一、研究背景

01、背景说明

近年来，国内外能源、交通、电力、电信等领域对储能技术进行了广泛的关注。可再生能源的自然间歇性导致了各种储能方法的探索，根据具体方式，机械储能、可分为电子储能和化学储能。压缩气体和液体燃料（如氢、甲烷、氨、甲醇、乙醇）是电池，比飞轮和压缩空气存储系统具有更高的能量密度和存储容量。基于化学燃料转换的固定发电机组（例如燃料电池或燃气轮机用于燃料转换装置）可以连续工作，汽车等移动设备可以在几分钟内补充燃料。此外，用于车辆/移动应用的燃料处理器和燃料电池的组合消除了对车辆储氢容器的需求[1].化学储能方法的最大限制可能是相对较低的往复能量效率和较高的初始资本成本[2].对于甲烷和甲醇燃料，电和电的效率通常在33%-45%之间，最大的能量损失可能源于电解质和燃料电池[3-4]。燃料处理器与热电系统结合时效率可以达到90%以上。

传统上进行燃料加工有两个原因：（i）用于发电，（ii）将其加工成具有较高币值的化学品。这两个工艺都可以受益于微工程反应器技术（如微通道或单体）。这本质上都支持流程增强的概念。如果蒸汽被重新定义，部分重整燃料燃烧以提供吸收热量所需的热量[5-6].冷却适用于一些氧化重整和合成反应。这些反应在空间隔离的微通道中进行热耦合，提供亲密的热传递，从而形成板式换热器的设计。与类似规模的普通固定床或流化床反应器相比，这些反应器可以提高催化剂的生产效率。[1,7-10]。这是因为催化剂的表面体积比现有催化剂高10-100m2/m3。此外，模块化设计可以通过简单的外部并行编号处理器来扩展设计能力。或者，通过增加通道的长度和数量来更好地指定内部编号。密切的电热特性具有经典性（大多数情况下是金属）。反应器壁或附近反应的结果（如催化剂沉积的壁面分离微通道）[11-13]。因此，放热反应的热回收或吸热反应的供热可能非常有效，但通过强化热特性[14]来减少热损失也是必须的。

02、微通道

微通道反应器发展状况

微化工技术是用于农药、医药等化工中间体的化学合成技术，是利用过程强化技术实现绿色合成的新技术。微通道反应器是近20世纪90年代初出现的新型反应器，是化学工业、农药、精细化工、在中间体等方面的应用日益广泛，成为化工过程强化领域的重要发展方向之一，其中微通道燃料处理器包括美国Batelle、PNNL、杜邦、麻省理工学院、佐治亚理工学院、德国勃朗和飞IMM、KIT公司；接受了包括英国纽卡斯尔大学等在内的一些公司和机构的调查。这导致了工业规模的FT合成反应器（Velocis，Inc）、模块化合成甲烷和FT反应器单元（INERATEC GmbH）、多千瓦燃料制氢重整器（Fraunhofer IMM）成长起来了。到目前为止，微通道技术最伟大的产业手段是开发出用生物质衍生的合成气生产合成燃料的微通道反应器的美国公司Velocis，可以说是Inc。微通道反应器技术是模块化FT合成反应器的核心，每个微通道堆栈（0.6x0.6x0.6m）的标称容量为36桶/天。这家位于俄克拉荷马城的工厂由ENVIA能源运营，此后一直在进行财务重组。

微通道反应器简介

微通道反应器是一种新型的、微型的、具有连续流动的管状反应器。该反应器内的微通道由精密加工工艺制成，其特点尺寸一般为10~1000微米。微通道反应器的“微”不是指微反应器的外形和低产量，而是指流体通道在微米或毫米水平。微通道反应器可能包含大量的微通道。这些通道可以使流体以一定的物理状态在反应器内进行组合流动，达到较高的产率。

