一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用，铁基微反应器以铁基合金粉末为材料进行3D打印成形，铁基微反应器包括设有下端进气口和上端出气口的催化主体，催化主体包含外壳和设置在外壳内部的隔热层、催化床层以及预热通道，隔热层位于催化床层和外壳之间，催化床层上、下两端分别设有便于气体流通的上端空隙和下端空隙；预热通道围绕在催化床层的外侧，预热通道的进口与下端进气口相连接，预热通道出口从催化床层的下端空隙处通入催化床层内部。铁基微反应器用于热化学合成氨的反应。本发明专利技术设计合理，采用逐层打印的选择性激光熔化技术手段制备具有氨合成催化特性的铁基微反应器，有效地提高了合成氨催化的可能性和稳定性。可能性和稳定性。可能性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用
[0001]
：本专利技术属于催化
，尤其涉及一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用。
[0002]
技术介绍
：氨是地球上的生命赖以生存的物质，对人类的生产生活至关重要。合成氨是化学工业的支柱产业，具有产量大、能耗高的特点。此外，氨可用作制冷剂及其他化工产品，对国民经济和国防安全具有重大意义。目前合成氨的主要工艺是哈伯
‑
博世（Haber
‑
Bosch）工艺，在20世纪初，Fritz Haber和Carl Bosch利用高效催化剂，在高温和高压条件下用元素氮和氢成功地合成了氨，被认为是人类历史上最重要的发现之一，可为全球70%以上的人口解决粮食问题，但是该工艺通过使用矿物燃料作为原料（天然气，石油和煤炭），消耗全球2%左右的能源，并产生全球近3%的二氧化碳排放量，目前是全球最大的能源消耗者和温室气体排放者之一。但随着人口的迅速增加，能耗量及二氧化碳排放量将随之急剧增加，故此促使研究人员寻求替代优化方案。
[0003]
技术实现思路
：本专利技术针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于合成氨的铁基微反应器，设计合理，能够提升催化剂与反应器的热扩散效率，具有良好合成氨性能。
[0004]还提供一种用于合成氨的铁基微反应器的制备方法。
[0005]还提供一种用于合成氨的铁基微反应器的应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种用于合成氨的铁基微反应器，所述铁基微反应器以铁基合金粉末为材料进行3D打印成形，铁基微反应器包括设有下端进气口和上端出气口的催化主体，所述催化主体包含外壳和设置在外壳内部的隔热层、催化床层以及预热通道，所述隔热层位于催化床层和外壳之间，所述催化床层的上、下两端分别设有便于气体流通的上端空隙和下端空隙；所述预热通道围绕在催化床层的外侧，预热通道的进口与下端进气口相连接，预热通道的出口从催化床层的下端空隙处通入催化床层的内部。
[0007]进一步的，所述预热通道设有四组，每组预热通道均呈上凸形抛物线状。
[0008]进一步的，所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层包括多块竖直平行排列的直板，相邻两块直板之间具有空隙。
[0009]进一步的，所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层包括多块由中心向外辐射状排列的直板，相邻两块直板之间具有空隙。
[0010]进一步的，所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层呈蜂窝状结构，催化床层的孔洞呈正方形。
[0011]本专利技术采用的另外一种技术方案是：一种用于合成氨的铁基微反应器的制备方法，包含如下步骤：步骤S1：利用计算机辅助软件设计铁基微反应器的三维模型，将三维模型数据通
过计算机进行数字化处理；步骤S2：以铁基合金粉末为打印材料，利用选择性激光熔化3D打印机打印成形得到铁基微反应器；步骤S3：将步骤S2打印得到的铁基微反应器进行切割、打磨和抛光，获得具有光滑平整外壁的铁基微反应器。
[0012]进一步的，在步骤S3中对制得的铁基微反应器进行高温焙烧，焙烧处理的温度为600～1000℃，焙烧时间为30～48h。
[0013]本专利技术采用的另外一种技术方案是：一种用于合成氨的铁基微反应器的应用，所述铁基微反应器用于热化学合成氨的反应。
