Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации



Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
B01J19/00 - Химические, физические или физико-химические способы общего назначения (физическая обработка волокон, нитей, пряжи, тканей, пера или волокнистых изделий, изготовленных из этих материалов, отнесена к соответствующим рубрикам для такого вида обработки, например D06M 10/00); устройства для их проведения (насадки, прокладки или решетки, специально предназначенные для биологической обработки воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод C02F 3/10; разбрызгивающие планки или решетки, специально предназначенные для оросительных холодильников F28F 25/08)

Владельцы патента RU 2683108:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)

Изобретение относится к аппаратам для проведения гетерогенных фотокаталитических реакций в системах жидкость-газ или жидкость-жидкость, в том числе в присутствии твердых частиц катализатора, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности. Фотокаталитический микрореактор содержит вертикальную оболочку из светопроницаемого материала цилиндрической формы, на боковую поверхность которой навиты одна или несколько трубок из светопроницаемого материала, один из концов каждой из трубок предназначен для подачи исходных реагентов, а другой конец каждой из трубок служит для вывода готового продукта, кожух цилиндрической формы со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности, установленный соосно снаружи оболочки, и осветительный элемент внутри оболочки. При этом трубки уложены на поверхности оболочки с равным шагом в установленные тонкостенные стойки с канавками, чтобы ось каждой из трубок образовала зигзагообразную линию, причем количество рядов стоек четное, при этом канавки в четных рядах стоек смещены вверх вдоль оси оболочки относительно соответствующих канавок в нечетных рядах стоек, а ближайшее расстояние от поверхности трубок до внутренней поверхности кожуха составляет от одного до трех внешних диаметров трубок. При эксплуатации фотокаталитического микрореактора подают исходные компоненты в трубки микрореактора, при этом расходы фаз задают такими, чтобы в трубках сформировался снарядный режим течения, при котором длины капель дисперсной и сплошной фаз, отнесенные к внутреннему диаметру трубок, находятся в диапазоне от 2 до 10, причем значение угла α задают в пределах от 30° до 60°, так, чтобы добиться наилучшего перемешивания в сплошной и дисперсной фазах. Изобретение обеспечивает интенсификацию массопереноса, улучшение степени использования светового излучения, увеличение выхода продукта с единицы объема и повышение эффективности работы аппарата. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения гетерогенных фотокаталитических реакций в системах жидкость-газ или жидкость-жидкость, в том числе в присутствии твердых частиц катализатора, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.

Фотокаталитические реакторы могут применяться для проведения реакций с участием катализаторов, способных активироваться под действием ультрафиолетового излучения и ускорять различные реакции, в том числе для окисления (фото-окисления).

Роль методов химической инженерии в интенсификации фотокаталитических процессов была освещена в различных работах, в том числе в ( , Т. Ailleta, О. Dechy-Cabaret, L. Prat, Continuous-flow photochemistry: A need for chemical engineering // Chemical Engineering and Processing, 104 (2016) 120-132).

Известен фотокаталитический микрореактор (С.J. Kong, D. Fisher, B. K. Desai, Y. Yang, S. Ahmad, K. Belecki, High throughput photo-oxidations in a packed bed reactor system // Bioorganic & Medicinal Chemistry 25 (2017) 6203-6208), содержащий навитую спиралью прозрачную трубку, в которую подают жидкость и газ так, чтобы в трубке образовалось регулярное (сегментированное) течение. Фотокаталитический микрореактор используют для синтеза артемизинина, окисления альфа-терпинена, 2,3-диметил-2-бутена, 2-метил-2-пентена, альфа-пинена, 2-(этилсульфонил)этанола, трифенилфосфина и других жидких сред. К недостаткам известного фотокаталитического микрореактора относятся: неравномерное освещение объема гетерогенной среды в аппарате, недостаточное перемешивание и отсутствие возможностей контроля за гидродинамикой двухфазного течения, что снижает общую производительность микрореактора. Об этом свидетельствуют недостаточно высокие значения выхода, приведенные в вышеупомянутой работе С.J. Kong с соавт., которые для различных реакций составляли от 60 до 88.