微通道反应器根据加工条件，利用玻璃、硅片、石英、氟聚合物、金属及陶瓷等原材料进行蚀刻，可采用光刻及机械加工等制作工艺技术加工，它的流道直径一般为微米至毫米，比一般的管式反应器小得多，但这个尺寸在分子层面的反应仍然很大，使用微反应器无法改变反应机制和本质动态。可以改变电热、传质、流动的方式，加强化学工程。

微通道反应器是一种特殊的微观结构，是微反应器的核心，可以根据微观结构设计不同类型的微反应器，微反应器的设计和制造有将两个反应物混合在一起制造一个产品的管状结构，也有注射、混合、淬火、结晶、提取、包装、还有集成相分离等多种功能的微反应器。微反应器应具有耐腐蚀性、耐高温（200℃）、耐高压（100bar）、抗各种化学反应能力强、传热传质能力强。关于连续化工业的发展，不仅需要高质量电热、超高通量、耐高温、高压，而且需要连续关闭，需要快速可控、放大简单、机械连接容易拆卸和维修，这是加强“更好”、“更快”、“更经济”、“更安全”化工工艺的重要手段。

微通道反应器的应用

微流道反应器是一种理想的快速化学反应方法，支持抑制传质限制，实现等温条件下的动力学测量。微流道反应器可应用于以下反应：1。反应本身速度很快，但由于转移过程的限制，反应整体速度较慢。这种反应大部分是液-液多相反应，还有液-液萃取等物理过程。反应本身迅速，但反应强度大，散热大，产品容易破坏。这些反应主要有硝化、重质化以及部分水解和烷基化反应。3.必须严格控制反应器内的流动状态，其中以纳米粒子合成为主。微通道反应器的多功能不仅是化学反应器/热交换器，它们本质上是微混合器，可以在一个装置中合并多个反应步骤[17]，例如，在反应器内设置特定的温度剖面，可以提高平衡限制过程（如甲烷化和水气转换过程）的性能。

微通道反应器的独特之处

与普通化学装置相比，内径较小，具有较短的流体薄层间距，利用液体微团的介观粘附和分子扩散，反应材料之间可以发生快速的微观混合，较大的比表面积使得流体与管壁之间有足够的接触区域，可以显著提高传热效率，在反应中就地进行有效的传热。有，反应器通道内微小的持液量使本反应器具有明显的安全性；这种反应器可应用于快速混合、强放热和易燃易爆的化工反应过程。可显著提高过程安全性，应用于实现连续化操作的过程。使用微通道反应器进行燃料处理的基本优点之一是对产氢燃料的改造（最终发电）。负荷跟踪能力取决于电力需求。同样，考虑到将可再生能源转换为用于储能应用的燃料，可再生能源的自然间歇性决定了反应堆的吞吐量。在一定程度上，缓冲（例如储氢）储存，可以缓解反应器的负荷变化程度，微型工程反应堆内的亚秒接触时间允许他们快速调整这些工艺要求，相反，传统的反应堆由于它们的大尺寸和斜坡速度（动态）的限制，更适合连续稳定的处理。

二、微通道反应器

01、通道反应器改进

根据上述微通道反应器的特点描述，本文重点总结了微通道流动布置（逆流和空流）和各自的流量布置限制。本摘要介绍了这些方面的优势和在特定情况下的局限性，以及解决这些问题的方法。

02、流程配置的优势

逆流流动

在低导电壁材的逆流配置中可以获得较高的温度。在特定情况下，在增加反应堆吞吐量的情况下，使用高导电材料可以使放热反应（如水基转移和甲烷化）发生高转化。对于与燃烧相结合的重整反应，燃烧区和重整反应区之间的空间偏析提供了反应的稳定性，但也存在热刺激损伤催化的危险[54].因此，逆流操作的适用性很可能仅限于均相反应和高耐热建筑材料。

