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TW202408654A - 化學流動反應器 - Google Patents

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TW202408654A
TW202408654A TW112116414A TW112116414A TW202408654A TW 202408654 A TW202408654 A TW 202408654A TW 112116414 A TW112116414 A TW 112116414A TW 112116414 A TW112116414 A TW 112116414A TW 202408654 A TW202408654 A TW 202408654A
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TW
Taiwan
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plate
tube
fluid
planar
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TW112116414A
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Inventor
陶德 羅姆斯堡
威廉 懷騰柏格
Original Assignee
英商強生麥特公司
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Abstract

本發明係關於一種化學流動反應器，其包括：外殼，其具有入口及出口；至少一個熱交換管，其延伸穿過該外殼之內部；空間，其界定在該外殼之內表面與該至少一個管之外表面之間，該空間與該入口及該出口流體連通；及複數個板，其等堆疊在該空間內，從而在該入口與該出口之間形成堆疊板總成，各板包括至少一個孔，該至少一個管延伸穿過該至少一個孔，使得該至少一個管延伸穿過該堆疊板總成。諸如觸媒之活性化學物質經安置於各板上。

Description

化學流動反應器
本說明書係關於化學流動反應器，諸如催化流動反應器。
諸如催化流動反應器之化學流動反應器之各種設計在此項技術中係已知的。某些流動反應器經設計以在反應之前、期間或之後提供用於加熱或冷卻製程流體之熱交換流體。在此等情況下，反應器可具有擁有延伸穿過其間之一或多個管之外殼。熱交換流體可流動穿過一或多個管，其中製程流體圍繞一或多個管流動穿過反應器外殼。在替代方法中，製程流體可流動穿過一或多個管，且圍繞一或多個管在反應器外殼內提供熱交換流體。在任一情況下，在管壁處，在熱交換流體與製程流體之間交換熱能。熱交換流體及製程流體可為液體或氣態。
亦已知在此等流動反應器設計內提供一或多種活性化學物質。例如，可在流動反應器內提供觸媒以驅動製程流體內之所要化學反應。觸媒可以丸粒形式提供，使得製程氣體流動穿過丸粒觸媒以驅動化學反應。在其中熱交換流體流動穿過一或多個管，其中製程流體圍繞一或多個管流動穿過反應器外殼之反應器構形中，可在反應器外殼內圍繞管提供丸粒觸媒。在其中製程流體流動穿過一或多個管且圍繞一或多個管在反應器外殼內提供熱交換流體之反應器構形中，可在一或多個管內提供丸粒觸媒。
若干因素影響此等流動反應器之技術及商業效率，包含： 流動反應器中之製程流體與活性化學物質/觸媒之間之接觸表面積； 流動反應器中之製程流體與活性化學物質/觸媒之間之接觸時間； 流動反應器中之活性化學物質之功效； 在製程流體流動穿過/流經活性化學物質/觸媒時，穿過反應器之製程流體流速及壓降； 製程流體與熱交換流體之間之熱交換效率以最佳化流動反應器內之溫度控制(包含達成製程流體之目標溫度範圍/值及/或流動穿過反應器之製程流體之溫度控制之均勻性)； 流動反應器構形之效能及/或壽命之穩定性/均勻性(例如，在於延長操作壽命內維持前述功能參數之最佳化組合方面)； 建構流動反應器之成本及/或流動反應器之維護便利性(例如，在反應器中引入/更換活性化學物質/觸媒)；及 操作流動反應器之成本。
