CN118236935A - 流体反应器设备和用于操作流体反应器设备的方法 - Google Patents

流体反应器设备和用于操作流体反应器设备的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种流体反应器设备和用于操作流体反应器设备的方法，流体反应器设备特别是流体净化设备。流体反应器设备包括传热床，传热床包括第一开口、第二开口和布置在第一开口和第二开口之间的储热材料。储热材料被配置为加热流过储热材料的流体，使得流体在流过储热材料时加热并反应。传热床和储热材料中的至少一个的至少一种结构或热性质沿着至少一个空间方向变化。

Description

流体反应器设备和用于操作流体反应器设备的方法
技术领域
本发明涉及流体反应处理。特别地，本发明的示例涉及(再生)流体反应器设备，特别是涉及(再生)流体净化设备以及用于操作(再生)流体反应器设备的方法。
背景技术
使用填充有陶瓷材料的传热床用于排出气体净化的常规热氧化系统受不对称气体分布的影响。不对称气体分布由进入的气体沿着反应室的压差变化(例如，由于反应室的几何形状)引起的。这导致传热床的热容量的非最佳利用。
因此，可能需要诸如排气之类的流体的改进的反应处理，特别是净化。
发明内容
该需要可以通过一种流体反应器设备和一种用于操作流体反应器设备的方法来满足。
根据第一方面，本发明提供一种(再生)流体反应器设备，特别是(再生)流体净化设备。流体反应器设备包括传热床，传热床包括第一开口、第二开口和布置在第一开口和第二开口之间的储热材料。储热材料被配置为加热流过储热材料的流体，使得流体在流过储热材料时加热并反应。传热床和储热材料中的至少一个的至少一种结构或热性质沿着至少一个空间方向变化。
传热床和储热材料中的至少一个的至少一种结构或热性质沿着至少一个空间方向变化，允许更有效地使用存储在传热床中的热量。例如，至少一个性质的改变可以允许根据供应到传热床的流体的压力条件来调节传热床和/或储热材料。特别地，至少一个性质的改变可以允许根据供应到传热床的流体的压力条件和由此产生的流体通过储热材料的流动方向来调节(成形)储热材料的热吸收以及热释放特性。此外，至少一个性质的改变可以允许影响流体通过储热材料的流动行为(例如，流动方向)。
注意，至少一个空间方向可以是任何空间方向或与厚度方向成非零角的空间方向，任何空间方向例如储热材料/传热床的厚度方向(例如，储热材料/传热床的厚度方向可以从第一开口延伸到第二开口，反之亦然)。此外，注意，至少一个性质可以在一个、两个或更多个不同的空间方向上变化。至少一个性质的变化可以是沿着至少一个空间方向的连续变化。替代地，至少一个性质的变化可以是沿着至少一个空间方向的局部变化。换言之，至少一个性质不一定沿着至少一个空间方向连续变化。相反，至少一个性质可以仅在至少一个空间方向的一个或更多个有限范围或区域内变化，并且在其他方面保持基本恒定(稳定)。变化的梯度可以是恒定的或可变的。储热材料的结构性质是定义(描述)储热材料或其各个部分(颗粒、元件、单元)的构造的方式和/或储热材料的各个部分的布置的任何性质。储热材料的热性质是定义(描述)储热材料对热的响应的任何性质。换言之，储热材料的热性质是定义(描述)储热材料的与热有关或由热引起的行为或特性的任何性质。
例如，以下性质中的至少一个可以沿着至少一个空间方向变化：储热材料的结构、传热床和储热材料中的至少一个的孔隙率、储热材料的几何形状、储热材料的形貌、储热材料的热容量和储热材料的热传递容量。储热材料的结构、孔隙率、几何形状和形貌是储热材料的结构性质的示例。储热材料的热容量和热传递容量是储热材料的热性质的示例。传热床的孔隙率是传热床的结构性质的示例。储热材料的结构通常定义储热材料或其各个部分的制造、建造或组织。储热材料的孔隙率通常定义储热材料的多孔的质量或状态。例如，储热材料的表面孔隙率可以变化以增加/减少储热材料与流体的接触表面。替代地或附加地，储热材料的体积孔隙率可以变化以增加/减小流体的速度。储热材料的几何形状定义储热材料的各个部分的布置。储热材料的形貌定义储热材料的各个部分的表面形状。储热材料的热容量定义供应给储热材料以产生其温度的单位变化的热量的量。储热材料的热传递容量定义每单位温度变化由储热材料吸收或释放的热量的量。传热床的孔隙率通常定义传热床的多孔(即，流体可渗透性)的质量或状态。例如，围绕储热材料的传热床的壁的孔隙率可以变化以影响流体流过储热材料。替代地或附加地，储热材料可以被细分(即，被分离为几个部分，例如不同层)，以改变流体的传热床的总体孔隙率。
例如，储热材料可以包括(例如，唯一地)块状储热材料、(例如，唯一地)散状储热材料或其组合。散状(bulk)储热材料本质是粉末状、颗粒状或多块状的储热材料。块状储热材料是被成形为块(即，作为表现出预定义形状(例如鞍状物或蜂窝)的紧凑固体形式(单元))的储热材料。以下将描述各种示例。
在本发明的一些示例中，储热材料包括由块状储热材料形成的至少一层和由散状储热材料形成的至少一层。块状储热材料和散状储热材料的混合物可以允许操纵传热床中的流体压力，从而允许流体通过储热材料的流动行为(例如，流动方向)。此外，块状储热材料和散状储热材料的混合物可以允许根据需要调节储热材料在整个传热床上的热吸收以及热释放特性。
例如，储热材料可以至少包括顺序布置在第一开口和第二开口之间的第一层、第二层和第三层。第一层和第三层由块状储热材料形成。第二层由散状储热材料形成。换言之，散状储热材料的层可以(例如，沿着储热材料/传热床的厚度方向)夹在块状储热材料的两层之间。块状储热材料的层之间的散状储热材料的层允许减小流过储热材料的流体的压降，使得可以实现更高的流体速度。这种散状和块状储热材料的夹层结构对于某些应用来说可能是优选的。例如，对于流体中的某些类型和/或浓度的危险成分，散状和块状储热材料的夹层结构可能是优选的。
根据本发明的一些示例，第一层和第三层的延伸部沿着储热材料/传热床的厚度方向彼此不同(厚度方向从第一开口延伸到第二开口的厚度方向，或者反之亦然)。换言之，块状储热材料的层可以表现出不同的厚度。使用不同厚度的块状储热材料的层可以允许提供储热材料的非对称结构，这对于某些应用来说可能是优选的。例如，储热材料的非对称结构可能有利于处理沿着第一开口和第二开口中的相应一个进入的流体的压力的降低，流体通过第一开口和第二开口进入传热床。替代地，第一层和第三层可以沿着厚度方向彼此相等。因此，可以提供储热材料的对称结构。
在本发明的替代示例中，储热材料至少包括第一层、第二层和第三层，第一层、第二层和第三层按顺序布置在第一开口和第二开口之间。第一层和第三层由散状储热材料形成，第二层由块状储热材料形成。换言之，块状储热材料的层可以(例如，沿着储热材料/传热床的厚度方向)夹在散状储热材料的两层之间。散状储热材料的层允许减小流过储热材料的流体的压降，使得可以实现更高的流体速度。这种散状和块状储热材料的夹层结构对于某些应用来说可能是优选的。例如，对于流体中的某些类型和/或浓度的危险成分，散状和块状储热材料的夹层结构可能是优选的。第一层和第三层的延伸可以沿着储热材料/传热床的厚度方向彼此不同或相等。换言之，可以提供储热材料的对称结构或非对称结构。
根据本发明的一些示例，散状储热材料包括至少两种不同材料(例如，表现出不同化学组成、粒度或热容量的材料)的混合物。散状储热材料中的至少两种不同材料的浓度沿着至少一个空间方向变化。不同材料提供(表现)不同结构和/或热性质。通过沿着至少一个空间方向混合具有变化浓度的不同的这些材料，可以实现散状储热材料的结构和热性质中的至少一个沿着至少一个空间方向的变化。
例如，至少两种材料可以表现出不同几何形状、不同形貌、不同热容量和不同热传递容量中的至少一个。因此，散状储热材料的一个或多个结构和/或热性质可以沿着至少一个空间方向变化。
在本发明的一些示例中，散状储热材料的粒度沿着至少一个空间方向变化。粒度定义材料由较小或较大的各个部分(颗粒、元素)组成(包括)的程度。具有高粒度的材料包括比表现出低粒度的材料在更高程度上更小的各个部分。在另一方面，具有低粒度的材料包括比表现出高粒度的材料在更高程度上更大的各个部分。与用于散状储热材料的材料的数量无关，改变散状储热材料的粒度可以允许在流体流过储热材料时操纵流体的压力梯度。因此，流体通过储热材料的流动行为(例如，流动方向)可以被操纵以提高传热床的热效率。此外，储热材料的热传递特性可以通过改变储热材料的粒度来改变。
根据本发明的一些示例，块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个沿着至少一个空间方向变化。例如，块尺寸或在块中形成的通道的尺寸可以沿着至少一个空间方向改变。类似地，块状储热材料的热容量和/或热传递容量可以沿着至少一个空间方向改变。此外，块状储热材料的化学成分可以沿着至少一个空间方向改变。块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个可以在块状储热材料的单个层内和/或在块状储热材料的不同层之间变化。改变块状储热材料的至少一个结构或热性质可以允许调节流体通过储热材料的流动行为(例如，流动方向)以及块状储热材料的热吸收和热释放特性。
