CN106693847B - 一种径向微催化反应单元及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向微催化反应单元及其用途，该径向微催化反应单元包括具有中心管的中心筒；所述中心管的一端为开口；所述中心筒的外侧通过径向穿过所述中心筒的微反应通道与所述中心管流体连通，所述微反应通道具有直径不同的微通道内侧开口和微通道外侧开口。该微催化反应单元能够用于反应体积变化的反应，并且催化剂使用量少，压降低、停留时间短、空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

Description

一种径向微催化反应单元及其用途

技术领域

本发明涉及一种径向微催化反应单元及其用途。

背景技术

目前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。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。

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，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，满足反应器大型化的需求是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种径向微催化反应单元及其用途，该微催化反应单元能够用于反应体积变化的反应，并且催化剂使用量少，压降低、停留时间短、空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

为了实现上述目的，本发明第一方面：提供一种径向微催化反应单元，其特征在于，该径向微催化反应单元包括具有中心管的中心筒；所述中心管的一端为开口；所述中心筒的外侧通过径向穿过所述中心筒的微反应通道与所述中心管流体连通，所述微反应通道具有直径不同的微通道内侧开口和微通道外侧开口。

优选地，所述微反应通道的内表面负载有催化活性组分。

优选地，所述微反应通道的直径从所述微通道外侧开口向微通道内侧开口的方向逐渐减小。

优选地，所述微反应通道的直径在2-50毫米之间。

优选地，所述微通道外侧开口的直径与所述微通道内侧开口的直径的比值为(1.1-25)：1。

优选地，所述微反应通道的内部空间的总体积为所述中心筒的体积的30％-90％。

优选地，所述微反应通道为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种。

本发明第二方面：提供本发明第一方面所提供的径向微催化反应单元的用途，该用途包括：将至少一个所述径向微催化反应单元用于催化反应。

优选地，该用途还包括：将多个径向微催化反应单元并列和/或重叠地用于催化反应。

优选地，当所述催化反应为体积增大的反应时，所述微通道内侧开口和微通道外侧开口中直径较小者为反应气体入口。

优选地，当所述催化反应为体积减小的反应时，所述微通道内侧开口和微通道外侧开口中直径较大者为反应气体入口。

与现有技术相比，本发明提供的径向微催化反应单元及其用途，具有如下优点：

1、对于体积缩小的化学反应，采用涂覆催化活性组分的微反应通道，随着反应物从微反应通道较大直径端向较小直径端流动，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；

2、采用涂覆催化活性组分于微反应通道内表面，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；

3、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径向反应器低(50％-85％)；

4、该微催化反应单元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；

5、可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的径向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，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催化反应单元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催化反应单元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催化反应单元的用途所采用的径向微催化反应单元的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催化反应单元的用途所采用的径向微催化反应单元的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催化反应单元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6是本发明提供的径向微催化反应单元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7是本发明提供的径向微催化反应单元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。

附图标记说明

1中心筒 2中心管 3微反应通道

4微反应通道内侧开口 5微反应通道外侧开口

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：提供一种径向微催化反应单元，其特征在于，该径向微催化反应单元包括具有中心管2的中心筒1；所述中心管2的一端为开口；所述中心筒1的外侧通过径向穿过所述中心筒的微反应通道3与所述中心管2流体连通，所述微反应通道3具有直径不同的微通道内侧开口4和微通道外侧开口5。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，所述中心筒1可以由密封连接的顶部密封板、底部密封板和侧壁构成，其内可以空心，可以实心，只要能够容纳微反应通道3即可。所述中心筒1的直径与中心管2的直径之比可以为适合的任意比。

根据本发明的第一方面，为了使所述径向微催化反应单元能够用于反应，所述微反应通道3的内表面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，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3的直径可以从所述微通道外侧开口5向微通道内侧开口4的方向逐渐减小(保证微通道外侧开口5的直径大于微通道内侧开口4的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)，所述微通道外侧开口5的直径与所述微通道内侧开口4的直径的比值可以为1.1-25：1。为了增加反应的效率，所述微反应通道3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，所述微反应通道3的内部空间的总体积可以为所述中心筒1的体积的30％-90％。

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3可以为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种(分别如图5、图6和图7所示)；所述锥形管、喇叭形管和Y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。

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催化反应单元的用途，该用途包括：将至少一个所述径向微催化反应单元用于催化反应，更优选地是，本发明可以将多个径向微催化反应单元并列和/或重叠地用于催化反应。需要说明的是，当多个径向微催化反应单元并列用于反应时，它们的开口之间直接流体连通，出口之间直接流体连通，但是开口与出口之间仅仅通过微反应通道流体连通(如图3所示)；而当多个径向微催化反应单元重叠地用于催化反应时(同一垂直高度存在至少两个径向催化反应单元，同一水平高度也可以存在多个径向催化反应单元)，相邻的上层径向微催化反应单元的出口与相邻的下层径向微催化反应单元的入口直接流体连通，同一水平高度相邻两层微催化反应单元的出口与出口或入口与入口之间直接流体连通。

根据本发明第二方面，当所述催化反应为体积增大的反应时，所述微通道内侧开口4和微通道外侧开口5中直径较小者可以为反应气体入口。如图1所示，反应气体的入口为中心管2的开口端，反应气体的出口为微通道外侧开口5。如图3所示，反应气体的入口为多个反应单元的下端，反应气体的出口为多个反应单元的侧面或与侧面流体连通的上端。

