一种微通道反应器的制作方法

本发明涉及一种微通道反应器。

背景技术：

目前固定床反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向固定床反应器设计、加工过程相对容易，操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显以及反应器材质等级高等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短，但很难实现反应物在径向上的均匀分布、单位催化剂床层的生产强度较低。

为了克服传统化工中存在传热、传质效率低的问题，二十世纪八九十年代兴起了微化工技术。微反应器作为微化工技术的核心组成部分，它是以毫米、微米为量级的化学反应系统。一方面微反应器具有微尺度化、较大的比表面、扩散距离短、停留时间短、阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1-3数量级；另一方面，可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，同时缩短设备的加工时间。

近年来，微通道反应器在气固相催化反应、液固相催化反应中受到越来越多的关注。公告号为cn202893334u的中国专利公开了一种微通道反应器，该微通道反应器采用钛合金板式结构，每个钛合金冷却盖板内设置有冷却仓和反应仓，该微通道反应器具有能够承受高压和抗蚀性，不足之处在于反应物在反应仓内停留时间短，生产效率较低。公告号为cn203540513u的中国专利公开了一种用于甲烷化工艺的微通道反应器，该微反应通道固定在 反应器中部的支撑板上，难以消除热胀冷缩产生的应力。公告号为cn102151531a的中国专利公开了一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，该微反应器由若干反应通道和移热通道交替平行排布，反应器的压降较大，同时难以承受高压。公告号为cn204841617u、cn204816459u的中国专利，将微通道反应器运用于煤制sng甲烷化工艺，目标产物具有较高的选择性，不足之处在于原料气在该类反应器的停留时间较短，造成原料转化率偏低。

因此，减小反应器的设备尺寸、降低压降损失，提高反应物的转化效率，充分延长反应器的使用寿命，满足反应器大型化的需求是目前亟待解决的技术问题，同时也是未来微通道反应器的发展方向。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微通道反应器，该反应器催化剂使用量少、压降低、原料转化率高、空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

为了实现上述目的，本发明提供一种微通道反应器，该反应器包括圆筒形密封承压壳体、从壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从壳体底部伸入到壳体内部的出气管、以及设置在壳体内进气管下方出气管上方的径向催化反应区；径向催化反应区包括中心筒以及包括或不包括套设在中心筒外的至少一个套筒；中心筒具有中心管，中心管与出气管流体连通；中心筒与最内层的套筒的筒壁之间以及相邻套筒的筒壁之间形成有集流道；最外层的套筒的外壁或者不存在套筒时的中心筒的外壁与壳体的内壁之间形成有环隙；中心筒和套筒均具有多个径向设置的径向微反应通道，并且中心筒的筒体内外以及套筒的筒体内外仅通过该径向微反应通道流体连通；进气管通过其下方的环隙与中心筒或最外层套筒中的径向微反应通道的径向微通道反应气体入口流体连通，中心筒中的径向微反应通道的径向微通道反应产物出口通过中 心管与出气管流体连通；径向微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件。

优选地，导流组件包括与径向微反应通道固定连接的固定轴和串联在固定轴上的导流元件，导流元件朝向径向微反应通道进气方向的一端为凸形。

优选地，导流元件为选自圆锥体、圆锥面、半球体、半球面、球体和球面中的至少一种。

优选地，圆锥体和圆锥面的底面直径介于径向微反应通道的微通道反应产物出口的直径与径向微反应通道的微通道反应气体入口的直径之间；半球体、半球面、球面和球体的球面直径介于径向微反应通道的微通道反应产物出口的直径与径向微反应通道的微通道反应气体入口的直径之间；相邻两个导流元件的间距不小于导流元件的高度。

优选地，每个导流组件包括3-100个导流元件。

优选地，套筒的数量为1-100个。

优选地，径向微反应通道的内表面负载有催化活性组分。

优选地，径向微反应通道为选自锥形管、喇叭形管、y形管和梯形管中的其中一种。

优选地，径向微反应通道的直径在2-50毫米之间；径向微反应通道的直径从微通道反应气体入口向微通道反应产物出口的方向逐渐减小；进一步优选地，微通道反应气体入口的直径与微通道反应产物出口的直径的比值为(1.1-20)：1；微反应通道的内部空间的总体积为所述径向催化反应区的体积的30％-80％。

优选地，径向催化反应区的底部与壳体的底部之间设置有隔热材料区。

与现有技术相比，本发明提供的微通道反应器具有以下优点：

1、微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件，且导流组件与所述径向微反应通道同轴，增加了反应原料在微通道内的湍流程度，提高了 原料作用于催化剂活性位上的概率，从而提高了原料转化率；该反应器由若干大小相同的微反应通道构成的反应区，无反应死区和气体的偏流现象，床层的温度较为均匀，不会出现热点，充分保证了整个运行周期内的平稳运行；

