[go: up one dir, main page]

RU2842078C1 - Plant for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems - Google Patents

Plant for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems Download PDF

Info

Publication number
RU2842078C1
RU2842078C1 RU2024137985A RU2024137985A RU2842078C1 RU 2842078 C1 RU2842078 C1 RU 2842078C1 RU 2024137985 A RU2024137985 A RU 2024137985A RU 2024137985 A RU2024137985 A RU 2024137985A RU 2842078 C1 RU2842078 C1 RU 2842078C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid
phase
microchannels
cascade
phase separation
Prior art date
Application number
RU2024137985A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Руфат Шовкет оглы Абиев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (ФГБОУ ВО "СПбГТИ(ТУ)")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (ФГБОУ ВО "СПбГТИ(ТУ)") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (ФГБОУ ВО "СПбГТИ(ТУ)")
Application granted granted Critical
Publication of RU2842078C1 publication Critical patent/RU2842078C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to chemical, petrochemical, food, pharmaceutical and other industries, can be used for various technological processes in heterogeneous liquid-liquid, liquid-gas systems, such as absorption, gas-liquid reactions, inter-phase transfer, including with a chemical reaction, and is mainly intended for processes that require a long residence time (10 minutes or more, up to several hours), characteristic for synthesis of organic compounds, organometallic compounds and other products. Plant for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems comprises tanks with initial media, pumps, microchannels connected to pump discharge branch pipes. Plant represents a cascade of several stages, each of which includes three in-series connected units – a dispersion unit, a contact unit and a phase separation unit. Containers with initial media are connected to the first stage of the cascade. Dispersion unit includes pumps for supply of continuous and disperse phases, distributing chamber for introduction of disperse phase, distributing chamber for introduction of continuous phase and microdispersers installed in it. Phase contact unit comprises one or several microchannels connected in parallel with their inlets connected to microdisperser while microchannel outlets are connected via manifold to phase separation unit. Phase separation unit comprises separator, wherein microdispersers are equipped with nozzles while products are withdrawn from phase separation unit of cascade last stage.
EFFECT: invention ensures continuous synthesis of products which require a long residence time (from tens of minutes to several hours), increases efficiency of the apparatus, provides high uniformity of distribution of phases on the channels (if there is more than one channel) and on the length of the channels.
1 cl, 6 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической и другим отраслям промышленности, может быть использовано для проведения в гетерогенных системах жидкость-жидкость, жидкость-газ различных технологических процессов, таких как абсорбция, газожидкостные реакции, межфазный перенос, в том числе с химической реакцией, и преимущественно предназначено для проведения процессов, требующих длительного времени пребывания (10 минут и более, до нескольких часов), характерных для синтеза органических соединений, металлоорганических соединений и других продуктов.The invention relates to the chemical, petrochemical, food, pharmaceutical and other industries, can be used to carry out various technological processes in heterogeneous liquid-liquid, liquid-gas systems, such as absorption, gas-liquid reactions, interphase transfer, including with a chemical reaction, and is primarily intended for carrying out processes that require a long residence time (10 minutes or more, up to several hours), typical for the synthesis of organic compounds, organometallic compounds and other products.

Известно устройство для микрореакторного синтеза (устройство-прототип) (пат. РФ №2559369, МГЖ C07D 257/04 (2006.01), B01J 19/24 (2006.01)), содержащее корпус с патрубками для подачи реагентов и выходной патрубок для отвода продуктов, питающие насосы, нагнетательные патрубки которых присоединены к патрубкам для подачи реагентов, согласно изобретению, корпус микрореактора выполнен в виде цилиндрической трубки с гидравлическим диаметром от 10 до 2000 мкм, патрубок для подачи хлористого метилена выполнен соосно с корпусом, а патрубок для подачи 5-фенилтетразолов присоединен к корпусу сбоку под углом между их осями в диапазоне от 30° до 130° с возможностью непрерывного или дискретного изменения этого угла, а к выходному патрубку присоединены последовательно сепаратор жидких фаз и сепаратор газов и парообразных продуктов, причем нижний патрубок сепаратора жидких фаз подключен к всасывающему патрубку одного питающего насоса, а нижний патрубок сепаратора газов и парообразных продуктов подключен к всасывающему патрубку другого питающего насоса, верхний патрубок сепаратора жидких фаз подключен к нижней части сепаратора газов и парообразных продуктов, а верхний патрубок сепаратора газов и парообразных продуктов соединен с атмосферой, причем хлористый метилен с растворенным в нем йодистым метилом подают в осевой патрубок, а в боковой патрубок подают водный раствор едкого натра и 5-фенилтетразолов с расходами, обеспечивающими образование капель дисперсной фазы в снарядном (тейлоровском) режиме.A device for microreactor synthesis (prototype device) is known (RU Patent No. 2559369, MGZ C07D 257/04 (2006.01), B01J 19/24 (2006.01)), comprising a housing with nozzles for feeding reagents and an outlet nozzle for removing products, feed pumps, the discharge nozzles of which are connected to the nozzles for feeding reagents, according to the invention, the housing of the microreactor is made in the form of a cylindrical tube with a hydraulic diameter of 10 to 2000 μm, the nozzle for feeding methylene chloride is made coaxially with the housing, and the nozzle for feeding 5-phenyltetrazoles is connected to the housing from the side at an angle between their axes in the range from 30° to 130° with the possibility of continuously or discretely changing this angle, and a liquid phase separator and a separator of gases and vaporous products, wherein the lower branch pipe of the liquid phase separator is connected to the suction branch pipe of one feed pump, and the lower branch pipe of the gas and vaporous product separator is connected to the suction branch pipe of another feed pump, the upper branch pipe of the liquid phase separator is connected to the lower part of the gas and vaporous product separator, and the upper branch pipe of the gas and vaporous product separator is connected to the atmosphere, wherein methylene chloride with methyl iodide dissolved therein is fed into the axial branch pipe, and an aqueous solution of caustic soda and 5-phenyltetrazoles is fed into the side branch pipe at flow rates that ensure the formation of droplets of the dispersed phase in the slug (Taylor) mode.

Известное устройство позволяет исключить из схемы синтеза дорогостоящие катализаторы, энергозатратные высокоскоростные перемешивающие устройства и получить целевые продукты с высоким выходом (не менее 80-90%). Таким образом, снижаются затраты энергии и дополнительных реагентов (в том числе катализатора межфазного переноса) на проведение процесса.The known device allows to exclude expensive catalysts, energy-consuming high-speed mixing devices from the synthesis scheme and to obtain target products with a high yield (at least 80-90%). Thus, the energy and additional reagent costs (including the phase transfer catalyst) for the process are reduced.

Вместе с тем, известному устройству присущи следующие недостатки:However, the known device has the following disadvantages:

1) Используемой в известном устройстве длины микроканалов (типичные значения порядка 2 метров) недостаточно для обеспечения времени пребывания, оно существенно меньше продолжительности реакции, что не позволяет добиться приемлемых значений полезного эффекта, в том числе степени превращения (конверсии).1) The length of the microchannels used in the known device (typical values are about 2 meters) is insufficient to ensure the residence time; it is significantly less than the duration of the reaction, which does not allow achieving acceptable values of the useful effect, including the degree of conversion.

Однако при простом увеличении длины микроканала потери давления возрастают настолько, что существующими насосами невозможно обеспечить подачу двухфазной смеси через него с заданным расходом. Расход смеси при этом снижается настолько, что качество микросмешения становится неудовлетворительным, из-за снижения скорости и частоты циркуляции жидкости.However, with a simple increase in the length of the microchannel, the pressure losses increase so much that it is impossible to provide the supply of a two-phase mixture through it with a given flow rate using existing pumps. The flow rate of the mixture decreases so much that the quality of micro-mixing becomes unsatisfactory due to a decrease in the speed and frequency of liquid circulation.

