CN107847899A - 利用高效蒸发冷却进行非均相催化放热反应的微结构反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在各种情况下进行两种或更多种反应物之间的至少一种催化反应的微反应器，其包括如下堆叠序列：用于进行至少一种放热反应的反应表面(1)；和冷却区域(6)，其至少划分为具有用于冷却剂的进料和排出装置的单独的场(6)。

Description

利用高效蒸发冷却进行非均相催化放热反应的微结构反应器

本发明涉及用于进行催化反应的微结构反应器。

微结构反应器已经在各种实施方式中实施，并且已经在某些应用中商业化用于微工艺技术。它们的设计特别考虑了微技术的边界条件。微结构反应器至少包括但不限于：具有至少一个流入和至少一个流出的反应区。在反应区中发生受控反应，由此在至少一个反应区中使用催化剂。一实施方式也可以不用催化剂。作为基本原理，反应区可以设计成使得流体合并和/或分支的混合井或连续流井。

通常对简单的交叉流和逆流或并流过程进行区分。在许多情况下，存在类似交叉流的共享。如果使用未经过相变的冷却剂，则结果是整个系统的板内的不同反应通道的冷却能力不均匀。每个冷却通道所经过的反应通道的数量是不同的。温度升高导致下面的冷却通道中出现更高的温度。由于化学反应的反应速率相对于特定反应通道中温度呈指数上升，这导致冷却剂的冷却能力与反应放热的能力之间的额外冲突。此外，流体的粘度发生变化，这又导致在各个通道上以及在冷却板和反应板上介质的不均匀分配，这也是人们所不希望的。就此而言，反应介质的不均匀分配是一个问题，因为这自然而然地意味着不同的停留时间。

在蒸发冷却的情况下则更加复杂。当使用冷却剂时，如果保持单相，则待去除的热量沿反应通道发生变化。就至少部分存在的交叉流设置而言，这意味着不同程度的蒸发。这对于在整个过程中将所产生蒸汽用于其他子系统来提高整个过程链的效率来说是不理想的。对于冷却剂的可实现的总体蒸汽程度，该均匀分配有额外负面影响。因此，蒸汽首先在反应进行得更快的区域上释放。在此处发生的冷却剂速度的增加导致通过涉及整个系统中的压力交流来降低特定冷却通道的通过量，并且因此增强了冷却剂在板的通道之间不同蒸发程度的影响。此外，反应的温度控制更加困难。纯蒸汽通过的反应通道不能再充分冷却，因为蒸汽的质量流量和比热容要小得多。

此外，为了带走反应的热量，催化反应(所有情况下>90％)的大体常规面积和体积要求远远大于所需的通道表面。这意味着具有冷却通道的平面通常会严重尺寸过大。换句话说，根据一个观点，可能的传热系数比所需的传热系数更高。此外，由反应和冷却组成的每对板的可计算的热流大于待转移的反应焓。该事实可能额外增加了相对于反应通道的横向地局部不均匀蒸发的影响。这是因为冷却剂的蒸发可能会更早发生并提前完成。在极端情况下，蒸发过程可能在实际的冷却通道和冷却剂在反应通道纵向上的分配变得更加困难之前进行。由于反应通道的通常垂直取向，这意味着冷却通道的分配同样垂直地发生，并受到重力的影响。因此，通过在冷却通道前面形成气泡，最终可以防止进入某些区域。

