CN106076220A - 一种气固相微反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于能源、化工以及动力领域需要换热催化反应的气固相微反应器,包括反应主体区，反应主体区具有至少一个反应单元，该反应单元包括依次叠合在一起的加热或冷却介质层、催化剂填充层、进出气网孔层以及反应及产物介质层。本发明的微反应器换热效率好，产物效率高，特别是反应单元采用微通道结构时，更有利于反应效率和换热效果的提高。

Description

一种气固相微反应器

技术领域

本发明涉及一种微反应器，具体涉及一种应用于能源、化工以及动力等领域中需要换热催化反应的气固相微反应器。

背景技术

随着人类环境保护意识的不断提高，能源问题被越来越多的人重视。氢能作为一种可再生能源，以其高效和无污染的优势，被广泛应用于各种环境。制氢有很多方法，甲醇重整制氢只是众多制氢方法中的一种，但由于原料成本较低，能量密度高，反应温度和产物CO浓度较低的原因，使其在制氢领域中被广泛应用。重整制氢采用气固相微反应器完成，传统的气固反应制氢装置储存、携带、充注难度较大而且存在较大的安全隐患。近年来，微反应器以其高效便捷，被越来越多的人关注。微反应器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于化学反应的三维结构单元，通常是指含有流体通道当量直径小于10-1000μm的微反应器。在这种狭窄的流体通道中，动边界层厚度大大减小，平均热、质散距离大幅度缩短，使得微通道内的燃料重整能够利用快速表面反应动力学的固有特性，通过微通道表面形成的高活性催化剂达到加快催化反应的目的。

公开号为CN104671204A的中国专利申请公开了一种层叠式双面多蛇形微通道重整制氢微反应器，这种微反应器包括上盖板、下盖板以及之间的蒸发板、多块上重整板和下重整板，在蒸发板、上重整板以及下重整板的侧表面安装有加热棒，上重整板和下重整板上表面中心均设置有反应腔，反应腔中安装有反应载体薄板，薄板上表面和下表面以上下对称开有多个蛇形微通道的凹槽结构。

上述技术方案在实际使用中存在缺陷：1、此微反应器采用加热棒对微反应器进行加热，存在传热效率低，温度分布不均匀的现象，由此导致制氢过程中重整反应的不均匀性；2、反应载体薄板为双面蛇形通道，当甲醇蒸汽流过下半部分通道时，由于重力作用，甲醇蒸汽不能全部与催化剂载体接触，造成氢气纯度较低；3、蛇形催化剂附着通道的长度过长，导致制氢效率较低；4、整体连接方式依靠螺栓固定连接，导致整体密封性较差，容易造成氢气或甲醇蒸汽的泄露。

因此，目前的重整制氢微反应器存在着传热效率低、产物纯度低、密封效果差以及产物效率低等问题。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种气固相微反应器，以解决现有技术中气固相微反应器传热效率低、产物纯度低、密封效果差以及产物效率低的问题。

为此，本发明采用的技术方案如下：

一种气固相微反应器,包括反应主体区，其特征在于，反应主体区具有至少一个反应单元，该反应单元包括依次叠合在一起的加热或冷却介质层、催化剂填充层、进出气网孔层以及反应及产物介质层。

加热或冷却介质层呈薄板状，包括介质进口、内部流体通道和介质出口，内部流体通道与所述介质进口和介质出口相连通。

该加热或冷却介质层还设置有多个间隔布置的突筋，这些突筋平行间隔布置，在突筋之间以及突筋与加热或冷却介质层边框间形成内部流体通道。

该加热或冷却介质层还包括分布在内部流体通道内的扰流结构，该扰流结构为圆形、椭圆形、三角形或其他多边形凸起。

催化剂填充层呈薄板状，包括催化剂填充进口、连通催化剂填充进口的催化剂填充通道，以及设于催化剂通道的内部支撑结构。

催化剂填充通道侧壁及内部支撑结构体积之和占总体催化剂填充空间的比例不超过50％。内部支撑结构为圆形、椭圆形、三角形或其他多边形凸起。

反应及产物介质层呈薄板状，包括反应介质进口、连通反应介质进口的反应介质槽道、产物介质出口和连通于产物介质出口的产物介质槽道；反应介质槽道和产物介质槽道之间互不连通。

