CN107583577B - 一种利用微反应系统进行吸放热耦合反应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用微反应系统进行吸放热耦合反应的方法，该方法是将吸热反应和放热反应同时在微反应器上进行，所述微反应器依次由上保温层、上加热层、至少一个微反应层、下加热层、下保温层叠加而成，所述微反应层由上密封板、下密封板以及夹在两层密封板之间的至少一个微反应板组成，所述微反应板上设有供1#反应原料反应的1#微反应通道和供2#反应原料反应的2#微反应通道，两种微反应通道分别带多个连续混合反应腔且两种微反应通道的混合反应腔之间呈相互咬合状态。该微反应设备中两种微反应通道的混合反应腔之间呈相互咬合状态，这有效的增加了吸放热反应之间的热交换面积，提高了换热效率，降低了能耗，同时实现了反应区间温度的均匀分布，不会有热点出现，保证了装置在整个生产周期内的平稳运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸放热耦合反应的方法。
背景技术
在化工生产过程中，会有大量的放热反应和吸热反应存在，反应放出的热量如不能充分利用会造成能源的浪费。因此，开发一种能够将放热和吸热反应集成在一起的反应器引起了越来越广泛的关注。
微反应器即微通道反应器，是利用精密加工技术制造的特征尺寸在10-3000微米之间的微型反应器。微反应器中的“微”表示工艺流体的通道在微米级别而不是指微反应设备的外形尺寸大小或产品的大小，其内部可以包含有成百万上千万的微型通道。微反应器的反应介质可以是气体、液体或者弥散物，用于反应物在微反应通道内进行物理反应或者化学反应。微反应器从本质上讲是一种连续流动的通道式反应器，具有比表面积大，传递速率高，接触时间短，副产物少；无放大效应；可连续化生产；可及时移走大量热量，安全性高等特点。
因此，将工业生产中的吸放热反应同时在微反应器进行，增加吸放热反应之间的热交换效率，在降低能耗的同时，可实现反应设备尺寸的缩小，提高了反应物的转化效率，同时实现了反应区间温度的均匀分布，不会有热点出现，保证了装置在整个生产周期内的平稳运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸放热耦合反应的方法，该方法是同时将吸热和放热反应集成在一个微反应器中进行，能够实现吸放热耦合反应，提高吸放热反应之间的热交换效率，降低能耗。
本发明的目的是通过下面技术方案具体实现，然而本发明可以不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式，以使得本发明对于本领域技术人员来说是彻底和完整的，并且将充分地传达本发明的范围。
除非另有定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有如本发明所属技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。在本文的描述中所使用的术语是用于描述特定的实施方式，而不是对其进行限制。作为本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一”、“一个”、“所述”等也包括复数形式，除非上下文清楚的另有指示。
本发明提供了一种利用微反应系统进行吸放热耦合反应的方法，其特征在于：
（1）将净化后的1#反应原料和2#反应原料分别在1#反应物混合设备和2#反应物混合设备中混合均匀；
（2）将1#反应物和2#反应物引入到微反应设备中进行吸放热耦合反应；
（3）反应后的产物分别引入到1#产物收集设备和2#产物收集设备中收集；
所述1#反应物进行的是放热反应且2#反应物进行的是吸热反应，或1#反应物进行的是吸热反应且2#反应物进行的是放热反应；
所述微反应设备由至少两个以上微反应器串联而成，且由温度自动调节设备控制耦合反应温度；所述微反应器依次由上保温层、上加热层、至少一个微反应层、下加热层、下保温层叠加而成；所述微反应层由上密封板、下密封板以及夹在两层密封板之间的至少一个微反应板组成；
