CN106582467A - 一种径向微通道耦合反应器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向微通道耦合反应器及应用，该反应器包括筒形密封承压壳体、两种原料气进出口、设置在所述壳体内的径向催化反应区，径向催化反应区由若干内、外表面涂覆有催化活性组分的径向微反应通道构成。本发明提供的径向微通道耦合反应器能够在一个反应器内实现放热和吸热两种反应，尤其适用于其中一种具有明显体积变化的催化反应。将放热和吸热反应集成在同一个反应器中进行，简化了原有工艺流程，降低了设备成本。另外，该反应器催化剂活性组分使用量少，空间利用率、能量利用率以及原料转化率高。

Description

一种径向微通道耦合反应器及应用

技术领域

本发明涉及一种径向微通道耦合反应器及应用。

背景技术

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。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，基于吸热或放热反应的耦合反应器受到越来越多的关注。公告号为CN203425799U的中国专利把丁烯异构反应和换热进行集成，制成耦合反应器，增强了换热效果，降低了反应压降，有效解决高温膨胀问题。梅红等(用于吸/放热反应耦合的金属基整体式催化反应器性能模拟[J].化工学报,2006,57(8):1904-1910.)针对甲烷催化燃烧和甲烷水蒸气重整反应耦合进行研究，指出吸热侧和放热侧入口气体速度、温度以及组成变化对耦合反应器性能影响很大。

因此，提高单位体积催化剂生产强度、减小反应器的设备尺寸、缩短气体在催化剂表面停留时间、降低反应器压降损失、提高反应物的转化效率、充分延长催化剂的使用寿命、满足反应器大型化的需求仍然是目前亟待解决的技术问题，同时也是未来径向固定床反应器的发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种径向微通道耦合反应器及应用，该反应器能够将放热和吸热反应集成在一个反应器中，尤其适用于其中一种催化反应有明显反应体积变化的情况。此外，该反应器还具有催化剂活性组分使用量少、压降低、停留时间短、空间利用率高、转化率高等特点。

为了实现上述目的，根据本发明第一方面：提供一种径向微通道耦合反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的1#直管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的2#直管、以及设置在所述壳体内所述1#直管下方所述2#直管上方的径向催化反应单元；所述径向催化反应单元包括中心筒，该中心筒具有中心管，中心管的上端与中心筒的顶部密封板的下表面密封连接，中心管的下端密封穿透中心筒的底部密封板并与2#直管直接流体连通；中心筒的筒外壁与中心管的管壁之间具有多个径向设置的径向微反应通道，并且中心筒的筒体外与中心管的管内仅通过该径向微反应通道流体连通；中心筒的筒外壁与壳体的内壁之间形成有环隙；1#直管通过其下方的环隙与各径向微反应通道的外侧口流体连通，各径向微反应通道的内侧口通过中心管与2#直管流体连通；由中心筒的各内壁、中心管的外壁及各微反应通道的外壁共同形成有一中心筒腔室；壳体的上部或顶部壳体上具有至少一个3#开口，该3#开口通过管线与所述中心筒腔室流体连通；壳体的底部壳体上具有至少一个4#开口，该4#开口通过管线与所述中心筒腔室流体连通。

优选地，所述径向催化反应单元还包括套设在中心筒外的至少一个套筒；中心筒的筒外壁与最内的套筒的筒内壁之间以及相邻两个套筒的筒壁之间通过挡板流体隔绝并隔离出集流道和分流道；最外层的套筒的外壁与壳体的内壁之间形成有所述环隙；每个套筒外筒壁和内筒壁之间均具有多个径向设置的径向微反应通道，并且套筒的套筒内外仅通过该径向微反应通道流体连通；1#直管通过其下方的分流道或环隙与中心筒或各套筒的各径向微反应通道的外侧口流体连通，各套筒或中心筒的各径向微反应通道的内侧口通过集流道或中心管与2#直管流体连通；由套筒的各内壁及各微反应通道的外壁共同形成有一套筒腔室，该套筒腔室的上部通过管线与所述3#开口流体连通，套筒腔室的下部通过管线与所述4#开口流体连通。

