仿生反應器的概念及其應用BionicReactor——Concept&Application

浙江大學化學工程系李希

2013.12.23新觀點討論固定床反應器的主要缺陷

壓降大——流程長溫差大——傳熱差顆粒大——

快反應有效系數低床內負荷不均勻——固定床難以適合快速反應， 強放熱反應現有的技術措施徑向床臥式床整體催化劑異型化催化劑

——典型案例： 輕烴蒸汽轉化 甲醇與二甲醚合成 乙苯脫氫 加氫重整與異構化 徑向流動固定床（甲醇合成）林達臥式床（1992）——甲醇合成形形色色的異型化催化劑——甲烷蒸汽轉化蜂窩式規整反應器（monolithreactor)

單通道式反應器，壓降低、成本低

催化劑涂覆通道表面，負載量少

——通道式反應器不能替代填充型反應器

汽車尾氣凈化用規整反應器一種新的思路——仿生構型壓降與粒徑的矛盾是現有固定床反應器的瓶頸。產生上述瓶頸的原因是固定床的設計長期無法突破單一通道進料、單一通道出料的構型設計思維定勢（onewayin,onewayout)，只考慮顆粒結構的局部細化而不著眼于床層整體構型的改變。更深層次的原因是，現有的有關反應器的研究，都是將反應器作為催化劑的容器來考慮，計算其大小、返混、換熱，沒有將其作為一個功能性的器官來考慮。一種新的思路——仿生構型如果將催化劑顆粒考慮為動物的細胞，床層比擬為組織，通道比擬為血管，將反應器作為一個具有內部結構組織的功能性器官來考慮，就可以得到大自然的許多啟發。在通道設計方面，將一頭進、一頭出的模式改為分布式進料、分布式出料構型，這是一種新的格局。人體或動物體內部的流體循環體系是一種最佳的流動分配與熱、質交換系統，具有最低的壓降，降低壓降的要點是采用了分布式動脈輸送系統與分布式靜脈出料系統。固定床仿生構型——從動物循環系統得到的啟發與聯想Learnfromnature,learnfromGod！芯片式整體催化劑+微換熱器成型方法：壓模燒結多層芯片式仿生反應器多管蜂窩式仿生反應器成型方法：整體成型燒結，3D打印壁面可滲透插管式固定床仿生反應器多層徑向流仿生反應器加工方法：雙層多孔網板分隔催化劑填充顆粒適用過程——快速放熱/吸熱反應

甲烷水蒸氣重整制氫甲醇合成氨的合成乙苯脫氫制苯乙烯甲苯歧化與異構化汽油催化重整

CO水汽變換低濃有機尾氣蓄熱燃燒

MTP與MTA

合成氣制乙二醇案例1——甲醇制丙烯（MTP）3CH3OH→C3H6+3H2O催化劑：ZSM-5涉及的反應——甲基化催化裂化加氫/脫氫

MTP動力學

甲基化：

171.31116.12338.7222.673260.5592.3264213.9255.256疊合裂化：52866.745.3376221.2214.091775.7014.5054833.426119.46930.8263.03氫轉移：1029.251167.18110.833338.921254.2070.101130.534091.73140.721479.96150.884057.30161.35520.1672速率常數活化能kJ/mol動力學表達式反應速率沿粒徑分布——反應區在顆粒外表皮層顆粒有效系數與粒徑關系——內擴散控制結論——MTP屬于快速放熱反應單顆粒模擬單段床層計算丙烯選擇性沿固定床厚度的變化丙烯選擇性隨床高有一最大值，由C5生成與裂解引起。床層過厚選擇性下降，烷烴副反應增加。結論——MTP過程強化方向催化劑小顆粒反應器薄床層

（短接觸時間）固定床MTP反應器的新設計現有的Lurgi固定床采用多段扁平式催化劑床構型，顆粒大(當量直徑2.8mm);床層厚；氣體均布難；空間利用率低。MTP適合采用多層多段仿生反應器構型單段反應器計算比較普通固定床反應器仿生反應器占地面積(m2)10.253床層厚度(m)0.2531進口溫度743K進口壓力1.3atm經過催化劑床氣速(m/s)0.8790.737處理量(m3/s)0.8791.553催化劑當量直徑(mm)2.81.4催化劑層厚度(m)0.2530.12壓降(Pa)1204.51121.5丙烯選擇性0.71730.7710催化劑有效系數（丙烯為基準）0.2740.484案例2——低濃度瓦斯氣催化燃燒甲烷的溫室效應是CO2的25倍，煤礦瓦斯氣濃度低（1%以下），量大，分離難，宜燃燒后再排放。低濃度甲烷燃點高（900℃以上），高溫燃燒預熱難，NOx生成多。催化燃燒是當前的選擇。催化燃燒的難點是氣體的預熱，要求達到起燃溫度400℃以上，多采用逆流蓄熱燃燒（ReverseFlowCombustion),以陶瓷/金屬填料或蜂窩陶瓷為蓄熱體。逆流蓄熱催化燃燒器原理示意圖問題——體積大，空間利用率低，難以移動；不定常操作，切換頻繁。

仿生反應器的一大優點：溫度均勻

仿生反應器通過動/靜脈通道網絡將反應物均勻送達床層每一個局部，通過床層的距離短，有利于溫度均勻化。影響固定床傳熱特性的兩個相互制約因素：冷量隨氣體從進口端流入，吹冷固體；而熱量從出口高溫端向進口低溫端傳導，加熱氣體。仿生反應器通過通道網絡將固定床分割為大量獨立單元，床層尺度越小，氣速越低，溫度梯度越大，對流與傳導兩種因素隨尺度減小而此消彼長，在一定的條件下達到平衡。催化燃燒采用仿生反應器的原理：減小尺度，促進溫度均勻，降低氣體起燃溫度。床層分割示例催化劑：堇青石負載鈀固定床厚度：0.4米甲烷濃度：1%

接觸時間：0.5秒催化劑床厚度m冷端溫度℃熱端溫度溫差0.43605822220.34085841760.253960566催化劑厚度m0.50.40.30.20.1最低進口氣體溫度℃396347277252230仿生催化燃燒器設計要點

多層平板型分布式進氣/出氣，堇青石負載鈀催化劑薄板。低的氣體起燃溫度使得尾氣逆流換熱成為可能，從而改蓄熱式燃燒為換熱式燃燒。反應器緊湊，可移動，定常穩態操作。新型瓦斯催化燃燒器結構示意圖小結所謂仿生反應器，就是采用分布式的進料與出料通道網絡來將一個大尺度的固定床分隔為許多小尺度的