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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik
verwertbar und bezieht sich insbesondere auf Verbesserungen in chemischen
Reaktoren. Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Steuerung
der Reaktantentemperatur während
einer exothermen oder endothermen Reaktion. Die Erfindung stellt
insbesondere ein Steuerungsverfahren für ein System und einen Prozess
eines Reaktors mit leiterplattenartigen Strukturen (PCR) bereit,
wobei das Reaktantentemperaturprofil am Ausgang der Wärmeaustauschertafeln „flach" ist, d.h., dass
die Reaktantenaustrittstemperatur quer durch die Wärmeaustauschertafel
im Idealfall gleichmäßig ist
und die größtmögliche Annäherung an
einen konstanten Wert aufweist.
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Ausgangssituation
der Erfindung
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Zur
Steuerung der Temperatur von Reaktionen innerhalb eines akzeptablen
Bereiches gibt es umfangreiche Forschungsarbeiten und die chemische
Industrie hat verschiedene Anordnungen entwickelt, von denen die üblicherweise
verwendeten in Standardwerken und -texten erörtert werden. So könnte man
zum Beispiel die allgemeine Lehre von Octave LEVENSPIEL in „Chemical
Reaction Engineering",
Kapitel 19, (veröffentlicht durch
John Wiley & Sons)
in Betracht ziehen.
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Zum
Stand der Technik zählt
ein herkömmlicher
Reaktor, mit dem sich die Reaktantentemperatur besser steuern lässt. Dieser
Reaktor ist als adiabatischer Abschnittsfestbettreaktor bekannt.
Dieses System verwendet eine Anordnung mit einer Reihe von voneinander
abgetrennten, mit Zwischenraum angeordneten Reaktionszonen, zwischen
denen sich Mittel befinden, die die Temperatur der Produkte steuern,
wenn die Produkte eine erste Reaktionszone verlassen und bevor sie
in die nächste
Reaktionszone eintreten. Es ist kein Wärmeaus tauschmittel zur Steuerung
der Reaktionstemperatur in den Reaktionszonen vorhanden. So bewegt sich
das Reaktantenfluid, das mit einer gewünschten Temperatur in den Reaktor
eintritt, durch ein Festbett, das einen Katalysator enthält. Beim
Verlassen dieses ersten Abschnittes haben das Reaktantengas und
alle Produkte eine Temperatur, die in Abhängigkeit von der thermischen
Kennlinie der Reaktion höher
oder niedriger als die Anfangstemperatur ist. Ein Wärmeaustauscher
erwärmt
dann das Reaktantengas, bevor dieses in das nächste Festbett, also in den
zweiten Abschnitt eintritt, auf eine zweite gewünschte Temperatur bzw. kühlt es auf
diese ab, wobei diese zweite gewünschte
Temperatur der ersten gewünschten
Temperatur entsprechen oder sich von dieser unterscheiden kann.
Diese Aufeinanderfolge wird so lange beibehalten, bis die gewünschte Umwandlung
vollzogen ist. Somit ist das Temperaturprofil der Reaktion innerhalb
eines akzeptablen Temperaturbereiches abgestuft und dadurch nicht
genau isotherm.
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Die
erfindungsgemäß bevorzugte
Wärmeaustauschertafel
besteht aus mehreren Platten, die aufeinander geschichtet und durch
Diffusion miteinander verbunden sind, um einen Plattenstapel zu
bilden, wobei in diesem Stapel im Zuge einer Vorbehandlung der Platten
Fluidkanäle
bestimmt werden, wobei jede Platte auf ihrer Oberfläche im Zuge
einer Behandlung zur Entfernung von Oberflächenmaterial bis zu einer gewünschten Tiefe,
zum Beispiel durch chemisches Ätzen,
hydraulisches Fräsen
oder durch ein ähnliches
Verfahren, entsprechend dem gewünschten
Fluidkanalmuster wahlweise mit Kanälen versehen wird oder von
solchen Kanälen
frei bleibt. Die Wirkung der chemischen Behandlung kann auch durch
eine mechanische Bearbeitung unter Einsatz eines geeigneten Werkzeuges
verstärkt
werden.
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Die
Art und Weise einer solchen Vorbehandlung der Platten entspricht
in gewissem Maße
der Herstellung von Leiterplatten (PCB), weshalb der Aufbau des
Wärmeaustauschers
als der eines Wärmeaustauschers mit
leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) beschrieben werden kann.
In der Metallverarbeitung beherrscht man das Verfahren der Diffusionskontaktherstellung
bei Metallplatten.
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Dort
dient dieses Verfahren verschiedenen Zwecken, zum Beispiel der Herstellung
von medizinischen Prothesen.
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Die
Eignung dieses Aufbaus des PCHE ist durch die Konstrukteure des
vorgeschlagenen PCR-Systems seit dem Jahr 1985, als diese kompakten
Wärmeaustauscher
eingeführt
wurden, unter Beweis gestellt worden.
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Ein
PCR-Reaktor wurde von den Anmeldern der vorliegenden Erfindung konstruiert
und ist Gegenstand einer separaten Patentanmeldung. Ein solcher
Reaktor hat mindestens eine Reaktionszone, die durch einen Wärmeaustauscher
begrenzt wird, der aus mehreren Platten besteht, die aufeinander
geschichtet und durch Diffusion miteinander verbunden sind, um einen
Plattenstapel zu bilden, wobei in diesem Stapel im Zuge einer Vorbehandlung
der Platten Fluidkanäle
bestimmt werden, wobei jede Platte durch eine chemische Behandlung
zur Entfernung von Oberflächenmaterial
bis zu einer gewünschten
Tiefe, zum Beispiel durch chemisches Ätzen, entsprechend dem gewünschten
Kanalmuster wahlweise gestaltet wird. Die in diesem Stapel bestimmten
Fluidkanäle
bieten die Möglichkeit
der Beförderung
mehrerer Reaktantenfluide in Kanälen,
die in einer Wärmeübertragungsbeziehung
zu getrennten Kanälen
stehen, die mindestens ein Zusatzfluid zur Steuerung der Temperatur
der Reaktanten enthalten.