优选地，所述套筒的数量为1-100个。

优选地，所述径向微反应通道的内表面和外表面分别负载有催化活性组分；活性组分可以相同，也可以不同；所述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，所述径向微反应通道的直径在2-50毫米之间。

优选地，所述径向微反应通道的直径从外侧口向内侧口的方向逐渐减小。

优选地，所述外侧口的直径与所述内侧口的直径的比值为(2-20)：1。

优选地，所径向述微反应通道的内部空间的总体积为所述径向催化反应单元的体积的30％-80％。

优选地，所述径向催化反应单元的底部与所述壳体的底部之间设置有隔热材料区。

根据本发明第二方面：提供本发明第一方面所提供的一种径向微通道耦合反应器的应用，该应用包括：将第一反应原料通过1#直管通入所述反应器中，使所述第一反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道的负载有第一催化剂的内表面在第一反应条件下进行第一反应，并将得到的第一反应产物通过所述2#直管引出；或者，将第一反应原料通过2#直管通入所述反应器中，使所述第一反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道的负载有第一催化剂的内表面在第一反应条件下进行第一反应，并将得到的第一反应产物通过所述1#直管引出；并且将第二反应原料通过3#开口通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道的负载有第二催化剂的外表面在第二反应条件下进行第二反应，并将得到的第二反应产物通过所述4#开口引出；或者，将第二反应原料通过4#开口通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道的负载有第二催化剂的外表面在第二反应条件下进行第二反应，并将得到的第二反应产物通过所述3#开口引出。

优选地，所述第一反应和所述第二反应其中一种为放热催化反应，另一种为吸热催化反应；所述催化反应可以是气相/气相反应，也可以是气相/液相反应。

优选地，所述第一反应的过程中反应物料的体积变化大于所述第二反应的过程中反应物料的体积变化。

优选地，当所述第一反应为体积增大的反应时，所述径向微反应通道的直径较小的内侧口为反应气体入口；当所述第一反应为体积减小的反应时，所述径向微反应通道的直径较大的外侧口为反应气体入口。

优选地，所述第一反应为选自甲烷化反应、甲烷水蒸气重整制氢反应、甲醇制氢、乙醇制氢、环己烷脱氢、乙苯脱氢、氨分解反应、费托合成、甲烷二氧化碳重整反应、甲醇制烯烃、乙烯气相水合反应和二氧化硫氧化制三氧化硫反应中的其中一种；第二反应为选自水煤气变换反应、逆水煤气变换反应、甲烷催化燃烧反应、甲醇脱水反应和乙醇异构化反应中的其中一种。

与现有技术相比，本发明提供的一种径向微通道耦合反应器及应用具有如下优点：

1、本发明提出的径向微通道耦合反应器将放热催化反应和吸热催化反应进行耦合，放热反应为吸热反应提供热量，同时增大了放热反应和吸热反应的推动力，保证了转化率。另外，将放热和吸热反应集成在同一个反应器中进行，简化了原有工艺流程，降低了设备成本；

2、对于化学反应过程中体积有明显变化的催化反应在微通道内表面进行；化学反应过程中体积没有明显变化的催化反应在微通道外表面进行。对于体积缩小的化学反应，在负载催化活性组分的微反应通道内表面进行反应，随着反应物从微反应通道较大直径端向小直径端流动，反应通道越来越小，增大了化学反应向产物方向转化的推动力，同时气体流速越来越大，使得气体在微反应通道中的停留时间较短；对于体积增大的化学反应，随着反应物从微反应通道较小直径端向大直径端流动，反应通道越来越大，增大了化学反应向产物方向转化的推动力，促进了化学反应的进行；