在本发明的另一个替代示例中，储热材料至少包括第一层、第二层和第三层，第一层、第二层和第三层按顺序布置在第一开口和第二开口之间。第一层、第二层和第三层中的每一个由块状储热材料形成。第二层由与第一层和第三层不同的块状储热材料形成。换言之，块状储热材料的层彼此不相同。对第二层使用与第一层和第三层不同的块状储热材料允许沿着至少一个空间方向改变储热材料的至少一个结构或热性质，以便实现上述有益效果中的一个或更多个。例如，第二层的块状储热材料可以表现出与第一层和第三层的块状储热材料不同的尺寸或在块中形成的通道的不同尺寸。附加地或替代地，第二层的块状储热材料可以表现出与第一层和第三层的块状储热材料至少一种不同的热性质(例如，不同的热容量和/或不同的热传递容量)。第二层的块状储热材料可以例如由与第一层和第三层的块状储热材料不同的材料制成。换言之，第二层的块状储热材料的化学成分可以与第一层和第三层的块状储热材料的化学成分不同。第一层可以由与第三层不同或相同的块状储热材料形成。
在本发明的一些示例中，在第一层、第二层和第三层中的至少一个中，块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个沿着至少一个空间方向变化。在至少一个层中改变块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个允许沿着至少一个空间方向改变储热材料的至少一个结构或热性质，以便实现上述有益效果中的一个或更多个。例如，诸如块尺寸或在块中形成的通道的尺寸的结构性质可以在一个或更多个层内沿着一个或更多个空间方向变化。附加地或替代地，一个或更多个层内的块可以表现出不同的热性质，例如不同的热容量和/或不同的热传递容量。进一步附加地或替代地，一个或更多个层内的块可以表现出不同的化学成分。
在本发明的又一替代示例中，储热材料是散状储热材料。换言之，只有散状储热材料可以用作储热材料。仅使用散状储热材料可以允许减小流过储热材料的流体的压降，使得可以实现更高的流体速度。
根据本发明的一些示例，储热材料的粒度沿着储热材料的厚度方向从第一开口和第二开口中的每一个朝向储热材料的中心减小。如上所述，储热材料的厚度方向从第一开口延伸到第二开口，或者反之亦然。换言之，储热材料在传热床的外部部分中表现出更细的颗粒尺寸，并且在传热床的中心部分中表现出更粗的颗粒尺寸。具有更粗粒度的储热材料允许最小化传热床的中心部分中的流体的压降，其中流体的温度高，因此流体的速度高。具有更细粒度的储热材料表现出更高的热交换能力(热传递容量)，使得在传热床的外部部分中，流体的压降可以最小化同时保持高热效率，其中流体的温度较低，因此流体的速度较低。与具有恒定介质尺寸的传统床相比，在传热床的外部部分中具有较小尺寸的介质并且在传热床的中心部分中具有较大尺寸的介质允许流体在传热床的中心部分中的更长停留时间，这表现出更高的温度。这可以允许提高流体中需要更长时间进行反应的物质的反应效率。例如，所提出的散状储热材料的结构可能有利于一氧化碳(carbon monoxide,CO)、氧化氮(nitrous oxide,N2O)和某些有气味的挥发性有机化合物(Volatile OrganicCompound,VOC)的反应处理。
在本发明的一些示例中，(散状)储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个沿着(散状)储热材料/传热床的厚度方向从第一开口和第二开口中的每一个朝向(散状)储热材料的中心增加(储热材料/传热床的厚度方向从第一开口延伸到第二开口，或者反之亦然)。将热容量和/或热传递容量朝向传热床的中心部分增加可以允许在传热床上提供基本上相同的储热容量。
在本发明的替代示例中，储热材料的粒度沿着储热材料/传热床的厚度方向从第一开口和第二开口中的每一个朝向储热材料的中心增加。如上所述，储热材料的厚度方向从第一开口延伸到第二开口，或者反之亦然。换言之，储热材料在传热床的外部部分中表现出较粗颗粒尺寸，并且在传热床的中心部分中表现出较细颗粒尺寸。具有更细粒度的储热材料表现出更高的热交换能力(热传递容量)，使得在传热床的中心部分中，可以将足够的热量传递到流体以引起流体的反应，并且随后可以高效地回收来自反应流体的多余热量，其中流体的温度更高，因此流体的速度更高。具有较粗粒度的储热材料允许最小化传热床的外部部分中的流体的压降，使得流体的阻力最小化。因此，流体可以以方便的方式进入传热床，并且反应流体可以以方便的方式离开传热床。
根据本发明的一些示例，储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个沿着储热材料的厚度方向从第一开口和第二开口中的每一个朝向储热材料的中心减小(储热材料/传热床的厚度方向从第一开口延伸到第二开口，或者反之亦然)。减小朝向传热床的中心部分的热容量和/或热传递容量可以允许在传热床上提供基本均匀的储热容量。
在本发明的一些示例中，流体反应器设备还包括流体地耦接到传热床的第一开口的第一腔室。第一腔室沿着第一空间方向纵向延伸，使得在第一腔室被配置为将流体供应到传热床的时间段期间，流体沿着第一空间方向行进通过第一腔室。储热材料的粒度沿着第一空间方向增加。换言之，储热材料的颗粒尺寸沿着第一空间方向变得更细。第一空间方向可以例如垂直于储热材料/传热床的厚度方向。储热材料沿着第一空间方向的粒度的增加可以允许对流体通过储热材料的流动行为(例如，流动方向)产生积极影响，因为它允许在第一腔室被配置为将流体供应到传热床的时间段期间，补偿第一腔室中的流体沿着第一空间方向的速度的降低。
根据本发明的一些示例，流体反应器设备还包括流体地耦接至传热床的第一开口的第一腔室。第一腔室沿着第一空间方向纵向延伸，使得在第一腔室被配置为将流体供应到传热床的时间段期间，流体沿着第一空间方向行进通过第一腔室。储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个沿着第一空间方向增加。沿着第一空间方向增加热容量和/或热传递容量可以允许在传热床上提供基本均匀的储热容量。
在本发明的一些示例中，流体反应器设备还包括流体地耦接至传热床的第一开口的第一腔室。储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个沿着储热材料的厚度方向从第一开口和第二开口中的每一个朝向储热材料的中心增加(储热材料的厚度方向从第一开口延伸到第二开口，或者反之亦然)。此外，第一腔室沿着第一空间方向纵向延伸，使得在第一腔室被配置为将流体供应到传热床的时间段期间，流体沿着第一空间方向行进通过第一腔室。此外，储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个沿着第一空间方向减小。朝向传热床的中心部分减小热容量和/或热传递容量以及沿着第一空间方向减小热容量和/或热传递容量可以允许在传热床上提供基本均匀的储热容量。特别地，它允许在第一腔室被配置为将流体供应到传热床的时间段期间补偿第一腔室中的流体沿着第一空间方向的速度的降低。
根据本发明的一些示例，(散状)储热材料包括至少两种不同材料的混合物，至少两种不同材料表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一个。储热材料中的至少两种不同材料的浓度不同。通过沿着一个或更多个空间方向混合具有不同浓度的不同材料，可以实现沿着至少一个空间方向的热容量和/或热传递容量的变化。例如，这两种材料可能表现出不同的化学成分。
在本发明的一些示例中，流体反应器设备还包括流体地耦接至传热床的第一开口的第一腔室，以及流体地耦接至传热床的第二开口的第二腔室。第一腔室和第二腔室被配置为交替地将流体供应到传热床，使得流体在流过储热材料时加热并反应。此外，在第一腔室和第二腔室中的一个被配置为将流体供应到传热床的时间段期间，第一腔室和第二腔室中的另一个被配置为将反应流体从传热床排出。流体通过储热材料的流动方向的周期性反转可以允许保持储热材料的高热交换效率(例如，高于95％)。因此，流体反应器设备可以回收在传热床中保持所需反应温度(例如，氧化温度或还原温度)所需的基本上所有的热量。因此，流体反应器设备可以被理解为再生流体反应器设备。
在本发明的一些示例中，传热床包括围绕储热材料并在第一腔室和第二腔室之间延伸的隔热壁。在这些示例中，第一开口和第二开口形成在隔热壁中。隔热壁可以允许最小化传热床上的热损失。
根据本发明的一些示例，第一腔室的壳体至少部分地由隔热材料形成和/或至少部分地被隔热材料覆盖。隔热材料可以允许最小化第一腔室的壳体上的热损失。类似地或替代地，第二腔室的壳体可以至少部分地由隔热材料形成和/或至少部分地被隔热材料覆盖，以最小化第二腔室的壳体上的热损失。
根据本发明的一些示例，流体反应器设备还包括电加热器，电加热器被配置为将储热材料加热到适合流体的热反应的预定温度。电加热器可以允许最初将储热材料加热到预定温度。电加热器的至少部分可以布置在传热床中，使得储热材料围绕电加热器的至少部分。换言之，电加热器的至少部分可以嵌入储热材料中。
