СПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИИ ГИДРОФОРМИЛИРОВАНИЯ
METHODS FOR CONDUCTING HYDROFORMYLATION REACTION

Область техники
Данное изобретение в целом относится к способам проведения реакции гидроформилирования.
Уровень техники
2
Гидроформилирование представляет собой реакцию олефинов с H и CO в присутствии модифицированного фосфорорганическим лигандом гомогенного родиевого катализатора с образованием альдегидов в соответствии со следующим уравнением:
2
Как правило, реакцию гидроформилирования проводят в жидкой фазе, где синтез-газ (газообразная смесь Н и СО) барботируют в реакционную жидкость, содержащую жидкий олефин, альдегид-продукт, тяжелые вещества и гомогенный катализатор родий/лиганд.
2
Для того чтобы реакция произошла, H и CO должны быть растворены в реакционной жидкости, поэтому эффективное смешивание газа и жидкости имеет решающее значение, как для инициирования, так и для поддержания реакции гидроформилирования.
Кроме того, тепло, выделяемое в результате экзотермической реакции гидроформилирования, должно быть удалено, и температура реактора должна контролироваться при желаемых условиях реакции. Как правило, это достигается за счет внутренних змеевиков охлаждения или рециркуляции реакционной жидкости через внешний теплообменник и возврата охлажденной реакционной жидкости в реактор.
Кроме того, в тех же условиях, что и вышеуказанная реакция гидроформилирования, полученный альдегид может далее реагировать и подвергаться гидрированию in situ с получением соответствующего спирта, и гидроформилирование в условиях аминирования можно рассматривать как вариант реакции гидроформилирования.
Другой вторичной каталитической активностью некоторых катализаторов гидроформилирования является гидрирование или изомеризация двойных связей, например олефинов, имеющих внутренние двойные связи, до насыщенных углеводородов или α-олефинов и наоборот. Для установки и поддержания конкретных условий реакции гидроформилирования в реакторе важно избавиться от данных вторичных реакций катализаторов гидроформилирования. Даже небольшие отклонения от параметров процесса могут привести к образованию значительных количеств нежелательных вторичных продуктов, и поэтому поддержание практически идентичных параметров процесса по всему объему всей реакционной жидкости в реакторе гидроформилирования может иметь большое значение.
В целом, при гидроформилировании олефинов с помощью модифицированных фосфорорганическими лигандами гомогенных родиевых катализаторов выгодно устанавливать оптимальную концентрацию водорода и монооксида углерода, растворенных в жидкой реакционной среде.
Концентрация растворенного монооксида углерода (СО) в реакционной жидкости особенно важна и является ключевой переменной регулировки реактора гидроформилирования. Хотя концентрацию растворенного СО в реакционной жидкости нельзя измерить напрямую, ее, как правило, контролируют и аппроксимируют с помощью встроенного анализатора для измерения парциального давления СО в газовой фазе реактора, которое предположительно находится в равновесии с фазой реакционной жидкости. Данное приближение улучшается, если реакционная жидкость в реакторе перемешивается более равномерно и лучше приближается к модели РИС-Н (Реактор идеального смешения непрерывного действия).
Реакции образования углеводородов (парафинов), образования высококипящих конденсатов альдегидов (т.е. тяжелых веществ) и скорость разложения фосфорорганического катализатора на основе Rh также зависят от температуры реакции. Важно избегать образования градиентов температуры реакции и концентрации растворенного СО в объеме реакционной жидкости, присутствующей в реакторе; другими словами, важно установить и поддерживать близкие к идентичным рабочие условия по всему объему жидкости. Таким образом, необходимо избегать неоднородного распределения реагентов и температуры внутри реакционной зоны.
Поэтому желательно иметь конструкцию реактора гидроформилирования, которая обеспечивает высокодисперсное и равномерное распределение синтез-газа и распределение температуры в реакторе, и поддерживает контроль температуры реактора, обеспечивая при этом приемлемое использование энергии.
Сущность изобретения
Данное изобретение в целом относится к способам получения альдегидов и/или спиртов путем приведения в контакт олефинов в жидкой фазе с газообразными монооксидом углерода и водородом, причем одна часть данных газов диспергирована в форме пузырьков газа в реакционной жидкости, а другая часть растворена в реакционной жидкости, в присутствии катализатора при повышенных температурах от 50 до 145 °С и при давлениях от 1 до 100 бар. Варианты реализации данного изобретения преимущественно обеспечивают тщательное смешивание газ-жидкость реакционной жидкости в реакторе без применения механической мешалки или, в некоторых вариантах реализации изобретения, в дополнение к механической мешалке.
Было обнаружено, что высокоскоростной поток жидкости может использоваться для формирования внутренних потоков в средней и нижней части реактора в форме направленных струй жидкости, в некоторых вариантах реализации изобретения для придания импульса и сдвига реакционной жидкости, чтобы не только смешивать содержимое реактора, но также для диспергирования пузырьков синтез-газа, полученных с помощью обычного газового барботера. Несмотря на то, что он не находится в верхней части реактора, как в предшествующих конструкциях смешения газа и жидкости Вентури реактора, с некоторыми вариантами конструкции данного изобретения общая реакторная жидкость может достигать удивительно однородной температуры и газожидкостного смешивания, о чем свидетельствует более высокая и более однородная фракция или загрузка газа и постоянная температура в реакторе.
3
В одном варианте реализации изобретения способ проведения реакции гидроформилирования включает приведение в контакт олефина, водорода и монооксида углерода в присутствии гомогенного катализатора в цилиндрическом реакторе с получением реакционной жидкости, где цилиндрический реактор имеет фиксированную высоту и где в жидкость в цилиндрическом реакторе подают общую энергию перемешивания по меньшей мере 0,5 кВт/м; удаление части реакционной жидкости из цилиндрического реактора; и возврат, по меньшей мере, части удаленной реакционной жидкости в цилиндрический реактор, где возвращаемую реакционную жидкость вводят, по меньшей мере, в два места возврата, расположенных на высоте, которая составляет менее 80% от данной фиксированной высоты, где по меньшей мере два места возврата расположены над местом в реакторе, где в реактор вводят водород и монооксид углерода, где по меньшей мере 15% энергии смешения обеспечивается возвращающейся реакционной жидкостью.
Данные и другие варианты реализации изобретения описаны более развернуто в подробном описании сущности изобретения.
Краткое описание графических материалов
На Фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему для выполнения способа проведения реакции гидроформилирования в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения.
На Фиг. 2 представлен вид сверху в поперечном разрезе, иллюстрирующий цилиндрический реактор, который можно применять в некоторых вариантах реализации данного изобретения.
На Фиг. 3 представлен вид сверху в поперечном разрезе, иллюстрирующий другой цилиндрический реактор, который можно применять в некоторых вариантах реализации данного изобретения.
На Фиг. 4 проиллюстрировано относительное размещение одного варианта реализации устройства отклонения потока, которое можно применять в некоторых вариантах реализации данного изобретения.
На Фиг. 5 представлено схематическое изображение конструкции реактора моделируемой в примерах в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения.
На Фиг. 6 представлен схематический вид сверху, иллюстрирующий систему для выполнения способа проведения реакции гидроформилирования в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения.
На Фиг. 7 проиллюстрирован вариант реализации устройства отклонения потока, которое можно применять в некоторых вариантах реализации данного изобретения.
На Фиг. 8 проиллюстрировано распределение газовых фракций на основе CFD-моделирования для Примера 1 и Сравнительного примера A.
На Фиг. 9 проиллюстрировано распределение газовых фракций на основе CFD-моделирования для Примеров 2 и 3.
На Фиг. 10 проиллюстрировано распределение газовых фракций на основе CFD-моделирования для Примера 4.
Подробное описание сущности изобретения
2
Как правило, процесс гидроформилирования включает приведение в контакт СО, Н и по меньшей мере одного олефина в условиях гидроформилирования, достаточных для образования по меньшей мере одного альдегидного продукта в присутствии катализатора, содержащего в качестве компонентов переходной металл и фосфорорганический лиганд. Необязательные компоненты процесса включают амин и/или воду.
Все ссылки на Периодическую таблицу элементов и различные группы в ней относятся к версии, опубликованной в Справочнике по химии и физике CRC, 72-е изд. (1991-1992) CRC Press, на стр. 1-10.
Если не указано иное, или иное не подразумевается в контексте, все значения, выраженные в частях и процентах, относятся к массе, а все методы испытаний являются общепринятыми на момент подачи заявки по данному изобретению. Как используется в данном документе, термин «мас. ч/млн» означает части на миллион по массе. Для целей патентной практики Соединенных Штатов содержание любого патента, патентной заявки или публикации, на которые дается ссылка, включено в данную заявку в полном объеме посредством ссылки (или его эквивалентная версия в США включена посредством ссылки), особенно в отношении описания определений (в той степени, в которой это не противоречит каким-либо определениям, конкретно указанным в данном описании) и общих знаний в данной области техники.
Как используется в данном документе, употребление терминов в формуле изобретения в единственном числе предполагает также множественное число для данных терминов. Термины «содержит», «включает» и их вариации не имеют ограничивающего значения, когда эти термины появляются в описании и формуле изобретения. Таким образом, например, водная композиция, которая содержит частицы «одного» гидрофобного полимера, может интерпретироваться как означающая, что данная композиция содержит частицы «одного или более» гидрофобных полимеров.