3、将催化活性组分负载于微反应通道内表面和外表面，活性组分使用量为同等处理能力常规固定床反应器所用量的5％-25％，有效地降低了催化剂生产成本；

4、由于反应气体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％-20％)，床层压降较同处理量的轴向反应器低(50％-85％)；

5、该径向微通道耦合反应器由若干大小相同的微反应通道构成的反应区域，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；

6、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；

7、可以广泛运用于甲烷化反应、甲烷水蒸气重整制氢反应、甲醇制氢、乙醇制氢、环己烷脱氢、乙苯脱氢、氨分解反应、费托合成、甲烷二氧化碳重整反应、甲醇制烯烃、乙烯气相水合反应、二氧化硫氧化制三氧化硫反应、水煤气变换反应、逆水煤气变换反应、甲烷催化燃烧反应、甲醇脱水反应和乙醇异构化反应等放热或吸热催化反应。

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是本发明提供的径向微通道耦合反应器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的径向微通道耦合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是本发明提供的径向微通道耦合反应器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明提供的径向微通道耦合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是本发明提供的径向微通道耦合反应器的第三种具体实施方式的结构示意图；

图6是本发明提供的径向微通道耦合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是本发明提供的径向微通道耦合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8是本发明提供的微通道耦合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9是本发明提供的径向微通道耦合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10是本发明提供的径向微通道耦合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。

附图标记说明

1 壳体 2 1#直管 3 2#直管 4 中心筒 5 套筒

6 中心管 7 集流道 8 分流道 9 环隙 10 径向微反应通道

11外侧口 12内侧口 13 隔热材料区 14 第一气体分布器

15 第二气体分布器 16 挡板 17 3#开口 18 4#开口

19 中心筒腔室 20 套筒腔室

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。

本发明第一方面：提供一种径向微通道耦合反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体1、从所述壳体1顶部伸入到壳体内部的1#直管2、从所述壳体1底部伸入到壳体内部的2#直管3、以及设置在所述壳体1内所述1#直管2下方所述2#直管3上方的径向催化反应单元；所述径向催化反应单元包括中心筒4，该中心筒4具有中心管6，中心管6的上端与中心筒4的顶部密封板的下表面密封连接，中心管6的下端密封穿透中心筒4的底部密封板并与2#直管3直接流体连通；中心筒4的筒外壁与中心管6的管壁之间具有多个径向设置的径向微反应通道10，并且中心筒4的筒体外与中心管6的管内仅通过该径向微反应通道10流体连通；中心筒4的筒外壁与壳体1的内壁之间形成有环隙9；1#直管2通过其下方的环隙9与各径向微反应通道10的外侧口11流体连通，各径向微反应通道10的内侧口12通过中心管6与2#直管3流体连通；由中心筒4的各内壁、中心管6的外壁及各微反应通道10的外壁共同形成有一中心筒腔室19；壳体1的上部或顶部壳体上具有至少一个3#开口17，该3#开口17通过管线与所述中心筒腔室19流体连通；壳体1的底部壳体上具有至少一个4#开口18，该4#开口18通过管线与所述中心筒腔室19流体连通。

所述径向催化反应单元还包括套设在中心筒4外的至少一个套筒5；中心筒4的筒外壁与最内的套筒5的筒内壁之间以及相邻两个套筒5的筒壁之间通过挡板16流体隔绝并隔离出集流道7和分流道8；最外层的套筒5的外壁与壳体1的内壁之间形成有所述环隙9；每个套筒5外筒壁和内筒壁之间均具有多个径向设置的径向微反应通道10，并且套筒5的套筒内外仅通过该径向微反应通道10流体连通；1#直管2通过其下方的分流道8或环隙9与中心筒4或各套筒5的各径向微反应通道10的外侧口11流体连通，各套筒5或中心筒4的各径向微反应通道10的内侧口12通过集流道7或中心管6与2#直管3流体连通；由套筒5的各内壁及各微反应通道10的外壁共同形成有一套筒腔室20，该套筒腔室20的上部通过管线与所述3#开口17流体连通，套筒腔室20的下部通过管线与所述4#开口18流体连通。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，所述中心筒4的直径与中心管6的直径之比以及所述中心筒4与所述套筒5的直径之比可以为适合的任意比例。

