CN109078590B - 微通道反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及甲醇水蒸气重整制氢领域，公开了一种微通道反应器，包括：反应器本体，该反应器本体的空腔形成包括进料通道、蒸发腔、重整腔、气体出口通道和微波发生腔的单元，所述进料通道的末端与所述蒸发腔和所述重整腔依次连通，所述气体出口通道设置在所述重整腔的顶部，所述微波发生腔中设置有微波发生器，且该微波发生腔设置在所述反应器本体的下部；U形保温层，该U形保温层设置在所述反应器本体的外部以包裹所述反应器本体的顶面和两侧侧面；以及底板，该底板设置在所述反应器本体的底部，且与所述U形保温层相接。本发明提供的微通道反应器具有能量利用率高、制作成本低、加热均匀的优点。
Description
技术领域
本发明涉及甲醇水蒸气重整制氢领域，具体涉及一种微通道反应器。
背景技术
微反应器由于具有体积小、比表面积大、传热传质效果优良的特点，已被广泛应用于各类化工过程。
目前，以液态醇类碳氢化合物为燃料，在一定工作条件下可以通过微通道反应器催化反应从而能瞬时转化为富氢气体，为解决燃料电池等电子电力器件的氢源问题提供了一条崭新的思路。因此，新型制氢微通道反应器引起了广大研究者的广泛兴趣。
在传热方面，微反应器内由于流体厚度减小，比表面积提高，微通道内的反应物与壁面可以进行高效的热交换，与外界进行热交换的效率远超过传统反应器，从而能够有效地精确控制反应温度，当反应物在微通道反应器中的温度分布集中于理想的温度分布附近时，可有效避免反应物局部过热、过冷和传热不均匀等热效应问题，避免有些副反应的发生，从而更加有利于设定的目标产物的合成，使反应选择性提高。
在传质方面，微通道反应器中由于线尺度减小，压力、浓度等梯度提高，这对于化学反应是十分有利的，将导致传质推动力增加，扩大了单位体积、单位面积的扩散通量，提高了传质能力。
目前，在微通道反应器中，加热方式的选择决定着化学反应效率以及转化效率高低。目前，传统的微通道反应器多采用高压电加热或催化剂自热重整等方式进行加热。传统的微通道反应器加热方式具有快速升温和控温效果好特点，但是，在温度从催化剂的外表面传至内表面时存在着一定的滞后效应，因此导致传热不均匀、能量利用率不高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的微通道反应器存在的能量利用率不高以及传热不均匀的缺陷，提供一种新的微通道反应器。
本发明的发明人发现，采用微波加热的微通道反应器是通过对对象本身介质损耗而引起的体积加热，可实现分子水平上由表及里的加热，具有无滞后效应、能量利用效率高、加热均匀、温度梯度小等特点。利用微波加热的微通道反应器中的催化剂载体板，可改善催化剂的表面形态，进而促进活性点均匀分布；另外，当微波频率与分子转动频率相近时,能够降低反应活化能，改变了反应动力学，进而促进反应进程。鉴于此，本发明的发明人将微波加热技术用于微通道反应器，加快燃料的催化反应过程，能够明显提高制氢性能。本发明的技术有望成为当前提高制氢微反应器的性能最有效的技术手段之一。
为了实现上述目的，本发明提供一种微通道反应器，包括：
反应器本体，该反应器本体的空腔形成包括进料通道、蒸发腔、重整腔、气体出口通道和微波发生腔的单元，所述进料通道的末端与所述蒸发腔和所述重整腔依次连通，所述气体出口通道设置在所述重整腔的顶部，所述微波发生腔中设置有微波发生器，且该微波发生腔设置在所述反应器本体的下部；
U形保温层，该U形保温层设置在所述反应器本体的外部以包裹所述反应器本体的顶面和两侧侧面；以及
底板，该底板设置在所述反应器本体的底部，且与所述U形保温层相接。
本发明的微通道反应器中设置的微波发生器能够产生微波，通过微波发生腔对本发明的微通道反应器的蒸发腔和/或重整腔进行均匀加热。
本发明的U形保温层和所述底板均采用保温材质，从而能够实现对微通道反应器进行保温。对所述保温材质的种类没有特别的限制，只要能够实现保温效果即可，例如可以为保温石棉、陶瓷纤维等材料。