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Zur
Gewährleistung
einer angemessenen Reaktionssteuerung ist das Reaktantentemperaturprofil
am Ausgang der Wärmeaustauschertafeln
vorzugsweise flach, da die Reaktanten direkt in die folgende adiabatische
Reaktionszone eintreten, ohne dass die Möglichkeit einer Vermischung
im großen
Maßstab
besteht. Wenn die Reaktanten stellenweise zu heiß oder zu kalt sind, könnten darunter
die Selektivität
oder die Umwandlung durchaus leiden. Dieser Sachverhalt wird bei
stark exothermen Reaktionen kritisch, da es zu einer thermischen
Instabilität
kommen kann, wenn einige Reaktanten zwischen Reaktionsabschnitten
nicht ausreichend abgekühlt
werden. Höhere
Temperaturen führen
zu höheren
Reaktionsgeschwindigkeiten, was wiederum noch höhere Temperaturen zur Folge
hat.
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Das
Wärmeübertragungsmittel,
das die Wärme
auf den Reaktanten überträgt oder
diesem entzieht, kann ein Fluid sein, zum Beispiel Wasser, Dampf,
geschmolzenes Salz, flüssiges
Metall, Verbrennungsgas oder Druckgas in einem geschlossenen Kreislauf.
Wenn die Reaktion annähernd
bei Umgebungstemperatur abläuft,
können
eine starke Strömung
des Wärmeübertragungsmittels
und die Zufuhr von Wärme
oder der Entzug von Wärme
aus ihm nur zu wenigen Problemen führen. Es kann einfach nur der
Fall sein, dass Wasser verwendet und die geringwertige Wärme entweder
in Kühltürme entladen
(bei einer exothermen Reaktion) oder aus Abdampf bezogen wird (bei
einer endothermen Reaktion). Bei höheren Temperaturen kann auch
Siede- oder Kühlwasser
verwendet werden.
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Die
Lage wird jedoch problematischer, wenn die Temperaturen extreme
Werte erreichen und die Wärmezufuhr
oder -absenkung schwieriger wird, wenn zum Beispiel das Wasser überkritisch
ist und somit, in Abhängigkeit
von der tatsächlichen
Lage, Siede- und Kühlwasser
nicht zur isothermen Wärmezufuhr
verwendet werden können
oder eine Annäherung
an die Temperaturgrenzwerte der Konstruktionswerkstoffe erfolgt
oder sich geschmolzene Salze zersetzen würden.
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Ein
typisches Beispiel ist die Styrolreaktion. Hierbei handelt es sich
um eine endotherme Reaktion, bei der die Temperatur des Katalysatorbettes
idealerweise bei ca. 600°C
gehalten wird. Beim PCR könnte
das mit sich bringen, dass in jedem adiabatischen Bett ein Absinken
der Reaktantentemperatur auf ca. 580°C zugelassen wird, wobei in
jedem Wärmeaustauscher
eine Wiedererwärmung
auf ca. 620°C
erfolgt.
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Ein
geeignetes Wärmeübertragungsmittel
ist überhitzter
Dampf mit einer Temperatur von 750°C. Idealerweise würde sich
die Austrittstemperatur des Dampfes, der aus den Wärmeaustauschern
austritt, der Reaktanteneintrittstemperatur annähern, um die Dampfströmgeschwindigkeit
und somit die Größen der
Dampf führenden
Rohre und die Energieverluste des Dampfstromes zu minimieren.
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Das
bringt jedoch ein schwer wiegendes potentielles Problem mit sich.
Wenn der Wärmeaustausch zwischen
dem Dampf, der bei 750°C
eintritt und sich in Richtung der Reaktanteneintrittstemperatur
abkühlt, und
dem Reaktanten, der bei 580°C
eintritt, nicht sorgfältig
gehandhabt wird, schwankt die Temperatur der Reaktanten, die den
Wärmeaustauscher
verlassen, selbst dann sehr stark, wenn die durchschnittliche Austrittstemperatur
der Reaktanten den erforderlichen Wert von 620°C hat.
