一種微填充床仿生反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于固定床反應(yīng)器設(shè)計領(lǐng)域，具體是涉及一種微填充床仿生反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 固定床反應(yīng)器是一種氣固或液固催化反應(yīng)器，采用將催化劑顆粒填充或整體成型 在一個容器內(nèi)，反應(yīng)物流體從反應(yīng)器一端流入，與床內(nèi)的催化劑顆粒進(jìn)行氣固接觸，產(chǎn)物流 體從反應(yīng)器另一端流出。固定床是一類用途很廣的反應(yīng)器，特別在石油化工、煤化工、生物 化工、環(huán)境化工等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用。
[0003]長期以來，化工過程中常用的固定床反應(yīng)器都是采用一頭進(jìn)料、一頭出料的單一 通道模式。這種固定床的弊端是流程長，壓降大，負(fù)荷不均勻。特別對于快速氣固催化反應(yīng)， 要求流體流速大、催化劑顆粒小，此時床層的流動阻力就成為一個突出的問題。
[0004]為了克服上述固定床反應(yīng)器存在的技術(shù)問題，工業(yè)上常采用徑向進(jìn)料和徑向出料 的反應(yīng)器構(gòu)型，即徑向床與臥式床，有關(guān)徑向床與臥式床的設(shè)計與應(yīng)用可參見化工手冊(例 如，文獻(xiàn)Perry R H,Green D ff.Perry's chemical engineering handbook-Chemical reactor ? Seventh edition ,Chapter 23 ? 2001,McGraw-Hill ?)的介紹。但這兩類裝置在降 低阻力方面的效果仍然十分有限，難以滿足快速反應(yīng)的要求。
[0005]為了從根本上解決傳統(tǒng)固定床的技術(shù)問題，提出了一種仿生反應(yīng)器的設(shè)計理念， 即模擬動物體內(nèi)血液循環(huán)系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)是一種最佳的流動分配與熱、質(zhì)交換系統(tǒng)。圖1 (a)為典型哺乳動物的血液循環(huán)系統(tǒng)，血液由左（右）心室流出，經(jīng)主動脈及其各級分支，到 達(dá)全身各部的毛細(xì)血管，再經(jīng)小靜脈、大靜脈最后匯合流回右(左)心房。從化學(xué)工程角度分 析，該循環(huán)系統(tǒng)可看作是一種廣義概念的反應(yīng)器，動脈101和靜脈102作為反應(yīng)器的進(jìn)料和 出料系統(tǒng)，毛細(xì)管103和組織細(xì)胞則為物質(zhì)傳遞和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場所。按照上述設(shè)計思路 所得到的反應(yīng)器概念模型如圖1(b)所示，物料從主進(jìn)料動脈通道104流入，經(jīng)過支動脈105 分散到動脈毛細(xì)管106,通過可滲透的毛細(xì)管壁進(jìn)入催化劑層107,完成反應(yīng)后通過可滲透 壁進(jìn)入靜脈毛細(xì)管108,再經(jīng)過支靜脈109匯集到主靜脈110流出反應(yīng)器。
[0006] 例如：申請?zhí)枮镃N201210470139.3的專利申請公開了一種帶有分布式進(jìn)料和出料 網(wǎng)絡(luò)通道的固定床仿生反應(yīng)器。該發(fā)明提供了一種動靜脈通道及催化劑床層的排布結(jié)構(gòu)， 用該結(jié)構(gòu)采取分布式的進(jìn)出料網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低壓降，但該發(fā)明并未提供催化劑裝填和 流動通道的具體設(shè)計與加工方法。
[0007]另外，方宇等設(shè)計了一種具有進(jìn)料、出料仿生微通道網(wǎng)絡(luò)分布的整體式催化劑芯 片(方宇，王麗軍，吳瑋，李希:整體式催化劑芯片的仿生設(shè)計與優(yōu)化，化工學(xué)報，2012,第63 卷第8期，2418-2424)。該整體式催化劑芯片通過將負(fù)載型催化劑整體壓制成薄片并在薄片 上雕刻出動靜脈通道的方法來實(shí)現(xiàn)分布式的進(jìn)出料，然后采取催化劑芯片與換熱芯片交錯 放置的裝配方法，這樣在保證了流動分布均勻、壓降低的前提下解決了床層中的換熱問題。 