CN112512778B - 用于实施化学的平衡反应的反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于实施化学平衡反应的反应器(11)。为此在反应器中导入至少两个气态的反应物并且导出至少一个气态的产物。为了实施反应使用压力容器(11)，其中，在所述反应室(12)中布置有催化剂(优选以散积物形式)。在反应器中的分隔壁(22)用作用于冷却的冷凝面(23)。按照本发明，所述压力容器(11)的壳体(15)和在反应器的分隔壁和外壁(24)中的所述冷却通道结构(35、36)制造成一个工件。有利地通过增材制造工艺、例如通过激光熔融可以实施制造。优选通过增材制造工艺所实现的一个工件式的制造可以有利地实现紧凑且小型的构造方式，使得用于较小产量的反应器可廉价地制造。这可以例如在再生能量过量供给时实现反应的分散实施。

Description

用于实施化学的平衡反应的反应器

本发明涉及一种反应器，用于在至少两个气态的反应物和至少一个气态的产物之间实施化学的平衡反应。所述反应器具有压力容器，在所述压力容器中设有反应室，所述反应室具有用于反应物的入口和用于产物的第一出口。在所述反应室中布置有催化物质。在所述反应室中设有用于至少一个产物的至少一个冷凝面。所述冷凝面通过冷却通道结构被冷却。

被催化支持的化学平衡反应常常获得一些产物，这些产物与反应物相比在不同的温度下冷凝(与分压相关的结露点)。例如针对这种平衡反应例如是由一氧化碳和氢或者由二氧化碳和氢生成甲醇、由氢和氮生成氨、由甲醇或者由一氧化碳、二氧化碳和氢组成的混合物生成二甲醇，由二甲醇生成碳氢燃料或者由氢和一氧化碳进行的费托合成。

所谓的反应通常是放热的并且在体积减小的情况下进行。那么鉴于最小强制原理(勒沙特列原理)，化学平衡位置和由此产品的最大可能浓度对于产物最有利的是，反应在高压、低温、反应物高浓度和多个反应产物(或者一个反应产物)的低气相浓度下进行。

有利地影响反应的可能性根据文献WO 2009/106232 A1有所描述。据此设计反应室，从而可以实施用于制造甲醇的平衡反应。在反应过程中冷凝析出甲醇，以便可以从反应过程中取得甲醇。这反应平衡向有利的方向移动。为了可以冷凝析出甲醇，需要使用尽可能大的冷凝面。但是这造成所使用的反应器的相对复杂的几何构造。因此这在其制造中是耗费的。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种反应器，其在足够高的且恒定的等温条件下以及在尽可能高的反应压力下可以由气态的反应物合成在这种条件下气态的反应产物，其中，所述反应器在制造中应是紧凑的且廉价的。

所述技术问题按照本发明通过前述类型的反应器如此解决，即，所述压力容器的壳体和通道结构由一个工件制造。换句话说，所述壳体和通道结构总体上是一个工件或一个部件。由此，有利地获得反应器的特别紧凑的结构形式。这例如可以通过增材制造工艺、如选择性激光熔融制造成一个工件。压力容器可以设计有一件式的壳体，也就是没有用于盖子的开口并且相应地没有必要具有盖子。为了保证顺利地填充催化颗粒，有意义的是，压力容器设计有盖子。这种盖子是第二构件，但是其中，压力容器的壳体也可以由一个工件制造。在另外的实施例中，催化剂也可以通过管状的进料部被填充，其通过与作为盖子的盲塞的旋拧被闭锁。

必须设有压力容器，由此能够以超压实施所述反应。如上所述，由此反应平衡有利地朝着生成气态产物的方向移动。根据本发明的一个工件式的实施方式意味着，压力容器的壳体、优选整个压力容器整体式地设计。这意味着，在不破坏结构的情况下，压力容器的一件式的壳体部件不能分解为各个部分。优选地，压力容器或压力容器的主要部分不仅一件式地设计，而且也一件式地制造，也就是说，在制造过程中就已形成一个工件。换句话说，在此涉及原型技术工艺。因为反应器涉及几何形状非常复杂的通道结构，所以这种原型技术制造不能通过传统的工艺、如铸造产生。而是必须有利地使用用于结构的增材式制造的工艺。

在本申请的意义下，增材制造工艺应理解为这样的工艺，其中，应制造构件的材料在生产过程中被加入构件。在此，所述构件已形成或者至少近似于最终设计。构件材料例如可以是粉末状的或者是液态的，其中，通过增材制造工艺化学地或物理地固化用于制造构件的材料。

为了可以制造构件，为所选的增材制造工艺提供描述所述构件的数据(CAD模型)。所述数据为了生成用于制造设备的指令而被转换为待制造的工件的与制造工艺相匹配的数据，由此在制造设备中可以实施适合用于逐步地制造该工件的过程步骤。为此，所述数据被如此提供，使得几何数据被用于工件的各个待制造的层(片层)，这也可称为片层。所述工件可以具有与构件不同的构造。例如可以考虑到与制造条件相关的构件变形，所述构件变形通过不同的工件几何形状被补偿。所述工件也具有通常的基座结构，该基座结构在对构件后处理时必须被再次去除。

