RU2652222C1

RU2652222C1 - Multi-channel micro-reactor

Info

Publication number: RU2652222C1
Application number: RU2017110142A
Authority: RU
Inventors: Руфат Шовкет оглы Абиев
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-04-25

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to apparatus for carrying out chemical reactions and mass-exchange processes. Multi-channel microreactor comprises a housing consisting of a series-connected distribution, mixing, reaction and separation chambers, and nozzles for the supply of reagents and auxiliary substances and for the removal of products. In this case, the distribution chamber contains a cover with a nozzle installed therein for feeding one of the reagents and two distribution grids arranged at an angle of 45° relative to each other, mixing chamber comprises one or more nozzles for supplying a second reagent and auxiliary substances, and two gratings separating it from adjacent chambers, the reaction chamber is a bundle of tubes installed in the body, attached to the grid of the mixing section of the tube, wherein one or more openings with a diameter of 0.2 to 0.6 of the inner diameter of the tubes are formed in the side surface of the tubes.

EFFECT: invention provides an increase in the efficiency of mass exchange and reaction processes, the full use of the volume of the apparatus and an increase in the productivity of the apparatus.

1 cl, 6 dwg, 1 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к мини - и микрореакторам - аппаратам для проведения химических реакций и массообменных процессов и может быть использовано для проведения реакционных и массообменных процессов с сопутствующими процессами диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования), например для проведения экстракции, газожидкостных реакций, получения биодизельного топлива, тонкого органического синтеза, в том числе активных фармацевтических ингредиентов в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.The present invention relates to mini - and microreactors - apparatus for carrying out chemical reactions and mass transfer processes and can be used for carrying out reaction and mass transfer processes with the accompanying processes of dispersing gas in a liquid, one liquid into another (emulsification), for example, for carrying out extraction, gas-liquid reactions , biodiesel, fine organic synthesis, including active pharmaceutical ingredients in chemical, petrochemical, pharmaceutical th, food and other industries.

Известен микрореактор - аппарат для проведения массообменных и реакционных процессов в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ и для его реализации (МПК⁷ С01В 3/26, С07С 5/03, С07С 5/00, С07С 5/10, пат. США №6632414, 2003 г.). Способ заключается в подаче газа и жидкости (либо двух несмещивающихся жидкостей) в каналы, расположенные параллельно друг другу, в частности, при проведении каталитических реакций - в каналы монолитного катализатора. Способ реализован в аппарате, содержащем корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, патрубки для ввода исходных компонентов в корпус, устройство для диспергирования газа. В реакторе с монолитным катализатором в зависимости от соотношения расходов газа и жидкости может быть реализован один из следующих основных режимов течения: пузырьковый, снарядный, взрывной (эмульсионный) и пленочный (кольцевой). Наиболее эффективным для проведения реакций в системах жидкость - жидкость и жидкость - газ принято считать снарядный (другие названия - тейлоровский, сегментированный) режимы течения, когда дисперсная фаза - газ или жидкость - движется в виде вытянутых пузырей либо капель - "снарядов", отделенных друг от друга жидкостными снарядами (пробками) (Бауэр Т. Интенсификация гетерогенно-каталитических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором / Т. Бауэр, М. Шуберт, Р. Ланге, Р.Ш. Абиев // Журн. прикл. химии, 2006, Т. 79, №7, С. 1057-1066; Kreutzer, М.Т. Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels / M.T. Kreutzer, F. Kapteijn, J.A. Moulijn, J.J. Heiszwolf // Chemical Engineering Science. - 2005. - V. 60 - P. 5895-5916). Благоприятными особенностями этого режима являются: хорошее перемешивание внутри жидкостных снарядов, возникающее при циркуляции в них жидкости, а также малая толщина пленки вокруг пузырей либо капель, что сокращает длину диффузионного пути для молекул газа. Кроме того, монолитные катализаторы обладают малым гидравлическим сопротивлением (на два порядка ниже, чем в аппаратах с орошаемым катализатором в виде неподвижного насыпного слоя).Known microreactor is an apparatus for carrying out mass transfer and reaction processes in liquid-liquid and liquid-gas systems and for its implementation (IPC ⁷ C01B 3/26, C07C 5/03, C07C 5/00, C07C 5/10, US Pat. No. 6632414, 2003). The method consists in supplying gas and liquid (or two non-shifting liquids) to channels located parallel to each other, in particular, during catalytic reactions, to channels of a monolithic catalyst. The method is implemented in an apparatus comprising an extended-shaped housing with a monolithic catalyst installed in it, nozzles for introducing the initial components into the housing, a device for dispersing gas. In a reactor with a monolithic catalyst, depending on the ratio of gas to liquid flow rates, one of the following main flow regimes can be implemented: bubble, shell, explosive (emulsion), and film (ring). The most effective for carrying out reactions in liquid - liquid and liquid - gas systems is considered to be the slug (other names - Taylor, segmented) flow regimes when the dispersed phase - gas or liquid - moves in the form of elongated bubbles or drops - "shells" separated by each other apart from liquid shells (plugs) (T. Bauer Intensification of heterogeneous-catalytic gas-liquid reactions in reactors with a multi-channel monolithic catalyst / T. Bauer, M. Schubert, R. Lange, R.Sh. Abiev // Journal of Chemistry of Chemistry, 2006 , T. 79, No. 7, 1057-1066; Kreutzer, M.T. P. 5895-5916). Favorable features of this mode are: good mixing inside the liquid shells that occurs when the liquid circulates in them, as well as the small film thickness around the bubbles or drops, which reduces the length of the diffusion path for gas molecules. In addition, monolithic catalysts have low hydraulic resistance (two orders of magnitude lower than in devices with an irrigated catalyst in the form of a fixed bulk layer).

