體通道及催化劑床層的傳熱能力，有效解決了放熱反應(yīng)的換熱問題，同時(shí)又省去了預(yù)熱 器和換熱器，節(jié)省了能源和成本。
[0024]本發(fā)明所提供的微填充床仿生反應(yīng)器具有壓降小、傳熱性能好、催化劑有效系數(shù) 高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于快速的氣_固催化反應(yīng)。
【附圖說明】
[0025]圖1(a)為典型哺乳動(dòng)物的血液循環(huán)系統(tǒng)示意圖。
[0026]圖1(b)為現(xiàn)有固定床仿生反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別為本發(fā)明的單通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器 整體外形圖、上視剖面圖及前視剖面圖。
[0028]圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)分別為本發(fā)明的三通道動(dòng)脈催化劑"平行填充"結(jié)構(gòu)的微 填充床仿生反應(yīng)器整體外形圖、上視剖面圖及前視剖面圖。
[0029]圖4(a)和圖4(b)分別為本發(fā)明的三通道動(dòng)脈催化劑"垂直填充"結(jié)構(gòu)的微填充床 仿生反應(yīng)器整體外形圖及上視剖面圖。
[0030] 圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)分別為本發(fā)明的三通道動(dòng)脈催化劑"垂直填充" 結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器結(jié)構(gòu)單元的上視剖面圖、測(cè)試剖面圖、后視剖面圖及前視剖面 圖。
【具體實(shí)施方式】[0031] 實(shí)施例1:
[0032]合成氨反應(yīng)是典型的快速氣-固催化劑反應(yīng)，傳統(tǒng)工藝采用鐵系催化劑，而使用催 化性能更優(yōu)異的釕基催化劑可以顯著提高合成氨反應(yīng)的產(chǎn)率，并將反應(yīng)壓力從150_200MPa 降低到100-150MPa，對(duì)于降低能耗和穩(wěn)定操作過程有著極大的改善。盡管如此，合成氨反應(yīng) 器還是采用傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器，在lOOMPa的操作壓力下單程壓降高達(dá)2-3atm，又由于高 空速下反應(yīng)氣體大量循環(huán)導(dǎo)致合成氨反應(yīng)過程能耗過高。
[0033]本實(shí)施例將單通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器應(yīng)用于釕基催化劑合成氨反 應(yīng)，來考評(píng)其性能。
[0034]單通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器整體外形圖、上視剖面圖及前視剖面圖如 圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)所示。冷原料氣體從201 口流入單通道動(dòng)脈，經(jīng)過兩側(cè)堇青石壁流 入催化劑填充床層203,再從靜脈通道流出202 口完成反應(yīng)，這一過程即為微填充床仿生反 應(yīng)器的一個(gè)基本單元。
[0035]本實(shí)施例采用的實(shí)驗(yàn)條件與反應(yīng)器基本參數(shù)設(shè)置如下：
[0036] 1)操作條件：小時(shí)空速10000h-、氣體進(jìn)口流速1.3m/s，進(jìn)口壓力lOMPa，進(jìn)口溫度 400。。；
[0037] 2)進(jìn)口組成:74%氫氣、25%氮?dú)狻?%氨；
[0038] 3)床層:堆密度750kg/m3，空隙率35 %，滲透率 1.66 X 10-12m2;
[0039]4)堇青石壁:密度700kg/m3，孔隙率20%，滲透率6.25X10-13m2;
[0040]將所獲得的微填充床仿生反應(yīng)器反應(yīng)結(jié)果及其與傳統(tǒng)固定床的對(duì)比列于表1。
[0042]由表1可見，采用細(xì)顆粒催化劑的微填充床仿生反應(yīng)器與采用大顆粒催化劑的傳 統(tǒng)固定床相比，催化劑有效系數(shù)提高28.2 %，單程氮?dú)廪D(zhuǎn)化率提高60.9 %，氨時(shí)空收率提高 62.4%，單程床層溫差縮小36.1%，而最顯著的改善是單程壓降減小了 98.4%，這使得過程 能耗大幅下降，體現(xiàn)出了仿生反應(yīng)器的明顯優(yōu)勢(shì)。
[0043] 實(shí)施例2:
[0044] 一氧化碳水氣變換反應(yīng)是一個(gè)快速的氣-固催化反應(yīng)，目前工業(yè)上主要采用大顆 粒催化劑和傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器，本實(shí)施例三通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器應(yīng)用于一 氧化碳低溫變換反應(yīng)，來考評(píng)其性能。
[0045]三通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器整體外形圖、上視剖面圖及前視剖面圖如 圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)所示，催化劑填充方式為"平行填充"型。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的氣體 流向?yàn)槔湓蠚鈴?01口流入，流至進(jìn)氣通道底部，經(jīng)兩側(cè)插有金屬導(dǎo)熱桿303的反彈通道 302反彈至頂部，在反彈過程中通過兩側(cè)堇青石壁面流入催化劑床層305，最后由靜脈通道 304流出，反應(yīng)完成。
[0046]本實(shí)施例采用的微填充床仿生反應(yīng)器基本參數(shù)設(shè)置如下：
[0047] 1)操作條件:小時(shí)空速3000h-1，氣體進(jìn)口流速0.4m/s，進(jìn)口壓力2MPa，進(jìn)口溫度230 °C；
[0048] 2)進(jìn)口組成：9.4%CO、7.5%C〇2、30%H2〇、47.4%H2、5.6%N2;
[0049]3)床層:堆密度 1400kg/m3，空隙率35 %，滲透率 1?66 X 10-12m2;
[0050] 4)堇青石壁:密度700kg/m3，孔隙率20%，滲透率6.25X10-13m2;
[0051]將所獲得的微填充床仿生反應(yīng)器反應(yīng)結(jié)果及其與傳統(tǒng)固定床的對(duì)比列于表2。
[0054]由表2可見，采用細(xì)顆粒催化劑的微填充床仿生反應(yīng)器與采用大顆粒催化劑的傳 統(tǒng)固定床相比，在C 0轉(zhuǎn)化率及關(guān)鍵組分出口分率相同的情況下，催化劑有效系數(shù)提高 42.6 %，氫氣時(shí)空收率提高72.1 %，單程壓降減小了 98.3 %，單程床層溫差縮小10.1 %。 [0055] 實(shí)施例3:
