CN110614071A - 利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，包括按从上往下顺序设置的上盖板、流道板和下底板；其特征在于：所述流道板中部设置有长方形凹槽，该长方形凹槽的底部为镂空结构，该长方形凹槽的四周向上凸起，形成台阶，该台阶上水平放置陶瓷膜；多孔泡沫板放置于陶瓷膜上，多孔泡沫板上负载有催化剂；多孔泡沫板的顶部与流道板的顶部位于同一水平面；所述下底板与陶瓷膜之间形成空腔，该空腔作为气体流动空间；下底板中部设置有进气孔，进气孔位于陶瓷膜下方；在流道板上位于长方形凹槽的两侧分别设置有树形流道一、二，作为液相反应物的进入和出口通道；本发明可广泛适用于化工、环保等领域。

Description

利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器
技术领域
本发明涉及微反应器领域，特别是涉及利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器。
背景技术
在多相催化领域中，催化剂载体起着关键作用，比如:(1)分散活性相，提高反应活性位点密度；(2)通过提供金属-载体之间的强相互作用来提高活性纳米粒子(NPs)的稳定性，从而减少因烧结而造成的催化剂失活问题；(3)促进反应物向活性位点的吸附和中间产物的快速脱附；(4)在放热反应中减少局部热点的形成，从而避免目标产物选择性降低以及提高操作的安全性。
到目前为止，在多相催化领域中，还很少引入新的催化剂载体，催化过程中仍然使用的是几十年前发展起来的载体，如最常用的氧化铝、二氧化硅、二氧化钛和活性炭。这些载体可以通过改变合成工艺来优化其孔隙率、机械强度和表面酸度，也可以通过掺杂来进行优化从而提升催化剂活性。进入21世纪，化工过程向着更为绿色、高效、安全的方向发展，在这样的背景下，微反应器由于比表面积大、传热传质性能好以及操作安全等优势吸引了学者们广泛的关注和研究。催化剂仍然是微反应器内不可缺少的组成部分，但是上述氧化铝、二氧化硅等催化剂的制备通常需要采用焙烧工艺(>400℃)，这对微通道制作材料的选择提出了较高的要求，同时也会增加微通道的加工成本。有学者提出了微型填充床的概念，即将负载催化剂的纳米微球填充于微通道内，获得了很好的反应性能，但其缺点是反应器压降较大。多孔泡沫结构被认为是一个理想的替代载体，它的特点是具有相互连通的孔隙结构、孔隙率高、比表面积大，与传统载体相比，多孔泡沫结构具有混合程度高、扩散距离短、压降低等优点，同时催化剂的制备可以单独进行，避免了在微通道内部负载催化剂的复杂性。已有学者将负载Pd/Al2O3催化剂的泡沫金属填充于2mm的方形微小通道内，发现反应器的传质速率相比于对照组(无填充的微通道)提升了50％，这充分证明了多孔泡沫板作为微反应器内催化剂载体的可行性。但是，当气液两相作为反应物进入多孔泡沫结构时，气体会在多孔材料内部形成气体通道，同时，气体通道数受多孔材料孔径的影响较大，较少的气体孔道会直接影响气液两相反应物的接触面积，此时气体要克服液膜的阻力到达催化剂活性位点发生反应，较大的传输阻力会严重影响微反应器性，同时也会使部分催化剂得不到利用，从而降低催化剂使用效率。
微气泡是气泡直经在数百纳米到10微米之间的气泡，这种小到纳米至微米级的气泡具有超大的比表面积，据计算，10微米的气泡与1毫米的气泡相比较，在一定体积下前者的比表面积理论上是后者的100倍。同时，气液传质效率与气泡直经成反比，从理论上看，随着气泡直经的无限缩小，气泡界面比表面积随之无限增大，最终由于自身增压效应导致内部气压增大到无限大。微气泡在收缩溃灭过程中的自身增压特性，可使气液界面传质效率得到持续增强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，包括按从上往下顺序设置的上盖板、流道板和下底板；
