CN106607001B - 一种用于强化co2甲烷化的微反应装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法。该方法采用一种微反应装置，使CO2和H2原料混合气经电加热快速启动、原位高效换热、高效隔热及高效反应，完成CO2甲烷化反应及其过程强化，反应启动时间小于30分钟，在H2/CO2为4的条件下，H2转化率均大于98％。该微反应装置包括加热板、下盖板以及依次密封安装在加热板与下盖板之间的微反应器‑1、微换热器‑1、隔热板、微换热器‑2、微反应器‑2。最终实现可再生能源领域的CO2甲烷化反应的过程强化和设备小型化，极大程度上提高系统的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源领域的过程强化和系统集成，具体涉及一种用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法。
背景技术
发展可再生能源尤其是太阳能、风能、生物质能等是世界各国的研究重点。然而，可再生能源一般具有低能量密度、间歇性和不稳定性等缺点，如何将其转化为能量密度高、连续性输出的“高级能源”是可再生能源真正走向实用化进程中亟待解决的关键问题。
天然气是一种清洁、便捷、安全的优质能源，其主要成分为甲烷。一方面，预计到2020年，我国天然气年消费量将达3000亿方，对外依存度将达到50％；另一方面，利用风能或太阳能电解水制H2，H2与CO2在甲烷化装置内生产出甲烷，而甲烷可以进入天然气管网、为汽车加气或作为LNG 储存运输等，CO2则来自于沼气厂产生的废气，这是一个典型的“闭环”CO2零排放理念。可知，该过程的核心技术是CO2甲烷化，故提高甲烷化技术的能源利用效率则尤为关键。
CO2甲烷化与合成气甲烷化具有一定相似性，即：反应为强放热可逆反应。目前，现有的合成气甲烷化反应器主要有多级串联绝热固定床反应器、流化床甲烷化反应器、浆态床甲烷化反应器等三类，这些反应器在优缺点上各有千秋，但其传热问题均较突出，难以做到系统的高效传热，且通常适用于大产能场合，不适于小规模、分散化的可再生能源领域的CO2甲烷化。
中国发明专利(CN102151531A)公开了一种属于煤制天然气技术领域的微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，反应器由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成，其主要用途为一氧化碳加氢甲烷化，且不涉及原料气的预热及反应系统的室温启动模块。
而针对可再生能源的利用问题，整个过程的能源综合有效利用则显得尤为重要。从原理上看，利用注重过程强化、系统微型化、模块化、高度集成，可实现就地、按需生产与供货的微化工技术，有望大幅度提高系统的能源利用效率，使分散式能源得到充分合理利用，增加其市场竞争能力与盈利空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法，通过加热板、微换热器、隔热板、微反应器(CO2甲烷化)等模块的耦合，强化气体物料的预热、换热及反应性能，从而实现可再生能源利用过程中能量的梯级利用及系统的过程强化、微型化及高度集成化，极大程度上提高系统的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
所述微反应装置包括加热板、下盖板以及依次密封安装在加热板与下盖板之间的微反应器-1、微换热器-1、隔热板、微换热器-2、微反应器-2；所述加热板上设置有CO2和H2原料混合气的入口通孔、经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口通孔及出口通孔；所述加热板的一个侧面设置有一个或两个以上的电加热孔，电加热孔内插有电加热棒；所述微反应器-1由一片或两片以上的微反应板叠加组成，微反应板上设置有与加热板上对应的CO2和H2原料混合气的入口孔、与加热板上对应的经微换热器-1 换热后CO2和H2原料混合气的入口孔、与加热板上对应的微反应器-1的反应原料入口孔及反应产物出口孔，除靠近微换热器-1的最底层微反应板上微反应器-1的反应原料入口孔、靠近加热板的最顶层微反应板上微反应器 -1的反应产物出口孔为盲孔外，其余均为通孔；微反应板上设有微反应通道，微反应通道的两端分别与微反应器-1的反应产物出口孔和微反应器-1 的反应原料入口孔相连通；所述微换热器-1由两片或三片以上的微换热板叠加组成，微换热板上设置有与微反应器-1相对应的CO2和H2原料混合气的入口通孔、与微反应器-1相对应的经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔、与微反应器-1相对应的经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔、经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔；微换热板上设有微换热通道，相邻微换热板上的微换热通道一个的两端分别与CO2和H2原料混合气的入口通孔和经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔相连通，另一个的两端分别与经