一種通道流速均布的層疊型微通道反應器的製造方法

2023-05-27 03:22:36

一種通道流速均布的層疊型微通道反應器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種通道流速均布的層疊型微通道反應器。包括進口蓋板，第一反應板，第二反應板和出口蓋板，第一反應板和第二反應板上加工有微通道陣列，交替疊置在相對放置的進口蓋板和出口蓋板之間。反應流體通過一個進口流入微通道陣列，從兩個出口流出，提高了反應流體在微通道陣列的流速分布均勻性，從而能有效提高微通道反應器的反應效率。同時，一個進口兩個出口的分流結構可以有效降低流體流過微通道反應器的壓力損失。將多層的第一反應板和第二反應板層疊，可以擴大反應規模，提高反應效率。與現有單進口單出口的微通道反應器相比，本實用新型提高了反應均勻性，具有反應效率高，和流體壓力損失低的特點。
【專利說明】一種通道流速均布的層疊型微通道反應器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種微流體器件，尤其是涉及用於微化學反應的一種通道流速均布的層疊型微通道反應器。
技術背景
[0002]微通道反應器是一種單元反應界面尺度為微米級的微型化學反應系統，與常規宏觀反應器相比，微反應器有以下優勢:(I)較高的比表面積，因此傳熱、傳質得到強化，有利於流體的快速均勻混合以及等溫操作；(2)反應更加安全，傳遞過程的強化使反應器內的反應過程更容易控制；(3)獨特的流動特性，其流體流動通常為層流，具有較強的方向性、對稱性和有序性，有利於對過程進行精確的理論描述和模擬；(4)催化劑的高通量篩選。近年來，隨著微加工技術的不斷發展，微通道反應器得到了越來越廣泛的應用，已成為化學工程學科中一個新的發展方向和研究熱點。
[0003]對一個特定的微通道反應器，有兩個影響其性能的關鍵因素:(I)流體在微通道陣列之間的流速分布的均勻程度，(2)流體流過微通道反應器的壓降損失。
[0004]流體在微通道陣列之間的流速分布的均勻程度直接影響到微通道反應器的傳熱傳質性能，均勻的流速分布有利於提高傳熱傳質性能和反應速率。目前大多數的微通道反應器一般只有一個流體進口、一個流體出口，例如中國發明專利(申請號200580034708.8)公開了一種均勻加熱的微通道加熱器，流體從一個進口流入和一個出口流出，均流腔為三角形形狀。這種微通道反應器結構簡單，製造成本低，但是流體在微通道陣列的流速分布均勻度不高。為提高微通道的流速均布率，許多研究者對微通道反應器的結構進行了優化。潘敏強等撰寫論文《非等寬微通道陣列速度均布的優化設計》(化工學報[J] ,2007(09))研究了非等寬微通道的設計，以提高微通道陣列流速均布率。
[0005]此外，流體經過微通道反應器的壓降損失也是衡量一個微通道反應器效率的重要因素。壓力降過大將直接影響流路系統的消耗功率，降低微通道反應器的效率。中國發明專利(申請號201210032698.6)公開了一種微通道換熱器的分流結構，其使流入的流體分成若干股，最後依次分成需要的流體通道數量。該微通道換熱器有效解決了流體在微通道反應器流動壓力降損失過大的問題，但是該微通道換熱器的分流結構複雜，製造成本較高。
[0006]綜上所述，現有的傳統微通道反應器流速分布均勻度不高，其傳熱傳質效率受到限制，此外流體壓力損失過大，需要較高的流路系統功率。因此，有必要設計一種流速分布均勻度高，流體壓力降較小，傳質傳熱效率較高的微通道反應器。

【發明內容】

[0007]為了克服上述【背景技術】的缺點和不足，本實用新型的目的在於提供一種通道流速均布的層疊型微通道反應器，是一種流體分布均勻，流體壓降損失小的微通道反應器。反應流體通過一個進口流入微通道陣列從兩個出口流出，提高了反應流體在微通道陣列的流速分布均勻性，從而能有效提高微通道反應器的反應效率。[0008]本實用新型採用的技術方案是:
[0009]本實用新型包括進口蓋板,第一反應板,第二反應板及出口蓋板；第一反應板和第二反應板交替疊置在相對放置的進口蓋板和出口蓋板之間。
