CN109641190A - 设备和该设备用于预热至少一种流体的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设备(10)及其用于预热至少一种流体的用途。设备(10)具有实心形成的加热体(12)。在加热体(12)中形成有用于流体通过的通道(16)。加热体(12)可被加热。加热体(12)设计成在目标时间内将流体加热到目标温度，其中目标温度至少是在预定时间内以预定转化率发生流体的预定化学反应的温度。目标时间短于预定时间。用于预热流体的加热体(12)被加热到目标温度，并且流体在目标时间内通过通道(16)。

Description

设备和该设备用于预热至少一种流体的用途
技术领域
本发明涉及一种改进的设备及其用于预热至少一种流体的用途。
背景技术
气相中挥发性有机化合物的化学转化通常需要升高的温度。这里的一个问题是反应物在反应区上游的预热区(预热)中从储存温度到所需反应温度的限定且温和的转变。预热通常经由从传热器的热表面到待加热流体的对流传热来完成。“限定的”是指从预热区离开的流体流具有目标温度，在该目标温度下，在预定的停留时间内可在反应区中实现预定的转化/转化率。“温和”是指化学转化被抑制。
由于它们的热不稳定性，有机化合物具有热分解的趋势。结果，在传热器的传热表面上形成固体沉积物，并且这些沉积物阻塞了流动横截面并因此妨碍了传热。例如，在烃的热裂解、乙苯脱氢为苯乙烯或丁烷脱氢成丁烯或含有1-3个碳原子的烃(C1-C3烃)的环化中就是这种情况。
由于有机化合物的反应性，特别是在存在氧气的情况下，它们具有非选择性反应的倾向。结果，可能损害目标产物的产率。例如，在C2至C6烃的自热脱氢中就是这种情况，其中来自脱氢的氢的选择性燃烧被用于向反应提供热量。这里反应混合物在进入催化活性反应区之前在不进行显著的烃转化的情况下被预热。
WO 2011/89209A2描述了例如单室蒸发器及其在化学合成中的用途。
尽管通过这些设备或传热器实现了优点，但仍有改进的潜力。例如，WO 2011/089209A2中描述的单室蒸发器具有复杂的结构，其中要求两种流体流的精确分布。第一流体流是实际工艺流，第二流体流是热载体。该设备被设计为微米或毫米结构的设备。因此，基于处理量的加热区域的比表面积在300m2/m3以上。该现有技术的一个缺点在于，传热管在公共管板中的密集填充是复杂的并且易于出现故障。该缺点与将工艺流和热源(即热载体)彼此气密地分开的密封接合件的数量和长度相关。在现有技术中，这些数量和长度与传热管的数量和周长相同。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提出一种设备和该设备用于预热至少一种流体、特别是包含一种或多种热不稳定化合物和/或两种或更多种彼此发生化学反应的组分的气体的用途，其至少充分减轻了上述缺点，更具体地说，延长了设备的使用寿命。
根据本发明，仅在反应性或热不稳定的工艺流体与传热器壁之间需要高比表面积。这与传热效率有关。相比之下，传热壁与热源之间导致预热的比表面积可以小得多。该区域同时用作用于工艺流与热源(即热载体)之间分离的密封接合件，并且限定了设备的设备复杂性。
本发明的基本概念是工艺流体(通常是气体)的导热率与通常由金属或陶瓷制成的传热器壁的导热率之间的巨大差异。因此，在相同的温差下，热流可以被传递通过比气体中厚的多的固体层。根据本发明，包围工艺流体的壁被组合以形成连贯的加热体。
用于预热至少一种流体的本发明的设备具有固体的/实心的/密实的多通道加热体。此外，加热体呈筒状。在加热体中形成有用于流体通过的通道。加热体是可加热的。加热体设计成在目标时间内将流体加热到目标温度。目标温度至少是在预定时间内以预定转化率进行流体的预定化学转化的温度。目标时间短于预定时间。根据本发明，该设备用于预热所述至少一种流体。用于预热流体的加热体被加热到目标温度，并且流体在加热体中的停留时间不超过目标时间。
通道尤其在纵向延伸方向上沿直线延伸。这样，可以减少流体动力学流动效应，例如分离现象或涡流形成。通过避免弯曲通道，还可以避免流体流中的沉积物和死区。
通道尤其互相平行。这样，确保了向各通道的均匀传热。
通道可以是呈柱形，尤其是圆柱形，或棱柱形。这清楚地表明，通道的横截面的形状对于本发明的设备的技术效果仅具有次要的意义。
在本发明的上下文中，固体的/实心的/密实的加热体应理解为指设计用于加热流体并且除了通道之外没有空腔的体部。换句话说，加热体的横截面仅包括加热体的材料并且没有与通道分开的自由空间。本发明的加热体的横截面是投射在通道的纵向方向上的、由加热体与热源之间的边界围绕的区域。加热体的横截面可以是规则的或不规则的，凸起的或凹入的。加热体可以有利地呈柱形，尤其是圆柱形或棱柱形。这清楚地表明，本发明可以用各种构型的加热体实施。
加热体可以具有平行于通道的纵向轴线延伸的纵向轴线。通道可以在横截面上均匀分布。这样，特别是确保了向相应通道的均匀传热。或者，通道可以在横截面上不均匀地分布。
加热体可以具有结构化的外壳，在这种情况下，通道至少部分地呈外壳中的沟槽的形式。这种构建模式在制造上具有优势，因为轮廓上的沟槽比横截面中的内孔更容易制造。
多通道管在行业内是已知的。例如，多通道管例如以PALL Schumasiv商标名称被用作水处理的滤筒。
此外，例如由堇青石组成的陶瓷多通道管例如以Rauschert PYROLIT堇青石商标名称被用作电加热盒的加热元件安装座。
另外，例如由α-Al2O3制成的陶瓷多通道管被用作蜂窝状加热器。为此目的，作为电阻加热器的电导体嵌入通道壁中。这种陶瓷多通道管是本领域技术人员已知的，并且例如在下方网址中被描述http//www.keramverband.de/keramik/pdf/11/Sem11_14Keramik-Heizelemente.pdf。
