CN115845761B - 一种微通道反应板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微通道反应板，包括板体，所述板体的前端设置有流体入口，后端设置有流体出口；所述流体入口与所述流体出口之间设置有主体流道区；所述流体入口的两侧分别设置有与其连通的分型流道，所述分型流道与前自由扩散腔室连通，所述前自由扩散腔室与所述主体流道区连通；所述前自由扩散腔室由前至后其流道尺寸逐渐增大；所述流体出口的两侧和前侧分别设置有出口流道，所述出口流道与后自由扩散腔室连通，所述后自由扩散腔室与所述主体流道区连通；所述后自由扩散腔室由前至后其流道尺寸逐渐减小。本发明兼顾分型流道及A型流道的结构特点，可使流体充分的流动和扩散，使流体的流速分布更加均匀，进而提高了流体的化学反应效率。

Description

一种微通道反应板

技术领域

本发明涉及反应板技术领域，具体而言是一种微通道反应板。

背景技术

随着社会经济的发展，环境问题日益突出，传统能源的替代问题亟待解决。氢能作为热门的新型能源，具有燃烧热值高、资源丰富、可持续发展等特点，被视为二十一世纪最具发展潜力的清洁能源，在工业生产、动力发电等领域有着广泛应用前景。

现有的制氢方式种类繁多，新型能源制氢成为当今研究的重点。甲醇重整制氢是将甲醇水蒸气处于200℃～300℃的温度，在催化剂的作用下生成氢气和其它气体产物。甲醇重整制氢有众多优点，原料低廉，制氢效率高，且过程控制简单。甲醇重整制氢微通道反应器是甲醇重整制氢的发生场所，具有体积小、易于装配、叠加便利等特点。甲醇通过微通道反应器能够实现氢气的及时供给，做到氢气的随用随制，更适用于移动式现场制氢场景。

甲醇重整制氢微通道反应器以板式微通道反应器为主。板式微通道反应器主要有上盖板、下盖板、蒸发板、反应板、石墨垫片、各种加热装置及传感装置组成，构成微通道反应器的差异点主要在于反应板的不同。反应板上存在反应流道，由于流道分布方式不同的，对甲醇重整反应传热传质及流体分布也会不同，氢气选择性及制氢性能有着较大的差异。因此，开发优良的反应板对于制氢性能十分重要。

现有的反应板的反应流道主要有平行流道、蛇形流道、微凸台阵列流道、Z型流道、A型流道及分型流道。平行流道加工简单，同时具有较低的压降，但由于流场内流体分布均匀性较差，流速分布不均匀，导致甲醇转化率较低。蛇形流道有着较长的流动路径及较高的甲醇转化率，但由于分布排列较为紧凑，存在较高的压降以及较大的浓度梯度。微凸台阵列流道有着较低的压降、较高的比表面积，甲醇转化效率高，但内部结构较为复杂，加工成本较高。Z型流道是较为传统的流道，有着较为广泛的应用，但流体分布均匀性以及甲醇转化率等关键性问题上仍有优化空间。A型流道即是在Z型流道的基础上改进而来，与Z型流道相比，A型流道有着更为良好的传热传质性能，流量分配更加均匀，压降更低，同时有着较高的甲醇转化率，但Z型流道与A型流道的尺寸以及比表面积有限，制氢量较低，不能满足用氢设备的功率需求，仍有较大的优化空间。分型流道将流体逐层分级，增大了比表面积，有着良好的流体流动均匀性及传热传质特性，但复杂的结构增加了制造成本，对反应板的空间利用率较低，使得微反应器的体积增大，仍有优化空间。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种微通道反应板。本发明主要结合分型流道及A型流道的结构特点，对传统流道进行优化与改进，从而可使流体充分的流动和扩散，使流体的流速分布更加均匀，进而提高了流体的化学反应效率。

本发明采用的技术手段如下：

一种微通道反应板，包括板体，所述板体的前端设置有流体入口，后端设置有流体出口；所述流体入口与所述流体出口之间设置有主体流道区，所述主体流道区内设置有多条主体流道；

所述流体入口的两侧分别设置有与其连通的分型流道，所述分型流道的出口与前自由扩散腔室的前端入口连通，所述前自由扩散腔室的后端出口正对所述主体流道区的前端，并与其连通；所述前自由扩散腔室由前至后其流道尺寸逐渐增大，将所述分型流道流入的流体进行扩散；

