CN203540511U - 一种通道流速均布的层叠型微通道反应器 - Google Patents
一种通道流速均布的层叠型微通道反应器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种通道流速均布的层叠型微通道反应器。包括进口盖板，第一反应板，第二反应板和出口盖板，第一反应板和第二反应板上加工有微通道阵列，交替叠置在相对放置的进口盖板和出口盖板之间。反应流体通过一个进口流入微通道阵列，从两个出口流出，提高了反应流体在微通道阵列的流速分布均匀性，从而能有效提高微通道反应器的反应效率。同时，一个进口两个出口的分流结构可以有效降低流体流过微通道反应器的压力损失。将多层的第一反应板和第二反应板层叠，可以扩大反应规模，提高反应效率。与现有单进口单出口的微通道反应器相比，本实用新型提高了反应均匀性，具有反应效率高，和流体压力损失低的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微流体器件，尤其是涉及用于微化学反应的一种通道流速均布的层叠型微通道反应器。
技术背景
微通道反应器是一种单元反应界面尺度为微米级的微型化学反应系统，与常规宏观反应器相比，微反应器有以下优势：（1）较高的比表面积，因此传热、传质得到强化，有利于流体的快速均匀混合以及等温操作；（2）反应更加安全，传递过程的强化使反应器内的反应过程更容易控制；（3）独特的流动特性，其流体流动通常为层流，具有较强的方向性、对称性和有序性，有利于对过程进行精确的理论描述和模拟；（4）催化剂的高通量筛选。近年来，随着微加工技术的不断发展，微通道反应器得到了越来越广泛的应用，已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。
对一个特定的微通道反应器，有两个影响其性能的关键因素：（1）流体在微通道阵列之间的流速分布的均匀程度，（2）流体流过微通道反应器的压降损失。
流体在微通道阵列之间的流速分布的均匀程度直接影响到微通道反应器的传热传质性能，均匀的流速分布有利于提高传热传质性能和反应速率。目前大多数的微通道反应器一般只有一个流体进口、一个流体出口，例如中国发明专利（申请号 200580034708.8）公开了一种均匀加热的微通道加热器，流体从一个进口流入和一个出口流出，均流腔为三角形形状。这种微通道反应器结构简单，制造成本低，但是流体在微通道阵列的流速分布均匀度不高。为提高微通道的流速均布率，许多研究者对微通道反应器的结构进行了优化。潘敏强等撰写论文《非等宽微通道阵列速度均布的优化设计》（化工学报[J]，2007(09)）研究了非等宽微通道的设计，以提高微通道阵列流速均布率。
此外，流体经过微通道反应器的压降损失也是衡量一个微通道反应器效率的重要因素。压力降过大将直接影响流路系统的消耗功率，降低微通道反应器的效率。中国发明专利（申请号 201210032698.6）公开了一种微通道换热器的分流结构，其使流入的流体分成若干股，最后依次分成需要的流体通道数量。该微通道换热器有效解决了流体在微通道反应器流动压力降损失过大的问题，但是该微通道换热器的分流结构复杂，制造成本较高。
综上所述，现有的传统微通道反应器流速分布均匀度不高，其传热传质效率受到限制，此外流体压力损失过大，需要较高的流路系统功率。因此，有必要设计一种流速分布均匀度高，流体压力降较小，传质传热效率较高的微通道反应器。
发明内容
为了克服上述背景技术的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种通道流速均布的层叠型微通道反应器，是一种流体分布均匀，流体压降损失小的微通道反应器。反应流体通过一个进口流入微通道阵列从两个出口流出，提高了反应流体在微通道阵列的流速分布均匀性，从而能有效提高微通道反应器的反应效率。
