一种反应耦合微通道反应器及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种反应耦合微通道反应器及其应用，该反应器包括第一反应通道、第二反应通道，在第一反应通道内设置费托合成催化剂，在第二反应通道内设置废水处理催化剂，由第一反应通道层和第二反应通道层组成交错的三维通道结构。本发明专利技术将费托合成反应与废水处理反应在同一个微通道反应器中进行了耦合，不仅获得了较好的费托合成性能，同时又高效快速地处理费托合成产生的废水，有效利用了反应热量，显著提高经济性。

A Reaction Coupled Microchannel Reactor and Its Application

The invention discloses a reaction coupled microchannel reactor and its application. The reactor comprises a first reaction channel and a second reaction channel, a Fischer-Tropsch synthesis catalyst is arranged in the first reaction channel, a waste water treatment catalyst is arranged in the second reaction channel, and a staggered three-dimensional channel structure is composed of the first reaction channel layer and the second reaction channel layer. The invention couples Fischer-Tropsch synthesis reaction and wastewater treatment reaction in the same microchannel reactor, not only achieves better Fischer-Tropsch synthesis performance, but also efficiently and rapidly treats wastewater produced by Fischer-Tropsch synthesis, effectively utilizes reaction heat and significantly improves economy.

【技术实现步骤摘要】
一种反应耦合微通道反应器及其应用
本专利技术涉及一种反应器，更具体地说，是一种具有三维通道结构的反应器，适用于需要改善传质、传热限制的反应过程。
技术介绍
微通道反应器是一种单元反应界面在微米级别的反应器结构，与常规反应器相比，具有传热面积大、传质距离短和模块结构等特点，已经成为化学工程的一个新方向和研究热点。通过费托合成反应可以大规模地将煤炭、天然气、生物质等含碳资源转换为洁净燃料和其它高附加值化学品，开辟了一条非石油燃料的技术路线。费托合成反应是一个放热反应，为了保持反应的正常进行需要及时将反应热导出系统外。中国专利CN100529020C公开了一种用于费托合成的微通道反应器，该反应器采用高度或宽度为10mm的处理微通道和热交换通道组成，在含有催化剂的处理微通道中发生费托合成反应，将H2和CO转化为烃类，其中处理微通道和热交换通道形成热交换区，反应产生的热量由在热交换区由热交换通道内的介质吸收，处理微通道中催化剂负载于鳍状结构上。另一方面，由于费托合成的反应特点，在得到烃类的同时会产生大量的合成废水。每生产1吨油品将产生约1.3吨的废水，水中含有大约5％～10％左右的含氧有机化合物，这其中包括C1～C10的醇类、酸类、醛类和酮类等。费托合成废水的pH值低(pH＝3.0)、腐蚀性强、废水处理难度大、属于难降解有机废水的范畴。通常采用的废水处理方法包括生化法、精馏分离法、膜分离法等，不仅投资大、能耗高而且处理效率低。例如中国专利CN105923889A提出了一种费托合成废水的处理方法，采用微电解过程对废水进行pH值调节，然后采用厌氧降解过程对有机物进行降解，该方法有利于减少结垢离子的带入。CN103011373B提出了一种费托废水利用的方法，采用含氨废水中和费托废水的酸性，然后用于制备水煤浆，实现两种废水的回用。