一种内置扰流结构催化膜式反应器

技术领域

本发明属于多相催化反应技术领域，具体涉及到一种内置扰流结构催化膜式反应器。

背景技术

多相催化反应是化学化工领域最为常见的反应类型，在医药/农药及工程塑料等原料的制备、烯烃等碳氢化合物的合成等领域均有涉及。常见的多相催化反应器类型分为间歇型、半间歇型、连续型三类，这些类型中根据其结构又包括釜式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器、连续流微通道反应器、降膜反应器等多种构型。由于多相催化反应涉及相与相之间的物质传递过程，相间物质传递阻力会对催化反应速率产生极大的影响。目前，克服相间传递阻力的方式包括提高反应温度和压力、连续搅拌、缩短传递路径等方式。对于提高反应器温度和压力、加入连续搅拌等方式，这往往是工业应用中最为常见的方法。尽管这些方法在强化传递、提高转化性能方面切实可行，但这在增加加工制造和能耗成本的同时也会提高潜在的爆炸风险；而对于缩短传递路径这一方式，这是新兴的微反应器技术所采用的方式，基于其极大的比表面积，可显著提升其物质传递性能。尽管如此，需要指出的是，这些方式中相间传递阻力仍然存在，且仍会对转化性能带来影响。

为了克服这一问题，研究者们从去除两相相间传递过程的角度出发，提出了催化膜式微反应器。其主要是通过一层透气隔液的催化膜层将气相反应物和液相反应物隔开，从而去除相间物质传递。已有研究也已证明(Liu M,Zhu X,et al.Chemical EngineeringJournal,2016,301:35-41)，相比于上述反应器构型，催化膜式反应器可去除相间传输阻力、避免两相反应物后期的分离再利用等问题，显著提高反应物的催化转化效率和选择性。目前，催化膜式反应器的构型有很多，例如：平板式催化膜反应器—即将两个腔室堆叠在一起，中间用催化膜隔开。其中一个腔室作为气相反应物的流道，另外一个为液相反应物的流道，催化膜层中负载有催化剂的那一层至于液相流道侧；套管式催化膜反应器—即将催化膜层制备于透气管的外侧，并置于另一根管径更大的管道内。气相反应物走透气管的内侧，液相反应物走透气管外侧。催化反应在催化膜层表面进行。使用上述催化膜反应器构型虽然可以规避相间传递阻力的影响，但是，反应过程中物质组分是一直消耗的。通常，膜反应器液相侧腔室内形成的是充分发展的流动模式。而液相反应物的消耗会使催化层边界处的液相反应物浓度急剧降低，进而导致从主相区向催化膜层的物质传递过程会对催化反应的后续进行产生关键影响(Feng H,Zhu X,et al.International Journal of Heat andMass Transfer,2019,135:897-906)。这一方面会导致催化转化效率的降低，也会增加后期反应物、产物的分离成本。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

本发明的目的是提供一种内置扰流结构催化膜式反应器，本发明采用内置扰流管，一方面，来破坏液相反应物流经液体流道时由于反应导致的浓度边界层，从而强化反应物的传递过程，促进反应的后续进行。另一方面，液体流经扰流管后形成的涡街同样有助于强化反应产物的脱附和传递，抑制逆反应和促进反应的正向进行。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种内置扰流结构催化膜式反应器，包括，

一相流道，反应第一相于所述一相流道内穿流；以及，

二相流道，反应第二相于所述二相流道内穿流，所述反应第二相的穿流方向与所述反应第一相的穿流方向之间形成夹角；

其中，所述二相流道置于所述反应第一相的穿流方向上，所述二相流道与所述一相流道之间由附着催化剂的单相透膜相互隔离。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述二相流道由管件构成，所述反应第二相从所述管件的一端至另一端穿流，所述管件的侧壁具有透气结构；

其中，所述单相透膜覆盖所述透气结构。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述透气结构为分布于所述管件侧壁上的透气孔，所述单相透膜贴合于所述管件的侧壁表面并覆盖全部透气孔。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述管件的截面形状包括圆形、三角形、正方形、菱形、水滴形、椭圆形、腰圆形中的一种。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述一相流道由载体的腔室构成，所述反应第一相从所述腔室的入口至出口穿流；

