用於加工和調節被運送通過裝置的材料的裝置的製作方法

2023-07-29 17:54:01 2

專利名稱：用於加工和調節被運送通過裝置的材料的裝置的製作方法
用於加工和調節被運送通過裝置的材料的裝置本發明涉及一種裝置，用於處理被運送通過該裝置的材料，所述裝置包括至少一個由固體(例如金屬)結構構成的多孔元件，從而允許所述材料通過所述多孔元件的交叉流動。根據本發明的裝置可用作被運送通過該裝置的流體或流化材料的混合器或熱交換器。該裝置還可用於在均相或非均相條件下實施化學反應。具體地，根據本發明的裝置包括具有器壁(優選圓筒形器壁)以及至少一個入口端和至少一個出口端的管子，其中在所述管子中布置至少一個由固體泡沫結構組成的多孔元件，其中所述多孔元件包括多個彼此連接並且形成網際網路的空洞，並且其中所述至少一個元件和所述器壁以一件式製造。所述裝置和所述至少一個多孔元件可以通過選擇性雷射燒結(SLS，例如在美國專利5639070、美國專利5732323和美國專利6676892中描述的方法)或通過電子束熔融(EBM)以一件式製造。EBM工藝具有一些下述優點·沒有熱處理·可得到比SLS更光滑的表面·比 SLS 快 2-3 倍可以通過本發明的這種方法使用的材料是不鏽鋼、鈦Ti6A14V、鈦Ti6A14V ELI、鈦2級、鈷-鉻、ASTM F75。可以根據本發明通過EBM方法使用的其他材料是鈦鋁化物(Titanium aluminide)、因康鎳合金(Inconel，625&718)、不鏽鋼(例如 17-4)、工具鋼(例如H 13)、鋁(例如6061)、硬金屬(例如NiffC)、銅(例如GRCop-84)、鈹(例如AlBeMet)、無定形金屬、鈮。在本發明的優選實施方式中，至少一個多孔元件的孔隙率ε >0.5，優選介於0.6和0. 95之間，更優選介於0. 8和0. 95之間。多孔元件的孔隙率表示材料中空隙空間的分數。其由比率、/\定義，其中Vv是空隙空間的體積，Vt是多孔元件在裝置中所佔據的總體積。根據裝置的另一實施方式中，所述至少一個多孔元件中的空洞基本上是球形的，並且具有0. 5至20mm、優選1至10mm、更優選1. 5至5mm的平均當量直徑。限定所述球形空洞的表面積的外殼還包括多個互聯孔，這些互聯孔允許材料交叉流動。所述孔的平均當量直徑在0. 01至5mm的範圍內，優選在0. 1至5mm的範圍內，更優選在0. 1至2mm的範圍內。在本發明的特定實施方式中，外殼被製造成包含平滑的、或粗糙的、或部分光滑部分粗糙的表面。根據裝置的物理性質，所述管子和所述至少一個多孔元件被設計成，在管狀管中流動的雷諾數Re在1至100000的範圍內。雷諾數Re是無因次數值，其表示慣性力和粘性力的比值的量度，因而量化了對於特定流動條件而言這兩種類型的作用力的相對重要性。在本發明的另一優選實施方式中，優選地圓筒形器壁和至少一個多孔元件由如下金屬或金屬合金製成，所述金屬選自由鐵、鈦、鋯、鉿、釩、鉬、鈮、稀土和鉭組成的組，所述金屬合金由這些金屬中的至少一種製成，其結構中可以包含其它額外元素，如碳、矽或其他微