2) В известном устройстве для увеличения длительности пребывания в аппарате осуществляют циркуляцию (рециркуляцию) потока, замыкая выход микроканала на вход патрубок насоса. Происходит многократная циркуляция через объем одиночного микроканала ограниченного количества обрабатываемой среды, обеспечивающая смешение по объему аппарата и заданное время пребывания, равное продолжительности процесса. Однако при этом резко снижается объемная производительность аппарата, поскольку она определяется небольшим объемом относительно короткого микроканала, разделенной на продолжительность процесса. Пропорциональным образом снижаются мольная и массовая производительности.2) In the known device, to increase the residence time in the apparatus, circulation (recirculation) of the flow is carried out by closing the outlet of the microchannel to the inlet of the pump branch pipe. Multiple circulation of a limited amount of the processed medium through the volume of a single microchannel occurs, ensuring mixing throughout the volume of the apparatus and a specified residence time equal to the duration of the process. However, in this case, the volumetric productivity of the apparatus is sharply reduced, since it is determined by the small volume of a relatively short microchannel divided by the duration of the process. The molar and mass productivity are reduced proportionally.

3) Попытки простого увеличения расхода в одном микроканале приводят к существенному возрастанию давления, т.е. кривая сети (включающая в основном потери в микроканале) в координатах Н=f(Q) (где Н- напор, Q - расход) становится существенно выше, и насосы не обеспечивают необходимого увеличения производительности.3) Attempts to simply increase the flow rate in one microchannel lead to a significant increase in pressure, i.e. the network curve (including mainly losses in the microchannel) in the coordinates H=f(Q) (where H is the pressure, Q is the flow rate) becomes significantly higher, and the pumps do not provide the necessary increase in productivity.

4) При попытке простого увеличения количества параллельных микроканалов существует проблема с равномерным распределением фаз как по каналам (при их количестве более одного) и по длине каналов. Неравномерность распределения фаз по каналам приводит к тому, что часть каналов не участвует в массообменных процессах, поскольку в них практически не поступает одна из двух фаз (обычно дисперсная).4) When attempting to simply increase the number of parallel microchannels, there is a problem with the uniform distribution of phases both by channels (if there is more than one) and by the length of the channels. The uneven distribution of phases by channels leads to the fact that some channels do not participate in mass-exchange processes, since one of the two phases (usually dispersed) practically does not enter them.

Неравномерность распределения фаз по длине каналов может быть обусловлена изменением объема капель или пузырей в ходе реакции, а также их коалесценцией или распадом по мере движения в микроканале; такая неравномерность приводит к изменению структуры течения, режима циркуляции в сплошной и дисперсной фазе, а значит - к ухудшению массообменных характеристик аппарата и установки в целом.The uneven distribution of phases along the length of the channels can be caused by a change in the volume of droplets or bubbles during the reaction, as well as their coalescence or disintegration as they move in the microchannel; such unevenness leads to a change in the flow structure, the circulation mode in the continuous and dispersed phase, and therefore to a deterioration in the mass transfer characteristics of the apparatus and the installation as a whole.

Задача предлагаемого изобретения - обеспечить непрерывное проведение синтеза продуктов, требующих продолжительного времени пребывания (от десятков минут до нескольких часов), повысить производительность установки, обеспечить высокую равномерность распределения фаз как по каналам (при их количестве более одного) и по длине каналов.The objective of the proposed invention is to ensure continuous synthesis of products requiring a long residence time (from tens of minutes to several hours), to increase the productivity of the installation, to ensure high uniformity of phase distribution both in channels (if there is more than one) and along the length of the channels.

Поставленная задача достигается тем, что в установке для микрореакторного синтеза в системах жидкость-газ и жидкость-жидкость, включающей емкости с исходными средами, насосы, микроканалы, присоединенные к выпускным патрубкам насосов, согласно изобретению, установка представляет собой каскад из нескольких ступеней, каждая из которых содержит три соединенных последовательно блока - блок диспергирования, блок контактирования и блок сепарации фаз, при этом емкости с исходными средами присоединены к первой ступени каскада, блок диспергирования включает насосы для подачи сплошной и дисперсной фаз, распределительную камеру для ввода дисперсной фазы, распределительную камеру для ввода сплошной фазы и установленные в ней микродиспергаторы, блок контактирования фаз содержит один или несколько микроканалов, включенных параллельно, входы каждого из которых присоединены к микродиспергатору, а выходы из микроканалов присоединены через коллектор к блоку сепарации фаз, блок сепарации фаз содержит сепарационное устройство, обеспечивающее разделение тяжелой и легкой фаз, при этом микродиспергаторы оснащены соплами, а отбор продуктов происходит из блока сепарации фаз последней ступени каскада.The stated task is achieved in that in the installation for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems, including tanks with initial media, pumps, microchannels connected to the outlet pipes of the pumps, according to the invention, the installation is a cascade of several stages, each of which contains three units connected in series - a dispersion unit, a contacting unit and a phase separation unit, wherein the tanks with the initial media are connected to the first stage of the cascade, the dispersion unit includes pumps for feeding the continuous and dispersed phases, a distribution chamber for introducing the dispersed phase, a distribution chamber for introducing the continuous phase and microdispersers installed therein, the phase contacting unit contains one or more microchannels connected in parallel, the inputs of each of which are connected to the microdisperser, and the outputs from the microchannels are connected through a manifold to the phase separation unit, the phase separation unit contains a separation device that ensures the separation of the heavy and light phases, wherein Microdispersers are equipped with nozzles, and the products are collected from the phase separation unit of the last stage of the cascade.

Определения терминов, используемых в данном описании:Definitions of terms used in this description:

микроканалы - каналы с гидравлическим диаметром от 10 мкм до 4-5 мм; поперечное сечение может быть круглым, прямоугольным, шестиугольным, треугольным, либо иметь иную форму;microchannels - channels with a hydraulic diameter from 10 µm to 4-5 mm; the cross-section can be round, rectangular, hexagonal, triangular, or have another shape;

распределительная камера - устройство для распределения фазы (сплошной или дисперсной) по микроканалам или по соплам;distribution chamber - a device for distributing a phase (continuous or dispersed) through microchannels or nozzles;

насос - устройство для подачи жидкости или газа, т.е. для передачи жидкости или газа механической энергии; таким образом, здесь под насосом подразумевается не только насосы для перекачивания жидкостей, но и компрессоры, газодувки.pump - a device for supplying liquid or gas, i.e. for transferring mechanical energy to liquid or gas; thus, here the term pump refers not only to pumps for pumping liquids, but also to compressors and gas blowers.

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

На фиг. 1 представлена блок-схема установки, на фиг. 2 - детальная схема основных узлов установки, с раскрытием информации о составе каждого блока установки. На фиг. 3 показаны варианты конструктивного исполнения микродиспергаторов и их взаимного расположения относительно распределительных камер и микроканалов: на фиг. 3а - с возможностью осевой регулировки сопел микродиспергаторов, на фиг. 3б - с фиксацией сопел микродиспергаторов в необходимом осевом положении. На фиг. 4-6 показаны варианты исполнения микродиспергаторов (в увеличенном масштабе представлен вид А, обозначенный на фиг. 3 штриховым прямоугольником). На фиг. 4 представлена схема микродиспергаторов, оснащенных соплами, с возможностью осевой регулировки их положения относительно зоны расширения в микроканалах, на фиг. 5 - схема микродиспергаторов, оснащенных соплами, с возможностью осевой регулировки их положения относительно устья микроканалов, на фиг. 6 -схема микродиспергаторов, оснащенных соплами с фиксированным осевым положением сопел: на фиг. 6а - в микроканалах без зоны расширения, на фиг. 6б - в микроканалах с зоной расширения.Fig. 1 shows a block diagram of the installation, Fig. 2 - a detailed diagram of the main units of the installation, with disclosure of information on the composition of each block of the installation. Fig. 3 shows the design options for the microdispersers and their relative positions relative to the distribution chambers and microchannels: in Fig. 3a - with the possibility of axial adjustment of the microdisperser nozzles, in Fig. 3b - with fixation of the microdisperser nozzles in the required axial position. Figs. 4-6 show design options for the microdispersers (view A, designated by a dashed rectangle in Fig. 3, is shown on an enlarged scale). Fig. 4 shows a diagram of the microdispersers equipped with nozzles with the possibility of axial adjustment of their position relative to the expansion zone in the microchannels, Fig. 5 - a diagram of the microdispersers equipped with nozzles with the possibility of axial adjustment of their position relative to the mouth of the microchannels, in Fig. 6 - diagram of microdispersers equipped with nozzles with a fixed axial position of the nozzles: in Fig. 6a - in microchannels without an expansion zone, in Fig. 6b - in microchannels with an expansion zone.