更加优选地，所述底板采用不锈钢材料，并且所述底板与所述U形保温层之间的连接方式为高温密封胶连接。
本发明的所述U形保温层和所述底板可以为一体结构，也可以为独立但是相接的两个结构，优选情况下，所述U形保温层和所述底板为相接的两个结构。
在本发明中，所述蒸发腔的与所述进料通道连接端处设置为发散状(例如可以为喇叭形)，使得由所述进料通道进入到所述蒸发腔中的物料在逐渐开阔的空间下向下游流动。
含有醇的原料通过进料通道进入本发明的微通道反应器中，设置在反应器本体的下部的微波发生腔中的微波发生器产生微波对该微通道反应器的蒸发腔和重整腔进行加热，从进料通道进入的原料在蒸发腔中被蒸发成气态，并且随后进入重整腔中进行反应，反应后得到的氢气产物由气体出口通道引出反应器本体，从而实现高效率能量利用以制氢。
本发明提供的微通道反应器具有能量利用率高、制作成本低、加热均匀的优点。采用本发明提供的微通道反应器进行醇类重整制氢时能够具有高效制氢的优点。
优选情况下，所述反应器本体与所述U形保温层之间设置有气体回流通道和回型腔，该气体回流通道的两个末端分别与所述气体出口通道和所述回型腔连接，并且所述回型腔围绕所述反应器本体而设置在所述反应器本体的近进料通道端。通过设置的气体回流通道和回型腔，使得由前述气体出口通道引出的氢气产物由气体回流通道进入到回型腔中，由于氢气产物的温度高于所述反应器本体的近进料通道端的温度，从而在氢气产物和所述反应器本体的近进料通道端中的物料之间实现热交换。本发明的该设置能够进一步实现能量的高效利用以及加热均匀。所述气体回流通道和回型腔可以设置在U形保温层内(即U形保温层内设置有凹槽)，也可以设置在反应器本体内(即反应器本体内设置有凹槽)。前述热交换能够将产物氢气中的热量传递给相对低温的原料，从而实现对原料的预热处理。通过该预热处理，本发明的原料能够由环境温度升高至50～100℃。
优选情况下，所述回型腔围绕所述蒸发腔的前部而设置。也即，所述回型腔围绕自进料通道末端至所述蒸发腔的第一蒸发板的之前的区域而设置。优选情况下，自进料通道末端至所述蒸发腔的第一蒸发板的之前的区域为发散的扩口状，从而有利于自进料通道进入的原料在进入到蒸发腔中时，能够发散均匀，有利于后续的蒸发。
优选情况下，所述底板上设置有产物出口，该产物出口与所述回型腔连通。设置在所述底板上的产物出口使得来自回型腔的经过了热交换后的氢气产物从该产物出口引出本发明的微通道反应器之外。
优选情况下，所述气体回流通道的单位长度的容积为V1，以及所述气体出口通道的单位长度的容积为V2，且1/2V2≤V1≤2V2。本发明的发明人发现，控制所述气体回流通道和所述气体出口通道的比例关系如上所示时，能够有效地提高能量的利用率，并且避免氢气产物在所述气体回流通道中再次吸收例如重整腔等的热量，使得能耗增加。
优选地，所述回型腔的宽度为d1，所述气体回流通道的宽度为d2，且1/4d2≤d1≤2d2。
根据一种优选的具体实施方式，所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗，该重整腔可视窗设置在所述微波发生器的除底部以外的四周，使得由所述微波发生器产生的微波穿过该重整腔可视窗对所述重整腔进行加热。
根据另一种优选的具体实施方式，所述微波发生腔中还设置有蒸发腔可视窗，该蒸发腔可视窗设置在所述微波发生腔的近蒸发腔端，使得由所述微波发生器产生的微波穿过该蒸发腔可视窗对所述蒸发腔进行加热。
优选地，所述重整腔可视窗和所述蒸发腔可视窗的材料材质为石英玻璃。
本发明的所述重整腔可视窗和所述蒸发腔可视窗可以采用例如高温密封胶与所述微通道反应器中的直接连接部件相连。
