一种可替换床层的微反应器及其应用的制作方法

本发明属于能源化工领域，涉及一种可替换床层的微反应器及其应用。

背景技术：

费托合成反应是目前煤化工领域最重要的合成反应体系之一。该反应体系以合成气为原料，可以制备烷烃、烯烃、醇类等多种重要工业原料。由于合成气可以通过煤炭制备，所以费托反应对于多煤少油的国家有着重要的战略意义。

目前，费托合成反应主要有固定床、流化床、和微通道反应器。固定床反应器构建简单、成本低廉及操作简便，但存在传热，混合效果差，催化剂无法实现在线更换等缺点。与固定床反应器相比，流化床反应器克服了固定床反应器的上述缺陷，混合效果好。但流化床反应器同样存在缺陷，如催化剂磨损较快，存在返混等问题。对于微通道反应器，具有高比表面积，良好的传热与传质能力等优点。但目前存在的多种催化剂与微反应器结合的方式，均存在不同程度的问题。采用颗粒状催化剂填充到微反应器内时，催化剂影响了反应器的传热，而采用涂覆方法时，涂层容易被破坏，同时催化剂脱附较为困难，影响了微反应器通道板的重复利用。

因此，如何提供一种可替换床层的微反应器，以保证良好的传热与传质性能，并提高微反应器通道中催化剂的利用率、降低催化剂更换与卸载难度，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可替换床层的微反应器及其应用，用于解决现有技术中采用固定床方式的反应器传热性能差，催化剂的装载与更换麻烦；采用涂覆方法的微反应器，其催化剂的更换与卸载过程难度高，操作困难，床层无法重复利用等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可替换床层的微反应器，包括上盖板、下盖板及夹在所述上盖板与下盖板之间的微反应器基底层；所述微反应器基底层包括面向所述上盖板的第一表面及面向所述下盖板的第二表面；其中：

所述微反应器基底层中设有依次连接的原料气体预热通道、原料气体分布结构、用于容纳催化剂床层的空腔结构及尾气收集结构，其中，所述原料气体预热通道的出气口与所述原料气体分布结构的进气口相连，所述原料气体分布结构的出气口与所述空腔结构的进气口相连，所述空腔结构的出气口与所述尾气收集结构的进气口相连；所述原料气体预热通道、原料气体分布结构、空腔结构及尾气收集结构均从所述第一表面开口并往所述第二表面方向延伸，但未贯穿所述第二表面；