本說明書之目的係提供一種化學流動反應器構形，其至少針對某些應用提供至少一些此等參數之改良組合。
本說明書提供一種化學流動反應器(例如，催化流動反應器)，其包括： 外殼(殼)，其具有入口及出口； 至少一個管(熱交換管)，其延伸穿過該外殼之內部； 空間，其界定在該外殼之內表面與該至少一個管之外表面之間，該空間與該入口及該出口流體連通； 複數個板，其等堆疊在該空間內，從而在該入口與該出口之間形成堆疊板總成，各板包括至少一個孔，該至少一個管延伸穿過該至少一個孔，使得該至少一個管延伸穿過該堆疊板總成，其中各板在該至少一個管之該外表面與該外殼之該內表面之間延伸，且形成鄰近該至少一個管之該外表面之板-管介面區及鄰近該外殼之該內表面之板-外殼介面區； 活性化學物質(例如，包括至少一種觸媒及/或吸附劑或由至少一種觸媒及/或吸附劑組成)，其安置於各板之至少一個表面之至少一部分上(例如，塗覆或黏附至該板)， 其中該堆疊板總成內之該等板之至少一些係非平面的(例如，波紋的)，各非平面板包括一系列溝槽及脊， 其中該堆疊板總成內之鄰近板經構形，使得該等溝槽在該等鄰近板之間形成流體流道，且 其中該堆疊板總成內之該複數個板包括：第一組板，其等與該至少一個管形成干涉配合，從而限制流體流動穿過該板-管介面區；及第二組板，其等與該至少一個管形成間隙配合，從而使流體能夠流動穿過該板-管介面區，該第一組板及該第二組板在該堆疊板總成內交替，藉此引導流體在迂迴路徑中從該入口通過該等板之間之該等流體流道至該出口。
在本說明書之內容脈絡中，干涉配合提供組件之間之緊密配合，以便抑制製程流體流動穿過該干涉配合。相反地，間隙配合在組件之間提供開口或間隙，使得製程流體可容易地流動穿過該間隙配合。
因此，本說明書提供一種化學流動反應器，例如催化流動反應器，其具有延伸穿過該反應器之一或多個熱交換管。當製程氣體流動經過加熱管時，根據本說明書之構形週期性地容許該製程氣體從此等管傳導熱量。此加熱容許該製程氣體在通過塗覆板之區段之前獲得化學反應所需之熱能。該等非平面塗覆板增加塗覆板表面與製程氣體之間之接觸面積。此增強接觸導致增加的化學活性，其改良製程效率及處理量。該構形提供丸粒構形之替代品，其具有增加的熱傳遞、減小的壓降及增加的表面積。該構形具有穩定及可控操作參數以在延長時間段內維持高效操作。根據本說明書之構形之其他優點包含該等板之建構及更換便利性。當需要使用不易於形成為耐用丸粒之觸媒材料時，該等構形亦係有用的，從而開創使用不同活性化學物質/觸媒之可能性。
該堆疊板總成內之鄰近板可彼此接觸，且當以堆疊配置構形時具有非互補形狀，此確保該等鄰近板之間之流道藉由該等板本身之形狀保持敞開，而無需分開的間隔件結構。此構造簡化反應器構形，使能夠容易地裝載及更換板，且容許在簡單製程中將大量板堆疊在一起。
該堆疊板總成內之該等非平面板可作為彼此未實體附接之分開的板組件提供。在此情況下，藉由將該等非平面板彼此上下放置來形成該堆疊板總成。替代地，該堆疊板總成內之至少數個該等非平面板可實體地彼此附接。例如，至少數個該等非平面板可經3D列印以形成包括該等非平面板之單塊三維結構。數個此等單塊結構可經提供及堆疊以形成該堆疊板總成(例如，其中各單塊結構可由密封板分離，如隨後描述)。替代地，該整個堆疊板總成可被提供為藉由3D列印形成之單塊結構。仍替代地，代替3D列印包括複數個該等非平面板之單塊結構，可藉由將複數個該等非平面板附接或接合在一起來形成此結構。
該等板可為波紋的，具有線性或非線性(例如，人字形)通道。該第一組板可經定向，使得其等之溝槽在第一方向上延伸，且該第二組板可經定向，使得其等之溝槽在第二方向上延伸，該第二方向自該第一方向旋轉地偏移。因而，該等板之該波紋結構可實質上相同，其中該等板旋轉地偏移以確保該等板不以互補方式塌縮(嵌套)在一起，而是在其等之間維持用於製程流體之敞開流道。藉由旋轉地偏移，其意謂該等板相對於該反應器構形之中心軸旋轉地定向，使得鄰近板之該等通道在不同方向上定向，且不嵌套在一起。