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Das
Problem wird in 1 veranschaulicht, wo bemerkenswert
ist, dass bei einem einfachen Querstromkontakt zwischen dem Dampf
und den Reaktanten die höhere
Austrittstemperatur der Reaktanten zum Ende der Platte hin, wo der
Dampf eintritt, ein Gefälle
aufweist. Außerdem
liegt die Schwankung der Austrittstemperatur der Reaktanten quer
durch die Wärmeaustauschertafel
in einem Bereich von ca. 580°C
bis 720°C (eine
Spanne von ±70°C), obwohl
eine durchschnittliche Temperatur von 620°C erzeugt wird. Das würde sich nachteilig
auf den Ertrag der Reaktion auswirken.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung ist die Beseitigung oder Entschärfung von
Problemen dieser Art. Eine Aufgabe dieser Erfindung ist insbesondere
die Schaffung einer Vorrichtung, die eine chemische Reaktionszone
einschließt,
und eines Verfahrens zur Steuerung der Temperatur von Reaktanten,
die in einer solchen Zone zur Reaktion gebracht werden sollen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß stellt
diese Erfindung, die hierin noch ausführlicher beschrieben werden
soll, einen Reaktor bereit, der weit gehend einen adiabatischen
Abschnittsreaktor darstellt, der mindestens eine Wärmeaustauschertafel
aufweist, die zwischen adiabatischen Katalysatorbetten angeordnet
ist, wobei die Außenfläche der
Tafeln im Wesentlichen der Oberfläche des entsprechenden Katalysators
gleicht und die Tafeln Mittel einschließen, die voneinander abgetrennte
Kanäle
zum Transport von Reaktanten und Wärmeübertragungsmitteln bestimmen,
wobei die Mittel, die Kanäle
für Wärmeübertragungsmittel
bestimmen, für die
Wärmeübertragungsmittel
mindestens zwei unterschiedliche Strömungswegrichtungen durch die
Wärmeaustauschertafel schaffen,
wodurch das Auftreten von Temperaturgefällen bzw. -unterschieden eingedämmt wird.
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Die
Wärmeaustauschertafel
ist durchgängig
ein Wärmeaustauscher
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) und mindestens zwei unterschiedliche
Plattenausführungen
werden zur Bildung der Tafel verwendet, wodurch sich umfangreiche
Variationsmöglichkeiten
bei der Gestaltung der Strömungswege
ergeben. In erster Linie wird die Richtung von Fluidströmen in der
PCHE-Tafel zunächst
durch die jeweiligen Zuführungs-
und Entlüftungsleitungen
bestimmt, die an die Einlass- bzw. Auslassöffnungen der montierten PCHE-Platten,
die die Tafel bilden, angeschlossen sind. Durch eine Änderung
der „leiterplattenartigen" Gestaltung des Strömungsweges
in den Platten zur Schaffung unterschiedlicher PCHE-Platten innerhalb
der Tafel ist es jedoch möglich,
sowohl die Strömungswegrichtung
als auch den Einflussgrad der Wärmeübertragung
zu steuern.
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Vorzugsweise
werden unterschiedlich gestaltete Platten verwendet, um in der Konstruktionstätigkeit flexibel
sein zu können.
In bestimmten Fällen
können
aber auch Platten verwendet werden, die im Wesentlichen gleich gestaltet
sind. Im speziellen Fall der Verwendung identischer rechtwinkliger
Platten, die in einem Stapel aneinander angrenzend angeordnet werden,
wobei jede Platte ein besonderes Muster von in ihre Oberfläche eingeätzten Kanälen aufweist,
können
Kanäle
mit unterschiedlichen Orientierungen durch alternierende Drehung
aufeinander folgender Platten in der Ebene der Platte bestimmt werden.
Bei Bedarf können
zwischen diesen Platten auch Platten ohne geätzte Oberflächen (unbehandelte Platten)
in die Tafel integriert werden, um ein Vermischen von Fluiden zu
verhindern. Auf diese Art und Weise kann eine Aufeinanderfolge von
Strömungswegen
mit unterschiedlichen Richtungen erreicht werden.
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Es
versteht sich, dass die Platten, auf deren Oberflächen durch Ätzen oder
ein ähnliches
Verfahren die geeigneten Kanäle
bestimmt worden sind, aufeinander gestapelt und durch Diffusion
miteinander verbunden werden, um Wärmeaustauschertafeln zu bilden,
und dass derart gebildete Tafeln bei Bedarf aneinander angrenzend
angeordnet und zum Beispiel durch Schweißen miteinander verbunden werden
können,
um eine größere Tafel
von gewünschter
Höhe und
Breite zu schaffen, um eine Anpassung an die erforderliche Querschnittsfläche des
Katalysatorbettes zu gewährleisten.
In manchen Fällen
werden geeigneterweise unbehandelte Platten (ohne geätzte Oberflächen) verwendet,
um eine Tafel zu vervollständigen
und die offene Seite von Kanälen
zu schließen,
die in einer benachbarten, geätzten
Platte vorhanden sind. Wenn hier von Tafeln die Rede ist, so geschieht
das auch praktischen Gründen
und soll keine Begrenzung der Abmessungen nahe legen. Es ist jedoch
offensichtlich, dass die Abmessungen der Wärmeaustauschereinheit je nach
gewählter Reaktorgestaltung
schwanken und dass gegenwärtig
erhältliche
Fertigungsgeräte
einige der praktischen Durchführbarkeit
geschuldete Einschränkungen
hinsichtlich der Tafelgröße mit sich
bringen können,
wenn die Tafel nur aus einem Stück
gebildet wird. Wenn relativ große
Tafeln gebildet werden sollen, können
solche der praktischen Durchführbarkeit
geschuldeten Einschränkungen
leicht überwunden
werden, indem mehrere Tafeln, deren Größe Ausdruck des Leistungsvermögens der
erhältlichen
Geräte
ist, aneinander angrenzend angeordnet und in einem geeigneten Verfahren,
zum Beispiel durch Schweißen,
miteinander verbunden werden. Auf diese Art und Weise können PCHE-Tafeln
von unterschiedlicher Form und Größe konstruiert werden.
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Die
Platten werden vorzugsweise auch so gestaltet, dass sich die Wärmeübertragungsmittel
in den nach dem Leiterplattenverfahren bestimmten Kanälen in jeder
Richtung mehr als einmal entlang der Länge der Platte bewegen können. Der
Strömungsweg
kann die Form einer Schlangenlinie haben und schließt fakultativ Richtungsänderungen
ein, die deutlich ausgeprägt
sind, um die Turbulenz des Stromes der Wärmeübertragungsmittel zu steigern.