Также в данном документе указание числовых диапазонов по конечным точкам включает в себя все числа, включенные в данный диапазон (например, от 1 до 5 включает 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4, 5 и т. д.). Для целей данного изобретения следует понимать, в соответствии с тем, что должен понимать специалист в данной области техники, что числовой диапазон предназначен для включения и охвата всех возможных поддиапазонов, которые включены в данный диапазон. Например, диапазон от 1 до 100 предназначен для охвата от 1,01 до 100, от 1 до 99,99, от 1,01 до 99,99, от 40 до 60, от 1 до 55 и т. д.
Как используется в данном документе, термин «гидроформилирование» предполагает включение, но не ограничиваясь этим, всех допустимых процессов асимметричного и неасимметричного гидроформилирования, которые включают преобразование одного или более замещенных или незамещенных олефиновых соединений или реакционной смеси, содержащей одно или более замещенных или незамещенных олефиновых соединений в один или более замещенных или незамещенных альдегидов или в реакционную смесь, содержащую один или более замещенных или незамещенных альдегидов.
Термины «реакционная жидкость», «реакционная среда» и «раствор катализатора» используются в данном документе взаимозаменяемо и могут включать, но не ограничиваются ими, смесь, содержащую: (a) катализатор металл-фосфорорганический лиганд, (b) свободный фосфорорганический лиганд, (c) альдегидный продукт, образующийся в реакции, (d) непрореагировавшие реагенты (например, водород, монооксид углерода, олефин), (e) растворитель для указанного катализатора комплекса металл-фосфорорганический лиганд и указанного свободного фосфорорганического лиганда, и, необязательно, (f) одно или более фосфорнокислых соединений, образующихся в реакции (которые могут быть гомогенными или гетерогенными, и данные соединения включают соединения, прилипшие к поверхностям технологического оборудования). Следует понимать, что реакционная жидкость может представлять собой смесь газа и жидкости. Например, реакционная жидкость может включать газовые пузырьки (например, водород и/или СО и/или инертные газы), захваченные в жидкости, или газы (например, водород и/или СО и/или инертные газы), растворенные в жидкости. Реакционная жидкость может охватывать, но не ограничиваясь ими: (a) жидкость в зоне реакции, (b) поток жидкости на пути в зону разделения, (c) жидкость в зоне разделения, (d) поток рециркулирования, (e) жидкость, отводимую из зоны реакции или зоны разделения, (f) извлеченную жидкость, обрабатываемую водным буферным раствором, (g) обработанную жидкость, возвращаемую в реакционную зону или зону разделения, (h) жидкость на пути к внешнему холодильнику, (i) жидкость во внешнем холодильнике, (j) жидкость, возвращаемую в зону реакции из внешнего холодильника, и (k) продукты разложения лиганда и их соли.
Растворитель преимущественно используется в вариантах реализации способа гидроформилирования. Можно использовать любой пригодный растворитель, который не мешает процессу гидроформилирования. В качестве иллюстрации, пригодные растворители для процессов гидроформилирования, катализируемых родием, включают те, которые описаны, например, в патентах США №№ 3527809; 4148830; 5312996; и 5929289. Неограничивающие примеры пригодных растворителей включают насыщенные углеводороды (алканы), ароматические углеводороды, воду, простые эфиры, альдегиды, кетоны, нитрилы, спирты, сложные эфиры и продукты конденсации альдегидов. Конкретные примеры растворителей включают: тетраглим, пентаны, циклогексан, гептаны, бензол, ксилол, толуол, диэтиловый эфир, тетрагидрофуран, бутиральдегид и бензонитрил. Данный органический растворитель также может содержать растворенную воду до предела насыщения. Иллюстративные предпочтительные растворители включают кетоны (например, ацетон и метилэтилкетон), сложные эфиры (например, этилацетат, ди-2-этилгексилфталат, 2,2,4-триметил-1,3-пентандиол моноизобутират), углеводороды (например, толуол), нитроуглеводороды (например, нитробензол), простые эфиры (например, тетрагидрофуран (ТГФ)) и сульфолан. В процессах гидроформилирования, катализируемых родием, может быть предпочтительным применять в качестве основного растворителя альдегидные соединения, соответствующие альдегидным продуктам, которые необходимо получить, и/или побочные продукты конденсации альдегида с более высокой температурой кипения, например, которые могут быть получены in situ во время процесса гидроформилирования, как описано, например, в патентах США № 4148830 и 4247486. Как правило, первичный растворитель со временем будет включать как альдегидные продукты, так и побочные продукты конденсации альдегида с более высокой температурой кипения («тяжелые вещества») из-за характера непрерывного процесса. Количество растворителя не является особенно критическим и должно быть достаточным только для обеспечения реакционной среды желаемой концентрацией переходного металла. Как правило, количество растворителя составляет от 5 до 95 мас. % в расчете на общую массу реакционной жидкости. Могут быть применены смеси растворителей.
2
2
2
2
2
Водород и монооксид углерода могут быть получены из любого подходящего источника, включая крекинг нефти и операции по нефтеочистке. Смеси синтез-газа являются предпочтительным источником водорода и СО. Сингаз (от синтез-газ) представляет собой название газовой смеси, содержащей различные количества СО и Н. Способы его производства являются хорошо известными. Как правило, основными компонентами синтез-газа являются водород и СО, но синтез-газ может содержать СО и инертные газы, такие как N и Ar. Молярное отношение Н к СО сильно варьируется, но обычно колеблется от 1:100 до 100:1 и, как правило, от 1:10 до 10:1. Сингаз является коммерчески доступным и часто используется в качестве источника топлива или промежуточного продукта для производства других химических веществ. Молярное отношение H:CO для химического производства часто составляет от 3:1 до 1:3 и, как правило, составляет от 1:2 до 2:1 для большинства применений гидроформилирования.
Варианты реализации данного изобретения применимы для усовершенствования любого обычного непрерывного процесса РИС-Н гидроформилирования, катализируемого комплексом родий-фосфорорганический лиганд, из смеси газ/жидкость для получения альдегидов, причем данный процесс проводят в присутствии свободного фосфорорганического лиганда. Такие процессы гидроформилирования (также называемые «оксо-процессами») и их условия хорошо известны в данной области техники, как показано, например, в процессе с непрерывной рециркуляцией жидкости описанном в патенте США № 4148830 и в процессе на основе фосфита описанном в патентах США № 4599206 и 4668651. Также включены процессы, такие как описанные в патентах США № 5932772 и 5952530. Такие процессы гидроформилирования, как правило, включают получение альдегидов путем приведения в контакт олефинового соединения с водородом и газообразным монооксидом углерода в жидкой реакционной среде, которая содержит растворимый катализатор комплекс родий-фосфорорганический лиганд, свободный фосфорорганический лиганд и побочные продукты конденсации альдегида с более высокой температурой кипения. В целом, концентрации родия в диапазоне от около 10 до около 1000 ч/млн по массе в расчете на свободный металл должны быть достаточными для большинства процессов гидроформилирования. В некоторых процессах используют от 10 до 700 ч/млн по массе родия, как правило, от 25 до 500 ч/млн по массе родия, в расчете на свободный металл.
Соответственно, как и в случае катализатора комплекса родий-фосфорорганический лиганд, любой обычный фосфорорганический лиганд может быть применен в качестве свободного лиганда, и такие лиганды, а также способы их получения хорошо известны в данной области техники. В данном изобретении может быть применено широкое разнообразие фосфорорганических лигандов. Примеры включают, но не ограничиваются ими, фосфины, фосфиты, фосфинофосфиты, бисфосфиты, фосфониты, бисфосфониты, фосфиниты, фосфорамидиты, фосфинофосфорамидиты, бисфосфорамидиты, фторфосфиты и тому подобное. Лиганды могут включать хелатные структуры и/или могут содержать несколько фрагментов P (III), таких как полифосфиты, полифосфорамидиты и т.д., и смешанные фрагменты P (III), такие как фосфит-фосфорамидиты, фторфосфит-фосфиты и тому подобное. Конечно, при желании также можно применять смеси таких лигандов. Таким образом, способ гидроформилирования по данному изобретению может быть осуществлен с любым избыточным количеством свободного фосфорорганического лиганда, например, по меньшей мере, 0,01 моль свободного фосфорорганического лиганда на моль родия, присутствующего в реакционной среде. Количество используемого свободного фосфорорганического лиганда, как правило, просто зависит от желаемого альдегидного продукта, используемого олефина и комплекса катализатора. Соответственно, количество свободного фосфорорганического лиганда, присутствующего в реакционной среде, в пределах от около 0,01 до около 300 или более на моль присутствующего родия (измеренного в пересчете на свободный металл) должно подходить для большинства целей. Например, в целом, большие количества свободного триарилфосфинового лиганда, например трифенилфосфина, такие как более 50 моль или, в некоторых случаях, более 100 моль свободного лиганда на моль родия, используются для достижения удовлетворительной каталитической активности и/или стабилизации катализатора, тогда как другие фосфорорганические лиганды, например алкиларилфосфины и циклоалкиларилфосфины, могут помогать обеспечить приемлемую стабильность и реакционную способность катализатора без чрезмерного замедления скорости превращения некоторых олефинов в альдегиды, когда количество свободного лиганда, присутствующего в реакционной среде, составляет всего от 1 до 100, а в некоторых случаях от 15 до 60 моль на моль присутствующего родия. Кроме того, другие фосфорные лиганды, например, фосфины, сульфированные фосфины, фосфиты, диорганофосфиты, бисфосфиты, фосфорамидиты, фосфониты, фторфосфиты могут помочь обеспечить приемлемую стабильность и реакционную способность катализатора без чрезмерного замедления скорости превращения некоторых олефинов в альдегиды, когда количество свободного лиганда, присутствующего в реакционной среде, составляет всего от 0,01 до 100, а в некоторых случаях от 0,01 до 4 моль на моль присутствующего родия.