其特征在于：所述流道板中部设置有长方形凹槽，该长方形凹槽的底部为镂空结构，该长方形凹槽的四周向上凸起，形成台阶，该台阶上水平放置陶瓷膜；多孔泡沫板放置于陶瓷膜上，多孔泡沫板上负载有催化剂；多孔泡沫板的顶部与流道板的顶部位于同一水平面；所述下底板与陶瓷膜之间形成空腔，该空腔作为气体流动空间；下底板中部设置有进气孔，进气孔位于陶瓷膜下方；在流道板上位于长方形凹槽的两侧分别设置有树形流道一、二，作为液相反应物的进入和出口通道；
液相反应物从树形流道一到达多孔泡沫板的一端，在泡沫材料内部均匀分布，从多孔泡沫板的另一端经树形流道二流出反应器；
气相反应物从下底板进气孔引入，在下底板与陶瓷膜之间形成的空腔内聚集，然后在压差的作用下经过陶瓷膜形成均匀分散的微气泡，微气泡进入多孔泡沫板内部，与液相反应物在催化剂活性位点发生催化反应。
本发明利用多孔泡沫板作为催化剂载体，提供了更大的表面积从而提高催化剂的负载面积和分散度。此外，利用陶瓷膜制造大量均匀分散且具有超大比表面积的微气泡，从而增加了气液两相反应物的接触面积，可以有效的增强传质从而提高微反应器性能。
根据本发明所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器的优选方案，所述上盖板上开有观察窗口，透明玻璃1镶嵌于观察窗口，用于观察反应区域。
根据本发明所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器的优选方案，该微反应器还包括注射泵，该注射泵用于对液相反应物的流量进行控制。
根据本发明所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器的优选方案，该微反应器还包括气体质量流量控制器，该气体质量流量控制器用于对气相反应物的流量进行控制。
本发明所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器的有益效果是：
1)本发明采用多孔泡沫板作为催化剂载体，有利于提高催化剂的负载面积和分散度，同时整体式催化剂失活后易于更换，降低反应器成本。
2)采用树形流道布置可以使液相反应物的分布更加均匀。
3)多孔泡沫板相互连通的孔结构有利于流体的均匀分散。
4)利用陶瓷膜产生大量均匀分散并具有超大比表面积的微气泡，可以有效增加气液反应物的接触面积，从而强化传质。
5)可以通过调控陶瓷膜的孔径分布来控制微气泡的形成，从而对不同的化学反应进行调控。
本发明可广泛适用于化工、环保等领域。
附图说明
图1是本发明所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器结构示意图。
图2是本发明所述的流道板的俯视图。
附图中：1—透明玻璃；2—上盖板；3—多孔泡沫板；4—陶瓷膜；5—流道板；5a—树形流道一；5b—树形流道二；5c—长方形凹槽；5d—台阶；6—下底板；6a—进气孔；7—注射泵；8—气体质量流量控制器。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
参见图1、2，一种利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，由上盖板2、多孔泡沫板3、陶瓷膜4、流道板5、下底板6、注射泵7和气体质量流量控制器8构成；上盖板2、流道板5和下底板6按从上往下顺序设置；
所述流道板5中部设置有长方形凹槽，该长方形凹槽5c的底部为镂空，该长方形凹槽5c的四周向上凸起，形成台阶5d，该台阶5d上水平放置陶瓷膜4；多孔泡沫板3放置于陶瓷膜上，多孔泡沫板3上负载有催化剂；多孔泡沫板3的顶部与流道板5的顶部位于同一水平面上；所述下底板6与陶瓷膜4之间形成一空腔，该空腔作为气体流动空间；下底板6中部设置有进气孔6a，进气孔6a位于陶瓷膜4下方；进气孔6a连接有气体质量流量控制器8，所述气体质量流量控制器8用于对气相反应物的流量进行控制。在流道板5上位于长方形凹槽的两侧分别设置有树形流道一、二5a、5b，作为液相反应物的进入和出口通道；