[0010]所述的進口蓋板上面中間開有第一反應流體進口，進口蓋板下面中間開有第反應~二流體進口 ；
[0011]所述的出口蓋板下面兩側角上分別開有第一反應流體出口和第二反應流體出口，出口蓋板上面兩側角上分別開有第三反應流體出口和第四反應流體出口。
[0012]所述的第一反應板上面中間開有第一反應流體進口，第一反應板下面兩側角上分別開有第一反應流體出口和第二反應流體出口，第一反應板下面中間開有第二反應流體進口，第一反應板上面兩側角上分別開有第三反應流體出口和第四反應流體出口；
[0013]所述的第一反應板的一面開有與側面平行的微通道陣列，微通道陣列上部開有均流分布腔，第一反應流體進口位於均流分布腔內，微通道陣列下部開有集流分布腔，第一反應流體出口和第二反應流體出口位於集流分布腔內，第一反應板的另一面為平面結構。
[0014]所述的第二反應板上面中間開有第一反應流體進口，第二反應板下面兩側角上分別開有第一反應流體出口和第二反應流體出口，第二反應板下面中間開有第二反應流體進口，第二反應板上面兩側角上分別開有第三反應流體出口和第四反應流體出口 ；
[0015]所述的第二反應板的一面開有與側面平行的微通道陣列，微通道陣列上部開有集流分布腔，第三反應流體出口和第四反應流體出口位於集流分布腔內，微通道陣列下部開有均流分布腔，第二反應流體進口位於均流分布腔內，第二反應板的另一面為平面結構。
[0016]所述的第一反應板和第二反應板的微通道陣列面朝向相同。
[0017]本實用新型具有的有益效果:
[0018](I)該微通道反應器採用單進口雙出口結構，縮短了反應流體進口和反應流體出口的距離，提高了流體在微通道陣列流速分布均勻率，從而提高了反應器的傳熱傳質性能，提聞反應效率。
[0019](2)該微通道反應器採用單進口雙出口結構，有利於降低流體經過微通道反應器的壓力損失，降低流路系統的消耗功率。
[0020](3)該微通道反應器將多層的反應板層疊，可以擴大反應規模，提高反應效率。
[0021]本實用新型可應用於各種化學反應、熱交換和微混合場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型的爆炸圖；
[0023]圖2是本實用新型的進口蓋板結構示意圖；
[0024]圖3是本實用新型的第一反應板結構示意圖；
[0025]圖4是本實用新型的第二反應板結構示意圖；
[0026]圖5是本實用新型的出口蓋板結構示意圖；
[0027]圖6是用於甲醇水蒸氣自熱重整制氫的實施例的結構示意圖；
[0028]圖中:1、進口蓋板,2、第一反應板,3、第二反應板,4、出口蓋板。
【具體實施方式】[0029]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的說明，但本實用新型的實施方式不限於此。
[0030]如圖1所示，本實用新型包括進口蓋板I，多塊結構相同的第一反應板2，多塊結構相同的第二反應板3，第一反應板2塊數與第二反應板3塊數相同或不相同，出口蓋板4 ;相對放置的進口蓋板I和出口蓋板4之間，交替疊置有多塊第一反應板2和多塊第二反應板3，第一反應板2和第二反應板3的微通道陣列面朝向相同。
[0031]如圖2所示，所述的進口蓋板I上面中間開有第一反應流體進口 1-1，進口蓋板I下面中間開有第二反應流體出口 1-2 ；
[0032]如圖5所示，所述的出口蓋板4下面兩側角上分別開有第一反應流體出口 4-1和第二反應流體出口 4-2，出口蓋板4上面兩側角上分別開有第三反應流體出口 4-3和第四反應流體出口 4-4。
[0033]如圖3所示，所述的第一反應板2上面中間開有第一反應流體進口 2-8，第一反應板2下面兩側角上分別開有第一反應流體出口 2-1和第二反應流體出口 2-2，第一反應板2下面中間開有第二反應流體進口 2-9，第一反應板2上面兩側角上分別開有第三反應流體出口 2-3和第四反應流體出口 2-4。
[0034]所述的第一反應板2的一面開有與側面平行的微通道陣列2-5，微通道陣列2-5上部開有均流分布腔2-6，第一反應流體進口 2-8位於均流分布腔2-6內，微通道陣列2-5下部開有集流分布腔2-7，第一反應流體出口 2-1和第二反應流體出口 2-2位於集流分布腔