在本发明的一些示例中，一个或更多个中空体布置在储热材料中。电加热器的至少部分可拆卸地布置在一个或更多个中空体中。一个或更多个中空体的内部容积(即，内部)可以从传热床的外部接近。例如，一个或更多个(例如，可关闭或可密封的)服务开口可以形成在围绕储热材料的传热床的壁中，并且连接(耦接)到一个或更多个中空体，使得一个或更多个中空体的内部容积可经由一个或更多个服务开口接近。一个或更多个中空体的至少部分可以例如是放置在散状储热材料中的一个或更多个管。替代地，块状储热材料的至少部分中的凹部可以形成一个或更多个中空体的至少部分。可选地，一个或更多个管布置在形成一个或更多个中空体的凹部的至少部分中，以进一步保护电加热器。电加热器的至少部分可拆卸地布置在一个或更多个中空体中。将电加热器的至少部分可拆卸地布置在一个或更多个中空体中，可以允许容易地接近电加热器和/或将电加热器从流体反应器设备移除，以用于检查、维护等。特别是，将电加热器的至少部分布置在一个或更多个中空体中，可以允许接近和/或移除电加热器，而不需要从传热床移除储热材料。这不仅可以简化电加热器的检查、维护等，而且还可以减少流体反应器设备的停机时间，因为储热材料不需要从传热床移除。此外，将电加热器的至少部分布置在一个或更多个中空体中可以允许促进电加热器的安装。
根据本发明的一些示例，用于降低流体的反应温度的催化剂材料布置在传热床内。由于催化剂材料，可以降低流体反应所需的温度，使得流体反应器设备可以在较低的温度下操作。
根据第二方面，本发明提供一种用于操作根据本发明的流体反应器设备的方法。方法包括向传热床供应流体，使得流体在流过储热材料时加热并反应。
由于储热材料的至少一种结构或热性质沿着至少一个空间方向的变化允许更有效地使用传热床中存储的热量，因此该方法可以允许以提高的效率进行流体反应处理。
附图说明
以下将仅通过示例的方式并参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，其中
图1示出流体反应器设备的第一示例的截面图；
图2示出流体反应器设备的第二示例的截面图；
图3示出流体反应器设备的第三示例的截面图；
图4示出流体反应器设备的第四示例的截面图；
图5示出流体反应器设备的第五示例的截面图；
图6示出流体反应器设备的第六示例的截面图；
图7示出流体反应器设备的第七示例的截面图；
图8示出流体反应器设备的第八示例的截面图；
图9示出流体反应器设备的第九示例的截面图；
图10示出流体反应器设备的第十示例的截面图；
图11示出流体反应器设备的第十一示例的截面图；以及
图12示出用于操作本文所述的流体反应器设备的方法的示例的流程图。
具体实施方式
现在参考附图更详细地描述一些示例。然而，其他可能的示例不限于详细描述的这些实施例的特征。其他示例可以包括特征的修改以及特征的等同物和替代物。此外，本文中用于描述某些示例的术语不应限制进一步的可能示例。
在附图的整个描述中，相同或类似的附图标记指代相同或相似的元件和/或特征，它们可以相同或以修改的形式实现，同时提供相同或相似功能。为了清楚起见，图中的线、层和/或区域的厚度也可以被夸大。
当两个元素A和B使用“或”组合时，除非在个别情况下另有明确定义，这应被理解为公开所有可能的组合，即只有A、只有B以及A和B。作为相同组合的替代措辞，可以使用“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。这等同于多于两个元素的组合。
如果使用了单数形式，诸如“一个”、“一种”和“该”，并且仅使用单个元素并没有明确或隐含地限定为强制性的，那么进一步的示例也可以使用多个元素来实现相同的功能。如果下面将功能描述为使用多个元素来实现，则进一步的示例可以使用单个元素或单个处理实体来实现相同的功能。进一步理解的是，术语“包括(include)”、“包含(including)”、“包括(comprise)”和/或“包含(comprising)”在使用时描述了指定特征、整数、步骤、操作、过程、元件、部件和/或其组的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、过程、元件、部件和/或其组的存在或添加。
图1示意性地示出用于使流体101反应的流体反应器设备100。流体反应器设备100使流体101的至少部分反应，从而获得反应流体101’(即，经历反应之后的流体)。
流体101可以是或包括一种或更多种气体组分(物质、成分)、一种或更多种蒸汽组分(物质、成分)、一种或更多种液体组分(物质、成分)和/或其混合物。根据本发明的示例，流体101可以唯一地包括气体组分或物质。例如，流体101可以是排出气体或排出空气，其中，排出空气与排出气体相比含有更高比例的氧。
反应的类型不受限制。特别地，流体反应器设备100可以是用于净化流体101的流体净化设备。在流体反应器设备100是流体净化设备的情况下，流体净化设备通过用于净化流体的反应处理从流体101移除一种或更多种成分或反应物。一种或更多种成分或反应物可以理解为一种或更多种杂质和/或一种或更多种污染物。在本文中，杂质可以被理解为流体101中不包括在流体101的期望(目标)组成中的物质(成分、反应物)。在本文中，污染物可以理解为当以特定量或浓度(例如，定义为每单位体积的流体101的污染物的质量或每单位体积的流体101的污染颗粒的数量)出现时危害系统、动物、人类和/或环境的物质(成分、反应物)。包含在流体101中的一种或更多种杂质或污染物可以是可燃的。换言之，流体101可以包括一种或更多种可燃成分或反应物。例如，可以通过流体净化设备从流体101移除有机和/或无机杂质或污染物。有机和/或无机杂质或污染物可以是例如挥发性有机化合物VOC、溶剂、氮氧化物(nitrogen oxides,NOx)、甲烷(methane,CH4)、硫氧化物(sulfur oxides,SOx)、氟化氢(hydrogen fluoride,HF)、氨(ammonia,NH3)、氯化氢(hydrogen chloride,HCl)、二噁英、呋喃或基本结构CxHyOz的污染物(C表示碳；H表示氢；O表示氧；x、y和z是自然数)。
流体反应器设备100包括(例如，单个，即，精确地/仅一个)传热床110。传热床110包括(例如，填充有)储热材料(热传递材料)115。另外，传热床110包括第一开口111和第二开口112，使得储热材料115布置在第一开口111和第二开口112之间。开口111和开口112被配置为允许流体101进入传热床110。储热材料115被配置为加热流体101，使得流体101在流过储热材料115时加热并反应。因此，开口111和开口112被配置为允许反应流体101’退出(离开)传热床110。储热材料115能够存储和释放热量。储热材料表现出一定(预定)比热容，并且优选地表现出一定(预定)热传递和/或传递系数。例如，储热材料115可以包括或是陶瓷材料，例如氧化铝陶瓷、莫来石、耐火粘土(熟料)、堇青石、锆石或其混合物。然而，本发明不限于此。也可以使用其他类型的陶瓷材料。在一些示例中，储热材料115可以替代地或附加地包括或是混凝土、石头、岩石、金属材料或其混合物。储热材料115可以结构化或随机地填充在传热床110中，以形成规则或不规则的图案(例如，可以使用陶瓷蜂窝、陶瓷鞍等)。换言之，储热材料115可以包括(例如，唯一地)块状储热材料、(例如，唯一地)散状储热材料或其组合。
流体101通过储热材料115的流动方向随着时间的推移可以是恒定的(稳定的)，如图1所示。在其他示例中，流体101通过储热材料115的流动方向可以随时间至少反转一次(例如，周期性地或非周期性地)。
储热材料115、传热床110或两者中的至少一个结构或热性质沿着至少一个空间方向变化。
该至少一个空间方向可以是任何空间方向或与厚度方向成非零角的空间方向，任何空间方向例如储热材料115/传热床110的厚度方向(例如，储热材料115/传热床110的厚度方向可以从第一开口111延伸到第二开口112，反之亦然)。此外，注意，至少一个性质可以在一个、两个或更多个不同的空间方向上变化。至少一个性质的变化可以是沿着至少一个空间方向的连续变化。替代地，至少一个性质的变化可以是沿着至少一个空间方向的局部变化。换言之，至少一个性质不一定沿着至少一个空间方向连续变化。相反，至少一个性质可以仅在至少一种空间方向的一个或更多个有限范围或区域内变化，并且在其他方面保持基本恒定(稳定)。变化的梯度可以是恒定的，也可以是可变的。
储热材料115的结构性质是定义储热材料115或其各个部分的构造方式和/或储热材料115的各个部分的布置的任何性质。储热材料115的热性质是定义储热材料115对热量的响应的任何性质。换言之，储热材料115的热性质是定义与热量相关的储热材料115的行为或性质或由热量引起的储热材料115的行为或性质的任何性质。传热床110的结构性质是定义传热床110或其各个部分的构造方式和/或传热床110的各个部分的布置的任何性质。传热床110的热性质是定义传热床110对热量的响应的任何性质。例如，诸如储热材料115的结构、储热材料115的孔隙率、传热床110的孔隙率、储热材料115的几何形状、储热材料115的形貌、储热材料115的热容量和储热材料115的热传递容量之类的一个或更多个性质可以沿着至少一个空间方向变化。
沿着至少一个空间方向改变储热材料115和/或传热床110的至少一个结构或热性质允许更有效地利用储热床110中存储的热量。例如，至少一个性质的变化可以允许根据供应到传热床110的流体101的压力条件来调节储热材料115和/或传热床110。特别地，至少一个性质的变化可以允许根据供应到传热床110的流体101的压力条件和由此产生的流体101通过储热材料115/传热床110的流动方向，来调节(成形)储热材料115和/或传热床110的热吸收以及热释放特性。此外，至少一个性质的变化可以允许影响流体101通过储热材料115/传热床110的流动行为(例如，流动方向)。
