[發明專利]氣固相連續光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器及方法

在審

• 申請號: 202210272246.9
• 申請日: 2022-03-18
• 公開（公告）號: CN114768690A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 白婷;劉全興;曹彬;王進
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: B01J8/06
• 分類號: B01J8/06;C07C29/50;C07C31/04
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 郝燕燕

一種氣固相連續光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器及方法，底板上設置有圓柱形的反應器主體，反應器主體中部設置有反應板，位于反應板上方反應器主體上設置有透光片，反應板與透光片之間形成反應腔體，反應器主體上加工有與反應腔體相連通的進氣通道和出氣通道，位于透光片上方反應器主體上連接有環形的蓋板；將一定量催化劑粉末鋪于催化劑裝填區，用原位壓制模具對催化劑粉末進行壓制，在低溫、常壓的反應條件下，甲烷和氧化氣的混合氣體進入反應腔體內，在光照下與催化劑接觸并發生反應，反應后的混合氣體經冷凝分離出甲醇。本發明具有催化效率高、催化劑容易卸載和回收、易清洗的優點。

技術領域

本發明屬于化學反應設備技術領域，具體涉及到一種氣固相連續光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器及方法。

背景技術

甲烷是天然氣、頁巖氣、煤層氣、可燃冰等含碳資源的主要成分，在世界范圍內儲量可觀，除了被直接用作燃料之外，還可以作為原料來合成高附加值產品。甲醇是重要的基礎化工原料，又可以作為清潔燃料，是甲烷轉化的最理想產品，保留了甲烷的絕大部分能量。將甲烷轉化合成甲醇，有利于實現甲烷資源的高效利用，同時解決了氣態甲烷儲存和輸送成本高的問題，是天然氣優化利用中極具吸引力的途徑之一。

目前工業上通常采用甲烷間接合成甲醇法，即先由甲烷和水蒸氣反應生成合成氣，再由合成氣生產甲醇，存在反應溫度高，工藝流程長，能耗和設備投資均較大等缺點。甲烷直接氧化制甲醇可大幅縮短工藝流程，降低能耗。該技術主要面臨兩大難題：一是甲烷分子的碳氫鍵解離能很大(439.3kJ/mol)，活化困難；二是甲醇分子較活潑，容易被過度氧化為二氧化碳。因此高效活化甲烷并控制其氧化程度，抑制甲醇的過度氧化顯得尤為重要。

光催化甲烷直接氧化為甲醇是理想的反應途徑。與傳統熱催化反應相比，光催化反應從高能量的甲烷激發態出發，能夠實現很多傳統基態條件下無法自發進行的轉化過程或降低催化反應所需要的溫度，實現在溫和條件下甲烷的轉化，并減少副反應的發生。隨著光催化甲烷制甲醇技術的發展，可分為氣液固多相和氣固相反應，多為間歇過程。迄今為止，鮮見關于氣固相光催化甲烷直接氧化制甲醇反應的研究報道。

光反應器是光催化反應過程的核心設備，然而有關氣固相光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器的開發嚴重滯后于光催化劑的研究和發展。目前，用于氣固相光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器主要有流化床光反應器和固定床光反應器，存在以下問題：(1)流化床光反應器通過催化劑的懸浮分散提高了催化劑的有效利用面積，但催化劑回收和后處理較困難，重復使用性差，反應器內光分布不均勻。(2)固定床光反應器雖然解決了催化劑回收和重復使用的問題，但存在有效催化面積小、傳質傳熱效率不高、床層溫度不容易控制等缺點。(3)目前光反應器內的流體通道都處于常規尺度，不可避免地存在熱質傳遞受限、光子傳輸受限、反應器體積大、處理量小等缺點。

發明內容

本發明所要解決的技術在于克服現有技術的缺點，提供一種設計合理、操作方便、催化劑容易卸載和回收、催化效率高的氣固相連續光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器及方法。

解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種氣固相連續光催化甲烷直接氧化制甲醇的反應器，底板上設置有圓柱形的反應器主體，反應器主體底部設置有換熱槽，底板上設置有與換熱槽相連通的入口和出口，反應器主體中部設置有反應板，位于反應板上方反應器主體上設置有透光片，反應板與透光片之間形成反應腔體，反應器主體上加工有與反應腔體相連通的進氣通道和出氣通道，位于透光片上方反應器主體上可拆卸連接有環形的蓋板；所述反應板為反應板本體上表面上從一端到另一端依次加工有相連通的原料氣混合槽、氣體分布槽、反應通道區、氣體收集槽，原料氣混合槽底部加工有與進氣通道相連通的第一通氣孔，氣體收集槽底部加工有與出氣通道相連通的第二通氣孔，原料氣混合槽和氣體分布槽及氣體收集槽的深度相同，反應通道區由至少條反應通道組成，反應通道的底低于原料氣混合槽的底形成催化劑裝填區。

作為一種優選的技術方案，所述反應板的原料氣混合槽是一長邊為圓弧的長方形槽，所述氣體分布槽是等腰梯形槽，所述氣體收集槽是等腰三角形槽。