仿生反应器概念与应用-上海
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仿生反应器通过动/静脉通道网络将反应物均匀送达床层每一
个局部，通过床层的距离短，有利于温度均匀化。 影响固定床传热特性的两个相互制约因素：冷量随气体从进口 端流入，吹冷固体；而热量从出口高温端向进口低温端传导， 加热气体。 仿生反应器通过通道网络将固定床分割为大量独立单元，床层 尺度越小，气速越低，温度梯度越大，对流与传导两种因素随 尺度减小而此消彼长，在一定的条件下达到平衡。
进料
进料
出料
单段反应器计算比较
普通固定床反应器
占地面积(m2) 床层厚度(m) 进口温度 进口压力
仿生反应器 0.253 1
1 0.253 743K 1.3atm
经过催化剂床气速(m/s)
处理量(m3/s) 催化剂当量直径(mm) 催化剂层厚度(m) 压降(Pa) 丙烯选择性 催化剂有效系数（丙烯为 基准）
当前工作——
合成气制乙二醇仿生反应器概念设计（与BASF合作） 过氧化氢催化分解仿生反应器设计 3D打印制备微型仿生反应器技术
Thank you !
多管蜂窝式仿生反应器
壁面可渗透
成型方法：整体成型烧结，3D打印
插管式固定床仿生反应器
动脉插管
静脉插管
多层径向流仿生反应器
动脉狭缝通道
催化剂填装层
静脉狭缝通道
加工方法：双层多孔网板分隔催化剂填充颗粒
适用过程——快速放热/吸热反应
• 甲烷水蒸气重整制氢 • 甲醇合成 • 氨的合成 • 乙苯脱氢制苯乙烯 • 甲苯歧化与异构化 • 汽油催化重整 • CO水汽变换 • 低浓有机尾气蓄热燃烧 • MTP与MTA • 合成气制乙二醇
0.95
1.10
1.25
1.40
R(mm)
单段床层计算
0.85
Selectivity of C3H6
百度文库
丙烯选择性随床高有一最 大值，由C5生成与裂解引 起。床层过厚选择性下降， 烷烃副反应增加。
0.80
0.75
0.70
结论—— MTP过程强化方向 • 催化剂小颗粒 • 反应器薄床层
（短接触时间）
0.65
温差 222 176 66 0.2 0.1
Catalyst
Catalyst
最低进口气体 396 347 277 252 230 温度℃
Catalyst
Catalyst
Catalyst
Catalyst
仿生催化燃烧器设计要点
多层平板型分布式进气/出气，堇青石负载钯催化剂薄板。 低的气体起燃温度使得尾气逆流换热成为可能，从而改蓄 热式燃烧为换热式燃烧。 反应器紧凑，可移动，定常稳态操作。
催化剂涂覆通道表面，负载量少 ——通道式反应器不能替代填充型反应器
汽车尾气净化用规整反应器
一种新的思路——仿生构型
压降与粒径的矛盾是现有固定床反应器的瓶颈。
产生上述瓶颈的原因是固定床的设计长期无法突破 单一通道进料、单一通道出料的构型设计思维定势 （one way in, one way out)，只考虑颗粒结构的局部 细化而不着眼于床层整体构型的改变。
0.879
0.879 2.8 0.253 1204.5 0.7173 0.274
0.737
1.553 1.4 0.12 1121.5 0.7710 0.484
案例2——低浓度瓦斯气催化燃烧
• 甲烷的温室效应是CO2的25倍，煤矿瓦斯气浓度低（1%以 下），量大，分离难，宜燃烧后再排放。
• 低浓度甲烷燃点高（900℃以上），高温燃烧预热难， NOx生成多。催化燃烧是当前的选择。 • 催化燃烧的难点是气体的预热，要求达到起燃温度400 ℃以上，多采用逆流蓄热燃烧（Reverse Flow Combustion), 以陶瓷/金属填料或蜂窝陶瓷为蓄热体。
新观点讨论
仿生反应器的概念及其应用
Bionic Reactor—— Concept & Application
浙江大学化学工程系 李 希 2013.12.23
固定床反应器的主要缺陷
• 压降大——流程长 • 温差大——传热差 • 颗粒大—— 快反应有效系数低
• 床内负荷不均匀
——固定床难以适合快速反应， 强放热反应
催化燃烧采用仿生反应器的原理：减小尺度，促进温度均匀，
降低气体起燃温度。
•床层分割示例
催化剂：堇青石负载钯 固定床厚度：0.4米 甲烷浓度：1% 接触时间：0.5秒
Catalyst
催化剂床 厚度m
0.4 0.3 0.2 催化剂厚度m
冷端温 热端 度℃ 温度 360 582
408 539 0.5 0.4 584 605 0.3
人体或动物体内部的流体循环体系是一种最佳的流 动分配与热、质交换系统，具有最低的压降，降低压 降的要点是采用了分布式动脉输送系统与分布式静脉 出料系统。
固定床仿生构型——从动物循环系统得到的启发与联想
Aorta Artery
Organism (catalyst) Capillary Brance vein Cardinal vein
案例1——甲醇制丙烯（MTP）
3 CH3OH → C3H6 + 3H2O
催化剂： ZSM-5 涉及的反应—— 1. 甲基化
2. 催化裂化
3. 加氢/脱氢