所述注射泵7用于对液相反应物的流量进行控制。液相反应物从树形流道一5a到达多孔泡沫板的一端，在泡沫材料3内部均匀分布，从多孔泡沫板3的另一端经树形流道二5b流出反应器；
气相反应物从下底板进气孔6a引入，在下底板6与陶瓷膜之间形成的空腔内聚集，然后在压差的作用下经过陶瓷膜4形成均匀分散的微气泡，微气泡进入多孔泡沫板3内部，与液相反应物在催化剂活性位点发生催化反应。
所述上盖板上开有观察窗口，透明玻璃1镶嵌于观察窗口，用于观察反应区域。
本发明液相反应物在注射泵7推力的作用下，从进口经过树形流道一到达多孔泡沫板3的一端，在多孔泡沫板3内部均匀分布，从多孔泡沫板3的另一端经树形流道二流出反应器；气相反应物经质量流量控制器8进行流量控制，从下底板进气孔6a引入，在空腔内聚集，然后在压差的作用下经过陶瓷膜4形成均匀分散且具有超大比表面积的微气泡，微气泡进入多孔泡沫板3内部与液相反应物在活性位点发生催化反应；然后气液两相反应物及生成物从树形流道二流出反应区域。
具体应用时，用注射泵7向微反应器内注入硝基苯溶液，硝基苯溶液从树形流道一5a进入反应区域，在多孔泡沫板3的作用下均匀分散，气相反应物氢气在气体质量流量控制器8的控制下从进气孔6a进入下底板6与陶瓷膜之间形成的空腔，随着时间的增加，气体不断积聚，在压力的作用下通过陶瓷膜4，形成大量均匀分散的微气泡，这些氢气泡进入多孔泡沫板内部，与硝基苯溶液在催化剂活性位点处发生催化反应，气液两相反应物与液相生成物从树形流道二5b流出反应器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，包括按从上往下顺序设置的上盖板(2)、流道板(5)和下底板(6)；
其特征在于：所述流道板(5)中部设置有长方形凹槽，该长方形凹槽(5c)的底部为镂空结构，该长方形凹槽的四周向上凸起，形成台阶(5d)，该台阶上水平放置陶瓷膜；多孔泡沫板放置于陶瓷膜上，多孔泡沫板上负载有催化剂；多孔泡沫板的顶部与流道板的顶部位于同一水平面；所述下底板(6)与陶瓷膜之间形成一空腔，该空腔作为气体流动空间；下底板(6)中部设置有进气孔(6a)，进气孔(6a)位于陶瓷膜(4)下方；在流道板(5)上位于长方形凹槽的两侧分别设置有树形流道一、二(5a、5b)，作为液相反应物的进入和出口通道；
液相反应物从树形流道一(5a)到达多孔泡沫板的一端，在泡沫材料(3)内部均匀分布，从多孔泡沫板(3)的另一端经树形流道二(5b)流出反应器；
气相反应物从下底板进气孔(6a)引入，在下底板(6)与陶瓷膜之间形成的空腔内聚集，然后在压差的作用下经过陶瓷膜(4)形成均匀分散的微气泡，微气泡进入多孔泡沫板(3)内部，与液相反应物在催化剂活性位点发生催化反应。
2.根据权利要求1所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，其特征在于：所述上盖板上开有观察窗口，透明玻璃(1)镶嵌于观察窗口，用于观察反应区域。
3.根据权利要求1所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，其特征在于：该微反应器还包括注射泵(7)，该注射泵(7)用于对液相反应物的流量进行控制。
4.根据权利要求1所述的利用微气泡强化传质的具有多孔泡沫结构的三相微反应器，其特征在于：该微反应器还包括气体质量流量控制器(8)，该气体质量流量控制器(8)用于对气相反应物的流量进行控制。
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