CN116747811A - 一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学反应强化技术领域，具体涉及一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器。本发明通过沿反应板的反应流道内的流体行进方向，在反应流道上设置有用于固定固体催化剂的缩颈状的凹穴，可解决扩散焊微通道反应器在通道内精准固定催化剂位置以及层流下反应侧热交换能力弱的问题。此外，本发明的催化剂更换方法则利用催化剂与可拆管箱的配合，可解决固体催化剂在微通道内更换难的问题。同时，本发明的反应板与换热板的特定堆叠形式，则可解决扩散焊微通道反应器的催化剂填充以及扩散焊微通道反应器在放大过程中的反应流道温度分布不均匀的问题。

Description

一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器

技术领域

本发明属于化学反应强化技术领域，具体涉及一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器。

背景技术

与间歇式反应釜相比，微通道反应器可实现反应过程的精细化、连续化，可精准控制反应时间，并可提高反应转化率和选择性，在化学反应强化技术领域具有极其重要的经历、安全和环保价值。但由于微通道反应器通道小的特点，需要将微通道反应器进行放大来提高产量。

为此，公告号为CN112403413B的中国专利中，公开了一种集成式逆流强化扩散焊微通道反应器，扩散焊微通道反应器的特征在于先通过化学蚀刻技术在每张板上蚀刻出多条并行半圆形通道，通道半径一般在0.5～2.5mm，然后利用真空扩散焊工艺将多张具有并行半圆形通道的板焊接形成芯体，最终再经过其他工艺形成具有数量放大特性的扩散焊微通道反应器。这种扩散焊微通道反应器不仅显著提高了反应物通量，而且还保持了微通道反应器高效紧凑的特点。然而，由于大多数化学反应需要固体催化剂，因此除了实现微通道反应器的内部放大过程以外，对微通道填充固体催化剂的技术也有很高的要求；单纯的进行内部的放大，而忽视了基础的催化剂填充过程，显然是不合适的。

目前微通道与固体催化剂的结合方式可以分为填充与涂覆两种。公告号为CN105968123B的中国专利中将催化剂制成泡沫金属并填充至通道中，其利用泡沫金属的微孔道完成催化剂与微通道的结合，泡沫金属的平均孔径为0.1mm～10mm，长度为10mm～1000mm，泡沫金属一般需要将板片机加工较大的沟槽后才能被填充至通道内，这种填充方式不适合于扩散焊微通道反应器中，而且填充泡沫金属存在较大的流动阻力。在公布号为CN115245790A的中国专利中，其通过将管道放至盛有前驱体液体中浸渍、然后晾干、焙烧将催化剂涂覆在通道内表面，这种方式使催化剂与反应器成为一体化，但明显的问题在于通道内使用的催化剂量较少，而且催化剂失活后难以更换，最重要的是，扩散焊微通道反应器的真空扩散焊过程需要的温度为1800℃～2000℃，即使率先完好地将催化剂涂覆至管道内壁，也很难保证在扩散焊过程中催化剂的活性组分不会在超高温的环境下失活。基于此，是否能够研发出一种新型的扩散焊微通道反应器，以在确保自身的反应物料的高处理量以及高紧凑特点的同时，还能具备固体催化剂填充方便、定位简单乃至整体构造拆装便捷的优点，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，可以轻松实现固体催化剂单点位甚至多点位的精准固定，有利于提高固体催化剂的灵活使用，并能有效节约反应流道的反应空间，固体催化剂的填充方便性亦可得到有效保证。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：沿反应板的反应流道内的流体行进方向，在反应流道上设置有用于固定固体催化剂的缩颈状的凹穴；所述凹穴满足以下关系式：

其中：

P_n为以反应流道的物料入口为坐标原点时，第n级的凹穴的位置点，单位mm；

n为凹穴的级数；

L为反应板的长度，单位mm；

D_n为第n级的凹穴的凹陷幅度，单位mm；

i为凹穴的缩颈段长度，单位mm。

优选的，所述固体催化剂为外形呈空心直圆柱状的圆柱形可控结构催化剂，该固体催化剂的外壁处设置有槽长方向平行固体催化剂轴线的直通槽，直通槽槽底与固体催化剂的空心通道之间依靠径向延伸的连通孔连接彼此；直通槽的最小深度大于或等于0.5mm；所述直通槽构成扰流区域，固体催化剂的实心区域构成多孔介质区域；固体催化剂的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的凹穴的水力半径，固体催化剂的长度为1～10mm，固体催化剂的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