К недостаткам известного аппарата относятся: недостаточно равномерное распределение пузырьков и капель по сечению аппарата, изменение соотношения расходов фаз по длине аппарата в ходе вступления газа в реакцию с жидкостью, влекущее за собой изменение режима течения двухфазной смеси в каналах. Кроме того, в известном изобретении не предусмотрены меры по обеспечению интенсивного подвода теплоты (либо теплоотвода) от каналов.The disadvantages of the known apparatus include: insufficiently uniform distribution of bubbles and drops over the cross section of the apparatus, a change in the ratio of phase flow rates along the length of the apparatus during the gas entering the reaction with the liquid, entailing a change in the flow regime of the two-phase mixture in the channels. In addition, the known invention does not provide measures to ensure an intensive supply of heat (or heat sink) from the channels.

Известен многоканальный микрореактор, содержащий корпус, соединительные патрубки для подачи реагентов и вспомогательных веществ, корпус состоит из последовательно соединенных распределительной, смесительной, реакционной и сепарационной камер, причем реакционная камера представляет собой пучок трубок, установленных параллельно оси корпуса (Т.

, С. Meitzner, R. Lange, U. Hampel. A study of two-phase flow in monoliths using ultrafast X-ray computed tomography. Int. Journ. Multiphase Flow. 2016). Распределительная и смесительная камеры выполнены в виде единого блока, который может быть выполнен по одному из двух вариантов. По первому варианту этот распределительно-смесительный блок представляет собой распылительную форсунку для одной из жидкостей, формирующую конус, диаметр основания которого равен диаметру корпуса аппарата, а вторая среда подается через радиальные либо тангенциальные патрубки распределительной камеры. По второму варианту распределительно-смесительный блок выполнен в виде трубчатых иголок с внешним диаметром, меньшим внутреннего диаметра трубок реакционной камеры. Исследования с использованием компьютерной томографии показали, что в обоих случаях неравномерность распределения фаз как по длине каждой из трубок реакционной зоны, так и по поперечному сечению корпуса аппарата довольно высока (Т.

, С. Meitzner, R. Lange, U. Hampel. A study of two-phase flow in monoliths using ultrafast X-ray computed tomography. Int. Journ. Multiphase Flow. 2016): объемная доля сплошной фазы в 30-40% каналов максимальна и достигает 0,40, тогда как объемная доля сплошной фазы в 25-30% каналов минимальна и составляет всего 0-0,05. Изменение способа подачи фаз, как показали исследования, несущественно влияет на общую неравномерность их распределения по длине и поперечному сечению каналов.Known multi-channel microreactor containing a housing, connecting pipes for supplying reagents and auxiliary substances, the housing consists of series-connected distribution, mixing, reaction and separation chambers, and the reaction chamber is a bundle of tubes mounted parallel to the axis of the housing (T.

, C. Meitzner, R. Lange, U. Hampel. A study of two-phase flow in monoliths using ultrafast X-ray computed tomography. Int. Journ. Multiphase Flow. 2016). Distribution and mixing chambers are made in the form of a single unit, which can be made in one of two ways. According to the first variant, this distribution-mixing unit is a spray nozzle for one of the liquids, forming a cone, the diameter of the base of which is equal to the diameter of the apparatus body, and the second medium is supplied through radial or tangential nozzles of the distribution chamber. According to the second embodiment, the distribution and mixing block is made in the form of tubular needles with an external diameter smaller than the inner diameter of the tubes of the reaction chamber. Studies using computed tomography showed that in both cases, the uneven distribution of the phases along the length of each tube of the reaction zone and in the cross section of the apparatus body is quite high (T.

, C. Meitzner, R. Lange, U. Hampel. A study of two-phase flow in monoliths using ultrafast X-ray computed tomography. Int. Journ. Multiphase Flow. 2016): the volume fraction of the continuous phase in 30-40% of the channels is maximum and reaches 0.40, while the volume fraction of the continuous phase in 25-30% of the channels is minimal and is only 0-0.05. A change in the method of feeding the phases, as shown by studies, does not significantly affect the general unevenness of their distribution along the length and cross section of the channels.

Наиболее близким к заявляемому является способ проведения массообменных и реакционных процессов в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ и аппарат для его реализации (МПК⁷ С07С 5/02, B01J 8/04, пат. США №6822128, 2004 г.), содержащий корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, расположенном в виде нескольких последовательно установленных ярусов, патрубки для ввода газа и жидкости в корпус, устройство для диспергирования газа, а также установленные между ярусами монолитного катализатора патрубки для дополнительной подачи газа между ярусами. В известном аппарате ввод газа распределен по длине реактора, что позволяет повысить равномерность распределения газа путем компенсации части прореагировавшего газа.Closest to the claimed is a method of mass transfer and reaction processes in liquid-liquid and liquid-gas systems and apparatus for its implementation (IPC ⁷ C07C 5/02, B01J 8/04, US Pat. No. 6822128, 2004), containing an extended-shaped housing with a monolithic catalyst installed in it, located in the form of several successively installed tiers, nozzles for introducing gas and liquid into the housing, a gas dispersion device, and also nozzles installed between the tiers of the monolithic catalyst for additional Aci gas between tiers. In a known apparatus, the gas inlet is distributed along the length of the reactor, which makes it possible to increase the uniformity of gas distribution by compensating for a portion of the reacted gas.

