一种费托合成微反应器和费托合成方法与流程

本发明涉及一种费托合成微反应器及费托合成方法，更具体地说，涉及一种通过采用微通道反应器进行费托合成的系统和方法。

背景技术：

费托合成技术是一种非常重要的替代能源技术，能将合成气(H₂和CO)通过催化剂转化为烃类物质。一般费托合成反应器包括固定床、流化床和浆态床等三种形式，在反应器内催化剂为固体颗粒，合成气进入反应器后与固体颗粒接触进行反应。上述三种费托合成反应器适合于处理量大、产量高的情况，且反应器的规模较大，设备基本不具备可移动性。但是对于合成气量较小，而且合成气气源分散的情况，就开发出了体积小、便于移动的微通道反应器。200680010313.9提供了一种用于费托合成紧凑型反应器，包含有多条通道，优选的通道宽度小于10mm。通道内设有可移动的催化剂结构。催化剂结构是在无孔金属基体上涂覆掺入催化材料的涂层。201280014772.X提出在微通道反应器内装填催化剂颗粒，进行费托合成反应。在实际应用中，如果经过一段反应时间，催化剂失活需要再生，以上两种微通道反应器用于费托合成反应的方法均需要停止反应过程，再进行催化剂的再生或者更换。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、操作稳定的费托合成微反应器和费托合成方法。

本发明提供的一种费托合成微反应器，所述的微反应器由气相入口、反应微通道、换热微通道和产物出口组成，所述的气相入口连通反应微通道的一端，所述的反应微通道的另一端连通产物出口，所述的换热微通道与所述的反应微通道不相通，其中，所述的反应微通道为网状交叉结构，所述的换热微通道也为网状交叉结构，所述的反应微通道的横截面积为 0.01～100mm²，相邻的反应微通道之间的距离为0.5～20mm，所述的反应微通道表面涂覆催化剂层，所述的催化剂选自金属元素铁、钴、镍和钌中的一种或者几种的混合物。

本发明提供的一种费托合成方法，采用上述任一种的费托合成微反应系统，合成气经气相入口进入微反应器的反应微通道中，合成气与涂覆于反应微通道表面的催化剂层接触，并发生费托合成反应，生成产物烃类，反应生成的热量通过与换热通道内的换热介质进行换热释放，在反应器的微通道内的反应温度为100～250℃，反应压力为0.5～4.0MPa。

本发明提供的费托合成微反应器和费托合成反应方法的有益效果为：

本发明提供的费托合微反应器，体积小、结构紧凑，同时具有良好的移动性和投资低的特点，本发明提供的费托合成微反应器和反应方法适用于在各分散的小合成气气源地，设备操作安全，容易实现稳定安全的运行，技术经济性能较优。费托合成微反应器内设置换热通道，通过相变换热，来强化换热过程，实现反应器操作温度的稳定。

附图说明

附图1为本发明提供的费托合成微反应器的俯视图；

附图2为设置反应微通道和换热微通道的立体结构示意图；

附图3为设置多层微通道的费托合成微反应器的剖视图。

其中：1－气相入口；2－换热微通道；3－反应器壁；4－反应微通道；5－出口；6－分流构件；7－收集室；8－分布构件；9－分布室。

具体实施方式

本发明提供的费托合成微反应器是这样具体实施的：

本发明提供的一种费托合成微反应器，其特征在于，所述的微反应器由气相入口、反应微通道、换热微通道和产物出口组成，所述的气相入口连通反应微通道的一端，所述的反应微通道的另一端连通产物出口，所述的换热微通道与所述的反应微通道不相通，其中，所述的反应微通道为网状交叉结构，所述的换热微通道也为网状交叉结构，所述的反应微通道的 横截面积为0.01～100mm²，相邻的反应微通道之间的距离为0.5～20mm，所述的反应微通道表面涂覆催化剂层，所述的催化剂选自金属元素铁、钴、镍和钌中的一种或者几种的混合物。