优选的，所述固体催化剂为外形呈空心直圆柱状的圆柱形可控结构催化剂，该固体催化剂的外壁和内壁处均设置有贯通固体催化剂两端的W型槽，W型槽槽底与固体催化剂的空心通道之间依靠径向延伸的连通孔连接彼此；W型槽的最小深度大于或等于0.5mm；所述W型槽构成扰流区域，固体催化剂的实心区域构成多孔介质区域；固体催化剂的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的水力半径，固体催化剂的长度为1～10mm，固体催化剂的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

优选的，所述固体催化剂为外形呈空心球状的球形可控结构催化剂，该固体催化剂的外壁和内壁之间径向贯穿设置有贯通孔，贯通孔的最小孔径大于或等于0.5mm；所述贯通孔构成扰流区域，固体催化剂的实心区域构成多孔介质区域；固体催化剂的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的凹穴的水力半径，固体催化剂的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

优选的，所述多孔介质区域由煅烧工艺形成，多孔介质区域内的孔洞直径为1～100μm，孔隙率为20％～45％；

优选的，催化剂更换方法包括以下步骤：

S1.拆卸反应进口管箱；

S2.反应出口管箱内通入高压干燥流体，使得高压干燥流体经由反应板的物料出口进入反应流道，反应流道内的原有的固体催化剂被冲出；

S3.向反应流道内填充新的固体催化剂；

S4.将反应进口管箱装回，完成催化剂更换流程。

优选的，还包括芯体，包括由上而下依序层叠布置的第一换热板、第一反应板、第二反应板及第二换热板，所述第一反应板和第二反应板的相邻面均凹设有凹槽，以使得两反应板彼此贴合时，两反应板上的凹槽彼此配合形成所述反应流道，第一换热板自带上换热流道或第一换热板处预制槽与第一反应板上板面配合形成上换热流道，第二换热板具备下换热流道或第二换热板处预制槽与第二反应板下板面配合形成下换热流道；沿平行芯体的装配方向作投影面，上换热流道与反应流道之间以及下换热流道与反应流道之间的管口朝向均彼此交叉，反应流道与两换热流道的其余流道区域彼此重合。

优选的，以由上而下依序层叠布置的第一换热板、第一反应板、第二反应板及第二换热板为一组子模块，所述子模块为两组以上且沿芯体的装配方向依序装配。

优选的，芯体处的上换热流道和下换热流道在平行芯体的装配方向的投影上彼此重合；芯体的各换热流道的管入口及管出口处均分别布置换热进口管箱和换热出口管箱，芯体的反应流道的管入口端和管出口端分别固接反应出口管箱和反应入口管箱，其中：

芯体与反应进口管箱之间通过螺栓及密封垫形成可拆装的螺纹密封配合，芯体另一端与反应出口管箱之间焊接；换热进口管箱和换热出口管箱分别焊接于芯体的两侧处。

优选的，反应流道和各换热流道内的流体流动方向为顺流或逆流或错流或错逆流；凹槽及两换热板处的预制槽的横截面为水力半径为0.5～2mm的半圆形槽或半椭圆形槽或矩形槽或拱形槽，凹槽及两换热板处的预制槽的流道形式为直流道或波浪形流道或曲折型流道；各反应板和各换热板的材质为不锈钢或钛材或镍基合金或哈氏合金，各反应板和各换热板的加工方式为化学刻蚀或机加工。

本发明的有益效果在于：

1)通过上述方案，本发明依靠在微通道反应器的反应流道中设置凹穴，可以轻松实现固体催化剂单点位甚至多点位的精准固定，提高固体催化剂的灵活使用，并能有效节约反应流道的反应空间。实际使用时，由于凹穴的存在，固体催化剂自入口处填充后，能依靠重力或在流体推动下滑动至凹穴处，具有填充方便和定位精确的特点。此外，多级凹穴也有利于增强反应侧的热交换能力，尤其是为了实现足够长的停留时间而使反应侧流动状态为层流的情况，多级凹穴的存在能多次引起流速变化，精准控制扰流发生位置，多点位破坏流体边界层，改善层流状态下，核心反应区域的热交换能力难以提高的问题。