2、采用涂覆活性组分于微通道内表面，活性金属使用量为同等处理能力常规固定床反应器所用量的5％-35％，节约了活性金属的使用量，特别能够降低贵金属催化剂的生产成本；

3、可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，无明显放大效应，同时缩短设备的加工时间，进一步降低反应器生产成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的微通道反应器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的微通道反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1中a-a面的剖视图)；

图3是本发明提供的微通道反应器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明提供的微通道反应器的另一种具体实施方式的剖视图(即图3中a-a面的剖视图)；

图5是本发明提供的微通道反应器的第三种具体实施方式的结构示意图；

图6是本发明提供的微通道反应器的第三种具体实施方式的剖视图(即图5中a-a面的剖视图)；

图7是本发明提供的微通道反应器的第四种具体实施方式的结构示意图；

图8是本发明提供的微通道反应器的第四种具体实施方式的剖视图(即图7中a-a面的剖视图)；

图9是本发明提供的微通道反应器的一种具体实施方式所采用的具有导流组件的微通道示意图；

图10是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图9中a-a面的剖视图)；

图11是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图9中b-b面的剖视图)；

图12是本发明提供的微通道反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(锥形管)的示意图；

图13是本发明提供的微通道反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(喇叭形管)的示意图；

图14是本发明提供的微通道反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(y形管)的示意图；

图15是本发明提供的微通道反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(梯形管)的示意图；

图16是发明提供的微通道反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(半球体)的示意图；

图17本发明提供的微通道反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(半球面)的示意图；

图18本发明提供的微通道反应器所采用的导流组件的一种具体实施方 式(球面)的示意图；

图19本发明提供的微通道反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(球体)的示意图；

图20本发明提供的微通道反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(锥形体)的示意图；

图21本发明提供的微通道反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(锥形面)的示意图；

附图标记说明

1进气口2壳体3第一气体分布器

4顶部密封板5微通道反应气体入口6微通道反应产物出口

7中心管8中心筒9中心筒外侧壁

10底部密封板11出气口12隔热材料区

13中心管壁14环隙15径向微反应通道

16导流组件17第二气体分布器18进气管

19套筒20套筒外侧壁21套筒内侧壁

22集流道23出气管24固定轴

25导流元件

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种微通道反应器，该反应器包括圆筒形密封承压壳体2、从壳体2顶部伸入到壳体内部的进气管18、从壳体2底部伸入到壳体内部的 出气管23、以及设置在壳体2内进气管18下方出气管23上方的径向催化反应区；径向催化反应区包括中心筒8以及包括或不包括套设在中心筒8外的至少一个套筒19；中心筒8具有中心管7，中心管7与出气管23流体连通；中心筒8与最内层的套筒19的筒壁之间以及相邻套筒19的筒壁之间形成有集流道22；最外层的套筒19的外壁或者不存在套筒19时的中心筒8的外壁与壳体2的内壁之间形成有环隙14；中心筒8和套筒19均具有多个径向设置的径向微反应通道15，并且中心筒8的筒体内外以及套筒19的筒体内外仅通过该径向微反应通道15流体连通；进气管18通过其下方的环隙14与中心筒8或最外层套筒19中的径向微反应通道15的微通道反应气体入口5流体连通，中心筒8中的径向微反应通道15的微通道反应产物出口6通过中心管7与出气管23流体连通；径向微反应通道15内设置有增加流体湍动作用的导流组件16。

根据本发明，为了提高原料气的转化率，在径向微反应通道15内设置有增加流体湍动作用的导流组件16，该导流组件16包括固定轴24和导流元件25。导流组件16与径向微反应通道15同轴，导流组件16两端分别固定于微通道反应气体入口5、微通道反应产物出口6，导流元件25串联固定在固定轴24上，如图9、图10、图11、图16所示。在同一导流组件16使用的导流元件25大小可以是从微通道反应气体入口5到微通道反应产物出口6逐渐减小，也可以逐渐增大，也可以不变，优选的同一导流组件16使用的导流元件25大小相同。导流元件25的朝向所述径向微反应通道15进气方向的一端为凸形，例如可以为选自半球体、半球面、球面、球体、圆锥体、圆锥面中的一种(分别如图16、图17、图18、图19、图20和图21)。

