×
29.03.2019
219.016.ed6a

Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации

Вид РИД

Изобретение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

D - диаметр окружности навивки по оси трубки, м;

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

где N - количество рядов стоек по длине окружности,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Фотокаталитический микрореактор и способ его эксплуатации
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 39 items.
25.08.2017
№217.015.c142

Устройство для полимеризации изопрена в массе

Изобретение относится к производству синтетических каучуков. Описано устройство для полимеризации изопрена в массе в неподвижном слое реакционной смеси в виде малообъемных ячеек. Ячейки выполнены в теле охлаждаемой технологической платформы. Ячейки имеют форму цилиндра большого диаметра и малой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002617411
Дата охранного документа: 25.04.2017
10.05.2018
№218.016.3ce3

Катализатор для окислительной конденсации метана и способ его получения

Изобретение относится к технологии переработки метансодержащих газов, например природного газа, шахтного метана и т.п. для получения С углеводородов путем окислительной конденсации метана (ОКМ) при атмосферном давлении и повышенной температуре в присутствии катализатора. Заявляется катализатор...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647844
Дата охранного документа: 21.03.2018
10.05.2018
№218.016.3ece

Электретный материал на основе полиэтилена и способ его изготовления

Изобретение относится к области технологий изготовления электретных материалов и изделий на их основе и может быть использовано в производстве электретных микрофонов, электретных фильтров и респираторов. В электретном материале, состоящем из пленки полиэтилена с синтезированным на ее...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002648360
Дата охранного документа: 26.03.2018
10.05.2018
№218.016.49e8

Пульсационный аппарат с контейнером и решеткой (варианты)

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности. Пульсационный аппарат содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002651361
Дата охранного документа: 19.04.2018
10.05.2018
№218.016.4cdc

Многоканальный микрореактор

Изобретение относится к аппаратам для проведения химических реакций и массообменных процессов. Многоканальный микрореактор содержит корпус, состоящий из последовательно соединенных распределительной, смесительной, реакционной и сепарационной камер, и патрубки для подачи реагентов и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002652222
Дата охранного документа: 25.04.2018
29.05.2018
№218.016.54d4

Способ изготовления ячеистой георешетки неограниченной длины и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области получения объемных георешеток неограниченной длины и ширины, применяемых для укрепления грунта в строительстве объектов большой протяженности (автомобильных и железных дорог), больших площадей (аэродромов, стадионов, парковок для автомобилей), а также объектов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002654108
Дата охранного документа: 16.05.2018
20.06.2018
№218.016.64be

Способ оценки износостойкости керамических материалов по изменению параметра шероховатости r

Изобретение относится к области трибологии, в частности к экспресс-оценке износостойкости конструкционных высокотвердых керамических материалов, работающих в паре трения с металлом. Сущность: испытуемый образец керамики трется своей поверхностью по контртелу при постоянной нормальной нагрузке и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658129
Дата охранного документа: 19.06.2018
05.07.2018
№218.016.6b61

Способ автоматического контроля степени превращения изопрена в полимер

Изобретение относится к способу контроля степени превращения изопрена в полимер. Контроль степени превращения изопрена в полимер в каталитическом процессе синтеза полиизопрена полимеризации изопрена в массе в реакторе периодического действия с охлаждаемой рубашкой осуществляют путем оценки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659793
Дата охранного документа: 04.07.2018
06.07.2018
№218.016.6d24

Пульсационный аппарат с двухступенчатой пульсационной трубой

Предлагаемое изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость (например, растворение, дегидратация, эмульгирование, экстрагирование), в особенности для процессов, в которых твердые частицы склонны к...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002660150
Дата охранного документа: 05.07.2018
28.08.2018
№218.016.7fd0

Пульсационный аппарат с двухступенчатой пульсационной трубой и дополнительной секцией сопел

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость (например, растворение, дегидратация, эмульгирование, экстрагирование), в особенности для процессов, в которых твердые частицы склонны к образованию...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002664917
Дата охранного документа: 23.08.2018
Showing 1-10 of 27 items.
20.08.2013
№216.012.6073