现有技术中存在解决突出问题的几种解决方案。在WO 002004017008中描述了在微通道中具有相变的流动控制。WO 002004037418描述了具有填充催化剂的交叉流型的构造，其中催化剂是分级的，以控制所产生的热量。通过压力影响通道结构中分配的可能性在WO 002005044442中提及。在WO 002005075606中，提出了在微反应器(>25％钴负载)中使用助催化剂的费-托合成方法。该文件还涉及沿反应区使用不同数量的通道以使得反应冷却的可能性。继而，从WO 002005082519已知用不同冷却剂的温度梯度的可能性。WO002005065387的内容原则上是使用反应区进行蒸发的可能性。WO 002011075746公开了通过加强侧壁防止微通道的槽形设计过度变形的必要措施。WO 002012054455和WO2011134630总体上显示了具有部分交叉流设置的冷却剂中的反应物气体的分布、部分添加反应物和热量交换。最后，US 6994829描述了使用(曲折的)小通道进行蒸发，并与在直的较大的通道中随后进行过热处理。由US 7014835和DE 10044526已知两种反应的联系。由DE102005022958公开了使用柱状结构与反应物进料进行多相反应。在DE 10201210344中提出了具有中间冷却的催化反应的连续实施。

在这些文献中都没有描述用于在完全蒸发但不一定过热的交叉流型结构中高效分配冷却剂的必要措施。将部分添加用于反应，并且提出分级催化剂床/冷却区用于更好的冷却。

因此，本发明的目的在于解决所述的问题。更具体地说，通平行分配结构在整个反应器中达到均匀温度的难题仍然存在。

该目的通过用于在两种或更多种反应物之间进行放热反应的微结构反应器实现，所述反应物以流体形式在一种或多种催化剂上通过，所述微结构反应器包含如下的至少一种堆叠序列：

a)至少一层具有用于进行至少一种放热反应的一种或多种催化剂的层；

b)至少一层划分为两个或更多个冷却场的层；

c)至少一层具有分配器结构的层：

-具有用于冷却剂分配的管线，

-具有用于将冷却剂输送至分配器结构管线的连接以及用于连接至冷却场的连接，

-从冷却场排出经加热的冷却剂的连接，以及

-从堆叠序列排出经加热的冷却剂的管线和连接。

根据本发明，因此至少有一个堆叠序列。因此，微结构反应器可以具有任何所需数量的堆叠序列。堆叠序列优选设置为彼此的镜像。就此而言，单独的层可以板的形式或以膜的形式构造。

单独的层的厚度优选在以下范围内：

层a)0.5mm至10mm，优选1mm至3mm

层b)0.1mm至5mm，优选0.3mm至0.6mm

层c)1mm至10mm，优选1mm至3mm。

根据本发明，一层或多层的层可以在其表面上具有结构。设置在层a)中的结构用于容纳催化剂。因此，这些结构可以是反应通道或者也称为反应槽，其填充有催化剂材料的颗粒或涂覆有催化剂。反应通道的高度可以为0.4mm至8mm，优选0.8mm至1.5mm。

根据本发明，优选应考虑钴、铁、镍、铑或钌作为催化剂。也可以使用含有这些元素的化合物。一种或多种所述元素的等同组合是可行的。同样地，所述催化剂可以与本领域技术人员已知的其它提及的合适催化剂一起使用。

根据本发明，将催化剂用于进行反应。根据本发明，这些是放热反应。对于此，优选使得含有反应物或由其组成的流体在含催化剂的表面上通过。这些可以是含有相关反应物或由其组成的气态流体或液态流体。通过使用它们，在催化剂上形成了流体进行转化的反应区域。关于根据本发明所用的流体，例如可以使用合成气、氢气/氧气和烃(例如甲烷、烯烃等)。两种或更多种所述流体可以任意组合。

一个应用示例是费-托反应。此处，由合成气(一氧化碳和氢气的混合物)形成了主要由不同链长的烷烃组成的多种液体，其通过适当的精制步骤转化成含柴油或煤油的合成燃料。在转化过程中，还可能形成烯烃和异构体。烷烃可以液态或气态形式存在。相关反应剧烈放热，并且可在本微结构反应器中进行。

根据本发明的堆叠序列包含冷却场作为层b)。这意味着在该层中设置了一个或多个冷却场。反应表面产生的热量由这些冷却场吸收。单一的场彼此具有相同的冷却性质或具有相同的冷却能力。由此实现整个反应区域的均匀冷却。根据本发明，沿着具体的供应通道和/或分配器结构上的各场在几乎相同的温度下提供几乎相同量的冷却剂。