Более конкретно, иллюстративные катализаторы на основе родий-фосфорорганического комплекса и иллюстративные свободные фосфорорганические лиганды включают, например, те, которые описаны в патентах США № 3527809; 4148830; 4247486; 4283562; 4400548; 4482749; заявках на европейские патенты, публикации № 96986; 96987 и 96988 (все опубликованы 28 декабря 1983 г); патентной заявке РСТ, публикация № WO 80/01690 (опубликована 21 августа 1980 г) и заявках на патент США № 581352, поданной 17 февраля 1984 г, и № 685025, поданной 28 декабря 1984 г. Среди наиболее предпочтительных лигандов и комплексов катализаторов, которые могут быть упомянуты, находятся, например, катализаторы на основе трифенилфосфинового лиганда и комплекса родий-трифенилфосфин, описанные в патентах США № 3527809; 4148830 и 4247486; алкилфенилфосфиновые и циклоалкилфенилфосфиновые лиганды и катализаторы комплексы родий-алкилфенилфосфин и родий-циклоалкилфенилфосфин, описанные в патентах США № 4283562; и диорганофосфитные лиганды и катализаторы комплексы родий-диорганофосфит, описанные в патенте США № 4599206 и в патенте США № 4668651.
Как дополнительно отмечено выше, реакция гидроформилирования как правило проводится в присутствии высококипящих побочных продуктов конденсации альдегида. Природа таких непрерывных реакций гидроформилирования, которые используются в данном документе, ведет к получению таких высококипящих побочных альдегидных продуктов (например, димеров, тримеров и тетрамеров) in situ во время процесса гидроформилирования, как объяснено более полно, например, в патентах США № 4148830 и 4247486. Такие альдегидные побочные продукты обеспечивают превосходный носитель для процесса рециркуляции жидкого катализатора. Например, первоначально реакцию гидроформилирования можно проводить в отсутствие или в присутствии небольших количеств побочных продуктов конденсации альдегида с более высокой температурой кипения в качестве растворителя для катализатора на основе родиевого комплекса, или реакцию можно проводить в присутствии более 70 массовых процентов или даже целых 90 массовых процентов и более таких побочных продуктов конденсации в расчете на общую жидкую реакционную среду. Как правило, для большинства целей должно быть достаточным отношение альдегида к более высококипящим побочным продуктам конденсации альдегида в диапазоне от около 0,5:1 до около 20:1 по массе. Также следует понимать, что при желании могут присутствовать незначительные количества других обычных органических сорастворителей.
2
Хотя условия реакции гидроформилирования могут изменяться в широких пределах, как обсуждалось выше, в целом более предпочтительно, чтобы процесс проводился при общем давлении газообразного водорода, монооксида углерода и олефинового ненасыщенного исходного соединения менее чем около 3100 килопаскалей (кПа) и более предпочтительно менее чем около 2415 кПа. Минимальное общее давление реагентов не является особенно критическим и ограничивается главным образом только количеством реагентов, необходимым для достижения желаемой скорости реакции. Более конкретно, парциальное давление монооксида углерода в способе проведения реакции гидроформилирования по данному изобретению может составлять от около 1 до 830 кПа, а в некоторых случаях от около 20 до 620 кПа, тогда как парциальное давление водорода может составлять от около 30 до 1100 кПа, и, в некоторых случаях, от около 65 до 700 кПа. Как правило, молярное отношение H:CO газообразного водорода к монооксиду углерода может варьироваться от около 1:10 до 100:1 или выше, в некоторых случаях от около 1:1,4 до около 50:1.
Кроме того, как отмечено выше, способ проведения реакции гидроформилирования по данному изобретению можно проводить при температуре реакции от около 50°С до около 145°С. Однако в целом типичными являются реакции гидроформилирования при температурах от около 60°С до около 120°С или от около 65°С до около 115°С.
Конечно, следует понимать, что конкретный способ проведения реакции гидроформилирования и конкретные условия реакции гидроформилирования не являются узко критичными для объекта данного изобретения и могут варьироваться в широких пределах и адаптироваться для удовлетворения индивидуальных потребностей и получения конкретного желаемого альдегидного продукта.
2
5
Внешние охлаждающие контуры (циркуляция содержимого реактора через внешний теплообменник (охладитель)) как правило применяются для высоко экзотермических реакций гидроформилирования, таких как для низкоуглеродистых олефинов (от С до С), поскольку сами по себе внутренние охлаждающие змеевики часто не имеют достаточной теплоотводящей способности (ограниченная площадь теплопередачи на объем теплообменника). Кроме того, внутренние охлаждающие змеевики замещают внутренний объем реактора, делая размер реактора большим для данной производительности. Однако в некоторых вариантах реализации изобретения внутри реактора расположена по меньшей мере одна внутренняя охлаждающая спираль. Такая внутренняя охлаждающая (охлаждающиее) спираль (спирали) может быть дополнена внешним контуром охлаждения в некоторых вариантах реализации изобретения.
Предпочтительные примеры олефинов, используемых в данном изобретении, включают этилен, пропилен, бутен, 1-гексен, 1-октен, 1-нонен, 1-децен, 1-ундецен, 1-тридецен, 1-тетрадецен, 1-пентадецен, 1-гексадецен, 1-гептадецен, 1-октадецен, 1-нонадецен, 1-эйкозен, 2-бутен, 2-метилпропен, 2-пентен, 2-гексен, 2-гептен, 2-этилгексен, 2-октен, стирол, 3-фенил-1-пропен, 1,4-гексадиен, 1,7-октадиен, 3-циклогексил-1-бутен, аллилацетат, аллилбутират, метилметакрилат, винилметиловый эфир, винилэтиловый эфир, аллилэтиловый эфир, н-пропил-7-октеноат, 3-бутеннитрил, 5-гексенамид, 4-метилстирол, 4-изопропилстирол и тому подобное. Смеси изомеров (например, рафинаты бутена) также могут быть использованы. Полученные альдегидные продукты могут быть подвергнуты гидрированию и, таким образом, превращены в соответствующие спирты, которые могут быть использованы в качестве растворителя или для получения пластификатора, или могут подвергаться другим последующим реакциям, таким как альдольная конденсация в высшие альдегиды, окисление в соответствующие кислоты, или эстерификация с получением соответствующих уксусных, пропионовых или акриловых сложных эфиров.
Олефиновый исходный материал вводят в реактор любым удобным способом либо в виде газа (необязательно с поступающим сырьем синтез-газа), либо в виде жидкости в реактор, либо в виде части рециркуляционного контура перед введением в реактор. Одним из особенно полезных способов является использование отдельного барботера олефина рядом с барботером синтез-газа или под ним (обсуждается ниже), чтобы проводить подачу олефина и синтез-газа в непосредственной близости друг к другу.
Чтобы обеспечить контекст для места, где могут быть введены водород и монооксид углерода (например, в виде синтез-газа), сделана ссылка на реактор 1, показанный на Фиг. 1 (Фиг. 1 более подробно обсуждается ниже). Реактор 1, показанный на Фиг. 1, представляет собой цилиндрический реакционный сосуд, который содержит реакционную жидкость. Реактор 1 имеет фиксированную высоту (h), которая представляет собой расстояние между нижней частью реактора и верхней частью реактора. Расположение определенных признаков в вариантах реализации способов данного изобретения может быть дано относительно фиксированной высоты реакционного сосуда. Как используется в данном документе, термин «фиксированная высота» относится к расстоянию между дном реакционного сосуда и верхом реакционного сосуда и может быть легко определено для конкретного реактора. Место, которое находится на уровне 20% от фиксированной высоты реакционного сосуда, означает, что это место находится на высоте 20% от фиксированной высоты при измерении от дна реакционного сосуда (место на 0% от фиксированной высоты находится внизу реакционного сосуда и место на 100% от фиксированной высоты находится наверху реакционного сосуда).
Сингаз вводят в реакцию с помощью обычного газового барботера, который расположен в реакционном сосуде на высоте 20% или менее от фиксированной высоты (например, в нижних 20% реакционного сосуда). В некоторых вариантах реализации изобретения барботер синтез-газа расположен в реакционном сосуде на высоте 10% или менее от фиксированной высоты, например, в месте вблизи дна реакционного сосуда. Барботер синтез-газа часто представляет собой пластину, кольцо или серию концентрических колец, и конструкции таких барботеров газа хорошо известны в данной области техники. В целом, такие барботеры синтез-газа должны быть предназначены для введения пузырьков подходящего размера и для обеспечения желаемого потока синтез-газа, предполагаемого для скорости потока олефина. В некоторых вариантах реализации изобретения барботер газа для применения в способах проведения реакции гидроформилирования по данному изобретению вводит синтез-газ таким образом, чтобы образовывать отдельные пузырьки диаметром менее 15 мм. В некоторых вариантах реализации изобретения барботер газа для применения в способах проведения реакции гидроформилирования по данному изобретению вводит синтез-газ таким образом, чтобы образовывать отдельные пузырьки диаметром менее 10 мм. Применение колец, концентрических колец, пластин и других конструкций не является критичным для данного изобретения, кроме как для генерирования пузырьков подходящего размера. Можно также применять несколько барботеров синтез-газа, хотя одного может быть достаточно.