根据还有一种优选的具体实施方式，所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗、蒸发腔可视窗和发射通道；所述重整腔可视窗设置在所述微波发生器的除底部以外的四周，且在近蒸发腔端设置有开口；所述蒸发腔可视窗设置在所述微波发生腔的近蒸发腔端；以及所述发射通道的两端分别连接所述开口和所述蒸发腔可视窗。微波发生器产生的微波能够穿过所述重整腔可视窗而对重整腔进行加热；并且该微波发生器产生的微波还能够依次通过所述开口以及所述发射通道而穿过所述蒸发腔可视窗以对所述蒸发腔进行加热。优选地，所述发射通道的侧壁的材质为金属，该金属材质的发射通道的侧壁不会吸收微波，且能够对微波产生发射，使得该发射通道内的微波集中于蒸发腔可视窗而对所述蒸发腔进行加热。
在本发明中，所述微波发生器的功率可调，例如可以在200～1200W之间，优选200～600W之间可调。并且所述微波发生器可以设置有至少两个发射口。其中一个发射口产生的微波用于加热蒸发腔中的原料，而至少另一个发射口用于将重整腔中的载体板进行加热。在本发明中，所述的微波发生器与本发明的所述微通道反应器中的直接连接单元可以通过高温密封胶进行密封连接。优先权情况下，各个所述发射口通过各自独立的控制设备由所述微波发生器控制微波的产生与否。
优选地，所述蒸发腔中设置有至少两个平行且不直接相接的蒸发板；更优选地，所述蒸发腔中设置有至少三个平行且不直接相接的蒸发板。
所述蒸发板例如可以由泡沫金属(如泡沫铜，泡沫铝，泡沫镍等)填充，所述蒸发板的尺寸与蒸发腔的内径的尺寸保持一致以有利于固定。
优选情况下，所述蒸发板所在的平面与所述进料通道的中心线垂直。
更优选地，各个蒸发板之间通过垫圈分隔开。
优选情况下，所述蒸发腔可视窗与至少一个所述蒸发板直接接触。本发明对所述蒸发腔可视窗的固定方法以及该蒸发腔可视窗的形状没有特别的限制，只要该蒸发腔可视窗能够传递微波至所述蒸发腔中即可。优选情况下，为了更加有利于反射，所述蒸发腔可视窗设置为三棱柱状，三棱柱的其中一面与所述发射通道相接，使得来自发射通道中的微波进入该蒸发腔可视窗中；且其中一面与金属材质的反应器本体相接，金属材质的反应器本体对微波进行反射，改变微波的方向而使得微波集中向剩下的与蒸发腔内部(例如蒸发板)相接的一面发射，从而有利于蒸发腔的均匀加热。
本发明的微波发生腔中的微波发生器以及可视窗的设置使得发出的微波只能通过穿透可视窗而进入反应器本体的内部以对所述蒸发腔和/或重整腔进行加热。
优选地，各个所述蒸发板中设置有通孔。来自进料通道的物料由蒸发板上的通孔依次通过各个蒸发板。
更优选地，按照物料流动方向，上游的蒸发板中的通孔的孔径大于相邻的下游的蒸发板中的通孔的孔径。
优选地，分别采用梯度PPI的泡沫金属填充蒸发板，且第一蒸发板(上游的)的泡沫金属的PPI大于第二蒸发板的泡沫金属的PPI，依次类推。
优选情况下，所述蒸发腔中，介于所述进料通道的末端以及最上游的第一个蒸发板之间的区域称为预热单元，通过本发明设置的回型腔，该回型腔中的产物氢气能够与由所述进料通道进入到蒸发腔的预热单元的物料之间进行间接热交换，使得预热单元的物料实现预热处理。特别地，按照反应物流方向，本发明的最上游的第一个蒸发板直至所述重整腔之前的区域(包括最上游的第一个蒸发板)之间称为蒸发单元。
优选地，所述重整腔中设置有至少两个平行且不直接相接的载体板；更优选地，所述重整腔中设置有至少三个平行且不直接相接的载体板。
优选地，所述载体板所在的平面与所述进料通道的中心线平行。
优选地，各个载体板之间通过垫圈分隔开。
优选地，所述重整腔可视窗与最底层的所述载体板之间不直接相接，也即所述重整腔可视窗与最底层的所述载体板之间留有空间，使得来自蒸发腔的气态物料能够进入该空间而自下而上地与各个载体板接触。
优选地，所述载体板的材料为陶瓷泡沫；优选地，各个所述载体板的孔隙率为70～90％，更优选地，所述载体板上涂覆有微波增强吸收剂。
特别优选地，按照物流的流动方向，上游的载体板的孔隙率小于下游的载体板的孔隙率。
在本发明中，所述微波发生腔的设置位置使得所述微波发生器产生的微波能够通过所述重整腔可视窗而进入重整腔中对其进行加热处理，同时使得所述微波发生器产生的微波能够通过所述蒸发腔可视窗进入所述蒸发腔中对其进行加热处理；优选情况下，为了高效利用能量，所述蒸发腔可视窗的设置位置使得其近进料通道端位于第一个蒸发板或者第一个蒸发板下游的蒸发板的下沿。