本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型包括进口盖板，第一反应板，第二反应板及出口盖板；第一反应板和第二反应板交替叠置在相对放置的进口盖板和出口盖板之间。
所述的进口盖板上面中间开有第一反应流体进口，进口盖板下面中间开有第反应二流体进口；
所述的出口盖板下面两侧角上分别开有第一反应流体出口和第二反应流体出口，出口盖板上面两侧角上分别开有第三反应流体出口和第四反应流体出口。
所述的第一反应板上面中间开有第一反应流体进口，第一反应板下面两侧角上分别开有第一反应流体出口和第二反应流体出口，第一反应板下面中间开有第二反应流体进口，第一反应板上面两侧角上分别开有第三反应流体出口和第四反应流体出口；
所述的第一反应板的一面开有与侧面平行的微通道阵列，微通道阵列上部开有均流分布腔，第一反应流体进口位于均流分布腔内，微通道阵列下部开有集流分布腔，第一反应流体出口和第二反应流体出口位于集流分布腔内，第一反应板的另一面为平面结构。
所述的第二反应板上面中间开有第一反应流体进口，第二反应板下面两侧角上分别开有第一反应流体出口和第二反应流体出口，第二反应板下面中间开有第二反应流体进口，第二反应板上面两侧角上分别开有第三反应流体出口和第四反应流体出口；
所述的第二反应板的一面开有与侧面平行的微通道阵列，微通道阵列上部开有集流分布腔，第三反应流体出口和第四反应流体出口位于集流分布腔内，微通道阵列下部开有均流分布腔，第二反应流体进口位于均流分布腔内，第二反应板的另一面为平面结构。
所述的第一反应板和第二反应板的微通道阵列面朝向相同。
本实用新型具有的有益效果：
（1）该微通道反应器采用单进口双出口结构，缩短了反应流体进口和反应流体出口的距离，提高了流体在微通道阵列流速分布均匀率，从而提高了反应器的传热传质性能，提高反应效率。
（2）该微通道反应器采用单进口双出口结构，有利于降低流体经过微通道反应器的压力损失，降低流路系统的消耗功率。
（3）该微通道反应器将多层的反应板层叠，可以扩大反应规模，提高反应效率。
本实用新型可应用于各种化学反应、热交换和微混合场合。
附图说明
图1是本实用新型的爆炸图；
图2是本实用新型的进口盖板结构示意图；
图3是本实用新型的第一反应板结构示意图；
图4是本实用新型的第二反应板结构示意图；
图5是本实用新型的出口盖板结构示意图；
图6是用于甲醇水蒸气自热重整制氢的实施例的结构示意图；
图中：1、进口盖板，2、第一反应板，3、第二反应板，4、出口盖板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1所示，本实用新型包括进口盖板1，多块结构相同的第一反应板2，多块结构相同的第二反应板3，第一反应板2块数与第二反应板3块数相同或不相同，出口盖板4；相对放置的进口盖板1和出口盖板4之间，交替叠置有多块第一反应板2和多块第二反应板3，第一反应板2和第二反应板3的微通道阵列面朝向相同。
如图2所示，所述的进口盖板1上面中间开有第一反应流体进口1-1，进口盖板1下面中间开有第二反应流体出口1-2；
如图5所示，所述的出口盖板4下面两侧角上分别开有第一反应流体出口4-1和第二反应流体出口4-2，出口盖板4上面两侧角上分别开有第三反应流体出口4-3和第四反应流体出口4-4。
如图3所示，所述的第一反应板2上面中间开有第一反应流体进口2-8，第一反应板2下面两侧角上分别开有第一反应流体出口2-1和第二反应流体出口2-2，第一反应板2下面中间开有第二反应流体进口2-9，第一反应板2上面两侧角上分别开有第三反应流体出口2-3和第四反应流体出口2-4。
所述的第一反应板2的一面开有与侧面平行的微通道阵列2-5，微通道阵列2-5上部开有均流分布腔2-6，第一反应流体进口2-8位于均流分布腔2-6内，微通道阵列2-5下部开有集流分布腔2-7，第一反应流体出口2-1和第二反应流体出口2-2位于集流分布腔2-7内，第一反应板2的另一面为平面结构。
