本发明专利技术公开了一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，该微通道反应器芯片主要由基底层和多组催化单元构成，所述基底层设置于多组催化单元的底部，其中每组催化单元均包括反应单元层和气体分配层，并且基底层、反应单元层以及气体分配层之间通过通孔相互贯通，所述气体分配层封装键和在反应单元层的上表面，所述气体分配层内设置有将原料气均匀地分为若干等份的流道结构，所述反应单元层内设置有微通道，该微通道内装载有用于实现甲烷气体高效催化氧化的钙钛矿型催化剂。本发明专利技术提高了气固相之间的反应与传质，提高了转化效率、降低了反应温度以及副产物的产生；其具有的结构新颖、尺寸小、催化剂用量少的优点。催化剂用量少的优点。催化剂用量少的优点。
Microchannel reactor chip for improving catalytic oxidation efficiency of methane and its preparation method
【技术实现步骤摘要】
一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片及其制备方法，属于微型化工设备领域。
技术介绍
[0002]甲烷(CH4)是全球第二大温室气体，其对于气候变化影响相较于二氧化碳更加显著，甲烷的全球增温潜势(Global Warning Potential,GWP)在100年的时间框架内是二氧化的碳的28～36倍，在20年的时间框架内，GWP数值则上升为84～87倍，是一种具有快速增温效应的“超级温室气体”。根据最新的世界气象组织(WMO)发布的数据，近年来全球二氧化碳的排放量已经有所下降，但大气甲烷的浓度增长幅度仍高于过去十年的平均年增长速度。大气中的甲烷排放主要来源于自然源与人为源，主要的自然源包括了自然湿地、植被、海洋以及甲烷水合物；主要的人为源涉及到能源活动(煤炭开采、石油与天然气泄漏、燃料燃烧)、农业活动(水稻种植、动物粪便管理、农业废弃物田间焚烧等)、废弃物处理(垃圾填埋、污水处理)、工业生产过程(主要是金属冶炼)等。立足于当前甲烷排放面临的形势与现状，有效且经济地将人为源所造成的甲烷排放转化或加以利用成为目前迫切需要发展的目标。
[0003]目前，通常人为源所产生的甲烷气体浓度并不高，且成分较为复杂，常采用的处理方式包括了火焰燃烧(热氧化)、甲烷增浓再利用、催化燃烧等。其中，催化燃烧是通过借助催化剂，活化甲烷与氧分子，降低甲烷转化为水和二氧化碳的活化能，使得其在600℃下就能快速地转化为二氧化碳与水，该法具有没有甲烷浓度限制、低温、高效以及无污染等特点。而钙钛矿型催化剂作为最有可能取代贵金属的催化剂在近年来得到了广泛的研究，其具有价格低廉、易制备、高温热稳定性好、催化活性相对较高、耐氧化能力较强、在室温下有顺磁性、较高的电子导电性及氧缺陷等优点，被大量利用于石油炼制、汽车尾气净化、催化燃烧、燃料电池等领域，但是几乎大部分钙钛矿型催化剂因其比表面积较小(<10m2/g)而被限制了其在催化领域的应用。
[0004]微反应技术一般是化学反应在横向尺寸小于1mm的微通道连续反应，它同常规反应设备相比在很多方面都有优势，不仅在反应速度、换热效率、转化产率、安全性等方面均具有优势，并且在稳定性、可监测性、按需生产等过程中也具有长处。传统工业上常见的固定床反应器，由催化剂堆积而构成的床层，在实际使用过程中易形成过热点，破坏其反应过程性能，同时床层压降大、催化剂磨损、反应存在死角等问题也限制了其反应的转化效率。而以微结构单元为核心的微通道反应器，具备了传质传热效率高、反应工艺条件可以实现精确控制、可以实现化学反应工艺的大通量筛选、轻松应对复杂化学反应以及其在精细化工生产中的工程放大优势，这些都是传统反应器所不具备的优点。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于提供一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片及其制备方法，其借助微通道反应器芯片所具有的高通道比表面积、反应工艺条件精确可控、组装灵活等优点，将目前常用于催化氧化甲烷气体的钙钛矿型催化剂纳米微粒加载在反应器内部微流道之中，在一定程度上提高了甲烷的催化氧化效率、减少催化剂的用量、降低反应温度、降低副产物的产生，同时得益于芯片模块化的优点，其催化的区域面积也灵活可控。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，该微通道反应器芯片主要由基底层和多组催化单元构成，所述基底层设置于多组催化单元的底部，其中每组催化单元均包括反应单元层和气体分配层，并且基底层、反应单元层以及气体分配层之间通过通孔相互贯通，所述气体分配层封装键和在反应单元层的上表面，所述气体分配层内设置有将原料气均匀地分为若干等份的流道结构，所述反应单元层内设置有微通道，该微通道内装载有用于实现甲烷气体高效催化氧化的钙钛矿型催化剂。
[0008]进一步的，所述微通道反应器芯片的上表面设有一组入口接头，底部设有一组出口接头，且分别采用导管与之相连接，实现原料气的进样与反应气的收集。