在本发明中，对所述垫圈的材质没有特殊的要求，例如可以为不锈钢材料。本发明的所述垫圈可以为方形或者U形，主要是利于载体板和/或蒸发板的固定以及彼此间隔。优选情况下，所述蒸发腔中用于间隔所述蒸发板的垫圈为连续的方形或者圆形，并且其形状优选与蒸发板的形状一致；优选情况下，所述重整腔中用于间隔所述载体板的垫圈为U形，U形垫圈的设置使得其连接所述蒸发腔的那侧为气体从蒸发腔进入重整腔的进口，从而有利于气体从蒸发腔进入到重整腔中。
优选地，所述蒸发腔和所述重整腔的连接处的上部设置有挡板，该挡板的一侧与至少两个载体板相接。该设置使得来自蒸发腔的气态物料能够通过至少两个载体板，以有利于物料的充分反应。
优选地，所述底板上还设置有与所述微波发生腔连通的通孔。该通孔能够用于固定所述微波发生器。
优选地，所述反应器本体的材质为金属，例如可以为不锈钢等，金属材质的反应器本体能够反射微波而不吸收微波，例如，当重整腔的壁遇到微波时，会发射到载体板上。
优选地，所述重整腔的上部设置为缩口状，从而有利于产物氢气进入气体出口通道而引出反应器本体。
本发明的所述微通道反应器中还可以设置用于放置热电偶的开口，该热电偶能够用于测试蒸发腔和/或重整腔中的温度。
根据一种优选的具体实施方式，本发明的所述微通道反应器包括：
反应器本体，该反应器本体的空腔形成包括进料通道、蒸发腔、重整腔、气体出口通道和微波发生腔的单元，所述进料通道的末端与所述蒸发腔和所述重整腔依次连通，所述气体出口通道设置在所述重整腔的顶部，所述微波发生腔中设置有微波发生器，且该微波发生腔设置在所述反应器本体的下部；
U形保温层，该U形保温层设置在所述反应器本体的外部以包裹所述反应器本体的顶面和两侧侧面；以及
底板，该底板设置在所述反应器本体的底部，且与所述U形保温层相接，
其中，
所述反应器本体与所述U形保温层之间设置有气体回流通道和回型腔，该气体回流通道的两个末端分别与所述气体出口通道和所述回型腔连接，并且所述回型腔围绕所述反应器本体而设置在所述反应器本体的近进料通道端；
所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗、蒸发腔可视窗和发射通道；所述重整腔可视窗设置在所述微波发生器的除底部以外的四周，且在近蒸发腔端设置有开口；所述蒸发腔可视窗设置在所述微波发生腔的近蒸发腔端；以及所述发射通道的两端分别连接所述开口和所述蒸发腔可视窗。本发明的该优选的具体实施方式提供的微通道反应器能够同时实现均匀加热以及能量利用率高的优点。
以下提供本发明的一种优选的具体实施方式说明本发明的所述微通道反应器的使用方法：
按照物流方向，蒸发腔中依次放置有至少两个蒸发板，在重整腔中自下而上设置有至少两个载体板，打开微波发生器第一控制设备，微波通过通道发射穿透蒸发腔可视窗进入蒸发腔，为整个蒸发腔提供热量。甲醇水溶液通过进料通道进入蒸发腔中，经过第一个蒸发板时，液体被分流成众多细流，经过第二个蒸发板时甲醇水溶液被蒸发成气体，蒸发产生的气体经过第三个蒸发板时被分成均匀分布的气体，并扩散至重整腔，此时打开微波发生器第二控制设备，微波通过重整腔可视窗对整个重整腔进行加热，当反应物气体扩散至镀有催化剂的载体板时，甲醇与水进行重整反应，反应的甲醇气体通过气体出口通道进入回流通道，直至流入到回型腔，回型腔中的产物氢气给刚进入蒸发腔的甲醇水溶液进行预热，减少甲醇水溶液进入蒸发腔的蒸发板吸收的热量，提高能源利用率和高效进行蒸发。充满回型腔的产物氢气再通过产物出口流出，完成整个甲醇水蒸气重整制氢反应。
本发明的微通道反应器中的微波能够对重整腔中的载体板以及对蒸发腔中的蒸发板实现均匀加热，有效避免反应热点以及冷点的产生。
附图说明
图1是本发明的一种优选的具体实施方式的微通道反应器的结构图；
图2是图1的微通道反应器沿A-A的剖视图；
图3是图1的微通道反应器沿B-B的剖视图。
附图标记说明
1010、进料通道 1011、产物出口
1012、发射通道 1013、气体出口通道
1014、气体回流通道 1015、蒸发腔
1016、回型腔