Известен фотокаталитический микрореактор для обработки газообразных сред, содержащий монолитный блок (многоканальный блок с большим количеством параллельных каналов субмиллиметровых размеров), установленный соосно корпусу с окном из кварцевого стекла на одном из торцов, через который происходило освещение обрабатываемых сред ультрафиолетовой лампой (М. Tahir, N. A. Saidina Amin, Photo-induced СO2 reduction by hydrogen for selective CO evolution in a dynamic monolith photoreactor loaded with Ag-modified ТiO2 nanocatalyst // International journal of hydrogen energy 42 (2017) 15507-15522). В качестве катализатора использовался смесь частиц монтмориллонита с частицами TiO2, допированными железом. Показано, что такая смесь дает существенные преимущества при фотокаталитическом синтезе газов (СН4, C2H6). Использованный в данной работе монолит имел диаметр 60 мм, длину 20 мм при плотности 200 каналов на квадратный дюйм (около 31 канала на см2, т.е. поперечное сечение каналов составлял около 1,7×1,7 мм2). Очевидно, что освещение такого короткого монолита со стороны торцов в данном случае вполне приемлемо, так как реакции в газовой фазе протекают с большой скоростью. Использование известного устройства для систем жидкость-жидкость и жидкость-газ, где требуется большое время пребывания, затруднительно, поскольку с увеличением длины монолита сильно снижается интенсивность ультрафиолетового излучения. Это приводит к снижению скорости фотокаталитических процессов и уменьшению выхода продуктов.

Известен фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации (D.С. Fabry et al. Blue light mediated C-H arylation of heteroarenes using TiO2 as an immobilized photocatalyst in a continuous-flow microreactor. Green Chem., 2017, V. 19, pp. 1911-1918; DOI: 10.1039/c7gc00497d). Устройство содержит плоскую вертикальную пластину из нержавеющей стали с выполненной на ее поверхности параллельными микроканавками, на которую наносят (иммобилизуют) вещество, обладающее фотокаталитическими свойствами (преимущественно диоксид титана). С внешней стороны канавки установлен источник ультрафиолетового освещения (преимущественно в виде блока светодиодов на магнитных держателях). Способ его эксплуатации заключается в том, что в микроканавки подают реагенты, которые, стекая, формируют пленку толщиной примерно 50 мкм, которая облучают источником ультрафиолетового освещения. В нижнюю часть микрореактора противотоком подают азот для обеспечения пленочного течения жидкости. От микрореактора отводится избыточное тепло. Полученный продукт отводится в нижней части аппарата. Известное устройство позволяет в некоторых реакциях получать продукты с выходом до 99%, но во многих других реакциях выход не превышает 42-79%. Это связано в первую очередь с недостаточным временем пребывания в известном аппарате, увеличение которого за счет длины канавок приведет к увеличению толщины пленки и высокой неравномерности распределения толщины пленки по длине микроканавок, что неблагоприятно сказывается на селективности реакции. Кроме того, в нижней части, где за счет гравитации скорость оказывается максимальной, происходит утончение пленки, возможно ускоренное испарение жидкости, плоть до полного высыхания микроканалов. Вторым существенным недостатком известных способа и устройства, приводящим к недостаточному выходу продукта, является недостаточное перемешивание в микроканалах, что лимитирует массоперенос к поверхности частиц катализатора.

Наиболее близким к заявляемому является фотокаталитический микрореактор (Пат. РФ 2386474, Опубл. 20.04.2010, МПК B01J 19/12 (2006.01), B01D 53/86 (2006.01)), для окисления содержащихся в воздухе органических примесей при помощи кислорода воздуха и фотокатализатора, освещаемого источником ультрафиолетового света, содержащий излучающую поверхность с нанесенным на нее фотокатализатором, источник ультрафиолетового излучения, отличающийся тем, что излучающая поверхность реактора состоит из одного или нескольких светопроводящих капилляров, составленных в массив, прозрачных для УФ излучения, на которые нанесен фотокатализатор, при этом диаметр светопроводящих капилляров не превышает 10 мм, а фотокатализатор нанесен на внутреннюю и внешнюю стороны светопроводящего капилляра.

Известное изобретение решает задачу интенсификации фотокаталитических процессов, осуществляемых преимущественно в газовой фазе. Сущность изобретения заключается в наличии системы микроканалов одинакового размера, покрытых фотокатализатором с двух сторон. Такая система микроканалов образуется за счет параллельной упаковки светопроницаемых капилляров субмиллиметрового размера.

В известном изобретении достигается развитая удельная поверхность микроканалов, отнесенная к их объему. Это позволяет интенсифицировать фотокаталитические процессы в газовой фазе.

Вместе с тем, применение известного изобретения для гетерогенных фотокаталитических процессов в системах жидкость-жидкость или жидкость-газ сопряжено с рядом трудностей, обусловленных спецификой гидродинамики двухфазной среды в микроканалах. В отличие от процессов в осуществляемых в газовой фазе, для которых предназначено известное изобретение, в гетерогенных системах жидкость-жидкость или жидкость-газ лимитирующими стадиями фотокаталитических процессов являются тепло- и массоперенос. Существенным фактором равномерного протекания фотокаталитических реакций является высокая равномерность распределения температуры по поперечному сечению аппарата, а также хорошее перемешивание.