CN104150670B提出了一种采用脱醇系统和萃取系统的费托废水处理方法，采用脱醇塔将费托废水中的醇类脱除，然后利用萃取系统萃取脱醇水中的有机酸，提高了费托合成废水有机物的回收利用率。由此可见，现有技术中都需要专门的工序对费托合成废水进行处理。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种反应耦合微通道反应器，将费托合成反应与废水处理反应在同一个微通道反应器中进行耦合，不仅可以获得较好的费托合成性能，同时又高效快速地处理了废水。本专利技术所提供的反应耦合微通道反应器，包括第一反应通道、第二反应通道，n个平行第一反应通道构成单个第一反应通道层，m个平行第二反应通道构成单个第二反应通道层，x个第一反应通道层和y个第二反应通道层组成交错的三维通道结构，其中n为5-10000，m为5-10000，其中x为1-10000，y为2-10000，在第一反应通道内设置费托合成催化剂，在第二反应通道内设置废水处理催化剂。在所述反应耦合微通道反应器内，单位体积内的所有通道面积之和为1000m2/m3-10000m2/m3，优选，单位体积内的所有通道面积之和为1500m2/m3-5000m2/m3。所述的第一反应通道和第二反应通道的最小边长为10-1000微米，优选为100-800微米。在本专利技术中，所述最小边长是指单一通道横截面上的最小的高度或宽度。在本专利技术中，所述第一反应通道与第一反应流体入口分布腔和第一反应流体出口收集腔联通。所述第二反应通道与第二反应流体入口分布腔和第二反应流体出口收集腔联通。在本专利技术中，所述第一反应通道和第二反应通道为直线型通道或非直线型通道。所述直线型通道是指沿着反应介质的流动方向，通道的边线为直线型，该直线型通道便于反应物料的进出和催化剂的填充。所述的非直线型通道是强化传热的非直线型形状设计。本专利技术中，所述的强化传热是指通过改变流体通道的流通截面形状或流通方向而提高了传热效率的情况。非直线型形状是指沿着流体流动方向，流体通道的走向为折线型、波浪型、轴对称曲面型等形状。本专利技术中，不同反应通道内流体可以并流或者逆流方向流动。所述第一反应通道与第二反应通道相邻，以实现两个反应通道间的热量交换。所述相邻的第一反应通道和第二反应通道的中心轴间的垂直距离为10-10000微米，优选为100-8000微米。在本专利技术中，第一反应通道层和第二反应通道层组成交错的三维通道结构，其中一种优选的实施方式为，在投影面上，第一反应通道的中心轴与第二反应通道的中心轴成十字交叉排列。所述的反应耦合微通道反应器由钢、钛、合金、铜或玻璃制成。所述的反应耦合微通道反应器由平面结构堆造；如采用扩散焊接或者钎焊将板式结构封装在一起；或者采用3D制造技术进行浇筑。所述的反应器可以采用公知的任何技术进行加工，例如通过机械加工、激光加工、电化学加工、蚀刻等技术在基材板上的形式通道和孔，再通过扩散焊接、激光焊接、钎焊以及类似方法将基材板片进行组装而得到。在本专利技术其中一种实施方式中，所述第一反应通道内装填费托合成催化剂，所述费托合成催化剂的粒径为第一反应通道最小边长的1/10-1/2。本专利技术中，催化剂的粒径是指催化剂横截面上任意两点间距离的最大值。在本专利技术其中一种实施方式中，所述第一反应通道内涂覆费托合成催化剂，涂覆的费托合成催化剂层厚度为第一反应通道最小边长的1/10-1/2。所述费托合成催化剂为钴基费托合成催化剂、铁基费托合成催化剂、钌基费托合成催化剂中的一种或几种。在本专利技术其中一种实施方式中，所述第二反应通道内装填废水处理催化剂，所述废水处理催化剂的粒径为第二反应通道最小边长的1/10-1/2。在本专利技术其中一种实施方式中，所述第二反应通道内涂覆废水处理催化剂，涂覆的废水处理催化剂层厚度为第二反应通道最小边长的1/10-1/2。优选，所述废水处理催化剂为废水水相重整催化剂，或者为RaneyNi催化剂。进一步优选，所述废水水相重整催化剂含有活性金属组分、助剂和载体，所述活性金属组分选自元素周期表第VIII族Pt、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Os、Co、Fe金属中的一种或几种，以氧化物计，活性金属组分在催化剂中的质量分数为0.05％-20％；所述助剂选自元素周期表第IB、IIB、VB、VIB、VIIB族金属或其氧化物，镧系金属或其金属氧化物、锕系金属或其金属氧化物中一种或多种组合，助剂在催化剂中的质量分数为0.01％-20％；所述载体选自氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铈、氧化锌、活性炭、分子筛中的一种或者多种组合。