На фиг. 1 показаны ступени I, II, и т.д. каскада. Количество ступеней определяется расчетом, исходя из необходимого времени процесса.Fig. 1 shows stages I, II, etc. of the cascade. The number of stages is determined by calculation based on the required process time.

Емкости 1 и 2 с исходными средами подключены к первой (I) ступени каскада, включающей блок А диспергирования фаз, блок Б контактирования фаз и блок В сепарации фаз. На выходе из последней ступени отводятся легкая и тяжелая фазы, одна из которых содержит готовый продукт, как показано стрелками на фиг. 1.Tanks 1 and 2 with the initial media are connected to the first (I) stage of the cascade, which includes phase dispersion unit A, phase contact unit B and phase separation unit B. At the outlet of the last stage, the light and heavy phases are removed, one of which contains the finished product, as shown by the arrows in Fig. 1.

Каждая из ступеней (I, II, и т.д.) каскада содержит включающей блок А диспергирования, блок Б контактирования фаз и блок В сепарации фаз.Each of the stages (I, II, etc.) of the cascade contains a dispersion block A, a phase contacting block B, and a phase separation block B.

Блок А диспергирования фаз содержит насосы 3а и 3б, распределительную камеру 4а для ввода дисперсной фазы, распределительную камеру 4б для ввода сплошной фазы и установленные в ней микродиспергаторы.The phase dispersion unit A contains pumps 3a and 3b, a distribution chamber 4a for introducing the dispersed phase, a distribution chamber 4b for introducing the continuous phase and microdispersers installed in it.

Блок Б контактирования фаз содержит один или несколько микроканалов 5, включенных параллельно, входы каждого из которых присоединены к микродиспергатору, а выходы из микроканалов присоединены через коллектор 6 к блоку В сепарации фаз.The phase contacting block B contains one or more microchannels 5 connected in parallel, the inputs of each of which are connected to the microdisperser, and the outputs from the microchannels are connected through the collector 6 to the phase separation block B.

Блок В сепарации фаз содержит сепарационное устройство 7, обеспечивающее разделение тяжелой и легкой фаз. В верхней части устройства 7 формируется слой 8а легкой фазы, а в нижней части устройства 7 формируется слой 8б тяжелой фазы. Сепарационное устройство 7 может быть гравитационного типа (отстойник) либо инерционного типа (циклон, гидроциклон, центробежный сепаратор), а также иного типа (например, с использованием электрического поля).The phase separation unit B contains a separation device 7, which ensures the separation of the heavy and light phases. In the upper part of the device 7, a layer 8a of the light phase is formed, and in the lower part of the device 7, a layer 8b of the heavy phase is formed. The separation device 7 can be of the gravitational type (sedimentation tank) or of the inertial type (cyclone, hydrocyclone, centrifugal separator), as well as of another type (for example, using an electric field).

Для отвода или подвода тепла к микроканалам 5 блок Б контактирования фаз может быть оснащен теплообменной рубашкой 9 с патрубками 10 для ввода и отвода теплоносителя.To remove or supply heat to microchannels 5, phase contact block B can be equipped with a heat exchange jacket 9 with pipes 10 for input and output of the coolant.

Микродиспергаторы включают сопло 11, а их внешний контур сформирован либо стенкой микроканалов 5 (как показано на фиг. 5 и фиг. 6а), либо поверхностью зоны расширения 16 (как показано на фиг. 4 и фиг. 6б).Microdispersers include a nozzle 11, and their outer contour is formed either by the wall of microchannels 5 (as shown in Fig. 5 and Fig. 6a) or by the surface of the expansion zone 16 (as shown in Fig. 4 and Fig. 6b).

На фиг. 3а представлены микродиспергаторы, сопла 11 которых проходят насквозь через распределительные камеры 4а и 4б с возможностью изменения их осевого положения (как показано на фиг. 4 и 5), а на фиг. 3б показаны сопла 11, зафиксированные в необходимом осевом положении.Fig. 3a shows microdispersers, the nozzles 11 of which pass through the distribution chambers 4a and 4b with the possibility of changing their axial position (as shown in Figs. 4 and 5), and Fig. 3b shows nozzles 11 fixed in the required axial position.

На фиг. 4 представлена схема микродиспергаторов, оснащенных соплами, с возможностью осевой регулировки их положения относительно зоны расширения в микроканалах, как показано стрелкой, т.е. сопла 11, представленные на фиг. 3а, показаны в увеличенном масштабе. Один конец сопел 11 заглушен (слева на фиг. 3а и фиг. 4), а второй конец сопел 11 проходит через распределительные камеры 4а и 4б, и находится внутри устья микроканалов 5. На боковой поверхности сопел 11 выполнены отверстия 12, при этом сопла 11 устанавливают так, чтобы отверстия 12 оказались в распределительной камере 4а, куда вводится дисперсная фаза. Это обеспечивает поступление дисперсной фазы через отверстия 12 внутрь сопел 11. Для обеспечения возможности смещения сопел И относительно микроканалов 5 в камерах 4а и 4б установлены уплотнения 13 и 14. Трубная решетка 15, расположенная между распределительными камерами 4а и 4б, является границей справа для положения отверстий 12. Открытый конец сопел 11 располагается в зоне расширения 16 микроканалов, что обеспечивает расширение диапазона расходов фаз, обеспечивающих стабильный снарядный режим течения. На открытом конце сопел 11 (выходе из сопел 11) формируется пузырь или капля 17 дисперсной фазы, которая после отрыва переносится со сплошной фазой 18 со скоростью Ud.Fig. 4 shows a diagram of microdispersers equipped with nozzles with the possibility of axial adjustment of their position relative to the expansion zone in the microchannels, as shown by the arrow, i.e. nozzles 11 shown in Fig. 3a are shown on an enlarged scale. One end of nozzles 11 is plugged (on the left in Fig. 3a and Fig. 4), and the second end of nozzles 11 passes through distribution chambers 4a and 4b, and is located inside the mouth of microchannels 5. Openings 12 are made on the side surface of nozzles 11, and nozzles 11 are installed so that openings 12 are in distribution chamber 4a, where the dispersed phase is introduced. This ensures the flow of the dispersed phase through the openings 12 into the nozzles 11. To ensure the possibility of displacement of the nozzles I relative to the microchannels 5, seals 13 and 14 are installed in the chambers 4a and 4b. The tube grid 15, located between the distribution chambers 4a and 4b, is the boundary on the right for the position of the openings 12. The open end of the nozzles 11 is located in the expansion zone 16 of the microchannels, which ensures the expansion of the range of phase flows, ensuring a stable slug flow regime. At the open end of the nozzles 11 (the exit from the nozzles 11), a bubble or drop 17 of the dispersed phase is formed, which after separation is transferred with the continuous phase 18 at a velocity U d .

