用於反應室和反應器的導流插件的製作方法
2023-09-20 17:27:55 3
專利名稱：用於反應室和反應器的導流插件的製作方法
技術領域：
本發明涉及反應器中的反應室中的導流插件，所述反應室具有大體上方形的橫截面，且在室的一角具有入口和在室的另一角具有出口。所述反應室的至少一個壁部包含固體導熱材料或隔膜。
背景技術：
用於以分批的方式進行各種化學反應的常規反應器通常以具有適當尺寸的容器的形狀存在，反應物被倒入所述容器中且被允許在預定反應時間內發生反應。所述容器通常設有混合裝置。如果需要加熱或冷卻反應物，那麼所述容器可設有加熱或冷卻罩或加熱或冷卻盤管，所述罩或盤管被浸沒在反應物中。這種布置的熱傳遞特徵和混合特徵都較差。
使得可能連續地進行反應的另一種類型的反應器包括具有適當長度的管的管狀反應器，反應物流過所述管。這種布置使得可能控制特別是在紊流狀態下的保持時間。如果反應物應該被加熱或冷卻，那麼所述管可被殼體圍繞，加熱或冷卻介質受力流動通過所述殼體。
最近一段時間，用於進行催化反應的通常稱為微型反應器的板狀反應器已經出現在市場上了。這些微型反應器通常與燃料電池結合使用。這種微型反應器例如在EP 1 091 800中所述，所述EP 1 091 800示出了由形成反應空間和熱承載空間的堆積織紋板疊合形成的緊湊型催化反應器。所述織紋可以目的在於反應液體良好分布的通道形式存在。
這種類型的反應器還可用於更大的規模。
在許多為了分流和確保流向被持續改變的連接裝置中，導流插件是已公知的。這些插件包含各種填充材料，所述填充材料可以是不同的材料和構型。WO 01/94006描述了具有反應管的這種類型的管狀反應室的實例，所述反應管具有產生紊流以便促進流體流動通過填充材料的模塊化填料。
發明內容
本發明目的在於提供具有導流插件的反應室，所述導流插件使得可能獲得對要通過反應室的反應物的流動條件的精確的流體動力學控制。由於插件包括多個布置成排的單元，所述單元連同所述室的壁部一起限定出流體通道，所述通道來回多次地從室的第一側延伸至室的第二側且又延伸回第一側，且所述單元被布置以使得流體受力在單元之間沿蛇形路徑流動，從而達到所述目的。根據本發明的插件，所述插件使流體受力而頻繁改變流向，造成了紊流狀態，所述紊流狀態有效地阻止了以不同流速流動的流體層的產生且沒有滯留區域被發現。獲得了高混合速度且獲得了滯留時間的狹窄分布。通過通道的流體反應物可以是純液體、液體混合物、具有微粒的液體或具有溶解或游離氣體的液體。
所述插件可具有方形形狀或方形橫截面。插件中的每排的長度可遠大於反應室中兩個相對壁部之間的距離。所提到的相對壁部的一個或全部可包含導熱材料，所述材料使得可能使冷卻或加熱流體流出通道。另一種可選方式是，壁部的一個或全部可包括具有適當孔隙尺寸的隔膜，所述孔隙尺寸使得可能使已形成的產物或多個產物通過所述隔膜。這類壁部的組合也可以是可能的。
倘若如此，方形插件可被捲成管或螺旋狀。在這種情況下，反應室的壁部當然必須具有相同的形狀。
本發明的導流插件中的單元被有利地設計以使得每個單元具有一個旨在以緊密方式與反應室的一個壁部或另一個單元的平側面鄰接的平面。所述單元具有小於反應室內的兩個相對壁部間的距離的延伸部分。
導流插件以使得每排單元通過定界裝置與相鄰排單元隔開的方式被有利地疊合形成，所述定界裝置以緊密的方式與反應室的壁部鄰接。反應室可被布置以使得流體在重力作用下流動通過反應室，即室的入口可位於出口上方。當然，使得流體受到泵驅動裝置的驅動通過所述室也是可能的，這意味著室的入口和出口處於同一高度。
導流插件中的單元有利地具有與平面相對的具有輕微彎曲的形狀例如圓柱形的側面。以這種方式獲得了非常有利的流動條件。
在根據本發明的導流插件中，在反應室中的相鄰的兩排單元之間有利地具有連接，由於在排的一端和反應器壁之間和在下一排單元和相同的反應器壁之間均存在孔，由此形成所述連接。這樣流體可在產生的空間中從一排流至另一排。
