仿生反應(yīng)器概念與應(yīng)用-上海

仿生反應(yīng)器的概念及其應(yīng)用BionicReactor——Concept&Application

浙江大學(xué)化學(xué)工程系李希

2013.12.23新觀點(diǎn)討論固定床反應(yīng)器的主要缺陷

壓降大——流程長溫差大——傳熱差顆粒大——

快反應(yīng)有效系數(shù)低床內(nèi)負(fù)荷不均勻——固定床難以適合快速反應(yīng)， 強(qiáng)放熱反應(yīng)現(xiàn)有的技術(shù)措施徑向床臥式床整體催化劑異型化催化劑

——典型案例： 輕烴蒸汽轉(zhuǎn)化 甲醇與二甲醚合成 乙苯脫氫 加氫重整與異構(gòu)化 徑向流動(dòng)固定床（甲醇合成）林達(dá)臥式床（1992）——甲醇合成形形色色的異型化催化劑——甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化蜂窩式規(guī)整反應(yīng)器（monolithreactor)

單通道式反應(yīng)器，壓降低、成本低

催化劑涂覆通道表面，負(fù)載量少

——通道式反應(yīng)器不能替代填充型反應(yīng)器

汽車尾氣凈化用規(guī)整反應(yīng)器一種新的思路——仿生構(gòu)型壓降與粒徑的矛盾是現(xiàn)有固定床反應(yīng)器的瓶頸。產(chǎn)生上述瓶頸的原因是固定床的設(shè)計(jì)長期無法突破單一通道進(jìn)料、單一通道出料的構(gòu)型設(shè)計(jì)思維定勢（onewayin,onewayout)，只考慮顆粒結(jié)構(gòu)的局部細(xì)化而不著眼于床層整體構(gòu)型的改變。更深層次的原因是，現(xiàn)有的有關(guān)反應(yīng)器的研究，都是將反應(yīng)器作為催化劑的容器來考慮，計(jì)算其大小、返混、換熱，沒有將其作為一個(gè)功能性的器官來考慮。一種新的思路——仿生構(gòu)型如果將催化劑顆?？紤]為動(dòng)物的細(xì)胞，床層比擬為組織，通道比擬為血管，將反應(yīng)器作為一個(gè)具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織的功能性器官來考慮，就可以得到大自然的許多啟發(fā)。在通道設(shè)計(jì)方面，將一頭進(jìn)、一頭出的模式改為分布式進(jìn)料、分布式出料構(gòu)型，這是一種新的格局。人體或動(dòng)物體內(nèi)部的流體循環(huán)體系是一種最佳的流動(dòng)分配與熱、質(zhì)交換系統(tǒng)，具有最低的壓降，降低壓降的要點(diǎn)是采用了分布式動(dòng)脈輸送系統(tǒng)與分布式靜脈出料系統(tǒng)。固定床仿生構(gòu)型——從動(dòng)物循環(huán)系統(tǒng)得到的啟發(fā)與聯(lián)想Learnfromnature,learnfromGod！芯片式整體催化劑+微換熱器成型方法：壓模燒結(jié)多層芯片式仿生反應(yīng)器多管蜂窩式仿生反應(yīng)器成型方法：整體成型燒結(jié)，3D打印壁面可滲透插管式固定床仿生反應(yīng)器多層徑向流仿生反應(yīng)器加工方法：雙層多孔網(wǎng)板分隔催化劑填充顆粒適用過程——快速放熱/吸熱反應(yīng)

甲烷水蒸氣重整制氫甲醇合成氨的合成乙苯脫氫制苯乙烯甲苯歧化與異構(gòu)化汽油催化重整

CO水汽變換低濃有機(jī)尾氣蓄熱燃燒

MTP與MTA

合成氣制乙二醇案例1——甲醇制丙烯（MTP）3CH3OH→C3H6+3H2O催化劑：ZSM-5涉及的反應(yīng)——甲基化催化裂化加氫/脫氫

MTP動(dòng)力學(xué)