MTP 动力学
速率常数
甲基化： 1 71.31 116.1
活化能kJ/mol 动力学表达式
2
3
338.7
260.55
222.67
92.326
4
Learn from nature, learn from God！
多层芯片式仿生反应器
Product
芯片式整体催化剂+微换热器
A’ Porous catalyst Main channel
Feed
A
Branch channel
Exchanger chip Reaction chip
A
A’
成型方法：压模烧结
新型瓦斯催化燃烧器结构示意图
气体进口 动脉通道 气体出口 尾气换热器 催化剂 装填层 静脉通道
燃 烧 尾 气
小结
所谓仿生反应器，就是采用分布式的进料与出料通道 网络来将一个大尺度的固定床分隔为许多小尺度的独立单 元，这种分隔有两大优点：一是降低流动阻力，便于采用 小颗粒催化剂；二是温度与负荷相对均匀。仿生反应器适 用于快速放热催化反应过程的强化。
逆流蓄热催化燃烧器原
理示意图
Left Right
Monolith
问题——
体积大，空间利用率低，难 以移动；不定常操作，切换 频繁。
Monolith
Monolith
Monolith
Monolith
Monolith
Catalyst
Catalyst
Forward Flow
Reverse Flow
仿生反应器的一大优点：温度均匀
现有的技术措施
径向床
卧式床
整体催化剂 异型化催化剂 ——典型案例： 轻烃蒸汽转化
甲醇与二甲醚合成
乙苯脱氢 加氢重整与异构化 径向流动固定床（甲醇合成）
林达卧式床（1992）
——甲醇合成
形形色色的异 型化催化剂
——甲烷蒸汽转 化
蜂窝式规整反应器（monolith reactor)
单通道式反应器，压降低、成本低
3
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
R(mm)
1.0
颗粒有效系数与粒径关系——内扩 散控制
Internal Effectiveness Factor
0.8
METH C3H6 C4H8 C5H10 C6H12
0.6
0.4
结论—— MTP属于快速放热反应
0.2
0.0 0.35
0.50
0.65
0.80
15 16
0.7214
0.8840 1.3552
79.96
57.30 0.1672
150
单颗粒模拟
Rate(mol/m /s)
100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 0.0
rmeth rc4h8 rc6h12 rc2h4
rc3h6 rc5h10 rc7h14
反应速率沿粒径分布——反应区在 颗粒外表皮层
叠合裂化： 5 6 7
213.92
2866.7 221.22 75.701
55.256
45.337 14.091 4.5054
8
9
33.426
30.826 29.251 0.8333
119.46
3.03 167.18 38.92
氢转移：
10 11
12
13
54.207
0.5340
0.101
91.73
14
0.60
0.55 0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.24
0.28
0.32
L(m)
丙烯选择性沿固定床厚度的变化
固定床MTP反应器的新设计
现有的Lurgi固定床采用多段扁 平式催化剂床构型，颗粒大(当 量直径2.8mm);床层厚；气体均 布难；空间利用率低。
MTP适合采用多层多段仿生反应 器构型
更深层次的原因是，现有的有关反应器的研究，都 是将反应器作为催化剂的容器来考虑，计算其大小、 返混、换热，没有将其作为一个功能性的器官来考虑。
一种新的思路——仿生构型
如果将催化剂颗粒考虑为动物的细胞，床层比拟为
组织，通道比拟为血管，将反应器作为一个具有内部 结构组织的功能性器官来考虑，就可以得到大自然的 许多启发。 在通道设计方面，将一头进、一头出的模式改为分 布式进料、分布式出料构型，这是一种新的格局。
个局部，通过床层的距离短，有利于温度均匀化。 影响固定床传热特性的两个相互制约因素：冷量随气体从进口 端流入，吹冷固体；而热量从出口高温端向进口低温端传导， 加热气体。 仿生反应器通过通道网络将固定床分割为大量独立单元，床层 尺度越小，气速越低，温度梯度越大，对流与传导两种因素随 尺度减小而此消彼长，在一定的条件下达到平衡。
进料
进料
出料
单段反应器计算比较
普通固定床反应器
占地面积(m2) 床层厚度(m) 进口温度 进口压力
仿生反应器 0.253 1
1 0.253 743K 1.3atm
经过催化剂床气速(m/s)
处理量(m3/s) 催化剂当量直径(mm) 催化剂层厚度(m) 压降(Pa) 丙烯选择性 催化剂有效系数（丙烯为 基准）
当前工作——
合成气制乙二醇仿生反应器概念设计（与BASF合作） 过氧化氢催化分解仿生反应器设计 3D打印制备微型仿生反应器技术
Thank you !