进一步地，当导流元件25为圆锥体或圆锥面时，其底面直径介于微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口5的直径之间，优选地，其底面直径为微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口5的直径之 和的五分之一到五分之四，长度不大于径向微反应通道15长度的0.9倍，更进一步地，长度为径向微反应通道15长度的0.1-0.5倍；当导流元件25为半球体、半球面、球面或球体时，其球面直径介于微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口5的直径之间，优选地，其球面直径为微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口5的直径之和的五分之一到五分之四。相邻两个导流元件25之间的距离不小于所述导流元件25的高度。

根据本发明，导流元件25和固定轴24可以采用金属材质管、陶瓷材质管，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属管；每个导流组件16所包括导流元件25的数量可以根据径向微反应通道15的尺寸和实际反应情况来调整，例如可以为3-100个。

根据本发明的一种具体实施方式，所述中心筒8以及所述套筒19均可以由密封连接的顶部密封板、底部密封板和侧壁构成。所述中心筒9的直径与中心管7的直径之比以及所述中心筒8的直径与所述套筒19的直径之比均可以为适合的任意比。

根据本发明，在相同的反应条件和反应器直径下，增加套筒19的数量可以增加反应气体与催化剂的接触时间，降低反应气体流速，从而达到减小压降，提高转化率的作用。可以根据实际反应情况来调整套筒19的数量，所述套筒19的数量可以为1-100个，优选为2-50个，更进一步优选为5-20个。

根据本发明，为了使微通道反应器能够用于催化反应，径向微反应通道15的内表面可以负载有催化活性组分。催化活性组分可以采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分，例如运用于合成气甲烷化反应时，负载的活性组分可以是具有甲烷化反应活性的镍、钌和铑等金属；所述的负载是指可以通过浸渍、离子溅射、涂覆或装填等方法将含有活性组分的催化剂或直接将活性组分负载到微反应通道内。其中，活性金属组分涂覆负载过程可以采用本 领域技术人员所熟知的包括金属基体的预处理和催化剂沉积两个阶段的涂覆方法。

根据本发明，为了保证反应效率，径向微反应通道15的直径可以在2-50毫米之间。微反应通道15的直径可以从微通道反应气体入口5向微通道反应产物出口6的方向逐渐减小(保证微通道反应气体入口5的直径大于微通道反应产物出口6的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)。优选地，微通道反应气体入口5的直径与所述微通道反应产物出口6的直径的比值可以为(1.1-20)：1，进一步优选为(2-10)：1。

根据本发明，为了兼顾反应效率和反应器的温度控制，径向微反应通道15的内部空间的总体积可以为催化反应区的体积的30％-80％，优选为40％-65％。

根据本发明，径向微反应通道15可以为选自锥形管、喇叭形管、y形管和梯形管中的其中一种(分别如图12、图13、图14和图15所示)；应该理解的是，微通道反应气体入口5的直径大于微通道反应产物出口6的直径。锥形管、喇叭形管、y形管和梯形管可以采用金属材质管、陶瓷材质管，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属管。需要说明的是，本领域技术人员常规使用的锥形管是指两端开口的圆台形中空型材，而非轴向截面为锥形的型材。

根据本发明，进气管18的下部可以设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。气体分布器可以采用本领域技术人员所常规使用的，本发明不再赘述，气体分布器优选设置有两个。

根据本发明，环隙14的上端可以为开口并与进气管18流体连通，环隙14的底端可以封闭。

根据本发明，为了防止壳体2的底部过度受热以及阻止中心筒8和套筒19向下移动，催化反应区的底部与壳体2的底面之间可以设置有隔热材料区 12。隔热材料区12内可以放置有本领域技术人员所熟知的单一材质或多种复合材质的隔热球、隔热毡毯或隔热带等隔热材料。

下面将结合附图通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。

实施例1

如图1所示，本实施例所采用的微通道反应器包括径向圆筒形密封承压壳体2、进气管18、出气管23和径向催化反应区。进气管18的上部设置有进气口1，下部设有第一气体分布器3，第一气体分布器3的下方设置有第二气体分布器17。径向催化反应区与壳体2的底面之间设置有由隔热毡毯构成的隔热材料区12。径向催化反应区包括同轴的中心筒8，中心筒8与顶部密封板4、底部密封板10密封连接，中心筒8与壳体2之间具有环隙14，环隙14与进气管18流体联通，中心筒8中心具有中心管7，中心管7与出气管23流体联通。出气管23具有出气口11，穿过并密封连接在壳体2底部以及底部密封板10。中心筒8由若干内表面涂覆有活性催化剂的径向微反应通道15构成。本实施例所采用的径向微反应通道15为锥形管，如图12所示；整个径向催化反应区内锥形管径向微反应通道15的数量为41850根(为清楚显示，未全部示出)。微反应通道15内设置有导流组件16，导流元件25选择的是大小相同的圆锥体，如图9、图20所示。

