CN111250010B - 催化剂载体及微通道连续流反应器 - Google Patents

Abstract

一种催化剂载体及微通道流连续反应器，该催化剂载体由几何单元排列堆砌而成，所述几何单元是X型单元、螺旋片单元、圆管单元或型板单元，这些单元均匀规则整齐焊接堆砌在一起形成催化剂载体，以增加与物料接触的面积；所述反应器包括筒体，在筒体内部设置有上述催化剂载体，多个催化剂载体在所述筒体内依次按照不同角度排列连接在一起。本发明提高了比表面积，增大了物料和催化剂接触面积，防止了催化剂颗粒脱落，提高了生产效率，实现故障可拆卸及快速替换，降低成本及停机时间。

Description

催化剂载体及微通道连续流反应器

技术领域

本发明涉及一种用于微通道连续流反应器中的催化剂载体，属于微通道技术领域。

背景技术

精细化工是化学工业中的新生领域，与工农业、国防、人民生活和尖端科学都有着极为密切的关系，是化学工业发展的战略重点之一。精细化工产品种类多、附加值高、用途广、产业关联度大，直接服务于国民经济的诸多行业和高新技术产业的各个领域。近年来，全球各个国家特别是工业发达国家都把发展精细化工产品作为调整化学工业结构、提升化学工业产业能级和扩大经济效益的重点发展战略之一。采用传统釜式反应器虽然可以大量生产化工产品，但是其存在许多自身工艺难以克服的缺陷，如产品纯度低、选择性差、生产效率低、安全隐患大，后续的分离、回收处理工艺繁琐、环境污染严重等。

近年来，微反应发展迅速，微通道反应技术已被公认为是自然科学和化工领域研究的重要方向。微通道连续反应器中，反应可以在数个100ms的时间内完成，在减少设备空间和构造材料、降低操作费用的同时，微通道内反应转变为连续性流动反应，将反应时间转变为流通长度，可显著提高反应收率、转换率和选择性，甚至可以实现精确摩尔比的定量转化，同时能够缩短反应时间，减少合成周期，降低反应总成本和环境影响成本。因此采用微通道连续反应技术代替传统的化工生产技术具有广阔前景。

微通道反应器的工作环境一般比较恶劣，如高温、高压，甚至有强烈的腐蚀环境，这都对催化剂存在方式提出了更高的要求，因此微通道壁上的催化剂载体结构成为制约微通道技术在连续反应器应用的一个重要因素。目前微反应催化剂载体结构主要有两种，一是采用化学气相沉积(CVD)在基体表面生成固态沉积物，二是采用阳极氧化法制备金属氧化物多孔层，氧化膜具有蜂窝状结构，可以作为微反应器的通道。微通道内催化剂固定还可采用固定床技术，在微通道内增设一个密布毛细孔的过滤层，但是此方法缺陷明显，在反应物流量较大时，易冲走催化剂颗粒，且反应器内的有效催化面积较小，催化效率低，难以实现工业需求。

中国专利文献CN101830433A中，微通道内组装催化层，将催化剂附着在通道壁面，但是通道壁可利用面积较小，催化效率较低，而且催化层较为不稳定，脱落后难以再利用。CN101802263A中，采用阳极氧化法制备多孔金属涂层作为微通道壁，可有效改善对腐蚀和磨损的抵抗力，这种方法制造的催化剂同样存在着有效催化面积小，反应效率低等缺点。

发明内容

本发明针对微通道流连续反应器中催化剂载体中催化剂易脱落，反应接触面积小，使用寿命低、催化效率低等问题，提出了一种催化剂载体应用在超长反应长度的串行反应管道内，实现安全、可控、高效的连续化生产。同时提供应用该催化剂载体的微通道连续流反应器。

