一、研究背景

01、背景說明

近年來，國內(nèi)外能源、交通、電力、電信等領(lǐng)域?qū)δ芗夹g(shù)進行了廣泛的關(guān)注?？稍偕茉吹淖匀婚g歇性導致了各種儲能方法的探索，根據(jù)具體方式，機械儲能、可分為電子儲能和化學儲能。壓縮氣體和液體燃料（如氫、甲烷、氨、甲醇、乙醇）是電池，比飛輪和壓縮空氣存儲系統(tǒng)具有更高的能量密度和存儲容量?；诨瘜W燃料轉(zhuǎn)換的固定發(fā)電機組（例如燃料電池或燃氣輪機用于燃料轉(zhuǎn)換裝置）可以連續(xù)工作，汽車等移動設(shè)備可以在幾分鐘內(nèi)補充燃料。此外，用于車輛/移動應用的燃料處理器和燃料電池的組合消除了對車輛儲氫容器的需求[1].化學儲能方法的最大限制可能是相對較低的往復能量效率和較高的初始資本成本[2].對于甲烷和甲醇燃料，電和電的效率通常在33%-45%之間，最大的能量損失可能源于電解質(zhì)和燃料電池[3-4]。燃料處理器與熱電系統(tǒng)結(jié)合時效率可以達到90%以上。

傳統(tǒng)上進行燃料加工有兩個原因：（i）用于發(fā)電，（ii）將其加工成具有較高幣值的化學品。這兩個工藝都可以受益于微工程反應器技術(shù)（如微通道或單體）。這本質(zhì)上都支持流程增強的概念。如果蒸汽被重新定義，部分重整燃料燃燒以提供吸收熱量所需的熱量[5-6].冷卻適用于一些氧化重整和合成反應。這些反應在空間隔離的微通道中進行熱耦合，提供親密的熱傳遞，從而形成板式換熱器的設(shè)計。與類似規(guī)模的普通固定床或流化床反應器相比，這些反應器可以提高催化劑的生產(chǎn)效率。[1,7-10]。這是因為催化劑的表面體積比現(xiàn)有催化劑高10-100m2/m3。此外，模塊化設(shè)計可以通過簡單的外部并行編號處理器來擴展設(shè)計能力?；蛘?，通過增加通道的長度和數(shù)量來更好地指定內(nèi)部編號。密切的電熱特性具有經(jīng)典性（大多數(shù)情況下是金屬）。反應器壁或附近反應的結(jié)果（如催化劑沉積的壁面分離微通道）[11-13]。因此，放熱反應的熱回收或吸熱反應的供熱可能非常有效，但通過強化熱特性[14]來減少熱損失也是必須的。

02、微通道

微通道反應器發(fā)展狀況

微化工技術(shù)是用于農(nóng)藥、醫(yī)藥等化工中間體的化學合成技術(shù)，是利用過程強化技術(shù)實現(xiàn)綠色合成的新技術(shù)。微通道反應器是近20世紀90年代初出現(xiàn)的新型反應器，是化學工業(yè)、農(nóng)藥、精細化工、在中間體等方面的應用日益廣泛，成為化工過程強化領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，其中微通道燃料處理器包括美國Batelle、PNNL、杜邦、麻省理工學院、佐治亞理工學院、德國勃朗和飛IMM、KIT公司；接受了包括英國紐卡斯爾大學等在內(nèi)的一些公司和機構(gòu)的調(diào)查。這導致了工業(yè)規(guī)模的FT合成反應器（Velocis，Inc）、模塊化合成甲烷和FT反應器單元（INERATEC GmbH）、多千瓦燃料制氫重整器（Fraunhofer IMM）成長起來了。到目前為止，微通道技術(shù)最偉大的產(chǎn)業(yè)手段是開發(fā)出用生物質(zhì)衍生的合成氣生產(chǎn)合成燃料的微通道反應器的美國公司Velocis，可以說是Inc。微通道反應器技術(shù)是模塊化FT合成反應器的核心，每個微通道堆棧（0.6x0.6x0.6m）的標稱容量為36桶/天。這家位于俄克拉荷馬城的工廠由ENVIA能源運營，此后一直在進行財務(wù)重組。

微通道反應器簡介

微通道反應器是一種新型的、微型的、具有連續(xù)流動的管狀反應器。該反應器內(nèi)的微通道由精密加工工藝制成，其特點尺寸一般為10~1000微米。微通道反應器的“微”不是指微反應器的外形和低產(chǎn)量，而是指流體通道在微米或毫米水平。微通道反應器可能包含大量的微通道。這些通道可以使流體以一定的物理狀態(tài)在反應器內(nèi)進行組合流動，達到較高的產(chǎn)率。