所述上盖板中设有气体入口及气体出口，其中，所述气体入口与所述原料气体预热通道的进气口连通，所述气体出口与所述尾气收集结构的出气口连通。

可选地，所述原料气体分布结构的出气口宽度大于进气口宽度；所述尾气收集结构的出气口宽度小于进气口宽度。

可选地，所述原料气体分布结构、空腔结构及尾气收集结构组成横截面为平行四边形或大致为平行四边形的整体槽状结构。

可选地，所述平行四边形位于所述原料气体预热通道与原料气体分布结构连接处的顶角以及位于所述空腔结构及尾气收集结构连接处的顶角为15°-75°。

可选地，所述空腔结构的横截面为矩形。

可选地，所述空腔结构的宽度大于所述原料气体分布结构的出气口宽度，并大于所述尾气收集结构的进气口宽度。

可选地，所述原料气体预热通道为扭曲的蛇形通道式。

可选地，所述上盖板、下盖板及夹在所述上盖板与下盖板之间的微反应器基底层通过紧固件连接。

可选地，所述上盖板与所述微反应基底层之间设有密封圈，所述原料气体预热通道、原料气体分布结构、空腔结构及尾气收集结构均位于所述密封圈围成的区域内。

可选地，所述上盖板与下盖板的侧面形成有用于容纳加热装置的开孔。

可选地，所述加热装置包括电阻丝。

可选地，所述下盖板面向所述微反应器基底层的一面设有至少一条用于容纳测温装置的槽道。

可选地，所述测温装置包括热电偶。

可选地，所述微反应器基底层的材质包括不锈钢。

可选地，所述催化剂床层为整体式催化剂或微通道板层。

可选地，所述微通道板层上的催化剂为固定床颗粒式催化剂或涂覆式催化剂。

可选地，所述可替换床层的微反应器还连接有原料供气系统、温控系统、监测系统及尾气分析系统。

本发明还提供一种微反应器的应用。

可选地，所述应用是在采用上述任意一项所述的可替换床层的微反应器进行费托合成反应。

可选地，所述应用是在采用上述任意一项所述的可替换床层的微反应器将二氧化碳转化为甲醇。

可选地，所述应用是在采用上述任意一项所述的可替换床层的微反应器将二氧化碳转化为甲烷。

如上所述，本发明的可替换床层的微反应器及其应用，具有以下有益效果：为了便于催化剂与微通道反应器的结合，本发明对微通道反应器进行了特殊设计，构建了以可更换式微反应器为主，多种催化剂结合方式为辅的反应系统。第一，采用斜线设置进料出料口的方式，使得原料气能在多个反应微通道内更为均匀的分布，提高了各个通道内催化剂的利用率。第二，在微反应器板的通道内部，采用可更换的结构，即在内部开一个较大的空腔结构，可以放入整体式催化剂，也可以放入可替换的微通道床层，这样就弥补了由于涂覆方法所带来床层无法重复利用的劣势，同时方便了操作。第三，微反应器的通道采用模块化设计，有多种构型可供选择。本发明突破了现有反应器的构型，有助于促进催化剂与微反应器的结合。

附图说明

图1显示为本发明的可替换床层的微反应器的分解结构示意图。

图2显示为本发明的可替换床层的微反应器组装后的侧视图。

图3显示为本发明的可替换床层的微反应器中微反应器基底层的立体结构图。

图4显示为催化剂床层以微通道板层形式装载入所述空腔结构中的示意图。

图5显示为催化剂床层以整体式催化剂形式装载入所述空腔结构中的示意图。

元件标号说明

1 上盖板

2 下盖板

3 微反应器基底层

4 螺栓

5 安装孔

6 密封圈

7 原料气体预热通道

8 原料气体分布结构

9 空腔结构

10 尾气收集结构

11 气体入口

12 气体出口

13 开孔

14 槽道

15 整体式催化剂

16 微通道板层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种可替换床层的微反应器，请参阅图1及图2，分别显示为该可替换床层的微反应器的分解结构示意图及组装后的侧视图，包括上盖板1、下盖板2及夹在所述上盖板1与下盖板2之间的微反应器基底层3。

作为示例，所述上盖板1、下盖板2及夹在所述上盖板与下盖板之间的微反应器基底层3通过紧固件连接。本实施例中，所述紧固件包括至少两个螺栓4(图1中显示的为八个螺栓的情形)，所述上盖板1、下盖板2及微反应器基底层3中均设有与所述螺栓4相配合的安装孔5。

具体的，所述上盖板1与所述微反应基底层3之间设有密封圈6，用于在所述上盖板1与所述微反应基底层3之间形成密闭空间。

所述微反应器基底层3包括面向所述上盖板1的第一表面及面向所述下盖板2的第二表面。所述微反应器基底层3中设有依次连接的原料气体预热通道7、原料气体分布结构8、用于容纳催化剂床层的空腔结构9及尾气收集结构10。所述原料气体预热通道7、原料气体分布结构8、空腔结构9及尾气收集结构10均从所述第一表面开口并往所述第二表面方向延伸，但未贯穿所述第二表面。所述原料气体预热通道7、原料气体分布结构8、空腔结构9及尾气收集结构10均位于所述密封圈6围成的区域内。

所述上盖板1中设有气体入口11及气体出口12，其中，所述气体入口11与所述原料气体预热通道7的进气口连通，所述气体出口12与所述尾气收集结构10的出气口连通。

本实施例中，所述微反应器基底层3的材质包括不锈钢。不锈钢材质具有耐腐蚀、导热性好、易加工等优点。当然，在其它实施例中，所述微反应器基底层3也可采用其它耐腐蚀材质，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本实施例中，所述上盖板1与下盖板2的侧面还形成有用于容纳加热装置的开孔13，可通过加热所述上盖板1与下盖板2，间接加热所述微反应器基底层，使得放置于所述空腔结构9中的催化剂床层上的化学反应在预设反应温度下进行。作为示例，所述加热装置包括电阻丝。