Микробиореактор и способ его эксплуатации

Группа изобретений относится к области биотехнологии, в частности к биореакторам, преимущественно к микро- и минимасштабным биореакторам с иммобилизованным на частицах ферментом и может быть использовано для проведения биотехнологических процессов в жидких средах в фармацевтической, пищевой и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490323
Дата охранного документа: 20.08.2013
10.11.2013
№216.012.7ca2

Пульсационный аппарат и способ его эксплуатации

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и жидкость - жидкость, и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности. Аппарат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002497579
Дата охранного документа: 10.11.2013
27.04.2015
№216.013.4683

Способ определения мощности в пульсационном аппарате и устройство для его реализации

Изобретение относится к области измерения мгновенной и средней мощности, затрачиваемой на генерирование колебаний рабочей среды в пульсационных аппаратах. Способ определения мощности в пульсационном аппарате, оборудованном электромеханическим приводом, содержащим двигатель, соединенный с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549555
Дата охранного документа: 27.04.2015
10.08.2015
№216.013.6ca3

Способ получения n-замещенных-5-фенилтетразолов и микрореактор для его реализации

Изобретение относится к способу получения N-замещённых-5-фенилтетразолов, заключающемуся в алкилировании 5-фенилтетразола алкилйодидом в двухфазной системе хлористый метилен - водный раствор гидроокиси натрия при комнатной температуре, согласно изобретению, процесс проводят в микрореакторе без...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559369
Дата охранного документа: 10.08.2015
27.12.2016
№216.013.9d50

Тонкослойный отстойник

Изобретение относится к области очистки оборотных и сточных вод, а также иных жидкостей от механических примесей и эмульгированных в них капель, и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, угольной, химической и других отраслях промышленности. Тонкослойный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571902
Дата охранного документа: 27.12.2015
20.04.2016
№216.015.3535

Вихревой струйный аппарат для дегазации жидкостей

Изобретение относится к устройствам для вакуумной или комбинированной термической и вакуумной дегазации жидкостей, в том числе воды, с использованием центробежного эффекта. Вихревой струйный аппарат для дегазации жидкостей содержит корпус цилиндроконической формы с горловиной между конфузором и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581630
Дата охранного документа: 20.04.2016
25.08.2017
№217.015.b4fb

Устройство для диспергирования в жидкости капель или пузырей в микроканалах и способ его эксплуатации

Изобретение относится к устройствам для диспергирования капель или пузырей в микроканалах и может быть использовано для проведения процессов диспергирования газа в жидкости, одной жидкости в другой (эмульгирования), с сопутствующими реакционными, тепло- и массообменными процессами, например,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614283
Дата охранного документа: 24.03.2017
26.08.2017
№217.015.e284

Способ получения суспензии высокодисперсных частиц неорганических и органических материалов и аппарат для его осуществления

Группа изобретений относится к получению суспензии порошков неорганических и органических материалов и может быть использована для деагломерации в жидкой среде наноразмерных порошков углерода, металлов и их соединений, органических веществ в химической, нефтехимической, пищевой,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625980
Дата охранного документа: 20.07.2017
26.08.2017
№217.015.e2ac

Способ получения нанопорошков феррита кобальта и микрореактор для его реализации

Изобретение относится к технологии получения нанопорошков феррита кобальта в микромасштабном реакторе. Способ заключается в подаче исходных компонентов - смеси растворов солей кобальта и железа в соотношении компонентов, отвечающих стехиометрии CoFeO, и раствора щелочи в соотношении с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625981
Дата охранного документа: 20.07.2017
10.05.2018
№218.016.49e8

Пульсационный аппарат с контейнером и решеткой (варианты)

Изобретение относится к аппаратам для проведения массообменных процессов в гетерогенных системах жидкость - твердые частицы и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности. Пульсационный аппарат содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002651361
Дата охранного документа: 19.04.2018
+ добавить свой РИД