在一種構形中，該第一組板與該外殼形成間隙配合，從而使流體能夠流動穿過該板-外殼介面區，且該第二組板與該外殼形成干涉配合，從而限制流體流動穿過該板-外殼介面區，藉此用於流體流動之該迂迴路徑至少部分位於該第一組板之該板-外殼介面區處之該間隙配合與該第二組板之該板-管介面區處之該間隙配合之間。此構形確保該製程氣體在熱交換管與反應器壁之間徑向流動，且反之亦然，以交替方式沿該堆疊板總成向上流動。
根據某些構形，多於一個管延伸穿過該堆疊板總成，各板包括複數個孔，每個管一個孔。例如，該第一組板及該第二組板之各板可包括至少一個間隙配合孔及至少一個干涉配合孔。在該堆疊板總成中，該第一組板之該至少一個間隙配合孔係圍繞與該第二組板之該至少一個間隙配合孔不同之管，且該第一組板之該至少一個干涉配合孔係圍繞與該第二組板之該至少一個干涉配合孔不同之管。用於流體流動之該迂迴路徑至少部分位於圍繞一個管在該第一組板之該板-管介面區處之該間隙配合與圍繞不同管在該第二組板之該板-管介面區處之該間隙配合之間。
在某些構形中，該第一組板及該第二組板之各板可包括複數個間隙配合孔及複數個干涉配合孔。在該堆疊板總成中，該第一組板之該等間隙配合孔係圍繞與該第二組板之該等間隙配合孔不同之管，且該第一組板之該等干涉配合孔係圍繞與該第二組板之該等干涉配合孔不同之管。因此，在該等不同管之間提供用於流體流動之複數個迂迴路徑。
該堆疊板總成亦可包括週期性地放置於該等非平面板之間之一系列密封板(例如，平面板)，該等密封板各自包括防止該外殼與該堆疊板總成之間之流體流動之周邊密封件。具有密封件之此等平板藉由使製程氣體流動穿過該反應器外殼/殼與波紋板之間之間隙來防止該製程氣體繞過該等波紋板。此外，該等平板促進行進穿過各種流道之製程流體之混合。
亦可設想，該堆疊板總成可包括多於兩組非平面板，其等在其等之非平面形狀、旋轉定向及/或與該至少一個管或外殼之配合方面不同。
雖然本說明書之重要特徵係在該等管與該反應器外殼/殼之間之該空間中佈建板結構，但根據某些構形，亦可在該等管之一或多者內提供結構化元件以增強熱傳遞及/或促進該等管內之進一步反應(若塗覆有適合活性化學物質)。
本說明書亦提供一種操作如上文描述之化學流動反應器之方法。製程流體(例如，製程氣體)從入口流動穿過堆疊板總成至出口，該製程流體與板上之活性化學物質反應，或歸因於該等板上之該活性化學物質之催化作用而反應。熱交換流體(例如，其之至少一部分係液體)流動穿過一或多個管。因而，在該一或多個管之壁處，在該製程流體與該熱交換流體之間交換熱量。
製程流體流動及熱交換流體流動可在同向流或反向流方向上。此外，該熱交換流體可處於高於該製程流體之溫度，使得熱能從該熱交換流體傳遞至該製程流體，或反之亦然。在某些構形中，該製程流體從該出口循環返回穿過該等管之至少一者，藉此該製程流體至少部分用作該熱交換流體，從而實現反應物製程流體與產物製程流體之間之熱傳遞。亦可設想，該反應器外殼/殼可經(外部)加熱，例如經由將用作熱交換器之廢氣電加熱或重新安排路徑。
本說明書亦提供一組用於如本文中描述之化學流動反應器或方法中之化學塗覆板。該組化學塗覆板包括複數個非平面板，各非平面板包括一系列溝槽及脊，其中活性化學物質(例如，至少一種觸媒)塗覆於各非平面板之至少一個表面之至少一部分上。各非平面板包括貫穿其間以在使用中容納一或多個熱交換管之一或多個孔。該複數個非平面板包括：第一組板，其等具有依據跨各板之孔之大小、形狀及位置的第一孔構形；及第二組板，其等具有依據跨各板之孔之大小、形狀及位置的第二孔構形，當該第一組板及該第二組板旋轉地對準以在使用中容納一或多個熱交換管時，該第一構形及該第二構形具有對應孔位置，但在該第一組板及該第二組板之對應位置處具有不同孔大小或形狀。
該等板可為波紋的以具有線性或非線性通道。當該第一組板及該第二組板中之該等孔旋轉地對準以在使用中容納一或多個熱交換管時，該第一組板經定向，使得其等之溝槽在第一方向上延伸，且該第二組板經定向，使得其等之溝槽在第二方向上延伸，該第二方向自該第一方向旋轉地偏移。
該組化學塗覆板可進一步包括一組平面密封板。各平面密封板包括周邊密封件。當該第一組板及該第二組板以及該等平面密封板旋轉地對準以在使用中容納一或多個熱交換管時，該等平面密封板亦包括對應於該第一構形及該第二構形之位置中之一或多個孔。
該組化學塗覆板可作為分開的板提供以在反應器內建構為堆疊板總成。替代地，該組化學塗覆板可在預構形之堆疊板總成中提供以裝載至反應器中。