根据本发明第二方面，当所述催化反应为体积减小的反应时，所述微通道内侧开口4和微通道外侧开口5中直径较大者可以为反应气体入口。如图1所示，反应气体的入口为微通道外侧开口5，反应气体的出口为中心管2的开口端。如图3所示，反应气体的入口为多个反应单元的侧面或与侧面流体连通的上端，反应气体的出口为多个反应单元的下端。

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催化反应单元包括由顶部密封板、底部密封板和侧面构成的中心筒1，中心筒1还包括设置在中心筒中心的中心管2，中心管2的下端为开口。如图2所示，中心管2与中心筒1通过微反应通道3流体连通。如图5所示，所述锥形管结构的微反应通道3，管壁涂覆有甲烷化反应活性组分镍，两端分别与中心筒1的侧壁和中心管2密封连接。

微催化反应单元高度200mm，直径为150mm，中心管直径30mm，所采用的锥形管微反应通道长度为60mm，锥形管入口处直径10mm，出口处直径4mm，所有锥形管的总体积占中心筒1体积的比例为65％。

该径向微催化反应单元可以用于甲烷化反应，合成气甲烷化反应是一个体积缩小的快速放热反应，合成气从外向内流动，反应通道逐渐变小，气体的流速变大，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，增加了甲烷合成的推动力，提高了原料气的转化率。同时反应器可以采用冷壁形式，降低反应器材质等级。合成气从涂覆有Ni基催化剂微反应通道3的微通道外侧开口5进入，在Ni基活性金属表面发生甲烷化反应，反应产物从微通道内侧开口4离开微通道反应器，在中心管2中不断汇集，从出气口离开催化反应单元。

本发明所提供的微催化反应单元工作原理如下：

参照图1，该径向微催化反应单元可以用于甲烷化反应。合成气从微通道外侧开口5进入涂覆有Ni基催化剂微反应通道3，在Ni基活性金属表面发生甲烷化反应，反应产物从微通道内侧开口4离开微催化反应通道3，在中心管2中不断汇集，从底端开口离开微催化反应单元。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，将图1所示微催化反应单元倒置，实施例2的反应原料入口为中心管2的开口端，反应原料通过微通道内侧开口4进入微反应通道3并与其中的活性组分或催化剂进行反应后，得到的反应产物从微通道外侧开口5离开微反应通道3。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。

将该径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，环己烷从中心管1的开口端均匀进入内表面涂覆有铂金属的微反应通道3，在铂金属催化剂表面发生脱氢反应，从产物出口5离开微反应通道3。环己烷从内向外流动，反应通道逐渐变大，增加了环己烷脱氢的推动力，提高了原料转化率。

实施例3

如图3和图4所示，实施例3所采用的微催化反应单元的结构参数与实施例1和2相同，数量为9个，采用3×3正方形排列，用于甲烷化反应，相邻的微催化反应单元的底部密封板之间密封。

该集成化模块中的锥形管微反应通道内涂覆有Ni基活性金属组分，该模块可以用于甲烷化反应。合成气从上方的进料口进入微催化反应单元之间的空隙中，合成气均匀地进入每一个径向微催化反应单元，从微通道外侧开口5进入涂覆有Ni基催化剂微反应通道3，在Ni基活性金属表面发生甲烷化反应，反应产物从微通道内侧开口4离开微催化反应通道3，在中心管2中不断汇集，从底端开口离开微催化反应单元。

表1中给出的是本发明采用的微通道模块化反应器与径向反应器对比情况。两种反应器催化反应单元具有相同尺寸，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微通道模块化反应器与径向反应器对比表

反应器类型	CH<sub>4</sub>选择性/(％)	使用寿命/(年)	压降/(bar)	Ni用量/(kg)
					径向反应器	≥90	2	0.15	80
微通道反应器	≥97	2.4	0.04	6.5

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。

本发明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、单位体积催化剂生产强度大，可通过微反应单元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。

Claims (10)

1.一种径向微催化反应单元，其特征在于，该径向微催化反应单元包括具有中心管(2)的中心筒(1)；所述中心管(2)的一端为开口；所述中心筒(1)的外侧通过径向穿过所述中心筒的微反应通道(3)与所述中心管(2)流体连通，所述微反应通道(3)具有直径不同的微通道内侧开口(4)和微通道外侧开口(5)，所述微反应通道(3)的内表面负载有催化活性组分。

2.根据权利要求1的径向微催化反应单元，其特征在于，所述微反应通道(3)的直径从所述微通道外侧开口(5)向微通道内侧开口(4)的方向逐渐减小。

3.根据权利要求1的径向微催化反应单元，其特征在于，所述微反应通道(3)的直径在2-50毫米之间。

4.根据权利要求1的径向微催化反应单元，其特征在于，所述微通道外侧开口(5)的直径与所述微通道内侧开口(4)的直径的比值为(1.1-25)：1。

5.根据权利要求1的径向微催化反应单元，其特征在于，所述微反应通道(3 )的内部空间的总体积为所述中心筒(1)的体积的30％-90％。

6.根据权利要求1的径向微催化反应单元，其特征在于，所述微反应通道(3)为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种。

7.权利要求1-6中任意一项所述的径向微催化反应单元的用途，该用途包括：将至少一个所述径向微催化反应单元用于催化反应。

8.根据权利要求7的用途，该用途还包括：将多个径向微催化反应单元并列和/或重叠地用于催化反应。

9.根据权利要求7的用途，其中，当所述催化反应为体积增大的反应时，所述微通道内侧开口(4)和微通道外侧开口(5)中直径较小者为反应气体入口。

10.根据权利要求7的用途，其中，当所述催化反应为体积减小的反应时，所述微通道内侧开口(4)和微通道外侧开口(5)中直径较大者为反应气体入口。