例如针对增材制造可以称为选择性激光烧结(也称SLS)、选择性激光熔融(也称SLM)、电子束熔融(也称EBM)、激光粉末喷涂焊接(也称LMD(激光金属沉积))和金属烧结工艺(固化、解除和烧结，也称粘合剂喷射技术BJ)。这种工艺尤其适用于加工呈粉末形式的金属材料，通过所述金属材料可以制造结构构件。

在SLM、SLS、EBM和BJ过程中，所述构件逐层地在粉末床中制造。因此这种工艺也称为基于粉末床的增材制造工艺。分别在粉末床中形成粉末层，所述粉末层与构件的已经固化的区域相连。这通过能量源(激光或电子束)完成，其中，在一些区域中局部地熔融或烧结，在所述区域中应形成构件，或者通过利用位置准确地施加的粘接剂或粘合剂实现粉末颗粒的固化而形成构件。由此构件逐步地逐层地形成并且可以在制造完成后从粉末床中取出。

在LMD过程中粉末颗粒被直接输入表面，应在所述表面上实现材料施加。在LMD过程中，粉末颗粒通过激光直接在表面上的接触点上熔融并且在此构成待制造的构件的层。

SLS具有的特征是，粉末颗粒在这种工艺中不是完全被熔融。在SLS过程中在选择烧结温度时注意该烧结温度位于粉末颗粒的熔化温度以下。与之相对地，在SLM、EBM和LMD过程中，能量输入的量则故意较高，使得粉末颗粒完全被熔融。

BJ具有的特征是，粉末颗粒首先仅以较低的强度相互粘接。所产生的立体物体必须清除松散的粉末并且在热解除和烧结工艺中被固化。

因此，反应器有利地可以通过一种方法制造，其中，通过该方法解决上述技术问题。在所述方法中，用于在至少两个气态的反应物和至少一个气态的产物之间实施化学的平衡反应的反应器如此制造，使得压力容器由一个工件制造。优选地，在此使用增材制造工艺。在此，制造带有用于至少一个产物的冷凝面的反应室。此外制造冷却腔结构，通过该冷却腔结构可以冷却冷凝面。反应器具有压力容器，所述压力容器至少绝大部分上例如通过增材制造工艺生产一件式的壳体，所述壳体具有或没有用于盖子的开口。压力容器构成反应室，在该反应室中制造用于反应物的入口和用于产物的第一出口。如此设计的反应器具有前述的优点。在另外的方法步骤中可以根据本发明的设计方案利用催化材料填充反应室。如果反应室仅绝大部分通过增材制造工艺制造，则构造有更大的开口用于填充催化材料，由此该开口可以随后通过适合的盖子被闭锁。

以下进一步阐述反应器的主要的细节。

在反应室中的催化剂例如可以设计为散积物。所述散积物优选由大约一毫米直径的颗粒构成。必须以适合的方式选择用于实施化学平衡反应的催化剂材料。适用于实施平衡反应的催化剂是已知的并且因此可以根据需要选择。冷却腔结构有利地集成在反应室的壁中。在那里无论如何都会发生平衡反应。由此，在生成反应产物的位置处已实现反应产物的冷凝，从而可以从反应器排出冷凝物。这使反应平衡移动，从而能够由反应物更多地生成反应产物。冷凝面以适合的方式与第一出口连接，使得冷凝物可以通过该出口从反应器排出。第一出口有利地设置在反应器中根据测地学较低的点上，因为冷凝物由于重力向下流动并且在那里无需辅助措施可从反应器排出。在此，此外通过在反应室中所具有的超压也支持所述排出。

总体上按照本发明，反应器可以有利地具有以紧凑的构造形式的相对较小的构造尺寸。与由多个单独的构件组成的反应器不同的是，如果制造具有较小结构尺寸的紧凑型反应器，尤其通过增材制造工艺制造成一个工件也是经济的。这种反应器可以尤其在所实施的平衡反应中有氢参与的情况下使用，以便支持所谓的电力多元化转换(Power-to-X)应用。在此涉及一种应用，其中使用源自再生能源生产的过剩电能，以便在循环经济中以化石原料的最小使用量产生有价值的反应产物。较小的反应器有利地被快速加热或冷却，并且也可以波动地运行，就此在运行阶段之间保持稳定的静止状态。这种较小的电力多元化转换设备因此也可以分散地设立并且可以是活跃的，以便以灵活的运行方式对电网的波动做出反应。过剩的电功率则可以被调用，以便高效地产生和存储具备存储和运输性能的化学制剂，从而能够在没有CO₂废物排放的情况下实现所述化学制剂的应用。在不同的平衡反应中甚至可以结合大气中的CO₂，从而甚至实现正向的CO₂平衡。