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔和经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔相连通；所述隔热板上设置有与微换热器-1相对应的经微换热器-1换热后的CO2甲烷化产物出口通孔；所述微换热器-2由两片或三片以上的微换热板叠加组成，微换热板上设置有与隔热板对应的经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔、微换热器-2上的冷空气入口孔和出口孔、经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔，除靠近微反应器-2的最底层微换热板上经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔为盲孔外，其余均为通孔；微换热板上设有微换热通道，相邻微换热板上的微换热通道一个的两端分别与微换热器-2上的冷空气出口孔和微换热器-2上的冷空气入口孔相连通，另一个的两端分别与经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔和经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔相连通；所述微反应器-2由一片或两片以上的微反应板叠加组成，微反应板上设置有与微换热器-2相对应的冷空气入口通孔和出口通孔、与微换热器-2 相对应的微反应器-2的反应原料入口通孔和反应产物出口通孔；微反应板上设有微反应通道，微反应通道的两端分别与微反应器-2的反应原料入口通孔和微反应器-2的反应产物出口通孔相连通；所述下盖板上设置有与微反应器-2相对应的冷空气入口通孔和出口通孔、与微反应器-2相对应的经微反应器-2反应后的反应产物出口通孔。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述微反应器-1的微反应板上设置有由并行微通道组成的原料反应腔，CO2甲烷化催化剂以壁载或填充方式置于原料反应腔内，反应腔两侧分别连接有反应原料入口分布腔和反应产物出口集流腔，两个腔内均填充有泡沫金属板，原料入口分布腔内设置有微反应器-1的反应原料入口孔，反应产物出口集流腔内设置有微反应器-1的反应产物出口孔。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述微换热器-1的换热板包括冷却板和加热板，冷却板与加热板依次交替叠加；冷却板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有CO2和H2原料混合气的入口分布腔和经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有CO2和H2原料混合气的入口通孔与经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔；加热板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有经微反应器-1反应后的反应产物入口分布腔和经微换热器-1换热后的反应产物出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔与经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述加热板上设置有经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口通孔和出口通孔的连接管；所述隔热板是指中间镂空的环状框板，中间镂空部分的面积和位置与微换热器-1及微换热器-2的换热腔相同，镂空部分填充有珍珠岩或石英棉等隔热材料。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述微换热器-2的换热板包括冷却板和加热板，冷却板与加热板交替叠加；冷却板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有微换热器-2的冷空气入口分布腔和出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有微换热器-2 的冷空气入口孔和出口孔；加热板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口分布腔和经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔与经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述微反应器-2的微反应板上设置有由并行微通道组成的原料反应腔，CO2甲烷化催化剂以壁载或填充方式置于原料反应腔内，反应腔两侧分别连接有反应原料入口分布腔和反应产物出口集流腔，两个腔内均填充有泡沫金属板，原料入口分布腔内设置有微反应器-2的反应原料入口孔，反应产物出口集流腔内设置有微反应器-2的反应产物出口孔。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述加热板、微反应器 -1、微换热器-1、隔热板、微换热器-2、微反应器-2及下盖板的材质相同，可为不锈钢、铜、钛等金属材质中的任意一种，所述相邻两个模块间的密封连接均采用真空扩散焊接方式；所述相邻两个模块间的密封连接具体指模块上除微通道、通孔所占面积之外的其余部分均进行焊接密封。
