一种轴向微催化反应单元的制作方法

本实用新型涉及化工机械领域，具体地，涉及一种轴向微催化反应单元。

背景技术：

固定床反应器主要包括轴向固定床反应器和径向固定床反应器两种类型。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、转化率低以及放大效应明显等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小且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，并且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的传热、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、停留时间短以及阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1至3个数量级；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，将微通道反应器在气固相催化反应和液固相催化反应中的应用受到越来越多的关注。公告号为CN202893334U的中国专利，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CN2035404511U、CN103418321B的中国专利，公开了一种通道流速均布的层叠型微通道反应器。将多层的反应板层叠设置，优点在于可以扩大反应规模、提高反应效率且压降低，不足之处在于该微通道反应器不能承受高压。CN104258796A则公开了一种高通量多层螺旋绕管微通道反应器，该反应器具有移热能力强、易于放大和成本低等优势，主要应用于液相反应。

综上所述，现有的微通道反应器还存在无法承受高压、反应效率低和原料停留时间短等不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种轴向微催化反应单元，该轴向微催化反应单元可以解决现有的微通道反应器存在的无法抗高压、反应效率低以及原料停留时间短的技术问题。该轴向微催化反应单元能够用于反应体积变化的反应，通过组件的模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，并且催化剂使用量少，压降低、停留时间短、原料转化率高且无气体偏流和短路现象。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种轴向微催化反应单元，该轴向微催化反应单元包括圆盘体以及轴向贯穿圆盘体的至少一个微反应通道，微反应通道内设置有与该微反应通道同轴的用于增加流体湍动作用的导流组件。

可选地，微反应通道的内表面和/或导流组件的外表面负载有催化活性组分。

可选地，微反应通道内任意一段的直径沿着从微反应通道的上端开口到微反应通道的下端开口的方向逐渐减小或不变；微反应通道的任意横截面的直径在2-55毫米范围内。

可选地，上端开口的直径与下端开口的直径的比值为(1.1-25)：1。

可选地，所有微反应通道的内部空间的总体积为圆盘体的总体积的30-90％。

可选地，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。

可选地，导流组件包括与轴向微反应通道固定连接的固定轴和固定连接在固定轴上的导流元件，导流元件朝向轴向微反应通道的进气方向的一端为凸形。

可选地，导流元件为选自半球体、半球面、球面、球体、实心锥体、锥形面和空心锥体中的至少一种。

可选地，所述实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径以及半球体、半球面、球面和球体的球面直径均小于上端开口的直径与下端开口的直径中的较大者，实心锥体、锥形面和空心锥体的高度不大于微反应通道长度的0.9倍.

可选地，相邻两个导流元件的间距不小于实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径或半球体、半球面、球面和球体的球面直径。

与现有技术相比，本实用新型提供的径向微催化反应单元，具有如下优点：

1、采用涂覆反应活性组分于微通道内表面和/或导流元件的外表面，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1％～85％，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；

2、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；

3、反应物从流体主体到催化活性位之间的扩散阻力几乎为零，提高了反应速率，同时生成的产物能够很快扩散到流体主体，产物在反应器中停留时间较短，延长了催化剂的使用寿命(寿命可以提高15％～60％)，床层压降较同处理量的轴向反应器低(30％～90％)；

4、对于体积缩小的催化反应而言，采用涂覆反应活性催化剂的微通道反应器，随着反应物从喇叭管较大直径端向小直径端流动，反应通道越来越小，增大了体积缩小反应向产物方向转化的推动力，同时流速越来越大，使得产物在微反应通道中的停留时间较短，产生的反应热也很快的被带离催化反应区。对于体积增大的反应而言，反应物从喇叭管较小直径端向大直径端流动，反应通道越来越大，增大了催化反应向产物方向转化的推动力；

5、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。

本实用新型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实用新型的进一步理解，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实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型提供的轴向微催化反应组件的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本实用新型提供的轴向微催化反应组件的具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；

