具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器

摘要

本发明公开了一种具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器，包括上盖板、多孔泡沫板、左、右中间夹板和底板；其特征在于：上盖板、多孔泡沫板和底板按从上往下顺序设置；所述上盖板的底部沿水平方向设置有槽道一，底板的顶部沿水平方向设置有槽道二；槽道一、二的长度和宽度与分别多孔泡沫板的长度和厚度一致；多孔泡沫板的顶部和底部分别嵌入槽道一、二中；在多孔泡沫板的左、右侧分别放置左、右中间夹板；左、右中间夹板的中部开有凹槽，凹槽的长度与多孔泡沫板的长度一致，多孔泡沫板的左、右侧壁与左、右中间夹板之间均留有间隙，该间隙作为气体通道；该气体通道由上盖板和底板密封；可广泛适用于化工、环保等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及微反应器领域，具体涉及一种具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器。

背景技术

21世纪以来，能源枯竭及环境恶化等一系列问题使传统化工行业面临前所未有的挑战，寻求更加绿色、安全的反应技术迫在眉睫。微反应器由于体积微小、比表面积大、传热传质性能好以及反应安全等诸多优点，吸引了科学界的广泛关注。学者们致力于利用微反应器进行催化剂的筛选、探索新的反应途径、优化反应过程从而使化工生产更加经济和环保。

作为最常见的微反应器类型，气液固三相微反应器因其突出的热质传递特性被认为是多相催化反应的理想反应器结构形式。在大多数情况下固相为催化剂并负载于微通道壁面，气体和液体为反应物或产物，反应物进入微通道后，由反应器主流区域传输至催化剂表面，并在催化剂活性位点处吸附并发生反应，随后反应生成的产物在活性位点处脱附，并由催化剂表面向反应器主流区域传输。这种催化剂负载于微通道壁面的方式保证了短的扩散距离和良好的相间接触，因此具有优异的传热传质性能。然而，催化剂的失活再生是一个难题，当催化剂失活时，可能导致整个微反应器无法再次使用，必须更换新的反应器，从而增加制造成本。因此，有学者提出了微型填充床的概念，将负载催化剂的纳米微球填充于微通道内并获得了优异的传质速率，但其缺点是压降较大，不利于工业应用。

多孔泡沫板是一类由固体骨架以及大量孔隙组成的新型功能材料，其主要特点是高比表面积、低密度。常见的多孔泡沫板包括石墨泡沫、金属泡沫、碳化硅泡沫等。Tourvieille等人首次将多孔泡沫作为催化剂载体用于边长为2mm的方形微小通道内，发现反应器的传质速率相较于无填充的微通道提升了50％，充分证明了多孔泡沫板作为微反应器内催化剂载体的可行性。然而，进一步研究发现，当气液两相为反应物进入多孔泡沫板内部时，会引起液体脉冲流动和气体毛细管指进现象。同时，Serres等认为气体会在多孔材料内部形成一条气体通道，这种现象无疑会降低气液两相反应物的接触面积、降低催化剂的使用效率，从而降低传质和影响反应器性能。除此之外，多孔结构内部流动的不稳定性也会造成微反应器内压力波动，不利于微反应器的正常运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器。

为了解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是：一种具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器，包括上盖板、多孔泡沫板、左、右中间夹板和底板；所述多孔泡沫板上制备有催化剂；其特征在于：上盖板、多孔泡沫板和底板按从上往下顺序设置；所述上盖板的底部沿水平方向设置有槽道一，底板的顶部沿水平方向设置有槽道二；槽道一、二的长度和宽度与分别多孔泡沫板的长度和厚度一致；多孔泡沫板的顶部和底部分别嵌入槽道一、二中；在多孔泡沫板的左、右侧分别放置左、右中间夹板；左、右中间夹板的中部开有凹槽，凹槽的长度与多孔泡沫板的长度一致，使多孔泡沫板的左、右侧壁分别与左、右中间夹板之间留有间隙，该间隙作为气体通道，该气体通道由上盖板和底板密封；该气体通道被多孔泡沫板分隔为左、右气道；左、右中间夹板之间留有缝隙；该缝隙作为液体进入通道和液体流出通道；所述上盖板的一侧设置有第一、第二进气孔，上盖板的另一侧设置有第一、第二出气孔；第一进气孔和第一出气孔与左气道连通，第二进气孔和第二出气孔与右气道连通。

气相反应物从第一、第二进气孔进入微反应器，在气体通道内部扩散，在扩散的过程中，与溶液在多孔泡沫板上的催化剂活性位点发生反应，反应后气体从第一、第二出气孔排出微反应器，液相的反应物与产物从液体流出通道排出微反应器。