在本发明的上下文中，根据预定时间内流体的预定化学转化率来定义目标温度。该定义是适用的，因为不能给出流体化学转化的精确温度数值。换句话说，不存在这样的温度限制，即在该温度限制以上反应进行并且低于该温度限制反应不会发生。一个可能的原因是自由基形成，其首先进行而没有任何可测量的反应物转化。一旦达到足够的自由基浓度，反应就以自行加速的方式进行。因此，在评价反应速率与在预热区中的停留时间的积分之后给出目标温度数值。相应地，在本发明的上下文中，假设流体的化学转化确实由于通道中的温度而以特定的程度(尽管程度较小)发生，但是其对下游反应区中的化学转化的品质没有影响。由于该原因，流体在比预定时间短的目标时间内被引导通过通道，以便保持低转化率，但是将流体加热到足够高的温度以进行下游转化。此处在预热器出口处的温度可低于、等于或高于下游反应区中的温度。
该设备还可以具有用于控制加热体的温度的闭环控制系统。目标温度可以是闭环控制系统中的目标温度。相应地，借助于闭环控制系统，可以改变、尤其是自动改变加热体的温度。
加热体可以被加热至100℃至1600℃、优选400℃至1400℃、更优选700℃至1300℃的温度。在关于导热性对加热体的材料进行相应设计的情况下，因此可以在目标时间内将流体加热到接近闭环温度控制系统的目标值的温度。显然，加热体的材料的导热率是在上述温度下限定的。相比之下，流体的导热率是在0℃下限定的。
目标温度与在预定时间内发生预定转化的温度之间的差值可以是-200K至+200K，优选地-100K至+100K。这样，流体的温度可以根据所需的转化进行调节。
根据本发明，可以基于流体的类型和目标温度来确定预定时间。换句话说，预定时间取决于相应的流体及其组成。
可以基于流体的类型、尤其是通过理论或经验手段来确定预定时间。相应地，预定时间是已知或可确定的参数。例如，可以使用本领域技术人员已知的基准工作——例如词典或表格——来确定预定时间。或者，可以通过计算——例如通过模拟——来确定预定时间。
目标时间可以是0.1ms至150ms，优选0.5ms至75ms，更优选1ms至50ms，最优选2ms至25ms。目标时间相应地基于流体在通道中的停留时间。停留时间定义为通道长度与流体在标准条件下通过通道的平均速度的商。对目标时间给出的数值表明，流体在短时间内被加热到能够在紧挨的下游反应区中实现所需化学转化模式的主要部分/比例，而无需进行进一步的加热。该设备尤其可以连续用于预热流体。这样，可以借助于该设备来提高流体的整体化学转化率。
压降是一个重要的工艺参数，其定义了例如所连接的设备的与强度相关的设计或输送工艺流所需的功率以及该工艺的操作成本。在特定应用中，允许的压降由工艺介质的蒸气压力决定。因此，例如，有利的是避免待加热流体在设备中的相变化。另外，例如，有利的是将流体以液体形式计量供给到预热器中，并在预热器中进行蒸发。
因此，可以仅以应用特有的方式固定允许的压降。因此，指定两个范围。第一范围包括下面指出的绝对值。流体在设备的入口和出口之间的压差可以在1毫巴与900毫巴之间，优选在1毫巴与500毫巴之间，更优选在1毫巴与200毫巴之间，最优选在1毫巴与100毫巴之间。第二范围包括基于工艺的压力水平的以下指出的相对值。流体在设备的入口和出口之间的压差可以是介于流体在入口处的绝对压力的0.1％与50％之间，优选在0.1％与20％之间，更优选在0.1％与10％之间。
最后，加热体的尺寸由所需的流体温度与限定的目标温度的接近度决定。用于此目的的相关指标是在加热体中实现的传递单元(NTU)的数量。NTU的确定是本领域技术人员已知的(VDI-[VDI Heat Atlas]中的章节Ca，第9版，2002)。NTU可以是0.1至100，优选0.2至50，更优选0.5至20，最优选2至5。
在该设备中，加热体的通道的液力直径基于目标时间。换句话说，根据目标时间来设计/选择设备、尤其是通道的液力直径。
有利地，通道的液力直径为0.1mm至12mm，优选为0.2mm至8mm，更优选为0.3mm至4mm，尤其为0.4mm至2mm。利用这些液力直径值，可以以特别有效的方式调节为了使用本发明而在加热体中的停留时间。此外，这避免了通道壁上否则会阻塞通道的沉积物。
有利地，加热体的液力直径与单个通道的液力直径的比率在2与1000之间，优选在5与500之间，更优选在10与100之间。液力直径定义为横截面积的4倍与该体部或该通道的周长的商(VDI-中的章节Ba，第9版，2002)。
基于加热体的等效横截面积/等效截面积的通道数量为2至1000，优选为5至500，更优选为10至100。加热体的等效横截面积在此定义为直径与加热体的液力直径一致的圆的面积。
流动通道的总横截面积(自由横截面积)在加热体横截面积的0.1％与50％之间，优选在0.2％与20％之间，更优选在0.5％与10％之间。
加热体的长度在10mm与1000mm之间，优选在30mm与300mm之间。
流体可以以0.01Nm3/h(m3(STP)/h)至500Nm3/h、优选0.01Nm3/h至200Nm3/h、更优选0.01Nm3/h至100Nm3/h，最优选0.01Nm3/h至50Nm3/h的体积流量被引导通过各通道16。
流体可以是气体，尤其是包含热不稳定化合物和/或两种或更多种彼此发生化学反应的组分的气体。或者，流体可以是液体，尤其是包含热不稳定化合物和/或两种或更多种彼此发生化学反应的组分的液体。
在本发明的上下文中，热不稳定化合物应理解为是指在特定环境中、在特定温度以上且在特定时间内实现特定化学转化以产生固体反应产物(焦炭或聚合物)的有机化合物。预定的转化可以由选自由热分解(热解)、脱氢、链聚合、缩聚组成的群组的反应引起。