所述微反应板上设有供1#反应物反应的1#微反应通道和供2#反应物反应的2#微反应通道；所述1#微反应通道和2#微反应通道分别带多个连续混合反应腔，且所述两种微反应通道的混合反应腔之间呈相互咬合状态；
所述微反应通道及混合反应腔内壁涂有相应反应的催化剂。
优选的，所述放热反应是甲烷化反应、甲烷部分氧化反应、甲醇制烯烃反应、费托合成、异构化反应、甲烷催化燃烧反应、氨气催化氧化反应、二氧化硫氧化反应、酸碱中和反应中的一种反应；所述吸热反应是甲烷二氧化碳重整反应、甲烷水蒸气重整反应、催化裂解、逆水煤气反应中的一种反应。
优选的，所述反应物在微反应通道中的停留时间为0.01-2s，反应压力为0.1-6MPa。
优选的，所述1#微反应通道和2#微反应通道的内径范围为0.1-10mm，所述混合反应腔的内径宽度为所述微反应通道的0.2-4倍。
优选的，所述混合反应腔呈T形状或蘑菇形状。
优选的，所述混合反应腔呈L形状。
优选的，在所述混合反应腔相对的微反应通道壁上有Y形挡板。
优选的，与混合反应腔相对的微反应通道壁上L有形挡板。
优选的，所述混合反应腔的顶部还有一个挡板，且该挡板与所述微反应通道壁上的挡板有间隙。
优选的，所述1#微反应通道和2#微反应通道通过其多个混合反应腔之间相互咬合后整体呈曲折形或螺旋形。
与现有技术相比，本发明中提供的微反应板中设置有两种反应通道，且两种微反应通道分别带多个连续混合反应腔，有利于反应物的充分混合。进一步的，两种微反应通道的混合反应腔之间呈相互咬合状态，这有效的增加了吸放热反应之间的热交换面积，提高了换热效率，降低了能耗，同时实现了反应区间温度的均匀分布，不会有热点出现，保证了装置在整个生产周期内的平稳运行。另一方面，本发明的微反应设备在吸放热耦合反应装置中根据生产需要自由组合，简单方便，有利于实现设备的最大利用率，无明显放大效应，缩短了装置的加工时间，进一步降低了反应装置的生产成本。
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
附图是用来提供对被发明的进一步理解，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届时本发明，但并不后塍对本发明的限制。在附图中：
图1是吸放热耦合反应装置一种实施方式的结构示意图；
图2是微反应设备一种具体实施方式的结构示意图；
图3是微反应板的一种具体实施方式的结构示意图（T形混合反应腔）；
图4是微反应板的一种具体实施方式的结构示意图（蘑菇形混合反应腔）；
图5是微反应板的一种具体实施方式的结构示意图（L混合反应腔）；
图6是微反应设备另一种具体实施方式的结构示意图；
图7是微反应板的另一种具体实施方式的结构示意图（T形混合反应腔）；
图8是微反应板的另一种具体实施方式的结构示意图（蘑菇形混合反应腔）；
图9是微反应板的另一种具体实施方式的结构示意图（L混合反应腔）；
图10是带T形混合反应腔的微反应通道的一种具体实施方式的结构示意图；
图11是带蘑菇形混合反应腔的微反应通道的一种具体实施方式的结构示意图；
图12是带L形混合反应腔的微反应通道的一种具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明
10 微反应器 11 1#反应物入口通孔 12 1#产物出口通孔
13 1#反应物入口 14 1#产物出口 15 1#微反应通道
21 2#反应物入口通孔 22 2#产物出口通孔 23 2#反应物入口
24 2#产物出口 25 2#微反应通道 30 混合反应腔 31 挡板
32 混合反应腔顶部挡板 41 1#反应物混合设备 42 2#反应物混合设备
43 1#产物收集设备 44 2#产物收集设备 51 压力控制设备
52 流量控制设备 53 温度自动调节设备 54 微反应设备。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚完整地描述。此处所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明，本发明的保护范围仍以权利要求书所公开的内容为准。
