[发明专利]一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用，铁基微反应器以铁基合金粉末为材料进行3D打印成形，铁基微反应器包括设有下端进气口和上端出气口的催化主体，催化主体包含外壳和设置在外壳内部的隔热层、催化床层以及预热通道，隔热层位于催化床层和外壳之间，催化床层上、下两端分别设有便于气体流通的上端空隙和下端空隙；预热通道围绕在催化床层的外侧，预热通道的进口与下端进气口相连接，预热通道出口从催化床层的下端空隙处通入催化床层内部。铁基微反应器用于热化学合成氨的反应。本发明设计合理，采用逐层打印的选择性激光熔化技术手段制备具有氨合成催化特性的铁基微反应器，有效地提高了合成氨催化的可能性和稳定性。

技术领域：

本发明属于催化技术领域，尤其涉及一种用于合成氨的铁基微反应器及其制备方法和应用。

背景技术：

氨是地球上的生命赖以生存的物质，对人类的生产生活至关重要。合成氨是化学工业的支柱产业，具有产量大、能耗高的特点。此外，氨可用作制冷剂及其他化工产品，对国民经济和国防安全具有重大意义。目前合成氨的主要工艺是哈伯-博世（Haber-Bosch）工艺，在20世纪初，Fritz Haber和Carl Bosch利用高效催化剂，在高温和高压条件下用元素氮和氢成功地合成了氨，被认为是人类历史上最重要的发现之一，可为全球70%以上的人口解决粮食问题，但是该工艺通过使用矿物燃料作为原料（天然气，石油和煤炭），消耗全球2%左右的能源，并产生全球近3%的二氧化碳排放量，目前是全球最大的能源消耗者和温室气体排放者之一。但随着人口的迅速增加，能耗量及二氧化碳排放量将随之急剧增加，故此促使研究人员寻求替代优化方案。

发明内容：

本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种用于合成氨的铁基微反应器，设计合理，能够提升催化剂与反应器的热扩散效率，具有良好合成氨性能。

还提供一种用于合成氨的铁基微反应器的制备方法。

还提供一种用于合成氨的铁基微反应器的应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于合成氨的铁基微反应器，所述铁基微反应器以铁基合金粉末为材料进行3D打印成形，铁基微反应器包括设有下端进气口和上端出气口的催化主体，所述催化主体包含外壳和设置在外壳内部的隔热层、催化床层以及预热通道，所述隔热层位于催化床层和外壳之间，所述催化床层的上、下两端分别设有便于气体流通的上端空隙和下端空隙；所述预热通道围绕在催化床层的外侧，预热通道的进口与下端进气口相连接，预热通道的出口从催化床层的下端空隙处通入催化床层的内部。

进一步的，所述预热通道设有四组，每组预热通道均呈上凸形抛物线状。

进一步的，所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层包括多块竖直平行排列的直板，相邻两块直板之间具有空隙。

进一步的，所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层包括多块由中心向外辐射状排列的直板，相邻两块直板之间具有空隙。

进一步的，所述催化床层的截面呈圆形状，催化床层呈蜂窝状结构，催化床层的孔洞呈正方形。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种用于合成氨的铁基微反应器的制备方法，包含如下步骤：

步骤S1：利用计算机辅助软件设计铁基微反应器的三维模型，将三维模型数据通过计算机进行数字化处理；

步骤S2：以铁基合金粉末为打印材料，利用选择性激光熔化3D打印机打印成形得到铁基微反应器；

步骤S3：将步骤S2打印得到的铁基微反应器进行切割、打磨和抛光，获得具有光滑平整外壁的铁基微反应器。

进一步的，在步骤S3中对制得的铁基微反应器进行高温焙烧，焙烧处理的温度为600～1000℃，焙烧时间为30～48h。

本发明采用的另外一种技术方案是：一种用于合成氨的铁基微反应器的应用，所述铁基微反应器用于热化学合成氨的反应。