RU200509U1 - Apparatus for conducting reactions in a suspended bed in a gas-liquid-solid system - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к аппарату для проведения реакций во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество.Предлагается полезная модель, 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 от 1° до 90°, при этом ширина прорезей на распределителе и коллекторе газожидкостного потока меньше, чем самые мелкие частицы твердого вещества.Технический результат: 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.The utility model relates to an apparatus for carrying out reactions in a suspended bed in a gas-liquid-solid system. A utility model is proposed, which is an apparatus for carrying out reactions in a suspended bed in a gas-liquid-solid system, including pipelines for inlet and outlet from the top of the gas-liquid flow, hatches for input from above and output from the bottom of the solid, a distributor of the initial gas-liquid flow located in the lower part of the apparatus and having caps installed along the entire section of the apparatus with slots upward, and a collector of the reaction gas-liquid flow located in the upper part of the apparatus and having caps , installed with slots downward or at an angle to the vertical from 1 ° to 90 °, while the width of the slots on the distributor and the gas-liquid flow collector is less than the smallest particles of solid matter. -liquid-solid this substance and use it for the esterification of carboxylic acids with aliphatic alcohols in the presence of cation exchangers.

Description

Полезная модель относится к аппарату для проведения реакций во взвешенном слое в системе газ-жидкость-твердое вещество.The utility model relates to an apparatus for carrying out reactions in a suspended bed in a gas-liquid-solid system.

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.When carrying out reactions between gas and liquid in the presence of a solid catalyst, a three-phase system arises. The chemical interaction of the components occurs on the catalyst surface. In the presence of a liquid phase, solid catalyst particles are immersed in it. The reaction components from the gas phase, before reaching the catalyst surface, must dissolve in the liquid. The gas in the reactor is usually fed from the bottom of it. In this case, it is advisable to feed the liquid together with the gas. Under certain conditions, depending on the gas velocity, liquid density, density and fractional composition of the catalyst, a three-phase suspended layer is formed.

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.For uniform distribution of gas over the cross section of the apparatus, various designs of distributors are used. Most often this is a system of pipes located in the lower part of the apparatus near the bottom, in which holes are made. Sometimes porous plates are used for this.

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.This is how a gas distributor for a reactor is known (RF Patent 2365407, 2009), which is a system of pipes located near the bottom of the reactor with holes directed downward. The disadvantage of this invention is the absence in the reactor for which the distributor is intended, the possibility of draining the liquid phase and preventing the carryover of the catalyst through the top of the reactor.

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.Known suspension apparatus (RF Patent 2566406, 2015), in which gaseous components are fed into the suspension through a gas distributor, which has downward gas outlets, and the apparatus below the gas inlet is closed over the entire section by a liquid-impermeable partition. The disadvantage of the apparatus is the lack of the possibility of input and output of the liquid phase.

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.A reactor for carrying out chemical reactions in a three-phase system is known (RF Patent 2153928, 2000). It is supplied with gas and liquid together with a catalyst; there are devices for distributing gas and a mixture of liquid and solid phases. The gas from the reactor is removed separately, and the liquid and catalyst are removed together. The disadvantage of this reactor is the impossibility of removing the liquid from it while maintaining the catalyst in it.

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.The closest to the claimed utility model is a catalytic solid-liquid multiphase reactor (RF Patent 2120820, 1998). The device is equipped with a gas distributor in the form of a plate or a porous plate. The inlet of the suspension is carried out in the upper part of the reactor under the bubbling layer and its outlet - from the bottom above the gas distributor. The liquid phase is removed from the reactor using a filter element, which is a filter mesh with mesh sizes less than half the minimum catalyst particle size. The filter element contains a constant level device that provides a pressure difference between the suspension zone and the filtered liquid. If this differential increases, the filter element may become clogged. The anti-clogging effect can occur due to the passage of gas bubbles through the filter mesh together with the liquid.

Данная конструкция аппарата обладает рядом недостатков:This design of the device has a number of disadvantages:

- фильтрующий элемент занимает часть сечения аппарата, за счет чего уменьшается полезный объем аппарата;- the filtering element occupies a part of the section of the apparatus, due to which the useful volume of the apparatus is reduced;

- 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;- with a change in the flow rates of gas and liquid in the reactor, the pressure drop between the suspension and the filter element will change, as a result of which the catalyst can clog the filter mesh;

- 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.- bubbles passing in the area of the filtering mesh will not penetrate through it, since their movement is directed upwards, and the movement through the filtering mesh occurs at an angle of -90 ° to the vertical. So due to this movement, the mesh will not be cleared.

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.The objective of this utility model is to develop a fairly simple apparatus for carrying out the process in a three-phase gas-liquid-solid system and its use for the esterification of carboxylic acids with aliphatic alcohols in the presence of cation exchangers.

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.The problem is solved by the proposed utility model, which is an apparatus for carrying out reactions in a suspended bed in a gas-liquid-solid system, including pipelines for inlet from below and outlet from above of a gas-liquid flow, hatches for inlet from above and outlet from below of a solid, a distributor of an initial gas-liquid flow located in the lower part of the apparatus and having caps installed along the entire section of the apparatus with slots upward, and a collector of the reaction gas-liquid flow located in the upper part of the apparatus and having caps installed with slots downward or at an angle to the vertical of 90 °, while the width of the slots is the distributor and manifold of the gas-liquid flow is smaller than the smallest particles of the solid.