根据本发明的第一方面，在相同的反应条件和反应器直径下，增加套筒5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5的数量，所述套筒5的数量例如可以为1-100个。

根据本发明的第一方面，为了使所述径向微通道耦合反应器能够同时用于放热和吸热的反应，所述径向微反应通道10的内表面和外表面分别负载有催化活性组分。所述催化活性组分可以根据具体的反应种类而采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分。例如将径向微通道耦合反应器用于合成气甲烷化反应和逆水煤气变换反应，由于甲烷化反应是一个体积缩小的强放热反应，可以在微通道反应器内表面进行；逆水煤气变换反应是一个等体积的吸热反应，可以在微通道反应器外表面进行；所以在微通道内表面可以负载具有甲烷化反应活性的镍、钌或铑等金属；在微通道外表面可以负载具有逆水煤气变换反应的铂、镍或铜等金属。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、外表面。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，例如逐渐增大或逐渐减小。根据本发明第一方面的一种具体实施方式，所述微反应通道10的直径可以从所述外侧口11向内侧口12的方向逐渐减小(保证外侧口11的直径大于内侧口12的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)，所述外侧口11与内侧口12的直径的比值可以为(2-20)：1。为了提高反应的效率，所述径向微反应通道10的直径可以在2-50毫米之间。

根据本方面的第一方面，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，所述径向微反应通道10的内部空间的总体积可以为所述催化反应单元的体积的30％-80％。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，所述径向微反应通道10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7、图8、图9和图10所示)；所述锥形管、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。

根据本发明的第一方面，所述1#直管2的下部可以设置或不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。所述气体分布器可以采用本领域技术人员常规所用的，本发明不再赘述，所述气体分布器优选设置有两个。

根据本发明的第一方面，为了防止壳体1的底部过度受热以及阻止中心筒4和套筒5向下移动，所述催化反应单元(即中心筒4和套筒5)的底部与所述壳体1的底部之间可以设置有隔热材料区13。所述隔热材料区13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。

根据本发明第二方面：提供一种本发明第一方面所提供的径向微通道耦合反应器的应用，该应用包括：将第一反应原料通过1#直管2通入所述反应器中，使所述第一反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道10的负载有第一催化剂的内表面在第一反应条件下进行第一反应，并将得到的第一反应产物通过所述2#直管3引出；或者，将第一反应原料通过2#直管3通入所述反应器中，使所述第一反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道10的负载有第一催化剂的内表面在第一反应条件下进行第一反应，并将得到的第一反应产物通过所述1#直管2引出；并且将第二反应原料通过3#开口17通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道10的负载有第二催化剂的外表面在第二反应条件下进行第二反应，并将得到的第二反应产物通过所述4#开口18引出；或者，将第二反应原料通过4#开口18通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道10的负载有第二催化剂的外表面在第二反应条件下进行第二反应，并将得到的第二反应产物通过所述3#开口17引出。所述第一反应和所述第二反应其中一种为放热催化反应，另一种为吸热催化反应；所述催化反应可以是气相/气相反应，也可以是气相/液相反应。

根据本发明第二方面，该应用还包括：所述第一反应的过程中反应物料的体积变化大于所述第二反应的过程中反应物料的体积变化。

根据本发明第二方面，当所述第一反应为体积增大的反应时，所述径向微反应通道10的直径较小的内侧口12为反应气体入口；当所述第一反应为体积减小的反应时，所述径向微反应通道10的直径较大的外侧口11为反应气体入口。