導流插件可包括以彼此相鄰的至少兩排形式存在的至少兩個單元，所述單元被布置以使得與定界裝置中的孔配合的一個單元的圓柱部分中的孔與第二單元的圓柱部分中的孔一起形成延伸穿過插件的一部分或穿過整個插件的通道。這種通道使得可能在反應室一端處的入口和反應室中的任何地方的流體流之間形成連接。該通道可被用於將液體或氣體反應物注入流體流內。所述通道還可被用於採樣或測量例如溫度或壓力。如果需要這樣的話，冷卻或加熱介質可被引導通過已形成的通道。
包括所需數量的排和定界裝置的導流插件被有利地一體製造。
根據插件中所需的材料，插件可例如通過模製成型、壓制、銑削或通過鑄造進行製造。
另一種可選方式是，包括多個單元和邊界的導流插件可被以柱形整塊進行製造，所述柱形整塊一起形成插件。如果所述單元也具有接近平面的輕微彎曲的形狀，那麼這可能是必要的。
用於製造插件的一種特別適當的材料包括聚醚醚酮，PEEK。其它材料可以是碳、玻璃或金屬。
結合附圖對根據本發明的控流插件進行進一步的描述，所述附圖示出了導流插件的實施例的兩個實例。這些實施例僅被選擇作為實例。其中圖1-圖3示出了旨在作為插件的一部分的具有邊界的單個單元的不同視圖；圖4示出了匯集到插件的一部分上的多個單元的透視圖；圖5示出了旨在被布置成相鄰的兩排的設有孔的兩個單元的透視圖；圖6示出了在單元的圓柱部分中設有孔的一排單元的橫截面；圖7示出了三排具有孔的單元的透視圖；圖8示出了位於反應室中的插件的一部分的透視圖；
圖9-圖11示出了旨在作為插件的一部分的單個單元的另一實施例的不同視圖；圖12示出了這些單元是如何被組合成插件的一部分的透視圖；圖13示出了這些單元如何可以柱的形式進行製造的透視圖；圖14示出了一排單元的截面圖；圖15示出了三排十個單元是如何形成插件的一部分的；圖16示出了從正面和背面看到的位於板中的反應室中的插件；和圖17示出了具有包含根據本發明的插件的反應室的反應器的實例的一部分的透視圖。
具體實施例方式
圖1示出了從一側看到的單個單元1，所述單元1與布置成排的相似單元一起形成了用於反應室的插件。單元1具有平面2以及上部和下部方形邊界3、4。
如圖2所示，單元1在其與平面相對的一側具有圓柱形部分5，圖2示出了所述單元的橫截面。
圖3示出了從一側看到的單元1。如圖2和圖3中可看到的，在由邊界3和4的延伸部分限定出的單元內形成了自由空間6。所述自由空間旨在用於將要通過所述反應室的流體。
圖4示出了為了形成用於反應室的插件，九個單元1是如何彼此相關進行布置的。如圖4中可看到的，圖中所示的九個單元被布置以使得每排中的第一和第三單元的平面轉動至相同側，而每排中的第二單元相對於第一和第三單元轉動180°。這樣，單元的平面限定出一個區域(表面)，所述區域與反應室的壁部(此處未示出)一起形成了用於流體的曲折形狀的通道。所述流體流動通過單元之間以及單元的圓柱形部分5和反應室的壁部之間的自由空間6。為了使流體在已成形的通道中流動，單元的平面與相鄰壁部鄰接以使得沒有流體可繞過通道是當然必要的。單元1的上部邊界3和下部邊界4單獨地和一起限定出所述排之間的定界裝置。
在這些圖中，插件排由單個單元疊合形成。如果需要這樣的話，疊合形成包含多個單元的插件當然是可能的，在所述插件中，兩個單元轉動其平面使之彼此相對。這樣以準確地控制室內的滯留時間分配的可能性為代價使得流體流得到了有效的分布。
圖5示出了旨在被布置成彼此相鄰的排的兩個單元。所述這兩個單元在單元的圓柱形部分中都具有孔7，所述孔從上部邊界3通過所述單元延伸至下部邊界4。採用這種布置，有可能與在反應室的一端處的入口相接以使得注入的流體流在反應室中的任何所需點處被加到第一流體流中。由於帶有孔7的單元在所述單元的圓柱形部分的表面中的任何地方也具有孔，所述兩個孔在單元中的某處相連接，因此形成所述連接。在多個相鄰排中具有多個帶有孔的單元以便形成一直延伸通過所述插件的通道也是可能的。
圖6示出了設有孔7的多個單元1的橫截面。所述單元的單個邊界4一起形成了定界裝置8。在圖的右端，在定界裝置8中存在空腔9。所述空腔9使得流體可能從一排單元流至相鄰排單元。