本发明提供的强化CO2甲烷化微反应装置中，所述并行微通道的当量直径为50～3000μm、截面形状为圆形或长方形或正方形，入口分布腔和出口集流腔的形状为三角形，入口通孔及出口通孔的当量直径为2～6mm。
本发明提供的微反应装置用于强化CO2甲烷化的方法中，利用电加热棒将微反应器-1的内部温度提高至180～200℃，停止加热；将CO2和H2的原料混合气依次经加热板及微反应器-1上的通孔，进入微换热器-1，在微换热器-1内与经微反应器-1反应后的反应产物进行换热，换热后依次经微反应器-1及加热板上的通孔返回微反应器-1，在微反应器-1内进行第一次CO2甲烷化反应；反应后产物经微反应器-1上的通孔进入微换热器-1，在微换热器-1内与CO2和H2的原料混合气进行换热；换热后的第一次CO2甲烷化反应产物经隔热板上的通孔，进入微换热器-2，在微换热器-2内与冷空气进行换热，换热后经微换热器-2上的通孔进入微反应器-2，在微反应器-2内进行第二次CO2甲烷化反应，反应产物经下盖板上的通孔流出微反应装置。
本发明提供的微反应装置用于强化CO2甲烷化的方法中，所述原料混合气中H2/CO2摩尔比为3～4，第一次CO2甲烷化的反应温度为240～280℃，第二次CO2甲烷化的反应温度为200～240℃，反应过程为自供热运行。
本发明的目的是提供一种用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法，该装置所涉及的CO2甲烷化催化剂，在所公知的各类催化体系中的催化剂均可应用于本发明；该装置所涉及的电加热棒，在所公知的各种材质的电加热棒均可应用于本发明。
鉴于本发明的以上特点，与现有技术相比具有以下技术效果：
1.系统集成度更高，系统体积缩减1～2个数量级，更加紧凑，反应温度更加易于控制，微反应系统内的反应物料瞬时持有量小，过程安全性高。
2.系统启动为电加热启动，操作方便、快捷，易于实现自动化操作。
3.鉴于换热单元与反应单元、混合单元等紧密相连，可实现反应热的原位移出、原料气的原位预热，有利于反应的快速启动和转化，易实现系统的能源梯级利用效率和高度集成。
4.该系统的各个功能模块均为平板式结构，且各板间的密封方式为真空扩散焊接，易实现系统的并行放大。
本发明可实现可再生能源领域CO2甲烷化反应过程的室温启动和反应热的梯级利用，反应启动时间小于30分钟，在H2/CO2为4的条件下，H2转化率均大于98％。最终实现可再生能源领域的CO2甲烷化反应的过程强化和设备小型化，极大程度上提高系统的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。
附图说明
图1为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的加热板结构示意图；
1-1为CO2和H2原料混合气的入口通孔；1-2为经微换热器-1换热后 CO2和H2原料混合气的出口通孔；1-3为经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口通孔。
图2为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的微反应器-1结构示意图；
2-1为CO2和H2原料混合气的入口孔；2-2为微反应器-1的反应产物出口孔；2-3为经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口孔；2-4为微反应器-1的反应原料入口孔；2-5为微反应器-1的反应产物出口集流腔；2-6 为微反应器-1的反应腔；2-7为微反应器-1的反应原料入口分布腔。
图3为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的微换热器-1结构示意图；
3-1为CO2和H2原料混合气的入口通孔；3-2为经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔；3-3为经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔；3-4为经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔；3-5-1为微换热器-1中加热板的经微反应器-1反应后的反应产物入口分布腔；3-6-1为微换热器-1中加热板的换热腔；3-7-1为微换热器-1中加热板的经微换热器-1换热后的反应产物出口集流腔；3-5-2为微换热器-1中冷却板的CO2和H2原料混合气的入口分布腔；3-6-2为微换热器-1中冷却板的换热腔；3-7-2为微换热器-1中冷却板的经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口集流腔。
图4为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的隔热板结构示意图；
4-1为经微换热器-1换热后的CO2甲烷化产物出口通孔。