根据本发明第二方面，该应用还包括：所述第一反应可以为选自甲烷化反应、甲烷水蒸气重整制氢反应、甲醇制氢、乙醇制氢、环己烷脱氢、乙苯脱氢、氨分解反应、费托合成、甲烷二氧化碳重整反应、甲醇制烯烃、乙烯气相水合反应和二氧化硫氧化制三氧化硫反应中的其中一种；所述第二反应可以为选自水煤气变换反应、逆水煤气变换反应、甲烷催化燃烧反应、甲醇脱水反应和乙醇异构化反应中的其中一种。

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，本实施例所采用的径向微通道耦合反应器，包括上端设有1#直管2、下端设有2#直管3的承压壳体1，1#直管2的下部设有第一气体分布器14和第二气体分布器15。设置在壳体1内1#直管2的下方的是具有1个中心筒的催化反应单元，中心筒具有中心管6。中心筒4为与圆筒形壳体1同轴的可容纳微反应通道10的容器，包括底部密封板、顶部密封板和侧壁，该中心筒4的侧壁与壳体1的内侧壁形成有环隙9，催化反应单元与壳体1的底面之间设置有隔热毡毯构成的隔热材料区13；壳体1上部设有两个3#开口17，底部设有两个4#开口18。所述壳体1中催化反应单元为径向流反应单元，如图2所示，中心筒4由内表面和外表面分别涂覆有催化剂的锥形管微反应通道10构成径向流反应单元，整个径向流反应单元内锥形管微反应通道10的数量为33480根(为清楚显示，未全部示出)。如图7所示，所述锥形管结构的微反应通道10，两端分别与中心筒4的侧壁和中心管6密封连接。

径向微通道耦合反应器中心筒的高度为1200mm，壳体内径1000mm，中心管直径为330mm，环隙间距为35mm，所采用的锥形管微反应通道长度为300mm，锥形管外侧口处直径10mm，内侧口处直径4mm，所有锥形管的总体积占催化反应单元的体积的比例为57.6％。

该径向微通道耦合反应器可以用于合成气甲烷化反应和逆水煤气变换反应，由于甲烷化反应是一个体积缩小的强放热反应，设置在微通道反应器内表面进行；逆水煤气变换反应是一个等体积的吸热反应，设置在微通道反应器外表面进行。在微通道内表面涂覆有甲烷化反应活性组分NiO，负载量为20g/m²；在微通道外表面负载活性组分Pt，负载量为0.2g/m²。

参照图1，将H₂/CO体积比为3.0、压力为3.5MPa、温度为250℃、总体积流率为3500m³/h的合成气由反应器1#直管进入壳体1内，依次通过第一气体分布器14和第二气体分布器15，在反应器横截面上均匀分布后，原料气进入环隙9，然后从外侧口11进入并径向穿过由锥形管构成的微反应通道10的中心筒4，合成气在涂覆有甲烷化活性催化组分镍金属的锥形管内表面进行甲烷化反应，反应温度为630℃，并放出大量的反应热，通过热传导的方式传递到微通道反应管外供逆水煤气变换反应用。反应后的气体沿微反应通道10的内侧口12在中心管6汇集。产品气沿中心管6向下流动，并穿过隔热材料区13，在壳体1底部通过2#直管3离开反应器。

将H₂/CO₂体积比为1.0、压力为0.3MPa、温度为180℃、总体积流率为32000m³/h的混合气由两个3#开口17进入壳体1内，通过进气管线进入中心筒4的内壁与微反应通道10的外壁所形成的中心筒腔室19内，H₂/CO₂混合气在涂覆有Pt金属的微通道外表面进行逆水煤气变换反应，反应温度495℃。反应后的混合气通过连接两个4#开口18的出气管线(图中未标出)，从反应器底部的两个4#开口18离开反应器。