Наиболее близким к заявляемому является способ эксплуатации фотокаталитического микрореактора (С.J. Kong, D. Fisher, В.K. Desai, Y. Yang, S. Ahmad, K. Belecki, High throughput photo-oxidations in a packed bed reactor system // Bioorganic & Medicinal Chemistry 25 (2017) 6203-6208), заключающийся в том, что в трубку фотокаталитического микрореактора, заполненную частицами фотокатализатора либо частицами из инертного, покрытыми фотокатализатором, подают исходный жидкий реагент фотокатализатор и газ (например, при проведении реакции циклоприсоединения вводят альфа-терпинен и кислород для получения аскаридола, в качестве фотокатализатора применяют бенгальский розовый (краситель), иммобилизованный на микросферах из полистирола; согласно вышеуказанной работе С.J. Kong с соавт. бенгальский розовый является сенсибилизатором для синглетного кислорода).

Недостатком известного способа является неконтролируемые размеры «снарядов» жидкости и газовых пузырей (также в виде «пробок»), что не позволяет добиться необходимого уровня перемешивания, не обеспечивает стабильного режима тейлоровского течения, и в итоге приводит к снижению выхода продукта фотокаталитической реакции.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности работы аппарата, увеличение выхода продукта с единицы объема, улучшения степени использования светового излучения, за счет интенсификации массопереноса, достигаемого многократным улучшением перемешивания в сплошной и дисперсной фазах и использования отраженного света.

Поставленная задача достигается тем, что в фотокаталитическом микрореакторе для проведения реакций в гетерогенных системах жидкость-газ или жидкость-жидкость, в том числе в присутствии твердых частиц катализатора, содержащий вертикальную оболочку из светопроницаемого материала цилиндрической формы, на боковую поверхность которой навиты одна или несколько трубок из светопроницаемого материала, один из концов каждой из трубок предназначен для подачи исходных реагентов, а другой конец каждой из трубок служит для вывода готового продукта, осветительный элемент внутри оболочки, отличающийся тем, что на поверхности оболочки с равным шагом установлены тонкостенные стойки с канавками, в которые трубки уложены так, чтобы ось каждой из трубок образовала зигзагообразную линию, причем количество рядов стоек четное, при этом канавки в четных рядах стоек смещены вверх вдоль оси оболочки относительно соответствующих канавок в нечетных рядах стоек на величину, определяемую по расчетному соотношению:

где α - угол наклона осевой линии трубки к горизонту, °;

D - диаметр окружности навивки по оси трубки, м;

β - угловой шаг между стойками, определяемый по расчетной формуле:

где N - количество рядов стоек по длине окружности,

а снаружи оболочки с навитой на нее трубками соосно оболочке установлен кожух цилиндрической формы со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности, при этом ближайшее расстояние от поверхности трубок до внутренней поверхности кожуха составляет от одного до трех внешних диаметров трубок.

Поставленная задача достигается также тем, что в фотокаталитическом микрореакторе трубки изготовлены из гибкого материала, а стойки выполнены с возможностью перемещения вдоль оси аппарата.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе эксплуатации фотокаталитического микрореактора, заключающемся в подаче исходных компонентов в трубку микрореактора, согласно изобретению, расходы фаз задают такими, чтобы в трубках сформировался снарядный режим течения, при котором длины капель дисперсной и сплошной фаз, отнесенные к внутреннему диаметру трубок, находятся в диапазоне от 2 до 10, причем значение угла α задают в пределах от 30° до 60°, так, чтобы добиться наилучшего перемешивания в сплошной и дисперсной фазе.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства (продольный разрез и вид по сечению А-А), на фиг. 2 - вид Б (развертка). На фиг. 3 изображен снарядный режим течения и вихри Тейлора, а на фиг. 4 - вихри Дина.