圖1展示具有中央熱交換管3及波紋化學塗覆板5、6之堆疊之流動反應器之實例之橫截面視圖。在堆疊中提供兩種不同類型之交替板5、6。兩種不同類型之板旋轉地偏移，使得鄰近板具有定向為相對於彼此成90 °之波紋以維持板之間之敞開流道。即，板中之波紋無法嵌套在一起，此將使堆疊之敞開結構塌縮。波紋板之結構及定向界定流道，而無需提供分開的間隔件組件。
除了交替板中之波紋之定向之差異之外，交替板亦在與中央熱交換管及反應器構形之外壁或殼之配合之性質上不同。該等板在具有與熱交換管之干涉配合及與外殼/殼7之間隙配合之第一板5 (圖1中之左手側)與具有與熱交換管3之間隙配合及與反應器外殼/殼7之干涉配合之第二板6 (圖1之右手側)之間交替。因此，交替板迫使製程流體遵循如由圖中之箭頭展示之迂迴路徑。此使製程氣體能夠徑向流經化學塗覆板，同時週期性地被加熱(或替代地被冷卻)，此係因為製程氣體在行進穿過第二板類型之間隙配合時鄰近於熱交換管流動。
圖2展示具有複數個熱交換管3及波紋化學塗覆板5、6之堆疊之流動反應器之另一實例。正如圖1中展示之實例，在堆疊中提供兩種不同類型之交替波紋板5、6 (圖2之左手側)。兩種不同類型之板具有相對於彼此旋轉地偏移以依類似於圖1之實例之方式維持板之間之敞開流道之波紋。此處之差異在於，在各板中提供複數個孔，使得複數個熱交換管3可延伸穿過板堆疊。兩種不同類型之板具有孔構形，使得當複數個孔在堆疊中旋轉地對準，其中管延伸穿過其間時，波紋旋轉地偏移。即，管可用於依據其等之波紋將板保持在旋轉偏移定向上。此確保板無法嵌套在一起，此將使堆疊之敞開結構塌縮。再者，波紋板之結構及定向界定流道，而無需提供分開的間隔件組件。
板堆疊亦包含週期性地放置於堆疊中之平面密封板4 (圖2之右手側)。密封板4亦包括與波紋板中之孔構形互補之孔構形以使管3能夠延伸穿過全部此等板。密封板各自包括防止外殼與堆疊板總成之間之流體流動之周邊密封件。具有密封件之此等平板藉由使製程氣體流動穿過反應器外殼/殼與波紋板之間之間隙來防止製程氣體繞過波紋板。此外，平板促進行進穿過各種流道之製程流體之混合。
圖3展示圖2之流動反應器之一部分，其指示製程氣體之流徑。雖然鄰近板依據其等之位置具有相同孔圖案，此係容許管延伸穿過堆疊所必需的，但鄰近板依據哪些孔具有與管之干涉配合以及哪些孔具有與管之間隙配合具有不同圖案。因而，製程氣體被迫使在迂迴路徑中通過圍繞一個管之間隙配合且接著通過圍繞不同管之後續間隙配合。
圖4稍微更詳細地展示圖2之平面密封板4。如先前指示，密封板亦包括與波紋板中之孔構形互補之孔構形以使管能夠延伸穿過全部此等板，且可包含干涉配合孔及間隙配合孔兩者。密封板各自包括防止外殼與堆疊板總成之間之流體流動之周邊密封件。具有密封件之此等平板藉由使製程氣體流動穿過反應器外殼/殼與波紋板之間之間隙來防止製程氣體繞過波紋板。此外，平板促進行進穿過各種流道之製程流體之混合。例如，密封平板可具有圍繞周邊區之干涉配合孔及更中央區中之間隙配合孔，以便迫使製程氣體返回至反應器之更中央區中。
圖5展示根據本說明書之流動反應器之另一實例之外部視圖。反應器包含入口1、出口2、殼或外殼7及延伸穿過殼/外殼之複數個熱交換管3。入口及出口與圍繞熱交換管3之反應器外殼/殼7內之空間流體連通。
圖6展示圖5之流動反應器之橫截面視圖。流動反應器包括19個熱交換管3。圖6亦指示截面A-A (在圖7中展示)及截面B-B (在圖8中展示)。如在圖7中可最清楚地看到，反應器構形包括：入口埠1；排氣或出口埠2；19個加熱流體管3；具有密封環之平板4；第一類型之波紋板5；第二類型之波紋板6；反應器殼或外殼7；及端帽8。正如先前實例，兩種類型之波紋板5、6交錯，且彼此上下靜置，其中波紋從各者旋轉地偏移，使得其等不嵌套在一起。因而，在板之間提供複數個流道以使製程氣體接觸安置或塗覆於板上之觸媒或其他活性化學物質。此外，兩種類型之波紋板以及平面密封板具有複數個孔，該等孔可經對準以使熱交換管能夠延伸穿過板堆疊。板具有干涉配合及間隙配合孔之不同圖案，使得製程氣體被迫使在迂迴路徑中通過圍繞不同熱交換管之間隙配合孔，如圖9中繪示，圖9展示圖5至圖8之流動反應器之一部分，其指示製程氣體之流徑。