3
Также важной для создания и поддержания подходящего размера пузырьков является достаточная турбулентность в реакционной жидкости, чтобы предотвратить слияние пузырьков и ввести сдвиг, чтобы создавать пузырьки меньшего размера. Это традиционно достигается путем перемешивания реакционной жидкости обычными мешалками, но мы обнаружили, что направленный поток (струи) жидкости, предпочтительно реакционной жидкости, содержащей катализатор, может быть одинаково эффективным. Мы также обнаружили, что комбинация данных двух методов эффективна до тех пор, пока сумма мощности, передаваемой на единицу объема мешалкой и рециркуляционным насосом (насосами), превышает 0,5 кВт/м. При отсутствии вышесказанного более низкая (или нулевая) турбулентность в реакционной жидкости приводит к образованию пузырьков газа большего диаметра, которые быстро всплывают до границы раздела газ/жидкость из-за увеличения сил плавучести и отрываются от жидкости, что приводит к снижению уровня газа, задерживающегося в реакторе. Генерация и поддержание небольших пузырьков важны для получения однородной реакционной жидкости, которая обеспечит лучшее смешивание газа и жидкости, задержку газа и более воспроизводимые характеристики реактора. Меньшие пузырьки обеспечивают максимальное удержание газа и максимизируют площадь массообмена между пузырьками и жидкостью для растворения синтез-газа (оптимизированное соотношение объема газа/поверхности).
Расположение барботера синтез-газа относительно выпускной форсунки рециркуляционного контура, которое расположено на дне или сбоку реактора, должно быть таким, чтобы минимальное количество пузырьков синтез-газа вводилось во внешний контур рециркуляционного потока через насос, трубопровод и внешний охладитель (обсуждается ниже), так как это может отрицательно повлиять на работу насоса (кавитация, вибрация, забивание) и может вызвать изменения в производительности теплообменника и, следовательно, контроль температуры реактора. Использование выпускного дефлектора или какого-либо другого устройства, которое препятствует и отводит прямые линии тока от выпускной форсунки рециркуляции реактора, является предпочтительным вариантом.
Вертикальные перегородки, прикрепленные к внутренним стенкам реактора, обеспечивают дальнейшее перемешивание и минимизируют вращательный поток за счет сдвига и подъема радиальных линий тока от стенки сосуда.
Не ограничиваясь какой-либо теорией, высокая скорость жидкости и тщательное перемешивание с небольшим (<15 мм) начальным размером пузырьков, обеспечиваемые вариантами реализации данного изобретения, сводят к минимуму слияние пузырьков сингаза, способствуют уменьшению размера пузырьков путем сдвига и дают равномерное распределение газа/жидкости и температуры по всему реактору. Движению небольших пузырьков сингаза из-за их естественной плавучести до и через границу жидкости в газовое пространство реактора противодействуют вязкость жидкости и турбулентный поток жидкой массы. Чрезмерно большие пузырьки будут подниматься слишком быстро, что приведет к низкой задержке газа и неравномерному распределению. Несмотря на то, что они не расположены в верхней части корпуса реактора, форсунки или устройства отклонения потока, применяемые в некоторых вариантах реализации данного изобретения для создания струй жидкости, которые обеспечивают нисходящий и противоточный поток, уравновешивают естественную плавучесть пузырьков и поддерживают захват пузырьков в жидкости, циркулирующей по всему реактору, что приводит к более равномерному распределению пузырьков синтез-газа по всей жидкой фазе. По мере того, как синтез-газ растворяется и реагирует, пузырьки сжимаются, что дополнительно помогает поддерживать их распределение в жидкой фазе и способствует хорошему массообмену в жидкой фазе.
3
В одном варианте реализации изобретения данное изобретение предлагает способ проведения реакции гидроформилирования, который включает приведение в контакт олефина, водорода и монооксида углерода в присутствии гомогенного катализатора в вертикально ориентированном цилиндрическом реакторе с получением реакционной жидкости, где цилиндрический реактор имеет фиксированную высоту и где в жидкость в цилиндрическом реакторе подают общую энергию перемешивания по меньшей мере 0,5 кВт/м; удаление части реакционной жидкости из цилиндрического реактора; и возврат, по меньшей мере, части удаленной реакционной жидкости в цилиндрический реактор, где возвращаемую реакционную жидкость вводят, по меньшей мере, в два места возврата, расположенных на высоте, которая составляет менее 80% от данной фиксированной высоты реактора, где по меньшей мере два места возврата расположены над местом в реакторе, где в реактор вводят водород и монооксид углерода и где по меньшей мере 15% энергии смешения обеспечивается возвращающейся реакционной жидкостью. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере два места возврата содержат одну или несколько форсунок, которые выступают в цилиндрический реактор на расстояние не менее 10% и не более 50% радиуса цилиндрического реактора для направления потока возвращающейся реакционной жидкости.
В некоторых вариантах реализации изобретения поток возвращаемой реакционной жидкости направляется устройством отклонения потока, расположенным в каждом месте возврата. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере одно устройство отклонения потока направляет поток возвращающейся реакционной жидкости горизонтально. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере одно устройство отклонения потока направляет поток возвращающейся реакционной жидкости вертикально. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере одно устройство отклонения потока направляет поток возвращающейся реакционной жидкости горизонтально и по меньшей мере одно устройство отклонения потока направляет поток возвращающейся реакционной жидкости вертикально.
Поток возвращающейся реакционной жидкости, в некоторых вариантах реализации изобретения, направляется устройством отклонения потока для предотвращения индуцирования вращательного потока жидкости вокруг центральной вертикальной оси цилиндрического реактора. В некоторых вариантах реализации изобретения поток возвращаемой реакционной жидкости разделен и направлен во множестве направлений, которые не направлены к центральной вертикальной оси цилиндрического реактора и не перпендикулярны центральной вертикальной оси.
В некоторых вариантах реализации изобретения сочетание площади поперечного сечения устройства отклонения потока и скорости потока возвращающейся реакционной жидкости приводит к образованию струи жидкости внутри цилиндрического реактора, которая придает импульс и вызывает перемешивание в объемной жидкости в цилиндрическом реакторе и где возвращающаяся реакционная жидкость разделяется и направляется во множестве направлений.
В некоторых вариантах реализации изобретения водород и монооксид углерода вводят в цилиндрический реактор на высоте, которая составляет менее 20% от фиксированной высоты реактора, а места возврата расположены на высоте, которая составляет менее 80% от фиксированной высоты реактора.
В некоторых вариантах реализации изобретения водород и монооксид углерода вводят в виде синтез-газа, и синтез-газ вводят таким образом, чтобы образовывать дискретные пузырьки с диаметром менее 15 мм в цилиндрическом реакторе.
Множество перегородок (горизонтальных и/или вертикальных) расположены внутри цилиндрического реактора в некоторых вариантах реализации изобретения, как дополнительно обсуждается в данном документе.
В некоторых вариантах реализации изобретения мешалка расположена в цилиндрическом реакторе. В некоторых вариантах реализации изобретения, где мешалка расположена в цилиндрическом реакторе, мешалка и возвращающаяся реакционная жидкость обеспечивают энергию перемешивания в цилиндрическом реакторе. В некоторых вариантах реализации изобретения, где мешалка расположена в цилиндрическом реакторе, мешалка не работает, и только возвращающаяся реакционная жидкость обеспечивает энергию перемешивания в цилиндрическом реакторе.
Различные варианты реализации данного изобретения могут быть более понятны со ссылкой на прилагаемые графические материалы.
На Фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая систему для выполнения способа проведения реакции гидроформилирования в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения. На фиг.1 представлен цилиндрический реактор или реакционный сосуд 1, имеющий верх, низ и фиксированную высоту (h). Показан реактор 1, содержащий уровень реакционной жидкости и поверхность раздела газ/жидкость. Как показано на Фиг. 1, поток реакционной жидкости 2 отводится из нижней части реактора 1 с помощью насоса 3. Поток направляется в возвратные форсунки 5 после прохождения через теплообменник 4 и/или линию обхода 10. Мешалка 14 с диском и крыльчаткой радиального потока для перекачки жидкости и диспергирования газа показана в варианте реализации изобретения на Фиг. 1, хотя, как изложено в данном документе, мешалка не требуется во всех вариантах реализации данного изобретения. Кроме того, даже в вариантах реализации изобретения, где присутствует мешалка, мешалка может работать в некоторых вариантах реализации изобретения и не работать в других вариантах реализации изобретения. Когда она присутствует и, как показано на Фиг. 1, мешалка как правило расположена на вертикальной центральной линии реактора 1.
Реакционная жидкость 2, которая удаляется из нижней части реактора 1, возвращается в реактор через две или более форсунки 5. Две или более форсунки 5 в некоторых вариантах реализации изобретения могут быть ориентированы в симметричные пары, симметричные триады или другие симметричные расположения. Рециркуляционный поток, выходящий из данных форсунок и поступающий в объемную реакторную жидкость, образует одну или несколько струй возвращающейся реакционной жидкости, которые придают импульс и перемешивание газа и жидкости в объемной реакторной жидкости. Как обсуждено далее со ссылкой на Фиг. 2-4, форсунки 5 могут быть ориентированы так, чтобы направлять струи жидкости в направлении вниз или вверх. В некоторых вариантах реализации изобретения форсунки могут быть ориентированы так, чтобы струи жидкости не были направлены к центральной вертикальной оси реактора 1 (например, не к центральной линии реактора или к валу мешалки реактора и крыльчаткам 14 на Фиг. 1). Предпочтительно, чтобы струи жидкости не были ориентированы в строго горизонтальном или строго вертикальном направлении или непосредственно к вертикальной оси или центру мешалки, или к валу мешалки реактора или рабочим колесам (то есть обсуждаемые ниже значения α и β, оба больше нуля). В некоторых вариантах реализации изобретения множество наборов симметричных форсунок могут быть расположены в разных ориентациях форсунок (радиальное положение) и/или на разных высотах в реакторе 1.