Фотокаталитический микрореактор содержит вертикальную оболочку 1 из светопроницаемого материала (стекла или полимерных материалов - полиметилметакрилата, ABS или других) цилиндрической формы, на боковую поверхность которой навиты одна или несколько трубок 2 из светопроницаемого материала (на фиг. 2 представлен вариант с одной трубкой), входной конец 3 трубок 2 предназначен для подачи исходных реагентов, а выходной конец 4 служит для вывода готового продукта, источник ультрафиолетового излучения (осветительный элемент, или лампа) 5 внутри оболочки 1, на поверхности оболочки 1 с равным шагом установлены тонкостенные стойки 6, 7 с канавками 8, в которые трубки 2 уложены так, чтобы ось каждой из трубок образовала зигзагообразную линию, причем количество рядов стоек 6, 7 четное, при этом канавки 8 в четных рядах стоек 6 смещены вверх вдоль оси оболочки 1 относительно соответствующих канавок 8 в нечетных рядах стоек 7 на величину, определяемую по расчетному соотношению (1). По существу трубки 2 представляют собой микроканалы цилиндрической формы, но здесь называются трубками для краткости.

Снаружи оболочки 1 с навитыми на нее трубками 2 соосно оболочке 1 установлен кожух 9 цилиндрической формы со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности, при этом ближайшее расстояние от поверхности трубок 2 до внутренней поверхности кожуха 9 составляет величину, равную от одного до трех внешних диаметров трубок. Если это расстояние будет меньше указанного - ухудшается вентиляция трубок, больше указанного - снижается эффект обучения трубок отраженным светом. В нижней части оболочка 1 и кожух 9 закреплены на опорной площадке 10.

Трубки 2 могут быть изготовлены как из жесткого материала (стекла, полиметилметакрилата и других), так и из гибкого материала (поливинилхлорида, силикона или других), в последнем случае стойки 6, 7 выполнены с возможностью перемещения вдоль оси аппарата с последующей их фиксацией в новом положении. Эта возможность удобна при необходимости регулировки режима течения реагентов в трубках, особенно в лабораторных реакторах, либо в случае частой смены режимов.

При необходимости ось оболочки 1 может быть повернута на любой угол к горизонту, вместе с ней повернутся и остальные элементы аппарата. Вертикальное положение оси здесь имеется в виду по отношению к опорной площадке 10, и в описании выбрано для определенности, что позволяет упростить формулировку взаимного расположения элементов устройства и направлений перемещения стоек относительно оболочки. Опорную площадку 10 вместе со смонтированной на ней оболочкой 1, кожухом 9 и остальными элементами можно установить, например, на вертикальной поверхности, при этом ось устройства станет горизонтальной, что на работоспособность устройства не влияет. Отсутствие влияния расположения оси устройства по отношению к направлению гравитационного поля связано с преобладанием капиллярных сил над силами тяжести в трубках 2.

Источником ультрафиолетового излучения (осветительным элементом) 5 в фотореакторе может являться газоразрядная флюоресцентная лампа, преимущественно вытянутой цилиндрической формы, либо несколько установленных вдоль оси аппарата ламп шарообразной или иной формы. Кроме того, источником излучения могут служить светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом диапазоне. Светодиоды могут быть расположены на держателе массивом, вытянутым в линейную цепочку, с поперечным сечением в виде звезды, так, чтобы излучатели светодиодов были направлены на трубку.

Количество трубок 2 из светопроницаемого материала определяется заданной производительностью, а их длина определяется необходимым для каждой реакции временем пребывания.

Техническим результатом является повышение эффективности работы аппарата, увеличение выхода продукта с единицы объема, улучшение степени использования энергии светового излучения за счет интенсификации массопереноса в сплошной и дисперсной фазах и повторного использования отраженного света.

Этот результат достигается за счет многократного улучшения перемешивания в сплошной и дисперсной фазах благодаря регулярному снарядному течению в двухфазном потоке, в котором перемешивание обеспечивается посредством вихрей Тейлора и Дина, а также за счет концентрации энергии светового излучения на поверхности трубки фотокаталитического микрореактора при помощи светоотражательного покрытия на внутренней поверхности кожуха. Вихри Тейлора обусловлены регулярным снарядным течением, а вихри Дина - зигзагообразной формой трубок.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Аппарат работает следующим образом. Через входной конец 3 каждой трубки 2 подают исходные реагенты (для жидкостей - в чистом виде или в виде растворов, для твердых - в растворенном виде, для газов - в чистом виде или в виде смеси газов), используя один из микродиспергаторов (Т-, Y-, М-образный или соосно-сферический, на фиг. 1, 2 условно не показан). При этом, согласно предлагаемому способу эксплуатации фотокаталитического микрореактора, расходы сплошной и дисперсной фаз задают такими, чтобы в каждой из трубок сформировался снарядный режим течения, при котором длины капель дисперсной и сплошной фаз, отнесенные к диаметру трубки, находятся в диапазоне от 2 до 10 (если длины капель дисперсной и сплошной фаз короче - существует опасность потери режима, перехода к пузырьковому, если они длиннее - то время циркуляции возрастает, а перемешивание становится слишком медленным и неэффективным), причем значение угла а задают в пределах от 30° до 60°, так, чтобы добиться наилучшего перемешивания в сплошной и дисперсной фазе. Если угол задать больше указанного диапазона - сильно возрастает гидравлическое сопротивление; если угол будет задан меньше указанного диапазона - перемешивание будет недостаточно эффективным за счет ослабления вихрей Дина.