[0056]在煤炭開采過程中產(chǎn)生大量煤層氣(又稱瓦斯），其主要成分為甲烷。當(dāng)前，甲烷濃 度大于30%的瓦斯利用技術(shù)基本成熟，而低濃度瓦斯由于濃度太低，在常規(guī)條件下難以燃 燒利用。目前工業(yè)上主要采用裝填大顆粒催化劑的蓄熱式流向變換催化燃燒固定床反應(yīng) 器，催化劑利用率較低且反應(yīng)器操作條件不穩(wěn)定，本實(shí)施例將三通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床 仿生反應(yīng)器應(yīng)用于一氧化碳變換反應(yīng)，來考評(píng)其性能。
[0057]三通道動(dòng)脈結(jié)構(gòu)的微填充床仿生反應(yīng)器整體外形圖、上視剖面圖如圖4(a)和圖4 (b)所示，催化劑填充方式為"垂直填充"型，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上視、側(cè)視、后視、前視剖面圖如圖5 (a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)單元內(nèi)的氣體流向?yàn)槔湓蠚鈴?01 口流 入，流至進(jìn)氣通道底部，經(jīng)兩側(cè)的反彈通道502反彈至頂部，在反彈過程中通過前側(cè)的堇青 石壁面流入中間插有一層金屬導(dǎo)熱片504的催化劑床層503,流出催化劑床層后進(jìn)入靜脈反 彈通道505,最后由靜脈出氣通道506流出，反應(yīng)完成。
[0058]本實(shí)施例采用的反應(yīng)器參數(shù)設(shè)置如下：
[0059] 1)操作條件：小時(shí)空速70000h-1，氣體進(jìn)口流速3 ? 2m/s，進(jìn)口壓力latm，進(jìn)口溫度 450。。；
[0060] 2)進(jìn)口組成：l%CH4、20%〇2、74%N2;
[0061] 3)床層:堆密度700kg/m3，空隙率35 %，滲透率 1?66 X 10-12m2;
[0062] 4)堇青石壁:密度700kg/m3，孔隙率20 %，滲透率6.25 X 10-13m2;
[0063]將所獲得的微填充床仿生反應(yīng)器反應(yīng)結(jié)果及其與蓄熱式流向變換固定床的對(duì)比 列于表3。
[0065]由表3可見，采用細(xì)顆粒催化劑的微填充床仿生反應(yīng)器與采用大顆粒催化劑的傳 統(tǒng)固定床相比，甲烷轉(zhuǎn)化率提高25 %，催化劑有效系數(shù)提高36.8%，壓降減小了64.8%，床 層峰值溫度降低97%，床層溫差縮小27.2%。
[0066]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一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(dòng)脈通 道、出氣的靜脈通道及動(dòng)靜脈之間的催化劑填充床層，其特征在于，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(dòng)脈通道和靜脈通道間隔交錯(cuò)且分別至少占據(jù)一個(gè)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。2. 如權(quán)利要求1所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，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(dòng)脈通道、靜脈通道和催化 劑填充床層。3. 如權(quán)利要求1或2所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述孔道包括交錯(cuò)排布 的粗孔道和細(xì)孔道，細(xì)孔道由所述的動(dòng)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)。4. 如權(quán)利要求3所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述細(xì)孔道的孔徑范圍1~ 4mm，所述粗孔道的孔徑范圍3~1 Omm。5. 如權(quán)利要求1所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)器主體為多孔堇 青石蜂窩陶瓷。6. 如權(quán)利要求5所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述多孔堇青石蜂窩陶瓷的 可滲透壁面的孔徑為10~15μπι，壁厚為0.4~0.6111111，滲透率為5\1〇4 3~1\1〇421112。7. 如權(quán)利要求1所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)有與動(dòng) 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(dòng)脈 通道反向且插設(shè)有導(dǎo)熱桿。8. 如權(quán)利要求7所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述反彈通道分布在動(dòng)脈通 道的兩側(cè)，并分別與動(dòng)脈通道的底部連通。9. 如權(quán)利要求1所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)器主體包括若干 個(gè)反應(yīng)單元，各反應(yīng)單元均包括所述的動(dòng)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(dòng)脈通道連通的動(dòng)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。10. 如權(quán)利要求9所述的微填充床仿生反應(yīng)器，其特征在于，所述動(dòng)脈反彈通道位于動(dòng) 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(dòng)脈通道和靜脈通道 之間，催化劑填充床層位于兩相對(duì)的動(dòng)脈反彈通道和靜脈反彈通道之間。
【專利摘要】本發(fā)明公開一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(dòng)脈通道、出氣的靜脈通道及動(dòng)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(dòng)脈通道和靜脈通道間隔交錯(cuò)且分別至少占據(jù)一個(gè)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。本發(fā)明所提供的微填充床仿生反應(yīng)器具有壓降小、傳熱性能好、催化劑有效系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于快速的氣?固催化反應(yīng)。
【IPC分類】B01J8/02
【公開號(hào)】CN105727843
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610077135
【發(fā)明人】李希, 劉未了, 曹偉波, 王麗軍, 成有為
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年7月6日
【申請(qǐng)日】2016年2月3日