Сингаз вводят в реактор 1 через поток 6 с помощью барботера сингаза. Аналогично, олефин вводят через поток 7. Олефин также может быть введен через барботирующее устройство в некоторых вариантах реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения олефин может быть смешан с синтез-газом или потоком 11 до введения в реактор 1. Выпускной дефлектор 8 применяют, чтобы минимизировать попадание захваченных газов в линию 2 в варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, хотя выпускной дефлектор не применяют в других вариантах реализации изобретения.
Что касается потока 2 реакционной жидкости, удаляемого из нижней части реактора, неочищенный продукт и каталитическую смесь можно удалять из потока 2, как представлено потоком 9. Хотя на Фиг. 1 поток 9 смеси неочищенного продукта/катализатора показан отделенным от рециркуляционного потока 2, в других вариантах реализации изобретения поток реакционной жидкости может быть отведен из другого места в реакторе 1 и обработан для отделения потока неочищенного продукта/каталитической смеси. В любом случае поток неочищенного продукта и каталитической смеси может быть направлен в другой реактор в некоторых вариантах реализации изобретения или в зону разделения катализатора/продукта в других вариантах реализации изобретения (зона разделения катализатора/продукта также может следовать за последующими реакторами в вариантах реализации изобретения, где применяют несколько реакторов). В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, рециркулированный катализатор из зоны разделения катализатора/продукта возвращается в реактор 1 через поток 11 путем объединения потока 11 рециркулированного катализатора с потоком реакционной жидкости, возвращаемой в реактор 1 через поток обхода 10 и/или поток, выходящий из теплообменника 4. В других вариантах реализации изобретения часть потока рециркуляции может быть удалена (Поток 9) для другой обработки или добавлена другими потоками процесса (Поток 11) так, что Поток 2 не обязательно должен быть равен Потокам 15 и 16.
Как показано на Фиг. 1, необязательный поток продувки газа 12 из реактора можно выпускать, сжигать или направлять в коллектор топливного газа установки или в другой реактор в вариантах реализации изобретения, где несколько реакторов расположены последовательно. Анализ данного потока продувки 12 может предоставить удобные средства для измерения парциального давления СО в реакторе 1 для контроля реакции.
Хотя это не показано на Фиг. 1, данная система также включает другие стандартные элементы оборудования, такие как клапаны, датчики температуры и датчики давления, которые легко распознаются и применяются специалистами в данной области техники.
Реакционную жидкость, возвращаемую в реактор 1, можно вводить, по меньшей мере, в двух симметрично противоположных местах возврата (представленных форсунками 5 на Фиг. 1). По меньшей мере, два места возврата расположены на высоте, которая составляет менее 80% от фиксированной высоты реактора, но также выше места в реакторе, где в реактор вводят водород и монооксид углерода (например, над барботером 6 синтез-газа для варианта реализации изобретения, показанного на Фиг. 1). В некоторых вариантах реализации изобретения, по меньшей мере, два места возврата расположены на высоте, которая составляет менее 60% от фиксированной высоты реактора, но также выше места в реакторе, где в реактор вводят водород и монооксид углерода. В некоторых вариантах реализации изобретения, по меньшей мере, два места возврата расположены на высоте, которая составляет менее 50% от фиксированной высоты реактора, но также выше места в реакторе, где в реактор вводят водород и монооксид углерода.
Возвращающаяся реакционная жидкость может обеспечивать по меньшей мере 15% общей энергии перемешивания в реакторе. В различных вариантах реализации изобретения возвращающаяся реакционная жидкость может обеспечивать по меньшей мере 25% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 30% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 40% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 50% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 60% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 70% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 75% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 80% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 85% от общей энергии перемешивания, или по меньшей мере 90% от общей энергии перемешивания или по меньшей мере 95% от общей энергии перемешивания. В некоторых вариантах реализации изобретения возвращающаяся реакционная жидкость может обеспечивать по существу всю или 100% всей энергии перемешивания в реакторе. Следует понимать, что полная энергия перемешивания включает энергию перемешивания, обеспечиваемую действующей мешалкой (если имеется), струями жидкости, создаваемыми возвращающейся реакционной жидкостью, или любым другим источником энергии перемешивания, но не включает какую-либо минимальную энергию перемешивания, которая может быть обеспечена введением синтез-газа, олефина или другого реагента, подаваемого в реактор. В вариантах реализации изобретения, где струи жидкости, создаваемые возвращающейся реакционной жидкостью, обеспечивают по существу всю или 100% энергии перемешивания, реактор либо не содержит мешалку, либо содержит мешалку, которая не работает. В некоторых вариантах реализации изобретения, где струи жидкости, создаваемые возвращающейся реакционной жидкостью, не обеспечивают 100% энергии перемешивания, рабочая мешалка в реакторе может обеспечивать баланс энергии перемешивания.
Как используется в данном документе, полная энергия перемешивания, подаваемая в реактор, измеряется путем расчета энергии перемешивания, передаваемой мешалкой, и энергии перемешивания, передаваемой возвращающейся реакционной жидкостью. Энергию перемешивания, передаваемую мешалкой и возвращаемой реакционной жидкостью, можно рассчитать путем измерения напряжения и тока мешалки и двигателей рециркуляционного насоса (например, мешалки 14 и насоса 3 на Фиг. 1).
Способ возврата реакционной жидкости влияет на эффективность передаваемой энергии перемешивания. В некоторых вариантах реализации изобретения реакционная жидкость может быть возвращена с применением труб с одной или более пластинами (пластиной) отклонения потока 17, установленными на конце секции трубы 18, которая затем вставляется и присоединяется к возвратной форсунке (форсункам) рециркуляции реактора, как показано на Фиг. 4 и обсуждается ниже. В некоторых вариантах реализации изобретения реакционная жидкость возвращается с использованием форсунок или отверстий для потока, расположенных на конце секции трубы, которая затем вставляется и присоединяется к возвратной форсунке (форсункам) рециркуляции реактора, как описано ниже. В каждом случае скорость результирующей струи жидкости зависит от площади сечения форсунок или отверстий или площади сечения, создаваемой между пластиной (пластинами) отклонения потока 17 и внутренней стенкой трубы 18, массовой скорости потока и плотности возвращаемой реакционной жидкости. Сочетание площади потока и скорости потока приводит к образованию струи реакционной жидкости внутри реактора, которая придает импульс и вызывает смешивание газа/жидкости и жидкости/жидкости в объемной жидкости в реакторе. Кроме того, возвращающаяся реакционная жидкость разделяется и направляется во множестве направлений.
Термин «устройство отклонения потока» используют в данном документе для охвата как форсунок, так и отклоняющих пластин, расположенных в возвратных трубах рециркуляции реактора. В любом случае устройства отклонения потока направляют поток возвращающейся реакционной жидкости. Как дополнительно обсуждается ниже, в некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока направляют поток возвращающейся реакционной жидкости горизонтально. В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока направляют поток возвращающейся реакционной жидкости вертикально. В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока направляют поток возвращающейся реакционной жидкости как горизонтально, так и вертикально.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока направляют поток возвращающейся реакционной жидкости так, чтобы предотвратить индуцирование вращательного потока вокруг центральной вертикальной оси реактора (например, оси, соответствующей валу мешалки 14, показанном на Фиг. 1).
В некоторых вариантах реализации изобретения поток возвращающегося реакционной жидкости разделяется и направляется во множестве направлений, которые не совпадают с направлением к центральной вертикальной оси реактора, и не являются ни перпендикулярными, ни параллельными вертикальной центральной оси. Данная особенность может быть важной в некоторых вариантах реализации изобретения, где реактор содержит мешалку (работающую или нет). Например, направление возвратного потока рециркуляции к валу мешалки может вызвать вибрацию и повредить мешалку, уплотнение мешалки или опорный подшипник.
На Фиг. 2 показан вид сверху в разрезе расположения двух устройств отклонения потока 5 в реакторе в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения. На Фиг. 3 показан вид сверху в разрезе расположения трех устройств отклонения потока 5 в соответствии с другим вариантом реализации данного изобретения. На каждой из Фиг. 2 и 3 показано, как устройства отклонения потока направляют струи жидкости, образованные возвратным потоком рециркуляции. Могут быть выбраны другие расположения устройств отклонения потока (например, четыре или более устройств отклонения потока и/или другое расположение устройств отклонения потока). В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока равномерно распределены по окружности цилиндрической стенки реактора.
На Фиг. 2-4 показан угол смещения струй жидкости, создаваемых рециркуляционной жидкостью реактора при выходе из устройств отклонения потока 5. В показанных вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока 5 представляют собой трубы, имеющие пластины для разделения потока (такие как вариант реализации изобретения, показанный на верхней диаграмме на Фиг. 4), которые разделяют поток, выходящий из каждой трубы, на две струи жидкости, поскольку устройство отклонения потока повернуто на угол α, одна струя жидкости течет вверх, а другая струя жидкости течет вниз.