多管蜂窝式仿生反应器
壁面可渗透
成型方法：整体成型烧结，3D打印
插管式固定床仿生反应器
动脉插管
静脉插管
多层径向流仿生反应器
动脉狭缝通道
催化剂填装层
静脉狭缝通道
加工方法：双层多孔网板分隔催化剂填充颗粒
适用过程——快速放热/吸热反应
• 甲烷水蒸气重整制氢 • 甲醇合成 • 氨的合成 • 乙苯脱氢制苯乙烯 • 甲苯歧化与异构化 • 汽油催化重整 • CO水汽变换 • 低浓有机尾气蓄热燃烧 • MTP与MTA • 合成气制乙二醇
0.95
1.10
1.25
1.40
R(mm)
单段床层计算
0.85
Selectivity of C3H6
百度文库
丙烯选择性随床高有一最 大值，由C5生成与裂解引 起。床层过厚选择性下降， 烷烃副反应增加。
0.80
0.75
0.70
结论—— MTP过程强化方向 • 催化剂小颗粒 • 反应器薄床层
（短接触时间）
0.65
温差 222 176 66 0.2 0.1
Catalyst
Catalyst
最低进口气体 396 347 277 252 230 温度℃
Catalyst
Catalyst
Catalyst
Catalyst
仿生催化燃烧器设计要点
多层平板型分布式进气/出气，堇青石负载钯催化剂薄板。 低的气体起燃温度使得尾气逆流换热成为可能，从而改蓄 热式燃烧为换热式燃烧。 反应器紧凑，可移动，定常稳态操作。
催化剂涂覆通道表面，负载量少 ——通道式反应器不能替代填充型反应器
汽车尾气净化用规整反应器
一种新的思路——仿生构型
压降与粒径的矛盾是现有固定床反应器的瓶颈。
产生上述瓶颈的原因是固定床的设计长期无法突破 单一通道进料、单一通道出料的构型设计思维定势 （one way in, one way out)，只考虑颗粒结构的局部 细化而不着眼于床层整体构型的改变。
0.879
0.879 2.8 0.253 1204.5 0.7173 0.274
0.737
1.553 1.4 0.12 1121.5 0.7710 0.484
案例2——低浓度瓦斯气催化燃烧
• 甲烷的温室效应是CO2的25倍，煤矿瓦斯气浓度低（1%以 下），量大，分离难，宜燃烧后再排放。
• 低浓度甲烷燃点高（900℃以上），高温燃烧预热难， NOx生成多。催化燃烧是当前的选择。 • 催化燃烧的难点是气体的预热，要求达到起燃温度400 ℃以上，多采用逆流蓄热燃烧（Reverse Flow Combustion), 以陶瓷/金属填料或蜂窝陶瓷为蓄热体。
新观点讨论
仿生反应器的概念及其应用
Bionic Reactor—— Concept & Application
浙江大学化学工程系 李 希 2013.12.23
固定床反应器的主要缺陷
• 压降大——流程长 • 温差大——传热差 • 颗粒大—— 快反应有效系数低
• 床内负荷不均匀
——固定床难以适合快速反应， 强放热反应
催化燃烧采用仿生反应器的原理：减小尺度，促进温度均匀，
降低气体起燃温度。
•床层分割示例
催化剂：堇青石负载钯 固定床厚度：0.4米 甲烷浓度：1% 接触时间：0.5秒
Catalyst
催化剂床 厚度m
0.4 0.3 0.2 催化剂厚度m
冷端温 热端 度℃ 温度 360 582
408 539 0.5 0.4 584 605 0.3
人体或动物体内部的流体循环体系是一种最佳的流 动分配与热、质交换系统，具有最低的压降，降低压 降的要点是采用了分布式动脉输送系统与分布式静脉 出料系统。
固定床仿生构型——从动物循环系统得到的启发与联想
Aorta Artery
Organism (catalyst) Capillary Brance vein Cardinal vein
案例1——甲醇制丙烯（MTP）
3 CH3OH → C3H6 + 3H2O
催化剂： ZSM-5 涉及的反应—— 1. 甲基化
2. 催化裂化
3. 加氢/脱氢
MTP 动力学
速率常数
甲基化： 1 71.31 116.1
活化能kJ/mol 动力学表达式
