一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，叶表皮金属壳由耐高温耐腐蚀类金属材料制成，外表面可喷涂高吸光材料用于太阳辅助供热功能，起膜反应器的支撑保护及吸热供能作用；所述叶肉低孔隙块具有高密度的催化剂填充，起产物生成作用；分支叶脉高孔隙块具有低密度的催化剂填充，具有较低流动阻力，起产物传输作用；主叶脉分离膜管由如钯合金、沸石等高渗透选择性材料制成，起分离提纯和产物运输作用。本发明专利技术可实现类似叶片中的高效产物生成、传输及提纯的功能，可应用于并强化各种气态的可逆化工生产过程，如二氧化碳还原、甲烷重整制氢、氨分解制氢、费托合成等。费托合成等。费托合成等。

【技术实现步骤摘要】
一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器


[0001]本专利技术属于产物分离膜反应器领域，尤其涉及一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器。

技术介绍

[0002]在传统反应器中，由于受到热力学平衡的约束，可逆反应体系不能完全转化反应物。分离膜是一种能够选择性地透过不同组分的装置，它在纯化，电极制备，产物分离等领域有着广泛的应用。通过利用膜的产物分离功能，在传统反应器中持续地移除目标产物。根据Le Chatelier原理，这样可以打破原来的热力学平衡限制，达到更高的目标产物产率和反应物转化率，同时还具有产物纯化的作用。
[0003]然而，传统膜反应器中，在跨膜驱动力的作用下，某些物质通过膜的选择性转移导致膜/溶液界面出现浓度梯度。这种传统膜反应器中侧普遍存在的分离产物的浓差极化问题阻碍了产物的进一步分离且大幅降低了膜材料性价比，此外还影响了反应的高效进行。因此，有必要通过低成本的改造来强化膜反应器中分离与反应的协同，以实现膜反应器降温增效并充分利用高价值膜材料。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中膜反应器中浓差极化带来的反应及分离性能弱的问题，本专利技术提出一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器。本专利技术提出的膜反应器可以显著提升膜反应器中反应与分离的协同，并可应用于多种气态的可逆化工生产过程。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，包括叶表皮金属壳、主叶脉分离膜管、出入口中孔隙块、和金属多孔隔片、分支叶脉高孔隙块和叶肉低孔隙块共六个主要部分。叶表皮金属壳与主叶脉分离膜管通过焊接来相互固定，以确保二者同轴心的空间位置；叶肉低孔隙块、分支叶脉高孔隙块和出入口中孔隙块同属催化床反应部分，填充于叶表皮金属壳与主叶脉分离膜管之间，并与叶表皮金属壳与主叶脉分离膜管紧密贴合。非固定的金属多孔隔片分布于叶肉低孔隙块、分支叶脉高孔隙块和出入口中孔隙块之间。
[0007]本专利技术受叶片中高效的养分生产及输送能力的启发，依据叶片中叶表皮、主叶脉、分支叶脉及叶肉的分布构建了具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器结构。叶表皮在叶片中起保护支撑及透过接收阳光的作用，叶肉吸收阳光发生光合作用产生大量营养物质，分支叶脉吸收营养物质并向主叶脉传输，主叶脉将收集的营养物质输送至植物体内提供养分。
[0008]在具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器中，叶表皮金属壳起保护支撑及接收阳光的作用，其为圆柱管状，管径为50
‑
100mm，管长为300
‑
2000mm，厚度2
‑
5mm，由包括但不限于铝、铜和不锈钢的耐高温耐腐蚀类金属材料制成，叶表皮金属壳的外表面由真空溅射镀膜工艺喷涂包括但不限于炭黑、黑铬和黑镍的高吸光材料用于吸收太阳能辅助供
热。
[0009]所述主叶脉分离膜管起产物输送的作用，其为圆柱管状，管径为20
‑
60mm且小于叶表皮金属壳管径，管长与叶表皮金属壳等长，由负载于多孔陶瓷或多孔不锈钢基材上的钯膜管或沸石组成，其中基材厚度1
‑
3mm，钯膜厚度为3
‑
10μm。
[0010]由叶表皮金属壳吸收的热量首先传递至由出入口中孔隙块、分支叶脉高孔隙块与叶肉低孔隙块组成的催化床层反应区，以提供反应热并进行不同程度的反应。
[0011]所述出入口中孔隙块为圆环伞状，内径等于主叶脉分离膜管管径，外径等于叶表皮金属壳管径，位于膜反应器的出入口位置；出入口中孔隙块填充催化剂颗粒床层的孔隙率为0.45
‑
0.55，中等的孔隙设计兼顾了反应物均匀稳定的流入流出及热量传递。
[0012]所述分支叶脉高孔隙块为圆环伞状，内径等于主叶脉分离膜管管径，外径等于叶表皮金属壳管径，与叶肉低孔隙块有序排列分布；分支叶脉高孔隙块填充催化剂颗粒床层的孔隙率为0.6
‑
0.8，主要依靠低的流动阻力使反应产物混合物沿分支叶脉高孔隙块流动，实现类似叶片中分支叶脉产物传输的功能。
[0013]所述叶肉低孔隙块为圆环伞状，内径等于主叶脉分离膜管管径，外径等于叶表皮金属壳管径，与分支叶脉高孔隙块有序排列分布；叶肉低孔隙块填充催化剂颗粒床层的孔隙率为0.2
‑
0.4，主要依靠高的催化剂量使反应速率在叶肉低孔隙块处大幅提升，实现类似叶片中叶肉光合作用产物生产的功能。
[0014]所述金属多孔隔片为圆环伞状，厚度1
‑