所述管件置于所述腔室内，所述管件与所述载体的连接处密封设置。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述载体包括具有凹腔的基板及覆盖所述凹腔开口的盖板，所述管件连接于所述基板与盖板之间，所述管件的两端分别与所述基板和所述盖板上开设的贯孔连通。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述管件垂直所述盖板设置，所述反应第二相的穿流方向与所述反应第一相的穿流方向之间的夹角呈90°；

所述管件于所述凹腔内交错阵列分布，相邻两个所述管件之间留有间隙。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述凹腔的中部宽度大于所述凹腔的两端宽度，所述入口和所述出口分别与所述凹腔的两端连通。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：所述基板和所述盖板的外侧分别设有具有集流腔的集流板，所述集流腔覆盖全部所述贯孔，所述集流板上开设与所述集流腔连通的连接口。

作为本发明内置扰流结构催化膜式反应器的一种优选方案，其中：两侧所述集流板之间紧固相连，所述载体夹持于两侧所述集流板之间。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明采用内置扰流管，一方面，来破坏液相反应物流经液体流道时由于反应导致的浓度边界层，从而强化反应物的传递过程，促进反应的后续进行。另一方面，液体流经扰流管后形成的涡街同样有助于强化反应产物的脱附和传递，抑制逆反应和促进反应的正向进行；与此同时，本发明所采用的扰流管、透气隔液膜、催化剂层结合在一起，可直接规避相间物质传递阻力的同时防止气液相的混合，无需在后端添加气液相分离装置，亦可促进气体反应物的高效利用。该反应器结构简单，配置灵活，能大量布置。总的来说，本发明可从强化物质传递角度促进多相催化反应的进行，具有结构简单，放大设计容易等特点，在化学化工、能源环境等领域具有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明实施例1的工作示意图；

图2为本发明由管件构成的二相流道的结构示意图；

图3为本发明单相透膜于管件上的外安装方式示意图；

图4为本发明管件的另一种截面形状示意图；

图5为本发明管件与载体之间的一种密封结构示意图；

图6为本发明管件与载体之间的另一种密封结构示意图；

图7为图6的爆炸示意图；

图8为本发明载体的盖板与基板分离时的结构示意图；

图9为本发明管件于凹腔内阵列分布的示意图；

图10为本发明实施例5反应器整体的内部结构剖视示意图；

图11为图10的立体结构示意图；

图12为本发明实施例5反应器整体的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种内置扰流结构催化膜式反应器，包括，一相流道S1和二相流道S2，反应第一相于一相流道S1内穿流，反应第二相于二相流道S2内穿流，本发明主要用于气相反应物与液相反应物的多相催化反应，反应第一相可以是气相也可以是液相，相对应的，若反应第一相为气相，则反应第二相为液相；若反应第一相为液相，则反应第二相为气相；其中，本实施例的反应第一相特指液相反应物，反应第二相特指气相反应物。

二相流道S2与一相流道S1之间由附着催化剂P1-1的单相透膜P1相互隔离，通常情况下，单相透膜P1为透气隔液膜，气相能够透过单相透膜P1进行物质扩散，催化剂P1-1负载于单相透膜P1，具体的是催化剂P1-1负载于单相透膜P1接触液相的表面；催化剂P1-1可提供传递路径，将透过单相透膜P1进行物质扩散的气相反应物传递至催化剂P1-1表面，并在催化剂P1-1表面与液相反应物反应。催化剂P1-1根据多相催化反应的不同，可以是金属催化剂或者酶催化剂或者半导体催化剂。单相透膜P1，即透气隔液膜，的材质可以是聚丙烯或者聚四氟乙烯或者尼龙等。

其中，反应第二相的穿流方向与反应第一相的穿流方向之间形成夹角，二相流道S2置于反应第一相的穿流方向上，液相反应物在穿流方向上会接触二相流道S2，二相流道S2的存在会破坏液相反应物流经一相流道S1时由于反应导致的浓度边界层，从而强化反应物的传递过程，促进反应的后续进行。

实施例2

参照图1至图4，该实施例不同于第一个实施例的是：二相流道S2由管件101构成，反应第二相从管件101的一端至另一端穿流，管件101的侧壁具有透气结构，管件101为两端中空、壁面可透气的构型，管件101的管壁透气结构可通过加工透气孔101a或者采用多孔结构管壁实现。

需要说明的是，单相透膜P1覆盖透气结构，单相透膜P1能够提供从管件101侧壁上的透气孔101a扩散的气相反应物以传递路径，将全部从透气孔101a扩散的气相反应物传递至催化剂P1-1表面，并在催化剂P1-1表面与液相反应物反应。