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Unter
einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung befinden sich
die Wärmeübertragungsmittel
in einem Sammler, der sich außerhalb
der Wärmeaustauschertafel
befindet und während
des Betriebes mit dieser in Verbindung steht, um die Fluidströmung zu
ermöglichen.
Die Anordnung der Sammler hinsichtlich der PCHE-Tafel kann Trennwände an bestimmten
Stellen in den Sammlern einschließen, um die Verteilung von
Wärmeübertragungsmitteln
auf voneinander abgetrennte Kanäle
der Wärmeaustauschertafel,
insbesondere auf separate Ein- und Auslässe der Kanäle, zu ermöglichen. Bei einer alternativen
Anordnung wird ein Verteilersystem bereitgestellt, das Wärmeübertragungsmittel
auf Öffnungen,
die sich direkt innerhalb der peripheren Kanten der Tafel befinden,
verteilt und von diesen wegleitet, wobei diese Öffnungen zum Beispiel durch die
Bildung von Löchern
in entsprechenden Platten vor der Montage der Tafel entstehen, so
dass bei der Verbindung der Platten durch Diffusion Ein- und Auslasskammern
geschaffen werden.
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Unter
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung in
Form eines adiabatischen Abschnittsreaktors bereitgestellt, einschließend eine
chemische Reaktionszone, die durch mindestens eine Oberfläche begrenzt
wird, die Mittel zur Bewirkung eines Wärmeaustausches mit Fluiden,
die diese Zone durchströmen,
einschließt,
um eine Reaktion hervorzurufen, wobei die Zone und die Oberfläche zumindest
teilweise durch eine Wärmeaustauschertafel
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) bestimmt werden, wobei
die Tafel voneinander abgetrennte Kanäle zum Transport von Fluidreaktanten
und eines Wärmeübertragungsmittels bestimmt,
wobei durch die Gestaltung der PCHE-Tafel mindestens zwei unterschiedliche
Strömungswege
für den
Transport des Wärmeübertragungsmittels
bestimmt werden, wodurch das Wärmeübertragungsmittel
hinsichtlich des Strömens
von Fluidreaktanten durch die PCHE-Tafel in mindestens zwei unterschiedliche
Richtungen strömen
und dadurch insbesondere eine verbesserte Steuerung des Reaktantentemperaturprofiles
von Fluiden, die aus der PCHE-Tafel austreten, gewährleisten
kann.
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Die
Mittel zur Bewirkung eines Wärmeaustausches
liegen durchgängig
in der hierin beschriebenen PCHE-Form vor. Bei einer solchen Anordnung
sind die Dimensionen der Wärmeübertragung
typischerweise geringer als die Dimensionen der Katalysatorteilchen,
wodurch gewährleistet
wird, dass die Temperaturprofile, die der Wärmeübertragung auf Fluide in Kanälen innewohnen,
in Bezug auf die Größe der Katalysatorteilchen nicht
signifikant sind. Auch sind die Dimensionen der Wärmeübertragung
im Vergleich zur Betttiefe relativ gering, so dass alle Kanaltemperaturprofile
nur einen sehr kleinen Teil der einzelnen Katalysatorbettlängen einnehmen,
typischerweise zum Beispiel bis zu ca. 200 mm. Das steht im deutlichen
Gegensatz zur Verwendung von Austauscherrohren mit einem Außendurchmesser
von etwa 25 mm nach dem Stand der Technik, die stromabwärts in hohem
Maße Sogströmungen in
den Temperaturprofilen verursachen, die dann notwendigerweise einen
Maßstab
haben, der bedeutend größer als
die einzelnen Katalysatorteilchen ist, und sich über mindestens einen bedeutenden
Teil jedes Katalysatorbettes erstrecken.
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Vorteilhafterweise
bewegt sich das Wärmeübertragungsmittel
in jeder Richtung mehr als einmal entlang der Länge der Platte.
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Die
Kanäle,
durch die das Wärmeübertragungsmittel
strömt,
weisen vorzugsweise auch Schlangenlinienabschnitte einschließlich einer
Reihe von kurzen, scharten Krümmungen
auf.
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Unter
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Prozess
zur Durchführung
von chemischen Reaktionen unter gesteuerten Temperaturbedingungen
in erfindungsgemäßen adiabatischen
Abschnittsreaktoren bereitgestellt, wobei der Prozess umfasst: die
Zufuhr von Fluidreaktanten über
eine chemische Reaktionszone, um eine Reaktion hervorzurufen, wobei
die Fluidreaktanten nacheinander zugeführt werden, und Wärmeaustauschermittel,
wobei die Zone durch mindestens eine Oberfläche begrenzt wird, die Mittel zur
Bewirkung eines Wärmeaustausches
mit den Fluiden einschließt,
wobei die Oberfläche
zumindest teilweise durch eine Wärmeaustauschertafel
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE) bestimmt wird, wobei
die Tafel Mittel bereitstellt, die voneinander abgetrennte Kanäle, in denen
ein Wärmeübertragungsmittel
strömt,
und weitere Kanäle,
in denen Reaktantenfluide strömen,
bestimmen, die Einleitung eines Wärmeübertragungsmittels in die PCHE-Tafel
und die Bewirkung des Strömens
des Wärmeübertragungsmittels
in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen hinsichtlich des
Strömens
von Fluidreaktanten durch die PCHE-Tafel, um eine verbesserte Steuerung
des Reaktantentemperaturprofiles von Fluiden, die aus der PCHE-Tafel
austreten, zu gewährleisten.