如图4所示，所述的第二反应板3上面中间开有第一反应流体进口3-8，第二反应板3下面两侧角上分别开有第一反应流体出口3-1和第二反应流体出口3-2，第二反应板3下面中间开有第二反应流体进口3-9，第二反应板3上面两侧角上分别开有第三反应流体出口3-3和第四反应流体出口3-4。
所述的第二反应板3的一面开有与侧面平行的微通道阵列3-5，微通道阵列3-5上部开有集流分布腔3-7，第三反应流体出口3-3和第四反应流体出口3-4位于集流分布腔3-7内，微通道阵列3-5下部开有均流分布腔3-6，第二反应流体进口3-9位于均流分布腔3-6内，第二反应板3的另一面为平面结构。
实施例1：
图6是用于甲醇水蒸气自热重整制氢的一个微通道反应器的结构示意图。该微通道反应器耦合了甲醇水蒸汽重整反应和甲醇催化燃烧反应，甲醇水蒸气重整反应所需的热量由甲醇燃烧放出的热量提供，主要包括进口盖板1、两个第一反应板2、一个第二反应板3及出口盖板4；其中：
进口盖板1是一矩形的不锈钢板，上面中间加工有第一反应流体进口1-1，进口盖板1下面中间开有第二反应流体进口1-2，第一反应流体进口1-1通入甲醇和水蒸汽，为甲醇水蒸气重整反应的通道，第二反应流体进口1-2通入甲醇和空气，为甲醇催化燃烧反应的通道；
出口盖板4是一矩形的不锈钢板，在下面两侧角上分别加工有第一反应流体出口4-1和第二反应流体出口4-2，出口盖板4上面两侧角上分别开有第三反应流体出口4-3和第四反应流体出口4-4，第一反应流体出口4-1和第二反应流体出口4-2为甲醇水蒸气重整反应的产物出口，第三反应流体出口4-3和第四反应流体出口4-4为甲醇燃烧反应的产物出口；
第一反应板2是一块厚为1mm的不锈钢薄板，上面中间加工有第一反应流体进口2-8，第一反应板2下面两侧角上分别加工有第一反应流体出口2-1和第二反应流体出口2-2，第一反应板2下面中间加工有第二反应流体进口2-9，第一反应板2上面两侧角上分别加工有第三反应流体出口2-3和第四反应流体出口2-4；
利用光化学刻蚀的工艺在第一反应板2的一面加工有与侧面平行的微通道阵列2-5作为催化剂的载体，微通道的宽度和深度均为0.5mm，其上负载有铜基催化剂Cu/ZnO/Al2O3，微通道阵列2-5上部铣有均流分布腔2-6，第一反应流体进口2-8位于均流分布腔2-6内，微通道阵列2-5下部铣有集流分布腔2-6，第一反应流体出口2-1和第二反应流体出口2-2位于集流分布腔2-6内，第一反应板2的另一面为平面结构。
第二反应板3是一块厚为1mm的不锈钢薄板，上面中间加工有第一反应流体进口3-8，第二反应板3下面两侧角上分别加工有第一反应流体出口3-1和第二反应流体出口3-2，第二反应板3下面中间加工有第二反应流体进口3-9，第二反应板3上面两侧角上分别加工有第三反应流体出口3-3和第四反应流体出口3-4；
利用光化学刻蚀的工艺在第二反应板3的一面加工有与侧面平行的微通道阵列3-5作为催化剂的载体，微通道的宽度和深度均为0.5mm，其上负载有铂基催化剂Pt/γ-Al2O3，微通道阵列3-5上部铣有集流分布腔3-7，第三反应流体出口3-3和第四反应流体出口3-4位于集流分布腔3-7内，微通道阵列3-5下部铣有均流分布腔3-6，第二反应流体进口3-9位于均流分布腔3-6内，第二反应板3的另一面为平面结构。
进口盖板1、两个第一反应板2、一个第二反应板3及出口盖板4通过扩散焊焊接密封。
本实用新型主要有两条流路，分别对应流体流入第一反应板2和第二反应板3：
流路一：向微通道反应器的进口盖板1的第一反应流体进口1-1通入流体，经第一反应板2的第一反应流体进口2-8流入均流分布腔2-6并进入微通道阵列2-5，经集流分布腔2-7收集引导到第一反应流体出口2-1和第二反应流体出口2-2，并最终从出口盖板4的第一反应流体出口4-1和第二反应流体出口4-2流出反应器。