反应介质进口与反应介质槽道之间、产物介质出口与产物介质槽道之间设置多个圆形、椭圆形、三角形或其他多边形凸起。

进出气网孔层由多排进气网孔和出气网孔组成，相同作用的网孔之间间隔排布，每排网孔的排布与反应介质槽道或产物介质槽道对应。

进出气网孔层内部网孔直径小于催化剂的颗粒直径，进气网孔或出气网孔通道宽度小于或等于反应或产物介质层中相对应的反应介质槽道或产物介质槽道的宽度。

反应主体区还包括在反应单元的各层叠合方向上封装至少一个反应单元的至少一块前边板和至少一块后边板。

反应主体区还包括在至少一个反应单元的各层叠合方向垂直方向上封装至少一个反应单元的密封盖。

在反应主体区的前边板上的一对对角位置设置有反应物或产物进出口，而另一对对角位置处设置加热或冷却介质进出口。

在前边板和后边板上还设置有密封固定支架，在密封固定支架和密封盖对应位置设置有用于螺栓联接密封的螺栓孔。

反应主体区通过扩散焊接加工而成。

加热或冷却介质层、催化剂填充层和反应及产物介质层中至少一个为微通道结构。

由于本发明采用以上结构，增加了换热效果，提高了产物效率。同时，制造方便，互换性好，提高了密封性。

本发明技术方案，具有如下优点：

(1)本发明生成物反应单元互相独立，可根据实际需求在不改变外观结构的同时，只进行层数的变更，降低二次开发成本的同时，使其使用更具有一定的互换性；

(2)本发明反应主体区采用一体化设计，通过扩散焊接加工而成，不使用任何焊料，无接触热阻，从而更加有利于热的传导。另外扩散焊接使板片结合更为牢固，具有更好的承压性能。

(3)在优选实施方式中，采用微槽道和微通道设计，能有效增加反应介质与传热介质间的换热面积，从而提高换热效率，从而提高反应效率；

(4)本发明带有扰流结构，在增加换热面积的同时增加了流体的扰动，从而进一步提高了换热效率；

(5)本发明单路接口、进出口位置可根据实际需求进行调整，使其具有更强的兼容性；

(6)本发明催化剂填充口依靠外部可拆卸边板进行密封，使催化剂的更换更加便捷；

(7)在优选实施方式中，微槽道和微通道的结构设计，使其整体尺寸更加紧凑，方便携带。在新能源汽车电池等应用领域，减小体积的同时，自身重量也有很大程度的降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器整体分解透视图；

图2为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的反应主体区分解透视图；

图3为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的反应单元部分透视图；

图4为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的前边板及出入口接管透视图；

图5为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的加热或冷却介质层透视图；

图6为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的第一催化剂填充层的透视图；

图7为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的反应及产物介质层透视图；

图8为本发明具体实施方式提供的气固相微反应器的网孔层平面图；

图9为图8中局部网孔放大视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

下面针对本发明优选的实施方式对发明进行描述。

如图1和图2所示，图1为本发明气固相微反应器分解透视图，图2为反应主体区分解透视图。在图1中，反应主体区5由若干依次叠放的薄板状件组成，在主体区上下各安装密封盖4。参见图2，从左至右依次为反应主体区前边板6、加热或冷却介质层7、第一催化剂填充层8、第二催化剂填充层9、进出气网孔层10、反应及产物介质层11以及反应主体区后边板12。前后边板可根据微反应器大小来设定数量。再来参见图1，在反应主体区前边板6上的一对对角位置，设置有反应物或产物进出口1，而另一对对角位置处设置加热或冷却介质进出口2，所谓一对进出口是指一个为进口，则另一个为出口，两者可互调。进出口也可以设置在后边板四角，只要保证设置在对角即可。设置在板四角位置有利于充分利用微反应器空间。在前边板和后边板上还设置有密封固定支架3。在固定支架3和密封盖4对应位置设置有螺栓孔，便于螺栓联接密封。