1、反应器本体 2、底板
3、重整腔 4、热电偶
51、重整腔可视窗 52、蒸发腔可视窗
6、垫圈 7、蒸发板
8、微波发生器 9、载体板
10、U形保温层
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
以下结合图1-图3具体说明本发明的微通道反应器的结构。
如图1，本发明提供一种微通道反应器，包括：
反应器本体1，该反应器本体1的空腔形成包括进料通道1010、蒸发腔1015、重整腔3、气体出口通道1013和微波发生腔的单元，所述进料通道1010的末端与所述蒸发腔1015和所述重整腔3依次连通，所述气体出口通道1013设置在所述重整腔3的顶部，所述微波发生腔中设置有微波发生器8，且该微波发生腔设置在所述反应器本体1的下部(反应器本体1形成的空腔的下部)；
U形保温层10，该U形保温层10设置在所述反应器本体1的外部以包裹所述反应器本体1的顶面和两侧侧面；以及
底板2，该底板2设置在所述反应器本体1的底部，且与所述U形保温层10相接。
微通道反应器中设置的微波发生器8能够产生微波，通过微波发生腔对微通道反应器的蒸发腔1015和/或重整腔3进行均匀加热。
本发明的U形保温层10和所述底板2均采用保温材质，从而能够实现对微通道反应器进行保温。
所述U形保温层10和所述底板2可以为一体结构，也可以为独立但是相接的两个结构，优选情况下，所述U形保温层10和所述底板2为相接的两个结构。
在本发明中，所述蒸发腔1015的与所述进料通道1010连接端设置为发散状(例如可以为喇叭形)，使得由所述进料通道1010进入到所述蒸发腔1015中的物料在逐渐开阔的空间下向下游流动。
含有醇的原料通过进料通道1010进入微通道反应器中，设置在反应器本体1的下部的微波发生腔中的微波发生器8产生微波对该微通道反应器的蒸发腔1015和重整腔3进行加热，从进料通道1010进入的原料在蒸发腔1015中优选被蒸发成气态，并且随后进入重整腔3中进行反应，反应后得到的氢气产物由气体出口通道1013引出反应器本体1，从而实现高效率能量利用以制氢。
优选情况下，所述反应器本体1与所述U形保温层10之间设置有气体回流通道1014和回型腔1016，该气体回流通道1014的两个末端分别与所述气体出口通道1013和所述回型腔1016连接，并且所述回型腔1016围绕所述反应器本体1而设置在所述反应器本体1的近进料通道1010端。通过设置的气体回流通道1014和回型腔1016，使得由前述气体出口通道1013引出的氢气产物由气体回流通道1014进入到回型腔1016中，由于氢气产物的温度高于所述反应器本体1的近进料通道1010端的温度，从而在氢气产物和所述反应器本体1的近进料通道1010端中的物料之间实现热交换。
优选情况下，所述底板2上设置有产物出口1011，该产物出口1011与所述回型腔1016连通。设置在所述底板2上的产物出口1011使得来自回型腔1016的经过了热交换后的氢气产物从该产物出口1011引出微通道反应器之外。
优选情况下，所述气体回流通道1014的单位长度的容积为V1，以及所述气体出口通道1013的单位长度的容积为V2，且1/2V2≤V1≤2V2。
优选地，所述回型腔1016的宽度为d1，所述气体回流通道1014的宽度为d2，且1/4d2≤d1≤2d2。
根据一种优选的具体实施方式，所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗51，该重整腔可视窗51设置在所述微波发生器8的除底部以外的四周，使得由所述微波发生器8产生的微波穿过该重整腔可视窗51对所述重整腔3进行加热。
根据另一种优选的具体实施方式，所述微波发生腔中还设置有蒸发腔可视窗52，该蒸发腔可视窗52设置在所述微波发生腔的近蒸发腔1015端，使得由所述微波发生器8产生的微波穿过该蒸发腔可视窗52对所述蒸发腔1015进行加热。
