Аппарат для проведения реакций во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество

Полезная модель относится к аппарату для проведения реакций во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество.
При проведении реакций между газом и жидкостью в присутствии твердого катализатора возникает трехфазная система. Химическое взаимодействие компонентов происходит на поверхности катализатора. При наличии жидкой фазы твердые частицы катализатора оказываются погруженными в нее. Реакционные компоненты из газовой фазы, прежде чем попасть на поверхность катализатора, должны раствориться в жидкости. Газ в реактор обычно подается снизу его. При этом жидкость целесообразно подавать вместе с газом. При определенных условиях, зависящих от скорости газа, плотности жидкости, плотности и фракционного состава катализатора, образуется трехфазный взвешенный слой.
Для равномерного распределения газа по сечению аппарата используются различные конструкции распределителей. Чаще всего это система труб, находящихся в нижней части аппарата около дна, в которых проделаны отверстия. Иногда для этого используются пористые пластины.
Так известен распределитель газа для реактора (Патент РФ 2365407, 2009), представляющий собой систему труб, расположенных около дна реактора, с отверстиями, направленными вниз. Недостатком этого изобретения является отсутствие в реакторе, для которого предназначен распределитель, возможности слива жидкой фазы и предотвращения уноса катализатора через верх реактора.
Известен суспензионный аппарат (Патент РФ 2566406, 2015), в который газообразные компоненты подают в суспензию через газораспределитель, который имеет направленные вниз выходы для газа, а аппарат ниже ввода газа перекрыт по всему сечению непроницаемой для жидкости перегородкой. Недостатком аппарата является отсутствие возможности ввода и вывода жидкой фазы.
Известен реактор для проведения химических реакций в трехфазной системе (Патент РФ 2153928, 2000). В него подается газ и жидкость вместе с катализатором, имеются приспособления для распределения газа и смеси жидкой и твердой фаз. Газ из реактора выводится отдельно, а жидкость и катализатор выводятся совместно. Недостатком данного реактора является невозможность вывода из него жидкости при сохранении в нем катализатора.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является каталитический твердожидкостной многофазный реактор (Патент РФ 2120820, 1998). Аппарат снабжен газораспределителем в виде тарелки или пористой пластины. Вход суспензии осуществляется в верхней части реактора под барботажный слой и вывод ее - снизу над газораспределителем. Жидкая фаза из реактора выводится с помощью фильтрующего элемента, который представляет собой фильтрующую сетку с размерами ячеек меньше половины минимального размера частиц катализатора. Фильтрующий элемент содержит устройство постоянного уровня, обеспечивающее перепад давлений между зоной суспензии и отфильтрованной жидкостью. При повышении этого перепада фильтрующий элемент может засоряться. Антизасоряющий эффект может иметь место за счет прохождения газовых пузырей через фильтрующую сетку вместе с жидкостью.
Данная конструкция аппарата обладает рядом недостатков:
- фильтрующий элемент занимает часть сечения аппарата, за счет чего уменьшается полезный объем аппарата;
- при изменении расходов газа и жидкости в реакторе будет изменяться перепад давления между суспензией и фильтрующим элементом, в результате чего может происходить засорение катализатором фильтрующей сетки;
- пузыри, проходящие в зоне фильтрующей сетки, не будут проникать через нее, поскольку их движение направлено вверх, а движение через фильтрующую сетку происходит под углом -90° к вертикали. Так что за счет этого движения очищение сетки происходить не будет.
Задачей настоящей полезной модели является разработка достаточно простого аппарата для проведения процесса в трехфазной системе газ-жидкость-твердое вещество и использование его для этерификации карбоновых кислот алифатическими спиртами в присутствии катионитов.
Поставленная задача решается предлагаемой полезной моделью, которая представляет собой аппарат для проведения реакций во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество, включающий трубопроводы для ввода снизу и вывода сверху газожидкостного потока, люки для ввода сверху и вывода снизу твердого вещества, распределитель исходного газожидкостного потока, находящийся в нижней части аппарата и имеющий колпачки, установленные по всему сечению аппарата прорезями вверх, и коллектор реакционного газожидкостного потока, находящийся в верхней части аппарата и имеющий колпачки, установленные прорезями вниз или под углом к вертикали 90°, при этом ширина прорезей на распределителе и коллекторе газожидкостного потока меньше, чем самые мелкие частицы твердого вещества.