表1中给出的是本发明采用的径向微通道耦合反应器与非耦合反应器的对比情况，此处非耦合反应器指的是径向反应器和轴向反应器。径向反应器中进行的是合成气甲烷化反应，轴向反应器中进行的是逆水煤气变换反应。三种反应器催化反应单元具有相同尺寸，从原料转化率、使用寿命、床层压降以及活性金属Ni、Pt用量四个指标可以看出，径向微通道耦合反应器都表现出了较为优异的性能。

表1径向微通道耦合反应器与非耦合反应器对比表

*注—此处压降选取的微通道反应器中两侧压降最大值

实施例2

如图3、图4所示，本实施例径向微通道耦合反应器与实施例1的反应器结构参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中采用的是喇叭管微反应通道替代锥形管微反应通道，如图8所示。该径向微通道耦合反应器同样可以用于甲烷化反应和逆水煤气变换反应。

实施例3

本实施例所采用的径向微通道耦合反应器如图5所示，结构如下：反应器包括上端设有1#直管2、下端设有2#直管3的承压壳体1，1#直管2下部设有第一气体分布器14和第二气体分布器15。设置在壳体1内1#直管2的下方的是具有1个中心筒4和1个套筒5的催化反应单元，中心筒具有中心管6。中心筒4和套筒5均为与圆筒形壳体1同轴的可容纳微反应通道10的容器，包括底部密封板、顶部密封板和侧壁，该套筒5设在中心筒4的外侧，套筒5与中心筒4之间通过挡板16隔绝成集流道7(套筒一侧)和分流道8(中心筒一侧)。该套筒5的侧壁与所述壳体1的内侧壁形成有环隙9。催化反应单元与壳体1的底面之间设置有隔热毡毯构成的隔热材料区13。所述壳体1中的催化反应单元为径向催化反应单元，如图6所示，由内表面和外表面分别涂覆有催化剂的锥形管微反应通道10构成径向流反应单元，整个径向流反应单元内锥形管微反应通道10的数量为46980根(为清楚显示，未全部示出)。反应器上部还设置有一个3#开口17，物流由3#开口17分两股进入套筒5和中心筒4，中心筒4和套筒5底部通过出气管线(示意图中未标出)连接两个4#开口18。

径向微通道耦合反应器壳体直径为910mm，中心筒和套筒的高度为1200mm，中心管直径为150mm，中心筒直径为450mm，套筒直径为855mm，所采用的锥形管微反应通道长度为150mm，锥形管外侧口处直径10mm，内侧口处直径4mm，所有锥形管的总体积占催化反应单元的体积的比例为50.2％。

该径向微通道耦合反应器可以用于甲烷催化燃烧反应和甲烷水蒸气重整反应，由于甲烷水蒸气重整制氢反应是一个体积增大的吸热反应，设置在微通道反应器内表面进行；甲烷催化燃烧反应是一个等体积的强放热反应，设置在微通道反应器外表面进行。在微通道内表面涂覆有甲烷水蒸气重整制氢活性组分Pt，负载量为0.2g/m²；在微通道外表面负载甲烷催化燃烧活性组分Pd，负载量为0.09g/m²。

由于在微通道内进行的是体积增大的甲烷水蒸气重整制氢反应，所以在本实施例中，在微通道内进行反应的物料需要从2#直管进入，产物从1#直管离开反应器。需要说明的是在本实施例中可以不设置气体分布器。参照图5，将H₂O/CH₄体积比为3:1、压力为0.3MPa、温度为300℃、总体积流率为2500m³/h的混合气体由2#直管进入壳体1内，随后进入中心管6和集流道7，然后从径向微通道的内侧口12进入并径向穿过由锥形管构成的微反应通道10的中心筒4和套筒5，混合气体在涂覆有甲烷水蒸气重整制氢催化反应活性组分Pt金属的锥形管内表面进行重整制氢反应，反应温度为500℃，并吸收来自甲烷催化燃烧放出的反应热，反应后的气体沿微反应通道10的外侧口11在环隙9、分流道8中汇集。产品气继续向上流动，通过1#直管离开反应器。