图5为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的微换热器-2结构示意图；
5-1为微换热器-2上的冷空气出口孔；5-2为经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔；5-3为微换热器-2上的冷空气入口孔；5-4为经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔；5-5-1为微换热器-2中加热板的经微换热器 -2换热后的CO2甲烷化产物出口集流腔；5-6-1为微换热器-2中加热板的换热腔；5-7-1为微换热器-2中加热板的经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口分布腔；5-5-2为微换热器-2中冷却板的冷空气出口集流腔；5-6-2为微换热器-2中冷却板的换热腔；5-7-2为微换热器-2中冷却板的冷空气入口分布腔。
图6为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的微反应器-2结构示意图；
6-1为冷空气的出口通孔；6-2为微反应器-2的反应原料入口通孔；6-3 为冷空气的入口通孔；6-4为微反应器-2的反应产物出口通孔；6-5为微反应器-2的反应原料入口分布腔；6-6为微反应器-2的反应腔；6-7为微反应器-2的反应产物出口集流腔。
图7为用于强化CO2甲烷化的微反应装置的下盖板结构示意图；
7-1为冷空气的出口通孔；7-2为冷空气的入口通孔；7-3为经微反应器 -2(6)反应后的反应产物出口通孔。
图8为用于强化CO2甲烷化的微反应装置结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。本发明对于微反应器或微化工领域和合成气甲烷化领域的技术人员来说是较为熟悉的，本发明涉及的是CO2甲烷化反应装置的发明设计，实质是利用加热板、隔热板、微换热器及微反应器的高度集成，以最终实现CO2甲烷化反应的快速启动、反应自热运行和反应过程强化，是针对可再生能源高效利用的系列技术之一。
图8所示为用于强化CO2甲烷化的微反应装置结构示意图的一个例子，该微反应装置由加热板(图1)、下盖板(图7)以及依次密封安装在加热板与下盖板之间的微反应器-1(图2)、微换热器-1(图3)、隔热板(图4)、微换热器-2(图5)、微反应器-2(图6)等构成。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述加热板上设置有CO2和H2原料混合气的入口通孔(图1，1-1)、经微换热器-1换热后 CO2和H2原料混合气的入口通孔(图1，1-3)及出口通孔(图1，1-2)；所述加热板的一个侧面设置有一个或两个以上的电加热孔，电加热孔内插有电加热棒。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微反应器-1 由一片或两片以上的微反应板叠加组成，微反应板上设置有与加热板上对应的CO2和H2原料混合气的入口孔(图2，2-1)、与加热板上对应的经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口孔(图2，2-3)、与加热板上对应的微反应器-1的反应原料入口孔(图2，2-4)及反应产物出口孔(图2，2-2)，除靠近微换热器-1的最底层微反应板上微反应器-1的反应原料入口孔(图2，2-4)、靠近加热板的最顶层微反应板上微反应器-1的反应产物出口孔(图2，2-2)为盲孔外，其余均为通孔；微反应板上设有微反应通道，微反应通道的两端分别与微反应器-1的反应产物出口孔和微反应器-1 的反应原料入口孔相连通。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微换热器-1 由两片或三片以上的微换热板叠加组成，微换热板上设置有与微反应器-1 相对应的CO2和H2原料混合气的入口通孔(图3，3-1)、与微反应器-1相对应的经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔(图3，3-3)、与微反应器-1相对应的经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔(图3， 3-2)、经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔(图3，3-4)；微换热板上设有微换热通道，相邻微换热板上的微换热通道一个的两端分别与CO2和 H2原料混合气的入口通孔和经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔相连通，另一个的两端分别与经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔和经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔相连通。