甲基化：

171.31116.12338.7222.673260.5592.3264213.9255.256疊合裂化：52866.745.3376221.2214.091775.7014.5054833.426119.46930.8263.03氫轉(zhuǎn)移：1029.251167.18110.833338.921254.2070.101130.534091.73140.721479.96150.884057.30161.35520.1672速率常數(shù)活化能kJ/mol動(dòng)力學(xué)表達(dá)式反應(yīng)速率沿粒徑分布——反應(yīng)區(qū)在顆粒外表皮層顆粒有效系數(shù)與粒徑關(guān)系——內(nèi)擴(kuò)散控制結(jié)論——MTP屬于快速放熱反應(yīng)單顆粒模擬單段床層計(jì)算丙烯選擇性沿固定床厚度的變化丙烯選擇性隨床高有一最大值，由C5生成與裂解引起。床層過厚選擇性下降，烷烴副反應(yīng)增加。結(jié)論——MTP過程強(qiáng)化方向催化劑小顆粒反應(yīng)器薄床層

（短接觸時(shí)間）固定床MTP反應(yīng)器的新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的Lurgi固定床采用多段扁平式催化劑床構(gòu)型，顆粒大(當(dāng)量直徑2.8mm);床層厚；氣體均布難；空間利用率低。MTP適合采用多層多段仿生反應(yīng)器構(gòu)型單段反應(yīng)器計(jì)算比較普通固定床反應(yīng)器仿生反應(yīng)器占地面積(m2)10.253床層厚度(m)0.2531進(jìn)口溫度743K進(jìn)口壓力1.3atm經(jīng)過催化劑床氣速(m/s)0.8790.737處理量(m3/s)0.8791.553催化劑當(dāng)量直徑(mm)2.81.4催化劑層厚度(m)0.2530.12壓降(Pa)1204.51121.5丙烯選擇性0.71730.7710催化劑有效系數(shù)（丙烯為基準(zhǔn)）0.2740.484案例2——低濃度瓦斯氣催化燃燒甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的25倍，煤礦瓦斯氣濃度低（1%以下），量大，分離難，宜燃燒后再排放。低濃度甲烷燃點(diǎn)高（900℃以上），高溫燃燒預(yù)熱難，NOx生成多。催化燃燒是當(dāng)前的選擇。催化燃燒的難點(diǎn)是氣體的預(yù)熱，要求達(dá)到起燃溫度400℃以上，多采用逆流蓄熱燃燒（ReverseFlowCombustion),以陶瓷/金屬填料或蜂窩陶瓷為蓄熱體。逆流蓄熱催化燃燒器原理示意圖問題——體積大，空間利用率低，難以移動(dòng)；不定常操作，切換頻繁。

仿生反應(yīng)器的一大優(yōu)點(diǎn)：溫度均勻

仿生反應(yīng)器通過動(dòng)/靜脈通道網(wǎng)絡(luò)將反應(yīng)物均勻送達(dá)床層每一個(gè)局部，通過床層的距離短，有利于溫度均勻化。影響固定床傳熱特性的兩個(gè)相互制約因素：冷量隨氣體從進(jìn)口端流入，吹冷固體；而熱量從出口高溫端向進(jìn)口低溫端傳導(dǎo)，加熱氣體。仿生反應(yīng)器通過通道網(wǎng)絡(luò)將固定床分割為大量獨(dú)立單元，床層尺度越小，氣速越低，溫度梯度越大，對(duì)流與傳導(dǎo)兩種因素隨尺度減小而此消彼長，在一定的條件下達(dá)到平衡。催化燃燒采用仿生反應(yīng)器的原理：減小尺度，促進(jìn)溫度均勻，降低氣體起燃溫度。床層分割示例催化劑：堇青石負(fù)載鈀固定床厚度：0.4米甲烷濃度：1%

接觸時(shí)間：0.5秒催化劑床厚度m冷端溫度℃熱端溫度溫差0.43605822220.34085841760.253960566催化劑厚度m0.50.40.30.20.1最低進(jìn)口氣體溫度℃396347277252230仿生催化燃燒器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

多層平板型分布式進(jìn)氣/出氣，堇青石負(fù)載鈀催化劑薄板。低的氣體起燃溫度使得尾氣逆流換熱成為可能，從而改蓄熱式燃燒為換熱式燃燒。反應(yīng)器緊湊，可移動(dòng)，定常穩(wěn)態(tài)操作。新型瓦斯催化燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖小結(jié)所謂仿生反應(yīng)器，就是采用分布式的進(jìn)料與出料通道網(wǎng)絡(luò)來將一個(gè)大尺度的固定床分隔為許多小尺度的