量元素。在本發明的另一優選實施方式中，優選地圓筒形器壁和至少一個多孔元件由陶瓷材料製成。陶瓷材料的實例是氧化鋁、氧化矽、氧化鋯(IV)、堇青石(cordierite)、滑石和/或碳和/或碳化矽。在優選的實例中，該裝置被設計用作混合器或熱交換器或者用於連續處理單相和多相化學反應，例如快速反應、放熱反應、混合敏感反應或溫度敏感反應。該裝置提供各種反應物的快速混合和極度增強的熱傳遞。將多孔結構固定連接到反應器的器壁對於保證良好的熱傳遞和非常高的機械穩定性是較重要的。這使得允許高溫和高壓過程。多孔元件的結構還對軸向分散(反應器中的保留時間分布)具有很強的影響，其是化學工廠規模化的重要參數。對於通常用在化學工廠中的傳統間歇反應器而言，可以通過攪拌器的旋轉速度來控制能量消散。對於連續系統而言，僅可以改變與保留時間及其分布直接相連的流速。這種相關性與間歇反應器相比是劣勢，但是這可以根據通過計算機流體動力學(CFD)輔助設計並且通過例如上述SLS方法製造的多孔元件的清楚定義的幾何形狀來進行處理。有機分子中的官能團的氫化是快速多相放熱反應的實例。這樣的反應是可用於有機合成的環保方面可接受的反應路線中的一部分。例如，前軀體(即維生素A和維生素E的中間體)通過三種主要形式的反應來製備。其中的一種是催化選擇性氫化，是一種多相(即三相)反應，其中的反應混化合物包含液相、未溶解的固體催化相和氣相。用於實施這種氫化反應的最常用反應器類型是以間歇方式操作的漿液反應器。主要使用攪拌罐和環形反應器。由於強放熱反應，所以外部熱交換器和內部熱交換器的組合對於有效的溫度控制是必要的。此外，反應中使用的催化劑的濃度相對較低(< 10%)，這限制了反應速率。最後，傳統反應器的熱傳遞性能為0.2至5kW HT3IT1的級別。因此，大反應器容積對於獲得可接受的生產速率是必要的。氫化工藝的性能和產品分布主要受催化劑活性/選擇性以及化學動力學與反應器中的傳遞現象的相互作用的影響。在三相反應中，要克服的主要問題之一是避免內部和外部質量傳遞受限。因此，需要小直徑的催化劑顆粒。然而，在技術應用中，最低尺寸由於催化劑操作(如通常導致安全和環境問題的固體加料、過濾和卸料)而受限，並且可能導致顯著的催化劑損耗和對環境不太有利的工藝。此外，因為氫化是高度放熱的，所以反應熱的去除成為反應器性能的主要限制。因此，在漿液反應器中，每體積的催化劑質量受其熱交換能力的限制。另一方面關注工藝安全性以及在可控壓力下的可持續生產。在上述多步化學工藝中，產物中間體通常是不穩定的並且分解釋放大量熱量。結果是熱失控、爆炸。為了增加化學反應的安全性，需要嚴格的熱量管理。此外，反應器中的反應物的量應儘可能地少以降低潛在風險。選擇性反應的這些問題可以通過使用本發明所定義的裝置(此後也被稱為塞流反應器)設計來解決。這樣的反應器可以以連續模式操作。這種操作模式避免了如間歇工藝那樣儲存大量不穩定的產物中間體，並且增加了化學反應的安全性。這種集成工藝對於將熱不穩定的中間體加工成穩定的物質尤其重要。此後描述的連續塞流反應器的結構化幾何形狀根據熱傳遞和質量傳遞來優化。反應器中的塞流狀流速場保證了等溫、均相操作模式。其幾何形狀可以根據化學反應是使用的流體的傳熱係數、粘性、密度和混合行為而調整，從而優化操作費用(壓降、加熱能量等)和產品質量(選擇性、轉化率等)的比值。另一方面，至少一個多孔元件的結構不僅滿足靜態混合元件的要求，其還作為關鍵反應的阻焰器(flame arrestor)並且其允許連續系統通過傳統成型的機械和化學穩定性以及材料的正確選擇。為了滿足所有這些要求，所述至少一個多孔元件的幾何形狀在該元件的長度上不必一致，其可以根據不同條件進行調整。