将体积分数为3％CH₄、97％空气的预混燃料气，按4m/s的进口速度从3#开口17进入耦合反应器，通过进气管线分别进入中心筒4和套筒5，即进入中心筒4的内壁与微反应通道10的外壁所形成的中心筒腔室19内，以及套筒5内壁与微反应通道10的外壁所形成的套筒腔室20内，燃料气在涂覆有Pd金属的微通道外表面进行甲烷催化燃烧反应，反应温度为650℃，产生的反应热通过热传导的方式传递到微通道反应管内供甲烷水蒸气重整制氢用。燃烧后的废气分别通过连接两个4#开口18的出气管线(图中未标出)，从反应器底部的两个4#开口18离开反应器。

表2中给出的是甲烷重整水蒸气制氢反应在径向微通道耦合反应器与轴向反应器的对比情况。两种反应器催化反应单元具有相同尺寸，从原料转化率、使用寿命、床层压降以及活性金属Pt用量四个指标可以看出，径向微通道耦合反应器都表现出了较为优异的性能。

表2径向微通道耦合反应器与非耦合反应器对比表

*注—此处转化率为单程转化率

另外，对于反应体积增加的化学反应，如甲醇制氢、环己烷脱氢、乙苯脱氢以及氨分解等反应，在该类耦合反应器微通道管内同样适用。

本发明提出的径向微通道耦合反应器可以根据工业生产实际规模大小，通过增加套筒的个数或提高中心筒、套筒的高度等形式，在短时间内建立起较大反应尺寸的径向微通道耦合反应器，不存在明显的放大效应，达到控制和调节生产，同时缩短反应器的设计、加工时间。将放热和吸热反应集成在同一个反应器中进行，简化了原有工艺流程，降低了设备成本。另外，本发明提供的径向微通道耦合反应器结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、单位体积催化剂生产强度大。

Claims (10)

1.一种径向微通道耦合反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体(1)、从所述壳体(1)顶部伸入到壳体内部的1#直管(2)、从所述壳体(1)底部伸入到壳体内部的2#直管(3)、以及设置在所述壳体(1)内所述1#直管(2)下方所述2#直管(3)上方的径向催化反应单元；

所述径向催化反应单元包括中心筒(4)，该中心筒(4)具有中心管(6)，中心管(6)的上端与中心筒(4)的顶部密封板的下表面密封连接，中心管(6)的下端密封穿透中心筒(4)的底部密封板并与2#直管(3)直接流体连通；中心筒(4)的筒外壁与中心管(6)的管壁之间具有多个径向设置的径向微反应通道(10)，并且中心筒(4)的筒体外与中心管(6)的管内仅通过该径向微反应通道(10)流体连通；中心筒(4)的筒外壁与壳体(1)的内壁之间形成有环隙(9)；1#直管(2)通过其下方的环隙(9)与各径向微反应通道(10)的外侧口(11)流体连通，各径向微反应通道(10)的内侧口(12)通过中心管(6)与2#直管(3)流体连通；由中心筒(4)的各内壁、中心管(6)的外壁及各微反应通道(10)的外壁共同形成有一中心筒腔室(19)；壳体(1)的上部或顶部壳体上具有至少一个3#开口(17)，该3#开口(17)通过管线与所述中心筒腔室(19)流体连通；壳体(1)的底部壳体上具有至少一个4#开口(18)，该4#开口(18)通过管线与所述中心筒腔室(19)流体连通。