В известном изобретении качество перемешивания внутри дисперсных элементов (капель, пузырей), как и в жидкостных снарядах, обусловлено скоростью движения сред, и при умеренных расходах может быть недостаточно высоким. Это снижает эффективность работы аппарата. Кроме того, в известном изобретении не предусмотрены меры по обеспечению интенсивного подвода (либо отвода) теплоты от каналов, что не позволяет контролировать параметры процессов, протекающих с выделением либо поглощением тепла.In the known invention, the quality of mixing inside the dispersed elements (drops, bubbles), as in liquid shells, is due to the speed of the medium, and at moderate costs it may not be high enough. This reduces the efficiency of the device. In addition, the known invention does not provide measures to ensure intensive supply (or removal) of heat from the channels, which does not allow controlling the parameters of the processes occurring with the release or absorption of heat.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности массообменных и реакционных процессов, а также полноты использования объема аппарата, в конечном счете увеличение его производительности за счет:The task of the invention is to increase the efficiency of mass transfer and reaction processes, as well as the completeness of using the volume of the apparatus, ultimately increasing its productivity due to:

- увеличения равномерности распределения "размеров дисперсной среды - капель, пузырей - и находящихся между ними элементов сплошной среды - жидкостных снарядов, благодаря как оптимальному диспергированию, так и слиянию мелких капель и пузырьков с крупными, а также благодаря равномерному распределению сред по каналам;- increasing the uniformity of the distribution "of the size of the dispersed medium - drops, bubbles - and the elements of the continuous medium between them - liquid shells, due to both optimal dispersion and the merging of small drops and bubbles with large ones, as well as due to the uniform distribution of the media across the channels;

- увеличения равномерности распределения элементов дисперсной среды - капель, пузырей - по сечению аппарата, т.е. по каналам, расположенным параллельно друг другу;- increasing the uniformity of the distribution of elements of the dispersed medium - drops, bubbles - over the cross section of the apparatus, i.e. on channels parallel to each other;

- улучшения процесса диспергирования капель, пузырей;- Improving the process of dispersing drops, bubbles;

- достижения заданного "времени пребывания дисперсной среды в аппарате;- achieving a predetermined "residence time of the dispersed medium in the apparatus;

- упрощения технологии изготовления блока параллельных каналов сложной формы и технологии нанесения на поверхность каналов покровных слоев (активного катализатора, гидрофобных покрытий и т.п.).- simplification of the manufacturing technology of the block of parallel channels of complex shape and the technology of applying coating layers to the surface of the channels (active catalyst, hydrophobic coatings, etc.).

Поставленная задача решается тем, что в многоканальном микрореакторе, содержащем корпус, патрубки для подачи реагентов и вспомогательных веществ, патрубки для отвода продуктов, корпус состоит из последовательно соединенных распределительной, смесительной, реакционной и сепарационной камер, причем реакционная камера представляет собой пучок трубок, установленных в корпусе, отличающийся тем, что распределительная камера содержит крышку с установленным в ней патрубком для подачи одного из реагентов и две распределительные сетки, расположенные под углом 45° относительно друг друга, а смесительная камера содержит один или более патрубков для подачи второго реагента и вспомогательных веществ, отделяющие ее от соседних камер две решетки, к которым присоединены трубки, а в боковой поверхности трубок выполнены одно или несколько отверстий диаметром, составляющим от 0,2 до 0,6 от внутреннего диаметра трубок.The problem is solved in that in a multi-channel microreactor containing a housing, nozzles for supplying reagents and auxiliary substances, nozzles for removing products, the housing consists of series-connected distribution, mixing, reaction and separation chambers, the reaction chamber being a bundle of tubes installed in case, characterized in that the distribution chamber contains a cover with a nozzle installed in it for supplying one of the reagents and two distribution grids, located married at an angle of 45 ° relative to each other, and the mixing chamber contains one or more nozzles for supplying a second reagent and auxiliary substances that separate it from two adjacent chambers, two grids to which the tubes are attached, and one or more holes with a diameter are made in the side surface of the tubes, constituting from 0.2 to 0.6 of the inner diameter of the tubes.

Поставленная задача решается также тем, что многоканальный микрореактор, согласно изобретению, в реакционной камере содержит цилиндрический сердечник, на который намотаны трубки, а между слоями намотки проложены металлические пластины, при этом сепарационная камера представляет собой тонкослойный пластинчатый отстойник, соединенный с выходным патрубком реакционной камеры, пластины которого выполнены из двухслойного материала, верхний слой обладает гидрофильными, а нижний - гидрофобными свойствами.The problem is also solved by the fact that the multichannel microreactor according to the invention, in the reaction chamber contains a cylindrical core on which the tubes are wound, and metal plates are laid between the winding layers, while the separation chamber is a thin-layer plate settler connected to the outlet pipe of the reaction chamber, the plates of which are made of a two-layer material, the upper layer has hydrophilic properties and the lower one has hydrophobic properties.

Заявляемый многоканальный микрореактор позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов, а в конечном счете - увеличить производительность аппарата.The inventive multi-channel microreactor improves the efficiency of mass transfer and reaction processes, and ultimately to increase the productivity of the apparatus.

В качестве вспомогательных веществ могут выступать вещества в газообразном или в жидком состоянии.As auxiliary substances can act substances in a gaseous or liquid state.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.

