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）

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(duì)比，顯示其優(yōu)勢(shì)，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(jì)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(jí)(＜1000μm)或是亞微米級(jí)(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(yùn)輸又安全快捷。因此，國(guó)內(nèi)外研究微通道反應(yīng)器的人越來越多。

1 微通道反應(yīng)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(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(diǎn)和缺點(diǎn)。

表1 微反應(yīng)器材質(zhì)優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)

1.2 制造技術(shù)

很多制造技術(shù)都是為了組裝一個(gè)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(jī)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(jiǎn)便易行的方法，適用性廣[6]。優(yōu)勢(shì)是：成本低、催化劑實(shí)用性高、重復(fù)性好，并對(duì)催化劑性能有較充分的認(rèn)識(shí)，同時(shí)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(huì)導(dǎo)致床層內(nèi)壓降的增加，且由于粉末或顆粒難以實(shí)現(xiàn)規(guī)則堆積，會(huì)降低溫度和濃度分布的均勻性。高流率時(shí)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(diǎn)，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(jìn)行其他操作，譬如擴(kuò)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。

2 微通道反應(yīng)器的應(yīng)用

很多研究機(jī)構(gòu)將微反應(yīng)器用于制氫過程，體現(xiàn)了很多優(yōu)勢(shì)。德國(guó)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(guó)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(gè)獨(dú)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

3 和傳統(tǒng)反應(yīng)器的對(duì)比

對(duì)于制氫，微通道反應(yīng)器有很多優(yōu)勢(shì)。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(dòng)力學(xué)。

同時(shí)，也存在很多問題有待解決。首先，散熱損失嚴(yán)重。在微系統(tǒng)中，管道和設(shè)備相對(duì)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(bào)道，即便報(bào)道，也是基于對(duì)其他組成部分效率的假設(shè)而做出的評(píng)估值。另外，還存在污垢敏感性問題、高產(chǎn)率時(shí)系統(tǒng)潛在的阻力降、微系統(tǒng)的密封問題和檢測(cè)手段等問題。

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

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