在下文中，将参考附图描述多个更详细的流体反应器设备，以突出本发明的进一步的方面。
图2示意性地示出另一个流体反应器设备200的截面图。流体反应器设备200包括(例如，单个，即，精确地/仅一个)传热床110。传热床110包括(例如，填充有)储热材料(热传递材料)115。
传热床110包括围绕储热材料115的隔热壁118。第一开口111和第二开口112形成在隔热壁118中。第一腔室120附接至传热床110的第一开口111，第二腔室130附接至传热床110的第二开口112。第一开口111和第二开口112布置在传热床110的相对侧上，使得隔热壁118在第一腔室120和第二腔室130之间延伸。在其他示例中，第一腔室120和第二腔室130中的至少一个不需要直接附接至第一开口111和第二开口112。例如，一个或更多个中间元件或(临时)旁路可以耦接在第一腔室120和第二腔室130中的至少一个与第一开口111和第二开口112之间。通常，第一腔室120流体地耦接至第一开口111，第二腔室130流体地耦接至第二开口112。
第一腔室120和第二腔室130被配置为交替地将流体101供应到传热床110，使得流体101在流过储热材料115时加热并反应。注意，流体101的所有组分或仅流体101的组分的一部分可以反应。换言之，流体101的至少一个组分在流过储热材料115时反应。也就是说，流体101可以包括在流过储热材料115时反应的一个或更多个反应性组分和在流过储热材料115时不反应的一个或更多个非反应性组分。例如，流体101可以被加热并且在流过储热材料115的同时经受氧化过程或还原过程。流体101可以例如包括排出空气，排出空气是空气(或接近空气的气体混合物)和至少一种可燃物(例如VOC等)的混合物。在该示例中，VOC在流过储热材料115时与空气的氧气反应，而流体101的其他组分不参与该反应。储热材料115被配置为存储在反应期间和/或之后由流体101释放的热量。例如，反应可以在储热材料115/传热床110的内部(中心)区或区域中发生。内部区或区域可以理解为传热床内的反应区或区域。内部区或区域位于传热床的中心平面处或附近，和/或可以围绕传热床的中心平面振荡。
在第一腔室120和第二腔室130中的一个被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间，第一腔室120和第二腔室130中的另一个被配置为从传热床110排出反应流体101’(即，经历反应之后的流体)。因此，流体101通过储热材料115的流动方向周期性地反转(例如，每90到120秒)。
图2示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110并且第二腔室130被配置为从传热床110排出反应流体101’的时间段期间的流体反应器设备200。因此，流体101通过储热材料115从传热床110的顶部流到底部。先前存储在储热材料115的顶部部分中的热能用于加热流体101并使流体101反应。底部部分处的储热材料115从反应流体101’回收多余的热能。例如，当流体101从储热材料115的顶部部分流到底部部分时，流体101中的VOC可能变得足够热以经历热氧化为水蒸气和二氧化碳。
在第二腔室130被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间，流体流动被反转。也就是说，当第二腔室130被配置为向传热床110供应流体101时，第一腔室120被配置为从传热床110排出反应流体101’。因此，流体101通过储热材料115从传热床110的底部流到顶部。先前存储在储热材料115的底部部分中的热能用于加热流体101并使流体101反应。顶部部分处的储热材料115从反应流体101’中回收热能。
流体101通过储热材料115的流动方向的周期性反转可以允许保持储热材料115的高热交换效率(例如，高于95％)。因此，流体反应器设备200可以实质上回收维持传热床110中所需反应温度(例如，氧化温度或还原温度)所需的所有热量。因此，流体反应器设备200可以被理解为再生流体反应器设备。例如，不管流体101通过储热材料115的流动方向如何，反应流体101’的温度可能比供应到传热床110的流体101的温度高出小于100℃(例如，温度可能仅高出20℃至50℃)。此外，流体101的流动方向的周期性反转可以允许沿着传热床110在第一腔室110和第二腔室120之间的延伸(即，在图1的示例中沿着传热床的垂直延伸)保持传热床110的预定温度分布。特别地，流体101的流动方向的周期性反转可以允许将最热区沿着传热床110在第一腔室110和第二腔室120之间的延伸保持在传热床110的中心平面附近。换言之，最热区可以基本上是储热材料115/传热床110的内部区或区域。
在流体反应器设备200的操作期间，储热材料115可以表现出适合于流体101的热反应的预定义温度。例如，预定义温度可能超过约600℃、800℃或1000℃。根据本发明的一些示例，流体反应器设备200可以包括电加热器113，电加热器113被配置为将储热材料115加热到预定义温度。注意，电加热器113不是强制性的。例如，电加热器113可以是以下中的一个：电阻加热器(例如，布置在储热材料115中的电线圈的栅格)、电磁加热器(感应加热器)或电驱动辐射加热器(例如红外IR发射器)。电加热器113可以例如用于将储热材料115初始加热到预定义温度(例如，在流体反应器设备200启动之后)。在图1的示例中，一个电加热器113布置在传热床110的中心区中，并垂直于传热床110在第一腔室110和第二腔室120之间的延伸部延伸。然而，注意，本发明不限于此。电加热器113的布置以及延伸可能与图1中所示的布置以及延伸不同。
此外，注意，电加热器113不需要直接布置在储热材料115中。可选地，可以在储热材料115中布置一个或更多个中空体，例如中空体114。一个或更多个中空体的内部容积(即，内部)可从传热床110的外部接近。例如，一个或更多个(例如，可关闭或可密封的)服务开口(例如服务开口116)可以形成在隔热壁118中，并且连接(耦接)到一个或更多个中空体，使得一个或更多个中空体的内部容积可经由一个或更多个服务开口接近。电加热器113的至少部分(例如，其电线圈)可拆卸地布置在一个或更多个中空体中。将电加热器113的至少部分可拆卸地布置在一个或更多个中空体中可以允许容易地接近电加热器113和/或从流体反应器设备200移除电加热器113以用于检查、维护等。特别地，将电加热器的至少部分布置在一个或更多个中空体中可以允许在不从传热床110移除储热材料115的情况下接近和/或移除电加热器113。这不仅可以简化电加热器113的检查、维护等，而且还可以减少流体反应器设备200的停机时间，因为储热材料115不需要从传热床110移除。此外，可以促进电加热器113的安装。
一个或更多个中空体表现出一定(预定)比热容，并且优选地表现出一定(预定)传热和/或传递系数，其应当是高的和/或可以类似于储热材料115中的那些，以实现从电加热器113围绕一个或更多个中空体的储热材料115的有效热传递。例如，一个或更多个中空体可以包括或是陶瓷材料，例如氧化铝陶瓷、莫来石、耐火粘土(熟料)、堇青石、锆石或其混合物。然而，本发明不限于此。也可以使用其他类型的材料(例如，混凝土、石头、岩石、金属材料或其混合物)。
根据本发明的一些示例，用于降低流体101的反应温度的催化剂材料可以布置在传热床110内。相应地，流体101的反应(例如，氧化或还原)所需的温度可以较低，使得流体反应器设备200可以在较低温度下操作。例如，可以与储热材料115分离地提供一层或更多层催化剂材料。一层或更多层催化剂材料可以例如沿着流体的(可能的)流动方向(例如，靠近第一开口111和第二开口112)附接至传热床110的一端或两端。替代地或附加地，传热床110中的储热材料115(例如，堇青石)可以至少部分地涂覆有和/或包括(包含)催化剂材料或催化活性组分。进一步替代地或附加地，催化剂材料可以在传热床110中与储热材料115混合。更进一步替代地或附加地，传热床110中的储热材料115的第一部分可以涂覆有和/或包括(包含)催化剂材料或催化活性组分，而传热床110中的储热材料115的第二部分不包括催化剂材料和催化活性组分。储热材料115的第一部分和第二部分可以混合或作为不同层提供在传热床110中。例如，可以使用一种或更多种氧化催化剂和/或一种或更多种还原催化剂。然而，本发明不限于此。也可以使用其他类型的催化剂。
在流体反应器设备200是流体净化设备的情况下，流体净化设备可以例如通过再生热氧化(Regenerative Thermal Oxidation,RTO)净化流体101。在本发明的其他示例中，流体净化设备可以通过再生催化氧化(Regenerative Catalytic Oxidation,RCO)净化流体101。例如，流体净化设备可以被配置为通过无焰RTO或无焰RCO来净化流体101。然而，本发明不限于此。也可以使用流体101的其他反应，例如流体的还原。