根据还有一种优选的具体实施方式，所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗51、蒸发腔可视窗52和发射通道1012；所述重整腔可视窗51设置在所述微波发生器8的除底部以外的四周，且在近蒸发腔1015端设置有开口；所述蒸发腔可视窗52设置在所述微波发生腔的近蒸发腔1015端；以及所述发射通道1012的两端分别连接所述开口和所述蒸发腔可视窗52。微波发生器8产生的微波能够穿过所述重整腔可视窗51而对重整腔3进行加热；并且该微波发生器8产生的微波还能够依次通过所述开口以及所述发射通道1012而穿过所述蒸发腔可视窗52以对所述蒸发腔1015进行加热。优选地，所述发射通道1012的侧壁的材质为金属，该金属材质的发射通道1012的侧壁不会吸收微波，且能够对微波产生发射，使得该发射通道1012内的微波集中于蒸发腔可视窗52而对所述蒸发腔1015进行加热。
优选地，所述蒸发腔1015中设置有至少两个平行且不直接相接的蒸发板7；更优选地，所述蒸发腔1015中设置有至少三个平行且不直接相接的蒸发板7。
优选情况下，所述蒸发板7所在的平面与所述进料通道1010的中心线垂直。
更优选地，各个蒸发板7之间通过垫圈6分隔开。
优选情况下，所述蒸发腔可视窗52与至少一个所述蒸发板7直接接触。本发明对所述蒸发腔可视窗52的固定方法以及该蒸发腔可视窗52的形状没有特别的限制，只要该蒸发腔可视窗52能够传递微波至所述蒸发腔1015中即可。优选情况下，为了更加有利于反射，所述蒸发腔可视窗52设置为三棱柱状，三棱柱的其中一面与所述发射通道1012相接，使得来自发射通道1012中的微波进入该蒸发腔可视窗52中；且其中一面与金属材质的反应器本体1相接，金属材质的反应器本体1对微波进行反射，改变微波的方向而使得微波集中向剩下的与蒸发腔1015内部(例如蒸发板7)相接的一面发射，从而有利于蒸发腔1015的均匀加热。
优选地，各个所述蒸发板7中设置有通孔。来自进料通道1010的物料由蒸发板7上的通孔依次通过各个蒸发板7。
更优选地，按照物料流动方向，上游的蒸发板7中的通孔的孔径大于相邻的下游的蒸发板7中的通孔的孔径。
优选地，所述重整腔3中设置有至少两个平行且不直接相接的载体板9；更优选地，所述重整腔3中设置有至少三个平行且不直接相接的载体板9。
优选地，所述载体板9所在的平面与所述进料通道1010的中心线平行。
优选地，各个载体板9之间通过垫圈6分隔开。
优选地，所述重整腔可视窗51与最底层的所述载体板9之间不直接相接，也即所述重整腔可视窗51与最底层的所述载体板9之间留有空间，使得来自蒸发腔1015的气态物料能够进入该空间而自下而上地与各个载体板9接触。
在本发明中，对所述垫圈6的材质没有特殊的要求，例如可以为不锈钢材料。
优选地，所述蒸发腔1015和所述重整腔3的连接处的上部设置有挡板，该挡板的一侧与至少两个载体板9相接。该设置使得来自蒸发腔1015的气态物料能够通过至少两个载体板9，以有利于物料的充分反应。
优选地，所述底板2上还设置有与所述微波发生腔连通的通孔。该通孔能够用于固定所述微波发生器8。
优选地，所述反应器本体1的材质为金属，例如可以为不锈钢等，金属材质的反应器本体1能够反射微波而不吸收微波。
根据一种优选的具体实施方式，本发明的所述微通道反应器包括：
反应器本体1，该反应器本体1的空腔形成包括进料通道1010、蒸发腔1015、重整腔3、气体出口通道1013和微波发生腔的单元，所述进料通道1010的末端与所述蒸发腔1015和所述重整腔3依次连通，所述气体出口通道1013设置在所述重整腔3的顶部，所述微波发生腔中设置有微波发生器8，且该微波发生腔设置在所述反应器本体1的下部；
U形保温层10，该U形保温层10设置在所述反应器本体1的外部以包裹所述反应器本体1的顶面和两侧侧面；以及
底板2，该底板2设置在所述反应器本体1的底部，且与所述U形保温层10相接，
其中，
所述反应器本体1与所述U形保温层10之间设置有气体回流通道1014和回型腔1016，该气体回流通道1014的两个末端分别与所述气体出口通道1013和所述回型腔1016连接，并且所述回型腔1016围绕所述反应器本体1而设置在所述反应器本体1的近进料通道1010端；