在本发明的上下文中，彼此发生化学反应的组分应理解为指有机化合物与氧的混合物，在特定环境中、在特定温度以上并且在特定时间内，该混合物实现向CO和/或CO2的特定转化。在本发明的上下文中，从狭义上讲，这应理解为是指烃混合物，例如天然气、液化气和石脑油，包含双键的化合物，例如烯烃、二烯烃。预定的转化可以由氧化反应引起。环境、温度、时间和转化的确定参数取决于期望的工艺条件或期望的功能。这里反应是放热反应还是吸热反应是无关紧要的。
加热体可围绕其圆周被加热。这里热量可以通过接触、对流、热传导或热辐射从热源传递。
热源可以是电阻加热器、放热化学反应，尤其是燃烧，或过热流体热载体。
另外，热量可以例如通过电阻加热或通过催化放热反应直接在加热体的圆周处产生。
加热体可以在其整个体积上被加热。这里可以在导电的加热体中经由其欧姆电阻或经由涡电流的引入来产生热量。或者，加热体可以具有嵌入其体积中的加热元件，这些加热元件设计用于加热体的加热。例如，这些加热元件可以是矿物绝缘的夹套导热体或加热筒。借助于固体材料的导热性，热量均匀地分布在加热体的整个体积上。结果，在块体中的毛细管壁处建立了均匀的高温，其用作将热量引入流体的驱动力。可以通过计算确定限定气体加热的特征时间常数。
加热体可至少部分地由至少一种金属和/或至少一种陶瓷形成。金属可以是选自由以下元素组成的群组的至少一种元素：铁素体钢、奥氏体钢、镍基合金、铝合金、青铜、黄铜、铜、银。陶瓷可以是选自由Al2O3(刚玉)、SiC、碳(石墨)，AlN(氮化铝)组成的群组的至少一种元素。有利地，根据DIN EN 623-2，加热体具有<0.3％的开孔率。这种材料具有良好的导热性。
或者，加热体可包含导热性较差的材料，例如由无定形SiO2(石英玻璃)或堇青石组成的材料。或者，根据DIN EN 623-2，加热体也可具有0.3％至5％的开孔率。
原则上也可以考虑多层结构，例如具有嵌入式/内置钢套管的铜块体或已通过电解方式镀镍、镀银或镀金的铜块体。或者，加热体也可以由两种或更多种材料制成，例如由铜制成的基体，该基体具有加热元件嵌入其中的不锈钢嵌入衬套。
加热体可以连接到反应区段，以进行被预热流体的预定反应。设备和反应区段可以尤其是以整块形式被成形为一体。用作预热器的加热体与反应区段之间的直接连接促进了工艺中良好受控的停留时间。如果预热器和反应区段形成结构单元，例如具有共同的壳体，则机械强度和可靠性且尤其是设备的完整性得到改善。
反应区段可以具有通道形区段，在这种情况下，本发明的设备和反应区段被形成为使得通道通向/连通通道形区段。
通道形区段的横截面积可以与加热体的横截面积基本上相同。结果，可以沿着整个工艺区实现均匀的流动分布，该工艺区由呈加热体形式的预热区和呈反应区段形式的实际反应区组成。例如，存在一束加热体供给共同的、特别是绝热的反应区的应用。反应区的横截面积大于各个加热体的横截面积。这里的加热体可以安装在共同的腔室中，在此它们被供热。
通道形区段可以是中空的，或者可以填充有固体填料。固体填料可以是催化活性的或催化惰性的，并且它可以包含用于气固反应的固体共反应物(固体催化剂)。
可以在反应区段中确定预定时间内的预定转化率。
本发明的基本概念是将工艺区轴向分成两个区，即预热区和反应区，工艺流体连续流过这两个区域。根据本发明，预热区包括具有高热容量的金属或陶瓷加热体，其具有连续的直通道，所述直通道在纵向方向上具有柱形或棱柱形横截面。通道形成用于待加热流体的流动横截面。通道可以均匀地或不均匀地分布在加热体的横截面上。或者，通道可以沿块体的外表面作为沟槽执行。流动通道的总横截面积(自由横截面积)在加热体横截面积的0.1％与50％之间，优选在0.2％与20％之间，更优选在0.5％至10％之间。因此，加热体的横截面具有通道嵌入其中的相干固体基质。
加热体可围绕其圆周被加热。这里热量可以通过接触、对流、热传导和/或热辐射从热源传递。
热源可以是电阻加热器、放热化学反应，尤其是燃烧，或过热流体热载体。
另外，热量可以例如通过电阻加热或通过催化放热反应直接在加热体的圆周处产生。
加热体可以跨其体积/在其整个体积上被加热。这里可以在导电的加热体中经由其欧姆电阻或经由涡电流的引入来产生热量。或者，加热体可以具有嵌入其体积中的加热元件，这些加热元件设计用于加热体的加热。例如，这些加热元件可以是矿物绝缘的夹套导热体或加热筒。
借助于固体材料的导热性，热量均匀地分布在加热体的整个体积上。结果，在块体中的毛细管壁处建立了均匀的高温。壁温与流体温度之间的差异用作将热量引入流体的驱动力。可以通过计算确定限定气体加热的特征时间常数。可以经由液力直径调节加热体与流体之间的传热的时间常数。
加热体终止于通道中，该通道的横截面积大致对应于加热体的横截面积。该通道是发生所需化学转化的实际反应区。反应区的横截面可以是空的，或者可以填充有固体填料。处理区的空隙含量通常在25％至100％的范围内。
在此已经出乎意料地发现，在热不稳定化合物的预热时，加热体通过由流体的固体分解产物形成的沉积物履行其功能而不会阻塞通道。相反，视流体而定，实际工艺区在工艺过程中有一定的阻塞趋势，即使它具有比加热体大得多的自由横截面积。然而，由于其更大的自由横截面积，这比加热体中的毛细管通道更容易清洁。
已经出乎意料地发现，在预热包含彼此发生化学反应的组分的流体时，加热体履行其功能，而不会在通道中发生向非选择性反应的任何显著转化。相反，化学转化几乎完全以催化控制的方式在反应区中进行。这种行为的积极副作用是有效地抑制了进料通道中放热反应如氧化反应的点燃。结果，预热器还可以履行阻火器的功能。
