CN106693848B - 一种轴径向微催化反应单元及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴径向微催化反应单元及其用途，该轴径向微催化反应单元包括中心柱体和同轴套设在所述中心柱体外侧的套筒；所述中心柱体具有轴向穿过所述中心柱体的轴向微反应通道，所述套筒的径向具有径向穿过所述套筒的径向微反应通道。本发明提供的轴径向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

一种轴径向微催化反应单元及其用途

技术领域

本发明涉及一种轴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轴径向微催化反应单元及其用途，该轴径向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：提供一种轴径向微催化反应单元，其特征在于，该微轴径向催化反应单元包括中心柱体和同轴套设在所述中心柱体外侧的套筒；所述套筒的内壁与所述中心柱体的外壁形成有集流道；所述集流道的上端密闭，所述集流道的下端设置有集流道开口；所述中心柱体具有轴向穿过所述中心柱体的轴向微反应通道，所述中心柱体的上下仅通过所述轴向微反应通道流体连通；所述套筒的径向具有径向穿过所述套筒的径向微反应通道，所述套筒的内外也仅通过所述径向微反应通道流体连通；所述轴向微反应通道具有直径不同的轴向微反应通道上方开口和轴向微反应通道下方开口；所述径向微反应通道具有直径不同的径向微反应通道外侧开口和径向微反应通道内侧开口。

优选地，所述中心柱体为选自圆柱、三菱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱和八棱柱中的其中一种。

优选地，所述轴向微反应通道的内表面和径向微反应通道的内表面负载有催化活性组分。

优选地，所述轴向微反应通道的直径从所述轴向微反应通道上方开口向轴向微反应通道下方开口的方向逐渐减小；所述径向微反应通道的直径从所述径向微反应通道外侧开口向径向微反应通道内侧开口的方向逐渐减小。

优选地，所述轴向微反应通道的直径从所述轴向微反应通道上方开口向轴向微反应通道下方开口的方向逐渐增大；所述径向微反应通道的直径从所述径向微反应通道外侧开口向径向微反应通道内侧开口的方向逐渐增大。

优选地，所述轴向微反应通道的直径和径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上方开口的直径与所述轴向微反应通道下方开口的直径的比值为(1.1-25)：1；所述径向微反应通道外侧开口的直径与所述径向微反应通道内侧开口的直径的比值为(1.1-25)：1。

优选地，所述轴向微反应通道的内部空间的总体积为所述中心柱体的体积的30％-90％；所述径向微反应通道的内部空间的总体积为所述套筒的体积的30％-90％。

优选地，所述轴向微反应通道和径向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轴径向微催化反应单元的用途，该用途包括：将至少一个所述轴径向微催化反应单元用于催化反应。

优选地，该用途还包括：将多个轴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，所述轴向微反应通道上方开口和轴向微反应通道下方开口中直径较小者为反应气体入口，所述径向微反应通道外侧开口和径向微反应通道内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，所述轴向微反应通道上方开口和轴向微反应通道下方开口中直径较大者为反应气体入口，所述径向微反应通道外侧开口和径向微反应通道内侧开口中直径较大者为反应气体入口。

与现有技术相比，本发明提供的轴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轴、径向反应器低(50％-85％)；

4、该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、该催化反应单元综合了轴向、径向催化反应单元的优点，对于具有强烈的温度变化的化学反应，可以有效改善催化单元因温度变化引起的热胀冷缩应力；

6、可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的轴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是本发明提供的轴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是本发明提供的轴径向微催化反应单元的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的轴径向微催化反应单元的具体实施方式的剖视图(即图1或图2中A-A面的剖视图，中心柱体为圆柱)；

