隨著社會(huì)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)化工行業(yè)所面臨的能耗問題、安全問題、環(huán)境問題日益突出,探索更為高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的反應(yīng)途徑顯得越發(fā)重要。微化工技術(shù)也因此應(yīng)運(yùn)而生,并迅速成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。作為微化工技術(shù)的核心,微反應(yīng)器由于具有優(yōu)異的熱質(zhì)傳遞性能、安全性高、操控方便連續(xù)、放大設(shè)計(jì)容易、易于工業(yè)放大等突出優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為對(duì)實(shí)現(xiàn)化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。微反應(yīng)器內(nèi)存在復(fù)雜的兩相流動(dòng)、物質(zhì)傳遞及物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題。微反應(yīng)器內(nèi)催化層的性質(zhì)、多相流動(dòng)與物質(zhì)傳遞轉(zhuǎn)化的相互作用關(guān)系對(duì)微反應(yīng)器的性能具有關(guān)鍵的影響。雖然微反應(yīng)器已被廣泛的研究,但是主要工作還是集中微反應(yīng)器內(nèi)催化層的制備和在無反應(yīng)或有體相反應(yīng)時(shí)微反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)行為和物質(zhì)傳遞特性的研究;而對(duì)常見的多相催化反應(yīng),研究工作主要還是側(cè)重于微反應(yīng)器性能的評(píng)價(jià)。微反應(yīng)器內(nèi)耦合催化反應(yīng)邊界的兩相流動(dòng)和物質(zhì)傳遞及轉(zhuǎn)化特性還不明晰。針對(duì)上述問題,本文以具有廣泛工業(yè)應(yīng)用背景的硝基苯加氫制苯胺這一多相催化反應(yīng)為研究對(duì)象,首先對(duì)微通道內(nèi)催化層的制備展開了研究,提出了二次還原無電化沉積法在微通道內(nèi)制備了具有高催化活性的催化層;基于該方法制備的微反應(yīng)器,通過可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)微反應(yīng)器內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)行為、物質(zhì)傳遞及轉(zhuǎn)化特性展開了研究;接著,考慮實(shí)際運(yùn)行過程中催化劑的失活,對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中微反應(yīng)器內(nèi)的氣-液兩相流動(dòng)行為與催化層活性的相互作用關(guān)系展開了研究,分析了催化劑的失活機(jī)理;隨后,針對(duì)催化劑的失活問題,提出了具有包埋結(jié)構(gòu)的催化層,研究了該結(jié)構(gòu)下微反應(yīng)器在Taylor流下的流動(dòng)行為及微反應(yīng)器傳質(zhì)和轉(zhuǎn)化特性;最后,提出了基于結(jié)構(gòu)調(diào)控和環(huán)境調(diào)控的高性能微反應(yīng)器,研究了該反應(yīng)器內(nèi)的兩相流動(dòng)行為和傳質(zhì)及轉(zhuǎn)化特性。主要研究成果如下:(1)與常規(guī)無電化沉積法制備的催化層相比,本文提出二次還原無電化沉積法可顯著提升前驅(qū)體利用率,提高催化層的持久性;在對(duì)催化層反應(yīng)特性的研究基礎(chǔ)上,提出了過量系數(shù)這一概念用于表征由于相間傳質(zhì)阻力所引起的實(shí)際最小耗氣量與理論值間的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)液相流量或入口濃度增大時(shí),反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)傳輸可以明顯得到強(qiáng)化,提高氣相反應(yīng)物的利用率,降低過量系數(shù)。(2)催化反應(yīng)的存在使得微反應(yīng)器內(nèi)的氣-液兩相流動(dòng)行為與常規(guī)兩相流動(dòng)表現(xiàn)出顯著的差異。由于氣相反應(yīng)物的消耗,存在明顯的氣-液界面后移行為。此現(xiàn)象隨著液相流量的減小和硝基苯入口濃度的增大而變得越來越明顯。另外,反應(yīng)也會(huì)使得微反應(yīng)器內(nèi)的體積含氣率逐漸降低,使得氣、液兩相反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間增加。(3)氣彈形成過程為了克服毛細(xì)閾值壓力,存在涌入和壓力積蓄兩個(gè)階段。在流動(dòng)過程中,存在非連續(xù)的氫氣消耗過程,催化反應(yīng)主要發(fā)生在壓力積蓄階段,而在涌入階段幾乎沒有觀察到氫氣的消耗。沿著流動(dòng)方向,氫氣的消耗速率隨著氣相流量和硝基苯入口濃度的增大而逐漸減小,隨著液相流量的增大而越發(fā)趨于平穩(wěn)。(4)在微反應(yīng)器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中,氣彈長(zhǎng)度的演變行為與催化層的活性密切相關(guān)。運(yùn)行初期優(yōu)異的催化活性可以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行并加快氫氣消耗,氣彈迅速減小且停留時(shí)間增加,此時(shí)微反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化性能可接近100%;而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,催化劑的失活導(dǎo)致氫氣消耗減緩,停留時(shí)間縮短,低催化活性和低停留時(shí)間的共同作用使微反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化性能迅速下降。反應(yīng)前后催化劑的理化性質(zhì)表明運(yùn)行過程中催化劑的團(tuán)聚是催化劑失活的主要因素。(5)針對(duì)催化劑團(tuán)聚問題構(gòu)建的具有包埋結(jié)構(gòu)的催化層具有更為優(yōu)越的性能,具有類似“殼-核結(jié)構(gòu)”的催化層結(jié)構(gòu)可以有效抑制還原過程和運(yùn)行過程中催化劑的團(tuán)聚,從而提高催化劑利用率,在保證接近100%硝基苯轉(zhuǎn)化率的同時(shí)顯著提高催化層的持久性。另外,可視化研究也表明,催化劑表面的“殼”結(jié)構(gòu)雖然會(huì)降低催化反應(yīng)速率,但可顯著提高催化劑長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行持久性。(6)基于結(jié)構(gòu)調(diào)控構(gòu)建了具有微凸結(jié)構(gòu)的多層鈀催化層微反應(yīng)器,該結(jié)構(gòu)可以增大催化劑負(fù)載面積、提供更多的吸附活性位點(diǎn)進(jìn)而提高催化劑的分散性。對(duì)Taylor流動(dòng)行為的分析表明該催化層可顯著提升催化反應(yīng)速率;基于pH調(diào)控對(duì)鈀前驅(qū)體離子的沉積過程進(jìn)行了研究。研究表明,靜電作用和離子傳遞的協(xié)同作用使得微反應(yīng)器內(nèi)鈀負(fù)載量及其分散性在不同環(huán)境下表現(xiàn)出明顯的差異�；谏鲜霾呗詷�(gòu)建的微反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化性能可獲得顯著提升。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ052
【部分圖文】：