图3为反应单元一部分的透视图。在图3中，叠合在一起的加热或冷却介质层7、第一催化剂填充层8、第二催化剂填充层9、进出气网孔层10、反应及产物介质层11构成反应单元，反应单元加上前边板6和后边板12即构成本发明微反应器反应主体区。反应物沿着图中箭头所指方向从反应物介质槽道进入，从产物介质槽道出，期间经过催化剂填充通道。其中反应单元的单元数可根据产物生成速率要求作出调整，但至少为一个单元。本实施方式为了清楚描述，选择了一个反应单元，同时，为了保证催化剂填充率，催化剂填充层由第一催化剂填充层和第二催化剂填充层组成。

为了对本发明作进一步的了解，现将微反应器各组成部分结构详细介绍如下。

参见图4，图4为前边板及出入口接管透视图。前后边板厚度及外形尺寸可根据实际需求进行改变，接管位置和尺寸也可根据实际作出调整。

下面依次介绍反应单元组成结构。

首先描述加热或冷却介质层。参见图5，图5为加热或冷却介质层图。加热或冷却介质层7设置介质进口13、内部流体通道14和介质出口16。内部流体通道14与介质进口13和介质出口16连通。还设置多个间隔布置的突筋14’，这些突筋14’平行间隔布置，在突筋14’之间以及突筋14’与加热或冷却介质层边框间形成内部流体通道14。在内部流体通道14分布内部扰流结构15。内部扰流结构15可设计成圆形、椭圆形、三角形或其他多边形的小凸起，这些扰流结构既起到扰流作用同时也起到支撑作用。

在加热或冷却介质层对面，设置第一催化剂填充层，第一催化剂填充层详细结构参见图6。本实施方式为保证催化剂填充量，催化剂填充单元由两个薄板状催化剂填充层对扣而成，即催化剂填充层由第一催化剂填充层8和第二催化剂填充层9对扣而成。每个催化剂填充层由催化剂填充进口17、催化剂填充通道18和内部支撑结构19组成。催化剂填充通道18为凹槽结构，内部支撑结构19也是圆形、椭圆形、三角形或其他多边形的小凸起。为保证催化剂填充量，催化剂填充通道侧壁及支撑结构体积占总体催化剂填充空间的比例不易超过50％。

紧挨着催化剂填充层的是反应及产物介质层。图7是反应及产物介质层透视图。反应及产物介质层11由反应介质进口20、连通于反应介质进口20的反应介质槽道23、产物介质出口22以及连通于产物介质出口22的产物介质槽道21组成。反应介质槽道23和产物介质槽道21之间互不连通，并且交替设置，当然也可以采用不交替的其他方式设置。在槽道与进出口之间均设置多个圆形、椭圆形、三角形或其他多边形的小凸起，起到扰流作用。

反应单元中的反应空间由相互对应的反应及产物介质层的反应介质槽道23、进出气网孔层的进气网孔及催化剂填充层的催化剂填充通道18组成；产物空间由相互对应的反应及产物介质层的产物介质槽道21、进出气网孔层的出气网孔及催化剂填充层的催化剂填充通道18组成。加热或冷却介质层与催化剂填充层相邻，以保证反应温度。

参见图8，图8为网孔层平面图。网孔层由多条进气网孔和出气网孔组成，相同作用的网孔之间间隔排布，每排网孔的排布与反应介质槽道或者产物介质槽道对应。为保证整体厚度和网孔尺寸，网孔板厚度不易超过0.5mm。

参见图9，图9为局部网孔放大图。为保证催化剂不会通过网孔漏入反应及产物介质层，网孔层内部网孔直径d要小于催化剂的颗粒直径。进气网孔或出气网孔通道宽度b要求小于或等于反应或产物介质层中反应介质槽道或产物介质槽道。

以上对微反应器各个组成部分进行了介绍，需要注意的是，本发明微反应器中反应单元是微通道结构，即加热或冷却介质层、催化剂填充层和反应及产物介质层中至少一个为微通道结构。

本发明所涉及的微反应器主要采用不锈钢、钛或者其他不与原料及产物反应的材质，加热或冷却介质通常采用导热油或其他介质，反应物可根据生成物需要进行选择。下面以甲醇重整制氢为例对反应原理进行介绍，在甲醇重整制氢中，反应物为甲醇蒸汽，加热物质为导热油，催化剂为铜基催化剂，反应产物为氢气及少量CO。