На фиг. 3 изображен снарядный режим течения и вихри Тейлора. При формировании в трубках 2 регулярного снарядного режима двухфазное течение представляет собой движущуюся цепочку чередующихся элементов сплошной (капель 11) и дисперсной (капель или пузырей 12) фазы. За счет сил вязкого трения возникают вихри Тейлора - в сплошной 13 и в дисперсной 14. Благодаря конвективному механизму переноса вещества (по нашим оценкам, число Пекле составляет не менее 105, см., С.Д. Светлов, Р.Ш. Абиев, Моделирование массоотдачи при тейлоровском режиме течения в микроканалах с использованием трехслойной модели // Теор. основы хим. технол., 2016, том 50, №6, с. 694-708), включая радиальный перенос от стенок к оси трубок 2, существенно интенсифицируется перемешивания в обеих фазах двухфазного потока, диффузионные ограничения на протекание химической реакции сводятся к минимуму. Частицы катализатора при этом увлекаются потоком жидкости, переносятся вместе с двухфазным потоком и участвуют в перемешивании.

На фиг. 4 изображены вихри Дина, возникающие при повороте потока в коленах трубок 2, обусловленных их зигзагообразной формой, для двух случаев: число Дина NDe=30 и NDe=70. Число Дина рассчитывалось по формуле:

где Re - число Рейнольдса, рассчитываемое по известной формуле Re=wdρ/μ, в которой w - средняя скорость двухфазной среды в трубках 2, м/с; d - внутренний диаметр трубок 2, м; ρ - плотность сплошной жидкой фазы, кг/м3; μ - вязкость сплошной жидкой фазы, Па⋅с;

Dk - удвоенный радиус кривизны (или диаметр) оси трубок 2 в зоне колена, м.

Благодаря вихрям Дина в поперечном сечении трубок 2 возникает дополнительное перемешивание, обусловленное радиальной и азимутальной конвекцией (векторы скорости показаны на фиг. 4 стрелками). Вихри Дина способствуют дополнительной интенсификации перемешивания, что обеспечивает снятие диффузионного сопротивления при проведении фотокаталитических реакций с использованием твердого катализатора.

Возможность перемещения стоек 6, 7 вдоль оси аппарата позволяет регулировать угол наклона осевой линии трубки к горизонту а, добиваясь оптимальных условий перемешивания в зависимости от физико-химических свойств реагентов при заданной температуре проведения реакции. Для этих целей в обечайке 1 выполнены канавки (на фиг. 1 и 2 условно не показаны) с поперечным сечением типа «ласточкин хвост» или Т-образным, обеспечивающим перемещение стоек 6, 7 без риска их выпадения. Перемещение положения сток 6, 7 может осуществляться вручную, при помощи винтовых или иных устройств, а их фиксация может происходить за счет стопорных винтов (на фиг. 1 и 2 условно не показаны).

Все вышеуказанные явления и процессы, происходящие в предлагаемом изобретении, приводят к повышению эффективности работы аппарата и степени использования твердой фазы, особенно при обработке частиц твердой фазы, обладающих разной плавучестью и (или) полидисперсным составом за счет оптимального ограничения движений как тяжелой, так и легкой фракций твердой фазы.

Пример конкретного выполнения 1. Процесс арилирования проводится в микроструктурированном реакторе со стекающей пленкой (D.С. Fabry et al. Blue light mediated C-H arylation of heteroarenes using TiO2 as an immobilized photocatalyst in a continuous-flow microreactor. Green Chem., 2017, V. 19, pp. 1911-1918; DOI: 10.1039/c7gc00497d). Реакционная зона была выполнена в планарной архитектуре, включавшей 32 параллельных открытых микроканала, изготовленных на пластине из нержавеющей стали. Размеры микроканалов: ширина 600 мкм, глубина 200 мкм и длина 78 мм. Диоксид титана (TiO2) в форме анатаза, массой 24 мг был иммобилизован как каталитически активный материал на поверхности микроканалов. Пластина была очищена лимонной кислотой и выдержана при 800°С перед иммобилизацией диоксида титана с поливиниловым спиртом, используемого в качестве связующего. После кальцинирования при 450°С удельная поверхность частиц катализатора составила 118,9 м2/г, а медианный диаметр пор был равен 8,7 нм. В качестве источника освещения использовались светодиодные лампы (LED), исходный раствор подавался при помощи поршневого насоса для ВЭЖХ (высокоэффективной жидкостной хроматографии) с производительностью 0,5 мл/мин. Снизу противотоком подают газ-инерт (азот) с расходом 10 мл/мин. Блок светодиодов фиксировался на окне микрореактора при помощи магнитных держателей.