2)进一步的，本发明还对固体催化剂的结构进行可控化控制，解决了商业催化剂与传统微通道反应器的配合问题，对固体催化剂结构的定制可以让其适配不同通道类型的外形结构。例如：对于曲折形微通道，可以将固体催化剂外形结构制作为球形，方便固体催化剂的填充；对于直流道微通道，还可以将固体催化剂制作为圆柱形，让其可被填充至微通道的同时，还可增强固体催化剂的传热传质能力。与传统商业催化剂相比，本发明的固体催化剂也即可控结构催化剂的结构可控，制造精度更高。通过控制固体催化剂的结构，既使得固体催化剂实体部分为多孔介质的性质，让物料仍可以通过扩散的方式与实体部分内的活性组分接触，此外又在实体部分表面形成孔或沟槽，减少了固体催化剂在微通道中的占据空间，降低了微通道压降，节省了泵功，方便了固体催化剂填充至或吹扫出微通道。而且，固体催化剂外壁乃至内壁处沟槽或孔洞的存在，也能帮助固体催化剂与流道之间形成特殊通道，促进了传热-传质过程，增强了热传导与热对流过程，减少了导热热阻，增大了对流传热系数，降低了热量损失。特殊通道的存在，还可以控制物料流动方向，实现催化剂反应过程路径的定制化，提高反应选择性与转化率。

3)球形的固体催化剂，更适合于波浪形的反应流道，可解决曲折通道内催化剂难以填充的问题。利用球形运动阻力小的特点，能让球形的固体催化剂可在微通道或者说反应流道内灵活流动，而且采用球形的固体催化剂可以确保交叉于流动方向的任意球面具有相同的结构，保证流体经过轴对称的球形的固体催化剂的任意方向球面时，化学反应的效果不会出现巨大差异。

4)实际设计时，依靠上述特定的固体催化剂，可进一步的解决固体催化剂与微通道形状的适配难题；通过高精度定制固体催化剂结构和尺寸，可进一步强化固体催化剂传热与传质过程，并实现与多级凹穴的高效配合，最终更轻松地实现催化剂的填充、固定与更换目的。

5)作为上述方案的优选方案，本发明还通过分别设置将相应的反应板和换热板重叠的方式，保证每条反应流道1：1的伴随换热过程，提高反应流道温度均匀性以及温度控制能力，有利于提高反应流道的转化率和选择性。此外，通过将两张反应板设置为互为镜像，相互紧扣并保持微通道特性的同时，增加了反应侧流道的使用空间，增大了物料流通量，降低了通道压降，显然也利于进一步优化催化剂的填充、固定与更换效果。

6)通过在换热板与反应板上布置多并行流道以及通过多板堆叠方式形式芯体的方式，增大了扩散焊微通道反应器的反应物料处理量。此外，将换热侧流道与反应侧流道在进、出口的交叉而在其余部分在堆叠方向上的重合，一方面有利于相应管箱的合理布置；另一方面保证了换热流道对反应流道的温度控制，以及多条反应流道热效率的均一化。

7)采用螺栓紧固与密封垫如多重耐化学腐蚀垫圈配合，来作为反应进口管箱的密封方式，解决了传统全扩散微通道反应器需要面对先填充催化剂再进行真空扩散焊密封的矛盾，避免固体催化剂在超高温扩散焊环境下的过热失活。同时，本发明通过可拆式的反应进口管箱，可实现在可拆式扩散焊微通道反应器密封前完成固体催化剂的填充，而且还可以在固体催化剂失活后，直接通过拆卸反应进口管箱并依靠吹扫方式对固体催化剂完成在线更换，使用非常灵活方便。采用多重耐化学腐蚀垫圈，可以防止反应物料腐蚀垫圈造成物料外漏，还可以解决在反应导致较大温变条件下机械密封方式可能存在的多重弹性补偿问题，防止变温条件下螺栓丢失预紧造成的物料外漏状况。