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述隔热板上设置有与微换热器-1相对应的经微换热器-1换热后的CO2甲烷化产物出口通孔(图4，4-1)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微换热器-2 由两片或三片以上的微换热板叠加组成，微换热板上设置有与隔热板对应的经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔(图5，5-4)、微换热器-2上的冷空气入口孔(图5，5-3)和出口孔(图5，5-1)、经微换热器-2换热后的 CO2甲烷化产物出口孔(图5，5-2)，除靠近微反应器-2的最底层微换热板上经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔(5-4)为盲孔外，其余均为通孔；微换热板上设有微换热通道，相邻微换热板上的微换热通道一个的两端分别与微换热器-2上的冷空气出口孔和微换热器-2上的冷空气入口孔相连通，另一个的两端分别与经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔和经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔相连通。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微反应器-2 由一片或两片以上的微反应板叠加组成，微反应板上设置有与微换热器-2 相对应的冷空气入口通孔(图6，6-3)和出口通孔(图6，6-1)、与微换热器-2相对应的微反应器-2的反应原料入口通孔(图6，6-2)和反应产物出口通孔(图6，6-4)；微反应板上设有微反应通道，微反应通道的两端分别与微反应器-2的反应原料入口通孔和微反应器-2的反应产物出口通孔相连通。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述下盖板上设置有与微反应器-2相对应的冷空气入口通孔(图7，7-2)和出口通孔(图 7，7-1)、与微反应器-2相对应的经微反应器-2反应后的反应产物出口通孔 (图7，7-3)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微反应器-1 (图2)的微反应板上设置有由并行微通道组成的原料反应腔(图2，2-6)， CO2甲烷化催化剂以壁载或填充方式置于原料反应腔内，反应腔两侧分别连接有反应原料入口分布腔(图2，2-7)和反应产物出口集流腔(图2，2-5)，两个腔内均填充有泡沫金属板，原料入口分布腔内设置有微反应器-1的反应原料入口孔(图2，2-4)，反应产物出口集流腔内设置有微反应器-1的反应产物出口孔(图2，2-2)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微换热器-1 (图3)的换热板包括冷却板和加热板，冷却板与加热板依次交替叠加；冷却板上设置有由并行微通道组成的换热腔(图3，3-6-2)，换热腔两侧分别连接有CO2和H2原料混合气的入口分布腔(图3，3-,5-2)和经微换热器-1 换热后的CO2和H2原料混合气出口集流腔(图3，3-7-2)，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有CO2和H2原料混合气的入口通孔(图3，3-1) 与经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔(图3，3-3)；加热板上设置有由并行微通道组成的换热腔(图3，3-6-1)，换热腔两侧分别连接有经微反应器-1反应后的反应产物入口分布腔(图3，3-5-1)和经微换热器-1换热后的反应产物出口集流腔(图3，3-7-1)，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔(图3， 3-2)与经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔(图3，3-4)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述加热板上设置有经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口通孔(图1，1-2)和出口通孔(图1，1-3)的连接管；所述隔热板(图4)是指中间镂空的环状框板，中间镂空部分的面积和位置与微换热器-1及微换热器-2的换热腔相同，镂空部分填充有珍珠岩或石英棉等隔热材料。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微换热器-2 (图5)的换热板包括冷却板和加热板，冷却板与加热板交替叠加；冷却板上设置有由并行微通道组成的换热腔(图5，5-6-2)，换热腔两侧分别连接有微换热器-2的冷空气入口分布腔(图5，5-7-2)和出口集流腔(图5，5-5-2)，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有微换热器-2的冷空气入口孔(图 