При арилировании 4-бензолдиазония фторида фураном (в качестве гетероцикла) при облучении светодиодами со спектром «Королевский голубой» (Royal blue) на диоксиде титана был получен выход продукта (тетрафторборат арилдиазония) 79%, тогда как при использовании в качестве катализатора ZnO или Bi2O3 выход продукта не превышал 10%. Мощность ламп при этом составляла 2,4 Вт, а время пребывания - 9,1 секунд.

Пример конкретного выполнения 2. При условиях, описанных в примере конкретного выполнения 1, в качестве гетероцикла использовали тиофен. Выход хлор-производной при этом оказался таким же, как для процесса в обычном реакторе периодического действия (72%), а выход нитро-производной составил в микрореакторе 42%, что оказалось почти вдвое ниже, чем в реакторе периодического действия (83%).

Пример конкретного выполнения 3. Процесс, описанный в примере конкретного выполнения 1, проводили в фотокаталитическом микрореакторе, выполненном по предлагаемому изобретению, изображенном на фиг. 1. Две трубки 2 с внутренним диаметром d=0,5 мм и внешним диаметром 1,5 мм навиты на оболочку 1 диаметром 50 мм, диаметр навивки трубок D=60 мм, число витков каждой трубки 2 - шесть, итого по 12 канавок на каждую стойку 6, 7. В трубки, помимо жидких реагентов, вводят газ-инерт (азот), а также частицы диоксида титана, которые циркулируют вместе с жидкостью, а на выходе из аппарата их отделяют от продукта при помощи сепаратора (на фиг. 1 условно не показан) и снова возвращают на вход в аппарат.

Общее количество стоек 6, 7 при этом составило восемь (N=8), угловой шаг между стойками, определенный по расчетной формуле (2), оказался равен β=45°. При задании угла наклона осевой линии трубок 2 к горизонту α=30° было найдено по расчетной формуле (1) значение величины b смещения канавок в четных рядах стоек 6 вверх вдоль оси оболочки относительно соответствующих канавок в нечетных рядах стоек 7: b=14 мм. Снаружи оболочки 1 с навитой на нее трубками 2 соосно оболочке установлен кожух 9 цилиндрической формы со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности внутренним диаметром 68 мм, т.е. ближайшее расстояние от поверхности трубок до внутренней поверхности кожуха составило (68-(60+1,5))/2=3,25 мм, и находится в интервале от одного до трех внешних диаметров трубки. Исследования показали, что при изменении этой величины в меньшую сторону ухудшаются условия вентиляции трубки, а при ее изменении в большую сторону снижается эффект усиления освещенности трубки отраженным светом.

Расходы сплошной (смеси реагентов - соли и гетероцикла в этаноле) и дисперсной (газа-инерта) фаз задают такими, чтобы в трубках сформировался снарядный режим течения, при котором длины капель дисперсной и сплошной фаз, отнесенные к внутреннему диаметру трубок, находятся в диапазоне от 2 до 10. Как правило, отношение расходов фаз находится примерно в диапазоне от 0,2 до 5, но в случае каждого типа двухфазной системы подлежит уточнению. В данном примере суммарный расход фаз составил 2,5 мл/мин, что в 5 раз больше, чем в примере 1.

При указанных условиях длина трубок составила около 1131 мм, средняя скорость в трубках 0,106 м/с, а время пребывания в них - 10,6 секунд. Расчетное значение капиллярного числа составило Са=0,021, что меньше критического значения 0,7, т.е. при этих условиях возникают вихри Тейлора, обеспечивающие перемешивание в жидкой фазе.

При указанных условиях при арилировании 4-бензолдиазония фторида фураном при облучении светодиодами со спектром «Королевский голубой» (Royal blue) был получен выход продукта 95%. Мощность ламп при этом составляла 2,0 Вт.

Затем угла наклона осевой линии трубки к горизонту задали равным α=45°, при этом значение величины b составило b=24 мм. Выход продукта той же реакции составил 97%.