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Es
gibt mehrere erfindungsgemäße Varianten
des Prozesses der Temperatursteuerung, unter denen der Bediener
des im konkreten Fall zur Verfügung
stehenden chemischen Reaktionssystems die jeweils geeignete auswählt. Zu
den hauptsächlichen
Variablen des PCR-Systems, die zu Zwecken der Temperatursteuerung
in Betracht zu ziehen sind, gehören
(a) die Strömungsrichtung
des Wärmeübertragungsmittels
(HE) hinsichtlich der Strömungsrichtung
von chemischen Reaktanten (CR) mit den hauptsächlichen Möglichkeiten Mitstrom (gleiche
Massenstromrichtung), Querstrom (schräg oder quer zur axialen Richtung
des CR-Massenstromes) und Kreuzstrom (HE-Massenstrom entgegengesetzt
zur axialen Richtung des CR-Massenstromes), (b) die Anzahl der Durchläufe in Bezug
aufeinander (HE:CR), (c) die HE-Strömungsrichtung in einer PCHE-Platte, die einer
entsprechenden CR führenden
Platte ausgesetzt ist, in Bezug auf die HE-Strömungsrichtung in einer anderen
PCHE-Platte, die ebenfalls jener CR führenden Platte ausgesetzt ist,
und (d) die Anzahl der unterschiedlichen PCHE-Plattenausführungen
innerhalb der PCHE-Tafel. Es besteht auch die Möglichkeit des Einsatzes von
mehr als einem Heiz- oder Kühlfluid
in einer einzigen Tafel, was entweder in separaten Kreisen auf einer
Platte oder in separaten Platten geschehen kann.
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Ausgezeichnete
Profile der Reaktantenaustrittstemperatur quer durch den Wärmeaustauscher
lassen sich erreichen, wenn der HE-Strom in einer PCHE-Platte, die
an eine Platte mit Fluid führenden
Kanälen,
die über
Fluide mit einer CR-Reaktionszone
in Verbindung stehen, angrenzt, dem HE-Strom in einer anderen PCHE-Platte,
die ebenfalls in einer Wärmeübertragungsbeziehung
zu jener Platte steht, die über
Fluide mit der CR-Reaktionszone in Verbindung steht, in ergänzender
Weise entspricht, wobei sich zum Beispiel diese andere PCHE-Platte, von der ersten
PCHE-Platte aus gesehen, auf der anderen Seite der Platte befindet,
die über
Fluide mit der CR-Reaktionszone in Verbindung steht, und wenn der
HE-Massenströmungsweg
im Allgemeinen quer, also tangential oder schräg zum CR-Massenströmungsweg
verläuft,
wobei der HE-Strömungsweg
mehrere Durchläufe
aufweist. Ein Beispiel dafür
wäre das
zweiwegige Mitstromfließschema
mit drei Durchläufen
gemäß 6 und 8.
We niger günstige,
aber immer noch akzeptable Ergebnisse lassen sich bei einigen Reaktionssystemen
mit Hilfe von Anordnungen gemäß 3 und 5 erzielen. 1, 2 und 4 repräsentieren
schlecht funktionierende Systeme.
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Unter
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine PCHE-Platte mehrere im
Wesentlichen parallele schlangenlinienförmige Strömungskanäle mit deutlich ausgeprägten Richtungsänderungen
innerhalb des Schlangenlinienverlaufes auf, wobei diese Richtungsänderungen
zum Beispiel durch ein Zickzackmuster erreicht werden, das im Wesentlichen über die
gesamte Länge
jedes einzelnen Kanals eingeprägt ist.
Die Anzahl der Schlangenlinienwindungen in jedem Strömungsweg
ist variabel, wobei jedoch mindestens zwei Windungen erforderlich
sind, um einen Rücklauf
und einen Durchlauf in Richtung Ausgang zu bewerkstelligen. Die
Verwendung eines Zickzackmusters ist ein fakultatives Merkmal. In
erster Linie besteht der Vorteil der Anordnung mit gewundenen Strömungskanälen in der
Bereitstellung einer Fluidwegströmungslänge, die ein
geradzahliges oder ein nicht ganzzahliges Vielfaches der Strömungslänge ist,
wodurch die Anforderungen an die Wärmeübertragung und an den Druckabfall
besser aufeinander abgestimmt werden können.