然而催化劑芯片的制備工藝復(fù)雜且成本較高，機(jī)械強(qiáng)度也難以得到保證，大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用 還存在困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種微填充床仿生反應(yīng)器，采用壁面可滲透的多孔蜂窩陶瓷作為裝 填催化劑微細(xì)顆粒的基本骨架，將大部分蜂窩孔道用于填充催化劑顆粒，少部分蜂窩孔道 用作進(jìn)料動脈和出料靜脈通道，通過蜂窩孔道兩端封堵和單邊封堵的方式實(shí)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)； 反應(yīng)流體首先通過動脈通道從軸向進(jìn)入反應(yīng)器，再橫向穿過多孔陶瓷的可滲透壁面進(jìn)入催 化劑微型填充床，反應(yīng)后的流體再次穿過多孔陶瓷骨架的可滲透壁面進(jìn)入靜脈通道，最后 流出反應(yīng)器;通過計算機(jī)模擬和必要的基礎(chǔ)實(shí)驗，優(yōu)化微填充床和流動通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使 其達(dá)到所需要的流動、傳熱與反應(yīng)要求。
[0009]本發(fā)明的微填充床仿生反應(yīng)器，通過交錯設(shè)置的動靜脈通道、壁面可滲透的多孔 堇青石陶瓷骨架、三通道式的動脈結(jié)構(gòu)以及插入金屬導(dǎo)熱元件，使得床層壓降減小、催化劑 負(fù)荷和床層溫度分布更均勻，適合于快速氣固催化反應(yīng);具體技術(shù)方案如下：
[0010] -種微填充床仿生反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體，所述反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有進(jìn)氣的動脈 通道、出氣的靜脈通道及動靜脈之間的催化劑填充床層;所述反應(yīng)器主體為具有可滲透壁 面的多孔結(jié)構(gòu)，所述的動脈通道和靜脈通道間隔交錯且分別至少占據(jù)一個單端封閉的孔 道，所述催化劑填充床層內(nèi)的孔道兩端封閉并在封閉的孔內(nèi)填充催化劑顆粒。
[0011] 作為改進(jìn)，所有孔道具有一致的延伸向且兩端開口，各孔道的相應(yīng)端部通過密封 層封堵以形成所述的動脈通道、靜脈通道和催化劑填充床層。
[0012] 本發(fā)明的反應(yīng)器主體在成型后，內(nèi)部貫通的孔道延伸向一致，根據(jù)孔道所處位置 的用途，分別對各孔道的相應(yīng)端部進(jìn)行封堵，以加工形成反應(yīng)器的動脈通道、靜脈通道和催 化劑填充床層。
[0013]作為改進(jìn)，所述孔道包括交錯排布的粗孔道和細(xì)孔道，細(xì)孔道由所述的動脈通道 和靜脈通道占據(jù)，粗孔道位于所述的催化劑填充床層內(nèi)。通過設(shè)置粗細(xì)不同的孔道將反應(yīng) 器內(nèi)的空間合理分配為傳質(zhì)和反應(yīng)兩類區(qū)域，在保證催化劑裝填量的前提下，將流體通道 盡量分割以減少傳質(zhì)阻力和傳熱距離。
[0014] 作為改進(jìn)，所述細(xì)孔道的孔徑范圍1~4mm，所述粗孔道的孔徑范圍3~10mm。
[0015]作為改進(jìn)，所述的反應(yīng)器主體可以采用多孔堇青石蜂窩陶瓷、多孔蜂窩碳化硅、多 孔金屬等骨架具有一定機(jī)械強(qiáng)度且壁面可滲透的材料。
[0016]本發(fā)明中，反應(yīng)器主體的骨架由一種壁面可滲透的多孔堇青石蜂窩陶瓷構(gòu)成。堇 青石蜂窩陶瓷由堇青石粉料、膠黏劑、造孔劑和水混合而成的泥料通過帶有特制模具的液 壓擠出機(jī)壓出成型再經(jīng)過烘干、焙燒制成。堇青石蜂窩陶瓷具有上下貫通的蜂窩孔道，通過 堵孔技術(shù)可將蜂窩孔道的端口封堵，一端封堵即為動脈或靜脈通道，兩端均封堵即為催化 劑填充床層。堇青石蜂窩陶瓷具有非均勻的蜂窩孔道尺寸，細(xì)的蜂窩孔道作為動靜脈流體 通道，孔徑范圍1~4mm，粗的蜂窩孔道作為催化劑填充床層，孔徑范圍3~10mm，粗細(xì)孔道交 錯排布。
[0017]作為改進(jìn)，所述多孔堇青石蜂窩陶瓷的可滲透壁面的孔徑為10~15wii，壁厚為0.4 ~0.6_1，滲透率為5\1(^ 13~1\1(^121112，所述的催化劑填充床層采用平均孔徑為50~10(^ m的催化劑粉末;所述的堇青石蜂窩陶瓷高度為50~500mm。