此外並且取決於管子中發生的反應，多孔元件可以沿著該管子的整個長度延伸，或可以具有反應器管子的整個長度的10至90%、優選50至80%的長度。根據本發明的塞流反應器具有在毫米範圍內的特徵尺寸。優選地，使用通道直徑介於0. 5和300mm之間的反應器。在本發明的優選實施方式中，反應器管子具有在1至300mm、優選2至100mm、更優選5至50mm範圍內的直徑。關於裝置作為實施化學反應的反應器的應用，本發明範圍內的基本目的是建議使用催化劑。在塞流反應器中，可以像在傳統的懸浮反應器中一樣使用固定或非固定形式的催化劑顆粒。如果使用固定的催化劑顆粒，那麼多孔元件的優選燒結金屬結構可以作為催化劑的載體。與傳統的化學反應器相比，該反應器的另一主要特徵是高的表面積-體積比。由至少一個多孔元件所構建的反應器的比表面積在500至50000m2m_3的範圍內，而傳統的實驗室和生產容器的比表面積為約10m2m_3，很少超過100m2m_3。取決於所需要的至少一個多孔元件的比表面積，金屬外殼包含平滑的、或粗糙的、或部分光滑部分粗糙的表面。在塞流反應器的優選實施方式中，所述管子包含限定環形室的雙壁面圓筒殼體，其中所述環形室包括至少一個流體入口和至少一個流體出口，它們被連接到熱交換器，用於將熱交換流體連續運送通過所述室以冷卻或加熱所述反應混合物。可供選擇地或者可與雙壁面圓筒殼體組合地，管子可以包含沿著圓筒狀器壁的軸向方向布置的中心內管，其中所述內管包括至少一個出口，用於將反應過程的化合物添加到被運送通過管子的材料，或者其與不具有出口的內管一起布置用於將熱交換流體運送通過所述反應器。以下，結合附圖更詳細地描述本發明。

圖1表示根據本發明的具有兩個多孔元件的反應器的示意圖。圖加和2b表示多孔元件的泡沫結構的CAD(計算機輔助設計)視圖。圖3表示可用於實施化學反應通過SLS技術製造的優選塞流管的照片，其中為了更好地展示結構原理，從管壁切下了以不可拆卸方式連接的多孔元件。圖4表示多孔元件的中空室的其他可選草圖。
圖1是根據本發明的其中設置有兩個多孔元件的反應器的示例性橫截面示意圖。該反應器包括管子1，其具有圓筒殼體2以及一個入口端3和一個出口端4。管子1中布置有兩個由固體金屬結構構成的圓筒多孔元件5，其中所述多孔元件5包含如圖2a、2b和3所示的多個彼此相連並且互聯成孔穴網絡的空洞6。圓筒壁或殼體1以及多孔元件5彼此以不可拆卸方式連接，並且由鋼或鈦製成。如果該反應器被例如設計成實施氫化反應，那麼管子1優選具有在2至IOOmm範圍內的內徑。兩個多孔元件5的孔隙率ε介於0. 8和0. 95之間。至少一個多孔元件的空洞6基本上是球形的，並且具有2至5mm的平均直徑。此外，限定球形空洞6的金屬外殼還包含多個允許材料的交叉流動的孔7，其中所述孔的平均直徑在0. 5至Imm的範圍內。圖4舉例說明了另一種金屬的或非金屬的外殼或框架，這些金屬的或非金屬的外殼或框架定義了多孔元件5的空洞6和孔7。其由多個交叉連接的撐條(bar)8組成。在本發明的具體實施方式
