CN106582468B - 一种轴向微通道耦合反应器及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴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、两股不同原料气进出口、设置在所述壳体内的轴向催化反应区，轴向催化反应区由若干内、外表面涂覆有催化活性组分的轴向微反应通道构成。本发明提供的轴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

一种轴向微通道耦合反应器及应用

技术领域

本发明涉及一种轴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。轴向反应器设计、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需要材质等级高等问题。

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.)利用计算化学工程方法，针对甲烷催化燃烧和甲烷水蒸气重整的模型反应体系，研究了金属基整体式催化反应器用于吸/放热反应耦合时的性能，模拟结果表明其具有很大的研发潜力。

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，同时也是未来轴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轴向微通道耦合反应器，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：提供一种轴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#直管上方的轴向催化反应单元；所述轴向催化反应单元包括至少一个空心的柱体，柱体与壳体同轴，且柱体的外侧面与壳体的部分内侧面相抵触或相重合；上下相邻的两个柱体之间形成有空隙；每一个所述柱体内设置有多个轴向穿过柱体的轴向微反应通道，且所述1#直管与最上面的空隙之间、相邻两个空隙之间、以及最下方的空隙与所述2#直管之间仅通过设置在所述柱体内的轴向微反应通道流体连通；每一个所述柱体中由该柱体的各内壁及各轴向微反应通道的外壁共同形成有一个柱体腔室；在对应于每一个柱体的侧面的所述壳体的侧面上设置有至少一对相互远离的3#开口和4#开口，所述3#开口通过所述柱体腔室与所述4#开口流体连通。

优选地，所述柱体的数量为2-500个。

优选地，所述轴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。

优选地，所述轴向微反应通道的直径在2-50毫米之间。

优选地，所述轴向微反应通道的直径从轴向微反应通道的上侧开口向下侧开口的方向逐渐减小。

优选地，所述上侧开口的直径与所述下侧开口的直径的比值为(2-20)：1。

优选地，所有的所述轴向微反应通道的内部空间的总体积为所述轴向催化反应单元的体积的30％-80％。

优选地，所述轴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，所述轴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轴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轴向催化反应单元的轴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轴向催化反应单元的轴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轴向催化反应单元的轴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轴向催化反应单元的轴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，所述轴向微反应通道的直径较小的下侧开口为反应气体入口；当所述第一反应为体积减小的反应时，所述轴向微反应通道的直径较大的上侧开口为反应气体入口。

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；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。

与现有技术相比，本发明提供的一种轴向微通道耦合反应器的用途具有如下优点：

1、本发明提出的轴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，采用涂覆催化剂的微反应通道，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、采用涂覆催化剂于微反应通道内表面和外表面，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、该轴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。

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是本发明提供的轴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是本发明提供的轴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是本发明提供的轴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4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5是本发明提供的轴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6是本发明提供的轴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第一气体分布器

5第二气体分布器 6柱体 7轴向催化反应单元

8上侧开口 9轴向微反应通道 10空隙

11下侧开口 12隔热材料区 13 3#开口 14 4#开口

15柱体腔室

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：提供一种轴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上方的轴向催化反应单元7；所述轴向催化反应单元7包括至少一个空心的柱体6，柱体6与壳体1同轴，且柱体6的外侧面与壳体1的部分内侧面相抵触或相重合；上下相邻的两个柱体6之间形成有空隙10；每一个所述柱体6内设置有多个轴向穿过柱体6的轴向微反应通道9，且所述1#直管2与最上面的空隙10之间、相邻两个空隙10之间、以及最下方的空隙10与所述2#直管3之间仅通过设置在所述柱体6内的轴向微反应通道9流体连通；每一个所述柱体6中由该柱体6的各内壁及各轴向微反应通道9的外壁共同形成有一个柱体腔室15；在对应于每一个柱体6的侧面的所述壳体1的侧面上设置有至少一对相互远离的3#开口13和4#开口14，所述3#开口13通过所述柱体腔室15与所述4#开口14流体连通。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，所述柱体6可由上密封板和下密封板构成，其侧壁可以与壳体1的部分侧壁重合，也可以与壳体1的侧壁密封连接。

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，增加柱体6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、提高转化率的作用，因此可以根据实际反应情况来调整柱体6的数量，所述柱体6的数量可以为2-500个，优选为2-50个。

根据本发明的第一方面，为了使所述轴向微通道耦合反应器能够同时用于放热和吸热的反应，所述微反应通道9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发明种类而采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分。例如将轴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9的直径可以从所述上侧开口8向下侧开口11的方向逐渐减小(保证上侧开口8的直径大于下侧开口11的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)，所述上侧开口8与内侧开口11的直径的比值可以为(2-20)：1。为了提高反应的效率，所述微反应通道9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，所有的所述微反应通道9的内部空间的总体积可以为所述轴向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，所述微反应通道9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3、图4、图5和图6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，所述轴向催化反应单元的底部与所述壳体1的底部之间可以设置有隔热材料区12。所述隔热材料区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。

根据本发明第二方面：提供一种本发明第一方面所提供的轴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轴向催化反应单元7的轴向微反应通道9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轴向催化反应单元7的轴向微反应通道9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13通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述轴向催化反应单元7的轴向微反应通道9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14引出；或者，将第二反应原料通过4#开口14通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述轴向催化反应单元7的轴向微反应通道9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13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，所述轴向微反应通道9的直径较小的下侧开口11为反应气体入口；当所述第一反应为体积减小的反应时，所述轴向微反应通道9的直径较大的上侧开口8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，本实施例所采用的轴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4和第二气体分布器5。设置在所述壳体1内1#直管2的下方的是轴向催化反应单元。如图2所示，所述轴向催化反应单元为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9构成的轴向流反应区。如图3所示，所述锥形管结构的微反应通道9，两端分别与柱体6的上密封板和下密封板密封连接。轴向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12。