[0018]本發(fā)明中，進(jìn)氣的動脈通道有兩種類型：單通道型和三通道型。單通道動脈由一條 蜂窩孔道構(gòu)成，氣體從蜂窩孔道未被封堵的一端流入，由于另一端被封堵，因此氣體在從進(jìn) 口流至底部的過程中會經(jīng)過兩側(cè)的可滲透壁面進(jìn)入催化劑床層。三通道動脈由三條蜂窩孔 道構(gòu)成，位于中間的蜂窩孔道出口端封堵，兩側(cè)的蜂窩孔道兩端均封堵，并通過鑿孔技術(shù)使 三條孔道的底端連通，因此氣體從位于中間的蜂窩孔道未被封堵的一端流入，流至底部再 由兩邊的蜂窩孔道反彈至頂部，在從底部反彈至頂部的過程中經(jīng)過各自外側(cè)的可滲透壁面 進(jìn)入催化劑床層。
[0019] 對于單通道動脈的結(jié)構(gòu)，催化劑床層填充形式較為簡單，即一排動脈通道、一排催 化劑填充床層、一排靜脈通道交錯設(shè)置的結(jié)構(gòu)。而三通道動脈的結(jié)構(gòu)，催化劑床層的填充方 式?jīng)Q定了氣體的流向以及傳熱的方式。三通道動脈結(jié)構(gòu)的催化劑填充床層有兩種填充方 式："平行填充"和"垂直填充"。"平行填充"方式是在上述的單通道動脈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對動脈 進(jìn)行改良，將單通道改為三通道，而催化劑填充床層仍設(shè)置于與三通道平面平行的徑向方 向上。"垂直填充"方式的催化劑填充床層設(shè)置于與三通道平面垂直的徑向方向上，兩條氣 體反彈通道各對應(yīng)一個寬度相同的催化劑填充床床層，床層出口的靜脈通道則改為與動脈 通道相反的三通道結(jié)構(gòu)以保證進(jìn)出口氣體流動的阻力分布均勻。如此設(shè)計的結(jié)構(gòu)會在兩個 催化劑填充床層之間留出一條與進(jìn)氣通道等寬的狹縫，其用途會在下文詳述。
[0020] 為實(shí)現(xiàn)三通道型的動脈通道布置中的"平行填充"方式，作為改進(jìn)，所述反應(yīng)器主 體內(nèi)設(shè)有與動脈通道連通且緊鄰所述催化劑填充床層的反彈通道，該反彈通道內(nèi)的氣體流 向與所述動脈通道反向且插設(shè)有導(dǎo)熱桿;所述反彈通道分布在動脈通道的兩側(cè)，并分別與 動脈通道的底部連通。
[0021] 為實(shí)現(xiàn)三通道型的動脈通道布置中的"垂直填充"方式，作為改進(jìn)，所述的反應(yīng)器 主體包括若干個反應(yīng)單元，各反應(yīng)單元均包括所述的動脈通道、靜脈通道和催化劑填充床 層；各反應(yīng)單元內(nèi)還包括與所述動脈通道連通的動脈反彈通道，與所述靜脈通道連通的靜 脈反彈通道，以及設(shè)置在催化劑填充床層內(nèi)的導(dǎo)熱片;所述動脈反彈通道位于動脈通道的 兩側(cè)，靜脈反彈通道位于靜脈通道的兩側(cè)，導(dǎo)熱片位于所述動脈通道和靜脈通道之間，催化 劑填充床層位于兩相對的動脈反彈通道和靜脈反彈通道之間。
[0022] 本發(fā)明中，由于微填充床仿生反應(yīng)器的氣體通道和催化劑床層尺度均為毫米級， 傳熱距離短，因此對于需要換熱的反應(yīng)可以省去預(yù)熱器或換熱器而改為用冷原料氣直接進(jìn) 料與出口的熱氣體進(jìn)行換熱來達(dá)到預(yù)熱原料氣并移走床層中反應(yīng)熱的效果。上述方法可以 保證徑向傳熱，但冷氣體直接進(jìn)料可能會造成氣體通道和催化劑床層軸向出現(xiàn)較大溫差導(dǎo) 致床層軸向負(fù)荷和床層出口組成差別增大。因此為了減小氣體通道內(nèi)的軸向溫差，所述的 三通道動脈在催化劑床層"平行填充"方式下，可在兩邊氣體反彈的通道中插入截面積為蜂 窩孔道截面積40%_50%的金屬導(dǎo)熱桿來強(qiáng)化通道軸向傳熱性能；在催化劑床層"垂直填 充"方式下，可在如前所述的兩催化劑填充床層之間留出的一條狹縫中插入金屬導(dǎo)熱片來 強(qiáng)化床層徑向與軸向的傳熱性能。
[0023] 本發(fā)明有諸多優(yōu)點(diǎn)：第一，采用壁面可滲透的多孔堇青石蜂窩陶瓷作為反應(yīng)器骨 架，堇青石蜂窩陶瓷機(jī)械強(qiáng)度高、滲流阻力小、耐熱蓄熱性能好、成本低、易加工，非常適合 作為微填充床仿生反應(yīng)器的骨架材料;第二，采用毫米級尺度的動靜脈及催化劑床層交錯 排布結(jié)構(gòu)，多級分布式通道可將氣體均勻分配到每塊催化劑床層，反應(yīng)氣體只需流經(jīng)很短 一段距離的催化劑床層，同時由于多級分流，氣體流速也相應(yīng)減緩，因此反應(yīng)停留時間保持 不變，使得反應(yīng)負(fù)荷分布均勻，流動壓降顯著減小;第三，壓降減小使得細(xì)顆粒催化劑得以 應(yīng)用，本發(fā)明選用粒徑范圍在50-100M的催化劑顆粒，催化劑有效系數(shù)接近100%，可以大 幅度減少催化劑的使用量;第四，采用三通道動脈結(jié)構(gòu)，再加上插入金屬導(dǎo)熱元件，強(qiáng)化了 氣