第一腔室120和第二腔室130中的每一个都包括附接至传热床110的相应壳体121、131，使得由相应壳体121、131包围的相应体积形成相应腔室空间，用于交替地将流体101朝向传热床110输送以及将反应流体101’输送离开传热床110。第一腔室120和第二腔室130可以通过耦接系统(图1中未示出)交替地耦接到提供/排放流体101的源(例如，诸如排放流体101的机器或生产设施之类的设备)和反应流体101’的接收器(例如，用于将反应流体101’释放到环境的烟囱或用于进一步处理反应流体101’的另一设备或系统)中的相应一个。耦接系统可以是流体反应器设备200的部分或者在流体反应器设备200的外部。根据本发明的示例，第一腔室120的壳体121可以至少部分地由隔热材料形成和/或至少部分地被隔热材料覆盖，以最小化第一腔室120的壳体121上的热损失。类似地，根据本发明的示例，第二腔室130的壳体131可以至少部分地由隔热材料形成和/或至少部分地被隔热材料覆盖，以最小化第二腔室130的壳体131上的热损失。
在图2的示例中，储热材料115(唯一地)为散状储热材料。储热材料115的粒度沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心减小。储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111延伸到第二开口112。换言之，储热材料115在储热材料115/传热床110的外部部分(开口111和开口112附近)表现出更细的颗粒尺寸，并且在储热物质115/传热床110的中心部分中表现出更粗的颗粒尺寸。具有更粗粒度的储热材料115允许最小化传热床110的中心部分中的流体101的压降，其中，流体101的温度高，因此流体101的速度高。具有更细粒度的储热材料115表现出更高的热交换能力(热传递容量)，使得在传热床110的外部部分中，流体101和反应流体101’的压降可以最小化，同时保持高的热效率，其中，流体101以及反应流体101’的温度较低，因此流体101和反应流体101’的速度较低。与具有恒定介质尺寸的传统床相比，在传热床110的外部部分中具有较小尺寸的介质并且在传热床110的中心部分中具有较大尺寸的介质，允许流体101在传热床110的中心部分中的停留时间更长，这表现出更高的温度。这可以允许提高流体101中需要更长时间进行反应的物质的反应效率。例如，所提出的散状储热材料115的结构可能有利于CO、N2O和某些有气味的VOC的反应处理。
可选地，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心增加。换言之，储热材料115可以在储热材料115/传热床110的外部部分(开口111和开口112附近)中表现出较低的热容量和/或热传递容量，并且在储热材料115/传热床110的中心部分中表现出较高的热容量或热传递容量。朝向储热材料115/传热床110的中心部分增加热容量和/或热传递容量可以允许在传热床110上提供基本均匀的储热容量。
热容量和/或热传递容量的变化可以例如通过使用至少两种不同材料的混合物来实现，至少两种不同材料对储热材料115表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一种。通过改变储热材料115中的至少两种不同材料的浓度，可以从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心改变热容量和/或热传递容量。
以下，将参考图3至图11描述流体反应器设备200的多种变体。图3至图11中至少部分地省略了图2中所示的诸如加热器113、中空体114和服务开口116之类的各种元件。尽管出于简单的原因，图3至图11中省略了这些元件，但注意，这些图中所示的流体反应器设备可以可选地包括这些元件中的一个或更多个。
图3示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备300。第一腔室120沿着第一空间方向纵向延伸。第一空间方向/>基本上垂直于第二空间方向/>第二空间方向/>表示流体101通过储热材料115的主流动方向(即，储热材料115/传热床110的厚度方向)。在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间，流体101沿着第一空间方向/>行进通过第一腔室120。
在图3的示例中，流体101基本上从左向右行进。第一腔室120中的流体101的静态压力随着流体101的速度而变化。特别地，如果流体101的速度减小，则第一腔室120中的流体101的静态压力增大(另一方面，如果流体101的速度减小则流体101的动态压力减小)。流体101的速度沿着第一空间方向减小，如图3中所示，流体101的速度由第一腔室120中所描绘的附图标记“V”的尺寸表示，该尺寸从左向右减小。/>
储热材料115是(唯一地)散状储热材料。储热材料115的粒度沿着第一空间方向增加。换言之，储热材料115的颗粒尺寸沿着第一空间方向/>变得更细。
储热材料115沿着第一空间方向的粒度增加允许积极地影响流体101通过储热材料115的流动行为(例如，流动方向)，因为它允许在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间补偿第一腔室120中的流体101沿着第一空间方向/>的减小的速度。类似地，储热材料115沿着第一空间方向/>的粒度增加允许在第二腔室130被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间补偿第二腔室130中的流体101沿着第一空间方向/>的减小的速度。
可选地，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着第一空间方向增加。沿着第一空间方向/>增加热容量和/或热传递容量可以允许在传热床110上提供基本均匀的储热容量。
热容量和/或热传递容量的变化可以例如通过使用至少两种不同材料的混合物来实现，至少两种不同材料针对储热材料115表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一种。通过改变储热材料115中的至少两种不同材料的浓度，可以沿着第一空间方向改变热容量和/或热传递容量。
图4示意性地示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备400。流体反应器设备400是流体反应器设备200和流体反应器设备300的组合。
在图4的示例中，储热材料115的粒度沿着储热材料115/传热床110的厚度方向(与第二空间方向相同)、从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心减小。此外，储热材料115的粒度沿着第一空间方向/>增大。换言之，储热材料115在储热材料115/传热床110的外部部分(开口111和开口112附近)表现出更细的颗粒尺寸，并且在储热材料115/传热床110的中心部分中表现出更粗的颗粒尺寸。此外，储热材料115的颗粒尺寸沿着第一空间方向/>变得更细。
与关于图2和图3所述的内容类似，储热材料115的粒度沿着两个空间方向的变化允许流体101在传热床110的中心部分中停留更长的时间，以提高反应效率，并且在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间补偿第一腔室120中的流体101沿着第一空间方向减小的速度。换言之，可以改善流体101通过储热材料115的流动行为(例如，流动方向)。类似地，储热材料115的粒度沿着两个空间方向的变化允许流体101在传热床110的中心部分中的更长停留时间，以提高反应效率，并且在第二腔室130被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间补偿第二腔室130中的流体101沿着第一空间方向的减小的速度。
可选地，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料114/传热床110的中心增加。此外，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着第一空间方向增加。换言之，储热材料115可以在储热材料115/传热床110的外部部分中(开口111和开口112附近)表现出较低的热容量和/或热传递容量，并且在储热材料115/传热床110的中央部分中表现出较高的热容量或热传递容量。储热材料115的热容量和/或热传递容量沿着两个空间方向的变化可以允许在传热床110上提供基本均匀的储热容量。
热容量和/或热传递容量的变化可以例如通过使用至少两种不同材料的混合物来实现，至少两种不同材料针对储热材料115表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一种。通过沿着储热材料115/传热床110的厚度方向(即，第二空间方向)和第一空间方向/>改变储热材料115中的至少两种不同材料的浓度，热容量和/或热传递容量可以如上所述变化。
图5示意性地示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备500。