图4是本发明提供的轴径向微催化反应单元的具体实施方式的剖视图(即图1或图2中A-A面的剖视图，中心柱体为四棱柱)；

图5是本发明提供的轴径向微催化反应单元的具体实施方式的剖视图(即图1或图2中A-A面的剖视图，中心柱体为六棱柱)；

图6是本发明提供的轴径向微催化反应单元的用途所采用的轴径向微催化反应单元的第一种具体实施方式的剖面侧视图(即并列放置)；

图7是本发明提供的轴径向微催化反应单元的用途所采用的轴径向微催化反应单元的第二种具体实施方式的剖面俯视图(即并列放置且中心柱体为四棱柱)；

图8是本发明提供的轴径向微催化反应单元的用途所采用的轴径向微催化反应单元的第三种具体实施方式的剖面侧视图(即重叠与并列放置)；

图9是本发明提供的轴径向微催化反应单元所采用的轴/径向微反应通道的一种具体实施方式(锥形管)的示意图；

图10是本发明提供的轴径向微催化反应单元所采用的轴/径向微反应通道的一种具体实施方式(喇叭形管)的示意图；

图11是本发明提供的轴径向微催化反应单元所采用的轴/径向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中心柱体 2套筒 3集流道 4集流道开口

5轴向微反应通道 6径向微反应通道

7轴向微反应通道下方开口 8轴向微反应通道上方开口

9径向微反应通道外侧开口 10径向微反应通道内侧开口

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：提供一种轴径向微催化反应单元，该微轴径向催化反应单元包括中心柱体1和同轴套设在中心柱体1外侧的套筒2；套筒2的内壁与中心柱体1的外壁形成有集流道3；集流道3的上端密闭，集流道3的下端设置有集流道开口4；中心柱体1具有轴向穿过中心柱体1的轴向微反应通道5，中心柱体1的上下仅通过轴向微反应通道5流体连通；套筒2的径向具有径向穿过套筒2的径向微反应通道6，套筒2的内外也仅通过径向微反应通道6流体连通；轴向微反应通道5具有直径不同的轴向微反应通道上方开口8和轴向微反应通道下方开口7；径向微反应通道6具有直径不同的径向微反应通道外侧开口9和径向微反应通道内侧开口10。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，中心柱体1和套筒2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(包括轴向微反应通道和径向微反应通道，下同)即可。中心柱体1可以为选自圆柱(图3)、三菱柱、四棱柱(图4)、五棱柱、六棱柱(图5)和八棱柱中的其中一种，套筒2只需能够套设在中心柱体1的外侧即可，具体形状并没有限制。

根据本发明的第一方面，为了使轴径向微催化反应单元能够用于反应，轴向微反应通道5的内表面和径向微反应通道6的内表面可以负载有催化活性组分。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，例如将轴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；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，轴向微反应通道5的直径从轴向微反应通道上方开口8向轴向微反应通道下方开口7的方向可以逐渐减小；径向微反应通道6的直径从径向微反应通道外侧开口9向径向微反应通道内侧开口10的方向也可以逐渐减小，轴向微反应通道上方开口8的直径与轴向微反应通道下方开口7的直径的可以比值为(1.1-25)：1；径向微反应通道外侧开口9的直径与径向微反应通道内侧开口10的直径的比值也可以为(1.1-25)：1，如图1所示。相反地，如图2所示，轴向微反应通道5的直径从轴向微反应通道上方开口8向轴向微反应通道下方开口7的方向可以逐渐增大；径向微反应通道6的直径从径向微反应通道外侧开口9向径向微反应通道内侧开口10的方向也可以逐渐增大，轴向微反应通道上方开口8的直径与轴向微反应通道下方开口7的直径的比值可以为1：(1.1-25)；径向微反应通道外侧开口9的直径与径向微反应通道内侧开口10的直径的比值也可以为1：(1.1-25)。轴向微反应通道5的直径和径向微反应通道6的直径可以在2-50毫米之间。