冷却场可以有各种结构。重要的是已经进行加热或变成蒸气形式的冷却剂的通道被弯曲，即具有至少一个弯曲。以此方式，重量对流动的影响很小，并且避免了液滴的任意喷出。在冷却场中，冷却剂以环状和/或波状形式运行(层(2))，然后再通过分配器结构(层(3))排出。

根据本发明使用的冷却剂优选液体。在最简单的情况下，就是水。除此之外，也可以使用其它冷却剂。示例是氨、丁烷、乙二醇、氟氯烃和丙烷。也可以使用本领域技术人员已知的所有其他冷却剂。也可以化合物的组合使用两种或更多种所述的冷却剂。

根据本发明，提供用于冷却剂进料的分配器结构。冷却液通过该结构分别供应到独立的场。通过各冷却场上的压力损失显着大于分配器结构的通道中的压力损失来实现将冷却剂均匀分配到相应的场。

根据本发明，单独的冷却场设有用于冷却剂流入和流出的管线。在各单独的冷却场中，具有冷却液的流入和流出。

根据本发明，用于冷却剂的供应管线设置为水力直径在冷却剂的流动方向上逐渐下降。相反，排出通道设置为水力直径在冷却剂的流动方向上逐渐上升。优选地，排出通道比进料通道大2至20倍。在无压力的情况下，可以考虑最多高100倍的直径。进料通道的水力直径优选为500μm至5mm，最优选为700μm至2mm。作为基本原理，水力直径取决于总长度和冷却剂分配的数量。水力直径随着分配的数量而增长。

因此，冷却剂的进料和排出位于一层内，换句话说，在同一平面上。冷却剂(任选地，冷却剂的蒸发)发生在另一层(平面)中。由此，反应层(层1)和冷却场之间的热流在单个层(2)中与冷却剂的进入温度无关。

在根据本发明进行放热反应时，通过冷却场来实现冷却。沿着反应段将冷却剂供给单独的冷却场的独立进料导致总体上均匀冷却、分布在反应的整个长度上。经加热的冷却剂再次从各冷却场分别排出。在本发明的范围内，可以优选冷却剂的蒸发，其通过排出管线再次排出。这意味着根据本发明，在整个反应段上实现了新鲜冷却剂的均匀分布由放热反应加热的蒸汽排放。就此而言，用于将冷却场的蒸汽排出的管线设置成使其在距离携带冷却剂的分配器结构具有最大间隙的位置，即，在冷却剂的供给和排出之间，也就是说，在将较冷的冷却剂携带至冷却场的供给管线与排出经加热的冷却剂、任选地来自堆叠序列/反应器的蒸汽的排出管线之间的位置。因此，防止了这些段之间的任何热传导。

反应层(层1)和层2中的冷却场之间的热流与冷却剂的入口温度无关保证了反应区中温度的均衡(evening-out)，尽管在可能达到几平方米尺寸的各层的表面上，进入井的冷却剂低于沸腾温度。使用两层的组合(一层用于通过冷却场进行冷却，另一个层用于冷却剂的分配器结构)防止反应器过热并确保均匀的温度分布，基本上是等温状态的。

分配器结构具有并排排列(平行设置)的用于冷却剂的进料和排出的多个优选对称设置的管线。这导致进料和排出之间的逆流和并流之间的周期性交替的流动控制——但是与反应物的流动相关的交叉流——不考虑冷却场层中流动。同样，以此方式实现了如上所述的冷却剂的进料和排出之间的最大间隙。

I.附图标记

1.层a)

2.层b)

3.层c)