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Eine
solche Platte kann mit einer entsprechenden Platte mit ergänzender
Gestaltung, die die erste Platte widerspiegelt, gepaart werden,
um ein Plattenpaar zu bilden, zwischen dessen beiden Platten eine
Platte angeordnet ist, die für
den Transport von Reaktantenfluiden geeignet ist. An jedem Ende
der gepaarten Platten können
sich Ablenkflächen
befinden.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung soll nun anhand einiger nicht einschränkender Ausführungsformen
ausführlicher
erläutert
werden. Diese Ausführungsformen
werden lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen sind:
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1 in
ihrem oberen Teil ein Diagramm des typischen Profiles der Austrittstemperatur
quer durch ein Wärmeaustauschersystem,
das das Querfließschema
mit einem Durchlauf nach dem Stand der Technik aufweist, und in
ihrem unteren Teil eine schematische Darstellung dieses Wärmeaustauschersystems,
die einerseits eine Draufsicht der übereinander gelagerten Platten
des Systems während
des Betriebes ist und andererseits eine Draufsicht der separaten
Platten zeigt, in der die voneinander abgetrennten Strömungskanäle deutlich
zu erkennen sind;
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2 in
ihrem oberen Teil ein Diagramm des typischen Profiles der Austrittstemperatur
quer durch ein verbessertes Wärmeaustauschersystem
und in ihrem unteren Teil eine schematische Darstellung dieses Wärmeaustauschersystems,
die einerseits eine Draufsicht der übereinander gelagerten Platten
des Systems während
des Betriebes ist und andererseits eine Draufsicht der separaten
Platten zeigt, in der die voneinander abgetrennten Strömungskanäle deutlich
zu erkennen sind;
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3 in
ihrem oberen Teil ein Diagramm des typischen Profiles der Austrittstemperatur
quer durch ein alternatives verbessertes Wärmeaustauschersystem und in
ihrem unteren Teil eine schematische Darstellung dieses Wärmeaustauschersystems,
die einerseits eine Draufsicht der übereinander gelagerten Platten
des Systems während
des Betriebes ist und andererseits eine Draufsicht der separaten
Platten zeigt, in der die voneinander abgetrennten Strömungskanäle deutlich
zu erkennen sind;
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4 in
ihrem oberen Teil ein Diagramm des typischen Profiles der Austrittstemperatur
quer durch ein Wärmeaustauschersystem,
das das zweiwegige Fließschema
mit einem Durchlauf aufweist, und in ihrem unteren Teil eine schematische
Darstellung dieses Wärmeaustauschersystems,
die einerseits eine Draufsicht der übereinander gelagerten Platten
des Systems während
des Betriebes ist und andererseits eine Draufsicht der separaten
Platten zeigt, in der die voneinander abgetrennten Strömungskanäle deutlich
zu erkennen sind;
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5 in
ihrem oberen Teil ein Diagramm des typischen Profiles der Austrittstemperatur
quer durch ein verbessertes Wärmeaustauschersystem
und in ihrem unteren Teil eine schematische Darstellung dieses Wärmeaustauschersystems,
die einerseits eine Draufsicht der übereinander gelagerten Platten
des Systems während
des Betriebes ist und andererseits eine Draufsicht der separaten
Platten zeigt, in der die voneinander abgetrennten Strömungskanäle deutlich
zu erkennen sind;
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6 in
ihrem oberen Teil ein Diagramm des typischen Profiles der Austrittstemperatur
quer durch ein weiteres verbessertes und bevorzugtes Wärmeaustauschersystem
und in ihrem unteren Teil eine schematische Darstellung dieses Wärmeaustauschersystems,
die einerseits eine Draufsicht der übereinander gelagerten Platten
des Systems während
des Betriebes ist und andererseits eine Draufsicht der separaten
Platten zeigt, in der die voneinander abgetrennten Strömungskanäle deutlich
zu erkennen sind;
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7 ein
vergleichender Überblick über die
unterschiedlichen Profile der Reaktantenaustrittstemperatur, die
durch die Änderung
der Strömungswegrichtungen
von Wärmeübertragungsmitteln
hinsichtlich der Strömung
von Reaktanten erreichbar sind;
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8 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung einer Plattenausführung mit
Ein- und Austrittsöffnungen
in den peripheren Kanten der Platte;
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9 eine
Darstellung einer bevorzugten Strömungskanalanordnung für ein Wärmeübertragungsmittel
unter Einschluss von zwei separaten fakultativen Merkmalen (geradzahlige
Gesamtdurchlauflänge
durch Verwendung von schlangenlinienförmigen parallelen Strömungskanälen und
zickzackförmige
Richtungsänderungen
der voneinander abgetrennten Strömungskanäle zur Herbeiführung einer
Turbulenzströmung);
und
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10 eine
Draufsicht eines bevorzugten Systems eines Reaktors mit leiterplattenartigen
Strukturen (PCR), aufweisend eine Aufeinanderfolge von Katalysatorfestbetten,
zwischen denen sich jeweils Wärmeaustauschertafeln
mit leiterplattenartigen Strukturen (PCHE-Tafeln) befinden, wodurch
eine abwechselnde Aufeinanderfolge von mehreren katalytischen chemischen
Reaktionszonen und mehreren Temperatursteuerungszonen entsteht,
die sich zum Beispiel zur Verwendung im Prozess der Styrolherstellung
eignet.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Ein
verbessertes katalytisches Reaktorsystem ist erfindungsgemäß unter
Verwendung von PCHE-Tafeln erreichbar, die im System angeordnet
sind, um ein Reaktantentemperaturprofil am Ausgang der PCHE-Tafeln
zu erzeugen, das im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik
im Wesentlichen flach ist (siehe nachfolgende Beschreibung unter
besonderer Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform in 6).
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Aus
praktischen Gründen
werden in dieser Beschreibung Ausführungen, bei denen das Wärmeübertragungsmittel
an beiden Seiten der PCHE-Tafel eintritt, als zweiwegige Ausführungen
bezeichnet, während Ausführungen,
bei denen das Wärmeübertragungsmittel
nur an einem Ende der PCHE-Tafel eintritt, als einwegige Ausführungen
bezeichnet werden.
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Der
untere Teil von 6 ist eine schematische Darstellung
einer Anordnung einer PCHE-Tafel 4 aus unterschiedlich
ausgeführten
Platten 1, 2 zur Aufnahme eines Wärmeübertragungsmittels
(im vorliegenden Fall Dampf), zwischen denen eine Reaktantenfluidströmungsplatte 3 angeordnet
ist. Dabei ist zuerst die Anordnung der Platten während des
Betriebes zu sehen, während
darunter die separaten Platten dargestellt sind, um die jeweiligen
Strömungswege
deutlich erkennbar werden zu lassen. An jedem Ende befindet sich
außerhalb
der Platten ein halbzylindrischer Sammler 20 mit Trennwänden 21 zur
Trennung von Dampfeinlässen
und Dampfauslässen
an jedem Plattenende. Die Pfeile zeigen die beabsichtigte Strömungsrichtung
des Dampfes bzw. des Reaktanten an.