在化学工业中也对较小的设备感兴趣。化学产品随后则不必在中央场地上在较大的设备中制造，由此可以有利地减少投资风险。此外，取消了另外的运输路程，该运输路程在化学制品中由于安全标准会产生较高的费用。可以灵活地对需求的提高做出反应，方法是安装多个较小的设备。因为这在制造过程中是成本有利的，可以将投资成本分散在更长的时长内，而不会超过较大设备产生的成本。

应用小型设备的另外的优点在于，小型设备产生用于抗压制造的较小的耗费。相对于所形成的压力而言，紧凑型反应器更容易稳定地设计。尤其当在反应器内部延伸的通道结构整体地制造，该通道可以用于整个反应器的附加的稳定。因此，针对压力容器的抗压制造所需的材料需求相对较低。

根据本发明的有利的设计方案规定，反应室设计为反应通道，所述反应通道在分隔壁之间弯折地或螺旋地在压力容器内延伸。在此，反应通道的横截面在相互对置的端侧之间延伸。换句话说，如此设计反应室的形状，使得反应室具有两个相互对置的端侧，所述端侧通过外罩面相互连接。反应通道的横截面由此在反应室的整个高度上从一个端侧延伸至一个端侧。在此，反应通道可以或者螺旋地延伸，或者例如在反应室中回形地延伸。由此确保，反应气体(也就是反应物和产物)通过反应室强制导引。此外，反应通道具有足够大的表面，用于冷凝析出产物。此外通过反应通道的螺旋形的或弯折的延伸走向，还可以实现反应器的异常紧凑的结构形式。利用增材制造进行的制备尤其能实现的是，简单地制备出通过反应通道的弯折的或螺旋的延伸走向所产生的复杂的几何形状。相反地在增材制造过程中紧凑的结构形式是有利的，因为结构形式理想地利用了增材制造设备的有限的结构空间。对于螺旋形延伸的反应通道而言，制造筒状的反应室是特别有利的。当反应通道弯折时，有利地将反应室设计为立方体状是适宜的。

按照本发明的另外的设计方案规定，在所述反应通道中构造有流动阻挡件，所述流动阻挡件交替地从压力容器的一个端面和另一个端面伸入到反应通道中。通过优选由壁构成的流动阻挡件可以实现反应气体的进一步强制导引。在反应通道内反应气体可以随之被导引，例如流动阻挡件可以交替地从一个端侧和另一个端侧突伸到反应通道内。由此，反应气体必须交替地在一个端侧和另一个端侧之间来回流动。流动阻挡件有利地也可以被冷却，以便提供附加的冷凝面。

按照本发明的特别有利的设计方案规定，所述冷却通道结构在多个分隔壁中延伸。这些分隔壁有利地根据结构形式提供通道形式的反应室的大部分面。当所述分隔壁被使用以便在分隔壁的表面上收集反应物的冷凝物时，分隔壁起到了双重作用。对分隔壁的冷却可以将热量均匀地输出。这是必要的，因此在放热反应运行时可以使反应器内的温度水平保持恒定。

按照本发明的另外的设计方案可以规定，所述冷凝面设计为多孔的。由此产生毛细通道，所述毛细通道有利地支持冷凝。螺旋的或弯折的反应通道的冷却壁例如可以在面向反应通道的面上被多孔的金属占据。因为在尽可能最低的温度和高压下工作，因此在反应技术上可以实现反应产物的高度冷凝和较高的分压。随后，反应气体接触由毛细结构构成的等温冷却壁的金属毛细结构。在此，由于到达了结露点，反应物在更冷的多孔金属上冷凝析出。由此使反应的化学平衡移动，并且有利地以更高的产率形成更多的反应产物。在多孔材料中的毛细管可以具有具备10至1000μm、优选30至400μm并且特别优选50至250μm范围内的通道直径的通道。毛细管通过与壁较低的间距支持冷凝。在此，在优选的金属壁内发生良好的导热，其中，热量通过壁内部的第一冷却剂被导出。

多孔性可以被如此设计，从而可以通过适合的辐照策略、例如借助选择性激光熔融(SLM)或者选择性激光烧结(SLS)制造多孔性。在此，可以通过规定的辐照策略获得多孔。一方面可以通过SLS、也就是通过与SLM相比降低的全表面的能量输入制造多孔。在此，粉末颗粒相互烧结，其中，在粉末颗粒之间保留间隙。另一方面，如果粉末颗粒之间的间隙在实施SLS时没有产生足够的多孔性，则也可以选择这样的辐照策略，其中粉末床的表面仅部分通过SLM被照射，使得单个的粉末颗粒保持不被照射并且随后可以从工件上去除。孔结构可以通过对粉末床的统计学上分布的不完全照射而产生，其中，这些孔的延伸走向或者各个粉末层的被照射的区域的延伸走向是随机的。根据相关的层的备选的辐照策略，非完全的辐照规则实现确定的图案、例如在照射时的线性间距，线性间距有意地如此大地选择，从而在痕迹之间保持不被照射的颗粒和没有熔融的或没有熔焊的颗粒。在这些区域中产生希望的多孔。这例如如此实现，即，平行的痕迹在制造时以均匀的间距例如旋转90°地转动。分别根据所希望的颗粒大小根据确定数量的粉末层开始实施这种转换。