储热材料115是(唯一地)散状储热材料。在图5的示例中，储热材料115的粒度沿着储热材料115/传热床110的厚度方向(与第二空间方向相同)从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心增加。此外，储热材料115的粒度沿着第一空间方向/>增加。换言之，储热材料115在储热材料115/传热床110的外部部分中(开口111和开口112附近)表现出较粗的颗粒尺寸，并且在储热材料115/传热床110的中心部分中表现出较细的颗粒尺寸。此外，储热材料115的颗粒尺寸沿着第一空间方向/>变得更细。
具有更细粒度的储热材料115表现出更高的热交换能力(热传递容量)，使得在储热材料115/传热床110的中心部分中，可以将足够的热量传递到流体101以引起流体101的反应，随后可以高效地回收来自反应流体101’的多余热量，其中，流体101的温度更高，因此流体101的速度更高。具有较粗粒度的储热材料115允许使储热材料115/传热床110的外部部分中的流体的压降最小化，使得流体101和反应流体101’的阻力最小化。因此，流体101可以以方便的方式进入储热材料115/传热床110，并且反应流体101’可以以方便的方式离开储热材料115/传热床110。
储热材料115沿着第一空间方向的粒度增加允许积极地影响流体101通过储热材料115的流动行为(例如，流动方向)，因为它允许在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间补偿第一腔室120中的流体101沿着第一空间方向/>减小的速度。类似地，储热材料115沿着第一空间方向/>的粒度增加允许在第二腔室130被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间补偿第二腔室130中的流体101沿着第一空间方向减小的速度。
可选地，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心增加。此外，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着第一空间方向增加。换言之，储热材料115可以在储热材料115/传热床110的外部部分中(开口111和开口112附近)表现出较低的热容量和/或热传递容量，并且在储热材料115/传热床110的中央部分中表现出较高的热容量或热传递容量。储热材料115的热容量和/或热传递容量沿着两个空间方向的变化可以允许在传热床110上提供基本均匀的储热容量。
热容量和/或热传递容量的变化可以例如通过使用至少两种不同材料的混合物来实现，至少两种不同材料针对储热材料115表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一种。通过沿着储热材料115/传热床110的厚度方向(即，第二空间方向)和第一空间方向/>改变储热材料115中的至少两种不同材料的浓度，热容量和/或热传递容量可以如上所述变化。
在上面参考图2至图5描述的示例中，储热材料115的粒度(即，结构性质)是变化的，并且可选地，热容量和/或热传递容量(即，储热材料115的至少一个热性质)是变化的。然而，注意，改变储热材料115的结构性质不是强制性的。在下文中，将参考图6和图7描述两个相应的流体反应器设备。
图6示意性地示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备600。
储热材料115是(唯一地)散状储热材料。在图6的示例中，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个沿着第一空间方向增加。沿着第一空间方向/>增加热容量和/或热传递容量允许在传热床110上提供基本均匀的储热容量。
热容量和/或热传递容量的变化可以例如通过使用至少两种不同材料的混合物来实现，至少两种不同材料针对储热材料115表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一种。通过改变储热材料115中的至少两种不同材料的浓度，可以沿着第一空间方向改变热容量和/或热传递容量。
储热材料115的粒度在传热床110上是(基本上)恒定的。换言之，储热材料115的粒度在传热床110上(基本上)不改变。
图7示意性地示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备700。
储热材料115是(唯一地)散状储热材料。在图7的示例中，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个沿着储热材料的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心减小。此外，储热材料115的热容量和热传递容量中的至少一个沿着第一空间方向减小。换言之，储热材料115可以在储热材料115/传热床110的外部部分中(靠近开口111和开口112)表现出较高的热容量和/或热传递容量，并且在储热材料115/传热床110的中央部分中表现出较低的热容量和/或热传递容量。储热材料115的热容量和/或热传递容量沿着两个空间方向的变化可以允许在传热床110上提供基本均匀的储热容量。
在以上参考图2至图7所述的示例中，储热材料115(唯一地)是散状储热材料。然而，注意，本发明不限于此。也可以使用块状储热材料。在下文中，将参考图8至图11描述多个流体净化设备，该多个流体净化设备包括(唯一地)块状储热材料、或散状储热材料和块状储热材料的组合。
图8示意性地示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备800。
在图8的示例中，储热材料115至少包括按顺序布置在第一开口111和第二开口112之间的第一层115-1、第二层115-2和第三层115-3。第一层115-1和第三层115-3由块状储热材料形成，而第二层115-2由散状储热材料形成。这种散状和块状储热材料的夹层结构对于某些应用来说可能是优选的。
在图8的示例中，第一层115-1和第三层115-3的延伸沿着储热材料115/传热床110的厚度方向彼此相等。换言之，第一层115-1和第三层115-3表现出相同的厚度。因此，可以提供储热材料115的对称结构。然而，注意，本发明不限于此。在其他示例中，第一层115-1和第三层115-3的延伸部可以沿着储热材料115/传热床110的厚度方向彼此不同。换言之，块状储热材料层可以表现出不同的厚度。针对块状储热材料的层115-1和层115-3使用不同的厚度可以允许提供储热材料115的非对称结构，这对于某些应用可能是期望的。例如，第一层115-1和第三层115-3可以由块状储热材料的不同数量的子层形成，以实现第一层115-1和第三层115-3沿着储热材料115/传热床110的厚度方向的不同延伸。
此外，块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个可以沿着至少一个空间方向变化。例如，块状储热材料的结构性质和/或热性质可以在第一层115-1、第三层115-3或两者中沿着至少一个空间方向变化。在第一层115-1和第三层115-3中的至少一个的块中形成的块尺寸或通道尺寸可以例如沿着至少一个空间方向改变。类似地，第一层115-1和第三层115-3中的至少一个的块状储热材料的热容量和/或热传递容量可以沿着至少一个空间方向改变。如上所述，块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个可以在块状储热材料的单层(诸如层115-1)内和/或在块状储热材料的不同层之间(例如，在层115-1和115-3之间)变化。改变块状储热材料的至少一个结构或热性质可以允许调节流体101通过储热材料115的流动行为(例如，流动方向)以及块状储热材料的热吸收特性和热释放特性。
在图8的示例中，散状储热材料的粒度沿着空间方向(即储热材料115/传热床110的厚度方向)变化。散状储热材料的粒度沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心减小。换言之，散状储热材料在储热材料115/传热床110的外部部分中(开口111和开口112附近)表现出更细的颗粒尺寸，并且在储热材料115/传热床110的中心部分中表现出更粗的颗粒尺寸。具有较粗粒度的散状储热材料允许最小化第二层115-2的中心部分中的流体101的压降，其中，流体101的温度高，因此流体101的速度高。具有更细粒度的散状储热材料表现出更高的热交换能力(热传递容量)，使得在第二层115-2的外部部分中，流体101和反应流体101’的压降可以最小化，同时保持高的热效率，其中，流体101和反应流体101’的温度较低，因此流体101和反应流体101’的速度较低。与具有恒定介质尺寸的常规床相比，在第二层115-2的外部部分中具有较小尺寸的介质并且在第二层115-2的中心部分中具有较大尺寸的介质允许流体101在第二层115-2的中央部分中的停留时间更长，这表现出更高的温度。
然而，注意，在本发明的其他示例中，粒度或任何其他结构性质不需要改变。在这些示例中，散状储热材料的粒度在第二层115-2上可以(基本上)恒定。换言之，散状储热材料的粒度可以(基本上)在第二层115-2上不变化。