本发明使用过程如下：甲醇蒸汽通过反应物进口进入反应物及产物介质层，而后通过进出气网孔层进入催化剂单元，经过催化反应生成的产物氢气及少部分的CO气体再次通过网孔层进入反应物及产物介质层中的产物介质槽道，然后汇集到产物出口流出。另一方面用来保证反应温度的导热油由加热或冷却介质进口进入加热或冷却介质层，在与催化反应换热后汇集至加热或冷却介质出口流出。

本发明所涉及的微反应器，能有效解决能源、动力、化工等领域中反应容器大，操作繁琐、互换性差的问题。特别是在新能源电池领域，高效的反应速率能有效保证后续反应的进行，同时自身容积和重量的优势，也使其能很好地解决发电系统体积重量过大的问题。同时，在普通领域，其材料、外形尺寸以及核心单元数的可变更性，使其应用领域得到了很大程度的拓宽。

本发明实施方式仅以制氢为例，气固相微反应器可用于其他气固相反应。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (18)

1.一种气固相微反应器,包括反应主体区，其特征在于，反应主体区具有至少一个反应单元，所述反应单元包括依次叠合在一起的加热或冷却介质层、催化剂填充层、进出气网孔层以及反应及产物介质层。

2.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述加热或冷却介质层呈薄板状，包括介质进口、内部流体通道和介质出口，所述内部流体通道与所述介质进口和介质出口相连通。

3.根据权利要求1或2所述的微反应器，其特征在于，所述加热或冷却介质层还设置有多个间隔布置的突筋，这些突筋平行间隔布置，在突筋之间以及突筋与加热或冷却介质层边框间形成内部流体通道。

4.根据权利要求1到3任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述加热或冷却介质层还包括分布在所述内部流体通道内的扰流结构。

5.根据权利要求4所述的微反应器，其特征在于，所述扰流结构为圆形、椭圆形、三角形或其他多边形凸起。

6.根据权利要求1到5任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述催化剂填充层呈薄板状，包括催化剂填充进口、连通所述催化剂填充进口的催化剂填充通道，以及设于所述催化剂通道的内部支撑结构。

7.根据权利要求6所述的微反应器，其特征在于，所述催化剂填充通道侧壁及所述内部支撑结构体积之和占总体催化剂填充空间的比例不超过50％。

8.根据权利要求6或7所述的微反应器，其特征在于，所述内部支撑结构为圆形、椭圆形、三角形或其他多边形凸起。

9.根据权利要求1到8任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述反应及产物介质层呈薄板状，包括反应介质进口、连通所述反应介质进口的反应介质槽道、产物介质出口和连通于所述产物介质出口的产物介质槽道；所述反应介质槽道和所述产物介质槽道之间互不连通。

10.根据权利要求9所述的微反应器，其特征在于，所述反应介质进口与所述反应介质槽道之间、产物介质出口与产物介质槽道之间设置多个圆形、椭圆形、三角形或其他多边形凸起。

11.根据权利要求1到10任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述进出气网孔层由多排进气网孔和出气网孔组成，相同作用的网孔之间间隔排布，每排网孔的排布与所述反应介质槽道或所述产物介质槽道对应。

12.根据权利要求1到11任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述进出气网孔层内部网孔直径小于催化剂的颗粒直径，进气网孔或出气网孔通道宽度小于或等于反应或产物介质层中相对应的反应介质槽道或产物介质槽道的宽度。

13.根据权利要求1到12任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述反应主体区还包括在所述反应单元的各层叠合方向上封装所述至少一个反应单元的至少一块前边板和至少一块后边板。

14.根据权利要求1到13任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述反应主体区还包括在所述至少一个反应单元的各层叠合方向垂直方向上封装所述至少一个反应单元的密封盖。

15.根据权利要求13或14所述的微反应器，其特征在于，在所述反应主体区的前边板上的一对对角位置设置有反应物或产物进出口，而另一对对角位置处设置加热或冷却介质进出口。

16.根据权利要求13到15任何之一所述的微反应器，其特征在于，在所述前边板和所述后边板上还设置有密封固定支架，在所述密封固定支架和所述密封盖对应位置设置有用于螺栓联接密封的螺栓孔。

17.根据权利要求1到16任何之一所述的微反应器，其特征在于，所述反应主体区通过扩散焊接加工而成。

18.根据权利要求1到17任何之一的微反应器，其特征在于，所述加热或冷却介质层、催化剂填充层和反应及产物介质层中至少一个为微通道结构。