5，5-3)和出口孔(图5，5-1)；加热板上设置有由并行微通道组成的换热腔(图5，5-6-1)，换热腔两侧分别连接有经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口分布腔(图5，5-7-1)和经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口集流腔(图5，5-5-1)，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔(图5，5-4)与经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔(图5，5-2)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述微反应器-2 (图6)的微反应板上设置有由并行微通道组成的原料反应腔(图6，6-6)， CO2甲烷化催化剂以壁载或填充方式置于原料反应腔内，反应腔两侧分别连接有反应原料入口分布腔(图6，6-5)和反应产物出口集流腔(图6，6-7)，两个腔内均填充有泡沫金属板，原料入口分布腔内设置有微反应器-2的反应原料入口孔(图6，6-2)，反应产物出口集流腔内设置有微反应器-2的反应产物出口孔(图6，6-4)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述加热板(图 1)、微反应器-1(图2)、微换热器-1(图3)、隔热板(图4)、微换热器-2 (图5)、微反应器-2(图6)及下盖板(图7)的材质相同，可为不锈钢、铜、钛等金属材质中的任意一种，所述相邻两个模块间的密封连接均采用真空扩散焊接方式；所述相邻两个模块间的密封连接具体指模块上除微通道、通孔所占面积之外的其余部分均进行焊接密封。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置中，所述并行微通道的当量直径为50～3000μm，优选为150～2000μm；截面形状为圆形或长方形或正方形，优选为长方形；入口分布腔和出口集流腔的形状为三角形；入口通孔及出口通孔的当量直径为2～6mm，优选为4～6mm。
一个具体实施过程为：利用电加热棒(图1)将微反应器-1(图2)的内部温度提高至180～200℃，停止加热；将CO2和H2的原料混合气依次经加热板上的通孔(图1，1-1)、微反应器-1上的通孔(图2，2-1)，进入微换热器-1(图2)，在微换热器-1内与经微反应器-1反应后的反应产物进行换热，换热后依次经微反应器-1上的通孔(图2，2-3)、加热板上的通孔(图1，1-2；图1，1-3)返回微反应器-1，在微反应器-1内进行第一次CO2甲烷化反应；反应后产物经微反应器-1上的通孔(图2，2-2)进入微换热器 -1(图3)，在微换热器-1内与CO2和H2的原料混合气进行换热；换热后的第一次CO2甲烷化反应产物经隔热板上的通孔(图4，4-1)，进入微换热器 -2(图5)，在微换热器-2内与冷空气进行换热，换热后经微换热器-2上的通孔(图5，5-2)进入微反应器-2(图6)，在微反应器-2内进行第二次CO2甲烷化反应，反应产物经下盖板上的通孔(图7，7-3)流出微反应装置(图 8)。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法中，所述原料混合气中H2/CO2摩尔比为3～4，优选为3.5～4；第一次CO2甲烷化的反应温度为240～280℃，优选为250～280℃；第二次CO2甲烷化的反应温度为 200～240℃，优选为220～230℃；反应过程为自供热运行。
图1为本发明中用于微反应装置电加热启动、承载原料气进出的整体结构及内部结构常见模式，在具体实施过程中并不限于这种模式，可在以图1为基本结构的基础上进行其它优化改进。
图2为本发明中用于第一次CO2甲烷化反应的微反应器-1的整体结构及内部结构常见模式，两者在具体实施过程中并不限于这种模式，可在以图2为基本结构的基础上进行其它优化改进。
图3和图5为本发明中用于冷热流体进行换热的微换热器的整体结构及内部结构常见模式，在具体实施过程中并不限于这种模式，可在以图3 和图5为基本结构的基础上进行其它优化改进。
图4为本发明中用于降低微换热器-1和微换热器-2间传热速率、形成较高温度梯度的隔热板的整体结构及内部结构常见模式，在具体实施过程中并不限于这种模式，可在以图4为基本结构的基础上进行其它优化改进。
图6为本发明中用于第二次甲烷化反应的微反应器-2的整体结构及内部结构常见模式，在具体实施过程中并不限于这种模式，可在以图6为基本结构的基础上进行其它优化改进。
本发明提供的用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法主要通过电加热启动、微换热、温度梯度(隔热)、CO2甲烷化等模块的耦合，强化物料的预热、换热及反应性能，从而实现可再生能源利用过程中能量的梯级利用及系统的过程强化、微型化及高度集成化，极大程度上提高系统的能源利用效率，充分利用分散式可再生能源。