可选地，散状储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心增加。换言之，储热材料115可以在储热材料115/传热床110的外部部分中(开口111和开口112附近)表现出较低的热容量和/或热传递容量，并且在储热材料115/传热床110的中心部分中表现出较高的热容量或热传递容量。增加朝向第二层115-2的中心部分的热容量和/或热传递容量可以允许在第二层115-2上提供基本均匀的储热容量。
第二层115-2中的热容量和/或热传递容量的变化和/或粒度的变化可以例如通过使用至少两种不同材料的混合物作为散状储热材料来实现。通过改变散状储热材料中的至少两种不同材料的浓度，热容量和/或热传递容量和/或粒度可以沿着一个或更多个空间方向(例如空间方向(即，储热材料115/传热床110的厚度方向))变化。例如，至少两种材料可以表现出不同几何形状、不同形貌、不同热容量和不同热传递容量中的至少一个。
图9示意性地示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的另一个流体反应器设备900。与流体反应器设备800相比，流体反应器设备900另外包括多个中空体114。多个中空体114布置在第二层115-2的散状储热材料中。
类似于上文参考图2所述，多个中空体114用于容纳电加热器(图9中未示出)。中空体114的内部容积(即，内部)可从传热床110的外部接近。中空体114可以各自例如是布置(放置)在第二层115-2的散状储热材料中的一个或更多个管。电加热器的至少部分可拆卸地布置在中空体114中。例如，电加热器的一个或更多个子电加热器可以放置在相应的中空体中。将电加热器的至少部分可拆卸地布置在中空体114中可以允许容易地接近电加热器和/或从流体反应器设备置900移除电加热器以进行检查、维护等。特别地，将电加热器的至少部分布置在中空体114中可以允许在不从传热床110移除散状储热材料的情况下接近和/或移除电加热器。这不仅可以简化电加热器的检查、维护等，还可以减少流体反应器设备900的停机时间，因为不需要从传热床110移除散状储热材料。此外，将电加热器的至少部分布置在中空体114中可以允许促进电加热器的安装。
除此之外，流体反应器设备900与流体反应器设备800相同。
图10示意性地示出流体反应器设备900的变体。与流体反应器设备900的传热床110相比，图10中所示的流体反应器设备1000的传热床110包括倒置的夹层结构。图10示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的流体反应器设备1000。
在图10的示例中，储热材料再次至少包括按顺序布置在第一开口111和第二开口112之间的第一层116-1、第二层116-2和第三层116-3。然而，与图9的示例相反，第一层116-1和第三层116-3由散状储热材料形成，而第二层116-2由块状储热材料形成。这种散状和块状储热材料的夹层结构对于某些应用来说可能是优选的。
与图9的示例一样，提供用于布置电加热器的多个空心体(图10中未示出)。然而，与图9的示例相反，中空体114并不作为一个或更多个管布置(放置)在散状储热材料中。相反，第二层115-2中的块状储热材料的至少部分中的凹部形成多个中空体114。可选地，一个或更多个管可以布置在形成中空体114的凹部的至少部分中，以进一步保护电加热器。
在图8的示例中，散状储热材料的粒度沿着空间方向(即，储热材料115/传热床110的厚度方向)变化。在第一层116-1和第三层116-3中的每一个中，散状储热材料的粒度沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的相应一个朝向储热材料115/传热床110的中心减小。换言之，在第一层116-1和第三层116-3中的每一个中，散状储热材料在相应层的外部部分中(靠近开口111和开口112)表现出更细的颗粒尺寸，并且在相应层的中心部分中表现出更粗的颗粒尺寸。具有较粗粒度的散状储热材料允许流体101和反应流体101’的压降最小化，而具有较细粒度的散状储热材料允许流体101和反应流体101’的压降最小化，同时保持较高的热效率。
然而，注意，在本发明的其他示例中，粒度或任何其他结构性质不需要改变。在这些示例中，散状储热材料的粒度在第一层116-1和/或第三层116-3上可以(基本上)恒定。换言之，散状储热材料的粒度可以(基本上)在第一层116-1和/或第三层116-3上不变化。
可选地，散状储热材料的热容量和热传递容量中的至少一个可以沿着储热材料115/传热床110的厚度方向从第一开口111和第二开口112中的每一个朝向储热材料115/传热床110的中心增加。换言之，在第一层116-1和第三层116-3中的每一个中，储热材料115可以在相应层的外部部分中(开口111和开口112附近)表现出较低的热容量和/或热传递容量，并且在相应层的中心部分中表现出较高的热容量或热传递容量。朝向相应层的中心部分增加热容量和/或热传递容量可以允许提供基本均匀的储热容量。
第一层116-1和/或第三层116-3中的热容量和/或热传递容量的变化和/或粒度的变化可以例如通过使用针对相应散状储热材料的至少两种不同材料的混合物来实现。通过改变至少两种不同材料在相应散状储热材料中的浓度，可以沿着一个或更多个空间方向(例如空间方向)(即，储热材料115/传热床110的厚度方向)改变热容量和/或热传递容量和/或粒度。例如，至少两种材料可以表现出不同几何形状、不同形貌、不同热容量和不同热传递容量中的至少一个。
图11中所示的流体反应器设备1100的传热床110唯一地包括块状储热材料。图11示出在第一腔室120被配置为将流体101供应到传热床110的时间段期间的流体反应器设备1100。
在图11的示例中，储热材料115至少包括按顺序布置在第一开口111和第二开口112之间的第一层117-1、第二层117-2和第三层117-3。第一层、第二层和第三层中的每一个由块状储热材料形成。第二层117-2由与第一层117-1和第三层117-3不同的块状储热材料形成。换言之，块状储热材料的层117-1、117-2和117-3彼此不相同。
第二层117-2的延伸不同于第一层117-1和第三层117-3沿着储热材料115/传热床110的厚度方向(等于空间方向)的相应延伸。此外，在第二层117-2中的块状储热材料的至少部分中提供凹部，以形成用于布置电加热器(图11中未示出)的多个中空体114。可选地，一个或更多个管可以布置在形成中空体114的凹部的至少部分中，以进一步保护电加热器。
第二层117-2的块状储热材料可以附加地或替代地与第一层117-1和第三层117-3的块状储热材料在一个或更多个其他结构或热性质方面不同。例如，第二层117-2的块状储热材料可以表现出与第一层117-1和第三层117-3的块状储热材料不同的尺寸(即，以在图11中所示的另一个尺寸)或在块中形成的不同的通道尺寸。附加地或替代地，第二层117-2的块状储热材料可以表现出与第一层117-1和第三层117-3的块状储热材料至少一种不同的热性质(例如，不同的热容量和/或不同的热传递容量)。第二层117-2的块状储热材料可以例如由与第一层117-1和第三层117-3的块状储热材料不同的材料制成。换言之，第二层117-2的块状储热材料的化学成分可以不同于第一层117-1和第三层117-3的块状储热材料的化学成分。针对第二层117-2使用与第一层117-1和第三层117-3不同的块状储热材料允许沿着至少一个空间方向改变储热材料的至少一个结构或热性质。这可以允许实现上述有益效果或其他有益效果中的一个或更多个。
如图11中所示，第一层117-1可以由与第三层117-3相同的块状储热材料形成，以提供储热材料115的对称结构。替代地，第一层117-1可以由与第三层117-3不同形状的储热材料形成，以提供储热材料115的非对称结构。
结构和/或热性质不仅可以在不同层117-1、117-2和117-3之间变化，而且可以在一个或更多个层内变化。换言之，在第一层117-1、第二层117-2和第三层117-3中的至少一个中，块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个沿着至少一个空间方向变化。在层117-1、117-2和117-3中的至少一个中改变块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个允许沿着至少一个空间方向改变储热材料115的至少一个结构或热性质，以实现上述有益效果中的一个或更多个。例如，在层117-1、117-2和117-3中的一个或更多个层内，诸如块尺寸或在块中形成的通道尺寸之类的结构性质可以沿着一个或更多个空间方向变化。附加地或替代地，层117-1、117-2和117-3中的一个或更多个层内的块可以表现出不同的热性质，例如不同的热容量和/或不同的热传递容量。此外，附加地或替代地，层117-1、117-2和117-3中的一个或更多个内的块可以表现出化学成分。
为了进一步说明所提出的用于流体处理的架构，图12示出根据本发明的用于操作流体反应器设备的方法1200的流程图。方法1200包括将流体供应1202到传热床，使得流体在流过储热材料时加热并反应。