所述的废水水相重整催化剂可以通过浸渍方法获得，也可以通过共沉淀、喷雾等方法获得。在一个具体实施方式中，通过将活性金属组分的盐类溶液和助剂的盐类溶液分别或者同时浸渍于载体上，再经干燥和焙烧获得废水催化氧化处理催化剂。进一步优选，所述RaneyNi催化剂包括RaneyNi和助剂，所述助剂选自元素周期表第IB、IIB、VB、VIB、VIIB族金属、镧系金属、锕系金属、或上述金属氧化物中的一种或几种，所述助剂在RaneyNi催化剂中的质量分数为0.01％-20％。本专利技术提供一种上述反应器的应用方法，在反应器第一反应通道内通入合成气原料，在费托合成催化剂的作用下，将氢气和一氧化碳转化为烃类，反应条件为：操作压力1.0-5.0MPa，反应温度150-300℃，合成气原料与费托合成催化剂的体积比为1000-60000，H2/CO进料摩尔比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反应耦合微通道反应器，其特征在于，该反应器包括第一反应通道、第二反应通道，n个平行第一反应通道构成单个第一反应通道层，m个平行第二反应通道构成单个第二反应通道层，x个第一反应通道层和y个第二反应通道层组成交错的三维通道结构，其中n为5‑10000，m为5‑10000，其中x为1‑10000，y为2‑10000，在第一反应通道内设置费托合成催化剂，在第二反应通道内设置废水处理催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种反应耦合微通道反应器，其特征在于，该反应器包括第一反应通道、第二反应通道，n个平行第一反应通道构成单个第一反应通道层，m个平行第二反应通道构成单个第二反应通道层，x个第一反应通道层和y个第二反应通道层组成交错的三维通道结构，其中n为5-10000，m为5-10000，其中x为1-10000，y为2-10000，在第一反应通道内设置费托合成催化剂，在第二反应通道内设置废水处理催化剂。2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，在所述反应耦合微通道反应器内，单位体积内的所有通道面积之和为1000m2/m3-10000m2/m3，优选，单位体积内的所有通道面积之和为1500m2/m3-5000m2/m3。3.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的第一反应通道和第二反应通道的最小边长为10-1000微米，优选为100-800微米。4.按照权利要求1或3所述的反应器，其特征在于，所述第一反应通道内装填费托合成催化剂，所述费托合成催化剂的粒径为第一反应通道最小边长的1/10-1/2。5.按照权利要求1或3所述的反应器，其特征在于，所述第一反应通道内涂覆费托合成催化剂，涂覆的费托合成催化剂层厚度为第一反应通道最小边长的1/10-1/2。6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述费托合成催化剂为钴基费托合成催化剂、铁基费托合成催化剂、钌基费托合成催化剂中的一种或几种。7.按照权利要求1或3所述的反应器，其特征在于，所述第二反应通道内装填废水处理催化剂，所述废水处理催化剂的粒径为第二反应通道最小边长的1/10-1/2。8.按照权利要求1或3所述的反应器，其特征在于，所述第二反应通道内涂覆废水处理催化剂，涂覆的废水处理催化剂层厚度为第二反应通道最小边长的1/10-1/2。9.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述废水处理催化剂为废水水相重整催化剂，或者为RaneyNi催化剂。10.按照权利要求9所述的反应器，其特征在于，所述废水水相重整催化剂含有活性金属组分、助剂和载体，所述活性金属组分选自元素周期表第VIII族Pt、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Os、Co、Fe金属中的一种或几种，以氧化物计，活性金属组分在催化剂中的质量分数为0.05％-20％；所述助剂选自元素周期表第IB、IIB、VB、VIB、VIIB族金属或其氧化物，镧系金属或其金属氧化物、...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐润，吴玉，田鹏程，牛传峰，侯朝鹏，夏国富，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11