CN100430125C - 用于反应室和反应器的导流插件 - Google Patents

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Abstract

用于反应器中的反应室的导流插件具有大体上方形的横截面。所述室在室的一端具有入口和在室的另一端具有出口，且反应室的至少一个壁部包括导热材料或隔膜。该插件包括多个布置成排的单元，所述单元和室的壁部一起限定出流体通道。所述通道来回多次地从室的第一侧延伸至室的第二侧且又延伸回第一侧。所述单元被布置以使得流体受力在单元之间沿蛇形路径流动。反应器包括具有如上所述的导流插件的至少一个反应室。

Description

用于反应室和反应器的导流插件
技术领域
本发明涉及反应器中的反应室中的导流插件，所述反应室具有大体上方形的横截面，且在室的一角具有入口和在室的另一角具有出口。所述反应室的至少一个壁部包含固体导热材料或隔膜。
背景技术
用于以分批的方式进行各种化学反应的常规反应器通常以具有适当尺寸的容器的形状存在，反应物被倒入所述容器中且被允许在预定反应时间内发生反应。所述容器通常设有混合装置。如果需要加热或冷却反应物，那么所述容器可设有加热或冷却罩或加热或冷却盘管，所述罩或盘管被浸没在反应物中。这种布置的热传递特征和混合特征都较差。
使得可能连续地进行反应的另一种类型的反应器包括具有适当长度的管的管状反应器，反应物流过所述管。这种布置使得可能控制特别是在紊流状态下的保持时间。如果反应物应该被加热或冷却，那么所述管可被壳体围绕，加热或冷却介质受力流动通过所述壳体。
最近一段时间，用于进行催化反应的通常称为微型反应器的板状反应器已经出现在市场上了。这些微型反应器通常与燃料电池结合使用。这种微型反应器例如在EP 1 091 800中所述，所述EP 1 091 800示出了由形成反应空间和热承载空间的堆积织纹板叠合形成的紧凑型催化反应器。所述织纹可以目的在于反应液体良好分布的通道形式存在。
这种类型的反应器还可用于更大的规模。
在许多为了分流和确保流向被持续改变的连接装置中，导流插件是已公知的。这些插件包含各种填充材料，所述填充材料可以是不同的材料和构型。WO 01/94006描述了具有反应管的这种类型的管状反应室的实例，所述反应管具有产生紊流以便促进流体流动通过填充材料的模块化填料。
发明内容
本发明目的在于提供具有导流插件的反应室，所述导流插件使得可能获得对要通过反应室的反应物的流动条件的精确的流体动力学控制。由于插件包括多个布置成排的单元，所述单元连同所述室的壁部一起限定出流体通道，所述通道来回多次地从室的第一侧延伸至室的第二侧且又延伸回第一侧，且所述单元被布置以使得流体受力在单元之间沿蛇形路径流动，从而达到所述目的。根据本发明的插件，所述插件使流体受力而频繁改变流向，造成了紊流状态，所述紊流状态有效地阻止了以不同流速流动的流体层的产生且没有滞留区域被发现。获得了高混合速度且获得了滞留时间的狭窄分布。通过通道的流体反应物可以是纯液体、液体混合物、具有微粒的液体或具有溶解或游离气体的液体。
所述插件可具有方形形状或方形横截面。插件中的每排的长度可远大于反应室中两个相对壁部之间的距离。所提到的相对壁部的一个或全部可包含导热材料，所述材料使得可能使冷却或加热流体流出通道。另一种可选方式是，壁部的一个或全部可包括具有适当孔隙尺寸的隔膜，所述孔隙尺寸使得可能使已形成的产物或多个产物通过所述隔膜。这类壁部的组合也可以是可能的。
倘若如此，方形插件可被卷成管或螺旋状。在这种情况下，反应室的壁部当然必须具有相同的形状。
特别是，本发明提出用于反应器中的反应室的导流插件，所述反应室具有大体上方形的横截面，所述室在室的一端具有入口和在室的另一端具有出口，且反应室的至少一个壁部包括导热材料或隔膜，其特征在于，插件包括多个布置成排的单元，所述单元和室的壁部一起限定出流体通道，所述通道来回多次地从室的第一侧延伸至室的第二侧且又延伸回第一侧，且所述单元被布置以使得流体受力在单元之间沿蛇形路径流动，其中每个单元具有一个旨在以紧密方式与反应室的一个壁部或另一个单元的平侧面邻接的平面，所述单元具有小于反应室内的两个相对壁部间的距离的延伸部分。
