微通道反應器的發(fā)展及應用

穆昕（新興能源科技有限公司，遼寧 大連 116083）

微通道反應器的發(fā)展及應用

穆昕（新興能源科技有限公司，遼寧 大連 116083）

本文概述了微通道反應器的性能，包括制備材料、制備技術和催化劑填充方式，列舉了微通道反應器在制氫系統(tǒng)中的應用，并與傳統(tǒng)反應器對比，顯示其優(yōu)勢，也提出亟待解決的問題。

微通道；反應器

微化工技術是20世紀90年代初順應可持續(xù)發(fā)展與高技術發(fā)展的需要而興起的多學科交叉的科技前沿領域[1,2]。微通道反應器具有一定的特征尺度，通道尺寸通常都是微米級(＜1000μm)或是亞微米級(1000μm到幾厘米)，明顯小于常規(guī)反應器(幾英尺或更高)。由于微反應器在傳質(zhì)[3]、傳熱[4,5]方面的表現(xiàn)都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)反應器，小尺寸、較大的比表面積、規(guī)整的微通道使它便于運輸又安全快捷。因此，國內(nèi)外研究微通道反應器的人越來越多。

1 微通道反應器的性能概述

1.1 材質(zhì)的選擇

制備材質(zhì)的選擇必須考慮其化學兼容性、熱性能適應性和結(jié)構(gòu)可靠性。表1列舉了幾種加工微反應器常用材料的優(yōu)點和缺點。

表1 微反應器材質(zhì)優(yōu)勢和缺點

1.2 制造技術

很多制造技術都是為了組裝一個高效而緊湊的微型反應器。主要的方法有：LIGA技術、濕法和干法蝕刻過程、顯微機械加工、疊片技術和軟平版印刷術。

1.3 催化劑的填充方式

按照催化劑的形態(tài)和填充方式，可以將微通道反應器分為填充床微反應器、結(jié)構(gòu)催化劑反應器和壁載催化劑反應器。

1.3.1 填充床微反應器

填充床微反應器是直接將催化劑粉末/顆粒填充到微反應器中。這是最簡便易行的方法，適用性廣[6]。優(yōu)勢是：成本低、催化劑實用性高、重復性好，并對催化劑性能有較充分的認識，同時微通道高的傳質(zhì)、傳熱速率能提高催化劑性能。但是這種方法會導致床層內(nèi)壓降的增加，且由于粉末或顆粒難以實現(xiàn)規(guī)則堆積，會降低溫度和濃度分布的均勻性。高流率時可能產(chǎn)生溝流和短路，也可能堵塞。

1.3.2 結(jié)構(gòu)催化劑反應器

鑒于填充床微反應器的缺點，將催化劑粉末/顆粒擔載到具有一定結(jié)構(gòu)的支撐體中，可制成結(jié)構(gòu)催化劑反應器。由于結(jié)構(gòu)支撐體中有大量開放的空隙（直徑一般在100μm～300μm之間），既保證氣體滲透性，又能降低通道阻力降；另外，用于填充床的傳統(tǒng)催化劑一般都可以制備成結(jié)構(gòu)催化劑，保證了催化劑大范圍的可用性和高度重復性。

1.3.3 壁載催化劑反應器

催化劑壁載技術[7,8]是為了將微反應器應用到多相反應中而發(fā)展起來的，在反應器壁上沉積催化劑的技術包括：涂層涂覆法、噴涂法、氣溶膠噴射、以及氣相沉積薄膜法。

涂層涂覆法與傳統(tǒng)的自耦變壓器中催化劑制備工藝很相似，能夠在反應器壁上形成高比表面積的催化劑薄層，比傳統(tǒng)的小球或擠壓出的條狀催化劑利用率更好。但由于表面張力不均勻，所用溶液很容易聚集在反應器的死角中。氣溶膠噴射技術，催化劑將直接沉積在反應器單片上，可以直接在成型的通道上噴射。噴涂法可以使催化劑分布位置更精確，但沉積后必須將系統(tǒng)密封，這樣就不能進行其他操作，譬如擴散焊。氣相沉積法，包括電子束沉積、無線電頻率(RF)噴射、熱蒸汽、化學蒸汽沉積(CVD)以及反應化學蒸汽沉積，應用這些技術形成光滑的表面，被加熱活化后變得粗糙，表面積增大，但不能得到和涂層涂覆法一樣的表面積。物理沉積，和真空噴射一樣，在不平的表面上很難得到均勻的涂層。

2 微通道反應器的應用

很多研究機構(gòu)將微反應器用于制氫過程，體現(xiàn)了很多優(yōu)勢。德國IMM[9]借助微通道結(jié)構(gòu)，開發(fā)了30-100W甲醇燃料處理器，重整催化劑是壁載Cu/Zn催化劑。瑞士Reuse等人[10]與德國Karlsruhe研究所合作開發(fā)了不銹鋼微通道反應器（圖1），利用兩個獨立通道將甲醇水蒸汽重整和燃燒反應耦合。

圖1 微通道反應器

3 和傳統(tǒng)反應器的對比

對于制氫，微通道反應器有很多優(yōu)勢。首先，體積減小，便于放大。其次，優(yōu)良的傳質(zhì)、傳熱特性保證反應所需的熱量，微反應器高效的傳熱性能有可以恰到好處的解決外部熱源向反應器的傳遞。第三，由于催化劑用量少成本低，可以用貴金屬第八族金屬來研究水蒸氣重整本征動力學。

同時，也存在很多問題有待解決。首先，散熱損失嚴重。在微系統(tǒng)中，管道和設備相對于反應器而言是大的，由散熱造成的能量耗損不容忽視。其次，效率問題。目前為止，很少有關于系統(tǒng)效率的報道，即便報道，也是基于對其他組成部分效率的假設而做出的評估值。另外，還存在污垢敏感性問題、高產(chǎn)率時系統(tǒng)潛在的阻力降、微系統(tǒng)的密封問題和檢測手段等問題。

[1]W.Ehrfeld,V.Hessel,H.Lowe.《Microreators》.WILEYVCH.

穆昕（1980-），女，漢，遼寧，中級工程師，博士，從事微型甲醇制氫反應器的研究。