На фиг. 5 представлена схема микродиспергаторов, оснащенных соплами 11, с возможностью осевой регулировки их положения относительно устья микроканалов, как показано стрелкой. На фиг. 5 сопла 11 микродиспергаторов присоединены к трубной решетке 15, расположенной между распределительными камерами 4а и 4б (сопла 11, представленные на фиг. 3б, показаны в увеличенном масштабе). Отличие от микроканалов, представленных на фиг. 4, заключается лишь в отсутствии зоны расширения 16. Это несколько упрощает конструкцию микроканалов. Вместе с тем, зона расширения 16, показанная на фиг. 4, позволяет расширить диапазон расходов фаз, обеспечивающих стабильный снарядный режим течения в микроканалах.Fig. 5 shows a diagram of microdispersers equipped with nozzles 11, with the possibility of axial adjustment of their position relative to the mouth of the microchannels, as shown by the arrow. In Fig. 5, nozzles 11 of the microdispersers are connected to a tube sheet 15 located between distribution chambers 4a and 4b (nozzles 11 shown in Fig. 3b are shown on an enlarged scale). The difference from the microchannels shown in Fig. 4 consists only in the absence of an expansion zone 16. This somewhat simplifies the design of the microchannels. At the same time, expansion zone 16 shown in Fig. 4 makes it possible to expand the range of phase flows that ensure a stable slug flow regime in the microchannels.

На фиг. 6 представлена схема микродиспергаторов, оснащенных соплами с фиксированным осевым положением сопел: на фиг. 6а - в микроканалах без зоны расширения, на фиг. 6б - в микроканалах с зоной расширения. Сопла 11 присоединены к трубной решетке 15 (сваркой, пайкой, развальцовкой или их комбинацией, выполнением из единой заготовки). Такое исполнение сопел существенно упрощает процесс изготовления установки, но при этом исчезает возможность регулировки положения конца сопел 11 относительно зоны расширения 16 или устья микроканала 5.Fig. 6 shows a diagram of microdispersers equipped with nozzles with a fixed axial position of the nozzles: in Fig. 6a - in microchannels without an expansion zone, in Fig. 6b - in microchannels with an expansion zone. Nozzles 11 are attached to the tube sheet 15 (by welding, soldering, flaring or a combination thereof, made from a single blank). This design of nozzles significantly simplifies the process of manufacturing the installation, but in this case the possibility of adjusting the position of the end of nozzles 11 relative to expansion zone 16 or the mouth of microchannel 5 disappears.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Емкости 1 и 2 заполняют исходными средами (если одна из сред - газ, то в качестве емкости может использоваться баллон с газом), которые при помощи насосов 3а и 3б подают в распределительные камеры 4а и б для ввода дисперсной фазы и для ввода сплошной фазы соответственно. Дисперсная фаза распределяется по соплам 11 через отверстия 12 (для вариантов исполнения, показанных на фиг. 4 и 5) или через их открытые концы, присоединенные к трубной решетке 15 (для вариантов исполнения, показанных на фиг. 6а и 6б), выходя через открытый конец сопел 11 (справа на фиг. 4-6) в виде пузырей или капель 17. Таким образом фазы подаются в блок А диспергирования, в котором формируется двухфазная система, преимущественно в виде снарядных (т.е. вытянутых) капель или пузырей 18, движущихся в сплошной фазе. Далее из блока А диспергирования двухфазная система попадает в блок Б контактирования фаз, содержащий один или несколько микроканалов 5, включенных параллельно. При движении двухфазной системы в микроканалах 5 в сплошной и дисперсной фазах возникают тейлоровские вихри (Wegmann A., von Rohr P.R. Two phase liquid-liquid flows in pipes of small diameters // International Journal of Multiphase Flow, V. 32, 2006, pp.1017-1028; R.Sh.Abiev Mathematical model of two-phase Taylor flow hydrodynamics for four combinations of non-Newtonian and Newtonian fluids in microcharmels. Chem. Eng. Sci., 2022 (247) 116930, https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.l 16930), способствующие интенсификации перемешивания, повышению коэффициентов теплоотдачи и массоотдачи от стенок микроканалов в сплошную фазу, между сплошной и дисперсной фазами. По длине микроканалов давление снижается, достигая минимальных значений к зоне соединения микроканалов 5 с блоком В сепарации. Блок В сепарации фаз содержит сепарационное устройство 7. В верхней части устройства 7 формируется слой 8а легкой фазы, а в нижней части устройства 7 формируется слой 86 тяжелой фазы.Containers 1 and 2 are filled with the initial media (if one of the media is a gas, then a gas cylinder can be used as a container), which are fed by pumps 3a and 3b into distribution chambers 4a and b for introducing the dispersed phase and for introducing the continuous phase, respectively. The dispersed phase is distributed over nozzles 11 through openings 12 (for the embodiments shown in Figs. 4 and 5) or through their open ends connected to the tube sheet 15 (for the embodiments shown in Figs. 6a and 6b), exiting through the open end of nozzles 11 (on the right in Figs. 4-6) in the form of bubbles or drops 17. In this way, the phases are fed into dispersion unit A, in which a two-phase system is formed, primarily in the form of slug (i.e. elongated) drops or bubbles 18 moving in the continuous phase. Next, from the dispersion block A, the two-phase system enters the phase contact block B, which contains one or more microchannels 5, connected in parallel. When a two-phase system moves in microchannels 5, Taylor vortices arise in the continuous and dispersed phases (Wegmann A., von Rohr P.R. Two phase liquid-liquid flows in pipes of small diameters // International Journal of Multiphase Flow, V. 32, 2006, pp.1017-1028; R.Sh.Abiev Mathematical model of two-phase Taylor flow hydrodynamics for four combinations of non-Newtonian and Newtonian fluids in microcharmels. Chem. Eng. Sci., 2022 (247) 116930, https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.l 16930), contributing to the intensification of mixing, an increase in the heat transfer and mass transfer coefficients from the walls of the microchannels into the continuous phase, between the continuous and dispersed phases. Along the length of the microchannels, the pressure decreases, reaching minimum values in the zone of connection of the microchannels 5 with the separation unit B. The phase separation unit B contains a separation device 7. In the upper part of the device 7, a layer 8a of the light phase is formed, and in the lower part of the device 7, a layer 86 of the heavy phase is formed.

Из сепарационного устройства 7 легкая фаза (например, дисперсная) отводится насосом 3а второй (II) ступени каскада, а тяжелая фаза (например, сплошная) отводится насосом 3б второй (II) ступени каскада и подается в блок Б контактирования второй ступени каскада, а далее в блок В сепарации фаз, т.е. процесс, описанный выше для первой ступени, повторяется для второй и последующих ступеней каскада.From the separation device 7, the light phase (for example, dispersed) is removed by pump 3a of the second (II) stage of the cascade, and the heavy phase (for example, continuous) is removed by pump 3b of the second (II) stage of the cascade and fed to the contacting block B of the second stage of the cascade, and then to the phase separation block B, i.e. the process described above for the first stage is repeated for the second and subsequent stages of the cascade.

При необходимости (с учетом расходования одного или нескольких реагентов в предыдущих ступенях) на линии всасывания насосов 3а и 3б второй и последующей ступеней могут подаваться «свежие» исходные среды, как показано стрелками на фиг. 2.If necessary (taking into account the consumption of one or more reagents in the previous stages), “fresh” initial media can be supplied to the suction lines of pumps 3a and 3b of the second and subsequent stages, as shown by the arrows in Fig. 2.