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.Unlike the prototype, where a suspension of liquid and solid matter enters the apparatus into the upper part of the apparatus, and a suspended layer of gas-liquid-solid substance is achieved by supplying a gas component from the bottom of the apparatus, in the inventive apparatus the solid substance is placed into the apparatus beforehand, and the gas-liquid flow is directed from below apparatus, creating a suspended layer in the gas-liquid-solid system.

Конструкция аппарата показана на фигуре 1, на которой представлены потоки и элементы заявляемого аппарата:The design of the apparatus is shown in figure 1, which shows the flows and elements of the inventive apparatus:

I. Исходный газожидкостной поток;I. Initial gas-liquid stream;

II. Выходящий газожидкостной реакционный поток.II. Outgoing gas-liquid reaction stream.

1. Трубопровод для ввода исходного газожидкостного потока;1. A pipeline for the input of the initial gas-liquid flow;

2. Нижние колпачки на распределителе исходного газожидкостного потока;2. Bottom caps on the distributor of the initial gas-liquid flow;

3. Верхние колпачки на коллекторе реакционного газожидкостного потока;3. Top caps on the reaction gas-liquid flow manifold;

4. Коллектор;4. Collector;

5. Трубопровод для вывода газожидкостного реакционного потока;5. Pipeline for the output of the gas-liquid reaction flow;

6. Люк верхний;6. Top hatch;

7. Люк нижний.7. Bottom hatch.

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.The required amount of solid is pre-loaded into the apparatus. The solid substance is charged through the top hatch 6 past the collector 4 and the upper caps 3. The solid substance can also be loaded into the apparatus with the top cover removed and the collector 4 removed.

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.The initial gas-liquid flow I is fed into the apparatus through the pipeline 1 and is distributed over its cross-section using the lower caps 2 located along the entire cross-section of the apparatus with slots upward on the gas-liquid flow distributor. Rising along the height of the apparatus, the flow, being in a suspended layer in the gas-liquid-solid system, reacts and passes the upper caps 3, installed with slots downward or at an angle to the vertical 90 °, is collected in the manifold 4, while the width of the slots on the distributor and the collector of the gas-liquid flow is smaller than the smallest solid particles. The gas-liquid stream leaves the apparatus (stream II) through the pipeline 5. The discharge of the spent solids occurs through the lower hatch 7 as required.

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.The use of the proposed apparatus was carried out in the preparation of esters of carboxylic acids by esterification of carboxylic acids with aliphatic alcohols in the presence of cation exchangers, for example, by esterification of acetic acid with ethanol in the presence of a cation exchanger in the form of grains.

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.After loading the cation exchanger into the apparatus through the upper hatch 6, activating it with sulfuric acid and rinsing it with demineralized water to pH = 3-4, the cation exchanger is poured with acetic acid. The apparatus is heated to a temperature of ~ 100 ° C, and an equimolar mixture of acetic acid and ethanol (stream I) is fed into it through the pipeline 1 under the layer of cation exchanger, using the lower caps 2 located along the entire section of the apparatus with slots upwards, on the distributor of the gas-liquid flow. Rising along the height of the apparatus, the gas-liquid flow, passing through the catalyst bed of the cation exchanger in the form of grains and being in the suspended bed in the gas-liquid-solid system, reacts and passes the upper caps 3, installed with slots downward or at an angle to the vertical 90 °, collecting in the manifold 4, while the width of the slots on the distributor and the manifold of the gas-liquid flow is less than the smallest particles of solid matter. The stream leaves the apparatus (stream II) through the pipeline 5.

Выгрузка отработанного катионита происходит по мере необходимости через нижний люк 7.Unloading of the spent cation exchanger occurs as needed through the lower hatch 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°.For the process of producing esters by the method of ethanol esterification of acetic acid in the presence of a cation resin catalyst, the minimum particle size is in the range of 0.25-1.5 mm. Thus, the size of the slots on the distributor of the initial gas-liquid flow and on the collector of the reaction gas-liquid flow should be no more than 0.2 mm. In the experiments, an apparatus was used, in the collector of which, in its upper part, caps with slots directed downward and at an angle of 90 ° were located.

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.Table 1 shows examples of obtaining an ester of acetic acid (ethyl acetate) by the method of esterification of acetic acid with ethanol in a three-phase system in the presence of cation exchangers using the proposed apparatus.

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.From table 1 it can be seen that the conversion of alcohol per pass is 65-90%, which depends on the load on the cation exchanger. The ether selectivity is in the range 99.6-99.85%. This means that very few by-products are generated in the process.

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.Thus, a fairly simple apparatus has been developed that allows the process to be carried out in a three-phase gas-liquid-solid system and to use it for the esterification of carboxylic acids with aliphatic alcohols in the presence of cation exchangers.

Claims (1)

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 в колпачках на распределителе и коллекторе газожидкостного потока меньше, чем самые мелкие частицы твердого вещества.Apparatus for carrying out reactions in a suspended bed in a gas-liquid-solid system, including pipelines for inlet from below and outlet from above of a gas-liquid flow, hatches for inlet from above and outlet of a solid substance from the bottom, a distributor of the initial gas-liquid flow located in the lower part of the apparatus and having caps installed along the entire section of the apparatus with slots upward, and the collector of the reaction gas-liquid flow, located in the upper part of the apparatus and having caps installed with slots downward or at an angle to the vertical of 90 °, while the width of the slots in the caps on the distributor and the gas-liquid flow collector is less than the smallest particles of solid.

Images