一種氣固相微反應器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于能源、化工以及動力領域需要換熱催化反應的氣固相微反應器,包括反應主體區，反應主體區具有至少一個反應單元，該反應單元包括依次疊合在一起的加熱或冷卻介質層、催化劑填充層、進出氣網孔層以及反應及產物介質層。本發明的微反應器換熱效率好，產物效率高，特別是反應單元采用微通道結構時，更有利于反應效率和換熱效果的提高。
【專利說明】
_種氣固相微反應器
技術領域
[0001]本發明涉及一種微反應器，具體涉及一種應用于能源、化工以及動力等領域中需要換熱催化反應的氣固相微反應器。
【背景技術】
[0002]隨著人類環境保護意識的不斷提高，能源問題被越來越多的人重視。氫能作為一種可再生能源，以其高效和無污染的優勢，被廣泛應用于各種環境。制氫有很多方法，甲醇重整制氫只是眾多制氫方法中的一種，但由于原料成本較低，能量密度高，反應溫度和產物CO濃度較低的原因，使其在制氫領域中被廣泛應用。重整制氫采用氣固相微反應器完成，傳統的氣固反應制氫裝置儲存、攜帶、充注難度較大而且存在較大的安全隱患。近年來，微反應器以其高效便捷，被越來越多的人關注。微反應器是一種借助特殊微加工技術以固體基質制造的可用于化學反應的三維結構單元，通常是指含有流體通道當量直徑小于10-1000μm的微反應器。在這種狹窄的流體通道中，動邊界層厚度大大減小，平均熱、質散距離大幅度縮短，使得微通道內的燃料重整能夠利用快速表面反應動力學的固有特性，通過微通道表面形成的高活性催化劑達到加快催化反應的目的。
[0003]公開號為CN104671204A的中國專利申請公開了一種層疊式雙面多蛇形微通道重整制氫微反應器，這種微反應器包括上蓋板、下蓋板以及之間的蒸發板、多塊上重整板和下重整板，在蒸發板、上重整板以及下重整板的側表面安裝有加熱棒，上重整板和下重整板上表面中心均設置有反應腔，反應腔中安裝有反應載體薄板，薄板上表面和下表面以上下對稱開有多個蛇形微通道的凹槽結構。
[0004]上述技術方案在實際使用中存在缺陷:1、此微反應器采用加熱棒對微反應器進行加熱，存在傳熱效率低，溫度分布不均勻的現象，由此導致制氫過程中重整反應的不均勻性；2、反應載體薄板為雙面蛇形通道，當甲醇蒸汽流過下半部分通道時，由于重力作用，甲醇蒸汽不能全部與催化劑載體接觸，造成氫氣純度較低;3、蛇形催化劑附著通道的長度過長，導致制氫效率較低;4、整體連接方式依靠螺栓固定連接，導致整體密封性較差，容易造成氫氣或甲醇蒸汽的泄露。
[0005]因此，目前的重整制氫微反應器存在著傳熱效率低、產物純度低、密封效果差以及產物效率低等問題。
【發明內容】
[0006]因此，本發明的目的是提供一種氣固相微反應器，以解決現有技術中氣固相微反應器傳熱效率低、產物純度低、密封效果差以及產物效率低的問題。
[0007]為此，本發明采用的技術方案如下:
[0008]—種氣固相微反應器，包括反應主體區，其特征在于，反應主體區具有至少一個反應單元，該反應單元包括依次疊合在一起的加熱或冷卻介質層、催化劑填充層、進出氣網孔層以及反應及產物介質層。
[0009]加熱或冷卻介質層呈薄板狀，包括介質進口、內部流體通道和介質出口，內部流體通道與所述介質進口和介質出口相連通。
[0010]該加熱或冷卻介質層還設置有多個間隔布置的突筋，這些突筋平行間隔布置，在突筋之間以及突筋與加熱或冷卻介質層邊框間形成內部流體通道。
[0011]該加熱或冷卻介質層還包括分布在內部流體通道內的擾流結構，該擾流結構為圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形凸起。
[0012]催化劑填充層呈薄板狀，包括催化劑填充進口、連通催化劑填充進口的催化劑填充通道，以及設于催化劑通道的內部支撐結構。
[0013]催化劑填充通道側壁及內部支撐結構體積之和占總體催化劑填充空間的比例不超過50%。內部支撐結構為圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形凸起。
[0014]反應及產物介質層呈薄板狀，包括反應介質進口、連通反應介質進口的反應介質槽道、產物介質出口和連通于產物介質出口的產物介質槽道;反應介質槽道和產物介質槽道之間互不連通。
[0015]反應介質進口與反應介質槽道之間、產物介質出口與產物介質槽道之間設置多個圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形凸起。
[0016]進出氣網孔層由多排進氣網孔和出氣網孔組成，相同作用的網孔之間間隔排布，每排網孔的排布與反應介質槽道或產物介質槽道對應。
[0017]進出氣網孔層內部網孔直徑小于催化劑的顆粒直徑，進氣網孔或出氣網孔通道寬度小于或等于反應或產物介質層中相對應的反應介質槽道或產物介質槽道的寬度。
[0018]反應主體區還包括在反應單元的各層疊合方向上封裝至少一個反應單元的至少一塊前邊板和至少一塊后邊板。