2
3
338.7
260.55
222.67
92.326
4
Learn from nature, learn from God！
多层芯片式仿生反应器
Product
芯片式整体催化剂+微换热器
A’ Porous catalyst Main channel
Feed
A
Branch channel
Exchanger chip Reaction chip
A
A’
成型方法：压模烧结
新型瓦斯催化燃烧器结构示意图
气体进口 动脉通道 气体出口 尾气换热器 催化剂 装填层 静脉通道
燃 烧 尾 气
小结
所谓仿生反应器，就是采用分布式的进料与出料通道 网络来将一个大尺度的固定床分隔为许多小尺度的独立单 元，这种分隔有两大优点：一是降低流动阻力，便于采用 小颗粒催化剂；二是温度与负荷相对均匀。仿生反应器适 用于快速放热催化反应过程的强化。
逆流蓄热催化燃烧器原
理示意图
Left Right
Monolith
问题——
体积大，空间利用率低，难 以移动；不定常操作，切换 频繁。
Monolith
Monolith
Monolith
Monolith
Monolith
Catalyst
Catalyst
Forward Flow
Reverse Flow
仿生反应器的一大优点：温度均匀
现有的技术措施
径向床
卧式床
整体催化剂 异型化催化剂 ——典型案例： 轻烃蒸汽转化
甲醇与二甲醚合成
乙苯脱氢 加氢重整与异构化 径向流动固定床（甲醇合成）
林达卧式床（1992）
——甲醇合成
形形色色的异 型化催化剂
——甲烷蒸汽转 化
蜂窝式规整反应器（monolith reactor)
单通道式反应器，压降低、成本低
3
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
R(mm)
1.0
颗粒有效系数与粒径关系——内扩 散控制
Internal Effectiveness Factor
0.8
METH C3H6 C4H8 C5H10 C6H12
0.6
0.4
结论—— MTP属于快速放热反应
0.2
0.0 0.35
0.50
0.65
0.80
15 16
0.7214
0.8840 1.3552
79.96
57.30 0.1672
150
单颗粒模拟
Rate(mol/m /s)
100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 0.0
rmeth rc4h8 rc6h12 rc2h4
rc3h6 rc5h10 rc7h14
反应速率沿粒径分布——反应区在 颗粒外表皮层
叠合裂化： 5 6 7
213.92
2866.7 221.22 75.701
55.256
45.337 14.091 4.5054
8
9
33.426
30.826 29.251 0.8333
119.46
3.03 167.18 38.92
氢转移：
10 11
12
13
54.207
0.5340
0.101
91.73
14
0.60
0.55 0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
0.24
0.28
0.32
L(m)
丙烯选择性沿固定床厚度的变化
固定床MTP反应器的新设计
现有的Lurgi固定床采用多段扁 平式催化剂床构型，颗粒大(当 量直径2.8mm);床层厚；气体均 布难；空间利用率低。
MTP适合采用多层多段仿生反应 器构型
更深层次的原因是，现有的有关反应器的研究，都 是将反应器作为催化剂的容器来考虑，计算其大小、 返混、换热，没有将其作为一个功能性的器官来考虑。
一种新的思路——仿生构型
如果将催化剂颗粒考虑为动物的细胞，床层比拟为
组织，通道比拟为血管，将反应器作为一个具有内部 结构组织的功能性器官来考虑，就可以得到大自然的 许多启发。 在通道设计方面，将一头进、一头出的模式改为分 布式进料、分布式出料构型，这是一种新的格局。