2-7內，第一反應板2的另一面為平面結構。
[0035]如圖4所示，所述的第二反應板3上面中間開有第一反應流體進口 3-8，第二反應板3下面兩側角上分別開有第一反應流體出口 3-1和第二反應流體出口 3-2，第二反應板3下面中間開有第二反應流體進口 3-9，第二反應板3上面兩側角上分別開有第三反應流體出口 3-3和第四反應流體出口 3-4。
[0036]所述的第二反應板3的一面開有與側面平行的微通道陣列3-5，微通道陣列3-5上部開有集流分布腔3-7，第三反應流體出口 3-3和第四反應流體出口 3-4位於集流分布腔
3-7內，微通道陣列3-5下部開有均流分布腔3-6，第二反應流體進口3-9位於均流分布腔
3-6內，第二反應板3的另一面為平面結構。
[0037]實施例1:
[0038]圖6是用於甲醇水蒸氣自熱重整制氫的一個微通道反應器的結構示意圖。該微通道反應器耦合了甲醇水蒸汽重整反應和甲醇催化燃燒反應，甲醇水蒸氣重整反應所需的熱量由甲醇燃燒放出的熱量提供，主要包括進口蓋板1、兩個第一反應板2、一個第二反應板3及出口蓋板4 ;其中:
[0039]進口蓋板I是一矩形的不鏽鋼板，上面中間加工有第一反應流體進口 1-1，進口蓋板I下面中間開有第二反應流體進口 1-2，第一反應流體進口 1-1通入甲醇和水蒸汽，為甲醇水蒸氣重整反應的通道，第二反應流體進口 1-2通入甲醇和空氣，為甲醇催化燃燒反應的通道；
[0040]出口蓋板4是一矩形的不鏽鋼板，在下面兩側角上分別加工有第一反應流體出口
4-1和第二反應流體出口4-2，出口蓋板4上面兩側角上分別開有第三反應流體出口 4-3和第四反應流體出口 4-4，第一反應流體出口 4-1和第二反應流體出口 4-2為甲醇水蒸氣重整反應的產物出口，第三反應流體出口 4-3和第四反應流體出口 4-4為甲醇燃燒反應的產物出口 ；
[0041]第一反應板2是一塊厚為Imm的不鏽鋼薄板,上面中間加工有第一反應流體進口2-8，第一反應板2下面兩側角上分別加工有第一反應流體出口 2-1和第二反應流體出口2-2，第一反應板2下面中間加工有第二反應流體進口 2-9，第一反應板2上面兩側角上分別加工有第三反應流體出口 2-3和第四反應流體出口 2-4 ；
[0042]利用光化學刻蝕的工藝在第一反應板2的一面加工有與側面平行的微通道陣列2-5作為催化劑的載體，微通道的寬度和深度均為0.5mm，其上負載有銅基催化劑Cu/ZnO/Al2O3，微通道陣列2-5上部銑有均流分布腔2-6，第一反應流體進口 2-8位於均流分布腔
2-6內，微通道陣列2-5下部銑有集流分布腔2-6，第一反應流體出口2-1和第二反應流體出口 2-2位於集流分布腔2-6內，第一反應板2的另一面為平面結構。
[0043]第二反應板3是一塊厚為Imm的不鏽鋼薄板,上面中間加工有第一反應流體進口
3-8，第二反應板3下面兩側角上分別加工有第一反應流體出口3-1和第二反應流體出口3-2，第二反應板3下面中間加工有第二反應流體進口 3-9，第二反應板3上面兩側角上分別加工有第三反應流體出口 3-3和第四反應流體出口 3-4 ；
[0044]利用光化學刻蝕的工藝在第二反應板3的一面加工有與側面平行的微通道陣列3-5作為催化劑的載體，微通道的寬度和深度均為0.5mm，其上負載有鉬基催化劑Pt/Y -Al2O3,微通道陣列3-5上部銑有集流分布腔3-7，第三反應流體出口 3-3和第四反應流體出口 3-4位於集流分布腔3-7內，微通道陣列3-5下部銑有均流分布腔3-6，第二反應流體進口 3-9位於均流分布腔3-6內，第二反應板3的另一面為平面結構。
[0045]進口蓋板1、兩個第一反應板2、一個第二反應板3及出口蓋板4通過擴散焊焊接密封。
[0046]本實用新型主要有兩條流路,分別對應流體流入第一反應板2和第二反應板3:
[0047]流路一:向微通道反應器的進口蓋板I的第一反應流體進口 1-1通入流體，經第一反應板2的第一反應流體進口 2-8流入均流分布腔2-6並進入微通道陣列2-5，經集流分布腔2-7收集引導到第一反應流體出口 2-1和第二反應流體出口 2-2，並最終從出口蓋板4的第一反應流體出口 4-1和第二反應流體出口 4-2流出反應器。