Насосы 3а и 3б каждой ступени служат для восстановления давления на входе в распределительные камеры 4а и 4б, а далее в микроканалы 5, необходимого для преодоления гидравлического сопротивления микроканалов 5 с двухфазной системой при заданном расходе через микроканалы каждой ступени. Благодаря этому достигается течение двухфазной системы по неограниченному количеству последовательных ступеней с необходимым расходом, что и позволяет обеспечить необходимое время пребывания фаз в устройстве.Pumps 3a and 3b of each stage serve to restore the pressure at the inlet to distribution chambers 4a and 4b, and then to microchannels 5, necessary to overcome the hydraulic resistance of microchannels 5 with a two-phase system at a given flow rate through the microchannels of each stage. Due to this, a flow of a two-phase system is achieved through an unlimited number of successive stages with the required flow rate, which allows for the required residence time of the phases in the device.

Из блока Б сепарации фаз последней ступени каскада, т.е. из сепарационного устройства 7 последней ступени производят отбор конечных продуктов процесса, проводимого в устройстве.From the phase separation block B of the last stage of the cascade, i.e. from the separation device 7 of the last stage, the final products of the process carried out in the device are selected.

При необходимости из сепарационных устройств 7 могут частично отводиться промежуточные продукты, но отведенное количество должно восполняться (полностью или частично, в зависимости от требований к процессу) вводом «свежих» порций исходных сред, как показано стрелками на фиг. 2, для обеспечения производительности установки по готовому продукту.If necessary, intermediate products can be partially removed from the separation devices 7, but the removed amount must be replenished (completely or partially, depending on the process requirements) by introducing “fresh” portions of the initial media, as shown by the arrows in Fig. 2, to ensure the plant’s productivity for the finished product.

Преимущественным режимом течения двухфазной среды в микроканалах является снарядный режим (Бауэр Т. Интенсификация гетерогенно-каталических 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 microcharmels / M.T. Kreutzer, F. Kapteijn, J.A. Moulijn, J.J. Heiszwolf // Chemical Engineering Science. - 2005. - V. 60 - P. 5895-5916), однако устройство может работать при реализации пленочного (кольцевого) или пузырькового режимов, а также иных режимов течения (снарядно-пузырькового, эмульсионно-кольцевого).The preferred flow regime of a two-phase medium in microchannels is the slug regime (Bauer T. Intensification of heterogeneous catalytic gas-liquid reactions in reactors with a multichannel monolithic catalyst / T. Bauer, M. Schubert, R. Lange, R.Sh. Abiev // Zhurn. Prikl. Chem., 2006, Vol. 79, No. 7, pp. 1057-1066; Kreutzer, M.T. Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microcharmels / M.T. Kreutzer, F. Kapteijn, J.A. Moulijn, J.J. Heiszwolf // Chemical Engineering Science. - 2005. - Vol. 60 - pp. 5895-5916), however, the device can operate with the implementation of film (annular) or bubble regimes, as well as other flow regimes (projectile-bubble, emulsion-ring).

Базовый вариант иллюстрируется следующим примером (пример 1)The basic version is illustrated by the following example (example 1)

ПРИМЕР 1. Проведение реакции алкилирования в известном устройстве - в емкостном реакторе с высокоскоростным диспергатором и с катализатором межфазного переноса в системе водный раствор реагентов - хлористый метилен.EXAMPLE 1. Carrying out an alkylation reaction in a known device - in a capacitive reactor with a high-speed disperser and with a phase transfer catalyst in the system of an aqueous solution of reagents - methylene chloride.

В способе получения N-метил-5-фенилтетразолов, заключающемся в алкилировании 5-фенилтетразола алкилйодидом в двухфазной системе хлористый метилен - водный раствор гидроокиси натрия при комнатной температуре, процесс проводят в микрореакторе без применения катализаторов межфазного переноса и механических перемешивающих устройств. Данный процесс рассматривается во всех примерах, излагаемых ниже, для удобства сравнения преимуществ и недостатков различных типов устройств.In the method for producing N-methyl-5-phenyltetrazoles, which consists of alkylating 5-phenyltetrazole with alkyl iodide in a two-phase system of methylene chloride - aqueous sodium hydroxide solution at room temperature, the process is carried out in a microreactor without the use of phase transfer catalysts and mechanical mixing devices. This process is considered in all examples presented below for the convenience of comparing the advantages and disadvantages of various types of devices.

Алкилирование 5-фенилтетразола йодистым метилом проводили в стеклянном реакторе объемом 50 мл с рубашкой, снабженным обратным холодильником и термометром. Температура в реакторе поддерживалась с помощью водного термостата и составляла 24°С.Alkylation of 5-phenyltetrazole with methyl iodide was carried out in a 50 ml glass reactor with a jacket, equipped with a reflux condenser and a thermometer. The temperature in the reactor was maintained at 24°C using a water thermostat.

В реактор, предварительно прогретый до температуры эксперимента, последовательно дозировали раствор 5-фенилтетразола в NaOH (водн.) (0,140 моль л-1) и раствор йодистого метила в хлористом метилене (0,154 моль л-1). В реакционную смесь для интенсификации процесса был добавлен катализатор межфазного переноса - тетрабутиламмоний бромистый. Реакционную массу выдерживали при интенсивном перемешивании в течение 4 часов. Интенсивное перемешивание реакционной массы осуществляли с помощью диспергатора IKA ULTRA-TURRAX Package Т18.A solution of 5-phenyltetrazole in NaOH (aq.) (0.140 mol l -1 ) and a solution of methyl iodide in methylene chloride (0.154 mol l -1 ) were successively dosed into the reactor, preheated to the experimental temperature. A phase transfer catalyst, tetrabutylammonium bromide, was added to the reaction mixture to intensify the process. The reaction mass was maintained under vigorous stirring for 4 hours. Vigorous stirring of the reaction mass was performed using an IKA ULTRA-TURRAX Package T18 disperser.

Для проведения качественного анализа продуктов реакции был выбран метод хромато-масс-спектрометрии, как один из современных и высокоточных физико-химических методов. Масс-спектры были записаны для проб реакционной массы, отобранных через определенные промежутки времени. Об образовании продуктов алкилирования в ходе катализируемого процесса свидетельствуют сигналы 161 m/z в масс-спектрах, которые соответствуют молекулярным ионам 1-метил- и 2-метил-5-фенилтетразола.To perform a qualitative analysis of the reaction products, the chromatograph mass spectrometry method was chosen as one of the modern and highly accurate physicochemical methods. Mass spectra were recorded for samples of the reaction mass, taken at certain intervals. The formation of alkylation products during the catalyzed process is evidenced by signals at 161 m/z in the mass spectra, which correspond to the molecular ions of 1-methyl- and 2-methyl-5-phenyltetrazole.

Контроль за ходом реакции осуществляли методом ВЭЖХ (использовался жидкостной хроматограф с УФ-детектором Shimadzu LC10-AVP, хроматографическая колонка Waters С-18 (4.6 × 250 mm, 5 μм)). Для количественной оценки содержания индивидуальных изомеров N-алкил-5-фенилтетразолов были построены градуировочные зависимости S(C) для каждого изомера в диапазоне (0-1,7) -103 моль л-1.The reaction progress was monitored by HPLC (a Shimadzu LC10-AVP liquid chromatograph with a UV detector and a Waters C-18 chromatographic column (4.6 × 250 mm, 5 μm) were used). For quantitative assessment of the content of individual isomers of N-alkyl-5-phenyltetrazoles, calibration curves S(C) were constructed for each isomer in the range (0-1.7) -10 3 mol l -1 .

В результате эксперимента были получены зависимости концентраций продуктов алкилирования от времени реакции, которые однозначно свидетельствуют об успешном протекании процесса в данных условиях: за 12000 с (3,33 часа) в известном устройстве концентрация 1-метил-5-фенилтетразола достигла 0,01 моль/л, а концентрация 2-метил-5-фенилтетразола (целевой продукт) за то же время составила 0,02 моль/л.As a result of the experiment, dependences of the concentrations of alkylation products on the reaction time were obtained, which clearly indicate the successful course of the process under these conditions: in 12000 s (3.33 hours) in the known device, the concentration of 1-methyl-5-phenyltetrazole reached 0.01 mol/l, and the concentration of 2-methyl-5-phenyltetrazole (target product) in the same time was 0.02 mol/l.