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Die
Platten haben schlangenlinienförmige
Kanäle 15, 25,
wodurch sich der Dampf mehrfach quer über die Platten bewegen kann.
Dadurch nimmt die Strömungsweglänge in Bezug
auf die Breite der Platte zu und die Wärmeübertragung zwischen dem Dampf
und den hindurchströmenden
Reaktanten wird verbessert.
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Während des
Betriebes werden zu erwärmende
oder wieder zu erwärmende
Fluidreaktanten in die PCHE-Tafel eingeleitet, wo Dampf am linken
Ende in die untere Dampfplatte 2 eintritt und am rechten
Ende aus dieser austritt, also die Platte in Pfeilrichtung durchströmt. Bei
der oberen Platte 1 tritt der Dampf rechts ein und strömt nach
links. Somit ergänzen
sich die obere und die untere Platte hinsichtlich der Strömungsrichtung.
Da die Reaktion in der angrenzenden Reaktionszone endotherm ist,
strömen
die austretenden Reaktantenfluide in die PCHE-Tafel und bewirken
eine Abkühlung
des Dampfes, während
dieser die Platte 1 durchströmt. Das Temperaturprofil der
austretenden Reaktantenfluide ist durch die Wechselwirkung zwischen
den Reaktantenfluiden und dem Heizfluid (Dampf) in beiden Richtungen
auf jeder Seite der Platte im Wesentlichen symmetrisch und somit
günstiger
im Vergleich zur einwegig ausgeführten
PCHE-Tafel in 1.
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Der
Prozess wird somit immer dann verbessert, wenn der Dampf den Strömungsweg
der Reaktanten mehrfach kreuzt, sich also mehr als einmal auf derselben
Platte vor- und zurückbewegt.
PCHE-Tafeln können problemlos
nach diesem Prinzip funktionieren, da sich komplexe Kanalanordnungen
auf photochemischem Wege leicht herstellen lassen.
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6 zeigt
eine solche Anordnung mit drei Dampfdurchläufen auf jeder der Dampfplatten.
Der Dampf auf der oberen Platte 1 strömt zweimal von rechts nach
links und einmal von links nach rechts, während es auf der ergänzenden
unteren Platte 2 genau umgekehrt ist, wodurch das Reaktantenaustrittstemperaturprofil
quer durch die PCHE-Tafel im Wesentlichen gleichmäßig ist
(siehe Diagramm des Temperaturprofiles). So ergibt sich durch die
kombinierte Wirkung der Platten ein Temperaturprofil der Reaktanten
bei deren Austritt aus der PCHE-Tafel, das im Wesentlichen flach
und symmetrisch ist, wobei die Temperaturschwankung in einem zu vernachlässigenden
Bereich von ±1,6°C liegt.
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5 zeigt
eine Variante dieser Anordnung. Auch hier durchströmt der Dampf
jede der Dampfplatten dreimal. Hier tritt der Dampf auf der oberen
Platte 11 neben der Ausgangsseite der Reaktantenfluidströmungsplatte 13 in
die Platte ein, strömt
zweimal von links nach rechts und einmal von rechts nach links und
tritt neben der Eingangsseite der Reaktantenfluidströmungsplatte
aus. Auf der unteren Platte 12 ist der Dampfströmungsweg
ebenfalls so gestaltet, dass der Dampf neben der Ausgangsseite der
Reaktantenfluidströmungsplatte
in die Platte 12 eintritt, dreimal quer durch die Platte 12 strömt und neben
der Eingangsseite der Reaktantenfluidströmungsplatte 13 austritt.
Daher kann immer noch ein symmetrisches Profil der Reaktantenfluidaustrittstemperatur
quer durch die PCHE-Tafel erreicht werden (siehe 5).
Das hinsichtlich der Dampfzufuhr diagonal entgegengesetzte Mehrfachdurchlaufmuster
hat indes ein Profil mit einer Temperaturschwankung von lediglich ±5°C erzeugt.
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4 zeigt
eine weitaus einfachere Anordnung mit einem Dampfdurchlauf pro Dampfplatte.
Bei einer solchen Ausführung
mit einem Durchlauf werden die Dampfströme getrennt, indem der Strom
auf einer der Dampfplatten an jedem Ende der Platte um 90° gedreht
wird. Damit alle Kanäle
die gleiche Länge
haben, weisen die Kanäle
an einem Ende nach oben und am anderen Ende nach unten.
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Das
Temperaturdiagramm im oberen Teil von 4 zeigt,
dass selbst bei dieser Anordnung gegenüber der Anordnung in 1 eine
deutliche Verbesserung erzielbar ist, da hier die Temperaturspanne
zwischen Ein- und Auslass von ±70°C (siehe 1)
auf ±29°C reduzierbar
ist.
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8 und 9 zeigen
alternative Ausführungsformen,
die jeweils Verbesserungen unter bestimmten Aspekten darstellen. 8 zeigt
eine mit Öffnungen
versehene Plattenkonstruktion, bei der die Platten Löcher 7 aufweisen,
um in nerhalb der Tafel Einlasskammern 8 und Auslasskammern 9 zu
bilden, wenn die Platten durch Diffusion miteinander verbunden werden.
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Eine
andere Verbesserung stellen die in 9 dargestellten
zickzackförmigen
Kanäle 10 dar.