В отличие от прототипа, где в аппарат поступает суспензия жидкости и твердого вещества в верхнюю часть аппарата, а взвешенный слой газ-жидкость-твердое вещество достигается подачей газового компонента снизу аппарата, в заявляемом аппарате твердое вещество помещается в аппарат предварительно, а газожидкостной поток направляется снизу аппарата, создавая взвешенный слой в системе газ-жидкость-твердое вещество.
Конструкция аппарата показана на фигуре 1, на которой представлены потоки и элементы заявляемого аппарата:
I. Исходный газожидкостной поток;
II. Выходящий газожидкостной реакционный поток.
1. Трубопровод для ввода исходного газожидкостного потока;
2. Нижние колпачки на распределителе исходного газожидкостного потока;
3. Верхние колпачки на коллекторе реакционного газожидкостного потока;
4. Коллектор;
5. Трубопровод для вывода газожидкостного реакционного потока;
6. Люк верхний;
7. Люк нижний.
В аппарат предварительно загружается необходимое количество твердого вещества. Загрузка твердого вещества производится через верхний люк 6 мимо коллектора 4 и верхних колпачков 3. Твердое вещество может также загружаться в аппарат при снятой верхней крышке и извлеченном коллекторе 4.
Исходный газожидкостной поток I подается в аппарат по трубопроводу 1 и распределяется по его сечению с помощью нижних колпачков 2, расположенных по всему сечению аппарата прорезями вверх на распределителе газожидкостного потока. Поднимаясь по высоте аппарата, поток, находясь во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество, реагирует и проходит верхние колпачки 3, установленные прорезями вниз или под углом к вертикали 90°, собирается в коллекторе 4, при этом ширина прорезей на распределителе и коллекторе газожидкостного потока меньше, чем самые мелкие частицы твердого вещества. Газожидкостной поток выходит из аппарата (поток II) через трубопровод 5. Выгрузка отработанного твердого вещества происходит через нижний люк 7 по мере необходимости.
Использование предлагаемого аппарата проведено при получении сложных эфиров карбоновых кислот путем этерификации карбоновых кислот алифатическими спиртами в присутствии катионитов, например, путем этерификации уксусной кислоты этанолом в присутствии катализатора катионита в форме зерен.
После загрузки катионита в аппарат через верхний люк 6, активации его серной кислотой и промывки деминерализованной водой до рН=3-4, катионит заливают уксусной кислотой. Аппарат нагревают до температуры ~100°C, и в него по трубопроводу 1 под слой катионита, с помощью нижних колпачков 2, расположенных по всему сечению аппарата прорезями вверх, на распределителе газожидкостного потока, подают эквимолярную смесь уксусной кислоты и этанола (поток I). Поднимаясь по высоте аппарата, газожидкостной поток, проходя через слой катализатора катионита в форме зерен и, находясь во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество, реагирует и проходит верхние колпачки 3, установленные прорезями вниз или под углом к вертикали 90°, собираясь в коллекторе 4, при этом ширина прорезей на распределителе и коллекторе газожидкостного потока меньше, чем самые мелкие частицы твердого вещества. Поток выходит из аппарата (поток II) через трубопровод 5.
Выгрузка отработанного катионита происходит по мере необходимости через нижний люк 7.
Для процесса получения сложных эфиров методом этерификации уксусной кислоты этанолом в присутствии катализатора катионита минимальный размер частиц находится в интервале 0,25-1,5 мм. Таким образом, размер прорезей на распределителе исходного газожидкостного потока и на коллекторе реакционного газожидкостного потока, должен быть не более 0,2 мм. В экспериментах использовался аппарат, в коллекторе которого в верхней его части были расположены колпачки с прорезями, направленными вниз и под углом 90°.
В таблице 1 приведены примеры получения сложного эфира уксусной кислоты (этилацетата) методом этерификации уксусной кислоты этанолом в трехфазной системе в присутствии катионитов с использованием предлагаемого аппарата.
Из таблицы 1 видно, что конверсия спирта за проход составляет - 65-90%, которая зависит от нагрузки на катионит. Селективность по эфиру находится в интервале 99,6-99,85%. Это означает, что в процессе образуется чрезвычайно мало побочных продуктов.
Таким образом, разработан достаточно простой аппарат, позволяющий проводить процесс в трехфазной системе газ-жидкость-твердое вещество и использовать его для этерификации карбоновых кислот алифатическими спиртами в присутствии катионитов.