雖然本說明書之重要特徵係在管與反應器外殼/殼之間之空間中佈建板結構，但根據某些構形，亦可在該等管之一或多者內提供結構化元件以增強熱傳遞及/或促進該等管內之進一步反應(若塗覆有適合活性化學物質)。圖6展示管內之此等結構之實例。在所繪示實例中，在若干管中提供所謂「Z形條」，其等包括具有可在圖6之橫截面視圖中看到之Z形橫截面之結構元件。此等管道側結構元件可為細長的，且沿著(若干)管/(若干)管道之內部延伸。視情況，可在管中提供多於一個此元件。視情況，管內之結構元件由導熱材料(例如，金屬/合金)製成。較佳地，結構元件係非平面的，因此增加其等之表面積及與在管內流動之流體之接觸面積。管道內之此等結構元件對於增強管內之熱傳遞特別有用。Z形條(或對應結構)藉由破壞流體/氣體之邊界層來提供增加的熱傳遞。此等亦可塗覆有活性材料以用於廢氣之氧化及/或放熱反應以增加熱傳遞。內部管結構亦可為靜態混合器或導致濁度以破壞邊界層之某一構形。
圖10展示用於圖5至圖9之反應器中之第一類型之波紋板5之一者。在此實例中，板包括中央間隙配合孔及周邊間隙配合孔環。在中央間隙配合孔與周邊間隙配合孔之間提供干涉配合孔環。如從上方或下方觀察，干涉配合孔具有與熱交換管之形狀互補之圓形突出形狀，使得該等孔與該等管形成緊密配合(干涉配合)以限制製程氣體流動穿過其間。間隙配合孔亦具有圓形突出形狀以配合在熱交換管周圍。然而，間隙配合孔與干涉孔之不同之處在於，其等各自具有圍繞其等之圓周安置之一系列槽以使製程氣體能夠容易地流動穿過其間。此等開槽孔係一種類型之間隙孔。可設想其他構形。例如，間隙孔可簡單地具有大於熱交換管之直徑以使製程氣體能夠流動穿過板。替代地，間隙配合孔可具有非圓形或不與熱交換管互補之形狀，使得為製程氣體流動提供空隙或間隙。此外，雖然板被展示為具有波紋，該波紋具有包括平坦部分及邊緣部分之三角波形型結構，但波紋在構造上可為彎曲或波狀，具有更正弦波形形狀，或可替代地具有鋸齒或方波形形狀。仍替代地，非平面形狀可由複數個分離凹痕/突出部而非延伸波紋形成。非平面結構之關鍵功能特徵係，當板堆疊在一起時，其等形成敞開結構，其間具有製程流體/氣體之流徑。
圖11展示用於圖5至圖9之反應器中之第二類型之波紋板6之一者。在此實例中，板包括中央干涉配合孔及周邊干涉配合孔環。在中央干涉配合孔與周邊干涉配合孔之間提供間隙配合孔環。即，干涉配合孔及間隙配合孔之圖案與圖10中展示之第一類型之板之圖案相反。亦應注意，當圖10及圖11中展示之兩個板之孔經對準，使得熱交換管可延伸穿過兩種類型之板時，兩種類型之板之波紋不對準。實情係，波紋旋轉地偏移，使得其等不嵌套在一起。此使兩種類型之板能夠以交替方式堆疊，使得在板之間提供敞開流徑。
圖12展示用於圖5至圖9之反應器中之具有密封環之平板4。在此實例中，板包括中央間隙配合孔及周邊間隙配合孔環。在中央間隙配合孔與周邊間隙配合孔之間提供干涉配合孔環。與波紋板相比，具有周邊密封環之此平板與外壁形成更可靠的干涉配合，且因此確保製程氣體不藉由沿反應器之側壁向上流動而繞過堆疊板構形。實情係，製程氣體被迫使返回至反應器內之更中央區中以提供如圖13中繪示之製程流體流動，圖13展示圖5至圖9之流動反應器之橫截面視圖，其指示製程氣體之流徑。
因此，根據本說明書之反應器構形為殼側反應器容器應用提供具有增強的熱傳遞之結構化觸媒平台。殼側意謂觸媒經提供於管之外部，在管與反應器之殼或外殼之間之空間中，即，觸媒安置於管之殼側上，而非管之內部。在某些應用中，經由管道加熱容器之殼側上之製程氣體。在其他應用中，相反情況亦可能，且製程氣體可將熱量傳遞至管道內之流體中。殼及管道熱交換器型催化反應器及其組件之設計具有增強的效率且製造之便利性。
總結圖5至圖13之前述描述，設備係殼及管道配置，其中殼側及管道側中之流體流動係分離的。提供加熱流體流動穿過其間之多個熱交換管道。製程流體流動穿過殼側。波紋板經連續且週期性地堆疊為反應器殼中之層。此等板上塗覆有(若干)觸媒或其他化學物質。波紋板具有組裝至載送加熱流體之管上且與其等配接之孔。該等孔使總成中之塗覆板定向，且因此防止其等塌縮至鄰近層中。兩個波紋板中之孔大小及類型係不同的。一組孔與管緊密配合(干涉配合)，且限制流體流動穿過板-管介面。另一組孔與加熱管間隙配合(在加熱管與板之間具有間隙)。因此，製程氣體可憑藉此間隙配合接頭流動穿過板-管介面。此等交替類型之間隙及干涉配合接頭引導製程流體在迂迴路徑中通過波紋板層之間之通道。