[0009]进一步的，所述气体分配层内流道结构采用树枝式的分形通道设计结构将原料气均匀地分为若干等份并通过通孔进入至反应单元层之中，所述反应单元层内的各个微通道采用以环形排列并向中央的收集口汇集的结构，将所有反应完成后的气体在中央收集口汇集并沿着收集口进入下一个气体分配层或通过基底层所相贯通的出口接头排出。
[0010]进一步的，所述气体分配层包括进气入口，分配流道和出气通孔，所述进气入口设置一个且位于中央位置，所述出气通孔设置多个且均匀环绕在四周，进气入口和出气通孔之间通过多组分配流道相连接，分配流道采用对称均分结构，将进入其内的气体均匀的等分为若干份。
[0011]更进一步的，所述分配流道包括N级分配流道，其中N≥2；其中，第一级分配流道的中部进口与进气入口相连通，第一级分配流道的两端出口分别连接第二级分配流道的中部进口，第二级分配流道的两端出口分别连接第三级分配流道的中部进口，以此类推，第N
‑
1级分配流道两端出口分别连接第N级分配流道的中部进口，第N级分配流道的两端出口连接出气通孔。
[0012]进一步的，所述反应单元层包括样气入口、样气分配流道、微流道和收集口，所述样气入口环绕设置在四周并与气体分配层的出气通孔相连通，所述样气分配流道对称设计用于连通样气入口和微流道，其将每个样气入口内的气体一分为二进入微流道，所述微流道内装载有钙钛矿型催化剂，各个微流道的出口汇聚于收集口。
[0013]进一步的，所述微通道宽度范围在10
‑
50000微米之间，微通道高度范围在10
‑
50000微米之间，气体分配层的出气通孔的直径范围在0.5
‑
5毫米之间，位于最顶端气体分配层的原料气入口接头与位于基底层底部的反应器出口接头开口直径范围在0.5
‑
5毫米之间。
[0014]进一步的，所述钙钛矿型催化剂的选择包括但不限定于如下的一种或几种：典型无机钙钛矿ABO3、双钙钛矿构型或缺陷型钙钛矿A2BX6、A2B
1+
B
3+
X6、AB2X7、AB3X
10
等，类钙钛矿A3B2X9(A为碱金属、碱土金属或稀土元素离子，如K、Rb、Sr、Cs、Ba、La、Ho等；B为过渡金属或
部分主族金属元素离子，如Na
+
、Ag
+
、Pb
2+
、Sn
2+
、Ti
2+
、Nb
2+
、Zr
2+
、Bi
3+
、Sb
3+
等；X为F
‑
、I
‑
、Br
‑
、Cl
‑
)，以及有机
‑
无机ABX
m
Y3‑
m本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，该微通道反应器芯片主要由基底层和多组催化单元构成，所述基底层设置于多组催化单元的底部，其中每组催化单元均包括反应单元层和气体分配层，并且基底层、反应单元层以及气体分配层之间通过通孔相互贯通，所述气体分配层封装键和在反应单元层的上表面，所述气体分配层内设置有将原料气均匀地分为若干等份的流道结构，所述反应单元层内设置有微通道，该微通道内装载有用于实现甲烷气体高效催化氧化的钙钛矿型催化剂。2.根据权利要求1所述的一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，所述微通道反应器芯片的上表面设有一组原料气入口接头，底部设有一组反应气出口接头，且分别采用导管与之相连接，实现原料气的进样与反应气的收集。3.根据权利要求1所述的一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，所述气体分配层内流道结构采用树枝式的分形通道设计结构将原料气均匀地分为若干等份并通过通孔进入至反应单元层之中，所述反应单元层内的各个微通道采用以环形排列并向中央的收集口汇集的结构，将所有反应完成后的气体在中央收集口汇集并沿着收集口进入下一个气体分配层或通过基底层所相贯通的出口接头排出。4.根据权利要求1或3所述的一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，所述气体分配层包括进气入口，分配流道和出气通孔，所述进气入口设置一个且位于中央位置，所述出气通孔设置多个且均匀环绕在四周，进气入口和出气通孔之间通过多组分配流道相连接，分配流道采用对称均分结构，将进入其内的气体均匀的等分为若干份。5.根据权利要求4所述的一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，所述分配流道包括N级分配流道，其中N≥2；其中，第一级分配流道的中部进口与进气入口相连通，第一级分配流道的两端出口分别连接第二级分配流道的中部进口，第二级分配流道的两端出口分别连接第三级分配流道的中部进口，以此类推，第N
‑
1级分配流道两端出口分别连接第N级分配流道的中部进口，第N级分配流道的两端出口连接出气通孔。6.根据权利要求1或3所述的一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，所述反应单元层包括样气入口、样气分配流道、微流道和收集口，所述样气入口环绕设置在四周并与气体分配层的出气通孔相连通，所述样气分配流道对称设计用于连通样气入口和微流道，其将每个样气入口内的气体一分为二进入微流道，所述微流道内装载有钙钛矿型催化剂，各个微流道的出口汇聚于收集口。7.根据权利要求1所述的一种提升甲烷催化氧化效率的微通道反应器芯片，其特征在于，所述微通道宽度范围在10<...
【专利技术属性】
技术研发人员：余子夷，袁羚峰，张静，于超，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。