本发明的应用于微通道连续流反应器的催化剂载体，由几何单元排列堆砌而成。

所述几何单元均匀规则整齐堆砌，使催化剂载体的比表面积增加500-600倍，极大的增加了物料与催化剂的接触面积，提高了反应效率。

所述几何单元是X型单元、螺旋片单元、圆管单元或型板单元，这些单元均匀规则整齐焊接堆砌在一起形成催化剂载体，以增加与物料接触的面积。

所述X型单元由横板交叉排列而成，X型单元按照不同角度连续排列构成催化剂载体，各个X型单元通过焊接拼接在一起。所述横板厚度为20μm，每个单元长度为2mm。

所述螺旋片单元，包括左螺旋片和右螺旋片，由左螺旋片和右螺旋片连接接而成，每个螺旋片长2mm，厚度为20μm。螺旋片单元依次按照不同角度连续排列形成催化剂载体。不同扭转方向的螺旋片可不断改变物料流动方向，具有良好的径向混合效果，结合螺旋片表面催化剂可极大提高反应效率。

所述圆管单元由圆管堆砌而成，圆管单元排列组合成阵列构成催化剂载体，各圆管单元焊接在一起。所述圆管根据内部结构分为空心圆管、θ型圆管和十字型圆管，θ型圆管的内部设置有轴向横板，十字型圆管的内部轴向设置截面为十字型的隔板。圆管直径为0.2mm(外径)，长度为0.2mm，壁厚20μm。所述θ圆管是在圆管内设置一个横板，横板厚度为20μm。所述十字形圆管单元是在圆管内设置一个十字隔板，隔板厚度为20μm。

所述型板单元由型板平形间隔地排列而成，型板单元依次按照不同角度连续排列形成催化剂载体。所述型板上下相邻两块的间距为50μm。所述型板根据截面形状分为波纹板和梯形板。所述波纹板截面呈波纹形，高度(波峰波谷间距)为150μm，长度为0.2mm，板厚为20μm，每个波纹板单元焊接在反应器筒体内壁。所述梯形板单元，长度为2mm，板厚为60μm，每个梯形板上带有梯形凸起，下底边为200μm,高度为150μm，每个梯形板焊接在反应器筒体内壁。

所述催化剂载体表面附着有催化剂。催化剂附着方法主要有化学气相法、分层粉末热压烧结法、阳极氧化法、复合镀等现有方法。

一种微通道连续流反应器，包括筒体，在筒体内部设置有上述催化剂载体。多个催化剂载体在所述筒体内依次按照不同角度轴向排列连接在一起。所述筒体两端设置有连接法兰。所述催化剂载体通过焊接的方式与筒体内壁连接，连接法兰与筒体通过焊接方式连接。所述微通道连续反应器的直径(指筒体外径)规格为2mm-8mm，长度为2mm。

所述微通道连续流反应器的安装排布方式，是以串联的形式安装，至少两个反应器为一组，反应器之间通过管道连接(通过相同外径的微管道连接)，每组之间连接一个加压泵，每组反应器内添加一种催化剂，各组反应器内添加的催化剂相同或不同，加压泵起到管道内增压的作用。反应物料在加压泵的作用下进入管道，物料流经反应器会有较大压损，因此反应器中间设置加压泵，保证物料正常流动，进入下一级反应器。反应器与管道通过法兰进行密封连接，可实现快速拆卸换修，实现微反应通道的可持续利用，降低成本，在一定程度上保证反应的连续进行。

本发明相比传统的微通道壁面结构催化剂载体，极大地提高了比表面积，增大了物料和催化剂接触面积，防止了催化剂颗粒脱落，提高了生产效率，实现故障可拆卸及快速替换，降低成本及停机时间；可适应于气气，气液，液液，液固，气固等多相反应；适用于工业化大规模生产，可极大提高生产速率。

采用本发明催化剂载体的微通道连续流反应器可针对单一反应进行催化，也可多个反应器通过法兰串联，实现连续多个反应依次进行，可实现快速拆卸，更换失效结构，减少停工时间，极大地降低设备及生产成本，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明中微通道连续流反应器的安装排布方式示意图。