Таким образом, производительность известного реактора по целевому продукту составила 3⋅10-4 моль/ч.Thus, the productivity of the known reactor for the target product was 3⋅10 -4 mol/h.

Вариант по устройству-прототипу иллюстрируется следующим примером (пример 2)The prototype device variant is illustrated by the following example (example 2)

ПРИМЕР 2. Проведение реакции алкилирования в устройстве-прототипе в системе водный раствор реагентов - хлористый метилен.EXAMPLE 2. Carrying out an alkylation reaction in a prototype device in the system of an aqueous solution of reagents - methylene chloride.

Алкилирование 5-фенилтетразола йодистым метилом проводили в стеклянном микрореакторе (d=1,5 мм, L=2 м) при 24°С. В реактор через миксер поступал раствор 5-фенилтетразола в NaOH (водн.) (0,140 моль л-1) и раствор йодистого метила в хлористом метилене (0,154 моль л-1). В системе поддерживался снарядный (тейлоровский) режим течения двухфазной реакционной системы. Микрореактор работал в режиме рециркуляции реагентов, т.е. не в проточном режиме, а по существу - в периодическом.Alkylation of 5-phenyltetrazole with methyl iodide was carried out in a glass microreactor (d=1.5 mm, L=2 m) at 24°C. A solution of 5-phenyltetrazole in NaOH (aq.) (0.140 mol l -1 ) and a solution of methyl iodide in methylene chloride (0.154 mol l -1 ) were fed into the reactor through a mixer. The system maintained a slug (Taylor) flow regime of a two-phase reaction system. The microreactor operated in the reagent recirculation mode, i.e. not in a flow regime, but essentially in a periodic regime.

По данным ВЭЖХ установлено, что при организации данного режима течения жидкости в микроканале происходит образование соответствующих продуктов алкилирования 5-фенилтетразола. Показано, что за 1,5 ч. в данных условиях произошла практически полная конверсия субстрата до соответствующих алкилпроизводных, а именно за 12000 с (3,33 часа) в устройстве-прототипе концентрация 1-метил-5-фенилтетразола достигла 0,04 моль/л, а концентрация 2-метил-5-фенилтетразола (целевой продукт) за то же время составила 0,13 моль/л.According to HPLC data, it was established that when organizing this mode of liquid flow in a microchannel, the corresponding alkylation products of 5-phenyltetrazole are formed. It was shown that in 1.5 hours under these conditions, almost complete conversion of the substrate to the corresponding alkyl derivatives occurred, namely, in 12,000 s (3.33 hours) in the prototype device, the concentration of 1-methyl-5-phenyltetrazole reached 0.04 mol/l, and the concentration of 2-methyl-5-phenyltetrazole (target product) for the same time was 0.13 mol/l.

Таким образом, накопление продуктов алкилирования в условиях тейлоровского режима в микрореакторе происходит примерно в 10 раз быстрее, чем при использовании катализатора межфазного переноса в «традиционном» емкостном аппарате.Thus, the accumulation of alkylation products under Taylor mode conditions in a microreactor occurs approximately 10 times faster than when using a phase transfer catalyst in a “traditional” tank apparatus.

Объем устройства-прототипа составляет 3,53 мл, а с учетом времени пребывания в микрореакторе по изобретению-прототипу, производительность устройства-прототипа по целевому продукту составила 1,38⋅10-4 моль/ч, т.е. оказалась ниже, чем в аппарате с существенно менее интенсивным перемешиванием и массообменом, описанном в примере 1.The volume of the prototype device is 3.53 ml, and taking into account the residence time in the microreactor according to the prototype invention, the productivity of the prototype device for the target product was 1.38⋅10 -4 mol/h, i.e. it turned out to be lower than in the apparatus with significantly less intensive mixing and mass exchange described in Example 1.

За время пребывания в устройстве-прототипе (50 минут) достигается концентрация 2-метил-5-фенилтетразола 0,1 моль/л, близкая к практически полной конверсии субстрата до соответствующих алкилпроизводных. С учетом данного факта условная производительность устройства-прототипа составляет 4,24⋅10-4 моль/ч.During the time spent in the prototype device (50 minutes), a concentration of 2-methyl-5-phenyltetrazole of 0.1 mol/l is achieved, close to the almost complete conversion of the substrate to the corresponding alkyl derivatives. Taking this fact into account, the nominal productivity of the prototype device is 4.24⋅10 -4 mol/h.

Средняя скорость двухфазного потока в микроканале при этом составляла Utp=0,108 м/с.The average velocity of the two-phase flow in the microchannel was Utp=0.108 m/s.

Предлагаемый вариант иллюстрируется следующими примерами (примеры 3 и 4)The proposed option is illustrated by the following examples (examples 3 and 4)

ПРИМЕР 3. Проведение реакции алкилирования в предлагаемом устройстве в системе водный раствор реагентов - хлористый метилен.EXAMPLE 3. Carrying out an alkylation reaction in the proposed device in the system of an aqueous solution of reagents - methylene chloride.

Процесс, описанный в примере 2, был осуществлен в устройстве по предлагаемому изобретению, при этом в качестве целевого значения концентрации продукта (2-метил-5-фенилтетразола) на выходе из устройства принято значение С1=0,1 моль/л, т.е. когда необходимо время пребывания 50 минут.The process described in Example 2 was carried out in the device according to the proposed invention, with the target value of the product concentration (2-methyl-5-phenyltetrazole) at the outlet of the device being C 1 = 0.1 mol/l, i.e. when a residence time of 50 minutes is required.

В каждой ступени было использовано 12 параллельных микроканалов с внутренним диаметром 1,5 мм и внешним диаметром 2,5 мм. При подаче сплошной и дисперсной фаз в устройство насосами в микроканалах формируются вытянутые капли дисперсной фазы, т.е. течение происходит в снарядном (тейлоровском) режиме.Each stage used 12 parallel microchannels with an internal diameter of 1.5 mm and an external diameter of 2.5 mm. When the continuous and dispersed phases are fed into the device by pumps, elongated drops of the dispersed phase are formed in the microchannels, i.e. the flow occurs in the slug (Taylor) mode.

Расчеты по методике, изложенной в ряде работ (R. Abiev, Analysis of Segmented Flow in MicroChannel Reactors. In: Yeoh, G.H., Joshi, J.B. (eds) Handbook of Multiphase Flow Science and Technology. Springer, Singapore. 2023. pp 1-58. https://doi.org/10.1007/978-981-4585-86-6_30-l; Print ISBN 978-981-4585-86-6; Online ISBN 978-981-4585-86-6), показали, что градиент давления в рассматриваемых микроканалах составляет (Δр/Δх)=1,54 кПа/м.Calculations using the methodology described in a number of works (R. Abiev, Analysis of Segmented Flow in MicroChannel Reactors. In: Yeoh, G.H., Joshi, J.B. (eds) Handbook of Multiphase Flow Science and Technology. Springer, Singapore. 2023. pp 1-58. https://doi.org/10.1007/978-981-4585-86-6_30-l; Print ISBN 978-981-4585-86-6; Online ISBN 978-981-4585-86-6) showed that the pressure gradient in the microchannels under consideration is (Δp/Δx)=1.54 kPa/m.

Для подачи сред использованы шестеренные насосы с номинальным давлением до Δрн=3 бар=300 кПа и производительностью до 1,5 л/мин.Gear pumps with a nominal pressure of up to Δр n = 3 bar = 300 kPa and a capacity of up to 1.5 l/min are used to supply the media.