中，這些撐條8包括由互聯的通道構成的中空結構，該結構根據特定應用可以作為另一熱交換系統。圖1所示的反應器的圓筒殼體2還包括限定環形室9的雙壁面圓筒狀器壁，其中所述環形室9包括流體入口 10和流體出口 11，它們被連接到熱交換器，用於將熱交換流體連續運送通過所述室9。最後，該反應器包含沿著圓筒狀器壁2的軸向方向布置的中心內管12，其中所述內管12包括一個出口 13，用於將至少一種化合物添加到被運送通過管子1的反應介質中。在本發明的另一優選實施方式中，催化劑顆粒附在金屬外殼的表面上。根據本發明可用的催化劑的類型取決於反應器適用的反應。根據本文所述的氫化反應，優選的催化劑選自由Pt-催化劑、Pd-催化劑、Ni-催化劑和過渡金屬的氧化物組成的組，例如Pd、Pd(0H)2、Pd/C、Pd/BaS04、Pd/CaC03、Pd/Al203、Pt、Pt02、Ni、I aney Ni 和 Ru。2.塞流反應器的製造就金屬泡沫結構中的化學反應而言，必須解決商購泡沫的一些難題。一方面，商購材料(如鋁或銅)用於化學反應器尤其在腐蝕方面是有風險的。另一方面，泡沫到器壁的連接是熱傳遞中的限制步驟。測試了不同的方式(如焊接)，但是沒有達到持久穩固的連接。因此並且根據本發明，提出了一種新的製造方法，其為前面部分所描述的所謂的雷射焊接技術(SLS)。採用這項技術，幾乎每種形狀的三維結構都可以在計算機輔助設計(CAD)軟體中進行設計，然後可被製造成一個單一部件。這通過如下來完成沉積一層金屬粉末，能量指向所選擇的相應於CAD模型的位置以對其進行燒結，然後沉積新的一層並且再次開始上述過程，如例如在美國專利5639070、美國專利5732323和美國專利US 6676892中所述。因為這種製造工藝在幾何形狀(直到50μπι的長度尺度)方面幾乎沒有限制，所以製造商可以滿足每種工藝特定的設計標準。這些優點允許通過配合如下列舉的最具影響力的參數使化學工藝非常精確地縮放。另一種方式是也在前面部分描述了的所謂的電子束熔融(EBM)工藝。3.保留時間保留時間是化學反應器的規劃設計的重要參數。在化學和醫藥工業中，不連續的間歇工藝仍很常見。因此，由實驗室規模工藝進行工藝放大在熱傳遞和質量傳遞方面被大大促進了。這種工廠的最大優點在於它們的生產高度靈活並且批次循環的產品質量穩定。但是在出故障的情況下，損耗極大量的離析物。這種容器的保留時間可以非常容易地進行控制。如果想要放大連續系統，則不得不設計反應器(例如塞流反應器)，以保證非常清晰的保留時間分布。這可以通過將本發明的金屬泡沫插入管子中來輕鬆地實現。本發明人比較了具有固定床和普通填充材料這些特徵的傳統金屬泡沫和燒結金屬泡沫。結果顯示類似的行為。與固定床反應器相比，金屬泡沫的孔隙率遠遠更高(在90%的範圍內)。這導致壓降較小，因而操作成本較低。4.熱傳遞件質金屬泡沫已被用在熱交換技術中以增強熱傳遞效率。發明人已經更詳細地調查了金屬泡沫在化學反應方面的熱傳遞，並且注意到，對於優化的熱通量來說關鍵的問題是泡沫跟器壁的連接。傳統的泡沫通過受力裝配(force fitting)被插入熱交換器中。這項技術允許快速改裝特定的熱交換器以增強其效率。因此，通常使用銅或鋁合金。這不僅導致接觸腐蝕問題，其還表現出了熱傳遞的局限性。應用了不同的方式來解決這個問題，例如膠合或焊接，但所有這些方式完全都是依賴於環境情況的。這些技術中沒有一項涉及以一個單個部件形式製造熱交換器、反應器器壁和泡沫結構。根據本發明應用SLS為製造足夠在高溫和高壓下穩定地運行反應的熱交換反應器提供了可能性。5.混合性質為了比較金屬泡沫和傳統系統的混合效率，基於空管徑在600至7600雷諾數範圍內分析不同孔尺寸的變量係數。在非常短的5cm混合長度之後，觀察到低至0. 1的數值。發明人能夠證明，對於混合性質來說金屬泡沫的孔尺寸存在最佳值。這個最佳值受由結構所引起的湍流的影響。因此，內部結構的形狀，即根據本發明的多孔元件的形狀，可以通過應用計算機流體動力學軟體(CFD-軟體)和燒結工藝的組合來優化。