基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为吸放热耦合反应装置结构示意图的一个例子，该装置由1#反应物混合设备、2#反应物混合设备、压力控制设备、温度自动调节设备、流量控制设备、1#产物收集设备、2#产物收集设备、以及由至少两个以上微反应器组成，其中一个微反应设备的反应物出口与另一个微反应设备的反应物进口通过管道对应连通。
所述微反应设备依次上保温层、上加热层、上密封板、微反应板、下密封板、下加热层、下保温层叠加而成。上保温层、上加热层、上密封板上设有1#反应物入口通孔和2#反应物入口通孔，且与微反应板上的1#反应物入口和2#反应物入口对应相通；下密封板、下加热层、下保温层设有1#产物出口通孔和2#产物出口通孔，且与微反应板上的1#产物出口和2#产物出口对应相通。
在微反应板上的1#反应物入口与1#产物出口之间和2#反应物入口与2#产物出口之间分别设有供1#反应物反应的1#微反应通道和供2#反应物反应的2#微反应通道，所示1#微反应通道和2#微反应通道上均带有多个连续混合反应腔，且所述混合反应腔之间成相互咬合状态。
图2所示为上述微反应设备结构示意图的一个例子，其中在此实例中1#微反应通道和2#微反应通道通过混合反应腔之间的相互咬合整体呈曲折形（图3、图4、图5所示）。
图6所示为上述微反应设备结构示意图的一个例子，其中在此实例中1#微反应通道和2#微反应通道通过混合反应腔之间的相互咬合整体呈螺旋形（图7、图8、图9所示）。
在上述实例中，所示混合反应腔可以是T形状（图10所示），可以使蘑菇形状（图11所示），也可以是L形状（图12所示），且1#微反应通道和2#微反应通道上的混合反应腔呈相互咬合状态。
优选的，在混合反应腔相对的微反应通道壁上有Y形挡板，且Y形挡板上的夹角α的范围为0°-180°。另外，在混合反应腔的顶部还有一个挡板，且该挡板与所述微反应通道壁上的挡板有间隙。
优选的，与混合反应腔相对的微反应通道壁上L有形挡板，且L形挡板上的夹角β的范围为90°-180°。
在上述吸放热耦合反应装置应用过程中，通过压力控制设备来控制各反应通道内的反应压力，通过温度自动调节设备来控制微反应设备加热层的加热温度，通过流量控制设备来控制调节反应原料在微反应器中的停留时间。
其中，1#反应原料在1#反应物混合设备中进行充分混合后，依次通过微反应设备中上保温层、上加热层、上密封板上的1#反应物入口通孔进入到微反应板中的负载有1#反应物催化剂地1#微反应通道，再微反应通道和混合反应腔中停留10-1000ms进行了充分的反应后，经过下保温层、下加热层、下密封板上的1#产物出口通孔导出引入到1#产物收集设备中，得到1#产物。与此同时，2#反应原料在2#反应物混合设备中进行充分混合后，依次通过微反应设备中上保温层、上加热层、上密封板上的2#反应物入口通孔进入到微反应板中的负载有2#反应物催化剂地2#微反应通道，再微反应通道和混合反应腔中停留10-1000ms进行了充分的反应后，经过下保温层、下加热层、下密封板上的1#产物出口通孔导出引入到2#产物收集设备中，得到2#产物。
优选的，所述1#微反应通道中进行的是吸热反应且所述2#微反应通道中进行的是放热反应，或所述1#微反应通道中进行的是放热反应且所述2#微反应通道中进行的是吸热反应。
优选的，所述放热反应是甲烷化反应、甲烷部分氧化反应、甲醇制烯烃反应、费托合成、异构化反应、甲烷催化燃烧反应、氨气催化氧化反应、二氧化硫氧化反应中的一种反应；所述吸热反应是甲烷二氧化碳重整反应、甲烷水蒸气重整反应、催化裂解、逆水煤气反应中的一种反应。
实施例1
以CH4和O2为1#反应原料进行甲烷部分氧化反应，该反应为强放热反应,其中CH4与O2之间的比例为2:1；以CH4和CO2为2#反应原料进行甲烷二氧化碳重整反应，该反应为吸热反应，其中CH4与CO2之间的比例为1:1。