В вариантах реализации изобретения, где применяют устройства отклонения потока, ориентация устройств отклонения потока в трубе и углы, сообщаемые возвращающейся реакционной жидкости для обеспечения струй жидкости, могут быть важными. На Фиг. 4 показаны примеры такой ориентации и определения направления потока струи (струй) возвращающейся реакционной жидкости.
Обращаясь теперь к Фиг. 4, вертикальный направленный вертикально компонент струи жидкости, возникающей из потока, выходящего из устройства отклонения потока, может быть определен относительно определенной горизонтальной плоскости (H) по углу β (бета), где:
Угол β1 определен как угол струи жидкости, выходящей из устройства отклонения потока над контрольной горизонтальной плоскостью (H), расположенной на центральной линии форсунки реактора, через которую вставляется и присоединяется устройство отклонения потока, как показано на Фиг. 4 и;
Угол β2 определен как угол струи жидкости, выходящей из устройства отклонения потока под контрольной горизонтальной плоскостью (H), расположенной на центральной линии форсунки реактора, через которую вставляется и присоединяется устройство отклонения потока, как показано на Фиг. 4.
Аналогичным образом, направленный горизонтально компонент струи жидкости, возникающей из реакционной жидкости, покидающей устройство отклонения потока, также может быть определен относительно определенной вертикальной плоскости (V) по углу α (альфа), где:
Угол α1 определен как угол струи жидкости, выходящей из устройства отклонения потока с одной стороны контрольной горизонтальной плоскости (V), расположенной на центральной линии форсунки реактора, через которую вставляется и присоединяется устройство отклонения потока, как показано на Фиг. 4.
Угол α2 определен как угол струи жидкости, выходящей из устройства отклонения потока с противоположной стороны контрольной горизонтальной плоскости (V), расположенной на центральной линии форсунки реактора, через которую вставляется и присоединяется устройство отклонения потока, как показано на Фиг. 4.
Угол α также указывает на степень поворота устройства отклонения потока от вертикальной плоскости, расположенной на центральной линии форсунки, через которую вставляется и присоединяется устройство отклонения потока.
Направления потока струй жидкости из устройства отклонения потока относительно горизонтальной плоскости (β) и вертикальной плоскости (α) являются ключевыми признаками некоторых вариантов реализации данного изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока могут быть настроены таким образом, чтобы обеспечивать возвратную реакционную жидкость с β1 и β2 в диапазоне от 0° до 90° (т. е. со смещением вверх и/или вниз относительно устройства отклонения потока) и с α1 и α2 в диапазоне от 0° до 90° (т. е. со смещением влево и/или вправо относительно устройства отклонения потока) при условии, что α1 и α2, а также β1 и β2 не обязательно, но могут быть равны, и что α1, α2, β1, β2 все больше 0°. В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока настроены таким образом, чтобы обеспечить угол α1, α2 от 20° до 60°, и угол β1, β2 от 20° до 60°. В некоторых вариантах реализации изобретения устройства отклонения потока настроены таким образом, чтобы обеспечить угол α1, α2 от 25° до 50°, и угол β1, β2 от 25° до 50°. Следует понимать, что поток возвращаемой жидкости не будет находиться на одной линии в некоторых вариантах реализации изобретения, но что большая часть потока, возвращающегося в реактор в одном устройстве отклонения потока, будет находиться в относительно узком диапазоне значений α и β. Для целей данной заявки, когда термины «вертикальный» и «горизонтальный» используются в связи с потоком возвращающейся реакционной жидкости в устройстве отклонения потока, термины могут быть поняты с использованием углов α и β соответственно. То есть «вертикальный поток» или «вертикальная струя» ориентированы вверх и/или вниз при β больше нуля, но α по существу равным нулю. «горизонтальный поток» или «горизонтальная струя» ориентирован налево и/или направо при β по существу равным нулю, но α больше нуля. Термин «направленные потоки» обычно относится к потокам, которые имеют α и β больше нуля.
В некоторых вариантах реализации изобретения дополнительные наборы устройств отклонения потока могут быть предусмотрены на одинаковых или разных высотах, как показано на Фиг. 1, или под разными углами (α и/или β). Как показано на Фиг. 3, выпускное отверстие устройства отклонения потока в некоторых вариантах реализации изобретения может быть вставлено в корпус реактора на расстояние (δ) от стенки реактора. В некоторых вариантах реализации изобретения δ составляет не более 50% радиуса цилиндрического реактора. В некоторых вариантах реализации изобретения δ составляет по меньшей мере 10% радиуса цилиндрического реактора. δ составляет от 10% до 45% радиуса цилиндрического реактора в некоторых вариантах реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения конец устройства отклонения потока может быть, как правило, на одном уровне со стенкой реактора, так что δ составляет ~0% радиуса цилиндрического реактора.
В некоторых вариантах реализации изобретения реактор может содержать вертикальные перегородки. Как показано на Фиг. 2 и 3, вертикальные перегородки 13 могут быть соединены со стенкой реактора 1. Вертикальные перегородки могут преимущественно применяться в некоторых вариантах реализации изобретения для облегчения перемешивания и/или для предотвращения общего кругового потока.
Устройства отклонения потока для применения в вариантах реализации данного изобретения могут иметь ряд форм. В некоторых вариантах реализации изобретения отклоняющая пластина расположена вблизи конца трубы, которая возвращает реакционную жидкость в реактор. На Фиг. 4 показан один вариант реализации отклоняющей пластины 17, предназначенной для разделения потока реакционной жидкости, выходящей из возвратной трубы 18, вертикально (вверх и вниз) или горизонтально (влево и вправо), если повернуть на 90°. Конкретная конструкция отклоняющих пластин не является критичной для данного изобретения. Как показано на Фиг. 4, пластины могут быть простыми кусками металла, образующими угол. В альтернативном варианте можно применять «Т» или «Y» образные конструкции на конце возвратной трубы, входящей в реактор, или пластины могут быть установлены внутри реактора для отвода потока. Кроме того, к концу возвратных труб могут быть прикреплены переходники, форсунки, конические концы или колпачки труб с просверленными отверстиями, и их можно применять для создания направленных струй жидкости вместо разделительных пластин (или устройств отклонения потока), как показано на Фиг. 4. Для целей данной заявки термин «устройство отклонения потока» включает в себя «форсунки», «струйные форсунки» и «отклоняющие пластины», и данные термины, как правило, используются взаимозаменяемо, если не ясно из контекста, что обсуждается только одна из них.
Данное изобретение можно использовать с активной мешалкой (мешалка 14 показана на Фиг. 1), хотя направление потока (потоков) струи жидкости, основанное на (α) и особенно (β), не должно мешать или воздействовать непосредственно на лопасти или вал мешалки, так как это может вызвать недопустимый крутящий момент или вибрацию на мешалке. В некоторых вариантах реализации изобретения мешалка 14 может быть расположена в реакторе 1, но может быть простаивающей (т. е. не работающей). В некоторых вариантах реализации изобретения мешалка отсутствует.
Для вариантов реализации изобретения, где отклоняющие пластины расположены в возвратной трубе, следует понимать, что размещение пластин в возвратной линии увеличит скорость жидкости за счет уменьшения площади поперечного сечения потока в трубе. Ограничение и увеличение скорости создает струю жидкости, которая как правило описывается как поток жидкости, который впрыскивается в окружающую среду (объемную реакторную жидкость), которая может перемещаться на большие расстояния без рассеивания. Форма, направление и длина струи жидкости зависит от многих факторов, таких как скорость в устройстве отклонения потока, вязкость жидкости в объемном и струйном потоках, масса и импульс жидкости, форма и направление устройства отклонения потока и длина траектории свободного потока. Импульс струи жидкости передает энергию перемешивания объемной жидкости реактора за счет сил сдвига. Следует понимать, что различные конфигурации устройств отклонения потока (например, отклоняющих пластин, форсунок и т.д.) создают струю жидкости или струи жидкости в объемной реакторной жидкости из возвращающейся реакторной жидкости. В целом, следует понимать, что в таких вариантах реализации изобретения сочетание площади поперечного сечения устройства отклонения потока и скорости потока возвращающейся реакционной жидкости приводит к формированию струи жидкости внутри цилиндрического реактора, которая придает импульс и вызывает смешивание газа/жидкости и жидкости/жидкости в объемной жидкости в цилиндрическом реакторе.
В вариантах реализации изобретения, где устройства отклонения потока обеспечивают поток струи возвращающейся реакционной жидкости, устройства отклонения потока могут быть ориентированы так, чтобы максимизировать или обеспечивать значительную длину пути струи в реакторе для обеспечения энергии смешения. Обеспечивая значительную длину пути струи (т.е. увеличивая проникновение возвращающейся реакционной жидкости в объемную жидкость в реакторе), возвращающаяся реакционная жидкость контактирует с большей частью объемной жидкости в реакторе чтобы придать дополнительный импульс и, таким образом, энергию перемешивания для объемной жидкости. Ориентация устройств отклонения потока может максимизировать длину пути струи, например, путем направления возвращающейся реакционной жидкости таким образом, чтобы избежать контакта со стенкой реактора до естественного рассеяния струи.
Именно повышенная скорость, возникающая в результате отклонения потока (потоков), создает необходимое перемешивание в реакторе и позволяет легко модифицировать существующий реактор без существенных капитальных затрат, таких как модернизация с устранением неполадок.