微通道反應器根據(jù)加工條件，利用玻璃、硅片、石英、氟聚合物、金屬及陶瓷等原材料進行蝕刻，可采用光刻及機械加工等制作工藝技術(shù)加工，它的流道直徑一般為微米至毫米，比一般的管式反應器小得多，但這個尺寸在分子層面的反應仍然很大，使用微反應器無法改變反應機制和本質(zhì)動態(tài)。可以改變電熱、傳質(zhì)、流動的方式，加強化學工程。

微通道反應器是一種特殊的微觀結(jié)構(gòu)，是微反應器的核心，可以根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計不同類型的微反應器，微反應器的設(shè)計和制造有將兩個反應物混合在一起制造一個產(chǎn)品的管狀結(jié)構(gòu)，也有注射、混合、淬火、結(jié)晶、提取、包裝、還有集成相分離等多種功能的微反應器。微反應器應具有耐腐蝕性、耐高溫（200℃）、耐高壓（100bar）、抗各種化學反應能力強、傳熱傳質(zhì)能力強。關(guān)于連續(xù)化工業(yè)的發(fā)展，不僅需要高質(zhì)量電熱、超高通量、耐高溫、高壓，而且需要連續(xù)關(guān)閉，需要快速可控、放大簡單、機械連接容易拆卸和維修，這是加強“更好”、“更快”、“更經(jīng)濟”、“更安全”化工工藝的重要手段。

微通道反應器的應用

微流道反應器是一種理想的快速化學反應方法，支持抑制傳質(zhì)限制，實現(xiàn)等溫條件下的動力學測量。微流道反應器可應用于以下反應：1。反應本身速度很快，但由于轉(zhuǎn)移過程的限制，反應整體速度較慢。這種反應大部分是液-液多相反應，還有液-液萃取等物理過程。反應本身迅速，但反應強度大，散熱大，產(chǎn)品容易破壞。這些反應主要有硝化、重質(zhì)化以及部分水解和烷基化反應。3.必須嚴格控制反應器內(nèi)的流動狀態(tài)，其中以納米粒子合成為主。微通道反應器的多功能不僅是化學反應器/熱交換器，它們本質(zhì)上是微混合器，可以在一個裝置中合并多個反應步驟[17]，例如，在反應器內(nèi)設(shè)置特定的溫度剖面，可以提高平衡限制過程（如甲烷化和水氣轉(zhuǎn)換過程）的性能。

微通道反應器的獨特之處

與普通化學裝置相比，內(nèi)徑較小，具有較短的流體薄層間距，利用液體微團的介觀粘附和分子擴散，反應材料之間可以發(fā)生快速的微觀混合，較大的比表面積使得流體與管壁之間有足夠的接觸區(qū)域，可以顯著提高傳熱效率，在反應中就地進行有效的傳熱。有，反應器通道內(nèi)微小的持液量使本反應器具有明顯的安全性；這種反應器可應用于快速混合、強放熱和易燃易爆的化工反應過程?？娠@著提高過程安全性，應用于實現(xiàn)連續(xù)化操作的過程。使用微通道反應器進行燃料處理的基本優(yōu)點之一是對產(chǎn)氫燃料的改造（最終發(fā)電）。負荷跟蹤能力取決于電力需求。同樣，考慮到將可再生能源轉(zhuǎn)換為用于儲能應用的燃料，可再生能源的自然間歇性決定了反應堆的吞吐量。在一定程度上，緩沖（例如儲氫）儲存，可以緩解反應器的負荷變化程度，微型工程反應堆內(nèi)的亞秒接觸時間允許他們快速調(diào)整這些工藝要求，相反，傳統(tǒng)的反應堆由于它們的大尺寸和斜坡速度（動態(tài)）的限制，更適合連續(xù)穩(wěn)定的處理。

二、微通道反應器

01、通道反應器改進

根據(jù)上述微通道反應器的特點描述，本文重點總結(jié)了微通道流動布置（逆流和空流）和各自的流量布置限制。本摘要介紹了這些方面的優(yōu)勢和在特定情況下的局限性，以及解決這些問題的方法。

02、流程配置的優(yōu)勢

逆流流動

在低導電壁材的逆流配置中可以獲得較高的溫度。在特定情況下，在增加反應堆吞吐量的情況下，使用高導電材料可以使放熱反應（如水基轉(zhuǎn)移和甲烷化）發(fā)生高轉(zhuǎn)化。對于與燃燒相結(jié)合的重整反應，燃燒區(qū)和重整反應區(qū)之間的空間偏析提供了反應的穩(wěn)定性，但也存在熱刺激損傷催化的危險[54].因此，逆流操作的適用性很可能僅限于均相反應和高耐熱建筑材料。