根据本发明的第一方面，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轴径向微催化反应单元的温度控制，轴向微反应通道5的内部空间的总体积可以为中心柱体1的体积的30％-90％；径向微反应通道6的内部空间的总体积可以为套筒2的体积的30％-90％。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，轴向微反应通道5和径向微反应通道6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9、图10和图11所示)；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轴径向微催化反应单元的用途，该用途包括：将至少一个轴径向微催化反应单元用于催化反应。更优选地是，本发明可以将多个轴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，当多个轴径向微催化反应单元并列用于反应时，它们的入口之间直接流体连通，出口之间直接流体连通，但是入口与出口之间仅仅通过微反应通道流体连通(如图6所示)；而当多个轴径向微催化反应单元重叠地用于催化反应时，相邻的上层轴径向微催化反应单元的出口与相邻的下层轴径向催化反应单元的轴向微反应通道入口(轴向微反应通道上方开口或轴向微反应通道下方开口)直接流体连通，而所有径向微反应通道的外侧开口均直接流体连通(如图8所示)。

根据本发明第二方面，当催化反应为体积增大的反应时，轴向微反应通道上方开口8和轴向微反应通道下方开口7中直径较小者可以为反应气体入口，径向微反应通道外侧开口9和径向微反应通道内侧开口10中直径较小者可以为反应气体入口。如图2所示，反应气体可以从轴向微反应通道上方开口8和径向微反应通道外侧开口9进入微反应通道进行反应，反应产物从轴向微反应通道下方开口7和径向微反应通道内侧开口10以及集流道开口4离开轴径向微催化反应单元。

根据本发明第二方面，当催化反应为体积减小的反应时，轴向微反应通道上方开口8和轴向微反应通道下方开口7中直径较大者可以为反应气体入口，径向微反应通道外侧开口9和径向微反应通道内侧开口10中直径较大者可以为反应气体入口。如图1所示，反应气体可以从轴向微反应通道上方开口8和径向微反应通道外侧开口9进入微反应通道进行反应，反应产物从轴向微反应通道下方开口7和径向微反应通道内侧开口10以及集流道开口4离开轴径向微催化反应单元。

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柱体1以及套筒2，中心柱体1为圆柱。中心柱体1的上下通过轴向微反应通道5流体连通，套筒2的内外通过径向微反应通道6流体连通。如图9所示，锥形管结构的轴向微反应通道5和径向微反应通道6，管壁涂覆有甲烷化活性组分，两端分别与中心柱体1的顶部密封板和底部密封板密封连接以及两端分别与套筒2的侧面密封连接。

轴径向微催化反应单元高度120mm，直径为405mm，套筒的厚度为50mm，集流道的宽度为15mm，所采用的锥形管轴向微反应通道长度为120mm，锥形管入口处直径10mm，出口处直径4mm，所采用的锥形管径向微反应通道长度为50mm，锥形管入口直径为6mm，出口直径为4mm，所有锥形管轴向微反应通道的总体积占中心柱体体积的比例为41.6％，所有锥形管径向微反应通道的总体积占套筒体积的比例为60.2％。

该轴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，一部分合成气在套筒中从外向内流动，另一部分合成气在中心柱体从上向下流动，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入口进入，在Ni基活性金属表面发生甲烷化反应，反应产物从微通道出口以及集流道开口离开轴径向微通道反应单元。

实施例2

如图2所示，实施例2与实施例1的区别在于，所采用的锥形管轴向微反应通道长度为120mm，锥形管入口处直径4mm，出口处直径10mm，所采用的锥形管径向微反应通道长度为50mm，锥形管入口直径为4mm，出口直径为6mm。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。

将该轴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，环己烷从锥形管的侧面和顶部开口端均匀进入内表面涂覆有铂金属的锥形管，在铂金属催化剂表面发生脱氢反应，从产物出口离开锥形管。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7和图8所示，实施例3所采用集成化的轴径向微催化反应单元数量为18个，采用3×2×3的长方体排列，中心柱体1为四棱柱，上下相邻的轴径向微催化反应单元的侧面密封，最下层的催化微反应单元的底部密封板之间密封连接。