2mm，内径等于主叶脉分离膜管管径，外径等于叶表皮金属壳管径，位于出入口中孔隙块、分支叶脉高孔隙块与叶肉低孔隙块之间，由不锈钢或铜材料制成，用于固定各孔隙块的形状，并将各孔隙块分隔开；金属多孔隔片的多孔结构允许气流通过并不影响原有气流。
[0015]在催化床层反应区中，出入口中孔隙块、分支叶脉高孔隙块与叶肉低孔隙块的有序排列分布实现了反应生产及产物分离的强化。具体过程如下：
[0016]反应物由出入口中孔隙块均匀流入，在叶肉低孔隙块产生大量产物，形成高浓度产物混合物，经由分支叶脉高孔隙块的传输通道及时送至主叶脉分离膜管分离后，催化床中的高浓度产物变为低浓度产物，进入下一个叶肉低孔隙块继续高效产生大量产物，完成催化床层中高效的反应及分离协同。
[0017]在催化床层反应区中，入口中孔隙块、分支叶脉高孔隙块与叶肉低孔隙块中每个孔隙块的催化剂填充都是均匀的，而它们的孔隙率是有差异的。
[0018]优选的，所述高效膜反应器适用于各种气态的可逆化工生产过程，其催化床中的催化剂材料由相应的反应条件确定，不限于固定某种材料。例如，甲烷重整制氢对应为镍基催化剂NiO/Al2O3，甲醇重整制氢对应为铜基催化剂CuO/ZnO。
[0019]优选的，所述高效膜反应器的供热方式可以为太阳能供热，储热罐供热或电炉加热方式来实现日夜连续的清洁生产。
[0020]优选的，所述高效膜反应器的叶表皮金属壳与主叶脉分离膜管之间的环形区域中，可通过外接增压泵或出口处增加背压阀营造高压反应区，以进一步强化分离效果。
[0021]优选的，所述高效膜反应器的主叶脉分离膜管中可通过外接真空泵营造低压分离区，以进一步强化分离效果。
[0022]本专利技术提出的方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0023]1.该具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，受叶片高效的养分生产及输送能力的启发，保持与叶片各部分组成高度相似的功能特征，实现了高效的产物生产及分离提纯。
[0024]2.该具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，倾斜的分支叶脉高孔隙块引导产物向主叶脉分离膜管传输，以增加膜管侧产物分压，进而提升产物提纯量。
[0025]3.该具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，倾斜的叶肉低孔隙块吸收由分支叶脉高孔隙块及主叶脉分离膜管径向产物运输及分离后的低产物浓度反应混合气，在足够高的催化剂量作用下实现高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，其特征在于包括：叶表皮金属壳(1)、主叶脉分离膜管(2)、出入口中孔隙块(3)、金属多孔隔片(4)、分支叶脉高孔隙块(5)和叶肉低孔隙块(6)，所述叶表皮金属壳(1)位于最外侧，起支撑保护及吸热供能作用；所述主叶脉分离膜管(2)位于最里侧，起分离提纯和产物运输作用；叶表皮金属壳(1)与主叶脉分离膜管(2)通过焊接来相互固定，叶肉低孔隙块(6)、分支叶脉高孔隙块(5)和出入口中孔隙块(3)同属催化床反应部分，填充于叶表皮金属壳(1)与主叶脉分离膜管(2)之间，并与叶表皮金属壳(1)与主叶脉分离膜管(2)紧密贴合，起反应作用，填充方式为入口处填充一块出入口中孔隙块(3)，随后沿着流动方向依次填充分支叶脉高孔隙块(5)和叶肉低孔隙块(6)，然后重复上述填充分支叶脉高孔隙块(5)和叶肉低孔隙块(6)的填充组合，最后在出口处填充一块出入口中孔隙块(3)，非固定的金属多孔隔片(4)分布于叶肉低孔隙块(6)、分支叶脉高孔隙块(5)和出入口中孔隙块(3)之间，起不同孔隙块的固定分块作用。2.根据权利要求1所述的具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，其特征在于：叶表皮金属壳(1)为圆柱管状，管径为50
‑
100mm，管长为300
‑
2000mm，厚度2
‑
5mm，由包括但不限于铝、铜和不锈钢的耐高温耐腐蚀类金属材料制成，叶表皮金属壳(1)的外表面由真空溅射镀膜工艺喷涂包括但不限于炭黑、黑铬和黑镍的高吸光材料用于吸收太阳能辅助供热，起膜反应器的支撑保护及吸热供能作用。3.根据权利要求1所述的具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，其特征在于：所述主叶脉分离膜管(2)为圆柱管状，管径为20
‑
60mm且小于叶表皮金属壳(1)管径，管长与叶表皮金属壳(1)等长，由负载于多孔陶瓷或多孔不锈钢基材上的钯膜管或沸石组成，其中基材厚度1
‑
3mm，钯膜厚度为3
‑
10μm。4.根据权利要求1所述的具有仿生叶片催化床孔隙结构的高效膜反应器，其特征在于：所述主叶脉分离膜管(2)具有产物分离作用，在叶肉低孔隙块(6)、分支叶脉高孔隙块(5)和出入口中孔隙块(3)的催化床反应部分产生的产物气体将通过膜渗透进入主叶脉分离膜管(2)内，由主叶脉分离膜管(2)中的水蒸气吹扫气以带走分离产物，实现类似叶片中主叶脉(2')分离提纯和产...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫卫，唐鑫源，马旭，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：