазной системы со спутным нисходящим движением газа и жидкости и неподвижным слоем твердого катализатора.
Устройство работает следующим образом.
При проведении каталитической реакции в трехфазной системе со спутным восходящим движением газа и жидкости и неподвижным слоем твердого катализатора Фиг.1, в реактор 1 с катализатором 2 поступает жидкий реагент через вход для подачи жидкости 4, одновременно или через некоторый промежуток времени поступает исходный газовый реагент вход для подачи газа 3. Организацию потока газа обеспечивает устройство ввода газа, выполненное в виде системы вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов 5, причем указанные цилиндрические элементы выполнены из каталитически активного проницаемого пористого материала. Жидкий реагент, внутри реакторного пространства направляется на твердый катализатор 2, предварительно контактируя с материалом цилиндрических элементов устройства ввода газа 5 с его внешней стороны, при этом степень взаимодействия жидкого реагента и цилиндрических элементов определяется как физико-химическими и структурными свойствами материала этих элементов, так и условиями проведения процесса (температура, давление, гидродинамические режимы). Пористая структура материала цилиндрических элементов обеспечивает необходимое распределение газа в пространстве реактора, контролируемый размер газовых пузырей, первичное взаимодействие жидкого реагента с газовым реагентом в порах материала, последующее взаимодействие газа и жидкости на внешней поверхности материала цилиндрических элементов, интенсивное перемешивание газ-жидкость, эффективное растворение газа, а каталитические свойства материала обеспечивают предварительную химическую активацию реагентов, улучшающую последующее взаимодействие реагентов в объеме жидкой фазы и в слое твердого катализатора 2. При этом взаимодействие газовый реагент - жидкий реагент осуществляется как на границах раздела фаз газ - жидкость - твердое тело, так и во внутреннем объеме жидкой и на поверхности твердой фазы. Таким образом, система каталитических цилиндрических элементов позволяет организовать оптимальный профиль концентрации
контактирующих веществ, интенсифицировать процессы межфазного обмена и обеспечивает увеличение степени использования зерна катализатора. Выход для вывода компонентов реакционной смеси 6 обеспечивает удаление компонентов реакционной смеси из реактора.
При проведении каталитической реакции в трехфазной системе со спутным восходящим движением газа и жидкости и суспензированным твердым катализатором Фиг.2, в реактор 1 с катализатором 2, одновременно или с некоторым интервалом времени поступают исходный газовый реагент через вход для подачи газа 3 и исходный жидкий реагент через вход для подачи жидкости 4. Устройство ввода жидкости и газа, выполненное в виде системы вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов 5, причем указанные цилиндрические элементы выполнены из каталитически активного проницаемого пористого материала, обеспечивает первичное смешение жидкого и газового реагентов и взаимодействие их с поверхностью цилиндрических элементов. Пористая структура материала цилиндрических элементов обеспечивает необходимое распределение газа и жидкости в пространстве реактора, и контролируемый размер газовых пузырей, а также, первичное взаимодействие жидкого реагента с газовым реагентом на поверхности и в порах материала, и последующее взаимодействие газа и жидкости на внешней поверхности материала цилиндрических элементов, обеспечивает интенсивное перемешивание газ-жидкость, способствует эффективному растворению газа, а каталитические свойства материала обеспечивают предварительную химическую активацию реагентов, улучшающую последующее взаимодействие реагентов с катализатором 2. При этом взаимодействие газовый реагент - жидкий реагент осуществляется как на границах раздела фаз газ - жидкость - твердое тело, так и во внутреннем объеме жидкой и на поверхности твердой фазы. Система вертикальных параллельных цилиндрических элементов устройства ввода газа и жидкости 5 обеспечивает предварительное смешение (самопроизвольно или иным способом) жидкого и газового реагентов, равномерное поступление газожидкостной смеси через проницаемые пористые стенки в объем реактора и облегчает контакт смеси с твердым суспензированным катализатором 2. Таким образом, система каталитических цилиндрических элементов позволяет организовать оптимальный профиль концентрации контактирующих веществ, интенсифицировать процессы межфазного обмена и обеспечивает увеличение степени использования зерна катализатора. Каталитически активный материал
системы цилиндрических элементов обеспечивает предварительное взаимодействие и активацию реагентов в момент прохождения газожидкостной смеси через пористые стенки. При этом взаимодействие газовый реагент - жидкий реагент осуществляется как на границах раздела фаз газ - жидкость - твердое тело, так и во внутреннем объеме жидкой и на поверхности твердой фазы. Степень взаимодействия жидкого реагента и цилиндрических элементов определяется как физико-химическими и структурными свойствами материала этих элементов, так и условиями проведения процесса (температура, давление, гидродинамические режимы).