8)由上述，可知本发明的微通道反应器具备固定催化剂方便和更换催化剂过程简单的特点；此外，该反应器同时利用微通道强化反应与换热过程，装置占地面积小，安装难度低。本发明还提供可控结构的催化剂结构，用于解决催化剂的快速填充和在线更换问题；利用催化剂结构的可控化甚至能进一步实现催化反应路径的定制化，成效显著。

附图说明

图1为凹穴的布置位置图；

图2为固体催化剂与反应板的拆解状态图；

图3、图4和图5为固体催化剂的三种实施例的立体结构示意图；

图6为换热板的立体结构示意图；

图7为芯体的拆解状态示意图；

图8为微通道反应器的立体结构示意图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

10-芯体；10a-第一反应板；10b-第二反应板；10c-第一换热板；10d-第二换热板；11-凹穴；12-凹槽；13-预制槽；

20-固体催化剂；21-多孔介质区域；22-扰流区域；

31-反应进口管箱；32-反应出口管箱；

41-换热进口管箱；42-换热出口管箱；

50-螺栓。

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-8，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体实施构造，参照图8所示，各反应板和换热板所形成的芯体10，搭配相应的管箱，最终组装形成图8所示的微通道反应器。

更具体的，图8所示结构首先包括一个反应-换热功能单元，也即芯体10，并同时包括四个不同方位的管箱，也即反应进口管箱31、反应出口管箱32、换热进口管箱41及换热出口管箱42。反应-换热功能单元则包括多组子模块，每组子模块均如图7所示的包括由上而下依次层叠的第一换热板10c、第一反应板10a、第二反应板10b及第二换热板10d。此时，第一反应板10a和第二反应板10b构成前述反应板，第一换热板10c和第二换热板10d构成前述换热板。

此外，如图2所示的，第一反应板10a和第二反应板10b处凹槽12配合形成的反应流道用于容纳固体催化剂20后，反应流道的流体行进方向与两换热板处预制槽13所形成的换热流道的流体行进方向，在堆叠方向的投影上同时具有重合与交叉特征。换言之，换热板的入口与出口的部分流道在堆叠方向上的投影与反应流道相互交叉，其余部分流道则与反应流道在堆叠方向上的投影重合，参照图7所示。此时，沿平行芯体10的装配方向作投影面，上换热流道与反应流道之间，以及下换热流道与反应流道之间的管口朝向均彼此交叉，反应流道与两换热流道的其余流道区域彼此重合。

进一步的，各反应板处的凹槽12可以为多种实现方式，如直槽状或者是波浪槽状等，相应可形成直流道式反应-换热功能子单元以及波浪形流道式反应-换热功能子单元。

为了精确控制固体催化剂20的固定位置，本发明进一步的可以在反应板的流道中设置多级凹穴11，以灵活固定催化剂位置。凹穴11的布置位置满足如下关系式：其中n为级数，L为板长度；凹穴11幅度大小满足关系式：D_(n)＝0.1n；以上单位均为毫米。此时，以反应流道的物料入口为坐标原点，则第一级的凹穴11位置位于板片中心，凹穴11幅度大小为0.1mm；第二级的凹穴11位于板0.75L的位置，凹穴11幅度大小为0.2mm，以此类推；凹穴11长度为1～3mm。

进一步的，各换热板可根据不同的流道形式，细分为直流道换热板与波浪形流道换热板。以换热板内流动的工质为第二流动工质，反应板内流动的工质为第一流动工质；第一流动工质与第二流动工质的流动方向可以互为顺流或逆流，可根据需要第一流动工质与第二流动工质的物理性质与化学性质以及所需的化学反应温度梯度分布控制等自由选择合理的流动方向。