具有密封件之平板經週期性地放置於波紋板堆疊之間。具有密封件之此等平板藉由使製程氣體流動穿過反應器殼與波紋板之間之間隙來防止製程氣體繞過波紋板。此外，平板促進行進穿過各種流道之製程流體之混合。
因此，此設計：a)週期性地容許製程氣體在其流動經過加熱管時從此等管傳導熱量，從而容許製程氣體在通過塗覆板之區段之前獲得化學反應所需之熱能；及b)增加塗覆板表面與製程氣體之間之接觸面積。此增強接觸導致增加的化學活性，其改良製程效率及處理量。該配置亦提供反應器之殼側與管道側之間之更大熱傳遞以及與在殼側上使用傳統丸粒相比產生更低壓降。
板上之活性化學物質可為一或多種觸媒、一或多種化學反應物或一或多種吸附劑/吸收劑。例如，波紋板及視情況裙部密封板可根據所要反應塗覆有觸媒。各類型之交替波紋板彼此上下堆疊，其中波紋方向經旋轉，使得其等不彼此上下嵌套(多至90°，但非0°)。製程流體(例如，氣體)向下(或向上)流動穿過板，且歸因於各板中之交替孔大小/形狀而被徑向引導。管道亦行進穿過之此等孔係緊密配合(以便阻止流動經過管道)或係較寬配合(以便促進流動)。此具有在之字形或迂迴路徑中引導流動穿過各層之波紋之效應，從而使流動衝擊至管道上以實現更大熱傳遞。可更改波紋幾何形狀以使熱傳遞最大化。在先前描述之所繪示實例中，單元幾何形狀係筆直的。然而，亦可使用人字形波紋幾何形狀或某一其他圖案。
波紋板可經堆疊成由裙部密封板分離之區段，該裙部密封板用於將通常來自容器之邊緣之流動重新引導至容器之中央，從而確保沿容器壁向下流動之任何旁路流體之混合。該等區段可逐層組裝或在相干結構中預組裝成堆疊。
本說明書之構形係固有地可縮放的。一個當前實例包括具有4''直徑之反應容器，其中較小內部熱交換管延伸穿過其間。然而，反應容器可更大及/或塗覆/波紋板(箔)之幾何形狀可經更改以適應不同應用。製程流體流動可為向下流動或向上流動，且因此與管道內之熱交換流體同向流或反向流。
該等構形提供殼/管道熱交換器/反應器/重組器之殼側結構，其引導流動，使得經歷更大熱傳遞之衝擊，實現結構化觸媒之壓降益處，且裙部密封件重新引導流動且導致混合。與丸粒相比，該等構形之益處包含增加的熱傳遞、減小的壓降及增加的表面積。本說明書提供平台技術以取代其觸媒在殼側而非管道側上之反應器之丸粒。殼側反應器系統可以單一管中管設計或多管中管設計提供。此外，流動穿過殼側結構化觸媒之氣體可在反應之後圍繞管道循環且流動返回穿過管道以實現反應物與產物氣體之間之熱傳遞。亦可設想，反應器外殼/殼可經(外部)加熱，例如經由將用作熱交換器之廢氣電加熱或重新安排路徑。
本說明書之態樣包含反應器設備構形、操作該設備之方法及用於反應器設備中之一組塗覆板。雖然已參考某些實例特別展示及描述本發明，但熟習此項技術者將理解，可在不脫離如由隨附發明申請專利範圍定義之本發明之範疇之情況下做出形式及細節上之各種改變。
1:入口埠 2:排氣或出口埠 3:加熱流體管/熱交換管 4:平板/平面密封板 5:波紋板/化學塗覆板/第一板 6:波紋板/化學塗覆板/第二板 7:外殼/殼 8:端帽
為了更佳理解本發明且展示可如何實現本發明，現將參考隨附圖式僅藉由實例來描述本發明之某些實施例，其中： 圖1展示具有中央熱交換管及波紋化學塗覆板堆疊之流動反應器之實例之橫截面視圖； 圖2展示具有複數個熱交換管及波紋化學塗覆板堆疊之流動反應器之另一實例； 圖3展示圖2之流動反應器之一部分，其指示製程氣體之流徑； 圖4展示平面密封板之實例。 圖5展示包含入口、出口及複數個熱交換管之流動反應器之實例之外部視圖； 圖6展示圖5之流動反應器之橫截面視圖，其指示截面A-A (在圖7中展示)及截面B-B (在圖8中展示)； 圖7展示來自圖6之截面A-A； 圖8展示來自圖6之截面B-B； 圖9展示圖5至圖8之流動反應器之一部分，其指示製程氣體之流徑； 圖10展示用於圖5至圖9之反應器中之波紋板A； 圖11展示用於圖5至圖9之反應器中之波紋板B； 圖12展示用於圖5至圖9之反應器中之具有密封環之平板；及 圖13展示圖5至圖9之流動反應器之橫截面視圖，其指示製程氣體之流徑。 在圖中，對應部分係用共同數值元件符號標記：入口埠1；排氣或出口埠2；加熱流體管3；具有密封環之平板4；第一類型之波紋板5；第二類型之波紋板6；反應器殼或外殼7；及端帽8。