На фиг. 1 представлена схема (общий вид) многоканального микрореактора, на фиг. 2-5 - разрезы и выносные элементы многоканального микрореактора с размерами, указанными применительно к примеру конкретной реализации, на фиг. 6 - схема циркуляции в каплях дисперсной (23) и сплошной (24) фазы. Важно отметить, что микромасштаб относится к внутреннему размеру микроканалов аппарата, а его габариты - хотя и значительно меньше, чем у традиционных, аппаратов - макромасштабные, а производительность аппарата в целом не ниже, чем у традиционных аппаратов, при более высоких прочих показателях (высоких компактности и удельной металлоемкости, более узкого распределения времени пребывания компонентов, высокой селективности реакции и др.).In FIG. 1 shows a diagram (general view) of a multi-channel microreactor; FIG. 2-5 - sections and external elements of a multi-channel microreactor with the dimensions indicated in relation to the example of a specific implementation, in FIG. 6 is a diagram of the circulation in the droplets of the dispersed (23) and continuous (24) phases. It is important to note that the micro-scale refers to the internal size of the microchannels of the device, and its dimensions, although much smaller than that of traditional devices, are macro-large, and the performance of the device as a whole is not lower than that of traditional devices, with higher other indicators (high compactness and specific metal consumption, a narrower distribution of the residence time of the components, high selectivity of the reaction, etc.).

На фиг. 1 изображен многоканальный микрореактор, содержащий корпус 1, патрубки 2, 3 для подачи реагентов и вспомогательных веществ, патрубки для отвода продуктов 4 и 5, корпус 1 состоит из последовательно соединенных камер: распределительной 6, смесительной 7, реакционной 8 и сепарационной 9.In FIG. 1 shows a multi-channel microreactor containing a housing 1, nozzles 2, 3 for supplying reagents and auxiliary substances, nozzles for the removal of products 4 and 5, housing 1 consists of series-connected chambers: distribution 6, mixing 7, reaction 8 and separation 9.

Реакционная камера 8 представляет собой пучок 10 трубок 11, установленных в корпусе 1. Распределительная камера 6 содержит крышку 12 с установленным в ней патрубком 2 для подачи одного из реагентов и две распределительные сетки 13, расположенные под углом 45° относительно друг друга. Это позволяет более равномерно распределить потоки фаз реагентов между трубками 11. Смесительная камера 7 содержит один или более патрубков 3 для подачи второго реагента и вспомогательных веществ, отделяющие ее от соседних камер две решетки 14, к которым присоединены трубки 11, а в боковой поверхности трубок 11 выполнены одно или несколько отверстий 15 диаметром, составляющим от 0,2 до 0,6 от внутреннего диаметра трубок (диаметром 1,5 мм, через которые к рыбьему жиру, протекающему по трубкам, поступает метанол).The reaction chamber 8 is a bundle of 10 tubes 11 installed in the housing 1. The distribution chamber 6 includes a cover 12 with a nozzle 2 installed therein for supplying one of the reactants and two distribution grids 13 located at an angle of 45 ° relative to each other. This allows you to more evenly distribute the flow of phases of the reagents between the tubes 11. The mixing chamber 7 contains one or more nozzles 3 for supplying a second reagent and auxiliary substances, separating it from neighboring chambers two lattices 14, to which the tubes 11 are connected, and in the side surface of the tubes 11 one or more holes 15 are made with a diameter of 0.2 to 0.6 from the inner diameter of the tubes (1.5 mm in diameter, through which methanol enters the fish oil flowing through the tubes).

В реакционной камере 8 установлен цилиндрический сердечник 16, на который намотаны трубки 11, а между слоями намотки проложены металлические пластины 17, при этом сепарационная камера 9 представляет собой тонкослойный пластинчатый отстойник, соединенный с выходным патрубком 18 реакционной камеры 8, пластины 19 которого выполнены из двухслойного материала, верхний слои пластин 19 обладает гидрофильными, а нижний слой пластин 19 обладает гидрофобными свойствами. Использование металла в качестве материала пластин 17 обусловлено тем, что при малой толщине материал должен обладать достаточной прочностью и жесткостью. Как альтернатива металлу для изготовления пластин 17 могут быть использованы композиционные материалы с армированием стекловолокном или углеродной нитью.A cylindrical core 16 is installed in the reaction chamber 8, on which tubes 11 are wound, and metal plates 17 are laid between the winding layers, while the separation chamber 9 is a thin-layer plate settler connected to the outlet pipe 18 of the reaction chamber 8, the plates 19 of which are made of a two-layer material, the upper layers of the plates 19 are hydrophilic, and the lower layer of the plates 19 has hydrophobic properties. The use of metal as the material of the plates 17 is due to the fact that at a small thickness the material must have sufficient strength and rigidity. As an alternative to metal for the manufacture of plates 17, composite materials with glass fiber or carbon fiber reinforcement can be used.

Межтрубное пространство реакционной камеры 8 оборудовано штуцерами 20 и 21 для ввода теплоносителя и его отвода.The annular space of the reaction chamber 8 is equipped with fittings 20 and 21 for entering the coolant and its removal.

На выходе из реакционной камеры 8 установлены две распределительные сетки 22, аналогично сеткам 13 расположенные под углом 45° относительно друг друга. Это позволяет более равномерно распределить потоки фаз продуктов между пластинами сепарационной камеры 9.At the outlet of the reaction chamber 8, two distribution grids 22 are installed, similar to grids 13 located at an angle of 45 ° relative to each other. This allows you to more evenly distribute the flow of phases of the products between the plates of the separation chamber 9.