流路二：向微通道反应器的进口盖板1的第二反应流体进口1-2通入流体，经第二反应板3的第二反应流体进口3-9流入均流分布腔3-6进入微通道阵列3-5，经集流分布腔3-7收集引导到第三反应流体出口3-3和第四反应流体出口3-4，并最终从出口盖板4的第三反应流体出口4-3和第四反应流体出口4-4流出反应器。
工作时，先将氮气通入流路二，去除微通道阵列3-5的空气，接着，对微通道反应器进行预热到120℃，将甲醇和空气按一定比例通入流路二，在微通道阵列3-5进行燃烧反应，生成水、二氧化碳和少量的一氧化碳，并放出大量热量，使微通道反应器温度达到250℃时，将N2/H2混合气体通入流路一，对微通道阵列2-5的铜基催化剂进行还原2小时，将甲醇和水蒸气通入流路二在微通道阵列2-5进行重整反应，生成氢气、二氧化碳和少量的一氧化碳、水，重整反应是吸热反应，通过调节反应物的流量可以达到吸热和放热的平衡，实现两种反应的热耦合，提高反应效率。本微通道反应器可以应用于重整制氢，提高制氢效率。
实施例2：
本实施例的微通道反应器结构与实施例1基本一致，区别在于该实施例的微通道反应器是用作换热器。进入微通道反应器的两种工质流体分别是冷流体和热流体，从一个进口进入，两个出口流出，可以提高微通道阵列流速分布的均匀性，降低温度梯度，提高换热器的效率，分流结构还有利于降低压降。
Claims (2)
1.一种通道流速均布的层叠型微通道反应器，其特征在于：包括进口盖板（1），第一反应板（2），第二反应板（3）及出口盖板（4）；第一反应板和第二反应板交替叠置在相对放置的进口盖板和出口盖板之间；
所述的进口盖板（1）上面中间开有第一反应流体进口（1-1），进口盖板（1）下面中间开有第二反应流体进口（1-2）；
所述的出口盖板（4）下面两侧角上分别开有第一反应流体出口（4-1）和第二反应流体出口（4-2），出口盖板（4）上面两侧角上分别开有第三反应流体出口（4-3）和第四反应流体出口（4-4）；
所述的第一反应板（2）上面中间开有第一反应流体进口（2-8），第一反应板（2）下面两侧角上分别开有第一反应流体出口（2-1）和第二反应流体出口（2-2），第一反应板（2）下面中间开有第二反应流体进口（2-9），第一反应板（2）上面两侧角上分别开有第三反应流体出口（2-3）和第四反应流体出口（2-4）；
所述的第一反应板（2）的一面开有与侧面平行的微通道阵列（2-5），微通道阵列（2-5）上部开有均流分布腔（2-6），第一反应流体进口（2-8）位于均流分布腔（2-6）内，微通道阵列（2-5）下部开有集流分布腔（2-7），第一反应流体出口（2-1）和第二反应流体出口（2-2）位于集流分布腔（2-7）内，第一反应板（2）的另一面为平面结构；
所述的第二反应板（3）上面中间开有第一反应流体进口（3-8），第二反应板（3）下面两侧角上分别开有第一反应流体出口（3-1）和第二反应流体出口（3-2），第二反应板（3）下面中间开有第二反应流体进口（3-9），第二反应板（3）上面两侧角上分别开有第三反应流体出口（3-3）和第四反应流体出口（3-4）；
所述的第二反应板（3）的一面开有与侧面平行的微通道阵列（3-5），微通道阵列（3-5）上部开有集流分布腔（3-7），第三反应流体出口（3-3）和第四反应流体出口（3-4）位于集流分布腔（3-7）内，微通道阵列（3-5）下部开有均流分布腔（3-6），第二反应流体进口（3-9）位于均流分布腔（3-6）内，第二反应板（3）的另一面为平面结构。
2.根据权利要求1所述的一种通道流速均布的层叠型微通道反应器，其特征在于：所述的第一反应板（2）和第二反应板（3）的微通道阵列面朝向相同。
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