在该实例中，CH4和O2混合气体在1#反应物混合设备中充分混合后引入到微反应设备中的1#微反应通道，其中1#微反应通道与其混合反应腔内壁上涂有甲烷部分氧化反应的Pt-Ni合金催化剂，该反应在常压下进行，混合反应气体流速为3L/min,在微反应设备中的停留时间为15ms；同时，CH4和CO2混合气体在2#反应物混合设备中充分混合后引入到微反应设备中的2#微反应通道，其中2#微反应通道与其混合反应腔内壁上涂有甲烷二氧化碳重整反应的活性金属Ni催化剂，该反应在常压下进行，混合反应气体流速为5L/min,在微反应设备中的停留时间为10ms。反应结果如表1所示：
表1：实施例1反应结果
| 原料气 | 催化剂 | 反应温度 | 气体流速 | 转化率 | 产品收率 |
| CH<sub>4</sub>/O<sub>2</sub> | Pt-Ni | 700 <sup>o</sup>C | 3L/min | 99.6% | 99.7% |
| CH<sub>4</sub>/CO<sub>2</sub> | Ni | 700 <sup>o</sup>C | 5L/min | 99.2% | 99.5% |
实施例2
以CO和H2为1#反应原料进行费托合成反应，该反应为强放热反应,其中CO与H2之间的比例为1:2；以H2和CO2为2#反应原料进行逆水煤气反应，该反应为吸热反应，其中H2与CO2之间的比例为1:1。
在该实例中，费托合成反应催化组分为活性金属Co，逆水煤气反应催化组分为Pt，在反应前，微反应设备中的两个微反应通道先通入H2在450oC的条件下活化催化剂20min。然后，通过温度自动调节设备控制微反应设备温度为350oC，并（1）将CO和H2混合气体在1#反应物混合设备中充分混合后引入到微反应设备中的1#微反应通道，反应压力为4MPa，混合反应气体流速为5L/min,；（2）将CO2和H2混合气体在2#反应物混合设备中充分混合后引入到微反应设备中的2#微反应通道，反应压力为2MPa，混合反应气体流速为5L/min。其中费托合成反应的CO转化率为55.8%，产品收率为85.6%；逆水煤气反应的CO2转化率为99.8%，产品收率为99.9%。
Claims (3)
1.一种利用微反应系统进行吸放热耦合反应的方法，其特征在于：
（1）将净化后的1#反应原料和2#反应原料分别在1#反应物混合设备和2#反应物混合设备中混合均匀；
（2）将1#反应物和2#反应物引入到微反应设备中进行吸放热耦合反应；
（3）反应后的产物分别引入到1#产物收集设备和2#产物收集设备中收集；
所述1#反应物进行的是放热反应且2#反应物进行的是吸热反应，或1#反应物进行的是吸热反应且2#反应物进行的是放热反应；
所述微反应设备由至少两个以上微反应器串联而成，且由温度自动调节设备控制耦合反应温度；所述微反应器依次由上保温层、上加热层、至少一个微反应层、下加热层、下保温层叠加而成；所述微反应层由上密封板、下密封板以及夹在两层密封板之间的至少一个微反应板组成；
所述微反应板上设有供1#反应物反应的1#微反应通道和供2#反应物反应的2#微反应通道；所述1#微反应通道和2#微反应通道分别带多个连续混合反应腔，所述混合反应腔呈T形状、蘑菇形状或L形状，且所述1#微反应通道和2#微反应通道通过其多个混合反应腔之间相互咬合后整体呈曲折形或螺旋形；在所述混合反应腔相对的微反应通道壁上有挡板，所述混合反应腔的顶部还有一个挡板，且该挡板与所述微反应通道壁上的挡板有间隙；
所述反应物在微反应通道中的停留时间为0.01-2s，反应压力为0.1-6MPa；
在所述混合反应腔相对的微反应通道壁上有挡板，所述挡板形状为Y形或L形；
所述微反应通道及混合腔内壁涂有相应反应的催化剂。
2.根据权利要求1所述的利用微反应系统进行吸放热耦合反应的方法，其特征在于：所述放热反应是甲烷化反应、甲烷部分氧化反应、甲醇制烯烃反应、费托合成、异构化反应、甲烷催化燃烧反应、氨气催化氧化反应、二氧化硫氧化反应、酸碱中和反应中的一种反应；所述吸热反应是甲烷二氧化碳重整反应、甲烷水蒸气重整反应、催化裂解、逆水煤气反应中的一种反应。
3.根据权利要求1所述的利用微反应系统进行吸放热耦合反应的方法，其特征在于：所述1#微反应通道和2#微反应通道的内径范围为0.1-10mm，所述混合反应腔的内径宽度为所述微反应通道的0.2-4倍。
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