На фиг. 2 приведен выносной элемент А, на котором показаны номера слоев (1 сл., 2 сл. и т.д.), а также номера витков каждой из трубок (N1, N2 и т.д.) и расстояние между витками в миллиметрах. Важным является обеспечение равенства длины трубок, за счсет которого обеспечивается высокая равномерность распределения фаз по трубкам 11, что достигается за счет увеличение шага навивки с увеличением диаметра навивки (связанного с номером слоя). Отметим, что на слоях, отстоящих далеко от сердечника 16, используется многозаходная навивка трубок 11, т.е. шаг навивки трубок становится настолько большим, что между витками одной трубки умещаются витки еще одной или нескольких трубок. Проложенные между слоями намотки трубок 11 металлические пластины 17 не позволяют им провалиться между витками лежащего внутри (ближе к оси аппарата) слоя.In FIG. 2 shows the remote element A, which shows the numbers of the layers (1 sl., 2 sl., Etc.), as well as the numbers of turns of each of the tubes (N1, N2, etc.) and the distance between the turns in millimeters. It is important to ensure the equality of the length of the tubes, due to which a high uniformity of the phase distribution in the tubes 11 is ensured, which is achieved by increasing the winding pitch with increasing diameter of the winding (associated with the layer number). Note that on layers far away from the core 16, multi-start winding of the tubes 11 is used, i.e. the winding pitch of the tubes becomes so large that between the turns of one tube, the turns of one or more tubes fit. The metal plates 17 laid between the layers of winding the tubes 11 do not allow them to fall between the turns of the layer lying inside (closer to the axis of the apparatus).

На фиг. 3 изображены: узлы уплотнения - вид Б - сальниковое уплотнение выпускной части аппарата, вид В - фланцевые соединения с прокладками распределительной 6, смесительной 7 и реакционной 8 камер, вид Г - фрагмент смесительной 7 камеры с трубками 11, в которых выполнены отверстия 15.In FIG. 3 shows: seal assemblies - type B - stuffing box packing of the outlet part of the apparatus, type C - flange connections with gaskets 6, mixing 7 and reaction 8 chambers, type D - fragment of the mixing 7 chamber with tubes 11, in which openings 15 are made.

На фиг.4 показано устройство сепарационной камеры 9 и расположение пластин 19, выполненных из двухслойного материала, например, наклеиванием пленки олеофильного (гидрофобного) материала на пластины из гидрофильного материала, в результате чего верхний слой пластин 19 обладает гидрофильными, а нижний слой пластин 19 обладает гидрофобными свойствами. Это позволяет реализовать процесс дифференциального смачивания поверхности пластин: например, образовавшийся в ходе реакции переэтерификации биодизель будет лучше смачивать нижние стороны пластин 9, покрытые слоем с гидрофобными (олеофильными) свойствами, всплывая вверх к патрубку 5, а глицерин лучше смочит верхние покрытые слоем с гидрофильными, опускаясь к патрубку 4.Figure 4 shows the arrangement of the separation chamber 9 and the arrangement of plates 19 made of a two-layer material, for example, by gluing a film of oleophilic (hydrophobic) material on plates of hydrophilic material, as a result of which the upper layer of plates 19 is hydrophilic, and the lower layer of plates 19 has hydrophobic properties. This allows the process of differential wetting of the surface of the plates to be implemented: for example, the biodiesel formed during the transesterification reaction will be better to wet the lower sides of the plates 9, coated with a layer with hydrophobic (oleophilic) properties, floating up to pipe 5, and glycerin will better moisten the upper coated with a hydrophilic layer, going down to the pipe 4.

Пучок 10 может быть изготовлен как из прямых трубок 11 (при их длине, равной длине реакционной камеры, что характерно для быстропротекающих реакций), так и из витых трубок 11 (характерно для сравнительно медленно протекающих реакций). На фиг.5 показано расположение осей трубок 11 пучка 10, каждая из которых навита в виде цилиндрической винтовой спирали. Входы в трубки 11 одного из реагентов располагаются в распределительной камере 6, второго - в смесительной 7 - в виде отверстий 15 (вид Г на фиг. 3). Выходы из трубок 11 сосредоточены в выходном патрубке 18 реакционной камеры 8.The bundle 10 can be made both from straight tubes 11 (with their length equal to the length of the reaction chamber, which is typical for fast reactions), and from twisted tubes 11 (typical for relatively slow reactions). Figure 5 shows the location of the axes of the tubes 11 of the beam 10, each of which is wound in the form of a cylindrical helical spiral. The entrances to the tubes 11 of one of the reagents are located in the distribution chamber 6, the second in the mixing 7 in the form of holes 15 (type D in Fig. 3). The exits from the tubes 11 are concentrated in the outlet pipe 18 of the reaction chamber 8.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом. В патрубки 2 и 3 подаются реагенты и, при необходимости, вспомогательные вещества. Под вспомогательными веществами здесь подразумеваются инертные газы, вводимые для создания структурированного тейлоровского течения, оптимального с точки зрения интенсификации массообмена, а также вещества, выполняющие функции катализатора.The proposed device operates as follows. Reagents and, if necessary, auxiliary substances are supplied to nozzles 2 and 3. By excipients, here we mean inert gases introduced to create a structured Taylor flow, optimal from the point of view of intensification of mass transfer, as well as substances that act as catalysts.