此外，已发现本发明的设备也适合作为冷却区，用于将来自高温反应器的产物流淬火。该功能在吸热反应的情况下特别有利，其中快速冷却有效地抑制逆反应和由此引起的产率损失。此外，该功能在热不稳定产品的情况下是有利的，其中快速冷却有效地抑制不希望的向前反应和由此引起的产率损失。
本发明的优点可归纳为以下几点：
·与毫结构设计或微结构设计中功能相当的解决方案相比，预热区的制造复杂性要低得多。
·传热功能和屏障功能并非严格地相互耦合。根据工艺要求，它们可以相互组合或彼此解耦。
·加热体可以简单和低成本的方式制造，并且允许多种材料选择。也可根据对热稳定性、耐腐蚀性和化学钝化性的要求来选择材料。
·与在复杂性方面相当的填充有固体床的传热管相比，本发明的解决方案的不同之处在于，可以在预热器的横截面上实现几乎理想的活塞流。结果，可以精确地设定气体在预热区中的停留时间。由于通道的均匀、无角度的流动横截面，有效地抑制了沉积物的形成并因此抑制了加热体被阻塞的趋势。
总之，本发明的以下可能的实施方案是显而易见的：
实施方案1：设备的用于预热至少一种流体的用途，其中，所述设备具有实心的加热体，其中在所述加热体中形成有用于供所述流体通过的通道，其中所述加热体是可加热的，其中所述加热体设计用于在目标时间内将流体加热到目标温度，其中所述目标温度是如下的至少一个温度，即：在所述温度下在预定时间内以预定转化率进行流体的预定化学转化，其中所述目标时间短于所述预定时间，其中所述加热体被加热到所述目标温度以用于预热所述流体，所述流体在所述目标时间内被引导通过所述通道。
实施方案2：根据实施方案1所述的用途，其中，基于流体的性质确定预定时间。
实施方案3：根据实施方案2所述的用途，其中，基于所述流体的性质在理论上或经验上确定所述预定时间。
实施方案4：根据实施方案1至3中任一项所述的用途，其中，所述设备还包括用于控制所述加热体的温度的闭环控制系统，其中所述目标温度是所述闭环控制系统中的目标值。
实施方案5：根据实施方案1至4中任一项所述的用途，其中，所述加热体的通道的液力直径基于所述目标时间。
实施方案6：根据实施方案1至5中任一项所述的用途，其中，所述目标温度与在所述预定时间内以所述预定转化率进行所述流体的所述预定反应的温度之间的差值为-200K至+200K，优选为-100K至+100K。
实施方案7：根据实施方案1至6中任一项所述的用途，其中，所述目标时间为0.1ms至150ms，优选0.5ms至75ms，更优选1ms至50ms，最优选2ms至25ms。
实施方案8：根据实施方案7所述的用途，其中，所述目标时间定义为所述通道的长度与所述流体在标准条件下在所述通道中的平均速度的商。
实施方案9：根据实施方案1至8中任一项所述的用途，其中，所述设备连续用于预热流体。
实施方案10：根据实施方案1至9中任一项所述的用途，其中，流体在所述设备的入口和出口之间的压差在1毫巴与900毫巴之间，优选在1毫巴与500毫巴之间，更优选在1毫巴与200毫巴之间，最优选在1毫巴与100毫巴之间。
实施方案11：根据实施方案1至9中任一项所述的用途，其中，流体在所述设备的入口和出口之间的压差介于所述流体在所述入口处的绝对压力的0.1％与50％之间，优选在0.1％与20％，更优选0.1％与10％之间。
实施方案12：根据实施方案1至11中任一项所述的用途，其中，所述流体以0.01Nm3/h至500Nm3/h、优选0.02Nm3/h至200Nm3/h、更优选0.05Nm3/h至100Nm3/h，最优选0.01Nm3/h至50Nm3/h的体积流量被引导通过每个所述通道。
实施方案13：根据实施方案1至12中任一项所述的用途，其中，所述流体是气体，尤其是包含一种或多种热不稳定化合物和/或两种或更多种彼此发生化学反应的组分的气体。
实施方案14：根据实施方案1至13中任一项所述的用途，其中，所述预定反应是选自由以下反应组成的群组的反应：热分解，脱氢反应，氧化。
实施方案15：根据实施方案1至14中任一项所述的用途，其中，所述加热体被加热至100℃至1600℃、优选400℃至1400℃、优选700℃至1300℃的温度。
实施方案16：根据实施方案1至15中任一项所述的用途，其中，所述加热体被直接或间接加热。
实施方案17：根据实施方案1至16中任一项所述的用途，其中，所述通道在纵向延伸方向上沿直线延伸。
实施方案18：根据实施方案1至17中任一项所述的用途，其中，所述通道彼此平行。
实施方案19：根据实施方案1至18中任一项所述的用途，其中，所述加热体呈柱形，尤其是圆柱形或棱柱形。
实施方案20：根据实施方案19所述的用途，其中，所述通道平行于柱轴线。
实施方案21：根据实施方案1至20中任一项所述的用途，其中，所述加热体具有纵向轴线，其中所述通道被均匀地分布在所述加热体的垂直于所述纵向轴线的横截面上。
实施方案22：根据实施方案1至21中任一项所述的用途，其中，所述加热体具有结构化的外壳，其中所述通道至少部分地呈在所述外壳中的沟槽的形式。
实施方案23：根据实施方案1至22中任一项所述的用途，其中，所述通道的自由横截面积的总和占所述加热体的横截面积的0.1％至50％，优选0.2％至20％，更优选0.5％至10％。
实施方案24：根据实施方案1至23中任一项所述的用途，其中，所述通道呈柱形，尤其是圆柱形或棱柱形。
实施方案25：根据实施方案1至24中任一项所述的用途，其中，所述加热体至少部分地由至少一种金属和/或至少一种陶瓷形成。
实施方案26：根据实施方案1至25中任一项所述的用途，其中，所述通道的直径为0.1mm至12.0mm，优选为0.2mm至8mm，更优选为0.3mm至4mm，尤其是0.4mm至2mm。
实施方案27：根据实施方案1至26中任一项所述的用途，其中，所述加热体连接到反应区段，以进行预热流体的预定反应。