3:加熱流體管/熱交換管
4:平板/平面密封板
5:波紋板/化學塗覆板/第一板
6:波紋板/化學塗覆板/第二板

Claims (30)

  1. 一種化學流動反應器，其包括： 外殼，其具有入口及出口； 至少一個管，其延伸穿過該外殼之內部； 空間，其界定在該外殼之內表面與該至少一個管之外表面之間，該空間與該入口及該出口流體連通； 複數個板，其等堆疊在該空間內，從而在該入口與該出口之間形成堆疊板總成，各板包括至少一個孔，該至少一個管延伸穿過該至少一個孔，使得該至少一個管延伸穿過該堆疊板總成，其中各板在該至少一個管之該外表面與該外殼之該內表面之間延伸，且形成鄰近該至少一個管之該外表面之板-管介面區及鄰近該外殼之該內表面之板-外殼介面區； 活性化學物質，其安置於各板之至少一個表面之至少一部分上， 其中該堆疊板總成內之該等板之至少一些係非平面的，各非平面板包括一系列溝槽及脊， 其中該堆疊板總成內之鄰近板經構形使得該等溝槽在該等鄰近板之間形成流體流道，且 其中該堆疊板總成內之該複數個板包括：第一組板，其等與該至少一個管形成干涉配合，從而限制流體流動穿過該板-管介面區；及第二組板，其等與該至少一個管形成間隙配合，從而使流體能夠流動穿過該板-管介面區，該第一組板及該第二組板在該堆疊板總成內交替，藉此引導流體在迂迴路徑中從該入口通過該等板之間之該等流體流道至該出口。
  2. 如請求項1之化學流動反應器， 其中該活性化學物質包括至少一種觸媒，藉此形成催化流動反應器。
  3. 如請求項1或2之化學流動反應器， 其中該活性化學物質黏附至該等板。
  4. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該堆疊板總成內之鄰近板彼此接觸，且當以堆疊配置構形時具有非互補形狀，此確保該等鄰近板之間之流道藉由該等板本身之形狀保持敞開，而無需分開的間隔件結構。
  5. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該堆疊板總成內之該等非平面板係彼此未實體附接之分開的板組件。
  6. 如請求項1至4中任一項之化學流動反應器， 其中該堆疊板總成內之至少數個該等非平面板實體地彼此附接。
  7. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該第一組板經定向，使得其等之溝槽在第一方向上延伸，且該第二組板經定向，使得其等之溝槽在第二方向上延伸，該第二方向自該第一方向旋轉地偏移。
  8. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該等板係具有線性或非線性通道的波紋板。
  9. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該第一組板與該外殼形成間隙配合，從而使流體能夠流動穿過該板-外殼介面區，且該第二組板與該外殼形成干涉配合，從而限制流體流動穿過該板-外殼介面區， 藉此用於流體流動之該迂迴路徑至少部分位於該第一組板之該板-外殼介面區處之該間隙配合與該第二組板之該板-管介面區處之該間隙配合之間。
  10. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中多於一個管延伸穿過該堆疊板總成，各板包括複數個孔，每個管一個孔。
  11. 如請求項10之化學流動反應器， 其中該第一組板及該第二組板之各板包括至少一個間隙配合孔及至少一個干涉配合孔，且 在該堆疊板總成中，該第一組板之該至少一個間隙配合孔係圍繞與該第二組板之該至少一個間隙配合孔不同之管，且該第一組板之該至少一個干涉配合孔係圍繞與該第二組板之該至少一個干涉配合孔不同之管， 藉此用於流體流動之該迂迴路徑至少一部分位於圍繞一個管在該第一組板之該板-管介面區處之該間隙配合與圍繞不同管在該第二組板之該板-管介面區處之該間隙配合之間。