При задании угла наклона осевой линии трубки к горизонту задали равным α=60°, значение величины b составило b=41 мм. Выход продукта той же реакции составил 96%.

Пример конкретного выполнения 4. Реакцию проводили при тех же условиях, что и в примере конкретного выполнения 3, но угол наклона осевой линии трубки к горизонту а задавали за пределами диапазона 30°-60°. При значениях 10°-25° выход продукта снижался до 82-85%), что связано с недостаточно эффективным перемешиванием за счет вихрей Дина. При значениях 65°-80° выход продукта снижался до 78-82%, но при этом гидравлическое сопротивление трубок возрастало в 1,7-2,6 раза.

Пример конкретного выполнения 5. Реакцию проводили при тех же условиях, что и в примере конкретного выполнения 3, но без кожуха 9 со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности. Выход продукта снизился до 76%.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность работы фотокаталитического микрореактора, увеличить выход продукта с единицы объема аппарата и степень использования катализатора, повысить степень использования энергии светового излучения, которые достигаются за счет интенсификации массопереноса, улучшения перемешивания в сплошной и дисперсной фазах посредством организации вихрей Тейлора и Дина, а также за счет концентрации энергии светового излучения на поверхности трубки фотокаталитического микрореактора.

1. Фотокаталитический микрореактор для проведения реакций в гетерогенных системах жидкость-газ или жидкость-жидкость, в том числе в присутствии твердых частиц катализатора, содержащий вертикальную оболочку из светопроницаемого материала цилиндрической формы, на боковую поверхность которой навиты одна или несколько трубок из светопроницаемого материала, один из концов каждой из трубок предназначен для подачи исходных реагентов, а другой конец каждой из трубок служит для вывода готового продукта, осветительный элемент внутри оболочки, отличающийся тем, что на поверхности оболочки с равным шагом установлены тонкостенные стойки с канавками, в которые трубки уложены так, чтобы ось каждой из трубок образовала зигзагообразную линию, причем количество рядов стоек четное, при этом канавки в четных рядах стоек смещены вверх вдоль оси оболочки относительно соответствующих канавок в нечетных рядах стоек на величину, определяемую по расчетному соотношению:

где α - угол наклона осевой линии трубки к горизонту, °;

D - диаметр окружности навивки по оси трубки, м;

β - угловой шаг между стойками, определяемый по расчетной формуле:

где N - количество рядов стоек по длине окружности,

а снаружи оболочки с навитой на нее трубками соосно оболочке установлен кожух цилиндрической формы со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности, при этом ближайшее расстояние от поверхности трубок до внутренней поверхности кожуха составляет от одного до трех внешних диаметров трубок.

2. Фотокаталитический микрореактор по п. 1, отличающийся тем, что трубки изготовлены из гибкого материала, а стойки выполнены с возможностью перемещения вдоль оси аппарата.

3. Способ эксплуатации фотокаталитического микрореактора по пп. 1 и 2, заключающийся в подаче исходных компонентов в трубки микрореактора, отличающийся тем, что расходы фаз задают такими, чтобы в трубках сформировался снарядный режим течения, при котором длины капель дисперсной и сплошной фаз, отнесенные к внутреннему диаметру трубок, находятся в диапазоне от 2 до 10, причем значение угла α задают в пределах от 30° до 60°, так, чтобы добиться наилучшего перемешивания в сплошной и дисперсной фазах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам моделирования процессов получения водорода за счет гидролиза твердого реагента - алюминия в реакционном сосуде, и может быть использовано для оптимизации гидродинамических процессов и массообмена в альтернативных вариантах проектируемых генераторах водорода на основе гидролиза твердого реагента - алюминия в реакционном сосуде.

Изобретение относится к способу и установке получения аммиака и производных соединений аммиака, такого как мочевина, из природного газового сырья, а также к способу модернизации установки для синтеза аммиака и мочевины.

Изобретение относится к способу и установке для получения аммиака и производного соединения аммиака, такого как мочевина, из природного газового сырья, а также к способу модернизации установки для синтеза аммиака и мочевины.

Изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений. Описан способ проведения каталитической экзотермической реакции полимеризации в изотермическом режиме в газожидкостном полунепрерывном реакторе смешения с рубашкой и автоматическим регулированием температуры, изменением расхода теплоносителя и хладагента по отклонению температуры в реакторе от заданной.

Изобретение относится к реакторной системе для полимеризации олефинов и, более конкретно, к реакторной системе для оптимизации производства полиолефиновых полимеров в петлевом реакторе с высокой эффективностью.