[0048]流路二:向微通道反應器的進口蓋板I的第二反應流體進口 1-2通入流體，經第二反應板3的第二反應流體進口 3-9流入均流分布腔3-6進入微通道陣列3-5，經集流分布腔3-7收集引導到第三反應流體出口 3-3和第四反應流體出口 3-4，並最終從出口蓋板4的第三反應流體出口 4-3和第四反應流體出口 4-4流出反應器。
[0049]工作時，先將氮氣通入流路二，去除微通道陣列3-5的空氣，接著，對微通道反應器進行預熱到120°C，將甲醇和空氣按一定比例通入流路二，在微通道陣列3-5進行燃燒反應，生成水、二氧化碳和少量的一氧化碳，並放出大量熱量，使微通道反應器溫度達到250°C時，將N2/H2混合氣體通入流路一，對微通道陣列2-5的銅基催化劑進行還原2小時，將甲醇和水蒸氣通入流路二在微通道陣列2-5進行重整反應，生成氫氣、二氧化碳和少量的一氧化碳、水，重整反應是吸熱反應，通過調節反應物的流量可以達到吸熱和放熱的平衡，實現兩種反應的熱耦合，提高反應效率。本微通道反應器可以應用於重整制氫，提高制氫效率。
[0050]實施例2:[0051]本實施例的微通道反應器結構與實施例1基本一致，區別在於該實施例的微通道反應器是用作換熱器。進入微通道反應器的兩種工質流體分別是冷流體和熱流體，從一個進口進入，兩個出口流出，可以提高微通道陣列流速分布的均勻性，降低溫度梯度，提高換熱器的效率，分流結構還有利於降低壓降。
【權利要求】
1.一種通道流速均布的層疊型微通道反應器，其特徵在於:包括進口蓋板(1)，第一反應板(2),第二反應板(3)及出口蓋板(4);第一反應板和第二反應板交替疊置在相對放置的進口蓋板和出口蓋板之間； 所述的進口蓋板(I)上面中間開有第一反應流體進口(1-1)，進口蓋板(I)下面中間開有第二反應流體進口(1-2)； 所述的出口蓋板(4)下面兩側角上分別開有第一反應流體出口(4-1)和第二反應流體出口(4-2)，出口蓋板(4)上面兩側角上分別開有第三反應流體出口(4-3)和第四反應流體出口(4-4)； 所述的第一反應板(2)上面中間開有第一反應流體進口(2-8)，第一反應板(2)下面兩側角上分別開有第一反應流體出口(2-1)和第二反應流體出口(2-2)，第一反應板(2)下面中間開有第二反應流體進口(2-9)，第一反應板(2)上面兩側角上分別開有第三反應流體出口(2-3)和第四反應流體出口(2-4)； 所述的第一反應板(2)的一面開有與側面平行的微通道陣列(2-5)，微通道陣列(2-5)上部開有均流分布腔(2-6)，第一反應流體進口(2-8)位於均流分布腔(2-6)內，微通道陣列(2-5)下部開有集流分布腔(2-7)，第一反應流體出口(2-1)和第二反應流體出口(2-2)位於集流分布腔(2-7)內，第一反應板(2)的另一面為平面結構； 所述的第二反應板(3)上面中間開有第一反應流體進口(3-8)，第二反應板(3)下面兩側角上分別開有第一反應流體出口(3-1)和第二反應流體出口(3-2)，第二反應板(3)下面中間開有第二反應流體進口(3-9)，第二反應板(3)上面兩側角上分別開有第三反應流體出口(3-3)和第四反應流體出口(3-4)； 所述的第二反應板(3)的一面開有與側面平行的微通道陣列(3-5)，微通道陣列(3-5)上部開有集流分布腔(3-7 )，第三反應流體出口( 3-3 )和第四反應流體出口( 3-4)位於集流分布腔(3-7 )內，微通道陣列(3-5 )下部開有均流分布腔(3-6 )，第二反應流體進口( 3-9 )位於均流分布腔(3-6)內，第二反應板(3)的另一面為平面結構。
2.根據權利要求1所述的一種通道流速均布的層疊型微通道反應器，其特徵在於:所述的第一反應板(2)和第二反應板(3)的微通道陣列面朝向相同。
【文檔編號】B01J19/00GK203540511SQ201320504838
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】梁靈威, 梅德慶, 錢淼, 婁心洋 申請人:浙江大學