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轴径向微催化反应单元之间，合成气均匀地进入每一个径向微催化反应通道和通过最上方的轴向微催化反应通道，在Ni基活性金属表面发生甲烷化反应，反应产物从集流道开口或轴向微反应单元下方开口进入轴径向微催化反应单元之间的空隙或离开集成化的轴径向微催化反应单元。

表1中给出的是本发明采用的集成化的轴径向微催化反应单元与本领域常规的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	0.25	90
微通道反应器	≥97	2.3	0.08	11

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，通过具有功能化的轴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，可以缩短设备的加工时间，降低反应器生产成本。

本发明提供的轴径向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)

1.一种轴径向微催化反应单元，其特征在于，该轴径向微催化反应单元包括中心柱体(1)和同轴套设在所述中心柱体(1)外侧的套筒(2)；所述套筒(2)的内壁与所述中心柱体(1)的外壁形成有集流道(3)；所述集流道(3)的上端密闭，所述集流道(3)的下端设置有集流道开口(4)；所述中心柱体(1)具有轴向穿过所述中心柱体(1)的轴向微反应通道(5)，所述中心柱体(1)的上下仅通过所述轴向微反应通道(5)流体连通；所述套筒(2)的径向具有径向穿过所述套筒(2)的径向微反应通道(6)，所述套筒(2)的内外也仅通过所述径向微反应通道(6)流体连通；所述轴向微反应通道(5)的内表面和径向微反应通道(6)的内表面负载有催化活性组分；

所述轴向微反应通道(5)的直径从所述轴向微反应通道上方开口(8)向轴向微反应通道下方开口(7)的方向逐渐减小；所述径向微反应通道(6)的直径从所述径向微反应通道外侧开口(9)向径向微反应通道内侧开口(10)的方向逐渐减小；或者，

所述轴向微反应通道(5)的直径从所述轴向微反应通道上方开口(8)向轴向微反应通道下方开口(7)的方向逐渐增大；所述径向微反应通道(6)的直径从所述径向微反应通道外侧开口(9)向径向微反应通道内侧开口(10)的方向逐渐增大。

2.根据权利要求1的轴径向微催化反应单元，其特征在于，所述中心柱体(1)为选自圆柱、三菱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱和八棱柱中的其中一种。

3.根据权利要求1的轴径向微催化反应单元，其特征在于，所述轴向微反应通道(5)的直径和径向微反应通道(6)的直径在2-50毫米之间。

4.根据权利要求1的轴径向微催化反应单元，其特征在于，所述轴向微反应通道上方开口(8)的直径与所述轴向微反应通道下方开口(7)的直径的比值为(1.1-25)：1；所述径向微反应通道外侧开口(9)的直径与所述径向微反应通道内侧开口(10)的直径的比值为(1.1-25)：1。

5.根据权利要求1的轴径向微催化反应单元，其特征在于，所述轴向微反应通道(5)的内部空间的总体积为所述中心柱体(1)的体积的30％-90％；所述径向微反应通道(6)的内部空间的总体积为所述套筒(2)的体积的30％-90％。

6.根据权利要求1的轴径向微催化反应单元，其特征在于，所述轴向微反应通道(5)和径向微反应通道(6)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中任意一项所述的轴径向微催化反应单元的用途，该用途包括：将至少一个所述轴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：将多个轴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，所述轴向微反应通道上方开口(8)和轴向微反应通道下方开口(7)中直径较小者为反应气体入口，所述径向微反应通道外侧开口(9)和径向微反应通道内侧开口(10)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，所述轴向微反应通道上方开口(8)和轴向微反应通道下方开口(7)中直径较大者为反应气体入口，所述径向微反应通道外侧开口(9)和径向微反应通道内侧开口(10)中直径较大者为反应气体入口。