图3是本实用新型提供的轴向微催化反应组件的另一种具体实施方式的结构示意图；

图4是本实用新型提供的轴向微催化反应组件的应用所采用的轴向微催化反应组件的第一种具体实施方式的剖面侧视图(即重叠放置)；

图5是本实用新型提供的轴向微催化反应组件的应用所采用的轴向微催化反应组件的另一种具体实施方式的剖面侧视图(即并列放置)；

图6是本实用新型提供的轴向微催化反应组件的应用所采用的轴向微催化反应组件的另一种具体实施方式的剖视图(即图5中A-A面的剖视图)；

图7是本实用新型提供的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8是本实用新型提供的喇叭管微通道的剖视图(即图7中B-B面的剖视图)。

图9是本实用新型提供的喇叭管微通道的剖视图(即图7中C-C面的剖视图)；

图10是本实用新型提供的轴向微催化反应组件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11是本实用新型提供的轴向微催化反应组件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12是本实用新型提供的轴向微催化反应组件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13是本实用新型提供的轴向微催化反应组件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14是实用新型提供的轴向微催化反应组件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15本实用新型提供的轴向微催化反应组件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16本实用新型提供的轴向微催化反应组件所采用的导流组件的一种具体实施方式(球面)的示意图；

图17本实用新型提供的轴向微催化反应组件所采用的导流组件的一种具体实施方式(球体)的示意图；

图18本实用新型提供的轴向微催化反应组件所采用的导流组件的一种具体实施方式(实心锥体)的示意图；

图19本实用新型提供的轴向微催化反应组件所采用的导流组件的一种具体实施方式(锥形面)的示意图；

图20本实用新型提供的轴向微催化反应组件所采用的导流组件的一种具体实施方式(空心锥体)的示意图。

附图标记说明

1 顶部密封板 2 侧壁

3 微反应通道的上端开口 4 微反应通道的下端开口

5 底部密封板 6 微反应通道

7 导流组件 8 固定轴

9 导流元件 10 圆盘体

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指本实用新型所述的轴向微催化反应单元在正常使用状态下的上和下，具体可以参考图1的图面方向。

本实用新型提供一种轴向微催化反应单元，该轴向微催化反应单元包括圆盘体10以及轴向贯穿圆盘体10的至少一个微反应通道6，微反应通道6内设置有与该微反应通道6同轴的用于增加流体湍动作用的导流组件7。

根据本实用新型，圆盘体10可以由密封连接的顶部密封板1、底部密封板5和侧壁2构成，其内可以空心，可以实心，只要能够容纳微反应通道6即可。

根据本实用新型，为了使所述径向微催化反应单元能够用于反应，微反应通道6的内表面和/或导流组件7的外表面可以负载有催化活性组分。所述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，例如将径向微催化反应单元用于甲烷化反应时，可以负载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。

许多气相化学反应伴随体积的变化，即体积增大或体积减小，为了增加这些反应的速率，微反应通道的直径可以变化或不变，例如逐渐增大或逐渐减小或保持不变。根据本实用新型，微反应通道6内任意一段的直径沿着从微反应通道6的上端开口3到微反应通道6的下端开口4的方向可以逐渐减小或不变(保证上端开口3的直径大于下端开口4的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)；为了增加反应的效率，微反应通道6的任意横截面的直径可以在2-55毫米的范围内；微反应通道6的上端开口3的直径与微反应通道6的下端开口4的直径的比值可以为(1.1-25)：1。

其中，本实用新型所述的“上端”和“下端”指的是该轴向微催化反应单元在正常使用状态下的，微反应通道6的上端和下端，具体可以参考图1的图面方向；所述“横截面”为垂直于微反应通道6轴向的截面方向。

根据本实用新型，由于化学反应大都具有放热或吸热效应，为了兼顾反应效率和温度控制，所有微反应通道6的内部空间的总体积可以为圆盘体10的总体积的30-90％。

根据本实用新型，微反应通道6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10、图11、图12和图13所示)。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。