但有趣的是，水气田沿着[18,19]或二氧化碳甲烷化[20,21]等微通道下降的温度梯度可能会引起放热反应。通常，大多数反应物在高温区切换，但靠近反应器出口的较低温度会有利于切换（改善平衡）。为了达到，这是一个调节阶段。Kolios等[22,23]也进行了类似的观察，利用下游较低的温度作为水气转换阶段来调节甲醇蒸汽重整产物。高活性重整催化剂也可以平衡甲烷化反应和水气转换反应。

空流流动

由于微通道轴向的局部反应区域重叠，壁热导率，在燃烧和重整流速相近的情况下，空馏重整反应器运行表明可以降低设备的温度，一般来说，吸热重整反应的流入起到散热器的作用，将放热反应释放的最大热量远离微通道下游的入口，与逆流相比流动，因此非相当好的工作方式。

吸热和放热反应领域的重叠，确保了利用全轴尺寸微通道的反应。散热和散热比逆流操作更加温和，横向热平衡主要由各自的反应区域决定。只有在热交换器反应器中应用固定催化剂床时，才能出现传热限制。从涂层板的一层催化剂到另一层（涂层图）的电热是微不足道的。

热点的形成和大的温度梯度被最小化，允许对反应堆体施加最小的热应力。更低的设备温度允许更稳定的催化剂运行和寿命，为微通道反应器开辟更多种类的建材。但是，如果设备主蒸汽转化反应区温度不足，吸热反应的不良转化可能导致，操作流量要慎重选择。

03、每个流量配置限制的摘要

逆流流动：逆流运行中蒸汽重整与燃烧相结合时，反应器温度过高（热点）；特别是使用低导电墙材或容易产生不平衡流量（燃烧过高或重整流量过低）。为了达到最佳生产能力，逆流设计中获得的高温可能会使可燃反应物产生均相燃烧（混合燃烧/均相燃烧不再讨论）。

但是，重整流程出口气体温度较高，导致碳氢化合物重整过程中CO含量较高等产物选择性不同程度地降低，不利于以低温PEM燃料电池为目标的制氢，对于高温SOFCs来说，蒸汽转化的主要产物CO应该不是问题，过高的壁面导热也不是问题。使用系数，由于轴向热再循环，热交换器概念的有效性会丧失，如前所述，逆流反应器中经常遇到的温度梯度对水气化和甲烷化等放热平衡反应具有明显的优势。

空流：在与燃烧反应的反应速度相似的情况下，与逆流反应相比，由于空流配置，重整反应的反应速度较低，而吸热区容易发生“热坍塌”，如反应温度过低，无法达到明显的转变。

过度的重整/冷却流量会导致动态温度波沿反应器长度传播，最终导致热崩溃。热力学限制的放热反应（例如甲烷化反应）当是这种热源时，通常会发生这种情况。整个微通道的长度用于反应，入口附近的典型热点是边缘。对于燃烧反应（快速发生），供应量或配置（剩余空气）、只能通过冷却流量或设计壁电导率较高的反应器来控制热点。

三、总结和展望

01、研究结论

该文综述了微通道反应器的优点和特性，已被证明适用于异质/均质燃烧、化学品合成、燃料重整、甲烷化、变换反应和净化系统。对于各工艺，一定的热效应有利，逆流流动（一般均衡有利条件）；可在空流流动（最高温度操作限制）中配置微通道反应器实现。

02、展望

在倡导“绿色化学”的今天，人们为了取代传统的化工合成，急需寻找对新型环境友好的新型工艺和工艺。近年来，连续流动微反应技术提高了安全性，降低了材料消耗，提高了废弃物利用率，增强了回收潜力，由于化学选择性好、反应速度快等自身优点，得到了广泛的认可和应用，但连续流微反应器由于生产成本高、原料要求严格，目前仍只在少数实验室及制药企业应用，其实际应用尚未充分发挥，我们对这些仪器相信酒将在未来的岁月里取得前所未有的发展，并将被越来越多的化学和医药工作者使用。