所述的微反应器中，所述的换热微通道的一端与换热介质入口相通，另一端与换热介质出口相通。

本发明提供的费托合成微反应器中，所述的反应微通道和所述的换热微通道分层间隔排列，相邻的反应微通道和换热微通道之间的距离为0.5～20mm。反应微通道和换热微通道设置为多层，所述的反应微通道和所述的换热微通道分别设置在不同层中并且间隔设置。

本发明提供的费托合成微反应器中，优选地，所述的气相入口与所述的反应微通道之间设置分布室，所述的分布室内设置分布构件。当多个微通道处于一层的时候，为保证流体能够均匀的通过每条微通道，在流体入口与微通道之间设有分布室，分布室内可设分布构件，以保证物料能够均匀的通过各条分布流道，避免偏流或者分布不均造成的不良影响，如微通道内反应过量造成飞温等问题。分布构件的形式可以带有筛孔、条缝等特征结构，也可以设置多片分布构件，分布构件的形状可以是矩形、菱形等形状。

本发明提供的费托合成微反应器中，优选地，所述的反应微通道与所述的产物出口之间设置收集室。收集室的作用是把各条微通道排出的物料收集起来，统一排出反应器。

本发明提供的费托合成微反应器中，优选地，所述的反应微通道和所述的换热微通道的横截面为矩形，其中每条微通道的宽度为0.1-10mm，高度为0.1-10mm。

本发明提供的费托合成微反应器中，所述的反应微通道为网状交叉结构，所述的换热微通道也为网状交叉结构。如附图1和附图2所示，微反应器内设置分流构件以形成网状交叉结构的流道，可以通过流体的不断分流与合流，促进流场均匀分布，强化反应和换热过程。此外分流构件使流体不断的分流、合流，有利于反应通道内的流体温度的均匀分布，并能提 高换热系数，从而强化换热过程。分流构件形状可以是菱形、三角形、扇形、矩形、纺锤形、针形等各种形状，或者是所述各种形状的组合，优选为矩形或菱形。

本发明提供的费托合成微反应器中，所述的反应微通道表面涂覆催化剂层，所述的催化剂选自金属元素铁、钴、镍和钌中的一种或者几种的混合物。优选地，所述的催化剂层的厚度为10-200μm。催化剂层的载体涂覆方法可见专利CN103212450A。完成载体涂覆之后，需要浸渍金属活性组分Co，所需浸渍、干燥和焙烧方法为常规方法。浸渍完成后通入氢气对催化剂层进行还原。

本发明提供的费托合成微反应器中，优选地，所述的反应微通道和/或换热微通道的内表面为粗糙表面，比表面积为10-100m²/g。所述的反应微通道和所述的换热微通道都需要进行表面处理，形成粗糙表面结构以增加通道的表面积。表面处理的方法可以是酸蚀、激光刻蚀、喷砂等方法。通过表面处理，增加反应通道的表面积，可以增加涂覆于反应通道表面之上的催化剂的含量，促进反应过程的进行。增加换热通道的表面积，可以增加换热面积，并可提供气化中心，使得换热过程易于处于沸腾换热状态，以强化换热过程的进行。

本发明提供的费托合成微反应器中，所述的反应微通道和所述的换热微通道均为网状交叉结构，(如附图1所示)。可以设置若干分流构件，形成所述的网状交叉结构，分流构件形状可以是菱形、三角形、扇形、矩形、纺锤形、针形等各种形状，或者是所述各种形状的组合，优选为矩形或菱形。网状交叉结构的反应微通道可以使流体不断的分流、合流，通过表面更形效应，改善气/液两相之间相界面附近的传质过程，进而强化气/液两相的混合效果。

本发明提供的费托合成微反应器，换热微通道与反应微通道之间不连通。换热微通道内通入换热介质，如水。换热过程优选为有汽化相变的换热过程，如水发生相变成为水蒸气，这样可以利用潜热充分吸收反应热，强化换热过程，使得反应器的温度稳定可控。