所述流体出口的两侧和前侧分别设置有与其连通的出口流道，所述出口流道的入口与后自由扩散腔室的后端出口连通，所述后自由扩散腔室的前端入口正对所述主体流道区的后端，并与其连通；所述后自由扩散腔室由前至后其流道尺寸逐渐减小，将所述主体流道区流入的流体汇集至其后端出口处。

优选地，两个所述前自由扩散腔室的后端相邻处连通，三个所述后自由扩散腔室中相邻的两个所述后自由扩散腔室的前端相邻处连通。

优选地，所述流体入口和所述流体出口的孔径为Φ为0.2～5mm。

优选地，所述前自由扩散腔室呈锥形，其顶角θ1为30°～160°，所述前自由扩散腔室的扩散边沿与所述板体边沿之间的夹角θ2为90°～150°。

优选地，相邻两个后自由扩散腔室的扩散边沿之间的夹角θ3为30°～160°

优选地，所述分型流道、所述前自由扩散腔室、所述主体流道、所述后自由扩散腔室和所述出口流道的高度均为H，且H为0.2～5mm；所述主体流道区包括6～26条所述主体流道；所述主体流道的长度L为40～160mm，宽度W1为0.2～5mm，流道之间脊宽W2为0.2～5mm。

优选地，所述主体流道为波浪形流道。

优选地，所述波浪形流道的内弯曲夹角θ5为90°～180°，形成所述波浪形流道的肋板的入口角度θ4为90°～160°，出口角度θ6为30°～180°。

优选地，所述主体流道为折线形流道。

优选地，所述主体流道为内凹形流道，所述凹形流道呈直线型，且所述凹形流道的两侧流道壁分别具有一排沿所述凹形流道延伸方向均匀排布的凸起，且两排所述凸起交错设置。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的微通道反应板内的流道结合分型流道及A型流道的结构特点，对传统流道进行优化与改进。相比与传统反应板而言，本发明可使流体充分的流动和扩散，使流体的流速分布更加均匀，进而提高了流体的化学反应效率；本发明所提出的微通道反应板压降低，中部采用波浪形流道或折线形流道或内凹形流道，不仅增大了比表面积，增大流体流程，使化学反应更加充分，同时降低了流体的流动损耗；本发明所提出的微通道反应板加强了传热传质特性，有着优良的性能；本发明所提出的微通道反应板尾端成收缩状，便于将化学反应后的气体产物收集及放大；本发明所提出的新型微通道反应板内部结构简单，易于加工，成本低廉，有着良好的经济性，适合广泛推广。

综上，应用本发明的技术方案能够增加流体的传热传质特性，提高流体分布均匀性，可在众多领域广泛推广。不仅限应用于重整制氢，其它领域的使用及尺寸的改变在不脱离本构思的前提下均属于本发明的保护范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种微通道反应板结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中流体流向图。

图3为本发明具体实施方式中一种微通道反应板俯视图。

图4为本发明具体实施方式中内凹形流道示意图。

图5为本发明具体实施方式中折线形流道示意图。

图6为本发明具体实施方式中波浪形流道示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1～6所示，本发明提供了一种微通道反应板，包括板体，所述板体的前端设置有流体入口6，后端设置有流体出口7；所述流体入口6与所述流体出口7之间设置有主体流道区3，所述主体流道区内设置有多条主体流道；

所述流体入口6的两侧分别设置有与其连通的分型流道1，所述分型流道1的出口与前自由扩散腔室2的前端入口连通，所述前自由扩散腔室2的后端出口正对所述主体流道区3的前端，并与其连通；所述前自由扩散腔室2由前至后其流道尺寸逐渐增大，将所述分型流道流入的流体进行扩散；

所述流体出口7的两侧和前侧分别设置有与其连通的出口流道5，所述出口流道5的入口与后自由扩散腔室4的后端出口连通，所述后自由扩散腔室4的前端入口正对所述主体流道区3的后端，并与其连通；所述后自由扩散腔室4由前至后其流道尺寸逐渐减小，将所述主体流道区3流入的流体汇集至其后端出口处。