实施方案28：根据实施方案27所述的用途，其中，所述设备和所述反应区段尤其以整块形式被形成为一体。
实施方案29：根据实施方案27和28中任一项所述的用途，其中，所述反应区段具有通道区段，其中所述设备和反应区段形成为使得通道通向所述通道区段。
实施方案30：根据实施方案29所述的用途，其中，所述通道区段的横截面积与所述加热体的横截面积基本上相同。
实施方案31：根据实施方案29或30所述的用途，其中，所述通道区段是中空的或填充有固体填料。
实施方案32：根据实施方案27至31中任一项所述的用途，其中，在所述反应区段中确定在所述预定时间内的预定转化率。
附图说明
根据以下对优选实施方案的描述，本发明的其它可选细节和特征将显而易见，这些实施方案在附图中以示意图形式示出。
附图示出：
图1是本发明设备中通过面积表示的相位比例的示意图，
图2是根据几何特征分类的本发明设备的可能横截面的集合，
图3是本发明第一实施方案中的设备的后视图，
图4是沿图3中的A-A线的截面图，
图5是本发明的第二实施方案中的设备的后视图，
图6是沿图5中A-A线的截面图，
图7是具有恒温反应区的反应器，其中加热块体的横截面积大致等于反应区的横截面积，以及
图8是具有绝热反应区的反应器，其中加热块体的横截面积明显小于反应区的横截面积。
具体实施方式
图1示出了本发明第一实施方案中的用于预热至少一种流体的本发明设备10中通过面积表示的相位比例的示意图。设备10具有实心加热体12。加热体12至少部分地由至少一种金属和/或至少一种陶瓷形成。例如，加热体12由α-氧化铝(刚玉)制成。加热体12呈柱形，尤其是圆柱形。相应地，加热体12具有圆形横截面。或者，加热体12可以呈棱柱形或者是几何形状不规则的，即具有任何形状的横截面，如下文更详细描述的。相应地，加热体12的形状限定了纵向轴线14，加热体12沿着纵向轴线14延伸。在所示的实施例中，加热体12完全被加热室15包围。通道16形成在加热体12中。通道16设计成用于供待加热流体通过。通道16例如设计为加热体12的固体/实心材料中的孔。加热体12是可加热的。加热体12尤其可直接或间接加热。例如，加热体本身可以设计为加热元件，其对通道16中的流体进行电加热。在所示的实施例中，加热体12完全被加热室15包围并且通过不可渗透的接合件17与加热室15分离。借助于热传导，在操作中，热量从加热室15传递到加热体12，然后传递到通道16和存在于其中的流体。
图2示出了根据几何特征分类的本发明设备10的可能横截面的集合。图2在左侧示出了具有规则形状的可能横截面，并且在右侧示出了具有不规则形状的可能横截面。所示的规则形状是圆形、具有倒圆边缘的矩形、和星形。在不规则形状的情况下，所有技术上可实现的形状都是可能的，尤其是具有倒圆部的任何期望的形状。
图3示出了本发明第一实施方案中的设备的后视图。图4示出了沿图3中的线A-A的截面图。通道16在纵向范围的方向18上沿直线延伸。这里，通道16彼此平行。通道16平行于纵向轴线14。通道16尤其在加热体12的横截面垂直于纵向轴线14的情况下为不规则分布。通道16呈柱形，尤其是圆柱形的。或者，通道16可以呈棱柱形。或者，加热体12可以具有结构化的外壳，在这种情况下，通道16至少部分地呈在外壳中的沟槽的形式。
有利地，通道的液力直径为0.1mm至12mm，优选为0.2mm至8mm，更优选为0.3mm至4mm，尤其为0.4mm至2mm。利用这些液力直径值，可以以特别有效的方式调节为了使用本发明而在加热体中的停留时间。此外，这避免了通道壁上否则会阻塞通道的沉积物。
有利地，加热体的液力直径与通道的液力直径的比率在2与1000之间，优选在5与500之间，更优选在10与100之间。液力直径定义为横截面积的4倍与该体部或该通道的周长的商/之比(VDI-中的章节Ba，第9版，2002)。
基于加热体的等效横截面积的通道数量为2至1000，优选为5至500，更优选为10至100。加热体的等效横截面积在此定义为直径与加热体的液力直径一致的圆的面积。
流动通道的总横截面积(自由横截面积)在加热体横截面积的0.1％与50％之间，优选在0.2％与20％之间，更优选在0.5％与10％之间。
加热体的长度在10mm与1000mm之间，优选在30mm与300mm之间。流体可以是气体，尤其是包含一种或多种热不稳定化合物和/或两种或更多种彼此发生化学反应的组分的气体混合物。设备10尤其可用于连续预热流体。加热体12特别设计成在目标时间内将流体加热到目标温度。目标温度至少是在预定时间内以预定转化率进行流体的预定化学转化的温度。这里的目标时间短于预定时间。然后，用于预热流体的加热体12被加热到目标温度，并且流体在目标时间内通过通道16。基于流体的性质来确定预定时间，如下文更详细描述的。例如，可以基于流体的性质在理论上或经验上确定预定时间。例如，可以通过模拟来确定预定时间。或者，存在本领域技术人员已知的标准软件，借助于该软件可以确定流体的转化率(Kee,R.J.,Miller,J.A.,&Jefferson,T.H.(1980).CHEMKIN:A general-purpose,problem-independent,transportable,FORTRAN chemical kinetics codepackage.Sandia Labs)。