具体的，本实施例中的反应进口管箱31为可拆式的机械密封管箱，相对侧为反应出口管箱32；若可拆式扩散焊微通道反应器在使用过程中需第一流动工质与第二流动工质的流动方向关系为顺流流动形式，则与换热板的管口连通的为第二流动工质的换热进口管箱41和第二流动工质的换热出口管箱42。若可拆式扩散焊微通道反应器在使用过程中需第一流动工质与第二流动工质的流动方向关系为逆流流动形式，反应进口管箱31和反应出口管箱32不变，换热进口管箱41和换热出口管箱42换位即可。此外，为了方便固体催化剂20的填充与更换，本发明将反应进口管箱31设置为机械密封管箱；其他管箱为扩散焊密封管箱，扩散焊密封管箱在不破坏芯体10的情况下不可拆。为实现良好的密封性能，在芯体10与相应管箱的机械配合处分别设置相应配合槽与密封垫；配合槽和密封垫可以为多层，主要防范化学腐蚀以及温变可能造成螺栓50丢失预紧，防范化学物料以及反应产物泄露的发生。

具体的，图2-5中还提供了圆柱状的固体催化剂20和球体状的固体催化剂20。

当固体催化剂20为外形呈空心直圆柱状的圆柱形可控结构催化剂时，该固体催化剂20的外壁处设置有槽长方向平行固体催化剂20轴线的直通槽，直通槽槽底与固体催化剂20的空心通道之间依靠径向延伸的连通孔连接彼此；直通槽的最小深度大于或等于0.5mm；所述直通槽构成扰流区域22，固体催化剂20的实心区域构成多孔介质区域21。

当固体催化剂20为外形呈空心直圆柱状的圆柱形可控结构催化剂时，该固体催化剂20的外壁和内壁处均设置有贯通固体催化剂20两端的W型槽，W型槽槽底与固体催化剂20的空心通道之间依靠径向延伸的连通孔连接彼此；W型槽的最小深度大于或等于0.5mm；所述W型槽构成扰流区域22，固体催化剂20的实心区域构成多孔介质区域21。

当所述固体催化剂20为外形呈空心球状的球形可控结构催化剂，该固体催化剂20的外壁和内壁之间径向贯穿设置有贯通孔，贯通孔的最小孔径大于或等于0.5mm；所述贯通孔构成扰流区域22，固体催化剂20的实心区域构成多孔介质区域21。

同时，上述固体催化剂20的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的凹穴11的水力半径，固体催化剂20的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

至此可知，上述三种类型的固体催化剂20，也即图3-5所示的可控结构催化剂的多孔介质区域21包含大量特征尺寸在微米量级的孔，其主要产生于催化剂载体成型过程；当第一流动工质通过多孔介质区域21时，其流动路径不可控，流动形式主要为浓度扩散；可控结构催化剂的扰流区域22则设置为孔和/或沟槽的组合，甚至可以是具有曲折路径的沟槽或轴对称的等径孔。扰流区的结构与形式可根据流体工质的物理性质、化学性质以及所需的传热-传质效果决定。扰流区域22的目的在于减少第一流动工质以渗透方式流过催化剂的比例，提高第一流动工质的紊流程度，降低催化剂导热热阻，提高第一流动工质的对流传热系数，以及通过定制催化反应路径，最终提高催化反应的选择性与转换率。

实施例1：

为便于进一步理解本发明，此处以甲醇重整制氢化学反应为例，主要步骤如下：

Sa.配置Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂所需浆料，然后采用数字光固化3D打印技术将浆料打印成可控结构的坯体，将坯体进行煅烧后形成催化剂载体，最后将活性组分加入载体干燥并煅烧后，形成具有可控结构催化剂。

Sb.通过化学刻蚀方法形成带有多级凹穴11的反应流道以及换热流道，将相应反应板和换热板按特定堆叠规律堆叠后，通过真空扩散焊形成芯体10。所述特定堆叠规律以两张反应板和两张换热板为子堆叠单元或者说子模块为例：两张反应板相互紧扣并且与另外两张换热板形成第一换热板10c-第一反应板10a-第二反应板10b-第二换热板10d的堆叠形式。在形成芯体10后，可以额外布置上夹持板和下夹持板；当然，也可以如图8所示的直接将芯体10的最上层换热板和最下层换热板与相应管箱固接。随后，将换热进口管箱41、换热出口管箱42、反应出口管箱32与芯体10焊接密封；在下一步完成固体催化剂20的填充步骤后，最后完成反应进口管箱31与芯体10的密封，反应进口管箱31与芯体10的密封方式可为机械密封或焊接密封。实施例1为方便催化剂的更换，采用更容易拆卸的机械密封。