Фильтрующий элемент 7 и система вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов 5 устройства вывода компонентов реакционной смеси реактора, обеспечивают отделение прореагировавших компонентов от суспензированного катализатора, причем указанные цилиндрические элементы выполнены из каталитически активного проницаемого пористого материала, и обеспечивают дополнительное химическое взаимодействие с катализатором в порах материала, увеличивая глубину протекания реакций.
При проведении каталитической реакции в трехфазной системе со спутным нисходящим движением газа и жидкости и неподвижным слоем твердого катализатора при наличии встроенного теплообменника Фиг.4, в реактор 1 с катализатором 2, одновременно или с некоторым интервалом времени поступают исходный газовый реагент через вход для подачи газа 3 и исходный жидкий реагент через вход для подачи жидкости 4. Устройство ввода жидкости и газа, выполненное в виде системы вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов 5, причем указанные цилиндрические элементы выполнены из каталитически активного проницаемого пористого материала, обеспечивает первичное смешение жидкого и газового реагентов и взаимодействие их с поверхностью цилиндрических элементов. Пористая структура материала цилиндрических элементов обеспечивает необходимое распределение газа и жидкости в пространстве реактора, а также, первичное взаимодействие жидкого реагента с газовым реагентом на поверхности и в порах материала, и последующее взаимодействие газа и жидкости на внешней поверхности материала цилиндрических элементов, обеспечивает интенсивное перемешивание газ - жидкость, способствует эффективному растворению газа, а каталитические свойства материала обеспечивают предварительную химическую
активацию реагентов, улучшающую последующее взаимодействие реагентов с катализатором 2. При этом взаимодействие газовый реагент - жидкий реагент осуществляется как на границах раздела фаз газ - жидкость - твердое тело, так и во внутреннем объеме жидкой и на поверхности твердой фазы. Система вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов 5 устройства ввода газа и жидкости обеспечивает предварительное смешение (самопроизвольно или иным способом) жидкого и газового реагентов, равномерное поступление газожидкостной смеси через проницаемые пористые стенки устройства в объем реактора и облегчает контакт смеси с катализатором 2. Таким образом, упомянутая система цилиндрических элементов позволяет организовать оптимальный профиль концентрации контактирующих веществ, интенсифицировать процессы межфазного обмена и обеспечивает увеличение степени использования зерна катализатора. Каталитически активный материал системы обеспечивает предварительное взаимодействие и активацию реагентов в момент прохождения газожидкостной смеси через пористые стенки. При этом взаимодействие газовый реагент - жидкий реагент осуществляется как на границах раздела фаз газ - жидкость - твердое тело, так и во внутреннем объеме жидкой и на поверхности твердой фазы. Степень взаимодействия жидкого реагента и материала цилиндрических элементов определяется как физико-химическими и структурными свойствами материала этих элементов, так и условиями проведения процесса (температура, давление, гидродинамические режимы).
Встроенный теплообменник 8 обеспечивает необходимый градиент температуры в реакторе, а система вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов 5 устройства вывода компонентов реакционной смеси реактора, причем указанные цилиндрические элементы также выполнены из каталитически активного проницаемого пористого материала, обеспечивает дополнительное химическое взаимодействие с катализатором в порах материала, увеличивая глубину протекания реакций.
Выбор для устройства твердого катализатора обусловлен необходимостью эффективного разделения продуктов реакции, находящихся в жидкой фазе, и катализатора; выбор системы вертикальных параллельных одинаковых цилиндрических элементов, выполненных из каталитически активного проницаемого пористого материала обусловлен, во-первых, необходимостью улучшить гидродинамические режимы при осуществлении реакций,
лимитируемых газообразными компонентами (например, реакции гидрирования или окисления) и интенсифицировать процессы межфазного обмена, во-вторых, необходимостью организации оптимального профиля концентрации контактирующих с катализатором веществ, в-третьих, возможностью объединить в одном элементе функции смесителя газа и жидкости, газового распределителя, катализатора и фильтрующего элемента. При использовании системы проницаемых цилиндрических элементов, обладающих каталитической активностью, достигается эффект увеличения степени использования зерна катализатора за счет того, что на начальной стадии процесса в системе проницаемых цилиндрических элементов происходит предварительная активация реагентов, а вторая система проницаемых цилиндрических элементов на выходе из реактора благодаря своим каталитическим свойствам позволяет достичь более глубокой степени переработки реактантов. Использование одновременно каталитических свойств твердого катализатора и каталитических свойств системы проницаемых цилиндрических элементов приводит увеличению производительности реакторов. При использовании различных каталитически активных композиций в системах проницаемых цилиндрических элементов и твердом катализаторе, снимается проблема одновременного проведения последовательности селективных реакций в одном реакторе, что обеспечивает технологическую гибкость устройства.