单相透膜P1可以是圆片状，以单个透气孔101a覆盖的形式安装，需准备与透气孔101a数量相同的单相透膜P1，安装较为复杂。

若透气孔101a在管件101上以轴向阵列形式分布，单相透膜P1可以是圆环状，以同一圆周上的透气孔101a全部覆盖的形式安装，相对上述安装方式，简化了若干安装步骤。

如图2所示，本实施例的透气结构为分布于管件101侧壁上的透气孔101a，透气孔101a在管件101的圆周方向上环形阵列，同时透气孔101a在管件101的轴向上阵列，透气孔101a可通过钻孔加工或模具成型。

本实施例的单相透膜P1呈空心柱状、一体成型，单相透膜P1的轴向长度能够覆盖管件101上的全部透气孔101a。如图3所示，管件101内部供气相反应物穿流，即气相反应为从管件101内穿过透气孔101a向管件101外扩散，则单相透膜P1于管件101上采用外安装方式，即单相透膜P1贴合于管件101的外侧壁表面，催化剂P1-1则负载于单相透膜P1的外壁表面。

需要说明的是，管件101的截面形状并不特别限定，管件101的截面形状包括圆形、三角形、正方形、菱形、水滴形、椭圆形、腰圆形中的一种，只要能够形成两端中空、壁面可透气的构型即可，单相透膜P1形状与管件101形状保持一致，保证贴合。如图4所示，该管件101的截面形状为水滴形，单相透膜P1则与该管件101的截面形状保持一致；安装时，水滴形的大直径端朝向一相流道S1的入口方向。

实施例3

参照图1、5、6、7，该实施例不同于上述实施例的是：一相流道S1由载体102的腔室构成，反应第一相从腔室的入口N1至出口N2穿流；一相流道S1由腔室限定，使液相反应物在有限空间内穿流；管件101置于腔室内，液相反应物在穿流方向上会接触管件101，管件101构成扰流结构，管件101的存在会破坏液相反应物流经一相流道S1时由于反应导致的浓度边界层，从而强化反应物的传递过程，促进反应的后续进行；同时，液相反应物流经扰流管后形成的涡街同样有助于强化反应产物的脱附和传递，抑制逆反应和促进反应的正向进行。

应说明的是，管件101与载体102的连接处密封设置。

如图5所示，载体102的相对侧分别开有与管件101端部相配合的通孔，通孔内具有密封圈，管件101端部嵌入连接该通孔，管件101端部与通孔之间的缝隙则由密封圈封堵，形成密封结构。

如图6、7所示，显示的是另一种密封结构，载体102的相对侧分别开有贯孔N3，位于腔室内壁上还设有与贯孔N3同轴的环形密封槽N3-1，环形密封槽N3-1形状与管件101截面形状一致，环形密封槽N3-1的内边界小于管件101尺寸，环形密封槽N3-1的外边界大于管件101尺寸；管件101端部与环形密封槽N3-1嵌入连接，保证管件101可经环形密封槽N3-1与一相流道S1的上、下壁面进行固定、密封。为了进一步保证密封效果，还可在环形密封槽N3-1内加装密封圈。

实施例4

参照图8、9，该实施例不同于上述实施例的是：为了便于管件101安装，载体102包括具有凹腔S1-1的基板102a及覆盖凹腔S1-1开口的盖板102b，盖板102b覆盖凹腔S1-1开口后使凹腔S1-1形成封闭结构，即构成一相流道S1，入口N1和出口N2则开设于基板102a侧壁与凹腔S1-1连通；打开盖板102b有利于管件101的安装。

需要说明的是，管件101连接于基板102a与盖板102b之间，管件101的两端分别与基板102a和盖板102b上开设的贯孔N3连通，管件101与基板102a或盖板102b之间的密封可参考上述密封结构设置。

进一步的，管件101垂直盖板102b设置，反应第二相的穿流方向与反应第一相的穿流方向之间的夹角呈90°；管件101于凹腔S1-1内交错阵列分布，相邻两个管件101之间留有间隙；当液体流经管件101时会在其背部形成涡街，涡街可显著强化液体内液相反应物的传输，内置扰流管阵列结构的多相催化膜式反应器可在保证反应后期低液相反应物浓度的时候仍然具有促进液相反应物传递的能力。反应器的尺寸没有限制，可根据实际反应的需求相应的增加或减少管件101阵列的尺寸和数量、调节相邻管件101的间距，构建具有不同尺寸的多相催化膜式反应器。