所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗51、蒸发腔可视窗52和发射通道1012；所述重整腔可视窗51设置在所述微波发生器8的除底部以外的四周，且在近蒸发腔1015端设置有开口；所述蒸发腔可视窗52设置在所述微波发生腔的近蒸发腔1015端；以及所述发射通道1012的两端分别连接所述开口和所述蒸发腔可视窗52。
本发明的所述微通道反应器中还可以设置用于放置热电偶4的开口，该热电偶4能够用于测试蒸发腔1015和/或重整腔3中的温度。
图2为图1的微通道反应器沿A-A的剖视图，从图2中可以看出，根据本发明的优选的具体实施方式，回型腔1016中的产物氢气充满整个回型腔中，从而实现对由进料通道1010引入的原料在进入到蒸发腔1015前部的预热单元中的预热，回型腔1016中的产物氢气在进行热交换之后从产物出口1011引出。
图3是图1的微通道反应器沿B-B的剖视图，从图3中可以看出，根据本发明的优选的具体实施方式，U形保温层10设置在反应器本体1的顶部和两侧侧面，底板2设置在反应器本体1的底部，并与U形保温层10相接。微波发生器8设置在所述反应器本体1的下部，并且重整腔可视窗51设置在所述微波发生器8的除底部以外的四周，重整腔中设置有至少两个载体板9，各个载体板9之间通过垫圈6分隔。
以下结合图1-图3提供本发明的一种优选的具体实施方式说明本发明的所述微通道反应器的使用方法：
按照物流方向，蒸发腔1015中依次放置有90PPI、100PPI、110PPI的泡沫铜蒸发板，在重整腔3中自下而上设置有孔隙率分别75％、85％和/95％的陶瓷泡沫载体板9，打开微波发生器第一控制设备，微波通过通道发射1012穿透蒸发腔可视窗52进入蒸发腔1015，为整个蒸发腔提供热量。甲醇水溶液通过进料通道1010进入蒸发腔1015中，经过第一个蒸发板时，液体被分流成众多细流，经过第二个蒸发板时甲醇水溶液被蒸发成气体，蒸发产生的气体经过第三个蒸发板时被分成均匀分布的气体，并扩散至重整腔3，此时打开微波发生器第二控制设备，微波通过重整腔可视窗对整个重整腔3进行加热，当反应物气体扩散至镀有催化剂的载体板9时，甲醇与水进行重整反应，反应的甲醇气体通过气体出口通道1013进入回流通道1014，直至流入到回型腔1016，回型腔1016中的产物氢气给刚进入蒸发腔的甲醇水溶液进行预热，减少甲醇水溶液进入蒸发腔的蒸发板吸收的热量，提高能源利用率和高效进行蒸发。充满回型腔1016的产物氢气再通过产物出口1011流出，完成整个甲醇水蒸气重整制氢反应。
本发明提供的微通道反应器具有能够均匀加热以及高效率利用能量的优点，并且制作成本低。与现有技术提供的微通道反应器相比，在消耗同等能量的前提下，本发明提供的微通道反应器能够在短时间内产生更多的氢气。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种微通道反应器，包括：
反应器本体(1)，该反应器本体(1)的空腔形成包括进料通道(1010)、蒸发腔(1015)、重整腔(3)、气体出口通道(1013)和微波发生腔的单元，所述进料通道(1010)的末端与所述蒸发腔(1015)和所述重整腔(3)依次连通；
所述蒸发腔(1015)中设置有至少两个平行且不直接相接的蒸发板(7)，分别采用梯度PPI的泡沫金属填充蒸发板，按照物料流动方向，上游的蒸发板(7)中的通孔的孔径大于相邻的下游的蒸发板(7)中的通孔的孔径；
所述重整腔(3)中设置有至少两个平行且不直接相接的载体板(9)，所述载体板的孔隙率为70～90％；
所述气体出口通道(1013)设置在所述重整腔(3)的顶部，所述微波发生腔中设置有微波发生器(8)，且该微波发生腔设置在所述反应器本体(1)的下部；
U形保温层(10)，该U形保温层(10)设置在所述反应器本体(1)的外部以包裹所述反应器本体(1)的顶面和两侧侧面；以及