本发明的另外的设计方案规定，所述冷却通道结构具有第一通道系统和与第一通道系统在流体上无关的第二通道系统。由此，两种不同的冷却剂能够以不同的温度水平使用。一种冷却剂流过第一通道系统，而另一种冷却剂流过第二通道系统。由此，化学平衡反应有利地被更好地控制，如以下进一步阐述地。

由此，冷凝产物可以通过在反应室的按测地学位于较低点上的管道被导出。有利地的是，反应室为此具有至少一个导入较低区域内的排放管道和至少一个与排放管道相连的、通入反应室内的回流管道。这些管道随后与第二出口相连。有利的是，以这种方式在反应区域中可以形成不同的温度水平。由此，反应器可以例如具有带有反应室的较高区域并具有较低区域，其中，较低区域被第二通道系统穿过。在此，“测地学”参照大地测量学的位置(考虑到重力的作用方向)理解。第一通道系统如所述地有利地设计用于冷却反应室或反应通道。但是，当应该对始终处于压力下的液态反应产物进行过冷处理时，则需要第二较低区域。过冷的液态反应产物可以适宜地从压力室通过调节阀被导出。由反应化学计量和反应产物的冷凝带来在反应中的体积减小，这导致新鲜气体与反应物从外部补充流入反应器中。新鲜气体在此也流过催化剂，由此保持反应进行。

按照本发明的特别的设计方案规定，所述压力容器的端面中的一个设计为盖子结构，或者在所述压力容器(11)中设有至少一个进入口，所述进入口被盖子结构闭锁。盖子结构与剩余的壳体相比更小，也就是说，以较少的质量制造，并且可以由与剩余的壳体结构不同的材料构成。盖子尤其通过任意的制造工艺制造、例如铸造技术或者通过切削的制造工艺，但是也可以通过增材制造工艺制造，优选地可以通过也构成反应室的剩余壳体结构的工艺制造。压力容器的绝大部分通过壳体结构构成，所述压力容器的绝大部分由此由一个工件构造，同时盖子构成独立的构件。所述盖子有利地打开开口，通过所述开口可以将催化剂填充到反应室中。此外在催化剂填入反应室内之前，还可以将在增材制造工艺中保留在反应室中(例如源自在SLN中用于制造构件的粉末床)的粉末在没有较大耗费的情况下从反应室中去除。当用于催化剂的填充口管状地设计时，盖子也可以实施为具有盲塞的螺纹管接头。在分离式的反应室中可以为每个反应室设置填充口。

催化剂必须根据待实施的反应被选择。根据应用情况，已知的催化剂材料为此被选择。催化剂由颗粒的散积物构成，这些颗粒可以通过颗粒材料、筒形挤出物或者也通过球粒构成。所述颗粒优选地具有一毫米的平均粒径。在反应室被填充颗粒之后，反应器如上所述地通过优选抗压设计的盖子优选地通过传统的法兰被闭锁。抗压的盖子还为了构成密封而具有密封层，所述密封层平展地贴放在压力容器的剩余壳体的壁上，并且由此可以实现气密的连接。由此，迫使反应流体经由预先设定的路径通过催化剂散积物。在具有管状进料部的实施例中，催化剂空间完全被催化颗粒填充并且螺纹管接头压力密封地被关闭。

反应器的结构大小可以在外尺寸上处于100mm至1000mm之间、优选地在200至600mm之间并且特别优选地在250mm至400mm之间(外尺寸例如在筒状的基本结构中由直径给定)。结构高度可以在80mm至800mm之间、优选在180mm至500mm之间并且特别优选地在250mm至400mm之间。反应器的最外侧的壁可以有利地实施具有更大的壁厚度，用于产生抗压性，并且由于流体导引、尤其是流体在螺旋形延伸的反应通道中的导引，反应器的最外侧的壁比剩余的反应器更冷，这有利的是，较冷的材料可以在机械上更强地载荷并且由此可以承受更高的压力。

按照本发明的设计方案可以规定，用于反应物的预热通道在压力容器的所述的外壁结构、也就是还必须确保压力容器的抗压性的外壁中延伸，所述预热通道构成用于反应物的入口。这意味着，在反应物到达反应室之前，反应物必须被导引通过预热通道。在此可以有利地实现反应物的预热，其中，可以同时进行外壁的冷却。由此，在反应器中局部地影响温度差，因此一方面确保在反应器中实施反应的反应温度，并且另一方面确保外壁结构的机械强度。

优选地，所述预热通道在外壁结构中具有回形的延伸走向。由此，优选地构成较长的预热通道，使得流体可以足够长地穿过该预热通道流动，以便减低外壁结构的温度并且自身被加热。预热通道的相邻的运道之间的壁可以具有0.5mm至2mm壁厚的隔板宽度。所述通道可以具有1mm至10mm之间的通道宽度和1mm至8mm之间的通道高度。通道高度垂直于外壁结构的延伸走向被测量，而通道宽度平行于外壁结构的壁延伸走向被测量。