导流插件以使得每排单元通过定界装置与相邻排单元隔开的方式被有利地叠合形成，所述定界装置以紧密的方式与反应室的壁部邻接。反应室可被布置以使得流体在重力作用下流动通过反应室，即室的入口可位于出口上方。当然，使得流体受到泵驱动装置的驱动通过所述室也是可能的，这意味着室的入口和出口处于同一高度。
导流插件中的单元有利地具有与平面相对的具有轻微弯曲的形状例如圆柱形的侧面。以这种方式获得了非常有利的流动条件。
在根据本发明的导流插件中，在反应室中的相邻的两排单元之间有利地具有连接，由于在排的一端和反应器壁之间和在下一排单元和相同的反应器壁之间均存在孔，由此形成所述连接。这样流体可在产生的空间中从一排流至另一排。
导流插件可包括以彼此相邻的至少两排形式存在的至少两个单元，所述单元被布置以使得与定界装置中的孔配合的一个单元的圆柱部分中的孔与第二单元的圆柱部分中的孔一起形成延伸穿过插件的一部分或穿过整个插件的通道。这种通道使得可能在反应室一端处的入口和反应室中的任何地方的流体流之间形成连接。该通道可被用于将液体或气体反应物注入流体流内。所述通道还可被用于采样或测量例如温度或压力。如果需要这样的话，冷却或加热介质可被引导通过已形成的通道。
包括所需数量的排和定界装置的导流插件被有利地一体制造。
根据插件中所需的材料，插件可例如通过模制成型、压制、铣削或通过铸造进行制造。
另一种可选方式是，包括多个单元和边界的导流插件可被以柱形整块进行制造，所述柱形整块一起形成插件。如果所述单元也具有接近平面的轻微弯曲的形状，那么这可能是必要的。
用于制造插件的一种特别适当的材料包括聚醚醚酮，PEEK。其它材料可以是碳、玻璃或金属。
附图说明
结合附图对根据本发明的控流插件进行进一步的描述，所述附图示出了导流插件的实施例的两个实例。这些实施例仅被选择作为实例。其中：
图1-图3示出了旨在作为插件的一部分的具有边界的单个单元的不同视图；
图4示出了汇集到插件的一部分上的多个单元的透视图；
图5示出了旨在被布置成相邻的两排的设有孔的两个单元的透视图；
图6示出了在单元的圆柱部分中设有孔的一排单元的横截面；
图7示出了三排具有孔的单元的透视图；
图8示出了位于反应室中的插件的一部分的透视图；
图9-图11示出了旨在作为插件的一部分的单个单元的另一实施例的不同视图；
图12示出了这些单元是如何被组合成插件的一部分的透视图；
图13示出了这些单元如何可以柱的形式进行制造的透视图；
图14示出了一排单元的截面图；
图15示出了三排十个单元是如何形成插件的一部分的；
图16示出了从正面和背面看到的位于板中的反应室中的插件；和
图17示出了具有包含根据本发明的插件的反应室的反应器的实例的一部分的透视图。
具体实施方式
图1示出了从一侧看到的单个单元1，所述单元1与布置成排的相似单元一起形成了用于反应室的插件。单元1具有平面2以及上部和下部方形边界3、4。
如图2所示，单元1在其与平面相对的一侧具有圆柱形部分5，图2示出了所述单元的横截面。
图3示出了从一侧看到的单元1。如图2和图3中可看到的，在由边界3和4的延伸部分限定出的单元内形成了自由空间6。所述自由空间旨在用于将要通过所述反应室的流体。
图4示出了为了形成用于反应室的插件，九个单元1是如何彼此相关进行布置的。如图4中可看到的，图中所示的九个单元被布置以使得每排中的第一和第三单元的平面转动至相同侧，而每排中的第二单元相对于第一和第三单元转动180°。这样，单元的平面限定出一个区域(表面)，所述区域与反应室的壁部(此处未示出)一起形成了用于流体的曲折形状的通道。所述流体流动通过单元之间以及单元的圆柱形部分5和反应室的壁部之间的自由空间6。为了使流体在已成形的通道中流动，单元的平面与相邻壁部邻接以使得没有流体可绕过通道是当然必要的。单元1的上部边界3和下部边界4单独地和一起限定出所述排之间的定界装置。