Sc.在完成固体催化剂20的填充以及密封工作后，将载带固体催化剂20的扩散焊微通道反应器接入甲醇重整制氢的系统台。首先向反应侧持续通入提前预热的甲醇、水蒸气混合物，然后向换热侧通入洁净的高温导热油，在反应开始后，在反应出口管箱32处收集氢气，在换热出口管箱42处收集已经热交换后的导热油。

Sd.当需要更换扩散焊微通道内的固体催化剂20时：首先拆卸扩散焊微通道反应器，然后拆除反应进口管箱31，下一步向反应出口管箱32处通入高压干燥流体，如高压氮气或空气等，在将所有使用后的固体催化剂20吹扫出后，重新填充新的固体催化剂20，随后重新安装反应进口管箱31，最后再将更换固体催化剂20后的为微通道反应器置于甲醇重整制氢平台准备下一次的使用。

上述步骤Sa提供的整体性催化剂宏观结构，可参考图3所示，该固体催化剂20长度为10mm，外径为3.8mm，固体催化剂外缘设置有八个截面形状为矩形且长为1mm，宽为0.5mm的沟槽，沟槽中设置有等距且孔径为0.5mm的五个连通孔。

上述步骤Sb提供的反应板的反应流道为具有三级凹穴11的直流道，每个凹穴11的长度均为2mm，第一级的凹穴11的位置位于板1/2位置，该凹穴11直径为3.9mm；第二级的凹穴11位于板3/4位置，该凹穴11直径为3.8mm；第三级的凹穴11位于板7/8位置，该凹穴11直径为3.7mm，因此根据可控结构催化剂的外形尺寸，催化剂固定位置将从第二级凹穴11位置开始。

上述步骤Sc的甲醇水蒸气来自蒸发装置。先将甲醇水溶液通入蒸发装置，待甲醇水蒸气的温度通过电加热形式预热至100℃以上以后，将通入微通道反应器的反应侧中。其中，甲醇水蒸气的预热温度可根据反应需求进行调整，蒸发装置与芯体10间设置有调节阀，用于调节甲醇水蒸气的入口流量。此外，通入芯体10的换热侧的导热油温度控制在260℃至300℃之间，以提高甲醇的转化率，甲醇重整反应将持续自动运行，直至反应结束。

上述步骤Sd使用的高压氮气或者空气的压力在4MPa左右；在拆卸反应进口管箱31并重新安装前，应考虑更换新的反应进口管箱31与芯体10之间的密封垫。

至此可知，本发明的微通道反应器或者说微通道反应器，适用于温度敏感、需要固体催化剂20的化学反应例如醇类重整反应、烷类重整反应等场合下，也适用于对温度敏感但不需要固体催化剂20的化学反应，例如硝化反应等场合，也适用于需要在高压环境下进行的加氢反应的场合中。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：沿反应板的反应流道内的流体行进方向，在反应流道上设置有用于固定固体催化剂(20)的缩颈状的凹穴(11)；所述凹穴(11)满足以下关系式：