圖7示出了設有孔7的三排單元。如圖中可看到的，最上面的定界裝置8比下面一個定界裝置向右延伸得稍長。所述空間與圖6中所示空腔9相對應。要流動通過反應室(本圖中未示出壁部)的流體通過位於接近最上排單元的左端的位置處的入口(未示出)進入反應室。所述流體隨後沿蛇形路徑在所述單元間的自由空間6中流動，直到其到達最上排的右端。由於存在空腔9，流體隨後可流至下面一排且從右向左流過單元之間的自由空間。如圖中可看到的，在第三定界裝置8中存在相應的空腔，所述空腔使流體可能進入第三排單元。在本圖中示出插件處於豎直狀態。當然同樣可能的是插件被水平地布置在反應室中。
圖8示出了包括一體成型的一組單元1的插件是如何能夠被布置在反應室中的。該反應室圍繞呈細長的方形形狀的空間。在圖中，僅示出了反應室的一小部分，示出了室的更遠的壁部10和側壁11，12。為清晰起見，已經略去了反應室的前壁。如圖中可以看到，流體是如何從室的右端出發並沿蛇形路徑在通道中流動的，所述通道由單元和所述室的壁部限定出。在插件和側壁12之間形成的空腔9使流體可能流到相鄰的更低的排上。
圖9示出了具有略微不同形式的單元的實施例，從而給出了另一種類型的插件。單元11從一側進行觀察，且單元11也具有上部邊界31和下部邊界41。圖10示出了單元11的橫截面。如該圖中可看到的，單元11具有平面21和圓柱形部分51。從圓柱形部分至平面部分存在輕微彎曲的過渡。上部邊界31和下部邊界41呈具有兩個平行側面的截頂三角形形狀。如圖11中可看到的，在所述單元的圓柱形部分51前面存在空間61。
圖12示出了單元是如何進行布置以便形成旨在被用於反應室中的插件的一部分的，每隔一個單元相對於另一個單元轉動180°。如圖12所示的插件的部分，如圖13所示，可由柱13疊合形成，所述柱被一體製成包括所需數量的單元。
圖14示出了成一排的多個單元11的橫截面。所述單元的平面21旨在以緊密方式與反應室的壁部鄰接。圖中示出了接近平面21的單元11的輕微彎曲部分是如何與單元的圓柱形部分一起形成蛇形通道的。
圖15示出了每排中具有十個單元的三排單元的透視圖。本圖中示出了單元的上部和下部邊界是如何配合以形成上部平面和下部平面的，所述上部平面和下部平面形成了使所述排隔開的定界裝置。還可以看到平面21是如何形成具有小孔14的平面區域的。反應室的壁部應以緊密方式與該平面區域(表面)鄰接且形成用於通道的邊界，所述通道存在於單元之間。
在圖16中，插件15被示出位於反應室16內。反應室位於矩形板17中的方形孔中。反應室受到方形孔和位於板17後面和前面的薄板或隔膜的邊緣的限制。(所述薄板或隔膜未示於圖16中。)在室的一端具有流體入口18，所述流體應通過反應室，並且在反應室的另一端具有流體出口19。
包括三個反應室16的反應器的一部分被示於圖17中。圍繞反應室的壁部20、21在本實施例中包括導熱材料的薄板。如果合適，隔膜可代替薄板被用在反應室的一側或兩側上。在反應室的兩側上存在通道22，冷卻或加熱流體可流動通過所述通道。通道22位於其由壁部23定界的另一側上。在用於冷卻或加熱流體的通道之間的是過渡板24。反應室16、用於冷卻或加熱介質的通道和過渡板在兩側上由框板25圍繞且所述組件通過螺栓26被保持在一起。在反應器的一端具有入口管27，且在框板25和圍繞用於冷卻和加熱介質的通道的壁部中具有相應的孔。將要通過反應室的流體通過入口管27和所提到的孔進入且到達反應室16的入口18。
流體隨後在第一最上排中的單元之間的蛇形路徑中流動，隨後流過下面一排且進一步繼續流動直至已經通過第一反應室中的所有排。流體隨後通過反應器的低端中的孔(未示出)並進入第二反應室。這樣，流體受力在單元之間從反應室的一側到另一側一排接一排地向上流動直至其到達位於頂端的排。具有來自反應室的出口19，通過所述出口，流體可繼續通過壁部21，23中的孔和過渡板24中的孔28。在本實施例中，反應室被串聯連接。如果所需這樣的話，並聯連接所述反應室當然也是可能的。