根据本实用新型，为了提高原料气的转化率，在径向微反应通道6内设置有增加流体湍动作用的导流组件7，导流组件7可以包括与轴向微反应通道6固定连接的固定轴8和固定连接在固定轴8上的导流元件9，如图7、图8、图9所示。在同一导流组件7中使用的导流元件9的大小可以是从微反应通道6的上端开口3到微反应通道6的下端开口4的方向逐渐减小，也可以逐渐增大，也可以不变，优选的同一导流组件7使用的导流元件9大小相同。导流元件9朝向微反应通道6的进气方向的一端可以为凸形，例如可以为选自半球体、半球面、球面和球体、实心锥体、锥形面和空心锥体中的至少一种(分别如图14、图15、图16、图17、图18、图19和图20所示)。

根据本实用新型，进一步地，导流元件9为实心锥体、锥形面和空心锥体时，其底面直径优选均小于上端开口3的直径与下端开口4的直径中的较大者，相邻两个导流元件9的间距优选地可以不小于所述实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径；导流元件9为半球体、半球面、球面和球体时，其球面直径优选均小于上端开口3的直径与下端开口4的直径中的较大者，实心锥体、锥形面和空心锥体的高度优选不大于微反应通道6长度的0.9倍，相邻两个导流元件9的间距优选地可以不小于所述半球体、半球面、球面和球体的球面直径。

根据本实用新型，导流元件9和固定轴8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7所包括导流元件9的数量可以根据径向微反应通道6的尺寸和实际反应情况来调整，例如可以为3-100个。

本实用新型提供的轴向微催化反应单元可以用于催化反应，具体地，该用途包括将至少一个所述轴向微催化反应单元用于催化反应，更优选的，可以将多个微催化反应单元用于催化反应，其组合方式可以为并列和/或重叠。

需要说明的是，当多个轴向微催化反应单元并列地用于催化反应时，它们的微反应通道上方开口之间直接流体连通，微反应通道下方开口之间直接流体连通，但是微反应通道上方开口与微反应通道下方开口之间仅仅通过微反应通道流体连通(如图5所示)；而当多个轴向微催化反应单元重叠地用于催化反应时，相邻的上层轴向微催化反应单元的微反应通道下方开口与相邻的下层的轴向催化反应单元的微反应通道上方开口直接流体连通。

其中，当本实用新型的轴向微催化反应单元用于体积增大的反应时，所述微反应通道上端开口3与下端开口4中直径较小者可以为反应气体入口。如图3所示，气体可以从微反应通道上端开口3进入微反应通道6进行体积增大的反应，反应产物可以从微反应通道下端开口4离开轴向微催化反应单元。

当本实用新型的轴向微催化反应单元用于体积减小的反应时，所述微反应通道上端开口3与下端开口4中直径较大者可以为反应气体入口。如图1所示，气体可以从微反应通道上端开口3进入微反应通道6进行体积减小的反应，反应产物可以从微反应通道下端开口4离开轴向微催化反应单元。

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

实施例1

如图1和图2所示，本实施例所采用的轴向微催化反应单元包括由顶部密封板1、底部密封板5和侧壁2构成的圆盘体10。圆盘体10的上下通过微反应通道6流体连通。如图11所示，所述喇叭形管结构的微反应通道6，管壁涂覆有甲烷化反应活性组分镍，两端分别与圆盘体10的顶部密封板和底部密封板密封连接。所述微反应通道6内设置有导流组件7，导流组件7包含固定轴8和导流元件9，导流元件9选择的是大小相同的半球面，如图15所示。

轴向微催化反应单元高度100mm，圆盘体直径为340mm，所采用的喇叭形管微反应通道长度为100mm，喇叭形管入口处直径10mm，出口处直径4mm，所有喇叭形管微反应通道的总体积占圆盘体体积的比例为51.6％。导流元件半球面直径为3mm，相邻导流元件间距为5mm，每个导流组件包含9个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)，半球面导流元件的球缺方向与原料气的流动方向一致。