当然，在其它实施例中，也可以不设置所述开孔，而是采用其它加热方式，例如可以将整个可替换床层的微反应器直接放入加热腔体内进行加热，此处不应过分本发明的保护范围。

本实施例中，所述下盖板2面向所述微反应器基底层3的一面还设有至少一条用于容纳测温装置的槽道14，用于测量反应温度。作为示例，所述测温装置包括热电偶。

具体的，可设置多条不同方向上的槽道，以监测不同部位的反应温度，以利于及时调整工艺，提高温度分布的均匀性。

请参阅图4，显示为所述微反应器基底层3的立体结构图，其中，所述原料气体预热通道7的出气口与所述原料气体分布结构8的进气口相连，所述原料气体分布结构8的出气口与所述空腔结构9的进气口相连，所述空腔结构9的出气口与所述尾气收集结构10的进气口相连。

具体的，所述原料气体预热通道7用于预热原料气体，提高原料气体的利用率。本实施例中，所述原料气体预热通道7优选采用扭曲的蛇形通道式，可以在有限空间内延长原料气体的停留时间，提高预热效率。

所述原料气体分布结构8的出气口宽度大于进气口宽度，用于将整股的原料气均匀分配至催化剂床层的不同部位，提高催化剂的利用率，强化反应过程。

所述空腔结构9作为反应区域，用于容纳催化剂床层，使得原料气体在所述催化剂床层中的催化剂作用下反应，生成所需产物。所述催化剂床层可直接放置于所述空腔结构9内，即所述催化剂床层与所述微反应器基底层为分离式设计，实现可替换床层，从而使得本发明的微反应器适用于多种催化剂结合方式。

所述尾气收集结构10的出气口宽度小于进气口宽度，用于收集催化反应后的尾气。

本实施例中，所述原料气体分布结构8、空腔结构9及尾气收集结构10优选组成横截面为平行四边形或大致为平行四边形的整体槽状结构，使得横向各部位原料气体的纵向行程大致相同，从而原料气能在多个反应微通道内更为均匀的分布，提高各个通道内催化剂的利用率。

作为示例，所述空腔结构9的横截面为矩形。所述平行四边形位于所述原料气体预热通道7与原料气体分布结构8连接处的顶角以及位于所述空腔结构9及尾气收集结构10连接处的顶角为15°-75°，优选为30°-60°。

作为示例，所述空腔结构9的宽度略大于所述原料气体分布结构8的出气口宽度，并略大于所述尾气收集结构的进气口宽度。采用空腔结构宽度大于原料气体分布结构出气口宽度及尾气收集结构进气口宽度的设计有利于限制催化剂床层的移动，避免催化剂床层在所述空腔结构中放置好之后又往所述原料气体分布结构端或尾气收集结构端移动。

当然，在其它实施例中，所述原料气体分布结构8、空腔结构9及尾气收集结构10组成的整体槽状结构也可采用其它形状，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本发明中，所述催化剂床层可以为多种形式，例如整体式催化剂或微通道板层。请参阅图4，显示为催化剂床层以微通道板层15的形式装载入所述空腔结构中的示意图。请参阅图5，显示为催化剂床层以整体式催化剂16的形式装载入所述空腔结构中的示意图。

具体的，所述微通道板层15可采用与所述微反应器基底层3相同的材质，例如不锈钢。作为示例，所述微通道板层15表面具有若干平行排列的微通道，所述微通道可通过光刻、刻蚀等工艺对不锈钢板层表面进行处理得到。所述微通道板层15上的催化剂可以为固定床颗粒式催化剂或涂覆式催化剂。