代替在反應室的兩側上具有加熱或冷卻通道，還可以通過隔膜使兩個反應室彼此隔開。採用這種帶有加熱或冷卻通道、反應室、隔膜、布置於彼此旁邊的反應室和加熱或冷卻通道的布置，第一反應可在第一反應室中發生且反應過程中最初出現或形成的一種組分可通過隔膜用以進行進一步的反應或加熱或冷卻。
在圖中所示的實施例中，插件中的所有單元具有相同的尺寸和形狀。在本發明的範圍內，在一排或多排或僅在所述排的一部分中使用具有更小或更厚的延伸部分的單元當然也是可能的。上部或下部邊界可被製成更厚，這樣當然改變了通道的尺寸。通道尺寸的這種減少可導致流速的增加，所述增加可以是有利的。
權利要求
1.用於反應器中的反應室(16)的導流插件(15)，所述反應室(16)具有大體上方形的橫截面，所述室(16)在室的一端具有入口(18)和在室的另一端具有出口(19)，且反應室的至少一個壁部包括導熱材料或隔膜，其特徵在於，插件(15)包括多個布置成排的單元(1、11)，所述單元和室的壁部(20、21)一起限定出流體通道，所述通道來回多次地從室的第一側延伸至室的第二側且又延伸回第一側，且所述單元(1、11)被布置以使得流體受力在單元之間沿蛇形路徑流動。
2.根據權利要求1所述的導流插件，其特徵在於，每個單元(1、11)具有一個旨在與反應室的一個壁部或另一個單元的平面(2、21)鄰接的平面(2、21)，且具有小於反應室的相對的壁部間的距離的延伸部分。
3.根據權利要求1-2中任一項所述的導流插件，其特徵在於，每排單元(1、11)通過定界裝置(8)與下面一排單元隔開，所述定界裝置(8)以緊密方式在反應器的壁部之間延伸並與其鄰接。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的導流插件，其特徵在於，與平面相對的單元的側面具有輕微彎曲的形狀(5)，例如圓柱形。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的導流插件，其特徵在於，由於在排的一端和反應器側之間和在下面一排單元和相同的反應器側之間均存在孔(9)，因此在反應室中的相鄰的兩排單元(1、11)之間形成連接，以使得流體可在產生的空間中從一排流至另一排。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的導流插件，其特徵在於，在彼此相鄰的至少兩排中的至少兩個單元(1、11)被布置以使得與定界裝置(8)中的孔配合的一個單元的圓柱形部分中的孔(7)和第二單元的圓柱形部分中的孔(7)一起使得可能產生在反應室的一端處的入口和反應室中任何地方的流動路徑之間的或通過所述室的通道。
7.根據權利要求1-7中任一項所述的導流插件，其特徵在於，多排單元(1)和定界裝置(8)被一體製造。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的導流插件，其特徵在於，多個單元(11)和邊界(3、4)被一體製造作形成柱。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的導流插件，其特徵在於，所述插件由聚醚醚酮(PEEK)、碳、玻璃或金屬製成。
10.設有包括根據前述權利要求中任一項所述的導流插件的至少一個反應室的反應器。
全文摘要
用於反應器中的反應室的導流插件具有大體上方形的橫截面。所述室在室的一端具有入口和在室的另一端具有出口，且反應室的至少一個壁部包括導熱材料或隔膜。該插件包括多個布置成排的單元，所述單元和室的壁部一起限定出流體通道。所述通道來回多次地從室的第一側延伸至室的第二側且又延伸回第一側。所述單元被布置以使得流體受力在單元之間沿蛇形路徑流動。反應器包括具有如上所述的導流插件的至少一個反應室。
文檔編號B01F5/06GK1711132SQ200380103512
公開日2005年12月21日 申請日期2003年11月7日 優先權日2002年11月18日
發明者F·楚帕德 申請人:阿爾法拉瓦爾股份有限公司