4.水

5.蒸汽

6.冷却场

7.冷却剂的进料

8.非结构化的层

9.蒸汽的排出

10.供应至各冷却场

11.反应介质的纵向路线

12.冷却剂的横向方向

13.反应介质

14.冷却剂的独立排出

II.附图概述

图1详细显示了层的排列。

图2显示了具有进料和排出管线的冷却场。

图3以三维图示显示出冷却剂的供给和排出。

图4显示反应介质和冷却剂的路径。

从图中可以看出单独的层，其包括：用数字1标识的非结构化层8(即层a)、用数字2标识的层b)和用数字3标识的层c)。在层1下面设置层2，在其下设置分配器结构3。换句话说，在层1和分配器结构3之间，存在具有冷却场6的层2。在该堆叠序列的上面和下面，存在其他堆叠序列，其设置为所述的堆叠序列的镜像。此处，冷却剂通过管线7经过管线10输送到冷却场6中。由于在层1中的催化剂影响下发生的放热反应，冷却剂受到了加热。通常作为蒸汽存在的经加热的冷却剂(例如水4)经过管线5排出。定期产生的蒸汽最终通过管线9排出。以此方式，避免了出现温度梯度，这通常是放热反应的结果，其中，沿着反应段对冷区剂进行以导引。使用根据现有技术的这些构造，冷却剂逐步升温并且在极端情况下可能达到反应温度。

冷却剂(例如水4)可以经由加料点14单独进料至进料管线7中。从此处，冷却剂经由线路10进料至各冷却场6。就此而言，将线路7中的冷却剂以横向方向12引导至反应介质13的体积流动的方向。这意味着将反应介质13以相对于冷却剂(例如，水4)的纵向方向11进行引导。

Claims (15)

1.用于在两种或更多种反应物之间进行放热反应的微结构反应器，所述反应物以流体形式在一种或多种催化剂之上通过，所述微结构反应器包含如下的至少一种堆叠序列：

a)至少一层具有用于进行至少一种放热反应的一种或多种催化剂的层(1)；

b)至少一层划分为两个或更多个冷却场(6)的层(2)；

c)至少一层具有分配器结构(3)的层：

-具有用于冷却剂分配的管线，

-具有用于将冷却剂进料至分配器结构管线的连接以及用于连接至冷却场的连接，

-从冷却场排出经加热的冷却剂的连接，以及

-从堆叠序列排出经加热的冷却剂的管线和连接。

2.如权利要求1所述的微结构反应器，其特征在于，所述微结构反应器具有多个堆叠序列。

3.如权利要求2所述的微结构反应器，其特征在于，所述堆叠序列设置为彼此呈镜像的形式。

4.如前述权利要求中任一项所述的微结构反应器，其特征在于，单独的层以板的形式或以膜的形式构造。

5.如权利要求4所述的微结构反应器，其特征在于，所述单独的层具有如下厚度：

层a)0.5mm至10mm，

层b)0.1mm至5mm，

层c)1mm至10mm。

6.如前述权利要求中任一项所述的微结构反应器，其特征在于，一层或多层的层在其表面具有结构。

7.如权利要求6所述的微结构反应器，其特征在于，将所述催化剂填充入所述结构中。

8.如权利要求7所述的微结构反应器，其特征在于，所述结构是填充有颗粒的反应通道或反应槽。

9.如权利要求8所述的微结构反应器，其特征在于，所述反应通道或反应槽的高度为0.4mm至8mm。

10.如前述权利要求中任一项所述的微结构反应器，其特征在于，在分配器结构中，输送冷却剂进料的管线设置成使得其与用于从冷却场排出冷却剂的管线之间具有最大的间隙。

11.如权利要求11所述的微结构反应器，其特征在于，用于冷却剂的进料管线的水力直径在冷却剂的流动方向上逐渐下降。

12.如权利要求12所述的微结构反应器，其特征在于，用于蒸汽的排出管线的水力直径在冷却剂的流动方向上逐渐下降。

13.如前述权利要求中任一项所述的微结构反应器，其特征在于，各冷却场在分配器结构中具有冷却剂的单一进料和排出。

14.如前述权利要求中任一项所述的微结构反应器，其特征在于，所述催化剂是钴、铁、镍、铑或钌催化剂，或含有这些元素。

15.如前述权利要求中任一项所述的微结构反应器，其特征在于，在分配器结构中，冷却剂的进料和排出设置成相对于反应物的流呈交叉流。