  12. 如請求項10或11之化學流動反應器， 其中該第一組板及該第二組板之各板包括複數個間隙配合孔及複數個干涉配合孔，且 在該堆疊板總成中，該第一組板之該等間隙配合孔係圍繞與該第二組板之該等間隙配合孔不同之管，且該第一組板之該等干涉配合孔係圍繞與該第二組板之該等干涉配合孔不同之管， 藉此在該等不同管之間提供用於流體流動之複數個迂迴路徑。
  13. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該堆疊板總成包括週期性地放置於該等非平面板之間之一系列密封板，該等密封板各自包括防止該外殼與該堆疊板總成之間之流體流動之周邊密封件。
  14. 如請求項13之化學流動反應器， 其中該等密封板係平面的。
  15. 如前述請求項中任一項之化學流動反應器， 其中該堆疊板總成包括多於兩組非平面板，其等在其等之非平面形狀、旋轉定向及/或與該至少一個管或外殼之配合方面不同。
  16. 一種操作如前述請求項中任一項之化學流動反應器之方法， 其中製程流體從入口流動穿過堆疊板總成至出口，該製程流體與板上之活性化學物質反應，或歸因於該等板上之該活性化學物質之催化作用而反應， 其中熱交換流體流動穿過一或多個管， 藉此在該一或多個管之壁處，在該製程流體與該熱交換流體之間交換熱量。
  17. 如請求項16之方法， 其中製程流體流動及熱交換流體流動係在同向流或反向流方向上。
  18. 如請求項16或17之方法， 其中該熱交換流體處於高於該製程流體之溫度，且熱能從該熱交換流體傳遞至該製程流體，或反之亦然。
  19. 如請求項16至18中任一項之方法， 其中該製程流體從該出口循環返回穿過該等管之至少一者，藉此該製程流體至少部分用作該熱交換流體，從而實現反應物製程流體與產物製程流體之間之熱傳遞。
  20. 如請求項16至19中任一項之方法， 其中該製程流體係氣態的。
  21. 如請求項16至20中任一項之方法， 其中該熱交換流體之至少一部分係液體。
  22. 一種用於如請求項1至15中任一項之化學流動反應器或如請求項16至21中任一項之方法中之化學塗覆板組，該化學塗覆板組包括： 複數個非平面板，各非平面板包括一系列溝槽及脊，其中活性化學物質塗覆於各非平面板之至少一個表面之至少一部分上， 其中各非平面板包括貫穿其間以在使用中容納一或多個熱交換管之一或多個孔，且 其中該複數個非平面板包括：第一組板，其等具有依據跨各板之孔之大小、形狀及位置的第一孔構形；及第二組板，其等具有依據跨各板之孔之大小、形狀及位置的第二孔構形，當該第一組板及該第二組板旋轉地對準以在使用中容納一或多個熱交換管時，該第一構形及該第二構形具有對應孔位置，但在該第一組板及該第二組板之對應位置處具有不同孔大小或形狀。
  23. 如請求項22之化學塗覆板組， 其中該活性化學物質包括至少一種觸媒。
  24. 如請求項22或23之化學塗覆板組， 其中當該第一組板及該第二組板中之該等孔旋轉地對準以在使用中容納一或多個熱交換管時，該第一組板經定向，使得其等之溝槽在第一方向上延伸，且該第二組板經定向，使得其等之溝槽在第二方向上延伸，該第二方向自該第一方向旋轉地偏移。
  25. 如請求項22至24中任一項之化學塗覆板組， 其中該等板係具有線性或非線性通道的波紋板。
  26. 如請求項22至25中任一項之化學塗覆板組， 其中各非平面板包括貫穿其間以在使用中容納複數個熱交換管之複數個孔。
  27. 如請求項22至26中任一項之化學塗覆板組， 其進一步包括各自包括周邊密封件之一組平面密封板，當該第一組板及該第二組板以及該等平面密封板旋轉地對準以在使用中容納一或多個熱交換管時，該等平面密封板亦包括在對應於該第一構形及該第二構形之位置中之一或多個孔。
  28. 如請求項22至27中任一項之化學塗覆板組， 其中該化學塗覆板組係在預構形之堆疊板總成中提供。
  29. 如請求項22至28中任一項之化學塗覆板組， 其中該等非平面板係彼此未實體附接之分開的板組件。
  30. 如請求項22至28中任一項之化學塗覆板組， 其中該堆疊板總成內之至少數個該等非平面板實體地彼此附接。
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