微通道反应器的发展及应用

穆昕（新兴能源科技有限公司，辽宁 大连 116083）

微通道反应器的发展及应用

穆昕（新兴能源科技有限公司，辽宁 大连 116083）

本文概述了微通道反应器的性能，包括制备材料、制备技术和催化剂填充方式，列举了微通道反应器在制氢系统中的应用，并与传统反应器对比，显示其优势，也提出亟待解决的问题。

微通道；反应器

微化工技术是20世纪90年代初顺应可持续发展与高技术发展的需要而兴起的多学科交叉的科技前沿领域[1,2]。微通道反应器具有一定的特征尺度，通道尺寸通常都是微米级(＜1000μm)或是亚微米级(1000μm到几厘米)，明显小于常规反应器(几英尺或更高)。由于微反应器在传质[3]、传热[4,5]方面的表现都明显优于传统反应器，小尺寸、较大的比表面积、规整的微通道使它便于运输又安全快捷。因此，国内外研究微通道反应器的人越来越多。

1 微通道反应器的性能概述

1.1 材质的选择

制备材质的选择必须考虑其化学兼容性、热性能适应性和结构可靠性。表1列举了几种加工微反应器常用材料的优点和缺点。

表1 微反应器材质优势和缺点

1.2 制造技术

很多制造技术都是为了组装一个高效而紧凑的微型反应器。主要的方法有：LIGA技术、湿法和干法蚀刻过程、显微机械加工、叠片技术和软平版印刷术。

1.3 催化剂的填充方式

按照催化剂的形态和填充方式，可以将微通道反应器分为填充床微反应器、结构催化剂反应器和壁载催化剂反应器。

1.3.1 填充床微反应器

填充床微反应器是直接将催化剂粉末/颗粒填充到微反应器中。这是最简便易行的方法，适用性广[6]。优势是：成本低、催化剂实用性高、重复性好，并对催化剂性能有较充分的认识，同时微通道高的传质、传热速率能提高催化剂性能。但是这种方法会导致床层内压降的增加，且由于粉末或颗粒难以实现规则堆积，会降低温度和浓度分布的均匀性。高流率时可能产生沟流和短路，也可能堵塞。

1.3.2 结构催化剂反应器

鉴于填充床微反应器的缺点，将催化剂粉末/颗粒担载到具有一定结构的支撑体中，可制成结构催化剂反应器。由于结构支撑体中有大量开放的空隙（直径一般在100μm～300μm之间），既保证气体渗透性，又能降低通道阻力降；另外，用于填充床的传统催化剂一般都可以制备成结构催化剂，保证了催化剂大范围的可用性和高度重复性。

1.3.3 壁载催化剂反应器

催化剂壁载技术[7,8]是为了将微反应器应用到多相反应中而发展起来的，在反应器壁上沉积催化剂的技术包括：涂层涂覆法、喷涂法、气溶胶喷射、以及气相沉积薄膜法。

涂层涂覆法与传统的自耦变压器中催化剂制备工艺很相似，能够在反应器壁上形成高比表面积的催化剂薄层，比传统的小球或挤压出的条状催化剂利用率更好。但由于表面张力不均匀，所用溶液很容易聚集在反应器的死角中。气溶胶喷射技术，催化剂将直接沉积在反应器单片上，可以直接在成型的通道上喷射。喷涂法可以使催化剂分布位置更精确，但沉积后必须将系统密封，这样就不能进行其他操作，譬如扩散焊。气相沉积法，包括电子束沉积、无线电频率(RF)喷射、热蒸汽、化学蒸汽沉积(CVD)以及反应化学蒸汽沉积，应用这些技术形成光滑的表面，被加热活化后变得粗糙，表面积增大，但不能得到和涂层涂覆法一样的表面积。物理沉积，和真空喷射一样，在不平的表面上很难得到均匀的涂层。

2 微通道反应器的应用

很多研究机构将微反应器用于制氢过程，体现了很多优势。德国IMM[9]借助微通道结构，开发了30-100W甲醇燃料处理器，重整催化剂是壁载Cu/Zn催化剂。瑞士Reuse等人[10]与德国Karlsruhe研究所合作开发了不锈钢微通道反应器（图1），利用两个独立通道将甲醇水蒸汽重整和燃烧反应耦合。

图1 微通道反应器

3 和传统反应器的对比

对于制氢，微通道反应器有很多优势。首先，体积减小，便于放大。其次，优良的传质、传热特性保证反应所需的热量，微反应器高效的传热性能有可以恰到好处的解决外部热源向反应器的传递。第三，由于催化剂用量少成本低，可以用贵金属第八族金属来研究水蒸气重整本征动力学。

同时，也存在很多问题有待解决。首先，散热损失严重。在微系统中，管道和设备相对于反应器而言是大的，由散热造成的能量耗损不容忽视。其次，效率问题。目前为止，很少有关于系统效率的报道，即便报道，也是基于对其他组成部分效率的假设而做出的评估值。另外，还存在污垢敏感性问题、高产率时系统潜在的阻力降、微系统的密封问题和检测手段等问题。

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

穆昕（1980-），女，汉，辽宁，中级工程师，博士，从事微型甲醇制氢反应器的研究。