一个具体实施过程为：首先开启电加热棒(图1)开关，当微反应器-1 (图2)的内部温度升高到180～200℃时，停止加热，同时开启CO2和H2的原料混合气的进口阀门；将CO2和H2原料混合气依次经加热板上的通孔 (图1，1-1)、微反应器-1上的通孔(图2，2-1)，进入微换热器-1(图2)，在微换热器-1内与经微反应器-1反应后的反应产物进行换热，换热后依次经微反应器-1上的通孔(图2，2-3)、加热板上的进出口通孔(图1，1-2；图1，1-3)返回微反应器-1，在微反应器-1内进行第一次CO2甲烷化反应；反应后产物经微反应器-1上的通孔(图2，2-2)进入微换热器-1(图3)，在微换热器-1内与CO2和H2的原料混合气进行换热；换热后的第一次CO2甲烷化反应产物经隔热板上的通孔(图4，4-1)，进入微换热器-2(图5)，在微换热器-2内与冷空气进行换热，换热后经微换热器-2上的通孔(图5， 5-2)进入微反应器-2(图6)，在微反应器-2内进行第二次CO2甲烷化反应，反应产物经下盖板上的通孔(图7，7-3)流出微反应装置(图8)，结果如表1所示。
表1.微反应装置内的CO2甲烷化反应结果
由此可见，本发明的用于强化CO2甲烷化的微反应装置及方法，通过加热板、隔热板、微换热器、微反应器等多功能模块的匹配组合，可实现可再生能源领域的CO2甲烷化反应的过程强化和设备小型化，极大程度上提高系统的能源利用效率。
Claims (10)
1.一种用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述微反应装置包括加热板、下盖板以及依次密封安装在加热板与下盖板之间的微反应器-1、微换热器-1、隔热板、微换热器-2、微反应器-2；
所述加热板上设置有CO2和H2原料混合气的入口通孔、经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口通孔及出口通孔；所述加热板的一个侧面设置有一个电加热孔或两个以上的电加热孔，电加热孔内插有电加热棒；
所述微反应器-1由一片微反应板构成或两片以上的微反应板叠加组成，微反应板上设置有与加热板上对应的CO2和H2原料混合气的入口孔、与加热板上对应的经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口孔、与加热板上对应的微反应器-1的反应原料入口孔及反应产物出口孔，除靠近微换热器-1的最底层微反应板上微反应器-1的反应原料入口孔、靠近加热板的最顶层微反应板上微反应器-1的反应产物出口孔为盲孔外，其余均为通孔；微反应板上设有微反应通道，微反应通道的两端分别与微反应器-1的反应产物出口孔和微反应器-1的反应原料入口孔相连通；
所述微换热器-1由两片微换热板构成或三片以上的微换热板叠加组成，微换热板上设置有与微反应器-1相对应的CO2和H2原料混合气的入口通孔、与微反应器-1相对应的经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔、与微反应器-1相对应的经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔、经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔；微换热板上设有微换热通道，相邻微换热板上的微换热通道一个的两端分别与CO2和H2原料混合气的入口通孔和经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔相连通，另一个的两端分别与经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔和经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔相连通；
所述隔热板上设置有与微换热器-1相对应的经微换热器-1换热后的CO2甲烷化产物出口通孔；
所述微换热器-2由两片微换热板构成或三片以上的微换热板叠加组成，微换热板上设置有与隔热板对应的经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔、微换热器-2上的冷空气入口孔和出口孔、经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔，除靠近微反应器-2的最底层微换热板上经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔为盲孔外，其余均为通孔；微换热板上设有微换热通道，相邻微换热板上的微换热通道一个的两端分别与微换热器-2上的冷空气出口孔和微换热器-2上的冷空气入口孔相连通，另一个的两端分别与经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔和经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔相连通；
所述微反应器-2由一片微反应板构成或两片以上的微反应板叠加组成，微反应板上设置有与微换热器-2相对应的冷空气入口通孔和出口通孔、与微换热器-2相对应的微反应器-2的反应原料入口通孔和反应产物出口通孔；微反应板上设有微反应通道，微反应通道的两端分别与微反应器-2的反应原料入口通孔和微反应器-2的反应产物出口通孔相连通；
所述下盖板上设置有与微反应器-2相对应的冷空气入口通孔和出口通孔、与微反应器-2相对应的经微反应器-2反应后的反应产物出口通孔。