Реагент, вводимый через патрубок 2 в распределительную камеру 6, при помощи распределительных сеток 13, обладающих достаточно высоким сопротивлением, равномерно распределяется по устьям трубок 11. Реагент и вспомогательные вещества, вводимые через патрубки 3 (их может быть один или несколько) в смесительную камеру 7, за счет сравнительно высокого сопротивления отверстий 15 вводится через них в трубки 11. При этом в трубках создается так называемое тейлоровское (снарядное) течение, характеризуемое образованием капель (или пузырей, далее в описании будет использован для краткости термин «капли») дисперсной фазы длиной Lк, превышающей внутренний диаметр dвн трубок 11, но, как правило, не более (5-10) dвн. Первое ограничение Lк>dвн необходимо для поддержания стабильного тейлоровского режима, предотвращения слияния капель. Второе условие Lк<(5-10) dвн соответствует условиям наиболее интенсивного массообмена. Между каплями дисперсной фазы образуются капли сплошной фазы, при этом капли дисперсной фазы окружены тонкой пленкой сплошной фазы. В штуцер 21 вводится, а из штуцера 20 отводится теплоноситель, омывающий наружную поверхность трубок. По мере перемещения по трубкам 11 за счет интенсивного перемешивания тейлоровскими вихрями - 23 для капель дисперсной фазы и 24 для капель сплошной фазы - скорость массообмена резко возрастает (по данным экспериментальных и теоретических исследований - до 3-4 раз), в результате чего реакционно-массообменные процессы в целом ускоряются. По мере продвижения к выходу из трубок 11 в них образуются продукты, подлежащие разделению в сепарационной камере 9.The reagent introduced through the pipe 2 into the distribution chamber 6, with the help of distribution grids 13 having a sufficiently high resistance, is evenly distributed over the mouths of the pipes 11. The reagent and auxiliary substances introduced through the pipes 3 (there may be one or several) into the mixing chamber 7 , due to the relatively high resistance of the holes 15, it is introduced through them into the tubes 11. In this case, the so-called Taylor (slug) flow is created in the tubes, characterized by the formation of droplets (or bubbles), further in the description uu will be used for brevity, the term "droplets") dispersed phase length Lc greater than the inner diameter Din of tubes 11, but usually not more than (5-10) Din. The first limitation Lk> dvn is necessary to maintain a stable Taylor regime and prevent droplet fusion. The second condition Lк <(5-10) dвн corresponds to the conditions of the most intense mass transfer. Between the droplets of the dispersed phase, droplets of the continuous phase are formed, while the droplets of the dispersed phase are surrounded by a thin film of the continuous phase. Into the nozzle 21 is introduced, and from the nozzle 20 is removed the coolant washing the outer surface of the tubes. As moving through the tubes 11 due to intensive mixing by Taylor vortices - 23 for droplets of the dispersed phase and 24 for droplets of the continuous phase - the mass transfer rate increases sharply (according to experimental and theoretical studies - up to 3-4 times), resulting in reaction-mass transfer processes are generally accelerated. As you move to the exit of the tubes 11, products are formed in them, which must be separated in the separation chamber 9.

Образовавшиеся жидкие продукты (например, биодизельное топливо и глицерин) благодаря распределительным сеткам 22, расположенным под углом 45° относительно друг друга, равномерно распределяются по поперечному сечению сепарационной камеры 9. Сепарационная камера 9 представляет собой тонкослойный пластинчатый отстойник, соединенный с выходным патрубком 18 реакционной камеры 8, пластины 19 которого выполнены из двухслойного материала, верхний слой пластин 19 обладает гидрофильными, а нижний слой пластин 19 обладает гидрофобными свойствами. Выбор материалов слоев пластин - гидрофильного для верхнего слоя и гидрофобного для нижнего - создает дополнительную возможность расслоения для разделяемых фаз, позволяя снизить затраты энергии на процесс сепарации. Легкая органическая фаза всплывает в смеси, смачивает гидрофобный низ пластин и по нему выводится из аппарата через патрубок 5. Тяжелая полярная фаза (вода, водный раствор глицерина и т.п.) оседает в смеси, смачивает гидрофильный верх пластин и выводится из аппарата через патрубок 4.The resulting liquid products (for example, biodiesel and glycerin) due to distribution grids 22, located at an angle of 45 ° relative to each other, are evenly distributed over the cross-section of the separation chamber 9. The separation chamber 9 is a thin-layer plate sump connected to the outlet pipe 18 of the reaction chamber 8, the plates 19 of which are made of a two-layer material, the upper layer of the plates 19 is hydrophilic, and the lower layer of the plates 19 has hydrophobic properties. The choice of materials of the layers of the plates — hydrophilic for the upper layer and hydrophobic for the lower — creates an additional possibility of separation for the phases to be separated, thereby reducing the energy costs of the separation process. The light organic phase floats in the mixture, wets the hydrophobic bottom of the plates and through it is removed from the apparatus through the nozzle 5. The heavy polar phase (water, an aqueous solution of glycerol, etc.) settles in the mixture, moistens the hydrophilic top of the plates and is removed from the apparatus through the nozzle four.