在这些图中，插件排由单个单元叠合形成。如果需要这样的话，叠合形成包含多个单元的插件当然是可能的，在所述插件中，两个单元转动其平面使之彼此相对。这样以准确地控制室内的滞留时间分配的可能性为代价使得流体流得到了有效的分布。
图5示出了旨在被布置成彼此相邻的排的两个单元。所述这两个单元在单元的圆柱形部分中都具有孔7，所述孔从上部边界3通过所述单元延伸至下部边界4。采用这种布置，有可能与在反应室的一端处的入口相接以使得注入的流体流在反应室中的任何所需点处被加到第一流体流中。由于带有孔7的单元在所述单元的圆柱形部分的表面中的任何地方也具有孔，所述两个孔在单元中的某处相连接，因此形成所述连接。在多个相邻排中具有多个带有孔的单元以便形成一直延伸通过所述插件的通道也是可能的。
图6示出了设有孔7的多个单元1的横截面。所述单元的单个边界4一起形成了定界装置8。在图的右端，在定界装置8中存在空腔9。所述空腔9使得流体可能从一排单元流至相邻排单元。
图7示出了设有孔7的三排单元。如图中可看到的，最上面的定界装置8比下面一个定界装置向右延伸得稍长。所述空间与图6中所示空腔9相对应。要流动通过反应室(本图中未示出壁部)的流体通过位于接近最上排单元的左端的位置处的入口(未示出)进入反应室。所述流体随后沿蛇形路径在所述单元间的自由空间6中流动，直到其到达最上排的右端。由于存在空腔9，流体随后可流至下面一排且从右向左流过单元之间的自由空间。如图中可看到的，在第三定界装置8中存在相应的空腔，所述空腔使流体可能进入第三排单元。在本图中示出插件处于竖直状态。当然同样可能的是插件被水平地布置在反应室中。
图8示出了包括一体成型的一组单元1的插件是如何能够被布置在反应室中的。该反应室围绕呈细长的方形形状的空间。在图中，仅示出了反应室的一小部分，示出了室的更远的壁部10和侧壁11，12。为清晰起见，已经略去了反应室的前壁。如图中可以看到，流体是如何从室的右端出发并沿蛇形路径在通道中流动的，所述通道由单元和所述室的壁部限定出。在插件和侧壁12之间形成的空腔9使流体可能流到相邻的更低的排上。
图9示出了具有略微不同形式的单元的实施例，从而给出了另一种类型的插件。单元11从一侧进行观察，且单元11也具有上部边界31和下部边界41。图10示出了单元11的横截面。如该图中可看到的，单元11具有平面21和圆柱形部分51。从圆柱形部分至平面部分存在轻微弯曲的过渡。上部边界31和下部边界41呈具有两个平行侧面的截顶三角形形状。如图11中可看到的，在所述单元的圆柱形部分51前面存在空间61。
图12示出了单元是如何进行布置以便形成旨在被用于反应室中的插件的一部分的，每隔一个单元相对于另一个单元转动180°。如图12所示的插件的部分，如图13所示，可由柱13叠合形成，所述柱被一体制成包括所需数量的单元。
图14示出了成一排的多个单元11的横截面。所述单元的平面21旨在以紧密方式与反应室的壁部邻接。图中示出了接近平面21的单元11的轻微弯曲部分是如何与单元的圆柱形部分一起形成蛇形通道的。
图15示出了每排中具有十个单元的三排单元的透视图。本图中示出了单元的上部和下部边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开的定界装置。还可以看到平面21是如何形成具有小孔14的平面区域的。反应室的壁部应以紧密方式与该平面区域(表面)邻接且形成用于通道的边界，所述通道存在于单元之间。
在图16中，插件15被示出位于反应室16内。反应室位于矩形板17中的方形孔中。反应室受到方形孔和位于板17后面和前面的薄板或隔膜的边缘的限制。(所述薄板或隔膜未示于图16中。)在室的一端具有流体入口18，所述流体应通过反应室，并且在反应室的另一端具有流体出口19。