如圖1.1 所示。與常規(guī)反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器具有比表面積大、熱/質(zhì)傳遞速率高、停留時(shí)間短、安全性高、副產(chǎn)物少、操作性好、開發(fā)和推廣周期短等突出優(yōu)勢(shì)[13-15]。自微反應(yīng)器技術(shù)被提出以來，該技術(shù)就迅速引起相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注，成為化學(xué)、化工、能源、材料等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的新的突破點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，并取得了不少研究成

反應(yīng)過程和參與反應(yīng)的物質(zhì)相態(tài)，微反應(yīng)器主要可分為如下幾、液-固等兩相微反應(yīng)器以及氣-液-固三相微反應(yīng)器等[19]。-液微反應(yīng)器微反應(yīng)器是指氣相反應(yīng)物在液相中反應(yīng)的微型反應(yīng)器件。根據(jù)，通�？梢苑譃槲⑼ǖ朗椒磻�(yīng)器[20]和降膜式微反應(yīng)器兩種[21]。常以液相作為連續(xù)相、氣相作為分散相，并在微通道內(nèi)形成不同種液相自上而下呈膜狀流動(dòng)，氣、液兩相在膜表面充分接觸并發(fā)結(jié)構(gòu)中，氣液兩相的反應(yīng)速率往往取決于兩相接觸面積。一般所帶來的高比表面積，這一類微反應(yīng)器具有極大的氣-液兩相相等[22]分別在降膜式微反應(yīng)器和微通道反應(yīng)器內(nèi)以甲苯溶液為液為氣相，對(duì)甲苯直接氟化進(jìn)行了研究，并證明了微反應(yīng)器技術(shù)相具有的優(yōu)越反應(yīng)性能。Li 等[23]以離子液體吸收 CO2作為目標(biāo)反-液兩相反應(yīng)進(jìn)行了研究，如圖 1.2 所示。證明了微反應(yīng)技術(shù)可，并基于該技術(shù)提出了快速測(cè)定反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的新策略。

氣-固微反應(yīng)器內(nèi)的氯甲烷催化合成
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 堯超群;樂軍;趙玉潮;陳光文;袁權(quán);;微通道內(nèi)氣-液彈狀流動(dòng)及傳質(zhì)特性研究進(jìn)展[J];化工學(xué)報(bào);2015年08期

2 黨敏輝;任明月;陳光文;;微反應(yīng)器內(nèi)入口結(jié)構(gòu)對(duì)Taylor氣泡形成過程的影響[J];化工學(xué)報(bào);2014年03期

3 李春芳;朱春英;付濤濤;高習(xí)群;馬友光;劉東志;;微通道內(nèi)伴有化學(xué)吸收氣液兩相流的空隙率與壓力降[J];化工學(xué)報(bào);2013年09期

4 胡婧婧;趙玉潮;李淑蓮;楊梅;陳光文;;微反應(yīng)器內(nèi)硝基苯氣-液-固三相催化加氫反應(yīng)[J];化學(xué)反應(yīng)工程與工藝;2011年02期

5 龐啟雄;;淺談微反應(yīng)器的特點(diǎn)及應(yīng)用[J];科技資訊;2010年24期

6 李彩紅;;化工行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)體系及效果評(píng)價(jià)[J];工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì);2007年04期

7 宋靜;;微通道內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)特性研究[J];青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 張成喜;乙醇蒸汽重整制氫高效鎳系催化劑設(shè)計(jì)及構(gòu)效關(guān)系研究[D];天津大學(xué);2014年

2 季喜燕;微通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及傳質(zhì)過程研究[D];天津大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 萬積俊;具有催化反應(yīng)邊界微小通道內(nèi)兩相流動(dòng)傳質(zhì)及轉(zhuǎn)化特性的數(shù)值研究[D];重慶大學(xué);2015年

2 閻冀豐;蛇形微通道內(nèi)帶催化反應(yīng)邊界的彈狀流動(dòng)及加氫反應(yīng)特性研究[D];重慶大學(xué);2015年

3 李春芳;微通道內(nèi)伴有化學(xué)反應(yīng)氣—液兩相流與傳質(zhì)的研究[D];天津大學(xué);2013年

4 許春花;多巴胺表面修飾制備SiO_2/Ag纖維復(fù)合材料的研究[D];北京化工大學(xué);2012年

5 蔣毅;聚多巴胺功能修飾及原位化學(xué)還原法制備納米Ag復(fù)合材料[D];北京化工大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2856516