本发明提供的费托合成微反应器，反应微通道和换热微通道的布置方 式为分层间隔式排布，即按照反应层—换热层—反应层—换热层……的方式进行排布。每一层均设置多条微通道，微通道的作用一致，即该层如果是反应层，则该层所有微通道都是反应微通道，而如果该层是换热层，则该层所有微通道都是换热微通道。反应层的物料进出口流动方向与换热层的物料进出口的流动方向之间可以是任意角度，优选为90度。

本发明提供的费托合成方法，采用上述任一种的费托合成微反应器，合成气经气相入口进入微反应器的反应微通道中，合成气与涂覆于反应微通道表面的催化剂层接触，并发生费托合成反应，生成产物烃类，反应生成的热量通过与换热通道内的换热介质进行换热释放，在反应器的微通道内的反应温度为100～250℃，反应压力为0.5～4.0MPa。

本发明提供的费托合成微反应器及费托合成方法的有益效果为：

采用微通道反应器进行费托合成反应。由于微通道反应器体积小、结构紧凑，因此设备操作安全，容易实现稳定安全的运行。同时具有良好的移动性和投资低的特点，可以在各分散的小合成气气源地进行使用，技术经济性能较优。微通道反应器设置分流构件，通过流体的不断分流与合流，促进流场均匀分布，强化反应和换热过程。设置换热通道，通过相变换热，来强化换热过程，实现反应器操作温度的稳定。

以下参照附图具体说明本发明的具体实施方式。

附图1为本发明提供的费托合成微反应器的俯视图，如附图1所示，合成气由气相入口1进入微反应器的反应微通道4中进行反应，反应微通道4为网状交叉结构，反应微通道4内表面涂覆有费托合成催化剂涂层。反应微通道的另一端连通产物出口5。

如附图1所示，为了保证每条反应通道都有物料通过，费托合成微反应器在气相入口1和反应微通道4之间设有分布室9，且分布室9内可设分布构件8，以保证物料能够均匀的通过各条反应微通道4。分布构件8的形式并不限于图1所示结构，可以带有筛孔、条缝等特征结构，也可以设置多片分布构件，分布构件的形状可以是矩形、菱形等形状。如图1所示，在反应通道4之后，反应器设有收集室7。物料在收集室7内汇合之后经 产物出口5流出反应器。

附图2为设置反应微通道和换热微通道的立体结构示意图，如图1和图2所示，通过设置菱形分流构件6可以形成网状交叉的反应微流道4。流体经过反应微流道4的时候，形成不断分流、合流的现象，这样可以使得微反应器内的温度分布均匀，并能强化反应与换热过程。费托合成为强放热反应，因此微反应器系统设置换热微通道2，将反应过程中释放的热量移出反应器。在换热微通道2内流动的换热介质可以为水。附图3为设置多层微通道的费托合成微反应器的剖视图。多层反应微通道4和换热微通道2分层间隔设置。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

以下的实施例具体说明本发明提供的费托合成微反应器的使用方法和效果，但本发明并不因此而受到任何限制。

实施例1

微反应器采用图1所示结构，如图1所示，合成气由气相入口1进入微反应器的反应微通道4。反应微通道4的宽度为2mm，高度为1mm，包含所有反应微通道的区域长度为1000mm。分流构件6为菱形，菱形钝角内角角度为120度，锐角内角为60度。在反应微通道4内，涂覆于通道表面的催化剂为Co基催化剂。催化剂载体的涂覆方法见专利CN103212450A。催化剂层经过常规的浸渍、干燥、焙烧和还原后，完成金属活性组分Co的负载，催化剂层的厚度约为100μm，其中Co的含量约为35％。

合成气和涂覆于通道表面上的Co基催化剂接触发生反应，生成烃类产物。反应微通道内的温度为216℃，压力为2.7MPa。在换热通道2内流动的换热介质为水，水的温度为186℃，压力为1150kPa。

在微反应器内，反应微通道内的混合流体(包括合成气和烃类产物)由产物出口5流出，进入后续的分离设备进行分离。

合成气中CO的转化率为54％，甲烷的选择性为9.8％，C5⁺烃类产物的时空收率为0.55t/(t·h)。