[发明专利]利用高效蒸发冷却进行非均相催化放热反应的微结构反应器

说明书

本发明涉及用于进行催化反应的微结构反应器。

微结构反应器已经在各种实施方式中实施，并且已经在某些应用中商业化用于微工艺技术。它们的设计特别考虑了微技术的边界条件。微结构反应器至少包括但不限于：具有至少一个流入和至少一个流出的反应区。在反应区中发生受控反应，由此在至少一个反应区中使用催化剂。一实施方式也可以不用催化剂。作为基本原理，反应区可以设计成使得流体合并和/或分支的混合井或连续流井。

通常对简单的交叉流和逆流或并流过程进行区分。在许多情况下，存在类似交叉流的共享。如果使用未经过相变的冷却剂，则结果是整个系统的板内的不同反应通道的冷却能力不均匀。每个冷却通道所经过的反应通道的数量是不同的。温度升高导致下面的冷却通道中出现更高的温度。由于化学反应的反应速率相对于特定反应通道中温度呈指数上升，这导致冷却剂的冷却能力与反应放热的能力之间的额外冲突。此外，流体的粘度发生变化，这又导致在各个通道上以及在冷却板和反应板上介质的不均匀分配，这也是人们所不希望的。就此而言，反应介质的不均匀分配是一个问题，因为这自然而然地意味着不同的停留时间。

在蒸发冷却的情况下则更加复杂。当使用冷却剂时，如果保持单相，则待去除的热量沿反应通道发生变化。就至少部分存在的交叉流设置而言，这意味着不同程度的蒸发。这对于在整个过程中将所产生蒸汽用于其他子系统来提高整个过程链的效率来说是不理想的。对于冷却剂的可实现的总体蒸汽程度，该均匀分配有额外负面影响。因此，蒸汽首先在反应进行得更快的区域上释放。在此处发生的冷却剂速度的增加导致通过涉及整个系统中的压力交流来降低特定冷却通道的通过量，并且因此增强了冷却剂在板的通道之间不同蒸发程度的影响。此外，反应的温度控制更加困难。纯蒸汽通过的反应通道不能再充分冷却，因为蒸汽的质量流量和比热容要小得多。

此外，为了带走反应的热量，催化反应(所有情况下>90％)的大体常规面积和体积要求远远大于所需的通道表面。这意味着具有冷却通道的平面通常会严重尺寸过大。换句话说，根据一个观点，可能的传热系数比所需的传热系数更高。此外，由反应和冷却组成的每对板的可计算的热流大于待转移的反应焓。该事实可能额外增加了相对于反应通道的横向地局部不均匀蒸发的影响。这是因为冷却剂的蒸发可能会更早发生并提前完成。在极端情况下，蒸发过程可能在实际的冷却通道和冷却剂在反应通道纵向上的分配变得更加困难之前进行。由于反应通道的通常垂直取向，这意味着冷却通道的分配同样垂直地发生，并受到重力的影响。因此，通过在冷却通道前面形成气泡，最终可以防止进入某些区域。

现有技术中存在解决突出问题的几种解决方案。在WO 002004017008中描述了在微通道中具有相变的流动控制。WO 002004037418描述了具有填充催化剂的交叉流型的构造，其中催化剂是分级的，以控制所产生的热量。通过压力影响通道结构中分配的可能性在WO 002005044442中提及。在WO 002005075606中，提出了在微反应器(>25％钴负载)中使用助催化剂的费-托合成方法。该文件还涉及沿反应区使用不同数量的通道以使得反应冷却的可能性。继而，从WO 002005082519已知用不同冷却剂的温度梯度的可能性。WO 002005065387的内容原则上是使用反应区进行蒸发的可能性。WO 002011075746公开了通过加强侧壁防止微通道的槽形设计过度变形的必要措施。WO 002012054455和WO 2011134630总体上显示了具有部分交叉流设置的冷却剂中的反应物气体的分布、部分添加反应物和热量交换。最后，US 6994829描述了使用(曲折的)小通道进行蒸发，并与在直的较大的通道中随后进行过热处理。由US 7014835和DE 10044526已知两种反应的联系。由DE 102005022958公开了使用柱状结构与反应物进料进行多相反应。在DE 10201210344中提出了具有中间冷却的催化反应的连续实施。

在这些文献中都没有描述用于在完全蒸发但不一定过热的交叉流型结构中高效分配冷却剂的必要措施。将部分添加用于反应，并且提出分级催化剂床/冷却区用于更好的冷却。

因此，本发明的目的在于解决所述的问题。更具体地说，通平行分配结构在整个反应器中达到均匀温度的难题仍然存在。

该目的通过用于在两种或更多种反应物之间进行放热反应的微结构反应器实现，所述反应物以流体形式在一种或多种催化剂上通过，所述微结构反应器包含如下的至少一种堆叠序列：

a)至少一层具有用于进行至少一种放热反应的一种或多种催化剂的层；