Пример конкретного выполнения. Многоканальный микрореактор для переэтерификации триглицеридов (жиров растительного или животного происхождения, например, отходов рыбной промышленности - рыбьего жира) метанолом (или этанолом) в присутствии растворенного в спирте щелочного катализатора (едкого натра или едкого кали) в биодизельное Топливо с образованием глицерина, схема которого представлена на фиг. 1-5, содержит корпус 1 диаметром 400 мм и длиной 2100 мм, патрубки 2, 3 для подачи реагентов и вспомогательных веществ, патрубки для отвода продуктов 4 и 5, корпус 1 состоит из последовательно соединенных камер: распределительной 6, смесительной 7, реакционной 8 и сепарационной 9. Реакционная камера 8 представляет собой пучок 10 из 85 трубок 11 длиной 40 м каждая, установленных в корпусе 1.An example of a specific implementation. Multichannel microreactor for transesterification of triglycerides (vegetable or animal fats, for example, fish industry waste - fish oil) with methanol (or ethanol) in the presence of an alkaline catalyst (caustic soda or potassium hydroxide) dissolved in alcohol into biodiesel Fuel with the formation of glycerol, the scheme of which is presented in FIG. 1-5, contains a housing 1 with a diameter of 400 mm and a length of 2100 mm, nozzles 2, 3 for supplying reagents and auxiliary substances, nozzles for removing products 4 and 5, the housing 1 consists of series-connected chambers: distribution 6, mixing 7, reaction 8 and separation 9. The reaction chamber 8 is a bundle 10 of 85 tubes 11 each 40 m long, installed in the housing 1.

Общая производительность аппарата по двухфазной смеси 0,278 л/с (1 м³/час). Число заходов при навивке трубок 11: с 1 по 13 слой - 1 заход, с 14 по 25 слой - 2 захода, с 26 по 37 слой - 3 захода, с 38 по 40 слой - 4 захода. Расстояния между соседними витками в каждом слое указаны на фиг. 2.The total productivity of the apparatus for a two-phase mixture of 0.278 l / s (1 m ³ / h). The number of calls when winding the tubes 11: from 1 to 13 layer - 1 run, from 14 to 25 layer - 2 runs, from 26 to 37 layer - 3 runs, from 38 to 40 layer - 4 runs. The distances between adjacent turns in each layer are indicated in FIG. 2.

Распределительная камера 6 содержит крышку 12 с установленным в ней патрубком 2 для подачи одного из реагентов и две распределительные сетки 13, расположенные под углом 45° относительно друг друга. Сетки 13 выполнены из олеофильного материала (например, многие виды полимерных материалов), а смесительная камера 7 содержит один или более патрубков 3 для подачи второго реагента и вспомогательных веществ, отделяющие ее от соседних камер две решетки 14 (выполненные, например, из фторопласта-4), к которым присоединены трубки 11 (из ПВХ с внутренним диаметром 2,5 мм), а в боковой поверхности трубок 11 выполнены одно или несколько отверстий 15 диаметром, составляющим от 0,2 до 0,6 от внутреннего диаметра трубок (т.е. диаметром от 0,5 до 1,5 мм, через которые к рыбьему жиру, протекающему по трубкам, поступает метанол).The distribution chamber 6 comprises a cover 12 with a nozzle 2 installed therein for supplying one of the reagents and two distribution grids 13 located at an angle of 45 ° relative to each other. The nets 13 are made of oleophilic material (for example, many types of polymeric materials), and the mixing chamber 7 contains one or more nozzles 3 for supplying a second reagent and auxiliary substances, two lattices 14 separating it from neighboring chambers (made, for example, of fluoroplast-4 ) to which the tubes 11 are connected (made of PVC with an inner diameter of 2.5 mm), and one or more holes 15 with a diameter of 0.2 to 0.6 of the inner diameter of the tubes are made in the lateral surface of the tubes 11 (i.e. .with a diameter of 0.5 to 1.5 mm through which to ybemu grease flowing through the tubes, is supplied methanol).

В реакционной камере 8 установлен цилиндрический сердечник 16 (труба диаметром 50 мм с приварными заглушками на концах), на который намотаны трубки 11, а между слоями намотки проложены металлические пластины 17 (шириной около 1 мм).A cylindrical core 16 (a pipe with a diameter of 50 mm with welded plugs at the ends) is installed in the reaction chamber 8, on which the tubes 11 are wound, and metal plates 17 (about 1 mm wide) are laid between the winding layers.

Расчетные характеристики сепарационной камеры 9: расстояние между пластинами h=4 мм, ширина В=145 мм, количество пластин nпл=20, угол наклона пластин α=45°, расчетная длина пластин 304 мм.The calculated characteristics of the separation chamber 9: the distance between the plates h = 4 mm, the width B = 145 mm, the number of plates npl = 20, the angle of inclination of the plates α = 45 °, the estimated length of the plates is 304 mm.

При использовании для проведения той же реакции переэтерификации необходимое время пребывания в аппарате, изготовленном по изобретению-прототипу, составляет 7-10 мин, при этом из-за ограниченности длины монолитных блоков длиной 1 м приходится устанавливать несколько блоков последовательно, и, кроме того, применять рециркуляцию фаз по микроканалам монолита. Таким образом, аппарат-прототип по существу может работать только как реактор периодического действия с замкнутым контуром рециркуляции, что ограничивает его производительность. При использовании предлагаемого аппарата необходимое время пребывания составляет всего 1 минуту, кроме того, благодаря встроенной сепарационной камере 9 решен вопрос по разделению основного продукта - биодизеля и побочного. продукта - глицерина, и аппарат работает как реактор непрерывного действия.When used to carry out the same transesterification reaction, the required residence time in the apparatus made according to the invention of the prototype is 7-10 minutes, and due to the limited length of monolithic blocks 1 m long, several blocks have to be installed in series, and, in addition, apply phase recirculation through the microchannels of the monolith. Thus, the prototype apparatus essentially can only work as a batch reactor with a closed recirculation loop, which limits its performance. When using the proposed apparatus, the required residence time is only 1 minute, in addition, thanks to the integrated separation chamber 9, the issue of separation of the main product — biodiesel and by-product — has been resolved. the product is glycerol, and the apparatus works as a continuous reactor.

