本发明专利技术公开一种微填充床仿生反应器，包括反应器主体，所述反应器主体内设有进气的动脉通道、出气的静脉通道及动静脉之间的催化剂填充床层，所述反应器主体为具有可渗透壁面的多孔结构，所述的动脉通道和静脉通道间隔交错且分别至少占据一个单端封闭的孔道，所述催化剂填充床层内的孔道两端封闭并在封闭的孔内填充催化剂颗粒。本发明专利技术所提供的微填充床仿生反应器具有压降小、传热性能好、催化剂有效系数高等优点，非常适合应用于快速的气‑固催化反应。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于固定床反应器设计领域，具体是涉及一种微填充床仿生反应器。
技术介绍
固定床反应器是一种气固或液固催化反应器，采用将催化剂颗粒填充或整体成型 在一个容器内，反应物流体从反应器一端流入，与床内的催化剂颗粒进行气固接触，产物流 体从反应器另一端流出。固定床是一类用途很广的反应器，特别在石油化工、煤化工、生物 化工、环境化工等领域有十分广泛的应用。长期以来，化工过程中常用的固定床反应器都是采用一头进料、一头出料的单一 通道模式。这种固定床的弊端是流程长，压降大，负荷不均匀。特别对于快速气固催化反应， 要求流体流速大、催化剂颗粒小，此时床层的流动阻力就成为一个突出的问题。为了克服上述固定床反应器存在的技术问题，工业上常采用径向进料和径向出料 的反应器构型，即径向床与卧式床，有关径向床与卧式床的设计与应用可参见化工手册(例 如，文献Perry R H,Green D ff.Perry's chemical engineering handbook-Chemical reactor ? Seventh edition ,Chapter 23 ? 2001,McGraw-Hill ?)的介绍。但这两类装置在降 低阻力方面的效果仍然十分有限，难以满足快速反应的要求。为了从根本上解决传统固定床的技术问题，提出了一种仿生反应器的设计理念， 即模拟动物体内血液循环系统，因为该系统是一种最佳的流动分配与热、质交换系统。图1 (a)为典型哺乳动物的血液循环系统，血液由左（右）心室流出，经主动脉及其各级分支，到 达全身各部的毛细血管，再经小静脉、大静脉最后汇合流回右(左)心房。从化学工程角度分 析，该循环系统可看作是一种广义概念的反应器，动脉101和静脉102作为反应器的进料和 出料系统，毛细管103和组织细胞则为物质传递和发生化学反应的场所。按照上述设计思路 所得到的反应器概念模型如图1(b)所示，物料从主进料动脉通道104流入，经过支动脉105 分散到动脉毛细管106,通过可渗透的毛细管壁进入催化剂层107,完成反应后通过可渗透 壁进入静脉毛细管108,再经过支静脉109汇集到主静脉110流出反应器。 例如：申请号为CN201210470139.3的专利申请公开了一种带有分布式进料和出料 网络通道的固定床仿生反应器。该专利技术提供了一种动静脉通道及催化剂床层的排布结构， 用该结构采取分布式的进出料网络可以有效地降低压降，但该专利技术并未提供催化剂装填和 流动通道的具体设计与加工方法。另外，方宇等设计了一种具有进料、出料仿生微通道网络分布的整体式催化剂芯 片(方宇，王丽军，吴玮，李希:整体式催化剂芯片的仿生设计与优化，化工学报，2012,第63 卷第8期，2418-2424)。该整体式催化剂芯片通过将负载型催化剂整体压制成薄片并在薄片 上雕刻出动静脉通道的方法来实现分布式的进出料，然后采取催化剂芯片与换热芯片交错 放置的装配方法，这样在保证了流动分布均匀、压降低的前提下解决了床层中的换热问题。 然而催化剂芯片的制备工艺复杂且成本较高，机械强度也难以得到保证，大规模工业应用 还存在困难。
技术实现思路