2.根据权利要求1的径向微通道耦合反应器，其中，所述径向催化反应单元还包括套设在中心筒(4)外的至少一个套筒(5)；中心筒(4)的筒外壁与最内的套筒(5)的筒内壁之间以及相邻两个套筒(5)的筒壁之间通过挡板(16)流体隔绝并隔离出集流道(7)和分流道(8)；最外层的套筒(5)的外壁与壳体(1)的内壁之间形成有所述环隙(9)；每个套筒(5)外筒壁和内筒壁之间均具有多个径向设置的径向微反应通道(10)，并且套筒(5)的套筒内外仅通过该径向微反应通道(10)流体连通；1#直管(2)通过其下方的分流道(8)或环隙(9)与中心筒(4)或各套筒(5)的各径向微反应通道(10)的外侧口(11)流体连通，各套筒(5)或中心筒(4)的各径向微反应通道(10)的内侧口(12)通过集流道(7)或中心管(6)与2#直管(3)流体连通；由套筒(5)的各内壁及各微反应通道(10)的外壁共同形成有一套筒腔室(20)，该套筒腔室(20)的上部通过管线与所述3#开口(17)流体连通，套筒腔室(20)的下部通过管线与所述4#开口(18)流体连通。

3.根据权利要求2的径向微通道耦合反应器，其特征在于，所述套筒(5)的数量为1-100个。

4.根据权利要求1或2的径向微通道耦合反应器，其特征在于，所述径向微反应通道(10)的内表面和外表面分别负载有催化活性组分；所述径向微反应通道(10)为选自锥形管、喇叭形管、Y形管和梯形管中的其中一种。

5.根据权利要求1或2的径向微通道耦合反应器，其特征在于，所述径向微反应通道(10)的直径在2-50毫米之间；所述径向微反应通道(10)的直径从外侧口(11)向内侧口(12)的方向逐渐减小；所述外侧口(11)的直径与所述内侧口(12)的直径的比值为(2-20)：1；所述微反应通道(10)的内部空间的总体积为所述径向催化反应单元的体积的30％-80％。

6.根据权利要求1或2的径向微通道耦合反应器，其特征在于，所述径向催化反应单元的底部与所述壳体(1)的底部之间设置有隔热材料区(13)。

7.权利要求1-6中任意一项所述的径向微通道耦合反应器的应用，该应用包括：

将第一反应原料通过1#直管(2)通入所述反应器中，使所述第一反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道(10)的负载有第一催化剂的内表面在第一反应条件下进行第一反应，并将得到的第一反应产物通过所述2#直管(3)引出；或者，将第一反应原料通过2#直管(3)通入所述反应器中，使所述第一反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道(10)的负载有第一催化剂的内表面在第一反应条件下进行第一反应，并将得到的第一反应产物通过所述1#直管(2)引出；并且

将第二反应原料通过3#开口(17)通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道(10)的负载有第二催化剂的外表面在第二反应条件下进行第二反应，并将得到的第二反应产物通过所述4#开口(18)引出；或者，将第二反应原料通过4#开口(18)通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述径向催化反应单元的径向微反应通道(10)的负载有第二催化剂的外表面在第二反应条件下进行第二反应，并将得到的第二反应产物通过所述3#开口(17)引出。

8.根据权利要求7的应用，其中，所述第一反应和所述第二反应其中一种为放热催化反应，另一种为吸热催化反应；所述第一反应的过程中反应物料的体积变化大于所述第二反应的过程中反应物料的体积变化。

9.根据权利要求7的应用，其中，当所述第一反应为体积增大的反应时，所述径向微反应通道(10)的直径较小的内侧口(12)为反应气体入口；当所述第一反应为体积减小的反应时，所述径向微反应通道(10)的直径较大的外侧口(11)为反应气体入口。

10.根据权利要求7的应用，其中，所述第一反应为选自甲烷化反应、甲烷水蒸气重整制氢反应、甲醇制氢、乙醇制氢、环己烷脱氢、乙苯脱氢、氨分解反应、费托合成、甲烷二氧化碳重整反应、甲醇制烯烃、乙烯气相水合反应和二氧化硫氧化制三氧化硫反应中的其中一种；所述第二反应为选自水煤气变换反应、逆水煤气变换反应、甲烷催化燃烧反应、甲醇脱水反应和乙醇异构化反应中的其中一种。