Полученный результат - повышение эффективности массообменных и реакционных процессов, а также полноты использования объема аппарата связан со следующими факторами:The result obtained is an increase in the efficiency of mass transfer and reaction processes, as well as the completeness of using the volume of the apparatus, due to the following factors:

1) улучшение условий массообмена по всем микроканалам, выполненным в виде трубок 11;1) improvement of mass transfer conditions for all microchannels made in the form of tubes 11;

2) за счет выполнения диспергатора в виде отверстий 15 в боковой стенке трубок 11 улучшается равномерность распределения дисперсной фазы по трубкам и условия процесса диспергирования капель, пузырей (для систем жидкость-газ);2) due to the implementation of the dispersant in the form of holes 15 in the side wall of the tubes 11, the uniformity of the distribution of the dispersed phase through the tubes and the conditions of the process of dispersing drops, bubbles (for liquid-gas systems) are improved;

3) за счет распределительных сеток 13 улучшается равномерность распределения сплошной фазы по трубкам, т.е. полней используется объем аппарата.3) due to the distribution grids 13, the uniformity of the distribution of the continuous phase through the tubes is improved, i.e. The volume of the device is fully used.

4) факторы, указанные в п. 2) и 3), совместно способствуют увеличению равномерности распределения размеров дисперсной среды - капель, пузырей - и находящихся между ними элементов сплошной среды - жидкостных снарядов, благодаря как оптимальному диспергированию фаз, так и благодаря их равномерному распределению по каналам;4) the factors specified in paragraphs 2) and 3) together contribute to increasing the uniformity of the size distribution of the dispersed medium — drops, bubbles — and the elements of the continuous medium between them — liquid shells — due to both the optimal dispersion of the phases and their uniform distribution through the channels;

5) за счет поддержания тейлоровского режима создаются условия для достижения заданного времени пребывания дисперсной среды в аппарате, что приводит к увеличению селективности реакции и выхода;5) by maintaining the Taylor regime, conditions are created to achieve a given residence time of the dispersed medium in the apparatus, which leads to an increase in the selectivity of the reaction and yield;

6) предлагаемое изобретение позволяет упростить технологию изготовления блока параллельных каналов сложной формы и технологии нанесения на поверхность каналов покровных слоев (активного катализатора, гидрофобных покрытий и т.п.), поскольку процесс обработки трубок и их последующей навивки значительно проще в реализации, чем нанесение покрытий в каналах монолитов. Этим достигается и повышение надежности аппарата, поскольку в предлагаемом аппарате вероятность функционирования всех микроканалов (трубок 11) приближается к 100%, за счет чего снижается риск перегрева реакционной массы в каналах, непроизводительные затраты ресурсов на изготовление каналов, не задействованных в массообменных процессах (у прототипа не более 40%).6) the present invention allows to simplify the manufacturing technology of the block of parallel channels of complex shape and the technology of applying coating layers to the surface of the channels (active catalyst, hydrophobic coatings, etc.), since the process of processing the tubes and their subsequent winding is much simpler to implement than coating in the channels of monoliths. This also improves the reliability of the apparatus, since in the proposed apparatus the probability of functioning of all microchannels (tubes 11) is close to 100%, thereby reducing the risk of overheating of the reaction mass in the channels, unproductive resources for the manufacture of channels not involved in mass transfer processes (in the prototype no more than 40%).

7) По предлагаемому изобретению длина трубок может достигать нескольких десятков метров (40 м в рассмотренном примере), что недостижимо в известных изобретениях; это позволяет увеличить время пребывания до нескольких минут без использования рециркуляции и получать продукты за один проход через аппарат.7) According to the invention, the length of the tubes can reach several tens of meters (40 m in the considered example), which is unattainable in the known inventions; this allows you to increase the residence time up to several minutes without the use of recirculation and to receive products in one pass through the apparatus.

Таким образом, предлагаемый многоканальный микрореактор позволяет повысить эффективность массообменных и реакционных процессов и полноту использования объема, а в конечном счете увеличить производительность аппарата в несколько раз.Thus, the proposed multichannel microreactor can increase the efficiency of mass transfer and reaction processes and the full use of volume, and ultimately increase the productivity of the apparatus several times.

Claims

1. A multi-channel microreactor comprising a housing, nozzles for supplying reagents and auxiliary substances, nozzles for removing products, the housing consists of series-connected distribution, mixing, reaction and separation chambers, the reaction chamber being a bundle of tubes installed in the housing, characterized in that the distribution chamber contains a cover with a nozzle installed in it for supplying one of the reagents and two distribution grids located at an angle of 45 ° relative to each other the other, and the mixing chamber contains one or more nozzles for supplying a second reagent and auxiliary substances, two gratings separating it from neighboring chambers, to which the tubes are attached, and in the side surface of the tubes one or more holes with a diameter of 0.2 to 0 are made , 6 from the inner diameter of the tubes.

2. The multi-channel microreactor according to claim 1, characterized in that a cylindrical core is installed in the reaction chamber, on which the tubes are wound, and metal plates are laid between the winding layers, the separation chamber being a thin-layer plate settler connected to the outlet pipe of the reaction chamber, the plates of which are made of a two-layer material, the upper layer has hydrophilic properties and the lower one has hydrophobic properties.