cooes] 6.mmmmmn Jir a^i這個實例呈現了用於處理放熱多相反應的連續塞流反應器概念。這個裝置的主要特徵是不同狀態物質的不同離析物的快速混合以及快速的熱傳遞速率。從而，可以在相類似的低壓降下實現以kg/min生產規模計的流速。通過選擇性雷射燒結(SLS)，反應器被構造成具有CAD (計算機輔助設計)設計的集成多孔介質的一個單個部件。反應器的內部幾何形狀模仿業已證明作為非常良好靜態混合器的商用金屬泡沫的形狀。該結構是直徑為2. 9mm的四面體排列重疊球體的負片。其具有IO4 2/m3級別的非常高的比表面積以及約85%的高孔隙率。這種微結構的幾何形狀具有優異的熱傳遞性質和質量傳遞性質。6. 1通過使用水作為模型流體來表徵通過本發明裝置的單相流動所有調查都是基於空管徑在600至7600雷諾數的範圍內進行的。徑向質量傳遞在長50mm、直徑7mm的泡沫元件的下遊垂直於徑向和軸向方向的正交平面上同時進行顆粒圖像測速(PIV)和雷射誘導螢光(LIF)測量。調查不同孔尺寸(每英寸20個孔、30個孔和45個孔)的商用金屬泡沫和我們設計的結構，並將它們與空管參比例進行比較。中值流動場由於金屬泡沫而明顯扭曲。因此，在泡沫元件的前方注射的追蹤劑染料的徑向分散強烈增加。這導致增強的混合效率，該混合效率由變化量(variation)的係數來量化。所獲得的變化量係數為0.1的級別。軸向質量傳遞徑向速度分量的份額(share)較大歸因於保留時間分布非常之窄。在大幅降低的壓降和類似的比表面積下，所測定的分散特徵與填充床和常用填充材料的那些分散特徵類似。熱傳遞對流熱傳遞由於插入的金屬泡沫元件而大幅增加。觀察到，與30ppi泡沫相比，20ppi的泡沫的熱傳遞速率更高。這可以解釋為，由具有較大孔的泡沫結構所引起的湍流增加。觀察到，具有較大比表面積和對器壁的固定連接的燒結反應器具有絕對最好的性能。6. 2多相流動的特徵以下示出了通過光學測量以及在管子(內徑7mm)內應用絲網傳感器(wire meshsensor)的方式獲得的以不同的質量流動速率通過燒結的結構元件和傳統金屬泡沫的水-空氣流動的特徵(阻塞、瞬時統計學)。在實驗裝置中，電極篩網斷層掃描儀被設置在泡沫元件的入口和出口。該設備能夠使在管內以兩相流動的短暫氣體級分分布高速可視化。其由兩個電極格柵組成。絲線格柵的兩個平面以彼此相距短距離的方式放置在流動中。兩個格柵的絲線之間的角度為90°。向第一平面(發射平面)的絲線供應驅動電壓的脈衝。如果給予發射絲線之一的脈衝到達第二平面(接受平面)的某條絲線，那麼就假設兩個所選擇絲線之間的交叉點被傳導相(水)佔據。採用CCD相機，由側面同時觀測流動。通過這樣，表徵傳感器對流動圖案和入口流動場的影響。結果表明，氣相在反應器出口的管子的橫截面上具有窄氣泡尺寸分布的非常均勻的分散。業已發現，本發明的連續塞流反應器對於半間歇工藝來說是非常令人感興趣的替代系統。所應用的製造方法允許建造幾乎任意形狀，這導致高度靈活的模塊反應器概念。
權利要求