具体的，所述整体式催化剂16的催化剂载体可采用泡沫金属。泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料，其具有高的比表面积，有利于提高反应转化率。所述整体式催化剂16的催化剂载体也可以是陶瓷材料，其中包含许多平行且直的孔道，孔隙率较高。这种开放式结构使气体流经催化剂床层时所受阻力较小。

进一步的，所述可替换床层的微反应器还连接有原料供气系统、温控系统、监测系统及尾气分析系统等，其具体设计可根据实际情况进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。

本发明的可替换床层的微反应器具有良好的传热与传质性能，应用了斜线进料的分布结构，使得整股原料气能均匀分到每一个微通道中，显著提高了微反应器通道中催化剂的利用率，强化了反应过程。特别的，本发明采用将反应区域的催化剂床层与微反应器基底层分离的设计方法，加快了更换微反应器中催化剂时的更换速度，同时节约了更换成本，并使得微反应器能适用于多种催化剂结合方式，例如整体式催化剂，固体床颗粒式催化剂，涂覆式催化剂等。本发明能有效地实现强化反应过程，提高反应转化率，有利于微反应器的工业应用。

实施例二

本发明还提供一种微反应器的应用。所述应用是在采用实施例一中所述的可替换床层的微反应器进行费托合成反应。

费托合成(Fischer-Tropsch synthesis)是煤化工领域最重要的合成反应体系之一，可简称为FT反应，它以合成气(CO和H₂)为原料在催化剂(主要是铁系)和适当反应条件下合成以烷烃、烯烃、醇类等多种重要工业原料。

作为示例，本发明的可替换床层的微反应器的操作方法如下：先打开一路氢气通入到反应器当中，调节到合适的温度和压力进行催化剂的还原工序。进行适当时间的还原之后，反应原料气氢气和一氧化碳气体通过气体流量计的控制，以一定的比例通入反应器中，打开监测系统，进行在线的实时监测。

本实施例中，所述微反应基底层3采用316L型不锈钢制成，如图4所示，在空腔结构中可放置共10个平行微通道，长度50mm，宽1mm，深1mm。

具体的，放入合适的催化剂之后，打开相关的原料供气系统、监测系统和尾气分析系统等，将CO与氢气的混合气体，在混合器中混合后按一定气量通入微反应器中。在250℃温度条件和3MPa的压力条件下，进行费托合成制备烯烃的反应，在反应状态稳定之后，可以取得45％的一氧化碳转化率和66％的低碳烯烃选择性，相比传统反应器具有更高的一氧化碳转化率和低碳烯烃的选择性。

实施例三

本发明还提供一种微反应器的应用，所述应用是在采用实施例一中所述的可替换床层的微反应器将二氧化碳转化为甲醇。

具体的，采用二氧化碳和氢气的混合气体作为原料气体，采用金属钌作为催化剂，并加热至合适温度，使得反应进行，将二氧化碳转化为甲醇。具体操作方法与实施例一类似，此处不再赘述。

实施例四

本发明还提供一种微反应器的应用。所述应用是在采用实施例一中所述的可替换床层的微反应器将二氧化碳转化为甲烷。

具体的，采用二氧化碳和氢气的混合气体作为原料气体，采用铜-金纳米颗粒作为催化剂，并加热至合适温度，使得反应进行，将二氧化碳转化为甲烷。具体操作方法与实施例一类似，此处不再赘述。

综上所述，为了便于催化剂与微通道反应器的结合，本发明对微通道反应器进行了特殊设计，构建了以可更换式微反应器为主，多种催化剂结合方式为辅的反应系统。第一，采用斜线设置进料出料口的方式，使得原料气能在多个反应微通道内更为均匀的分布，提高了各个通道内催化剂的利用率。第二，在微反应器板的通道内部，采用可更换的结构，即在内部开一个较大的空腔结构，可以放入整体式催化剂，也可以放入可替换的微通道床层，这样就弥补了由于涂覆方法所带来床层无法重复利用的劣势，同时方便了操作。第三，微反应器的通道采用模块化设计，有多种构型可供选择。本发明突破了现有反应器的构型，有助于促进催化剂与微反应器的结合。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。