仿生反应器概念与应用-上海

仿生反应器的概念及其应用BionicReactor——Concept&Application

浙江大学化学工程系李希

2013.12.23新观点讨论固定床反应器的主要缺陷

压降大——流程长温差大——传热差颗粒大——

快反应有效系数低床内负荷不均匀——固定床难以适合快速反应， 强放热反应现有的技术措施径向床卧式床整体催化剂异型化催化剂

——典型案例： 轻烃蒸汽转化 甲醇与二甲醚合成 乙苯脱氢 加氢重整与异构化 径向流动固定床（甲醇合成）林达卧式床（1992）——甲醇合成形形色色的异型化催化剂——甲烷蒸汽转化蜂窝式规整反应器（monolithreactor)

单通道式反应器，压降低、成本低

催化剂涂覆通道表面，负载量少

——通道式反应器不能替代填充型反应器

汽车尾气净化用规整反应器一种新的思路——仿生构型压降与粒径的矛盾是现有固定床反应器的瓶颈。产生上述瓶颈的原因是固定床的设计长期无法突破单一通道进料、单一通道出料的构型设计思维定势（onewayin,onewayout)，只考虑颗粒结构的局部细化而不着眼于床层整体构型的改变。更深层次的原因是，现有的有关反应器的研究，都是将反应器作为催化剂的容器来考虑，计算其大小、返混、换热，没有将其作为一个功能性的器官来考虑。一种新的思路——仿生构型如果将催化剂颗粒考虑为动物的细胞，床层比拟为组织，通道比拟为血管，将反应器作为一个具有内部结构组织的功能性器官来考虑，就可以得到大自然的许多启发。在通道设计方面，将一头进、一头出的模式改为分布式进料、分布式出料构型，这是一种新的格局。人体或动物体内部的流体循环体系是一种最佳的流动分配与热、质交换系统，具有最低的压降，降低压降的要点是采用了分布式动脉输送系统与分布式静脉出料系统。固定床仿生构型——从动物循环系统得到的启发与联想Learnfromnature,learnfromGod！芯片式整体催化剂+微换热器成型方法：压模烧结多层芯片式仿生反应器多管蜂窝式仿生反应器成型方法：整体成型烧结，3D打印壁面可渗透插管式固定床仿生反应器多层径向流仿生反应器加工方法：双层多孔网板分隔催化剂填充颗粒适用过程——快速放热/吸热反应

甲烷水蒸气重整制氢甲醇合成氨的合成乙苯脱氢制苯乙烯甲苯歧化与异构化汽油催化重整

CO水汽变换低浓有机尾气蓄热燃烧

MTP与MTA

合成气制乙二醇案例1——甲醇制丙烯（MTP）3CH3OH→C3H6+3H2O催化剂：ZSM-5涉及的反应——甲基化催化裂化加氢/脱氢

MTP动力学

甲基化：

171.31116.12338.7222.673260.5592.3264213.9255.256叠合裂化：52866.745.3376221.2214.091775.7014.5054833.426119.46930.8263.03氢转移：1029.251167.18110.833338.921254.2070.101130.534091.73140.721479.96150.884057.30161.35520.1672速率常数活化能kJ/mol动力学表达式反应速率沿粒径分布——反应区在颗粒外表皮层颗粒有效系数与粒径关系——内扩散控制结论——MTP属于快速放热反应单颗粒模拟单段床层计算丙烯选择性沿固定床厚度的变化丙烯选择性随床高有一最大值，由C5生成与裂解引起。床层过厚选择性下降，烷烃副反应增加。结论——MTP过程强化方向催化剂小颗粒反应器薄床层

（短接触时间）固定床MTP反应器的新设计现有的Lurgi固定床采用多段扁平式催化剂床构型，颗粒大(当量直径2.8mm);床层厚；气体均布难；空间利用率低。MTP适合采用多层多段仿生反应器构型单段反应器计算比较普通固定床反应器仿生反应器占地面积(m2)10.253床层厚度(m)0.2531进口温度743K进口压力1.3atm经过催化剂床气速(m/s)0.8790.737处理量(m3/s)0.8791.553催化剂当量直径(mm)2.81.4催化剂层厚度(m)0.2530.12压降(Pa)1204.51121.5丙烯选择性0.71730.7710催化剂有效系数（丙烯为基准）0.2740.484案例2——低浓度瓦斯气催化燃烧甲烷的温室效应是CO2的25倍，煤矿瓦斯气浓度低（1%以下），量大，分离难，宜燃烧后再排放。低浓度甲烷燃点高（900℃以上），高温燃烧预热难，NOx生成多。催化燃烧是当前的选择。催化燃烧的难点是气体的预热，要求达到起燃温度400℃以上，多采用逆流蓄热燃烧（ReverseFlowCombustion),以陶瓷/金属填料或蜂窝陶瓷为蓄热体。逆流蓄热催化燃烧器原理示意图问题——体积大，空间利用率低，难以移动；不定常操作，切换频繁。

仿生反应器的一大优点：温度均匀

仿生反应器通过动/静脉通道网络将反应物均匀送达床层每一个局部，通过床层的距离短，有利于温度均匀化。影响固定床传热特性的两个相互制约因素：冷量随气体从进口端流入，吹冷固体；而热量从出口高温端向进口低温端传导，加热气体。仿生反应器通过通道网络将固定床分割为大量独立单元，床层尺度越小，气速越低，温度梯度越大，对流与传导两种因素随尺度减小而此消彼长，在一定的条件下达到平衡。催化燃烧采用仿生反应器的原理：减小尺度，促进温度均匀，降低气体起燃温度。床层分割示例催化剂：堇青石负载钯固定床厚度：0.4米甲烷浓度：1%

接触时间：0.5秒催化剂床厚度m冷端温度℃热端温度温差0.43605822220.34085841760.253960566催化剂厚度m0.50.40.30.20.1最低进口气体温度℃396347277252230仿生催化燃烧器设计要点

多层平板型分布式进气/出气，堇青石负载钯催化剂薄板。低的气体起燃温度使得尾气逆流换热成为可能，从而改蓄热式燃烧为换热式燃烧。反应器紧凑，可移动，定常稳态操作。新型瓦斯催化燃烧器结构示意图小结所谓仿生反应器，就是采用分布式的进料与出料通道网络来将一个大尺度的固定床分隔为许多小尺度的