应注意，凹腔S1-1的中部宽度大于凹腔S1-1的两端宽度，凹腔S1-1中部至凹腔S1-1两端的宽度呈连续过渡；入口N1和出口N2相对设置，入口N1和出口N2分别与凹腔S1-1的两端连通。液相反应物从入口N1进入一相流道S1，从一相流道S1的端部向一相流道S1中部扩散，至一相流道S1的另一端出口N2处聚集，有利于反应器获得高的转化率。

实施例5

参照图10～12，该实施例不同于上述实施例的是：基板102a和盖板102b的外侧分别设有具有集流腔S3的集流板103以及具有集流腔S4的集流板104，集流板103贴合于盖板102b上以及集流板104贴合于基板102a上时，集流腔S3、集流腔S4能够覆盖全部贯孔N3。需要说明的是，集流板103上开设与集流腔S3连通的连接口N4，集流板104上开设与集流腔S4连通的连接口N5。

应理解的是，本实施例的反应器，自上而下依次是集流板103、盖板102b、基板102a、集流板104，集流板103、盖板102b、基板102a、集流板104上均开设有螺栓孔，两侧的集流板103和集流板104之间通过螺栓105紧固，将中部的盖板102b和基板102a夹持固定，组装成反应器100整体。

利用一相流道S1实现液相反应物的连续供给，利用上、下两个集流腔S3、集流腔S4实现气相反应物的储存及供给，利用管件101内部的二相流道S2向一相流道S1内提供气相反应物，利用一相流道S1中扰流管阵列结构对液相流体的扰流作用，实现对液相中反应物和产物传递的强化，保证多相催化反应的高效进行。

为了保证反应器100的密封性，在反应器100组装好后要对其进行密封性测试。

密封性测试分别针对液体流路和气体流路。对于液体流路，采用水作为检漏工质，采用计量泵200将水由一相流道S1的入口N1通入由出口N2流出，稳定运行一段时间后，在出口N2处接一个量筒，一方面通过计量泵200在测试时间段内输出的液体量与量筒接收的液体量是否一致，另一方面观察反应器100侧壁面是否有液体出现，若数据吻合且侧壁面无液体则认为液体流路无泄漏。

对于气体流路，采用空气或氮气等气体作为检漏工质，将上层集流腔S3的连接口N4堵住，将气体流量计300的出口与下层集流腔S4的连接口N5相连后将反应器100泡入水中并以一定压力往反应器100内注入气体，观察反应器100侧壁面是否有气泡溢出，若无溢出气泡，则气体流路无泄漏。

反应过程：配制一定浓度的液相反应物，通过计量泵200以一定的流量由一相流道S1的入口N1通如反应器100的一相流道S1内并传递至催化剂层活性位点处。通过气体质量流量计300将气相反应物由下层集流腔S4的连接口N5以一定的质量流量通入。气相反应物经过管件101内部的二相流道S2与上层集流腔S3的连接口N4实现连通。由于渗透压的存在，管件101内流通的气相反应物会经透气孔101a向管件101外扩散，单相透膜P1能够提供从管件101侧壁上的透气孔101a扩散的气相反应物以传递路径，将全部从透气孔101a扩散的气相反应物传递至催化剂P1-1表面，传递至催化剂层活性位点处的气相反应物和液相反应物随后发生反应并生成产物。

本发明的反应器可以应用的多相催化反应包括但不限于：硝基苯加氢气制备苯胺的反应；苯酚加氢气制环己醇的反应；丙酮加氢气制备异丙醇的反应；己二腈加氢气制己二胺的反应；对二甲苯通氧气制对苯二甲酸的反应；等等。

采用本发明的内置扰流结构催化膜式反应器，由于液体流经扰流管阵列时会在其后部形成涡街，这一方面会破坏液相反应物流经液体流道时由于反应物连续消耗导致的浓度边界层，促进反应物的传递。另一方面，液体流经扰流管后形成的涡街同样有助于强化反应产物的脱附和传递，抑制逆反应和促进反应的正向进行。此时，反应器有利于获得高的转化率。与此同时，由于采用扰流管、透气隔液膜、催化剂层结合的方式，也有利于气液相的分离，无需后端气液相分离装置，促进气相反应物的高效利用。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。