其中：

P_n为以反应流道的物料入口为坐标原点时，第n级的凹穴(11)的位置点，单位mm；

n为凹穴(11)的级数；

L为反应板的长度，单位mm；

D_n为第n级的凹穴(11)的凹陷幅度，单位mm；

i为凹穴(11)的缩颈段长度，单位mm。

2.根据权利要求1所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：所述固体催化剂(20)为外形呈空心直圆柱状的圆柱形可控结构催化剂，该固体催化剂(20)的外壁处设置有槽长方向平行固体催化剂(20)轴线的直通槽，直通槽槽底与固体催化剂(20)的空心通道之间依靠径向延伸的连通孔连接彼此；直通槽的最小深度大于或等于0.5mm；所述直通槽构成扰流区域(22)，固体催化剂(20)的实心区域构成多孔介质区域(21)；固体催化剂(20)的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的凹穴(11)的水力半径，固体催化剂(20)的长度为1～10mm，固体催化剂(20)的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：所述固体催化剂(20)为外形呈空心直圆柱状的圆柱形可控结构催化剂，该固体催化剂(20)的外壁和内壁处均设置有贯通固体催化剂(20)两端的W型槽，W型槽槽底与固体催化剂的空心通道之间依靠径向延伸的连通孔连接彼此；W型槽的最小深度大于或等于0.5mm；所述W型槽构成扰流区域(22)，固体催化剂(20)的实心区域构成多孔介质区域(21)；固体催化剂(20)的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的水力半径，固体催化剂(20)的长度为1～10mm，固体催化剂(20)的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：所述固体催化剂(20)为外形呈空心球状的球形可控结构催化剂，该固体催化剂(20)的外壁和内壁之间径向贯穿设置有贯通孔，贯通孔的最小孔径大于或等于0.5mm；所述贯通孔构成扰流区域(22)，固体催化剂(20)的实心区域构成多孔介质区域(21)；固体催化剂(20)的水力半径为0.5～2.5mm，且该水力半径小于反应流道的水力半径且大于凹陷幅度最大的凹穴(11)的水力半径，固体催化剂(20)的直径与反应流道的直径之差小于0.1mm。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：所述多孔介质区域(21)由煅烧工艺形成，多孔介质区域(21)内的孔洞直径为1～100μm，孔隙率为20％～45％。

6.根据权利要求2或3或4所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：催化剂更换方法包括以下步骤：

S1.拆卸反应进口管箱(31)；

S2.反应出口管箱(32)内通入高压干燥流体，使得高压干燥流体经由反应板的物料出口进入反应流道，反应流道内的原有的固体催化剂(20)被冲出；

S3.从反应板入口处向反应流道内填充新的固体催化剂(20)；

S4.将反应进口管箱(31)装回，完成催化剂更换流程。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：还包括芯体，芯体包括由上而下依序层叠布置的第一换热板(10c)、第一反应板(10a)、第二反应板(10b)及第二换热板(10d)，所述第一反应板(10a)和第二反应板(10b)的相邻面均凹设有凹槽(12)，以使得两反应板彼此贴合时，两反应板上的凹槽(12)彼此配合形成所述反应流道，第一换热板(10c)自带上换热流道或第一换热板(10c)处预制槽与第一反应板(10a)上板面配合形成上换热流道，第二换热板(10d)具备下换热流道或第二换热板(10d)处预制槽与第二反应板(10b)下板面配合形成下换热流道；沿平行芯体(10)的装配方向作投影面，上换热流道与反应流道之间以及下换热流道与反应流道之间的管口朝向均彼此交叉，反应流道与两换热流道的其余流道区域彼此重合。

8.根据权利要求7所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：以由上而下依序层叠布置的第一换热板(10c)、第一反应板(10a)、第二反应板(10b)及第二换热板(10d)为一组子模块，所述子模块为两组以上且沿芯体(10)的装配方向依序装配。

9.根据权利要求7所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：芯体(10)处的上换热流道和下换热流道在平行芯体(10)的装配方向的投影上彼此重合；芯体(10)的各换热流道的管入口及管出口处均分别布置换热进口管箱(41)和换热出口管箱(42)，芯体(10)的反应流道的管出口端和管入口端分别固接反应出口管箱(32)和反应入口管箱(31)，其中：

芯体(10)与反应进口管箱(31)之间通过螺栓(50)及密封垫形成可拆装的螺纹密封配合，芯体(10)另一端与反应出口管箱(32)之间焊接；换热进口管箱(41)和换热出口管箱(42)分别焊接于芯体(10)的两侧处。

10.根据权利要求9所述的一种载带催化剂的扩散焊微通道反应器，其特征在于：反应流道和各换热流道内的流体流动方向为顺流或逆流或错流或错逆流；凹槽(12)及两换热板处的预制槽(13)的横截面为水力半径为0.5～2mm的半圆形槽或半椭圆形槽或矩形槽或拱形槽，凹槽(12)及两换热板处的预制槽(13)的流道形式为直流道或波浪形流道或曲折型流道；各反应板和各换热板的材质为不锈钢或钛材或镍基合金或哈氏合金，各反应板和各换热板的加工方式为化学刻蚀或机加工。