Неожиданно было обнаружено, что применение устройств отклонения потока, как описано в данном документе, обеспечивает возможность работы реактора без использования мешалки при одновременном обеспечении одинакового уровня смешивания газа/жидкости и жидкости/жидкости в объемной реакторной жидкости. Обеспечение увеличения потока возвращаемой реакционной жидкости может обеспечить стабильную работу без рабочей мешалки. Для облегчения увеличенного рециркуляционного потока и дополнительного падения давления через устройство отклонения потока может потребоваться больший насос, крыльчатка большего размера, или больший двигатель насоса, или несколько насосов по сравнению с системами, в которых реакционная жидкость только охлаждается и возвращается в реактор с использованием обычных методов (один рециркуляционный насос). Обеспечивая адекватное перемешивание в реакторе без использования мешалки, варианты реализации данного изобретения могут преимущественно обеспечивать непрерывную работу реактора, если имеются проблемы с двигателем мешалки, уплотнениями мешалки, валом/крыльчаткой мешалки, опорным подшипником или подобные, связанные с мешалкой проблемы до тех пор, пока устройство не будет остановлено и не будет произведен ремонт, что позволит избежать незапланированной потери продукции.
3
3
3
Чтобы добиться хорошего перемешивания в реакторе, количество энергии, затрачиваемой на перемешивание объемной жидкости в реакторе, не будет существенно отличаться от обычной конструкции на основе мешалки, но энергия перемешивания вводится новым способом. Поскольку степень смешения хорошо известна из предшествующих конструкций, несложно вычислить энергию, требуемую от насоса, для создания достаточного потока в вариантах реализации данного изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения полная энергия перемешивания, по меньшей мере, 0,5 кВт на м подается в реакционную жидкость в реакторе. В некоторых вариантах реализации изобретения полная энергия перемешивания, по меньшей мере, 0,7 кВт на м подается в реакционную жидкость в реакторе. В некоторых вариантах реализации изобретения полная энергия перемешивания, по меньшей мере, 0,9 кВт на м подается в реакционную жидкость в реакторе. Как указано выше, возвращающаяся реакционная жидкость, в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, может обеспечивать, по меньшей мере, 15% (и до 100% в некоторых вариантах реализации изобретения) общей энергии перемешивания в реакторе. В вариантах реализации изобретения, где мешалка работает и затем выключается или ее скорость вращения снижается, энергия перемешивания, подаваемая возвращающейся реакционной жидкостью, может быть увеличена путем увеличения мощности, подаваемой на насос, используя запасной насос, приводя в действие насос большего размера, или аналогичными методами.
Рециркуляционный поток, который достаточен для отвода тепла реакции через внешний теплообменник, будет иметь значительную скорость потока для правильной работы теплообменника. Избыточный поток в целом не является вредным для работы теплообменника, но может быть необходим для обеспечения достаточного перемешивания в реакторе. Дополнительная линия обхода (10) вокруг теплообменника может применяться для обхода ограничений теплообменника. Проектирование рециркуляционного потока для придания достаточного импульса для перемешивания содержимого реактора не будет заключать в себе значительных изменений по сравнению с обычной конструкцией, за исключением применения очень простых устройств отклонения потока в конце рециркуляционной линии, как описано выше.
Для новых реакторов некоторые варианты реализации данного изобретения могут преимущественно исключать стоимость мешалки, а также необходимость в уплотнениях мешалки и опорных подшипниках, которые требуют технического обслуживания/замены, и могут исключать утечки из уплотнений.
Как показано на Фиг. 2 и 3, в некоторых вариантах реализации данного изобретения в реакторе могут быть предусмотрены вертикальные перегородки. В других вариантах реализации изобретения в реакторе могут быть предусмотрены горизонтальные перегородки для создания нескольких реакционных зон в основном корпусе. Такие горизонтальные перегородки описаны, например, в патенте США № 5728893. В таких вариантах реализации изобретения отдельные возвратные линии и устройства отклонения потока для возврата реакционной жидкости могут использоваться в каждой реакционной зоне. В некоторых вариантах реализации изобретения реактор может содержать как горизонтальные, так и вертикальные перегородки, тогда как в других вариантах реализации изобретения предусмотрены только горизонтальные перегородки или только вертикальные перегородки.
Некоторые варианты реализации данного изобретения подробно описаны в следующих примерах.
ПРИМЕРЫ
Пример 1 и Сравнительный пример A
3
3
3
3
-5
Было проведено исследование моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) для определения эффективности перемешивания в традиционном реакторе РИС-Н гидроформилирования. Схема реакционной системы показана на Фиг. 5-6. На Фиг. 5-6 показана схема реактора и расположение определенных устройств. Размеры и расположение различных компонентов приведены в Таблице 1. Рабочее давление составляет около 16 бар. Плотность жидкого пропилена составляет около 737 кг/м (около 46 фунт/фут) и плотность синтез-газа составляет около 21,5 кг/м (1,35 фунт/фут) при данном давлении. Скорости подачи синтез-газа и жидкого пропилена для всех примеров также приведены в таблице 1. Вязкость жидкого пропилена принята равной 0,0003 Па·с, а вязкость синтез-газа принята равной 1,8e Па·с. Поверхностное натяжение газ-жидкость между синтез-газом и жидким пропиленом принято равным 18 дин/см (0,018 Н/м) в соответствии с типичными значениями для аналогичных органических веществ. Синтез-газ вводят с помощью кольцевого барботера, расположенного вблизи нижней касательной линии реактора. Барботер имеет диаметр 102 см с 69 отверстиями диаметром 7,9 мм каждое с интервалом 15 мм. Модель реактора CFD имеет единственную стандартную газораспределительную турбину диаметром 52 дюйма, расположенную рядом с нижней частью реактора, и две мешалки для перемешивания жидкости с наклонными лопастями диаметром 60 дюймов (152 см), расположенные рядом с серединой и верхней частью реактора, работающие при ~85 об/мин.
Цель моделирования CFD состоит в том, чтобы оценить загрузку газа или удержание газа в жидкости, а также равномерность распределения газа, где загрузка газа или задержка газа определяется как процентное содержание газа по объему в реакционной жидкости и где сумма объемного % газа и объемного % жидкости в реакторе равна общему объему реакционной жидкости. Поскольку только синтез-газ, который диспергируется и растворяется в реакционной жидкости, может реагировать, очень важно, чтобы синтез-газ, введенный в реактор, быстро диспергировался и растворялся в реакционной жидкости, а не поднимался в виде пузырьков к границе раздела газ/жидкость, где он отделяется и попадает в газовое пространство реактора и больше не доступен для реакции. Кроме того, области внутри реактора без диспергированного или растворенного синтез-газа являются обедненными реагентом и, таким образом, не способствуют реакции или производительности реактора. Многие гидролизуемые катализаторы проявляют деградацию катализатора в отсутствие синтез-газа при температурах реакции, так что эти области, бедные диспергированным или растворенным синтез-газом, будут способствовать снижению эффективности катализатора. В альтернативном варианте многие родиевые фосфиновые катализаторы демонстрируют разложение в средах с высоким содержанием СО, так что следует также избегать областей с чрезмерно высокими концентрациями растворенного синтез-газа. Таким образом, высокодисперсное (высокая задержка газа или доля газа) и равномерное перемешивание газа является наиболее желательным результатом.
Чтобы оценить характеристики перемешивания по данному изобретению, удобно исследовать распределение газа по модели CFD, чтобы идентифицировать как однородность в распределении газа, так и степень загрузки газа. В промышленном опыте с хорошо перемешиваемыми реакторами РИС-Н значения загрузки газа находятся в диапазоне 5-12%, предпочтительно выше 8 %.
Программы моделирования CFD могут использоваться для прогнозирования общего или среднего значения загрузки газа для всего объема реактора, но это может убрать акцент локальных эффектов областей с высокой или низкой загрузкой газа и коротким временем пребывания (например, впускные/выпускные отверстия трубы, рядом с крыльчаткой мешалки и т.д.).
Чтобы лучше оценить изменение или однородность получающегося распределения газа для конкретного оцениваемого случая, удобно не только визуально оценить характер результатов распределения газа в общем объеме реактора (то есть цветовую кодировку фракции или плотности газа), но также, для более количественного анализа, использовать небольшое количество горизонтальных срезов объема реактора с заданными равномерными интервалами от нижней касательной линии (НКЛ), и рассчитать долю газа в меньших объемах и сравнить стандартное отклонение рассчитанных значений газораспределения для каждого участка по сравнению с общей долей газа, что позволяет проводить прямое сравнение результатов моделирования CFD для нескольких проектных случаев. Меньшие значения стандартного отклонения указывают на меньшее отклонение или более равномерное распределение газа и хорошее смешивание газа и жидкости. Большие значения стандартного отклонения указывают на большее отклонение или менее равномерное распределение газа и меньшее смешивание газа и жидкости.
Результаты CFD-моделирования типичного реактора гидроформилирования промышленного масштаба с устройством отклонения потока и без него обсуждаются ниже. В данных примерах, когда применяют устройство отклонения потока (Пример 1), устройство отклонения потока представляет собой отклоняющую пластину, расположенную на конце возвратной линии, как показано на Фиг. 1, 6 и 7.