特别有利的是，所述预热通道在外壁结构中在多个相叠布置的层中延伸。由此，预热通道的长度可以有利地更大，因此反应流体、也就是反应物可以被更强地预加热。当然优选的是，预热通道首先穿过在壁结构中的位于外侧的层并且接下来穿过在壁结构中的位于内侧的层(或者在两个层情况下首先穿过在壁结构中的外侧的层并且随后穿过内侧的层)延伸。这支持了外壁结构的冷却，外壁结构则在外侧比内侧更冷。由此，较冷的反应物首先流过在外壁结构中的位于外侧的层，在那里已经被加热，并且接下来流过外壁结的内侧的层，在那里由于更高的温度水平可以实现与外壁结构的进一步的热交换(热交换的顺流原则)。

如果在相邻的层中实施预热通道，则特别有利的是，所述预热通道在相邻的层中分别以交叉的方向延伸。在每个层中规定优先方向，多个通道沿该优先方向平行地延伸。这可以有利地相对于反应器的长度延伸量(尤其是相对于反应器的纵轴线)倾斜地布置，使得位于平行的通道之间的肋板在相邻的层中交叉。由此，有利地实现外壁结构的机械稳定化，因为在中间壁的交叉点上构成外壁结构的格栅形式的加强结构。由此，在同时较低的材料耗费和较低的热量导出的情况下实现较高的压力稳定性。由此产生的复杂的几何结构可以优选地以增材制造工艺在没有较大耗费的情况下制造。如果通道相对于长度延伸量(也就是在压力容器的筒状构造相对于筒轴线倾斜时)倾斜地制造，则通道的叠加在平行延伸的预热通道情况下形成菱形图案。在倾斜45°时，特别有利的是，产生矩形图案、尤其正方形的图案。

通道结构的螺旋形的延伸走向例如可以通过半径的延伸被定义。

r＝a·t

其中，

a>0并且t≥0(在实现相同的通道宽度时定义螺旋形)

或者

其中，

a>0并且

(在向着螺旋内部加大通道宽度时，其中，由此实现向着筒状的反应室的内部的流动速度的减缓)

本发明的另外的设计方案规定，所述反应器具有具备反应室的较高区域并具有较低区域，其中，所述较低区域被第二通道系统穿过。由此使得反应器被划分成具有不同的温度水平的区域。在本发明中更高和更低意味着，测地学地处于更高的位置并且测地学地处于更低的位置。这意味着，更冷的反应流体或冷凝物由于重力流入到较低区域中。由此，反应产物(液态地或气态地)可以在第二通道系统中经受过冷处理。在第一通道系统中被过冷的反应产物始终还处于压力下，并且处于在反应室中用于支持平衡反应的压力下。为了在通常压力下可以从反应器获得反应产物，而不会使反应产物蒸发，则该反应产物因此被在之前被过冷处理。在此涉及反应技术的措施，该措施可以有利地在反应器的集合的部分、也即较低区域中实施。这意味着，反应器可以实现进一步的功能整合，该功能整合可以被集成在同一个构件中。由此可实现特别紧凑的结构方式。

还有利的是，所述反应室通过筛网结构与至少一个排放管道和/或与至少一个回流管道相分隔。这即使在复杂的结构形式中也可以有利地使催化颗粒的散积物不到达排放管道或回流管道，同时使反应流体流动。筛网结构因此辅助用于构成定义的反应室，催化颗粒的散积物可以可靠地保持在反应室中。

所述反应室有利地具有至少一个在较低区域中导引的排放管道和至少一个与排放管道相连的、通入反应室中的回流管道，其中，这些管道与第一出口相连。第二出口则使反应流体在穿过较低区域之后返回到反应室中。这种结构可以一次也或多次地安置在反应室中。有利的是，可以从在较低区域内的该路径上的反应流体中尤其通过冷凝分离出反应产物，由此以适合的方式使反应平衡移动，使得反应物更多地转化为反应产物。

特别有利的是，每个排放管道分别沿着相邻的两个分隔壁延伸，并且回流管道在两个排放管道之间延伸，或者多个排放管道和回流管道交替地彼此平行地延伸。在这种设计中有利地，在反应流体在较低区域中被导出之前，排放管道可以通过分隔壁实现对流体的冷却。在两个在分隔壁上延伸的排放管道之间存在至少一个回流管道或者奇数个回流管道和偶数个排放管道。偶数个排放管道则比奇数个回流管道少1个，其中，排放管道和回流管道交替地布置。通过排放管道和回流管道交替的布置方式，通过由此构成的通道系统实现对流的热交换。换句话说，通过排放管道导引的反应流体可以被冷却，方法是，流动通过回流管道的反应流体被加热(在此开始热交换)。由此，当反应流体到达在较低区域之前被冷却，并且接下来在反应流体到达反应室之前被加热。由此，实现用于反应器的有利的能量平衡。