设备10还可以具有闭环控制系统20，用于控制加热体12的温度。这里的目标温度可以是闭环控制系统20中的目标温度。加热体12的通道16的液力直径在此基于目标时间。目标温度与在预定时间内流体发生预定的转化的温度之间的差异可以是-200K至+200K，优选-100K至+100K。目标时间可以是0.1ms至150ms，优选0.5ms至75ms，更优选1ms至50ms，最优选2ms至25ms。目标时间相应地基于流体在通道中的停留时间。停留时间定义为通道长度与流体在标准条件下通过通道的平均速度的商。流体在设备10的入口22与出口24之间的压差可以在1毫巴与900毫巴之间，优选在1毫巴与500毫巴之间，更优选在1毫巴与200毫巴之间，并且最优选在1毫巴与100毫巴之间。流体在设备10的入口22与出口24之间的压差可以是介于流体在入口22处的绝对压力的0.1％与50％之间，优选在0.1％与20％之间，更优选在0.1％与10％之间。通常，流体可以以0.01Nm3/h至500Nm3/h、优选0.01Nm3/h至200Nm3/h、更优选0.01Nm3/h至100Nm3/h，最优选0.01Nm3/h至50Nm3/h的体积流量被引导通过各通道16。这里的预定转化可以是选自由以下反应组成的群组的反应：热分解、脱氢反应、选择性非均相催化氧化。加热体12被加热至100℃至1600℃，优选400℃至1400℃，更优选700℃至1300℃的温度。
加热体12可以连接到反应区段26，以执行所述预热流体的预定转化。设备10和反应区段26可以尤其是以整块形式被成形为一体。反应区段可以具有通道区段28。设备10和反应区段26可以设计成使得通道16通向/连通至通道区段28。通道区段28在此可以具有与加热体12的横截面积基本上相等的横截面积。通道区段28可以是中空的。或者，通道区段28可以填充有固体填料。在反应区段中确定预定时间内的预定转化率。基于图2中的图表，流体从右向左流过通道16。
加热体12的设计基于以下关系：
这里，符号的含义是：
τhex[S]：流体流在加热体12中的停留时间。停留时间定义为通道16的体积与流过通道16的标准体积流量的商。
NTU:将在加热体12中应用的传递单元(NTU)的数量。NTU的确定是本领域技术人员已知的，例如来自VDI-的章节Ca，第9版，2002。
Nu：通道16中的传热的努塞尔数。Nu主要取决于流动状态/流态/流型。在目前的情况下，通常在窄毛细管通道16中存在层流。在这种情况下，Nu＝3.66。
流体流的比导热率：是物理参数。
流体密度。
恒定压力下流体的比热容。
流体的导热系数。
dh[m]：通道16的液力直径。
加热体12的长度Lhex可以借助以下关系确定：
在该等式中，vN表示通道16中的平均表观速度。vN定义为流过通道16的标准体积流量与通道16的横截面积的商。Lhex和vN是用于加热体12的主要对象的目的的自由参数。实际上，它们由次要条件限定。这种次要条件可以是：安装长度、压降、流量。Lhex与可用安装长度之间的相关性是显而易见的。压降是重要的工艺参数，其限定例如设备的与强度相关的设计或输送工艺流所需的功率。在特定应用中，允许的压降由工艺介质的蒸气压力决定。例如，有利的是避免加热体12中的相发生任何变化。因此，允许的压降只能以应用特有的方式固定。因此，指定了两个范围。一个包含绝对值；第二个包括基于工艺的压力水平的相对值。对于给定的压降，根据以下关系计算流量：
其中：
Δp：预热器压降。
λeff：毛细管的压降系数。λeff取决于流动状态。在层流的情况下：λeff＝64)。
Pr：普朗特数(物质值)。
ρN：标准条件下的密度(T＝273K、p＝1.0135巴时的物质值)。
TN：根据DIN 1945在标准条件下的温度(273K)。
Tavg：沿预热器的平均流体温度。
pN：根据DIN 1945在标准条件下的绝对压力(1.0135巴)。
pavg：沿预热器的平均压力。
对于毛细管中的层流：
流量有上限。例如，它应低于声速。此外，应限制射流从毛细管离开的射流的背压。
流体流在通道16中吸收的功率可以借助以下关系确定：
其中：
Vmol：标准条件下的摩尔体积
cp，N：流体的平均摩尔热容量。
ΔTgas：用以在加热体12中加热流体流的温差ΔTgas＝Ttarget-Tin(约为：Twall-Tin)。
加热体12必须消耗的总功率计算如下：
其中：
ε：加热体12的自由横截面积(基于加热体12的横截面的通道16的总横截面积)。
D：加热体12的等面积圆的直径。
加热体12中的基于体积的平均热流密度计算如下：
并且在替换后：
如果热量完全经由加热体12的外表面引入，则外表面中的基于面积的热流密度为：
使用和可以获得自由度ε和D的值范围。然后根据其它参数计算体积流量。
上述参数的可能值范围列于下表1中。
表1
表1中的参数表示：
{u/l}l：上限/下限，
{u/l}lp：优选上限/下限，
{u/l}lpp：特别优选的上限/下限，和
{u/l}lvpp：非常特别优选的上限/下限。
图5示出了本发明的第二实施方案中的用于预热流体的设备10的后视图。图6示出了沿图4中的线A-A的截面图。下文仅描述与前一实施方案的不同之处，并且相同的部件被赋予相同的附图标记。在第二实施方案的设备10中，与第一实施方案的加热体12相比，该加热体12在纵向范围的方向18上具有较短的长度。另外，通道16在加热体12的横截面上具有更密集的分布，这意味着它们延伸到加热体12的外周面附近。基于图6中的图，流体从上至下流过通道16。
应明确强调的是，本文描述的设备不限于上述实施方案或构型。上述实施方案仅仅是设备10的可能结构的选择。本发明的设备10及其用途将通过以下实施例来说明。应明确强调的是，本文描述的设备10不限于下面描述的工作实施例的预加热。在下文中阐述的工作实施例仅仅是可以用本发明的设备10预热的可能流体的选择。