Таблица 1
Размеры
Базовый вариант
Диаметр реактора (м)
3
L/D
3,0
Диаметр рециркуляции (м)
0,3
Диаметр выпускного отверстия рециркуляции (м)
0,3
Фиксированная высота реактора (м)
8,9
Высота расположения форсунки рециркуляции над нижней касательной линией (м)
2,4
Длина форсунки рециркуляции внутри реактора (м) (д)
0,6
Скорость рециркуляции (м<sup>3</sup>/с)
0,32 (1,0x)
Скорость подачи синтез-газа (м<sup>3</sup>/с)
0,10
Скорость подачи жидкого олефина (м<sup>3</sup>/с)
0,0048
Расчеты моделирования CFD были выполнены с использованием реакторной системы, как показано выше. Результаты через 100 секунд (взятые как устойчивое состояние) сравниваются ниже. Предполагалось отсутствие реакции, и плотность газа/жидкости (как представлено долей газа) была смоделирована для простоты. Горизонтальные срезы, взятые каждый метр от нижней касательной линии, используются для оценки характеристик перемешивания реактора. В примере 1 использовались отклоняющие пластины с α1=90° и ß1=ß2=45°, как показано на Фиг. 6 и 7. В сравнительном примере А не использовались отклоняющие пластины. Сравнительный пример B был аналогичен Примеру 1, за исключением того, что мешалка не работала. В коммерческой работе с обычной конструкцией с несколькими лопастными мешалками стабильная работа (хорошее перемешивание, регулирование температуры реактора) наблюдается, когда среднее распределение газа составляет более 5 об. % газа, предпочтительно более 6 об. % газа и более предпочтительно более 8 об. % газа. Случаи, когда эти условия не были соблюдены, демонстрировали нестабильную работу (плохое перемешивание, контроль температуры).
Результаты приведены в Таблице 2 и визуально показаны на Фиг. 8. На Фиг. 8 (а также на Фиг. 9-10) значения, показанные справа от диаграмм реактора, представляют собой процентное содержание доли газа для горизонтальных срезов с интервалом в 1 метр от нижней касательной линии. Крайняя левая шкала серого цвета представлена в объемных единицах доли газа (например, среднее значение составляет 0,0075 или 7,5%), причем предпочтительнее равномерно более высокие числа на шкале. На Фиг. 8 распределение доли газа для Примера 1 показано слева, а распределение для Сравнительного Примера А показано справа. Общая доля газа в реакционной жидкости в Примере 1 составляет 8,3% по сравнению со Сравнительным Примером A с общей долей газа 5,3%. Среднее значение горизонтальных срезов составляет 6,4% в Примере 1 (по сравнению с 4,6% в Сравнительном Примере A). Равномерность смешивания газа и жидкости, оцененная по стандартным отклонениям срезов, составляет 2,0 в Примере 1 по сравнению с 2,8 в Сравнительном примере А. Доля газа явно выше и более равномерно распределена в Примере 1 (с устройством отклонения потока) по сравнению со сравнительным примером А (без устройства отклонения потока).
Примеры 2 и 3
Были проведены дополнительные сравнительные эксперименты по моделированию CFD, в которых рециркуляционный поток возвращаемой реакционной жидкости был увеличен в 1,73 раза, что моделирует два рециркуляционных насоса в работе. В Примере 2 мешалка работает, и работают два рециркуляционных насоса (1,73 x поток Примера 1 = 1,73x). В Примере 3 мешалка не работает, и работают два рециркуляционных насоса (поток 1,73х). Результаты показаны на Фиг. 9 и в Таблице 2. На Фиг. 9 распределение доли газа для Примера 2 (мешалка включена) находится слева, а распределение для Примера 3 (мешалка выключена) показано справа. В отличие от результатов, показанных выше, при выключенной мешалке в Примере 3 практически не было засасывания в контур рециркуляции, так что «горячая точка» синтез-газа в нижней части реактора уменьшается. Наблюдается крайне однородная, хорошо перемешанная реакционная жидкость, несмотря на отсутствие действующей обычной мешалки в Примере 3. Кроме того, несмотря на использование двух насосов, прекращение работы мешалки приводит к меньшей суммарной энергии, необходимой в Примере 3, по сравнению с другими Примерами.
Пример 4
Другой эксперимент по моделированию был выполнен точно так же, как в Примере 2, за исключением того, что входные струи ориентированы как симметричная и сбалансированная пара возвратов с двойными форсунками с α=30° и ß1=ß2=45°. Форсунки были изготовлены с использованием простых V-образных пластин (ß1=ß2=45°), повернутых на 30° вниз от вертикали (α=30°). В Примере 4 мешалка не работает, и работают два рециркуляционных насоса (поток рециркуляции 1,73х). Результаты показаны на Фиг. 10 и в Таблице 2. В контуре рециркуляции практически не было засасывания в контур рециркуляции, так что «горячая точка» сингаза в нижней части уменьшается, что приводит к очень равномерному распределению газа. Наблюдается крайне однородная, хорошо перемешанная реакционная жидкость/газ, несмотря на отсутствие действующей обычной мешалки в реакторе.
Таблица 2
Размер пузырьков (мм)
Количество насосов(Относительная скорость потока)*
Мешалка вкл/выкл
Дизайн устройства отклонения потока
Общая расч. средняя доля газа
Общие средние доли газа срезов
Ст. откл. срезов
Мощность крыльчатки (кВт)
Мощность за счет линии рециркуляции (кВт)
% Энергии смешения за счет линии рециркуляции.
Скорость в конце возвратной линии (м/с)
Общая мощность на единицу объема (кВт/м<sup>3</sup>)
Сравнительный Пример А (открытая возвратная труба)
4,33
1(1,0x)
Вкл
Нет
5,3
4,6
2,8
42,7
5,1
11
2,2
0,95
Пример 1(отклоняющие пластины в возвратных трубах)
1,55
1(1,0x)
Вкл
α=90° ß=45°
8,3
6,4
2,0
38,4
10,5
21
6,6
0,99
Пример 2(отклоняющие пластины в возвратных трубах с дополнительным насосом)
1,4
2(1,73x)
Вкл
α=90°ß=45°
8,0
6,0
1,3
44,8
39,3
47
10
1,7
Пример 3(аналогично Примеру 2, но мешалка не работает)
1,4
2(1,73x)
Выкл
α=90° ß=45°.
7,8
6,5
1,1
0
37,0
100
9,6
0,75
Пример 4(направленные струи, мешалка не работает)
1,3
2(1,73x)
Выкл
α=30° ß=45°.
8,2
7,9
1,1
0
58,5
100
15,8
1,18
Сравнительный пример B(Испытание на заводе аналогично Примеру 1, но с выключенной мешалкой)
НД
1(1,0x)
Выкл
α=90° ß=45°
НД
НД
НД
0
~11
100
~7
0,21
3
*1,0x соответствует скорости рециркуляции 0,32 м/с.
3
3
3
3
3
Приведенные выше результаты моделирования были подтверждены в существующей установке (Сравнительный Пример B). Данная установка работала, как описано в Примере 1 (1x), но мешалка не работала. Данная компоновка показала нестабильную работу реактора (плохое смешивание газа/жидкости в реакторе, плохое управление температурой реактора/парциальным давлением). Когда скорость рециркуляционного потока увеличивалась, как описано в Примерах 2 и 3, до 1,73х, наблюдалась очень стабильная работа реактора (хорошее смешивание газа/жидкости в реакторе, хорошее управление температурой реактора/парциальным давлением) даже без работы мешалки (Пример 3). Таким образом, было установлено, что минимальная мощность на единицу объема должна быть выше 10,5 кВт/50 м = 0,21 кВт/м. Минимальная мощность на единицу объема должна составлять 0,5 кВт/м, выше 0,7 кВт/м для некоторых вариантов реализации изобретения и выше 0,8 кВт/м для некоторых вариантов реализации изобретения.
Данные результаты демонстрируют, что правильно спроектированная система возврата реакционной жидкости, где применяют модификацию обычного рециркуляционного контура, может привести к получению хорошо перемешанной реакционной жидкости, так что мешалка не нужна и может быть на холостом ходу или удалена. Это особенно важно в ситуациях, когда мешалка должна быть отключена из-за механических проблем, пока установка продолжает работать. В последнем случае, дополнительную энергию перемешивания можно подавать, увеличивая поток через устройства отклонения потока, например, используя запасной насос.
Пример 5
3
3
3
Чтобы оценить влияние размера пузырьков и скорости потока рециркуляции, была проведена серия экспериментов по моделированию с двумя скоростями потока рециркуляции (1x = 0,32 м/с (один насос) и 1,73x = 0,49 м/с (два насоса), соответственно), серией фиксированных размеров пузырьков и без мешалки. Как и в любом случае, скорость потока рециркуляции, количество и размер возвратной форсунки (форсунок) рециркуляции будут определять скорость форсунки. Результаты представлены ниже в Таблице 3. В данном случае с оборудованием, описанным в Таблице 1, скорость потока 0,32 м/с и размер пузырьков 1 мм примерно эквивалентны Примеру 3, приведенному выше, который воспроизводит хороший опыт установки, таким образом подтверждая результаты моделирования CFD.
Таблица 3
Поток 0,32 м<sup>3</sup>/с
Поток 0,49 м<sup>3</sup>/с
Размер пузырьков
Размер пузырьков
Высота
0
3,28
1,25
0,90
7,36
2,42
1,67
1
8,69
1,89
1,08
9,54
2,97
1,89
2
9,76
2,69
1,70
10,20
3,85
2,36
3
9,86
3,23
1,90
10,25
3,75
2,15
4
9,68
3,54
2,19
10,17
3,77
2,39
5
9,69
3,69
2,34
10,38
4,05
2,38
6
9,57
3,86
2,46
10,40
4,37
2,45
Пример 5 демонстрирует, что долю газа и однородность получаемой газожидкостной смеси можно увеличить, уменьшив размер пузырьков газа или увеличив скорость потока в контуре рециркуляции.