本专利技术提供了一种微填充床仿生反应器，采用壁面可渗透的多孔蜂窝陶瓷作为装 填催化剂微细颗粒的基本骨架，将大部分蜂窝孔道用于填充催化剂颗粒，少部分蜂窝孔道 用作进料动脉和出料静脉通道，通过蜂窝孔道两端封堵和单边封堵的方式实现仿生结构； 反应流体首先通过动脉通道从轴向进入反应器，再横向穿过多孔陶瓷的可渗透壁面进入催 化剂微型填充床，反应后的流体再次穿过多孔陶瓷骨架的可渗透壁面进入静脉通道，最后 流出反应器;通过计算机模拟和必要的基础实验，优化微填充床和流动通道的结构设计，使 其达到所需要的流动、传热与反应要求。本专利技术的微填充床仿生反应器，通过交错设置的动静脉通道、壁面可渗透的多孔 堇青石陶瓷骨架、三通道式的动脉结构以及插入金属导热元件，使得床层压降减小、催化剂 负荷和床层温度分布更均匀，适合于快速气固催化反应;具体技术方案如下： -种微填充床仿生反应器，包括反应器主体，所述反应器主体内设有进气的动脉 通道、出气的静脉通道及动静脉之间的催化剂填充床层;所述反应器主体为具有可渗透壁 面的多孔结构，所述的动脉通道和静脉通道间隔交错且分别至少占据一个单端封闭的孔 道，所述催化剂填充床层内的孔道两端封闭并在封闭的孔内填充催化剂颗粒。 作为改进，所有孔道具有一致的延伸向且两端开口，各孔道的相应端部通过密封 层封堵以形成所述的动脉通道、静脉通道和催化剂填充床层。 本专利技术的反应器主体在成型后，内部贯通的孔道延伸向一致，根据孔道所处位置 的用途，分别对各孔道的相应端部进行封堵，以加工形成反应器的动脉通道、静脉通道和催 化剂填充床层。作为改进，所述孔道包括交错排布的粗孔道和细孔道，细孔道由所述的动脉通道 和静脉通道占据，粗孔道位于所述的催化剂填充床层内。通过设置粗细不同的孔道将反应 器内的空间合理分配为传质和反应两类区域，在保证催化剂装填量的前提下，将流体通道 尽量分割以减少传质阻力和传热距离。 作为改进，所述细孔道的孔径范围1~4mm，所述粗孔道的孔径范围3~10mm。作为改进，所述的反应器主体可以采用多孔堇青石蜂窝陶瓷、多孔蜂窝碳化硅、多 孔金属等骨架具有一定机械强度且壁面可渗透的材料。本专利技术中，反应器主体的骨架由一种壁面可渗透的多孔堇青石蜂窝陶瓷构成。堇 青石蜂窝陶瓷由堇青石粉料、胶黏剂、造孔剂和水混合而成的泥料通过带有特制模具的液 压挤出机压出成型再经过烘干、焙烧制成。堇青石蜂窝陶瓷具有上下贯通的蜂窝孔道，通过 堵孔技术可将蜂窝孔道的端口封堵，一端封堵即为动脉或静脉通道，两端均封堵即为催化 剂填充床层。堇青石蜂窝陶瓷具有非均匀的蜂窝孔道尺寸，细的蜂窝孔道作为动静脉流体 通道，孔径范围1~4mm，粗的蜂窝孔道作为催化剂填充床层，孔径范围3~10mm，粗细孔道交 错排布。作为改进，所述多孔堇青石蜂窝陶瓷的可渗透壁面的孔径为10~15wii，壁厚为0.4 ~0.6_1，渗透率为5\1(^ 13~1\1(^121112，所述的催化剂填充床层采用平均孔径为50~10(^ m的催化剂粉末;所述的堇青石蜂窝陶瓷高度为50~500mm。本专利技术中，进气的动脉通道有两种类型：单通道型和三通道型。单通道动脉由一条 蜂窝孔道构成，气体从蜂窝孔道未被封堵的一端流入，由于另一端被封堵，因此气体在从进 口流至底部的过程中会经过两侧的可渗透壁面进入催化剂床层。三通道动脉由三条蜂窝孔 道构成，位于中间的蜂窝孔道出口端封堵，两侧的蜂窝孔道两端均封堵，并通过凿孔技术使 三条孔道的底端连通，因此气体从位于中间的蜂窝孔道未被封堵的一端流入，流至底部再 由两边的蜂窝孔道反弹至顶部，在从底部反弹至顶部的过程中经过各自外侧的可渗透壁面 进入催化剂床层。 对于单通道动脉的结构，催化剂床层填充形式较为简单，即一排动脉通道、一排催 化剂填充床层、一排静脉通道交错设置的结构。而三通道动脉的结构，催化剂床层的填充方 式决定了气体的流向以及传热的方式。三通道动脉结构的催化剂填充床层有两种填充方 式："平行填充"和"垂直填充"。"平行填充"方式是在上述的单通道动脉结构基础上对动脉 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微填充床仿生反应器，包括反应器主体，所述反应器主体内设有进气的动脉通道、出气的静脉通道及动静脉之间的催化剂填充床层，其特征在于，所述反应器主体为具有可渗透壁面的多孔结构，所述的动脉通道和静脉通道间隔交错且分别至少占据一个单端封闭的孔道，所述催化剂填充床层内的孔道两端封闭并在封闭的孔内填充催化剂颗粒。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李希，刘未了，曹伟波，王丽军，成有为，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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