穆昕(新興能源科技有限公司,遼寧 大連 116083)
微通道反應(yīng)器的發(fā)展及應(yīng)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(yīng)器的性能,包括制備材料、制備技術(shù)和催化劑填充方式,列舉了微通道反應(yīng)器在制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用,并與傳統(tǒng)反應(yīng)器對比,顯示其優(yōu)勢,也提出亟待解決的問題。
微通道;反應(yīng)器
微化工技術(shù)是20世紀90年代初順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展與高技術(shù)發(fā)展的需要而興起的多學(xué)科交叉的科技前沿領(lǐng)域[1,2]。微通道反應(yīng)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(yīng)器(幾英尺或更高)。由于微反應(yīng)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(yīng)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(yīng)器的人越來越多。
1.1 材質(zhì)的選擇
制備材質(zhì)的選擇必須考慮其化學(xué)兼容性、熱性能適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)可靠性。表1列舉了幾種加工微反應(yīng)器常用材料的優(yōu)點和缺點。
表1 微反應(yīng)器材質(zhì)優(yōu)勢和缺點
1.2 制造技術(shù)
很多制造技術(shù)都是為了組裝一個高效而緊湊的微型反應(yīng)器。主要的方法有:LIGA技術(shù)、濕法和干法蝕刻過程、顯微機械加工、疊片技術(shù)和軟平版印刷術(shù)。
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(yīng)器分為填充床微反應(yīng)器、結(jié)構(gòu)催化劑反應(yīng)器和壁載催化劑反應(yīng)器。
1.3.1 填充床微反應(yīng)器
填充床微反應(yīng)器是直接將催化劑粉末/顆粒填充到微反應(yīng)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(fù)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(dǎo)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(yīng)器
鑒于填充床微反應(yīng)器的缺點,將催化劑粉末/顆粒擔(dān)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(yīng)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(fù)性。
1.3.3 壁載催化劑反應(yīng)器
催化劑壁載技術(shù)[7,8]是為了將微反應(yīng)器應(yīng)用到多相反應(yīng)中而發(fā)展起來的,在反應(yīng)器壁上沉積催化劑的技術(shù)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(yīng)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(yīng)器的死角中。氣溶膠噴射技術(shù),催化劑將直接沉積在反應(yīng)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(xué)蒸汽沉積(CVD)以及反應(yīng)化學(xué)蒸汽沉積,應(yīng)用這些技術(shù)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。
很多研究機構(gòu)將微反應(yīng)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(yīng)器(圖1),利用兩個獨立通道將甲醇水蒸汽重整和燃燒反應(yīng)耦合。
圖1 微通道反應(yīng)器
對于制氫,微通道反應(yīng)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(yīng)所需的熱量,微反應(yīng)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(yīng)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(xué)。
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(shè)備相對于反應(yīng)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(guān)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(shè)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(yīng)器的研究。