Ihr Vorteil besteht in der Herbeiführung einer Turbulenz, die
zu einer verbesserten Wärmeübertragung
führt.
Auch ist es möglich,
Kanäle
mit einer Länge
zu bilden, die ein geradzahliges oder gebrochenes Vielfaches der
Plattenlänge
ist, und gleichzeitig zu gewährleisten,
dass der Dampf an einem Ende ein- und am anderen Ende austritt und
dass alle Kanäle
die gleiche Länge
haben.
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Ein
neuartiges adiabatisches Katalysatorbettreaktorsystem (siehe 10)
zur Durchführung
eines chemischen Reaktionsprozesses weist eine Reihe von katalytischen
Reaktionszonen 80 auf, die aus katalytischen Festbetten 81 bestehen,
die durch obere und untere Wandplatten 82, die die Sicherheitshülle des
Reaktors darstellen, und maschenförmige Stirnwände 83 der
katalytischen Reaktorzone begrenzt werden. Das Maschengeflecht hindert
den Katalysator daran, unter dem Einfluss des Massenfluidstromes
aus dem Bett auszutreten. Dieser Strom würde sonst Katalysatorteilchen
im katalytischen Reaktorsystem stromabwärts befördern. Diese katalytischen
Reaktorzonen sind nacheinander angeordnet. Zwischen ihnen befinden
sich PCHE-Tafeln 90, die über Fluide mit den Katalysatorbetten
in Verbindung stehen, zur Aufnahme gemischter Reaktanten mit dem
Ziel, diese vor ihrem Eintritt in den nächsten Abschnitt des Prozesses
thermisch zu konditionieren. Jede PCHE-Tafel besteht aus mehreren
PCHE-Platten mit
geeigneten Öffnungen
und schlangenlinienförmigen
Kanälen,
die einen zweiwegigen Wärmeaustausch
in drei Durchläufen
mit den zu konditionierenden Reaktanten ermöglichen. Die PCHE-Tafeln sind
mit außen
angeordneten Dampfverteilern verbunden, die der geeigneten Zufuhr
und Ableitung des Dampfes, der das Wärmeübertragungsmittel (HE) darstellt,
dienen.
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Die
Tafeln können,
auch wenn das in 10 nicht im Einzelnen dargestellt
ist, hinsichtlich der Bohrung von schlangenlinienförmigen Kanälen für den HE-Durchsatz, der Oberfläche von
Wärmeübertragungsflächen usw.
unterschiedlich gestaltet sein, um die Anpassung an die Erfordernisse
des Prozesses im Zuge der Entwicklung der Reaktion durch den gesamten
katalytischen Reaktor und insbesondere die Anpassung an alle notwendigen
Veränderungen
im Katalysatorbett zu gewährleisten.
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Während des
Betriebes werden die Reaktanten, zum Beispiel zur Styrolherstellung
(endotherme Reaktion), idealerweise mit einer Temperatur von ca.
600°C oder
mehr in das erste katalytische Bett 81 eingeleitet, das
die geeignete Größe hat,
um die gewünschte
Strömgeschwindigkeit
und einen angemessenen Gesamtmassendurchsatz zu gewährleisten.
Ein gewisser Wärmebedarf
der Reaktion kann dazu führen,
dass die Mischung aus Reaktanten und Teilprodukten das erste katalytische
Bett mit einer Temperatur von zum Beispiel ca. 580°C verlässt, die
unter der optimalen Temperatur liegt. Demgemäß ist die erste PCHE-Tafel 90 so
gestaltet, dass sie überhitzten
Dampf mit einer Temperatur von zum Beispiel bis zu ca. 800°C aufnimmt,
um eine Wiedererwärmung
der Mischung aus Reaktanten und Teilprodukten bis auf ca. 620°C zu erreichen,
bevor diese in das nächste
katalytische Bett eintritt. Diese Schritte werden in jedem Abschnitt
des katalytischen Reaktors wiederholt.
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Gewerbliche
Verwertbarkeit
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Die
erfindungsgemäßen PCHE-Plattenausführungen,
PCHE-Tafeln und katalytischen PCR-Systeme und der erfindungsgemäße Prozess
zur Durchführung
von chemischen Reaktionen unter gesteuerten Temperaturbedingungen,
die hierin offenbart sind, sind auf dem Gebiet der chemischen Verfahrenstechnik
verwertbar und in einem breiten Spektrum chemischer Reaktionen im
gewerblichen Maßstab
nutzbringend einsetzbar, können
aber auch an Anwendungen im kleineren Maßstab, zum Beispiel Laborarbeiten
und Arbeiten in Pilotanlagen, angepasst werden.
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Beschriftung der Zeichnungen
-
Die
1 bis
10 enthalten
folgende Begriffe (in alphabetischer Reihenfolge):
| One-pass
one-way | einwegig
mit einem Durchlauf |
| One-pass
two-way | zweiwegig
mit einem Durchlauf |
| Reactant
flow | Reaktantenstrom |
| Reactant
plate | Reaktantenplatte |
| Reactants | Reaktanten |
| Steam
plate | Dampfplatte |
| Steam
supply lines | Dampfzufuhrleitungen |
| Steam | Dampf |
| Temperature | Temperatur |
| Three-pass
one-way co-flow | Mitstrom
einwegig mit drei Durchläufen |
| Three-pass
one-way counter-flow | Kreuzstrom
einwegig mit drei Durchläufen |
| Three-pass
two-way co-flow | Mitstrom
zweiwegig mit drei Durchläufen |
| Three-pass
two-way counter-flow | Kreuzstrom
zweiwegig mit drei Durchläufen |