喇叭管中负载活性金属镍量为30g/m²。该轴向微催化反应单元可以用于甲烷化反应。合成气从涂覆有镍催化活性组分的微反应通道上方开口3进入，在镍催化活性组分表面发生甲烷化反应，反应产物从微反应通道下方开口4离开轴向微催化反应单元。合成气甲烷化反应是一个体积缩小的快速放热反应，合成气从上向下流动，反应通道逐渐变小，气体流速逐渐变大。半球面导流元件的添加，增加了反应物流的湍动作用，提高了反应原料作用于催化活性位的概率。同时，还缩短了产物在催化反应区的停留时间，能迅速移走产生的大量反应热，增加了甲烷合成的反应推动力，提高了原料气的转化率。在相同的反应条件下，CO转化率从常规轴向反应器的62％增加到本实施例所用微催化反应单元的68％。同时反应器可以采用冷壁形式，降低反应器材质等级。

实施例2

如图3所示，实施例2与实施例1的区别在于，将实施例1所示的微通道倒置，而导流组件位置固定不变。喇叭形管入口处直径4mm，出口处直径10mm，该类反应器适用于反应体积增加的化学反应，如环己烷脱氢、乙苯脱氢以及氨分解等反应。

将该轴向微催化反应单元用于环己烷脱氢反应。环己烷脱氢反应是一个体积增加的吸热反应，环己烷从轴向微催化反应单元上方进入内表面涂覆有铂金属的喇叭形管，在铂金属催化活性位上发生脱氢反应，从产物出口离开喇叭形管。环己烷从上向下流动，反应通道逐渐变大，增加了环己烷脱氢的反应推动力。用于脱氢反应的铂活性中心转换频数(TOF)由传统固定床的1.5增加到本实施例的29，提高了单位活性组分的使用效率，环己烷的转化率由41％增加到了62％。可见，使用该微催化反应单元能够极大程度的提高环己烷转化率。

实施例3

如图4所示，实施例3所采用的是实施例1中提出的微催化反应单元，其数量为3个，呈重叠方式排列，相邻的轴向微催化反应单元的侧面密封连接。

本实施例采用的集成化轴向微催化反应单元可以应用于合成气甲烷化反应。表1中给出的是本实用新型采用的集成化的轴向微催化反应单元的反应器与常规轴向固定床反应器对比情况。两种反应器催化反应区具有相同尺寸，从目标产物的选择性、使用寿命、床层压降以及活性金属Ni的用量四个指标可以看出，微通道反应器都表现出了较为优异的性能。

表1集成化的微通道模块化反应器与轴向反应器对比表

实施例4

如图5和图6所示，实施例4所采用的是实施例1中提出的轴向微催化反应单元，其数量为4个，采用2×2正方形排列。与实施例1的区别在于，轴向微催化反应单元的顶部密封板和底部密封板均密封连接。

本实施例采用的集成化微催化反应单元可以应用于合成气甲烷化反应。表2中给出的是本实用新型采用的轴向微催化反应单元反应器与常规轴向反应器对比情况。两种反应器催化反应区具有相同尺寸，从目标产物的选择性、使用寿命、床层压降以及活性金属Ni的用量四个指标可以看出，轴向微催化反应单元反应器都表现出了较为优异的性能。

表2集成化的微通道模块化反应器与轴向反应器对比表

根据实际的工业生产能力要求，在微反应通道内涂覆满足具体化学反应的活性金属，通过具有功能化的微催化反应单元模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，可以缩短设备的加工时间，降低反应器生产成本。

本实用新型提供的微催化反应单元结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、无明显放大效应、单位体积反应组件生产强度大，可通过组件的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，同时缩短反应器的设计、加工时间。

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

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

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