包括三个反应室16的反应器的一部分被示于图17中。围绕反应室的壁部20、21在本实施例中包括导热材料的薄板。如果合适，隔膜可代替薄板被用在反应室的一侧或两侧上。在反应室的两侧上存在通道22，冷却或加热流体可流动通过所述通道。通道22位于其由壁部23定界的另一侧上。在用于冷却或加热流体的通道之间的是过渡板24。反应室16、用于冷却或加热介质的通道和过渡板在两侧上由框板25围绕且所述组件通过螺栓26被保持在一起。在反应器的一端具有入口管27，且在框板25和围绕用于冷却和加热介质的通道的壁部中具有相应的孔。将要通过反应室的流体通过入口管27和所提到的孔进入且到达反应室16的入口18。
流体随后在第一最上排中的单元之间的蛇形路径中流动，随后流过下面一排且进一步继续流动直至已经通过第一反应室中的所有排。流体随后通过反应器的低端中的孔(未示出)并进入第二反应室。这样，流体受力在单元之间从反应室的一侧到另一侧一排接一排地向上流动直至其到达位于顶端的排。具有来自反应室的出口19，通过所述出口，流体可继续通过壁部21，23中的孔和过渡板24中的孔28。在本实施例中，反应室被串联连接。如果所需这样的话，并联连接所述反应室当然也是可能的。
代替在反应室的两侧上具有加热或冷却通道，还可以通过隔膜使两个反应室彼此隔开。采用这种带有加热或冷却通道、反应室、隔膜、布置于彼此旁边的反应室和加热或冷却通道的布置，第一反应可在第一反应室中发生且反应过程中最初出现或形成的一种组分可通过隔膜用以进行进一步的反应或加热或冷却。
在图中所示的实施例中，插件中的所有单元具有相同的尺寸和形状。在本发明的范围内，在一排或多排或仅在所述排的一部分中使用具有更小或更厚的延伸部分的单元当然也是可能的。上部或下部边界可被制成更厚，这样当然改变了通道的尺寸。通道尺寸的这种减少可导致流速的增加，所述增加可以是有利的。

Claims (10)

1、用于反应器中的反应室(16)的导流插件(15)，所述反应室(16)具有大体上方形的横截面，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)，且反应室的至少一个壁部包括导热材料或隔膜，其特征在于，插件(15)包括多个布置成排的单元(1、11)，所述单元和室的壁部(20、21)一起限定出流体通道，所述通道来回多次地从室的第一侧延伸至室的第二侧且又延伸回第一侧，且所述单元(1、11)被布置以使得流体受力在单元之间沿蛇形路径流动，其中每个单元(1、11)具有一个旨在与反应室的一个壁部或另一个单元的平面(2、21)邻接的平面(2、21)，且具有小于反应室的相对的壁部间的距离的延伸部分。
2、根据权利要求1所述的导流插件，其特征在于，每排单元(1、11)通过定界装置(8)与下面一排单元隔开，所述定界装置(8)以紧密方式在反应器的壁部之间延伸并与其邻接。
3、根据权利要求1-2中任一项所述的导流插件，其特征在于，与平面相对的单元的侧面具有轻微弯曲的形状(5)。
4、根据权利要求3所述的导流插件，其特征在于，所述形状(5)为圆柱形。
5、根据权利要求1-2中任一项所述的导流插件，其特征在于，由于在排的一端和反应器侧之间和在下面一排单元和相同的反应器侧之间均存在孔(9)，因此在反应室中的相邻的两排单元(1、11)之间形成连接，以使得流体可在产生的空间中从一排流至另一排。
6、根据权利要求1-2中任一项所述的导流插件，其特征在于，在彼此相邻的至少两排中的至少两个单元(1、11)这样被布置，以使得一个所述单元中的圆柱形部分中的孔(7)配合于定界装置(8)中的孔和另一所述单元中的圆柱形部分中的孔(7)一起来产生在反应室的一端处的入口和反应室中任何地方的流动路径之间的或通过所述反应室的通道。
7、根据权利要求1-2中任一项所述的导流插件，其特征在于，多排单元(1)和定界装置(8)被一体制造。
8、根据权利要求1-2中任一项所述的导流插件，其特征在于，多个单元(11)和边界(3、4)被一体制造作形成柱。
9、根据权利要求1-2中任一项所述的导流插件，其特征在于，所述插件由聚醚醚酮、碳、玻璃或金属制成。
10、设有包括根据前述权利要求中任一项所述的导流插件的至少一个反应室的反应器。
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