中心筒8的高度为1500mm，壳体内径为1000mm，中心管直径为200mm，环隙间距为35mm，所采用的锥形管微反应通道长度为365mm，微通道反应气体入口处直径10mm，微通道反应产物出口处直径4mm，导流元件锥体底面直径为3mm，长度为4mm，相邻导流元件间距为5mm，每个导流组件包含35个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)，导流元件通过固定轴固定于反应通道内，所有锥形管的总体积占催化反应单元的体 积的比例为64.2％。

将本实施例提出的反应器应用于煤基合成气甲烷化反应，径向微反应通道内表面负载活性金属nio的量为15.5g/m²。合成气从进气管18进入反应器，径向穿过催化反应区后，在中心管7中汇集，从反应器底部出气管23排出反应器。

进料组成(摩尔体积分数)分别为h2：40.1％、co：8.7％、co2：4.3％、ch4：29.3％、h2o：17.6％，反应进料温度为280℃、进料压力为3.3mpa，进料流量为3500kmol/h。经过微通道反应器后，co转化率为80.3％。不增加导流组件的微通道反应器co转化率为74％，而常规反应器的co转化率为65％。可见，在微通道中增设导流组件能够较大幅度的提高原料转化率。

实施例2

如图3、图4所示，本实施例反应器与实施例1的反应器壳体内径、催化反应区高度、微通道数量等结构参数完全相同。与实施例1的不同之处在于，本实施例中将导流元件25由圆锥体更换成圆锥面，圆锥面也通过固定轴固定，圆锥面尺寸大小与圆锥体相同。该微通道反应器同样可以用于甲烷化反应。与实施例1采用的工艺条件相同，得到的原料转化率与实施保持一致。

实施例3

如图5、图6所示，本实施例反应器与实施例1的反应器壳体内径、催化反应区高度、微通道数量等结构参数完全相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中将导流元件由圆锥体更换成半球面，半球面也通过固定轴固定，球面直径为3mm，两球面间距为5mm，每个导流组件包含38个半球面导流元件，半球面一致凹向中心管方向设置。

将本实施例提出的反应器应用于煤基合成气制低碳烯烃反应(c2^＝-c4^＝)，锥形管中负载活性金属fe的量为11.0g/m²。合成气从进气管18进入反应器，径向穿过催化反应区后，在中心管7中汇集，从反应器底部出气管23排出反应器。

进料组成为h2/co摩尔体积比为2，反应进料温度为340℃、进料压力为2.1mpa，进料流量为2800kmol/h。经过微通道反应器后，co转化率为88.36％，c2^＝-c4^＝选择性为58％。不增加导流组件的微通道反应器co转化率为70％。可见，在微通道中增设导流组件能够较大幅度的提高原料转化率。

实施例4

如图7、图8所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器的不同之处在于，本实施例中在中心筒外设置有两个套筒，两个套筒之间以及内层套筒与中心筒之间形成集流道，整个径向催化反应区内锥形管径向微反应通道15的数量为62812根(为清楚显示，未全部示出)。

两个套筒与中心筒的床层厚度相同(径向距离相同)，在本实施例中集流道宽度为25mm，所采用的锥形管微反应通道长度为105mm，微通道反应气体入口处直径12mm，微通道反应产物出口处直径4mm，导流元件采用半球体，其底面直径为3mm，相邻导流元件间距为5mm，每个导流组件包含7个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)，导流元件通过固定轴固定于反应通道内，所有锥形管的总体积占催化反应单元的体积的比例为42.8％。

将本实施例提出的反应器应用于煤基合成气甲烷化反应，锥形管中负载活性金属nio的量为15.5g/m²。合成气从进气管18进入反应器，径向穿过催化反应单元后，在中心管7中汇集，从反应器底部出气管23排出反应器。

进料组成(摩尔体积分数)分别为h2：40.1％、co：8.7％、co2：4.3％、 ch4：29.3％、h2o：17.6％，反应进料温度为280℃、进料压力为3.3mpa，进料流量为3500kmol/h。经过微通道反应器后，co转化率为86.6％。只有一个中心筒的微通道反应器co转化率为80.3％，不增加导流组件的微通道反应器co转化率为74％，而常规反应器的co转化率为65％。可见，在微通道中增设导流组件能够较大幅度的提高原料转化率，同时随着套筒数量的增加，原料气在微通道中的停留时间相对增加，提高了原料的转化率。

本发明提供的微通道反应器结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、原料转化率高、无气体偏流和短路现象，产物在催化剂表面停留时间短，能及时移除反应热，避免催化剂出现过热区域，延长了催化剂的使用寿命。

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。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。