[0014]进一步的，将铁基微反应器固定于氨合成装置加热炉内，通入体积比为1:3的氮气和氢气混合气，调节加热炉内压力为1～5 MPa，温度为400～500℃，进行热催化合成氨。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下效果：（1）利用3D打印制得用于氨合成反应的铁基微反应器，3D打印制得的反应器能够提升催化剂与反应器的热扩散效率，并显示良好合成氨性能；（2）铁基微反应器能实现内部催化结构自由化，铁基微反应器内部具有预热通道和催化床层，催化床层的比表面积较大，气体经过预热通道进入催化床层，有效地提高合成氨催化，且具有很好的稳定性；预热通道设有四组，每组预热通道均呈抛物线形设置，能够很好地调节材料的传质传热性能和内部气流的扰动性，并通过催化床层的结构差异性增大空隙率、降低流速从而减少压降，同时极大地扩展了整体式结构的材料涵盖范围；（3）铁基微反应器的制备采用铁基合金粉末，与传统工业合成氨铁基催化剂对比，制备成本廉价，可重复利用，制备过程简单方便，能耗低，符合实际生产需要，有较大的应用潜力与前景；（4）以通过改变催化床层的结构进而改变比表面积，并可通过焙烧条件增强活性位点进而提高合成氨的催化性能，突破传统合成氨催化剂的局限性，制备更高效、更廉价、更实用的合成氨反应器。
[0016]附图说明：图1是本专利技术实施例一中铁基微反应器的构造示意图；图2是本专利技术实施例一中催化床层的俯视构造示意图；图3是本专利技术实施例二中催化床层的俯视构造示意图；图4是本专利技术实施例三中催化床层的俯视构造示意图；图5是原料粉末焙烧后的X射线粉末衍射图；图6是本专利技术实施例三焙烧后的X射线粉末衍射图；图7是原料粉末焙烧前后的扫描电镜图；图8是本专利技术实施例一、二、三经800℃焙烧在400℃合成氨的催化性能对比图；图9是本专利技术实施例一、二、三未经焙烧在500℃合成氨的催化性能对比图；图10为原料粉末在不同焙烧温度下的合成氨对比图。
[0017]图中：11
‑
下端进气口；12
‑
上端出气口；13
‑
外壳；14
‑
催化床层；15
‑
预热通道；16
‑
上端空隙；17
‑
下端空隙；18
‑
直板。
[0018]具体实施方式:下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的说明。
[0019]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语
“ꢀ
纵向”、
“ꢀ
横向”、
“ꢀ
上”、
“ꢀ
下”、
“ꢀ
前”、
“ꢀ
后”、
“ꢀ
左”、
“ꢀ
右”、
“ꢀ
竖直”、
“ꢀ
水平”、
“ꢀ
顶”、
“ꢀ
底”、
“ꢀ
内”、
“ꢀ
外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0020]实施例一：如图1～2所示，本专利技术一种用于合成氨的铁基微反应器，所述铁基微反应器以铁基合金粉末为原料，通过选择性激光熔化方式进行3D打印成形，铁基微反应器包括设有下端进气口11和上端出气口12的催化主体12，所述催化主体12包含圆筒状的外壳13和设置在外壳13内部的隔热层、催化床层14以及预热通道15，所述隔热层位于催化床层14和外壳13之间，所述催化床层14的上、下两端分别设有便于气体流通的上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于合成氨的铁基微反应器，其特征在于：所述铁基微反应器以铁基合金粉末为材料进行3D打印成形，铁基微反应器包括设有下端进气口和上端出气口的催化主体，所述催化主体包含外壳和设置在外壳内部的隔热层、催化床层以及预热通道，所述隔热层位于催化床层和外壳之间，所述催化床层的上、下两端分别设有便于气体流通的上端空隙和下端空隙；所述预热通道围绕在催化床层的外侧，预热通道的进口与下端进气口相连接，预热通道的出口从催化床层的下端空隙处通入催化床层的内部。2.根据权利要求1所述的一种用于合成氨的铁基微反应器，其特征在于：所述预热通道设有四组，每组预热通道均呈上凸形抛物线状。3.根据权利要求1所述的一种用于合成氨的铁基微反应器，其特征在于：所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层包括多块竖直平行排列的直板，相邻两块直板之间具有空隙。4.根据权利要求1所述的一种用于合成氨的铁基微反应器，其特征在于：所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层包括多块由中心向外辐射状排列的直板，相邻两块直板之间具有空隙。5.根据权利要求1所述的一种用于合成氨的铁基微反应器，其特征在于：所述催化床层的截面呈圆形状，...

【专利技术属性】
技术研发人员：江莉龙，彭小波，乐会，王秀云，梁诗景，赵静，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：