图7是具有恒温反应区32的反应器30，其中加热体12的横截面积大致等于反应区32的横截面积。示出了在反应器30的预热区34和邻接的反应区32中布置有多个加热体12。加热体12已插入到传热管中。待加热的流体经由进料口36进入预热区34，然后进入加热体12以便预热，然后进入反应区32，在反应区32中，流体的实际转化在具有固体填料的反应管38中发生，并经由出口40离开反应器30。为了预热流体，预热区34具有用于加热介质的进料口42和用于加热介质的出口44。类似地，反应区32具有用于加热介质的进料口46和用于加热介质的出口48。
图8显示了具有绝热反应区32的反应器30，其中加热体12的横截面积明显小于反应区32的横截面积。在反应区32中可以看到与图7的反应器的差异，代替多个反应管38，反应区32具有固体填料50，从而也省去了进料口46和出口48。
实施例1：
参考图4和5中的设备10的第一实施方案描述实施例1。流体是甲烷。根据流体的性质来确定预定时间。该流体将进行向氢气和热解碳的转化。转化发生在1200℃的预定温度下。可以使用恒温流动反应器中的反应区段26中的测量来确定在1.2s的预定时间段内73.59％的预定相对转化率。
甲烷的相对转化定义如下：
其中：
反应区的出口处甲烷的摩尔流量。
进入反应区的甲烷的摩尔流量。
在特定情况下，可以完全根据浓度测量值来确定相对转化率：
其中：
j＝CH4,C2H4,C6H6：反应区出口处的甲烷、乙烯、苯组分的摩尔分数。
进入反应区的甲烷的摩尔分数。
借助傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量各组分的摩尔分数。
进行反应的预定时间定义如下：
其中：
εrx：反应区中固体填料的空隙含量。在以下出版物中描述了合适的测量方法：Ridgway,K.,and K.J.Tarbuck."Radial voidage variation in randomly-packed bedsof spheres of different sizes."Journal of Pharmacy and Pharmacology 18.S1(1966):168S-175S
Drx，Lrx:反应区的直径和长度。
进入流动反应器的标准体积流量。合适的测量方法是热质量流量计。
Trx：反应区中的预定温度。
TN：根据DIN 1945在标准条件下的温度(273.15K)。
pfeed：进入反应区的绝对压力。
pN：根据DIN 1945在标准条件下的绝对压力(1.0135巴)。
在预定的甲烷转化率下，实现了以下产物产率：
含碳产物 产率
热解碳 61.2％
C<sub>2</sub>H<sub>2</sub> 4.2％
C<sub>2</sub>H<sub>4</sub> 4.0％
C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> 4.1％
总和 73.5％
热解碳是目标产物，烃C2H2、C2H4和C6H6是热解中间体。
因此，为了预热，确定基于所需反应温度或预定温度的目标温度1200℃。在出口24处从加热体12测量的、允许在加热体12中进行的允许的相对初步转化率应小于5％。初步转化率的值是自由定义的。本说明书的目的是在预热区的末端、即在加热体12的出口24处不发生明显的转化。根据经验，合理的阈值固定在5％的转化率。该值通过气相组成分析中碳平衡的准确性来指导。应在小于50毫秒的目标时间内将流体加热至该目标温度。通过在理想的管式反应器中在1200℃下借助GRI-3.0机理模拟甲烷的均相分解来确定目标时间的值(http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/)。指定的值对应于甲烷转化率远小于5％的停留时间。“远小于”在这里是指所报告的值对应于理论上实现5％转化率的时间间隔的约1/5。与目标值的偏差应小于10K。在该目标时间内，流体因此必须被引导通过加热体12的通道16。在该工作实施例中，加热体12具有16个通道16。通道16的数量由包括以下参数的目标参数决定。
根据第一测试区的结构规格，加热体12的长度固定在200mm。最大吞吐量为1Nm3/h。要实现以下设计规格：NTU不小于5，加热体12中的压降小于10毫巴，相当于加热体12的出口22处1.15巴的流体绝对压力的约1％，停留时间小于10毫秒。
加热体12的横截面积为18cm2。基于目标时间，确定每个通道16的液力直径为1.2mm。流体以92.6Nl/h(L(STP)/h)的体积流量被引导通过每个通道16。这使得平均速度(在标准条件下的理论值)为22.75m/s。
实施例2：
参考图6和7中的设备10的第二实施方案描述实施例2。流体是甲烷。根据流体的性质来确定预定时间。该流体将转化为氢气和热解碳。从实施例1开始，在实施例2中需要实现更高的热解反应速度，以提高热解碳的产率并消除中间体。为此目的，有利地，提高反应温度并延长在反应区26中的停留时间。转化通常在1400℃的预定温度下进行。可以使用反应区段26中的测量值确定在2.4s的预定时间段内高于99.5％的预定相对转化率。
在预定的甲烷转化率下，实现了以下产物产率：
含碳产物 产率
热解碳 99.5％
C<sub>2</sub>H<sub>2</sub> 0％
C<sub>2</sub>H<sub>4</sub> 0％
C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> 0％
总和 99.5％
因此，确定基于所需反应温度或预定温度的目标温度1400℃。应在小于2毫秒的目标时间内将流体加热至该目标温度。与目标值的偏差应小于10K。在该目标时间内，流体因此必须被引导通过加热体12的通道16。在该工作实施例中，加热体12具有44个通道16。通道16的数量由包括以下参数的目标参数决定。根据第二测试区的结构规格，加热体12的长度固定为35mm。通道16均匀地分布在加热体12的横截面上。最大吞吐量为0.5Nm3/h。要实现以下设计规格：NTU不小于5，加热体12中的压降小于10毫巴，这相当于加热体12的出口22处1.15巴的流体绝对压力的约1％，停留时间小于1ms。