[0019]反應主體區還包括在至少一個反應單元的各層疊合方向垂直方向上封裝至少一個反應單元的密封蓋。
[0020]在反應主體區的前邊板上的一對對角位置設置有反應物或產物進出口，而另一對對角位置處設置加熱或冷卻介質進出口。
[0021]在前邊板和后邊板上還設置有密封固定支架，在密封固定支架和密封蓋對應位置設置有用于螺栓聯接密封的螺栓孔。
[0022]反應主體區通過擴散焊接加工而成。
[0023]加熱或冷卻介質層、催化劑填充層和反應及產物介質層中至少一個為微通道結構。
[0024]由于本發明采用以上結構，增加了換熱效果，提高了產物效率。同時，制造方便，互換性好，提高了密封性。
[0025]本發明技術方案，具有如下優點:
[0026](I)本發明生成物反應單元互相獨立，可根據實際需求在不改變外觀結構的同時，只進行層數的變更，降低二次開發成本的同時，使其使用更具有一定的互換性；
[0027](2)本發明反應主體區采用一體化設計，通過擴散焊接加工而成，不使用任何焊料，無接觸熱阻，從而更加有利于熱的傳導。另外擴散焊接使板片結合更為牢固，具有更好的承壓性能。
[0028](3)在優選實施方式中，采用微槽道和微通道設計，能有效增加反應介質與傳熱介質間的換熱面積，從而提尚換熱效率，從而提尚反應效率；
[0029](4)本發明帶有擾流結構，在增加換熱面積的同時增加了流體的擾動，從而進一步提尚了換熱效率；
[0030](5)本發明單路接口、進出口位置可根據實際需求進行調整，使其具有更強的兼容性；
[0031](6)本發明催化劑填充口依靠外部可拆卸邊板進行密封，使催化劑的更換更加便捷；
[0032](7)在優選實施方式中，微槽道和微通道的結構設計，使其整體尺寸更加緊湊，方便攜帶。在新能源汽車電池等應用領域，減小體積的同時，自身重量也有很大程度的降低。
【附圖說明】
[0033]為了更清楚地說明本發明【具體實施方式】或現有技術中的技術方案，下面將對【具體實施方式】或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0034]圖1為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器整體分解透視圖；
[0035]圖2為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的反應主體區分解透視圖；
[0036]圖3為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的反應單元部分透視圖；
[0037]圖4為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的前邊板及出入口接管透視圖；
[0038]圖5為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的加熱或冷卻介質層透視圖；
[0039]圖6為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的第一催化劑填充層的透視圖；
[0040]圖7為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的反應及產物介質層透視圖；
[0041]圖8為本發明【具體實施方式】提供的氣固相微反應器的網孔層平面圖；
[0042]圖9為圖8中局部網孔放大視圖。
【具體實施方式】
[0043]下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0044]在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0045]在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0046]此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互結合。
[0047]下面針對本發明優選的實施方式對發明進行描述。
[0048]如圖1和圖2所示，圖1為本發明氣固相微反應器分解透視圖，圖2為反應主體區分解透視圖。在圖1中，反應主體區5由若干依次疊放的薄板狀件組成，在主體區上下各安裝密封蓋4。參見圖2，從左至右依次為反應主體區前邊板6、加熱或冷卻介質層7、第一催化劑填充層8、第二催化劑填充層9、進出氣網孔層10、反應及產物介質層11以及反應主體區后邊板
12。前后邊板可根據微反應器大小來設定數量。再來參見圖1，在反應主體區前邊板6上的一對對角位置，設置有反應物或產物進出口 I，而另一對對角位置處設置加熱或冷卻介質進出口2，所謂一對進出口是指一個為進口，則另一個為出口，兩者可互調。進出口也可以設置在后邊板四角，只要保證設置在對角即可。設置在板四角位置有利于充分利用微反應器空間。在前邊板和后邊板上還設置有密封固定支架3。在固定支架3和密封蓋4對應位置設置有螺栓孔，便于螺栓聯接密封。