2.根据权利要求1所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述微反应器-1的微反应板上设置有由并行微通道组成的原料反应腔，CO2甲烷化催化剂以壁载或填充方式置于原料反应腔内，反应腔两侧分别连接有反应原料入口分布腔和反应产物出口集流腔，两个腔内均填充有泡沫金属板，原料入口分布腔内设置有微反应器-1的反应原料入口孔，反应产物出口集流腔内设置有微反应器-1的反应产物出口孔。
3.根据权利要求1所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述微换热器-1的换热板包括冷却板和加热板，冷却板与加热板依次交替叠加；冷却板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有CO2和H2原料混合气的入口分布腔和经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有CO2和H2原料混合气的入口通孔与经微换热器-1换热后的CO2和H2原料混合气出口通孔；加热板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有经微反应器-1反应后的反应产物入口分布腔和经微换热器-1换热后的反应产物出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有经微反应器-1反应后的反应产物入口通孔与经微换热器-1换热后的反应产物出口通孔。
4.根据权利要求1所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：
所述加热板上设置有经微换热器-1换热后CO2和H2原料混合气的入口通孔和出口通孔的连接管；
所述隔热板是指中间镂空的环状框板，中间镂空部分的面积和位置与微换热器-1及微换热器-2的换热腔相同，镂空部分填充有珍珠岩或石英棉。
5.根据权利要求1所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述微换热器-2的换热板包括冷却板和加热板，冷却板与加热板交替叠加；冷却板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有微换热器-2的冷空气入口分布腔和出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有微换热器-2的冷空气入口孔和出口孔；加热板上设置有由并行微通道组成的换热腔，换热腔两侧分别连接有经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口分布腔和经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口集流腔，该入口分布腔和出口集流腔内分别设置有经隔热板流出的CO2甲烷化产物入口孔与经微换热器-2换热后的CO2甲烷化产物出口孔。
6.根据权利要求1所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述微反应器-2的微反应板上设置有由并行微通道组成的原料反应腔，CO2甲烷化催化剂以壁载或填充方式置于原料反应腔内，反应腔两侧分别连接有反应原料入口分布腔和反应产物出口集流腔，两个腔内均填充有泡沫金属板，原料入口分布腔内设置有微反应器-2的反应原料入口孔，反应产物出口集流腔内设置有微反应器-2的反应产物出口孔。
7.根据权利要求1所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述加热板、微反应器-1、微换热器-1、隔热板、微换热器-2、微反应器-2及下盖板的材质相同，为不锈钢、铜、钛中的任意一种，相邻两个模块间的密封连接均采用真空扩散焊接方式；相邻两个模块间的密封连接具体指模块上除微通道、通孔所占面积之外的其余部分均进行焊接密封。
8.根据权利要求2、3、5或6所述的用于强化CO2甲烷化的微反应装置，其特征在于：所述并行微通道的当量直径为50~3000 μm、截面形状为圆形或长方形或正方形，入口分布腔和出口集流腔的形状为三角形，入口通孔及出口通孔的当量直径为2~6 mm。
9.一种权利要求1-8任一所述微反应装置用于强化CO2甲烷化的方法，其特征在于：利用电加热棒将微反应器-1的内部温度提高至180~200 oC，停止加热；将CO2和H2的原料混合气依次经加热板及微反应器-1上的通孔，进入微换热器-1，在微换热器-1内与经微反应器-1反应后的反应产物进行换热，换热后依次经微反应器-1及加热板上的通孔返回微反应器-1，在微反应器-1内进行第一次CO2甲烷化反应；反应后产物经微反应器-1上的通孔进入微换热器-1，在微换热器-1内与CO2和H2的原料混合气进行换热；换热后的第一次CO2甲烷化反应产物经隔热板上的通孔，进入微换热器-2，在微换热器-2内与冷空气进行换热，换热后经微换热器-2上的通孔进入微反应器-2，在微反应器-2内进行第二次CO2甲烷化反应，反应产物经下盖板上的通孔流出微反应装置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述原料混合气中H2/CO2摩尔比为3~4，第一次CO2甲烷化的反应温度为240~280 oC，第二次CO2甲烷化的反应温度为200~240 oC，反应过程为自供热运行。
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