加热体12的横截面积为18cm2。基于目标时间，确定了0.5mm的液力直径。由于工艺相关的原因，流体以11.5Nl/h(L(STP)/h)的体积流量被引导通过各通道16。这使得平均速率(在标准条件下的理论值)为16m/s。为了以这些参数在目标时间内将流体加热到目标温度，在闭环控制下将加热体12加热到1400℃的温度。
在上述实施例1和2中的每个实施例中，在设备10运行8小时后检查通道的沉积物或堵塞物。没有发现会对设备10的运行产生不利影响的明显沉积物。这清楚地表明，利用本发明的设备10及其用途，与常规设备相比，流体、尤其是热敏有机化合物可在短得多的时间内被预热，同时与传统设备相比可以延长使用寿命。
附图标记列表
10 设备
12 加热体
14 纵向轴线
16 通道
18 纵向范围的方向
20 闭环控制系统
22 入口
24 出口
26 反应区段
28 通道区段
30 凸缘

Claims (17)

1.设备(10)的用于预热至少一种流体的用途，其中，所述设备(10)具有实心的加热体(12)，其中在所述加热体(12)中形成有用于供所述流体通过的通道(16)，其中所述加热体(12)是可加热的，其中所述加热体(12)设计用于在目标时间内将流体加热到目标温度，其中所述目标温度是如下的至少一个温度，即：在所述温度下在预定时间内以预定转化率进行流体的预定化学转化，其中所述目标时间短于所述预定时间，其中所述加热体(12)被加热到所述目标温度以用于预热所述流体，所述流体在所述目标时间内被引导通过所述通道(16)。
2.根据权利要求1所述的用途，其中，所述目标温度与在所述预定时间内以所述预定转化率进行所述流体的预定反应的温度之间的差值为从-200K至+200K，优选为从-100K至+100K。
3.根据权利要求1或2所述的用途，其中，所述目标时间为0.1ms至150ms，优选0.5ms至75ms，更优选1ms至50ms，最优选2ms至25ms。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，所述流体以0.01Nm3/h至500Nm3/h、优选0.02Nm3/h至200Nm3/h、更优选0.05Nm3/h至100Nm3/h，最优选0.1Nm3/h至50m3Nm3/h的体积流量被引导通过每个所述通道(16)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用途，其中，所述流体是气体，尤其是如下气体，该气体包含一种或多种热不稳定化合物和/或两种或更多种彼此发生化学反应的组分。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用途，其中，所述预定反应是选自由以下反应组成的群组的反应：热分解，脱氢，氧化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用途，其中，所述加热体(12)被加热到100℃至1600℃、优选400℃至1400℃、优选700℃至1300℃的温度。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的用途，其中，所述加热体(12)被直接或间接加热。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用途，其中，所述通道(16)在纵向延伸方向上沿直线延伸。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的用途，其中，所述通道(16)彼此平行。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的用途，其中，所述加热体(12)呈柱形，尤其呈圆柱形或棱柱形。
12.根据权利要求11所述的用途，其中，所述通道(16)平行于柱轴线。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的用途，其中，所述加热体(12)具有纵向轴线(14)，其中所述通道(16)被均匀地分布在所述加热体(12)的、垂直于所述纵向轴线(14)的横截面上。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的用途，其中，所述流动通道(16)的自由横截面积的总和占所述加热体(12)的横截面积的0.1％至50％，优选0.2％至20％，更优选0.5％至10％。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的用途，其中，所述通道(16)呈柱形，尤其呈圆柱形或棱柱形。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的用途，其中，所述通道(16)的直径为0.1mm至12.0mm，优选为0.2mm至8mm，更优选介于0.3mm与4mm之间，尤其介于0.4mm与2mm之间。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的用途，其中，所述加热体(12)连接到反应区段(26)，以进行被预热流体的预定反应，其中所述设备(10)和所述反应区段(26)被形成为一体，尤其以整块形式形成为一体。
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