示例性地提到两个反应，它们可以通过按照本发明的反应器实施。一个反应涉及由氢和二氧化碳(原料)在反应器中生成甲醇，那么形成由原料和甲醇组成的反应混合物，其中，在第一步骤中水作为冷凝物1可以被分离，以便反应平衡有利地移动。随后，甲醇作为(在较低区域被分离的)冷凝物2被分离，其优选在反应产物中已经具有高浓度。为此，使用适合的冷却剂1和冷却剂2。所述反应在以下表格中详细示出。

另一个反应是由氮和氢制造氨。氮和氢作为原料被混合，其中，反应混合物也包含氨。通过冷却剂1、冷却剂2和冷却剂3的两级的冷凝产生出氨，反应产物中的氨以相对较高的浓度存在。所述反应在以下表格中示出。

针对实施具有气态反应物和在高温下的气态可冷凝的产物的平衡反应，反应器的按照本发明的设计方案的优点可以总结如下。

1.通过以下功能的增材制造方法和在唯一一个单体式构件中的方案(有时可能带有附加的盖子)，实现工艺整合。

a.冷凝式的反应器，由此在反应器中就已经可以通过对产物的选择性冷凝实现材料分离，为此

i.化学平衡最大程度地向产物一侧移动，从而达到结露点

1.尽可能最低的温度(放热反应)

2.高压(在反应时的体积减小)

3.通过(从放热反应中)持续地排出热量和反应产物可以实现持续的平衡

ii.在相对较高温度下的热量排放，所述热量排放还直接实现产物的冷凝，由此

iii.在反应器中在冷却结构(例如壁)上稳定地取得产物。

1.通过在壁上的多孔的金属层中的毛细管冷凝得到支持

2.在产物混合时使用不同的结露点，并且在反应器中通过实现不同的温度区域实现选择性冷凝：

a.组分1(温度较低冷凝)普遍在反应室的螺旋形壁上取得。

b.组分2在反应气体下降到反应器的较低区域中被冷凝析出，所述较低区域被更冷地冷却并且使可冷凝的产物基本上被冷凝析出。

c.在由排放管道和回流管道构成的进料-出料更换器的方案中，反应气体下降/上浮。

d.向后依次地多次重复冷凝析出，使得几乎全部输入的气体量反应完全(具有产物输出装置的“被冷却的搁架式反应器”的方案)。

iv.以尽可能最高的温度水平使用冷却系统中的余热(在较好的有效能中指有价值的热量)。

v.为反应器加装外部的预热区域，使得即使在较小的结构形式下不会有热量损失。

vi.使用增材制造方法，其具有在外部区域中有助于较高抗压性的较大的壁厚和在壁结构方面复杂的通道系统。

vii.结构设计与反应相适配，例如在内部的反应区域，反应区域使气体螺旋形地从外向内导引并且在分隔壁中引导冷凝冷却，在壁上冷凝物在反应器的下部区域排出。

viii.仅在中央实现非常小的尾气排出，以便开始/控制反应并且排出惰性气体(气体自动地继续“滑出”，因为经过反应并经过冷凝析出出现了体积收缩)。这几乎涉及“死端反应器”，气体不需在循环中运动。

b.等温反应器导致尽可能符合规定的产物，因为避免了热点并且在整个反应器中存在相同的反应条件。

2.在整个系统中的结构方式的简化，因为省略了多个管路、构件、处理单元(蒸馏装置、回流压缩装置、冷却器、相分离装置等，所有的已经在反应器中借助增材制造方法被一体式地集成)。

3.可波动地运行，因为可以利用调温剂通过快速加热或调温尽可能保持反应温度，并且由此可以立即开始反应，并且调温剂质量流、反应压力和产物输出质量流可以如此控制，使得催化剂在活性的静止状态下在暂停时可以被“包裹”，以便随后可重新立即开始。

4.通过调温介质的温度和反应系统的压力对反应便捷地控制。作为容器尺寸的分散式解决方案能够全自动化。

本发明的另外的特征以下结合附图示出。相同或相应的附图元素分别设有相同的标记，并且仅就例如在各个附图之间的区别进行多次阐述。

以下阐述的实施例涉及的是本发明优选的实施形式。在所述实施例中，实施形式的所述部件分别表示本发明单独的、相互独立考虑的特征，它们也可以相互独立地改进本发明并且也可以单独地或不同于所示组合地当作本发明的组成部分。此外所述实施形式也可以通过本发明已述的其他特征补充。

在附图中：

图1示出按照本发明的反应器的实施例的局部剖切的三维视图，其中，仅示出压力容器，

图2示出压力容器的其它实施例的三维示意图，

图3示出按照本发明的反应器的压力容器的另外的实施例的三维视图，

图4示出压力容器内的分隔壁的实施例的剖视示意图，所述分隔壁限定了反应通道的边界，其中，所述分隔壁应用于根据图1至3的每个实施例中，

图5示出用于排放管道和回流管道的实施例的三维示意图，它们在根据图1至3的压力容器中使用，和

图6示出根据图5的排放管道和回流管道的备选的布置方式示例。

在图1中示出用于按照本发明的反应器的压力容器11。所述压力容器具有筒状的基本形状。在压力容器11中构造有螺旋形延伸的通道，所述通道构造出反应空间12。所述反应空间12还具有入口13和未示出的第一出口(参见图3中的标记14)。