本实施例采用的轴向微通道耦合反应器由5个大小相同的柱体6构成，每个柱体内容纳3240根(为清楚显示，未全部示出)轴向微反应通道9；单个柱体的高度为100mm，锥形管轴向微反应通道入口处直径10mm，出口处直径3mm，长度为100mm。所述轴向微反应通道的内部空间的总体积为横向催化反应单元的总体积的41.7％。每个柱体6侧面的壳体侧壁(也即柱体的侧壁)上设置有1对3#开口13和4#开口14。

该轴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280℃、总体积流率为3000m³/h的合成气由1#直管2进入壳体1内，依次通过第一气体分布器4和第二气体分布器5，在反应器横截面上均匀分布后，进入柱体6的微反应通道9的上侧开口8，然后轴向穿过由锥形管构成的微反应通道9的柱体6，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9的下侧开口11离开柱体进入空隙10中，继续进入下一级柱体进行反应，直到离开最后一个柱体，产品气穿过隔热材料区12，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200℃、总体积流率为35000m³/h的混合气分5股从3#开口13进入柱体6内，即进入柱体6的内壁与微反应通道9的外壁所形成的柱体腔室15内，H₂/CO₂混合气在涂覆有Pt金属的微通道表面进行逆水煤气变换反应，反应温度480℃。反应后的混合气从壳体1侧面的4#开口14离开反应器。

表1中给出的是本发明采用的轴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，轴向微通道耦合反应器都表现出了较为优异的性能。

表1轴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

本实施例轴向微通道耦合反应器与实施例1的反应器结构参数相同。该轴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3进入，产物从1#直管2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1，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3进入壳体1内，在反应器横截面上均匀分布后，进入柱体6的微反应通道9的下侧开口11，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9的上侧开口8在空隙10中汇集。产品气继续向上流，直到离开最后一个柱体，通过1#直管2离开反应器。

将体积分数为5％CH₄、95％空气的预混燃料气，按4m/s的进口速度分5股从3#开口13进入柱体6内，即进入柱体6的内壁与微反应通道9的外壁所形成的柱体腔室15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。反应后的混合气从壳体1侧面的4#开口离开反应器。

表2中给出的是甲烷重整水蒸气制氢反应在轴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，轴向微通道耦合反应器都表现出了较为优异的性能。

表2轴向微通道耦合反应器与非耦合反应器对比表

反应器类型	CH<sub>4</sub>转化率/(％)*	使用寿命/(年)	压降/(bar)	Pt用量/(kg)
					轴向反应器	≤10	2	0.23	1.05
轴向微通道耦合反应器	≈35	3	0.11	0.16

*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。

本发明提出的轴向微通道耦合反应器可以根据工业生产实际规模大小，通过增加柱体的个数或提高柱体的高度等形式，在短时间内建立起较大反应尺寸的轴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，本发明提供的轴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 (9)

1.一种轴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)上方的轴向催化反应单元(7)；

所述轴向催化反应单元(7)包括至少一个空心的柱体(6)，柱体(6)与壳体(1)同轴，且柱体(6)的外侧面与壳体(1)的部分内侧面相抵触或相重合；上下相邻的两个柱体(6)之间形成有空隙(10)；每一个所述柱体(6)内设置有多个轴向穿过柱体(6)的轴向微反应通道(9)，且所述1#直管(2)与最上面的空隙(10)之间、相邻两个空隙(10)之间、以及最下方的空隙(10)与所述2#直管(3)之间仅通过设置在所述柱体(6)内的轴向微反应通道(9)流体连通；每一个所述柱体(6)中由该柱体(6)的各内壁及各轴向微反应通道(9)的外壁共同形成有一个柱体腔室(15)；在对应于每一个柱体(6)的侧面的所述壳体(1)的侧面上设置有至少一对相互远离的3#开口(13)和4#开口(14)，所述3#开口(13)通过所述柱体腔室(15)与所述4#开口(14)流体连通；所述轴向微反应通道(9)的内表面和外表面分别负载有催化活性组分。

2.根据权利要求1的轴向微通道耦合反应器，其特征在于，所述柱体(6)的数量为2-500个。

3.根据权利要求1的轴向微通道耦合反应器，其特征在于，所述轴向微反应通道(9)的直径在2-50毫米之间；所述轴向微反应通道(9)的直径从所述轴向微反应通道(9)的上侧开口(8)向下侧开口(11)的方向逐渐减小；所述上侧开口(8)的直径与所述下侧开口(11)的直径的比值为(2-20)：1；所述微反应通道(9)的内部空间的总体积为所述轴向催化反应单元(7)的体积的30％-80％。

4.根据权利要求1的轴向微通道耦合反应器，其特征在于，所述轴向微反应通道(9)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的轴向微通道耦合反应器，其特征在于，所述轴向催化反应单元(7)的底部与所述壳体(1)的底部之间设置有隔热材料区(12)。

6.权利要求1-5中任意一项所述的轴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轴向催化反应单元(7)的轴向微反应通道(9)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轴向催化反应单元(7)的轴向微反应通道(9)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(13)通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述轴向催化反应单元(7)的轴向微反应通道(9)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(14)引出；或者，将第二反应原料通过4#开口(14)通入所述反应器中，使所述第二反应原料在所述轴向催化反应单元(7)的轴向微反应通道(9)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(13)引出。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求6的应用，其中，当所述第一反应为体积增大的反应时，所述轴向微反应通道(9)的直径较小的下侧开口(11)为反应气体入口；当所述第一反应为体积减小的反应时，所述轴向微反应通道(9)的直径较大的上侧开口(8)为反应气体入口。

9.根据权利要求6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。