但有趣的是，水氣田沿著[18,19]或二氧化碳甲烷化[20,21]等微通道下降的溫度梯度可能會引起放熱反應。通常，大多數(shù)反應物在高溫區(qū)切換，但靠近反應器出口的較低溫度會有利于切換（改善平衡）。為了達到，這是一個調(diào)節(jié)階段。Kolios等[22,23]也進行了類似的觀察，利用下游較低的溫度作為水氣轉(zhuǎn)換階段來調(diào)節(jié)甲醇蒸汽重整產(chǎn)物。高活性重整催化劑也可以平衡甲烷化反應和水氣轉(zhuǎn)換反應。

空流流動

由于微通道軸向的局部反應區(qū)域重疊，壁熱導率，在燃燒和重整流速相近的情況下，空餾重整反應器運行表明可以降低設(shè)備的溫度，一般來說，吸熱重整反應的流入起到散熱器的作用，將放熱反應釋放的最大熱量遠離微通道下游的入口，與逆流相比流動，因此非相當好的工作方式。

吸熱和放熱反應領(lǐng)域的重疊，確保了利用全軸尺寸微通道的反應。散熱和散熱比逆流操作更加溫和，橫向熱平衡主要由各自的反應區(qū)域決定。只有在熱交換器反應器中應用固定催化劑床時，才能出現(xiàn)傳熱限制。從涂層板的一層催化劑到另一層（涂層圖）的電熱是微不足道的。

熱點的形成和大的溫度梯度被最小化，允許對反應堆體施加最小的熱應力。更低的設(shè)備溫度允許更穩(wěn)定的催化劑運行和壽命，為微通道反應器開辟更多種類的建材。但是，如果設(shè)備主蒸汽轉(zhuǎn)化反應區(qū)溫度不足，吸熱反應的不良轉(zhuǎn)化可能導致，操作流量要慎重選擇。

03、每個流量配置限制的摘要

逆流流動：逆流運行中蒸汽重整與燃燒相結(jié)合時，反應器溫度過高（熱點）；特別是使用低導電墻材或容易產(chǎn)生不平衡流量（燃燒過高或重整流量過低）。為了達到最佳生產(chǎn)能力，逆流設(shè)計中獲得的高溫可能會使可燃反應物產(chǎn)生均相燃燒（混合燃燒/均相燃燒不再討論）。

但是，重整流程出口氣體溫度較高，導致碳氫化合物重整過程中CO含量較高等產(chǎn)物選擇性不同程度地降低，不利于以低溫PEM燃料電池為目標的制氫，對于高溫SOFCs來說，蒸汽轉(zhuǎn)化的主要產(chǎn)物CO應該不是問題，過高的壁面導熱也不是問題。使用系數(shù)，由于軸向熱再循環(huán)，熱交換器概念的有效性會喪失，如前所述，逆流反應器中經(jīng)常遇到的溫度梯度對水氣化和甲烷化等放熱平衡反應具有明顯的優(yōu)勢。

空流：在與燃燒反應的反應速度相似的情況下，與逆流反應相比，由于空流配置，重整反應的反應速度較低，而吸熱區(qū)容易發(fā)生“熱坍塌”，如反應溫度過低，無法達到明顯的轉(zhuǎn)變。

過度的重整/冷卻流量會導致動態(tài)溫度波沿反應器長度傳播，最終導致熱崩潰。熱力學限制的放熱反應（例如甲烷化反應）當是這種熱源時，通常會發(fā)生這種情況。整個微通道的長度用于反應，入口附近的典型熱點是邊緣。對于燃燒反應（快速發(fā)生），供應量或配置（剩余空氣）、只能通過冷卻流量或設(shè)計壁電導率較高的反應器來控制熱點。

三、總結(jié)和展望

01、研究結(jié)論

該文綜述了微通道反應器的優(yōu)點和特性，已被證明適用于異質(zhì)/均質(zhì)燃燒、化學品合成、燃料重整、甲烷化、變換反應和凈化系統(tǒng)。對于各工藝，一定的熱效應有利，逆流流動（一般均衡有利條件）；可在空流流動（最高溫度操作限制）中配置微通道反應器實現(xiàn)。

02、展望

在倡導“綠色化學”的今天，人們?yōu)榱巳〈鷤鹘y(tǒng)的化工合成，急需尋找對新型環(huán)境友好的新型工藝和工藝。近年來，連續(xù)流動微反應技術(shù)提高了安全性，降低了材料消耗，提高了廢棄物利用率，增強了回收潛力，由于化學選擇性好、反應速度快等自身優(yōu)點，得到了廣泛的認可和應用，但連續(xù)流微反應器由于生產(chǎn)成本高、原料要求嚴格，目前仍只在少數(shù)實驗室及制藥企業(yè)應用，其實際應用尚未充分發(fā)揮，我們對這些儀器相信酒將在未來的歲月里取得前所未有的發(fā)展，并將被越來越多的化學和醫(yī)藥工作者使用。