1.ー種裝置，用於加工和調節被運送通過該裝置的材料，所述裝置包括具有器壁以及至少ー個入口端和至少ー個出口端的管子，所述管子用於處理被運送通過該管子的材料， 其中在所述管子中布置至少ー個由固體泡沫結構構成的多孔元件，其中所述多孔元件包括多個彼此連接並且形成網際網路的空洞，該多孔元件允許所述材料通過所述多孔元件的所述空洞交叉流動，並且其中所述至少ー個多孔元件和所述管子的所述器壁以一件式製造。
2.如權利要求1的裝置，其特徵在幹，所述至少ー個多孔元件的孔隙率ε>0.5。
3.如權利要求1的裝置，其特徵在幹，所述至少ー個多孔元件的孔隙率ε介於0.6和 0. 95之間，優選介於0. 8和0. 9之間。
4.如權利要求1至3中任意ー項的裝置，其特徵在幹，所述至少ー個多孔元件的所述空洞基本上是球形形狀的並且具有1至20mm、優選2至IOmm的平均直徑，並且限定所述球形形狀的空洞的外殼包含多個允許所述材料的交叉流動的孔，其中所述孔的平均直徑在0. 01 至5mm的範圍內，優選在0. 1至2mm的範圍內。
5.如權利要求1至4中任意ー項的裝置，其特徵在幹，所述外殼包括平滑的、或粗糙的、 或部分光滑且部分粗糙的表面。
6.如權利要求1至5中任意ー項的裝置，其特徵在幹，所述至少ー個多孔元件被設計成在管狀管中的流動的雷諾數介於1和100000之間。
7.如權利要求1至6中任意ー項的裝置，其特徵在幹，所述管子和所述至少ー個多孔元件由金屬或金屬合金製成，所述金屬選自由鐵、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、稀土和鉭組成的組，所述金屬合金由這些金屬中的至少ー種製成。
8.如權利要求1至6中任意ー項的裝置，其特徵在幹，所述管子和所述至少ー個多孔元件由陶瓷材料製成。
9.如權利要求8的裝置，其特徵在幹，所述陶瓷材料選自由氧化鋁、氧化矽、氧化鋯 (IV)、堇青石、滑石組成的組。
10.如權利要求1至9中任意ー項的裝置，其是用於被運送通過所述裝置的流體或流化材料的混合器或熱交換器。
11.如權利要求10的裝置，其特徵在幹，其包括限定環狀室的雙壁面圓筒壁，其中所述環狀室包括流體入口和流體出ロ，它們被連接到熱交換器用於將熱交換流體連續運送通過所述室。
12.如權利要求1至11中任意ー項的裝置作為混合器或熱交換器的用途。
全文摘要
本發明涉及一種裝置，其用於處理被運送通過該裝置的材料，所述裝置包括至少一個由固體(例如金屬)結構構成的多孔元件，該多孔元件允許所述材料通過所述多孔元件的交叉流動。根據本發明的裝置特別可用作混合器或熱交換器或者可用於實施在均相條件和非均相條件下的化學反應。這樣的裝置(此後也被稱為反應器)可以包括具有圓筒狀器壁(2)以及至少一個入口端(3)和至少一個出口端(4)的管子(1)。在所述管子(1)中布置至少一個由固體金屬結構構成的圓筒多孔元件(5)，其中所述多孔元件(5)包括多個彼此連接並且形成互聯孔穴網絡的空洞，並且其中所述至少一個多孔元件(5)和所述圓筒狀器壁(2)以一件式製造。所述至少一個多孔元件(5)的孔隙率ε介於0.8和0.95之間。
文檔編號B01F5/06GK102574096SQ201080026231
公開日2012年7月11日 申請日期2010年6月14日 優先權日2009年6月12日
發明者大衛·羅本, 弗朗斯科·馬斯卡雷洛, 森德裡克·胡特爾, 菲利普·范·羅爾·魯道夫 申請人:普瑞麥克斯反應器公司, 蘇黎世聯邦理工學院