Изобретение относится к производству углекислого газа, предназначенного для применения в газированных напитках. Установка термического разложения 100 содержит генератор радиочастотной (РЧ) энергии 130, РЧ-антенну 135 или электрод, подключенный к указанному генератору РЧ-энергии 130 для подведения тепла для термического разложения материала (гидрокарбоната натрия), по меньшей мере одну капсулу 120, содержащую термически разлагаемый материал, капсульную камеру 110 с герметизируемым отверстием, выполненную с возможностью помещения и содержания в себе по меньшей мере одной капсулы 120, а также способностью выдерживания заданного давления, образующегося в указанной капсуле 120, и по меньшей мере один канал 140, имеющий первый конец 145а, открытый со стороны указанной капсулы 120, и второй конец 145b, соединенный с напорным клапаном 150.

Изобретение относится к транспортирующей кислород мембранной панели для переноса лучистого тепла к реакторам каталитического риформинга, модулю комплекта мембран, а также скомпонованному узлу для реактора риформинга, печной линии синтез-газа и установке синтез-газа на основе мембран.

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к автоматическим системам регулирования, и может быть использовано для поддержания температуры реакционной массы химических реакторов–полимеризаторов.

Изобретение относится к непрерывному способу получения высокоразветвленных гомо- или сополимеров этиленненасыщенной монокарбоновой кислоты. Непрерывный способ получения гомо- или сополимеров моноэтиленненасыщенной монокарбоновой кислоты, содержащей от 3 до 8 атомов углерода, или ее солей (мономер А) осуществляют свободнорадикальной полимеризацией мономера А и необязательно свободнорадикальной полимеризацией растворимых в воде этиленненасыщенных мономеров (мономер В), отличных от мономера А, в водной среде в присутствии по меньшей мере одного растворимого в воде инициатора.

Изобретение относится к реакторам для осуществления экзотермических реакций. Реакторная система 1 включает реактор 3, по меньшей мере один соединенный с реактором 3 охладитель 5, по меньшей мере один соединенный с реактором 3 и/или указанным по меньшей мере одним охладителем 5 насос 7 для циркуляции по меньшей мере части жидкого теплоносителя 9 и соединенный с реактором 3 и/или указанным по меньшей мере одним охладителем 5 резервуар 11 для приема жидкого теплоносителя 9, который посредством сливных трубопроводов 17а, 17b соединен, соответственно, с самой нижней точкой реактора 3 и/или указанного по меньшей мере одного охладителя 5, при этом резервуар 11 расположен ниже реактора 3 и/или указанного по меньшей мере одного охладителя 5, причем резервуар 11 по меньшей мере частично расположен ниже уровня пола, и объем резервуара 11 на 10% превышает объем жидкого теплоносителя 9, теоретически содержащегося в реакторе 3 и/или указанном по меньшей мере одном охладителе 5.

Изобретение относится к аппаратам для проведения гетерогенных фотокаталитических реакций в системах жидкость-газ или жидкость-жидкость, в том числе в присутствии твердых частиц катализатора, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности. Фотокаталитический микрореактор содержит вертикальную оболочку из светопроницаемого материала цилиндрической формы, на боковую поверхность которой навиты одна или несколько трубок из светопроницаемого материала, один из концов каждой из трубок предназначен для подачи исходных реагентов, а другой конец каждой из трубок служит для вывода готового продукта, кожух цилиндрической формы со светоотражательным покрытием на внутренней поверхности, установленный соосно снаружи оболочки, и осветительный элемент внутри оболочки. При этом трубки уложены на поверхности оболочки с равным шагом в установленные тонкостенные стойки с канавками, чтобы ось каждой из трубок образовала зигзагообразную линию, причем количество рядов стоек четное, при этом канавки в четных рядах стоек смещены вверх вдоль оси оболочки относительно соответствующих канавок в нечетных рядах стоек, а ближайшее расстояние от поверхности трубок до внутренней поверхности кожуха составляет от одного до трех внешних диаметров трубок. При эксплуатации фотокаталитического микрореактора подают исходные компоненты в трубки микрореактора, при этом расходы фаз задают такими, чтобы в трубках сформировался снарядный режим течения, при котором длины капель дисперсной и сплошной фаз, отнесенные к внутреннему диаметру трубок, находятся в диапазоне от 2 до 10, причем значение угла α задают в пределах от 30° до 60°, так, чтобы добиться наилучшего перемешивания в сплошной и дисперсной фазах. Изобретение обеспечивает интенсификацию массопереноса, улучшение степени использования светового излучения, увеличение выхода продукта с единицы объема и повышение эффективности работы аппарата. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

Наверх