Один такой насос способен обеспечить работу микроканалов длиной L=Δрн/(Δр/Δх)=300/1,54=194,5 м.One such pump is capable of providing operation of microchannels with a length of L = Δр n / (Δр/Δх) = 300/1.54 = 194.5 m.

Для времени пребывания T1=50 минут необходимая общая длина микроканалов во всех ступенях равна Ltot=T1⋅Utp=50⋅60⋅0,108=325,4 м.For a residence time of T 1 = 50 minutes, the required total length of microchannels in all stages is equal to L tot = T 1 ⋅ Utp = 50 ⋅ 60 ⋅ 0.108 = 325.4 m.

Количество ступеней в каскаде равно Nst=Ltot/L=325,4/194,5=1,673.The number of stages in the cascade is Nst=L tot /L=325.4/194.5=1.673.

Таким образом, для рассматриваемого случая достаточно двух ступеней в каскаде. Если в каждой из ступеней использовано Nch=12 параллельных микроканалов с внутренним диаметром d=1,5 мм, то объемная производительность установки составитThus, for the case under consideration, two stages in the cascade are sufficient. If Nch=12 parallel microchannels with an internal diameter of d=1.5 mm are used in each stage, then the volumetric productivity of the installation will be

Q1=Nch-7⋅πd2/4⋅Utp=12⋅π(0,0015)2/4⋅0,108=138 мл/мин.Q 1 = Nch-7⋅πd 2 /4⋅Utp=12⋅π(0.0015) 2 /4⋅0.108=138 ml/min.

Мольная производительность установки по предлагаемому изобретению для рассматриваемых условий составитThe molar productivity of the installation according to the proposed invention for the conditions under consideration will be

QM1=Q1-C1=138 мл/мин⋅0,1 моль/л=2,30⋅10-4 моль/с=0,828 моль/ч,QM 1 = Q 1 - C 1 = 138 ml/min⋅0.1 mol/l = 2.30⋅10 -4 mol/s = 0.828 mol/h,

что в 1952 раз превышает производительность устройства-прототипа при заданных условиях (4,24-10-4 моль/ч).which is 1952 times higher than the performance of the prototype device under the given conditions (4.24 x 10 -4 mol/h).

Имеющиеся насосы способны обеспечить производительность до 1,5 л/мин, откуда легко найти предельное количество параллельных микроканалов в каждой ступени, равное 130, что позволяет при необходимости увеличить производительность установки еще в 10,87 раза.The existing pumps are capable of providing a capacity of up to 1.5 l/min, from which it is easy to find the maximum number of parallel microchannels in each stage, equal to 130, which allows, if necessary, to increase the productivity of the installation by another 10.87 times.

ПРИМЕР 4. Проведение реакции алкилирования в предлагаемом устройстве в системе водный раствор реагентов - хлористый метилен (с увеличенной конверсией).EXAMPLE 4. Carrying out an alkylation reaction in the proposed device in the system of an aqueous solution of reagents - methylene chloride (with increased conversion).

Процесс, описанный в примере 2, был осуществлен в устройстве по предлагаемому изобретению, при этом в качестве целевого значения концентрации продукта (2-метил-5-фенилтетразола) на выходе из устройства принято значение С2=0,13 моль/л, для достижения которого необходимо время пребывания 12000 с (3,33 часа или 200 минут).The process described in Example 2 was carried out in the device according to the proposed invention, with the target value of the product concentration (2-methyl-5-phenyltetrazole) at the outlet of the device being C2 = 0.13 mol/l, to achieve which a residence time of 12,000 s (3.33 hours or 200 minutes) was required.

В каждой ступени было использовано 24 параллельных микроканала с внутренним диаметром d=1,5 мм и внешним диаметром d2=2,5 мм.In each stage, 24 parallel microchannels with an inner diameter of d = 1.5 mm and an outer diameter of d 2 = 2.5 mm were used.

Для подачи сред использованы шестеренные насосы с номинальным давлением до 7 бар=700 кПа и производительностью до 1,5 л/мин.Gear pumps with a nominal pressure of up to 7 bar = 700 kPa and a capacity of up to 1.5 l/min are used to supply the media.

Один такой насос способен работать на микроканал длиной L=700/1,54=453,8 м.One such pump is capable of operating a microchannel with a length of L=700/1.54=453.8 m.

Как и в примере 3, градиент давления в рассматриваемых микроканалах составляет (Δр/Δх)=1,54 кПа/м.As in example 3, the pressure gradient in the microchannels under consideration is (Δр/Δх)=1.54 kPa/m.

Для времени пребывания Т2=200 минут необходимая общая длина микроканалов во всех ступенях равна Ltot=T2⋅Utp=200⋅60⋅0,108=1302 м.For a residence time of T 2 = 200 minutes, the required total length of microchannels in all stages is equal to L tot = T 2 ⋅ Utp = 200 ⋅ 60 ⋅ 0.108 = 1302 m.

Количество ступеней в каскаде равно Nst=Ltot/L=1302/453,8=2,868.The number of stages in the cascade is Nst=L tot /L=1302/453.8=2.868.

Для рассматриваемого случая достаточно трех ступеней в каскаде. Если в каждой из ступеней использовано Nch=12 параллельных микроканалов с внутренним диаметром d=1,5 мм, то объемная производительность установки составитFor the case under consideration, three stages in the cascade are sufficient. If Nch=12 parallel microchannels with an internal diameter of d=1.5 mm are used in each stage, then the volumetric productivity of the installation will be

Q2=Nch⋅πd2/4⋅Utp=24⋅π(0,0015)2/4⋅0,108=276 мл/мин.Q 2 =Nch⋅πd 2 /4⋅Utp=24⋅π(0.0015) 2 /4⋅0.108=276 ml/min.

Мольная производительность установки по предлагаемому изобретению для рассматриваемых условий составитThe molar productivity of the installation according to the proposed invention for the conditions under consideration will be

QM2=Q2⋅C2=276 мл/мин-0,13 моль/л=4,60⋅10-4 моль/с=1,656 моль/ч,QM 2 = Q 2 ⋅ C 2 = 276 ml/min - 0.13 mol/l = 4.60⋅10 -4 mol/s = 1.656 mol/h,

что в 12010 раз превышает производительность устройства-прототипа при заданных условиях (1,3⋅10-4 моль/ч).which is 12010 times higher than the performance of the prototype device under the given conditions (1.3⋅10 -4 mol/h).

Микроканалы в примерах 3 и 4 были навиты в виде винтовой спирали на несущий цилиндр диаметром 200 м.The microchannels in examples 3 and 4 were wound in the form of a helical spiral on a supporting cylinder with a diameter of 200 m.

В примере 4 количество витков каждой ступени Nvit=L/(πD)=453,8/(π0,2)=722. Высота одного микроканала, навитого на несущий цилиндр, составляет Н=Nvit d2=722 0,0025=1,805 м. Для устройства, описанного в примере 3, размеры еще компактней. Таким образом, вся установка имеет довольно компактные размеры.In example 4, the number of turns of each stage Nvit=L/(πD)=453.8/(π0.2)=722. The height of one microchannel wound on the supporting cylinder is H=Nvit d 2 =722 0.0025=1.805 m. For the device described in example 3, the dimensions are even more compact. Thus, the entire installation has fairly compact dimensions.

Как показано в представленных примерах, предлагаемое устройство позволяет обеспечить непрерывное проведение синтеза продуктов, требующих продолжительного времени пребывания (до нескольких часов), при этом достигается полная (пример 4) или почти полная конверсия (пример 3), при этом производительность установки повышается на 3-4 порядка по сравнению с устройством-прототипом (более чем в 1900 раз в примере 3 и в более чем в 12000 раз в примере 4).As shown in the presented examples, the proposed device allows for continuous synthesis of products requiring a long residence time (up to several hours), while achieving complete (example 4) or almost complete conversion (example 3), while the productivity of the installation increases by 3-4 orders of magnitude compared to the prototype device (more than 1900 times in example 3 and more than 12000 times in example 4).