[0049]圖3為反應單元一部分的透視圖。在圖3中，疊合在一起的加熱或冷卻介質層7、第一催化劑填充層8、第二催化劑填充層9、進出氣網孔層10、反應及產物介質層11構成反應單元，反應單元加上前邊板6和后邊板12即構成本發明微反應器反應主體區。反應物沿著圖中箭頭所指方向從反應物介質槽道進入，從產物介質槽道出，期間經過催化劑填充通道。其中反應單元的單元數可根據產物生成速率要求作出調整，但至少為一個單元。本實施方式為了清楚描述，選擇了一個反應單元，同時，為了保證催化劑填充率，催化劑填充層由第一催化劑填充層和第二催化劑填充層組成。
[0050]為了對本發明作進一步的了解，現將微反應器各組成部分結構詳細介紹如下。
[0051]參見圖4，圖4為前邊板及出入口接管透視圖。前后邊板厚度及外形尺寸可根據實際需求進行改變，接管位置和尺寸也可根據實際作出調整。
[0052]下面依次介紹反應單元組成結構。
[0053]首先描述加熱或冷卻介質層。參見圖5，圖5為加熱或冷卻介質層圖。加熱或冷卻介質層7設置介質進口 13、內部流體通道14和介質出口 16。內部流體通道14與介質進口 13和介質出口 16連通。還設置多個間隔布置的突筋14’，這些突筋14’平行間隔布置，在突筋14’之間以及突筋14’與加熱或冷卻介質層邊框間形成內部流體通道14。在內部流體通道14分布內部擾流結構15。內部擾流結構15可設計成圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形的小凸起，這些擾流結構既起到擾流作用同時也起到支撐作用。
[0054]在加熱或冷卻介質層對面，設置第一催化劑填充層，第一催化劑填充層詳細結構參見圖6。本實施方式為保證催化劑填充量，催化劑填充單元由兩個薄板狀催化劑填充層對扣而成，即催化劑填充層由第一催化劑填充層8和第二催化劑填充層9對扣而成。每個催化劑填充層由催化劑填充進口 17、催化劑填充通道18和內部支撐結構19組成。催化劑填充通道18為凹槽結構，內部支撐結構19也是圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形的小凸起。為保證催化劑填充量，催化劑填充通道側壁及支撐結構體積占總體催化劑填充空間的比例不易超過50 %。
[0055]緊挨著催化劑填充層的是反應及產物介質層。圖7是反應及產物介質層透視圖。反應及產物介質層11由反應介質進口 20、連通于反應介質進口 20的反應介質槽道23、產物介質出口 22以及連通于產物介質出口 22的產物介質槽道21組成。反應介質槽道23和產物介質槽道21之間互不連通，并且交替設置，當然也可以采用不交替的其他方式設置。在槽道與進出口之間均設置多個圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形的小凸起，起到擾流作用。
[0056]反應單元中的反應空間由相互對應的反應及產物介質層的反應介質槽道23、進出氣網孔層的進氣網孔及催化劑填充層的催化劑填充通道18組成;產物空間由相互對應的反應及產物介質層的產物介質槽道21、進出氣網孔層的出氣網孔及催化劑填充層的催化劑填充通道18組成。加熱或冷卻介質層與催化劑填充層相鄰，以保證反應溫度。
[0057]參見圖8，圖8為網孔層平面圖。網孔層由多條進氣網孔和出氣網孔組成，相同作用的網孔之間間隔排布，每排網孔的排布與反應介質槽道或者產物介質槽道對應。為保證整體厚度和網孔尺寸，網孔板厚度不易超過0.5mm。
[0058]參見圖9，圖9為局部網孔放大圖。為保證催化劑不會通過網孔漏入反應及產物介質層，網孔層內部網孔直徑d要小于催化劑的顆粒直徑。進氣網孔或出氣網孔通道寬度b要求小于或等于反應或產物介質層中反應介質槽道或產物介質槽道。
[0059]以上對微反應器各個組成部分進行了介紹，需要注意的是，本發明微反應器中反應單元是微通道結構，即加熱或冷卻介質層、催化劑填充層和反應及產物介質層中至少一個為微通道結構。
[0060]本發明所涉及的微反應器主要采用不銹鋼、鈦或者其他不與原料及產物反應的材質，加熱或冷卻介質通常采用導熱油或其他介質，反應物可根據生成物需要進行選擇。下面以甲醇重整制氫為例對反應原理進行介紹，在甲醇重整制氫中，反應物為甲醇蒸汽，加熱物質為導熱油，催化劑為銅基催化劑，反應產物為氫氣及少量CO。
[0061]本發明使用過程如下:甲醇蒸汽通過反應物進口進入反應物及產物介質層，而后通過進出氣網孔層進入催化劑單元，經過催化反應生成的產物氫氣及少部分的CO氣體再次通過網孔層進入反應物及產物介質層中的產物介質槽道，然后匯集到產物出口流出。另一方面用來保證反應溫度的導熱油由加熱或冷卻介質進口進入加熱或冷卻介質層，在與催化反應換熱后匯集至加熱或冷卻介質出口流出。
[0062]本發明所涉及的微反應器，能有效解決能源、動力、化工等領域中反應容器大，操作繁瑣、互換性差的問題。特別是在新能源電池領域，高效的反應速率能有效保證后續反應的進行，同時自身容積和重量的優勢，也使其能很好地解決發電系統體積重量過大的問題。同時，在普通領域，其材料、外形尺寸以及核心單元數的可變更性，使其應用領域得到了很大程度的拓寬。