所述压力容器11大部分由一个工件制造。所述的大部分即由壳体15组成，所述壳体可以通过盖子16被闭锁。在盖子16中设有多个孔17并且在壳体15中设有多个螺纹孔18，使得盖子可以通过未示出的螺栓或者螺杆和螺母安装在壳体上。所述壳体15在此构造有法兰19，所述法兰也具有用于未示出的密封垫圈的凹槽20，从而在壳体15和盖子16之间可以实现可靠的密封。在螺旋运道中也可以存在密封部，同样没有示出。在安装盖子16之前，可以用由催化剂颗粒构成的散积物(参见图2中的标记21)填充反应室12。

如以下还将进一步阐述地，壳体15具有复杂的结构，这种结构通过增材工艺、例如激光熔融工艺由一个工件制造。所述壳体15的向上开放的实施方式有利地实现了，在将散积物21填入反应室之前，可以容易地清除残留在反应室12中的粉末。

反应室12通过分隔壁22被如此分隔，使得反应室螺旋形地从外向内延伸，其中，所述反应室整体上具有筒状的形状。环形的反应通道以其横截面分别从未示出的底板面延伸到向上开放的盖面，所述盖面通过盖子16被闭锁。在如此构造的螺旋形的反应通道中还构造有冷凝捕集器28，冷凝捕集器的功能接下来还将进一步阐述(参见图5和6)。所述冷凝捕集器被反应流体流过，而反应流体螺旋形地从入口13向内流至出口14(参见图2)。

反应室12被抗压的外壁结构24围绕。壁厚度使得在反应室12中的压力可以增大到例如100bar。此外，在外壁结构24中设有用于反应流体的预热通道25，所述预热通道从未示出的外侧的入口导引至反应室的入口13。所述预热通道25具有回形的延伸走向，这意味着，预热通道始终交替地向上又再次向下导引。如此构成的运道的延伸走向相对于反应器的中轴线26以45°倾斜。此外，预热通道25布置在两个沿径向相叠布置的层27之间，其中，预热通道25的各运道的倾斜度在两个层中旋转90°。由此，获得在俯视图中位于运道之间的壁的交叉的图形，从而实现外壁结构24的理想的加固。

在图2中示意性地示出压力容器11，所述压力容器同样如图1中的压力容器一样具有螺旋形延伸的反应通道。附加地可看到，用于反应流体的入口13和出口14以及贯穿口29设置在具有筛网结构30的冷凝捕集器28上，由此使得散积物21可以可靠地保留在反应室12中。此外，在反应通道中设有流动阻挡件31，所述流动阻挡件构成对流动中的反应流体的干扰，使得反应流体在反应室12内依轨道被强制导引。如图2所示地，多个流动阻挡件中的一半偏转而不到达图2中未示出的盖子。另一半流动阻挡件以未示出的方式在壳体15的底板区域中开放，使得反应流体在那里可以流动绕过流动阻挡件。如箭头所示地，由此产生反应流体的从上向下的回形的延伸走向。

为简明起见，仅示出处于反应室12内部区域中的散积物示出。在实际情况中，当然整个反应室都被填充了散积物21。之所以仅能看到第一出口14，是因为所述壳体部分剖切地示出。在剖切区域中可看到穿过分隔壁22构造的螺旋的最内侧的部分。在最内侧的结构的底板上，在底板上布置有出口14。

在图3中示出在反应室12内通过分隔壁22构造的反应通道的备选的延伸走向。反应室12整体上是正方形的，其中，分隔壁22直线形地延伸。所以获得反应通道的弯折的延伸走向。在此也可以如反应通道的第一部分所示地，设有流动阻挡件31。此外可看到，冷凝捕集器28以规则的间距布置在反应通道内。

从图3同样可获知，压力容器11被划分为较高区域32和较低区域33。这些区域处于不同的温度水平，如根据图4还将进一步阐述地。由此，反应产物可以在较低区域33冷却，以便反应产物通过第二出口34从压力容器11排出。在较低区域33中尤其可以实现处于压力下的反应产物的、尤其冷凝物的过冷，由此反应产物可以通过第二出口34从压力容器11排出，而不会重新蒸发。

在图2和3中示出构成压力容器11的相应的壳体结构，其具有盖子16和相应的开口。因为通过增材制造工艺完成的压力容器11可以实现较高设计自由度，也可以设想一种构造，其中不是唯一一个开口通过盖子16被闭锁。备选地可以例如布置多个管接头(在图2和3中未示出)，其中，这种前置级用于通过颗粒填充压力容器11的内部结构。接下来，这种管接头可以通过盖子结构与外部环境隔绝。