底板(2)，该底板设置在所述反应器本体(1)的底部，且与所述U形保温层(10)相接；
所述反应器本体(1)与所述U形保温层(10)之间设置有气体回流通道(1014)和回型腔(1016)，该气体回流通道(1014)的两个末端分别与所述气体出口通道(1013)和所述回型腔(1016)连接，并且所述回型腔(1016)围绕所述反应器本体(1)而设置在所述反应器本体(1)的近进料通道(1010)端；
所述气体回流通道(1014)的单位长度的容积为V1，以及所述气体出口通道(1013)的单位长度的容积为V2，且1/2V2≤V1≤2V2。
2.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述回型腔(1016)围绕所述蒸发腔(1015)的前部而设置。
3.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述底板上设置有产物出口(1011)，该产物出口(1011)与所述回型腔(1016)连通。
4.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述回型腔(1016)的宽度为d1，所述气体回流通道(1014)的宽度为d2，且1/4d2≤d1≤2d2。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的微通道反应器，其中，所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗(51)，该重整腔可视窗(51)设置在所述微波发生器(8)的除底部以外的四周，使得由所述微波发生器(8)产生的微波穿过该重整腔可视窗(51)对所述重整腔(3)进行加热。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的微通道反应器，其中，所述微波发生腔中还设置有蒸发腔可视窗(52)，该蒸发腔可视窗(52)设置在所述微波发生腔的近蒸发腔端，使得由所述微波发生器(8)产生的微波穿过该蒸发腔可视窗(52)对所述蒸发腔(1015)进行加热。
7.根据权利要求6所述的微通道反应器，其中，所述重整腔可视窗(51)和所述蒸发腔可视窗(52)的材质为石英玻璃。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的微通道反应器，其中，所述微波发生腔中还设置有重整腔可视窗(51)、蒸发腔可视窗(52)和发射通道(1012)；所述重整腔可视窗(51)设置在所述微波发生器(8)的除底部以外的四周，且在近蒸发腔端设置有开口；所述蒸发腔可视窗(52)设置在所述微波发生腔的近蒸发腔端；以及所述发射通道(1012)的两端分别连接所述开口和所述蒸发腔可视窗(52)。
9.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述蒸发板(7)所在的平面与所述进料通道(1010)的中心线垂直。
10.根据权利要求9所述的微通道反应器，其中，各个蒸发板(7)之间通过第一垫圈分隔开。
11.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述载体板(9)所在的平面与所述进料通道(1010)的中心线平行。
12.根据权利要求11所述的微通道反应器，其中，各个载体板(9)之间通过第二垫圈分隔开。
13.根据权利要求12所述的微通道反应器，其中，所述蒸发腔(1015)和所述重整腔(3)的连接处的上部设置有挡板，该挡板的一侧与至少两个载体板(9)相接。
14.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述底板(2)上还设置有与所述微波发生腔连通的通孔。
15.根据权利要求1所述的微通道反应器，其中，所述反应器本体(1)的材质为金属。
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