[0063]本發明實施方式僅以制氫為例，氣固相微反應器可用于其他氣固相反應。
[0064]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種氣固相微反應器，包括反應主體區，其特征在于，反應主體區具有至少一個反應單元，所述反應單元包括依次疊合在一起的加熱或冷卻介質層、催化劑填充層、進出氣網孔層以及反應及產物介質層。2.根據權利要求1所述的微反應器，其特征在于，所述加熱或冷卻介質層呈薄板狀，包括介質進口、內部流體通道和介質出口，所述內部流體通道與所述介質進口和介質出口相連通。3.根據權利要求1或2所述的微反應器，其特征在于，所述加熱或冷卻介質層還設置有多個間隔布置的突筋，這些突筋平行間隔布置，在突筋之間以及突筋與加熱或冷卻介質層邊框間形成內部流體通道。4.根據權利要求1到3任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述加熱或冷卻介質層還包括分布在所述內部流體通道內的擾流結構。5.根據權利要求4所述的微反應器，其特征在于，所述擾流結構為圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形凸起。6.根據權利要求1到5任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述催化劑填充層呈薄板狀，包括催化劑填充進口、連通所述催化劑填充進口的催化劑填充通道，以及設于所述催化劑通道的內部支撐結構。7.根據權利要求6所述的微反應器，其特征在于，所述催化劑填充通道側壁及所述內部支撐結構體積之和占總體催化劑填充空間的比例不超過50 %。8.根據權利要求6或7所述的微反應器，其特征在于，所述內部支撐結構為圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形凸起。9.根據權利要求1到8任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述反應及產物介質層呈薄板狀，包括反應介質進口、連通所述反應介質進口的反應介質槽道、產物介質出口和連通于所述產物介質出口的產物介質槽道;所述反應介質槽道和所述產物介質槽道之間互不連通。10.根據權利要求9所述的微反應器，其特征在于，所述反應介質進口與所述反應介質槽道之間、產物介質出口與產物介質槽道之間設置多個圓形、橢圓形、三角形或其他多邊形凸起。11.根據權利要求1到10任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述進出氣網孔層由多排進氣網孔和出氣網孔組成，相同作用的網孔之間間隔排布，每排網孔的排布與所述反應介質槽道或所述產物介質槽道對應。12.根據權利要求1到11任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述進出氣網孔層內部網孔直徑小于催化劑的顆粒直徑，進氣網孔或出氣網孔通道寬度小于或等于反應或產物介質層中相對應的反應介質槽道或產物介質槽道的寬度。13.根據權利要求1到12任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述反應主體區還包括在所述反應單元的各層疊合方向上封裝所述至少一個反應單元的至少一塊前邊板和至少一塊后邊板。14.根據權利要求1到13任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述反應主體區還包括在所述至少一個反應單元的各層疊合方向垂直方向上封裝所述至少一個反應單元的密封蓋。15.根據權利要求13或14所述的微反應器，其特征在于，在所述反應主體區的前邊板上的一對對角位置設置有反應物或產物進出口，而另一對對角位置處設置加熱或冷卻介質進出口。16.根據權利要求13到15任何之一所述的微反應器，其特征在于，在所述前邊板和所述后邊板上還設置有密封固定支架，在所述密封固定支架和所述密封蓋對應位置設置有用于螺栓聯接密封的螺栓孔。17.根據權利要求1到16任何之一所述的微反應器，其特征在于，所述反應主體區通過擴散焊接加工而成。18.根據權利要求1到17任何之一的微反應器，其特征在于，所述加熱或冷卻介質層、催化劑填充層和反應及產物介質層中至少一個為微通道結構。
【文檔編號】B01J15/00GK106076220SQ201610623272
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月2日 公開號201610623272.6, CN 106076220 A, CN 106076220A, CN 201610623272, CN-A-106076220, CN106076220 A, CN106076220A, CN201610623272, CN201610623272.6
【發明人】馮學亮, 石景禎
【申請人】杭州沈氏節能科技股份有限公司