两个所述前自由扩散腔室2的后端相邻处连通，三个所述后自由扩散腔室4中相邻的两个所述后自由扩散腔室4的前端相邻处连通。

所述流体入口6和所述流体出口7的孔径为Φ为0.2～5mm。

如图3所示，所述前自由扩散腔室2呈锥形，其顶角θ1为30°～160°，所述前自由扩散腔室3的扩散边沿与所述板体边沿之间的夹角θ2为90°～150°。相邻两个后自由扩散腔室4的扩散边沿之间的夹角θ3为30°～160°。所述分型流道1、所述前自由扩散腔室2、所述主体流道3、所述后自由扩散腔室4和所述出口流道5的高度均为H，且H为0.2～5mm；所述主体流道区3包括6～26条所述主体流道；所述主体流道3的长度L为40～160mm，宽度W1为0.2～5mm，流道之间脊宽W2为0.2～5mm。

所述主体流道可以为波浪形流道，如图1～3和6所示，所述波浪形流道的内弯曲夹角θ5为90°～180°，形成所述波浪形流道的肋板的入口角度θ4为90°～160°，出口角度θ6为30°～180°。

所述主体流道可以为折线形流道，如图5所示。

所述主体流道可以为内凹形流道，如图4所示，所述凹形流道呈直线型，且所述凹形流道的两侧流道壁分别具有一排沿所述凹形流道延伸方向均匀排布的凸起，且两排所述凸起交错设置。

如图2所示，具体作用过程如下：

反应开始时，流体由流体入口6(A)处进入微通道反应板，通过自由流动及扩散作用，流体分别流至B处及C处，进而扩散至每条独立的波浪形流道，在催化剂的作用下发生化学反应。当流体到达波浪形流道末端时，将扩散至D处、E处及F处，最终经过流道汇集至流体出口7(G)处，流出微通道反应板。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种微通道反应板，其特征在于，包括板体，所述板体的前端设置有流体入口，后端设置有流体出口；所述流体入口与所述流体出口之间设置有主体流道区，所述主体流道区内设置有多条主体流道；

所述流体入口的两侧分别设置有与其连通的分型流道，所述分型流道的出口与前自由扩散腔室的前端入口连通，所述前自由扩散腔室的后端出口正对所述主体流道区的前端，并与其连通；所述前自由扩散腔室由前至后其流道尺寸逐渐增大，将所述分型流道流入的流体进行扩散；

所述流体出口的两侧和前侧分别设置有与其连通的出口流道，所述出口流道的入口与后自由扩散腔室的后端出口连通，所述后自由扩散腔室的前端入口正对所述主体流道区的后端，并与其连通；所述后自由扩散腔室由前至后其流道尺寸逐渐减小，将所述主体流道区流入的流体汇集至其后端出口处；

两个所述前自由扩散腔室的后端相邻处连通，三个所述后自由扩散腔室中相邻的两个所述后自由扩散腔室的前端相邻处连通。

2.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述流体入口和所述流体出口的孔径为Φ为0.2~5mm。

3.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述前自由扩散腔室呈锥形，其顶角θ1为30°~160°，所述前自由扩散腔室的扩散边沿与所述板体边沿之间的夹角θ2为90°~150°。

4.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，相邻两个后自由扩散腔室的扩散边沿之间的夹角θ3为30°~160°。

5.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述分型流道、所述前自由扩散腔室、所述主体流道、所述后自由扩散腔室和所述出口流道的高度均为H，且H为0.2~5mm；所述主体流道区包括6~26条所述主体流道；所述主体流道的长度L为40~160mm，宽度W1为0.2~5mm，流道之间脊宽W2为0.2~5mm。

6.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述主体流道为波浪形流道。

7.根据权利要求6所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述波浪形流道的内弯曲夹角θ5为90°~180°，形成所述波浪形流道的肋板的入口角度θ4为90°~160°，出口角度θ6为30°~180°。

8.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述主体流道为折线形流道。

9.根据权利要求1所述的一种微通道反应板，其特征在于，所述主体流道为内凹形流道，所述内凹形流道呈直线型，且所述内凹形流道的两侧流道壁分别具有一排沿所述内凹形流道延伸方向均匀排布的凸起，且两排所述凸起交错设置。