Благодаря наличию микродиспергаторов с соплами, обладающими достаточным гидравлическим сопротивлением, а также благодаря значительной протяженности микроканалов в предлагаемом изобретении (см. примеры 3 и 4), также обладающих гидравлическим сопротивлением порядка 3-7 бар, обе фазы - сплошная и дисперсная - равномерно распределяются по всем микроканалам 5, т.е. исключается проскок сред по одному или нескольким каналам.Due to the presence of microdispersers with nozzles that have sufficient hydraulic resistance, as well as due to the significant length of the microchannels in the proposed invention (see examples 3 and 4), also having a hydraulic resistance of about 3-7 bar, both phases - continuous and dispersed - are evenly distributed across all microchannels 5, i.e. the leakage of media through one or more channels is excluded.

В ходе процесса могут меняться длины капель или пузырей дисперсной фазы, но за счет выполнения каждой из ступеней в виде трех блоков при редиспергировании фаз в блоках диспергирования каждой из ступеней размеры капель или пузырей восстанавливается до первоначального. За счет этого достигается достаточно высокая равномерность распределения фаз по длине каналов по установке в целом, по крайней мере, по сравнению с выполнением микроканала с общей длиной, равной сумме длин микроканалов на всех ступенях.During the process, the lengths of the droplets or bubbles of the dispersed phase may change, but due to the implementation of each of the stages in the form of three blocks during the redispersion of the phases in the dispersion blocks of each of the stages, the sizes of the droplets or bubbles are restored to the original. Due to this, a sufficiently high uniformity of the phase distribution along the length of the channels in the installation as a whole is achieved, at least in comparison with the implementation of a microchannel with a total length equal to the sum of the lengths of the microchannels at all stages.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет обеспечить непрерывное проведение синтеза продуктов, требующих продолжительного времени пребывания (от десятков минут до нескольких часов), повысить производительность установки, обеспечить высокую равномерность распределения фаз как по каналам (при их количестве более одного) и по длине каналов.Thus, the use of the proposed device allows for continuous synthesis of products requiring a long residence time (from tens of minutes to several hours), increases the productivity of the installation, and ensures high uniformity of phase distribution both in channels (if there is more than one) and along the length of the channels.

Claims (1)

Установка для микрореакторного синтеза в системах жидкость-газ и жидкость-жидкость, включающая емкости с исходными средами, насосы, микроканалы, присоединенные к выпускным патрубкам насосов, отличающаяся тем, что установка представляет собой каскад из нескольких ступеней, каждая из которых содержит три соединенных последовательно блока - блок диспергирования, блок контактирования и блок сепарации фаз, при этом емкости с исходными средами присоединены к первой ступени каскада, блок диспергирования включает насосы для подачи сплошной и дисперсной фаз, распределительную камеру для ввода дисперсной фазы, распределительную камеру для ввода сплошной фазы и установленные в ней микродиспергаторы, блок контактирования фаз содержит один или несколько микроканалов, включенных параллельно, входы каждого из которых присоединены к микродиспергатору, а выходы из микроканалов присоединены через коллектор к блоку сепарации фаз, блок сепарации фаз содержит сепарационное устройство, обеспечивающее разделение тяжелой и легкой фаз, при этом микродиспергаторы оснащены соплами, а отбор продуктов происходит из блока сепарации фаз последней ступени каскада.An installation for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems, including tanks with initial media, pumps, microchannels connected to the outlet pipes of the pumps, characterized in that the installation is a cascade of several stages, each of which contains three units connected in series - a dispersion unit, a contacting unit and a phase separation unit, wherein the tanks with the initial media are connected to the first stage of the cascade, the dispersion unit includes pumps for feeding the continuous and dispersed phases, a distribution chamber for introducing the dispersed phase, a distribution chamber for introducing the continuous phase and microdispersers installed therein, the phase contacting unit contains one or more microchannels connected in parallel, the inputs of each of which are connected to the microdisperser, and the outputs from the microchannels are connected through a manifold to the phase separation unit, the phase separation unit contains a separation device that ensures the separation of the heavy and light phases, wherein the microdispersers are equipped nozzles, and the products are collected from the phase separation unit of the last stage of the cascade.
RU2024137985A 2024-12-16 Plant for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems RU2842078C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2842078C1 true RU2842078C1 (en) 2025-06-19

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2060762C1 (en) * 1993-09-29 1996-05-27 Руфат Шовкет оглы Абиев Apparatus for providing liquid-gas interaction
US20030015596A1 (en) * 2001-06-05 2003-01-23 Evans Richard O. Mixing fluid streams
RU2559369C1 (en) * 2014-04-29 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Method of producing n-substituted-5-phenyltetrazoles and microreactor therefor
RU2736287C1 (en) * 2019-11-01 2020-11-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Microreactor with swirled reagent solution streams
RU2746392C1 (en) * 2020-10-06 2021-04-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Microreactor-mixer with counter swirling flows
RU2813892C1 (en) * 2023-06-26 2024-02-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method of controlling disperse flows of immiscible liquids in microchannel device to create droplets of micron and submicron size

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2060762C1 (en) * 1993-09-29 1996-05-27 Руфат Шовкет оглы Абиев Apparatus for providing liquid-gas interaction
US20030015596A1 (en) * 2001-06-05 2003-01-23 Evans Richard O. Mixing fluid streams
RU2559369C1 (en) * 2014-04-29 2015-08-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Method of producing n-substituted-5-phenyltetrazoles and microreactor therefor
RU2736287C1 (en) * 2019-11-01 2020-11-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Microreactor with swirled reagent solution streams
RU2746392C1 (en) * 2020-10-06 2021-04-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) Microreactor-mixer with counter swirling flows
RU2813892C1 (en) * 2023-06-26 2024-02-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method of controlling disperse flows of immiscible liquids in microchannel device to create droplets of micron and submicron size

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Johnson et al. Development and scale-up of a continuous, high-pressure, asymmetric hydrogenation reaction, workup, and isolation
JP4385541B2 (en) Flow-through microreaction channel, reaction apparatus and reaction method
RU2268086C2 (en) Countercurrent segmented gas-lift reactor for gas-liquid processes
RU2623733C2 (en) Method of ureapoiesis and corresponding arrangement of apparatus reaction section for urea production
CN104258796A (en) Novel high-flux multilayer spiral winding pipe micro-channel reactor
CN100475330C (en) Fluid Reactor
JPH04227483A (en) Heat exchanger used for hf alkylation
WO2009023515A2 (en) Reactors and methods for processing reactants therein
EP4140576A1 (en) Device and method for preparing polyalphaolefin
RU2842078C1 (en) Plant for microreactor synthesis in liquid-gas and liquid-liquid systems
RU2538260C2 (en) Proportioning ring
CN102648043B (en) Zoned monolithic reactor and related methods
US9346033B2 (en) Gas-liquid reactor
KR200496561Y1 (en) Network heat exchanger device, its method and use
KR20050060030A (en) Flow distributor for an alkylation reactor or heat exchanger
CN112654422B (en) Bubble shell and tube equipment
RU2652222C1 (en) Multi-channel micro-reactor
CN106928271B (en) Continuous synthesis O, the method and device thereof of O- dimethyl thiophosphoryl chloride
CN112090388B (en) Continuous flow reactor and application thereof in chemical reaction and synthesis
EP2246296B1 (en) Process and apparatus for producing fluorinated gaseous compound
RU2749474C1 (en) Vertical shell and tube heat exchanger
CN117836041A (en) Falling film apparatus and method of use
JP5211426B2 (en) Microreactor system
CN108686593B (en) Multiscale Microstructure Reactor
SU801872A1 (en) Chemical reactor