本发明将多孔泡沫板作为催化剂骨架并与微反应器相结合，充分利用了微反应器传质距离短的优势，同时多孔泡沫板提供了更大的表面积，可以提高催化剂的分散度。此外，避免了气液两相反应物同时进入多孔材料内部可能造成的相接触面积小和压力波动的缺点，从而提高微反应器性能。

根据本发明所述的具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器的优选方案，该反应器还包括注射泵，该注射泵用于对液体流量进行控制。

根据本发明所述的具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器的优选方案，该反应器还包括气体质量流量控制器，该气体质量流量控制器用于对气体流量进行控制。

根据本发明所述的具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器的优选方案，该反应器由螺栓对上盖板、左、右中间夹板和底板进行固定。

本发明所述的具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器的有益效果是：

1)本发明采用多孔泡沫板作为催化剂骨架，有利于提高催化剂的负载面积和分散度，同时整体式催化剂易于更换。

2)采用多孔材料有效降低了反应器的压降，有利于降低反应器能量损耗。

3)采用气体扩散的方式，只有液相反应物在多孔材料内部流动，有利于液相的均匀分布，同时保持了反应器内部压力和流动的稳定，有利于安全运行。

4)有效增加了气液接触面积，从而强化传质。

5)反应器微型化，既能够单元式独立运行用于反应的探索和过程优化，又能组成反应器堆进行大规模生产。

本发明可广泛适用于化工、环保等领域。

附图说明

图1是本发明所述的具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器的组装示意图。

图2是本发明所述的左、右中间夹板与多孔泡沫板组装后的主视图。

图3是本发明所述的左、右中间夹板与多孔泡沫板组装后的俯视图。

图4是本发明所述的左、右中间夹板与多孔泡沫板组装后的左视图。

图5是本发明所述的具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器的结构示意图。

附图中：1—螺栓；2—上盖板；2a—第一进气孔；2b—第二进气孔；2c—第一出气孔；2d—第二出气孔；3—多孔泡沫板；4—左中间夹板；5—右中间夹板；6—底板；7—注射泵；8—气体质量流量控制器；9—液体进入通道；10—液体流出通道；11—右气道；12—左气道。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

参见图1至图5，一种具有多孔泡沫载体结构的扩散式气液固三相微反应器，由上盖板2、多孔泡沫板3、左、右中间夹板4、5、底板6、注射泵7和气体质量流量控制器8构成；所述多孔泡沫板3上制备有催化剂；上盖板2、多孔泡沫板3和底板6按从上往下顺序设置；所述上盖板2的底部沿水平方向设置有槽道一，底板6的顶部沿水平方向设置有槽道二；槽道一、二的长度和宽度与分别多孔泡沫板3的长度和厚度一致；多孔泡沫板3的顶部和底部分别嵌入槽道一、二中；在多孔泡沫板3的左、右侧分别放置左、右中间夹板4、5；左、右中间夹板4、5对多孔泡沫板3限位，左、右中间夹板4、5上靠多孔泡沫板3一侧均开有凹槽，凹槽的长度与多孔泡沫板3的长度一致，多孔泡沫板3设置在凹槽内，使多孔泡沫板3的左、右侧壁分别与左、右中间夹板4、5之间留有间隙，该间隙作为气体通道，该气体通道由上盖板2和底板6密封；该气体通道被多孔泡沫板3分隔为左、右气道12、11；并且左、右中间夹板4、5之间也留有缝隙；所述缝隙与凹槽连通，该缝隙作为液体进入通道9和液体流出通道10；所述上盖板2的一侧设置有第一、第二进气孔2a、2b，上盖板2的另一侧设置有第一、第二出气孔2c、2d；第一进气孔2a和第一出气孔2c与左气道12连通，第二进气孔2b和第二出气孔2d与右气道11连通。

所述注射泵7用于对液体流量进行控制。

第一、第二进气孔2a、2b连接有气体质量流量控制器8，所述气体质量流量控制器8用于对气体流量进行控制。

所述反应器由螺栓1对上盖板2、左、右中间夹板4、5和底板6进行固定。

气相反应物从第一、第二进气孔2a、2b进入微反应器，在气体通道内部扩散，在扩散的过程中，与溶液在多孔泡沫板3上的催化剂活性位点发生反应，反应后气体从第一、第二出气孔2c、2d排出微反应器，液相的反应物与产物从液体流出通道10排出微反应器。

具体应用时，用注射泵7向微反应器内注入液体，如硝基苯溶液，硝基苯溶液从液体进入通道9进入反应器内部，在泵推力和毛细力作用下，硝基苯溶液在多孔泡沫内部均匀分散并流动，气相反应物如氢气从第一、第二进气孔2a、2b进入反应器，在气体通道内部扩散，在扩散的过程中，氢气通过扩散与硝基苯溶液在多孔泡沫板3上的催化剂活性位点发生反应，反应后气体从第一、第二出气孔2c、2d排出反应器，液相的反应物与产物从液体流出通道10排出微反应器。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。