图2是本发明中微流道连续流反应器与管道的连接方式示意图。a为直通式连接，b为弯道处连接。

图3是本发明中微流道连续流反应器(X型单元的催化剂载体)的结构示意图。

图4是图3的左视图。

图5是本发明中螺旋片单元的催化剂载体结构示意图。

图6是本发明中圆管单元的催化剂载体结构示意图。

图7是圆管单元中的圆管内部结构示意图；a为空心圆管，b为θ型圆管，c为十字型圆管。

图8是本发明中板形单元的催化剂载体结构示意图。

图9是板形单元中板的结构示意图。a为波纹板，b为梯形板。

图中：1.第一反应器，2.第二反应器，3.第三反应器，4.第四反应器，5.第五反应器，6.第一加压泵，7.第二加压泵，8.管道，9.筒体，10.催化剂载体，11.连接法兰，12.螺旋片单元，13.圆管单元，14.θ型圆管单元，15.十字型圆管单元，16.空心圆管单元，17.波纹板单元，18.波纹板单元，19.梯形板单元。

具体实施方式

图1给出了本发明中所述微流道连续流反应器的排布方式，各个反应器依次串联连接，至少两个反应器为一组，反应器之间通过管道8的连接(管道8是与微反应器外径相同的微管道)。每组之间连接一个加压泵，每组反应器内添加一种催化剂，各组反应器内添加的催化剂相同或不同，加压泵起到管道内增压的作用。图1中第一反应器1和第二反应器2为一组，第三反应器3、第四反应器4和第五反应器5为一组，两组之间连接第二加压泵7，第一反应器的进口连接第一加压泵。第一组的第一反应器1和第二反应器2添加相同催化剂，第二组的第三反应器3、第三反应器4和第三反应器5添加另一种催化剂，可实现连续对多种反应进行催化。

图2提供了微管道连续流反应器与微管道连接方式，a为直通式连接，b为弯道处连接，均采用法兰连接，可实现快速拆卸，更换失效反应器部件，法兰与反应器可通过微孔钎焊进行焊接。

本发明中的微流道连续流反应器如图如图3和图4所示，包括筒体9，在筒体9内部设置有催化剂载体10。所述筒体9的两端设置有连接法兰11。催化剂载体10通过焊接的方式与筒体9的内壁连接，连接法兰11与筒体9通过焊接方式连接。筒体9的直径(筒体外径)规格为2mm、4mm、6mm或8mm(2-8mm)，长度为2mm。

催化剂载体10由几何单元均匀规则整齐堆砌，使催化剂载体的比表面积增加500-600倍，极大的增加了物料与催化剂的接触面积，提高了反应效率。所述几何单元是X型单元、螺旋片单元12、圆管单元13、型板单元17等，这些单元均匀规则整齐焊接堆砌在一起形成催化剂载体，以增加与物料接触的面积。几何单元通过冷气体动力喷涂技术，用高速气流将超细固体催化剂粉末加速，使其以完全固体的状态撞击催化剂载体表面，形成涂层。也可采用阳极氧化法在表面形成高孔隙率的多孔结构，催化剂可均匀涂敷在多孔结构表面形成稳定高效的催化结构。通过将流体物料进行分割、移位、重新汇合实现高效混合作用，并通过横板结构增大物料与催化剂接触面积，可极大提高催化反应效率。几何单元的材质可为316不锈钢、哈氏合金等。

X型单元的催化剂载体如图3和图4所示，由多个X型单元依次按照不同角度轴向排列连接在反应器的筒体9内，形成X型单元的催化剂载体。每个X型单元由交叉横板按照一定的规律(横板交叉排列，角度可以是30°、45°、60°等)排列构成X型，并通过焊接连接。横板厚度为20μm，每个X型单元长度为2mm。

螺旋片单元的催化剂载体如图5所示，由多个螺旋片单元12依次按照不同角度轴向排列连接在反应器的筒体9内，形成螺旋片单元的催化剂载体。螺旋片单元12由左螺旋片(左向扭转)和右螺旋片(右向扭转)焊接而成，每个螺旋片长2mm，厚度为20μm。不同扭转方向的螺旋片可不断改变物料流动方向，具有良好的径向混合效果，结合螺旋片表面催化剂可极大提高反应效率。