根据图4可以看到，分隔壁22可以被第一通道系统35穿过，其中，通过所述第一通道系统运输第一冷却剂。由此，分隔壁22用作冷凝面23，其中，反应产物在该冷凝面上冷凝析出并且接下来被储存在存储器37中。存储器37位于较低区域33内，在这里第二冷却剂可以流过第二通道系统36。在冷凝物38的过冷之后，冷凝物可以通过第二出口34被取出。

为了支持冷凝，冷凝面23在图4中可以具有通过叉形阴影线标记的多孔性。这种多孔性通过增材制造工艺例如利用对制造参数的影响被调整。多孔结构也可以被制造为精细格栅，其中，冷凝物可以在格栅空隙中流入存储器37中。在此，格栅条或多孔结构的材料用于导热，使得热量可以快速地向分隔壁22排放，在分隔壁中热量被释放到在第一通道系统35中流动的冷却流体中。

在图5中详细地示出了冷凝捕集器28的构造，其在根据图1至3中被应用。冷凝捕集器根据图5由两个排放管道39和回流管道40构成。根据图6可看到，多个排放管道39和回流管道40也可以交替地构造在反应通道的分隔壁22之间。

排放管道39在上部区域中具有用于反应流体的贯穿口29。因此反应流体在排放通道中从上向下导引，同时反应流体通过分隔壁22和回流管道40被冷却。冷凝物在此沉降，所述冷凝物可以通过底板中的开口41流入较低区域33。在那里可以使用未详细示出的存储器37(参见图4)，以便容纳冷凝物并且通过同样未详细示出第二通道系统35(参见图4)冷却冷凝物。

剩下的反应流体通过另外的开口42到达回流管道40并且在那里再次向上流动到布置在回流管道中的贯穿口29，反应流体通过所述贯穿口再次到达反应室12中。因为通过回流管道40导引的反应流体比通过排放部导引的反应流体更冷，所以通过冷凝捕集器的构造实现对流式冷却器，从而为了反应产物的冷凝析出可以进行对反应流体的冷却，并且反应流体在进入反应室12内可以被再次加热。

Claims (14)

1.一种反应器，用于实施在至少两个气态的反应物和至少一个气态的产物之间的化学平衡反应，所述反应器具有压力容器(11)，在所述压力容器中设有反应室(12)，所述反应室具有用于反应物的入口(13)和用于产物的第一出口(14)，

-其中，在所述反应室(12)中布置有催化物质，

-其中，在所述反应室(12)中设有用于至少一个产物的冷凝面(23)，

-其中，所述冷凝面通过冷却通道结构(35、36)被冷却，

其中，所述压力容器(11)的壳体(15)和所述冷却通道结构(35、36)设计为一个工件，其中，所述反应室(12)设计为反应通道，所述反应通道在多个分隔壁(22)之间弯折地或者螺旋形地在所述压力容器(11)中延伸，其中，所述反应通道的横截面在压力容器的相互对置的端面之间延伸，其中，所述冷却通道结构(35、36)在多个分隔壁(22)中延伸。

2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，在所述反应通道中构造有流动阻挡件(31)，所述流动阻挡件从压力容器(11)的一个端面和另一个端面交替地伸入到反应通道中。

3.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述冷凝面(23)设计为多孔的。

4.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述冷却通道结构具有第一通道系统(35)和与第一通道系统在流体上无关的第二通道系统(36)。

5.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述压力容器(11)的其中一个端面设计为盖子结构(16)，或者在所述压力容器(11)中设有至少一个进入口，所述进入口被盖子结构闭锁。

6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应室(12)通过作为催化物质的催化颗粒的散积物(21)被填充。

7.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，用于反应物的预热通道(25)在所述压力容器(11)的外壁结构(24)中延伸，所述预热通道构成所述入口。

8.按照权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述预热通道(25)在外壁结构(24)中具有回形的延伸走向。

9.按照权利要求7或8所述的反应器，其特征在于，所述预热通道(25)在外壁结构(24)中在多个相叠布置的层(27)中延伸。

10.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，在相邻的层(27)中的预热通道(25)分别以交叉的方向延伸。

11.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器具有具备反应室的较高区域(32)并具有较低区域(33)，其中，所述较低区域(33)被第二通道系统(36)穿过。

12.按照权利要求11所述的反应器，其特征在于，所述反应室(12)具有至少一个向较低区域(33)导引的排放管道(39)和至少一个与排放管道相连的、通入反应室中的回流管道(40)，其中，这些管道与第二出口(34)相连。

13.按照权利要求12所述的反应器，其特征在于，所述反应室(12)通过筛网结构(30)与至少一个排放管道(39)和/或与至少一个回流管道(40)相分隔。

14.按照权利要求12或13所述的反应器，其特征在于，每个排放管道(39)分别沿着相邻的两个分隔壁(22)延伸，并且回流管道(40)在两个排放管道(39)之间延伸，或者多个排放管道和回流管道交替地延伸。

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