圆管单元的催化剂载体如图6所示，由多个圆管单元13依次按照不同角度轴向排列连接在反应器的筒体9内，形成圆管单元的催化剂载体。圆管单元13由圆管规整地堆砌而成，单个圆管直径为0.2mm，长度为2mm，壁厚20μm壁厚为20μm。根据圆管的内部结构分为θ型圆管14、十字型圆管15和空心圆管16，如图7所示。θ型圆管14的内部设置厚度为20μm的轴向横板。十字型圆管15的内部轴向设置截面为十字型的隔板，隔板厚度为20μm。

型板单元的催化剂载体如图8所示，多个型板单元17依次按照不同角度轴向排列连接在反应器的筒体9内，形成型板单元的催化剂载体。各催化剂载体通过焊接方式与反应器筒体连接。型板单元17由多个型板平形间隔地排列而成，上下相邻两块波纹板间距50μm。根据型板截面形状可分为波纹板18和梯形板19，如图9所示。波纹板18由厚度为60μm的板折成波浪状，侧边倾角为45°，高度(波峰波谷间距)为150μm，长度为2mm。梯形板19上设置有梯形凸起，梯形侧面倾角为135°，底边宽为200μm,高度为150μm,长度为2mm。

其他任何形状的几何单元不再一一列举，均属本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种催化剂载体，其特征是，由几何单元排列堆砌而成，所述几何单元均匀规则整齐堆砌，所述几何单元为X型单元、螺旋片单元、圆管单元或型板单元，几何单元按照不同角度连续排列组成催化剂载体；

所述X型单元由横板交叉排列而成，X型单元按照不同角度连续排列构成催化剂载体，横板厚度为20μm，每个单元长度为2mm；

所述螺旋片单元，包括左螺旋片和右螺旋片，由左螺旋片和右螺旋片连接而成，螺旋片单元依次按照不同角度连续排列形成催化剂载体；每个螺旋片长2mm，厚度为20μm；

所述圆管单元由圆管堆砌而成，圆管单元排列组合成阵列构成催化剂载体；所述圆管根据内部结构分为空心圆管、θ型圆管和十字型圆管，θ型圆管的内部设置有轴向横板，十字型圆管的内部轴向设置截面为十字型的隔板；圆管直径为0 .2mm，长度为0.2mm，壁厚20μm；所述θ型圆管是在圆管内设置一个横板，横板厚度为20μm；所述十字型圆管是在圆管内设置一个十字隔板，隔板厚度为20μm；

所述型板单元由型板平行间隔地排列而成，型板单元依次按照不同角度连续排列形成催化剂载体；所述型板根据截面形状分为波纹板和梯形板；所述波纹板截面呈波纹形，高度为150μm，长度为0 .2mm，板厚为20μm，每个波纹板单元焊接在反应器筒体内壁；梯形板单元，长度为2mm，板厚为60μm，每个梯形板上带有梯形凸起，下底边为200μm ,高度为150μm，每个梯形板焊接在反应器筒体内壁；

固体催化剂粉末以完全固体的状态撞击催化剂载体表面，形成涂层；或者是在催化剂载体表面形成多孔结构，催化剂均匀涂敷在多孔结构表面；通过将流体物料进行分割、移位、重新汇合实现高效混合作用。

2.一种微通道连续流反应器，包括筒体，在筒体内部设置有权利要求1所述的催化剂载体，催化剂载体在所述筒体内依次按照不同角度轴向排列连接在一起；

所述筒体两端设置有连接法兰，所述催化剂载体与筒体内壁连接，所述微通道连续反应器的直径规格为2mm-8mm，长度为2mm；

所述微通道连续流反应器以串联形式安装，至少两个反应器为一组，反应器之间通过管道和法兰连接，并在反应器之间安装增压泵。

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