类似于上述内容，方法1200可以允许具有提高的效率的流体反应处理，因为储热材料的至少一个结构或热性质沿着至少一个空间方向的变化允许更有效地使用传热床中存储的热量。
方法1200的更多细节和方面结合上述(例如，图1至图11)所提出的技术或一个或更多个示例进行解释。方法1200可以包括与所提出技术的一个或更多个方面或上述一个或更多个示例相对应的一个或更多个附加可选特征。例如，将流体供应1202到传热床可以包括交替地通过流体反应器设备的第一腔室和第二腔室将流体供应到传热床，使得流体在流过储热材料时加热并反应。此外，在第一腔室和第二腔室中的一个将流体供应到传热床的时间段期间，方法1200还可以包括通过第一腔室和第二腔室中的另一个将反应流体从传热床排出。
关于先前示例的特定一个示例所描述的方面和特征也可以与进一步的示例中的一个或更多个进行组合，以替代该进一步示例的相同或相似特征，或将特征额外引入到进一步的示例中。
进一步理解的是，说明书或权利要求中公开的几个步骤、过程、操作或功能的公开内容不应被解释为暗示这些操作必然取决于所描述的顺序，除非在个别情况下明确说明或出于技术原因而有必要。因此，前面的描述并不将几个步骤或功能的执行限制在某个顺序。此外，在进一步的示例中，单个步骤、功能、过程或操作可以包括和/或分解为几个子步骤、子功能、子过程或子操作。
如果已经针对设备或系统描述了一些方面，那么这些方面也应当被理解为相应方法的描述。例如，设备或系统的框、设备或功能方面可以对应于相应方法的特征，例如方法步骤。因此，关于方法所描述的各方面也应理解为对相应框、相应元件、相应设备或相应系统的性质或功能特征的描述。
以下权利要求在此并入具体实施方式中，其中，每个权利要求可以独立地作为单独的示例。还应注意，尽管在权利要求中，从属权利要求是指与一个或更多个其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括从属权利要求与任何其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非在个别情况下说明不打算进行特定组合，否则在此明确提出这样的组合。此外，任何其他独立权利要求也应包括权利要求的特征，即使该权利要求没有直接限定为依赖于该其他独立权利要求。

Claims (23)

1.一种流体反应器设备(100)，尤其流体净化设备，包括：
传热床(110)，包括第一开口(111)、第二开口(112)和布置在所述第一开口(111)和所述第二开口(112)之间的储热材料(115)，其中，所述储热材料(115)被配置为加热流过所述储热材料(115)的流体(101)，使得所述流体(101)在流过所述储热材料(115)时加热并反应，并且其中，所述传热床(110)和所述储热材料(115)中的至少一个的至少一种结构或热性质沿着至少一个空间方向变化。
2.根据权利要求1所述的流体反应器设备(100)，其中，以下性质中的至少一个沿着至少一个空间方向变化：所述储热材料(115)的结构、所述传热床(11)和所述储热材料(115)中的至少一个的孔隙率、所述储热材料(115)的几何形状、所述储热材料(115)的形貌、所述储热材料(115)的热容量以及所述储热材料(115)的热传递容量。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)包括由块状储热材料形成的至少一层以及由散状储热材料形成的至少一层。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)至少包括按顺序布置在所述第一开口(111)和所述第二开口(112)之间的第一层(115-1)、第二层(115-2)和第三层(115-3)，并且其中，所述第一层(115-1)和所述第三层(115-3)由块状储热材料形成，所述第二层(115-2)由散状储热材料形成。
5.根据权利要求4所述的流体反应器设备(100)，其中，所述第一层(115-1)和所述第三层(115-3)的延伸部沿着所述储热材料(115)的厚度方向彼此不同，所述厚度方向从所述第一开口(111)延伸到所述第二开口(112)。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)至少包括按顺序布置在所述第一开口(111)和所述第二开口(112)之间的第一层(116-1)、第二层(116-2)和第三层(116-3)，并且其中，所述第一层(116-1)和所述第三层(116-3)由散状储热材料形成，所述第二层(116-2)由块状储热材料形成。
7.根据权利要求3所述的流体反应器设备(100)，其中，所述散状储热材料包括具有至少两种不同材料的混合物，并且其中，所述散状储热材料中的至少两种不同材料的浓度沿着至少一个空间方向变化。
8.根据权利要求7所述的流体反应器设备(100)，其中，所述至少两种不同材料表现出不同几何形状、不同形貌、不同热容量和不同热传递容量中的至少一个。
9.根据权利要求3所述的流体反应器设备(100)，其中，所述散状储热材料的粒度沿着至少一个空间方向变化。
10.根据权利要求3所述的流体反应器设备(100)，其中，所述块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个沿着至少一个空间方向变化。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)至少包括按顺序布置在所述第一开口(111)和所述第二开口(112)之间的第一层(117-1)、第二层(117-2)和第三层(117-3)，其中，所述第一层(117-1)、所述第二层(117-2)和所述第三层(117-3)中的每一个由块状储热材料形成，并且其中，所述第二层(117-2)由与所述第一层(117-1)和所述第三层(117-3)不同的块状储热材料形成。
12.根据权利要求11所述的流体反应器设备(100)，其中，在所述第一层(117-1)、所述第二层(117-2)和所述第三层(117-3)中的至少一个中，所述块状储热材料的结构性质和热性质中的至少一个沿着至少一个空间方向变化。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)是散状储热材料。
14.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)的粒度沿着所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)和所述第二开口(112)中的每一个朝向所述储热材料(115)的中心减小，其中，所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)延伸到所述第二开口(112)。
15.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)的热容量和热传递容量中的至少一个沿着所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)和所述第二开口(112)中的每一个朝向所述储热材料(115)的中心增加，其中，所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)延伸到所述第二开口(112)。
16.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)的粒度沿着所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)和所述第二开口(112)中的每一个朝向所述储热材料(115)的中心增加，其中，所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)延伸到所述第二开口(112)。
17.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)的热容量和热传递容量中的至少一个沿着所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)和所述第二开口(112)中的每一个朝向所述储热材料(115)的中心减小，其中，所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)延伸到所述第二开口(112)。
18.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，还包括流体地耦接到所述传热床(110)的第一开口(111)的第一腔室，其中，所述第一腔室沿着第一空间方向纵向延伸，使得在所述第一腔室被配置为将流体(101)供应到所述传热床(110)的时间段期间所述流体(101)沿着所述第一空间方向行进通过所述第一腔室，并且其中，所述储热材料(115)的粒度沿着所述第一空间方向增加。
19.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，还包括流体地耦接到所述传热床(110)的第一开口(111)的第一腔室(120)，其中，所述第一腔室(120)沿着第一空间方向纵向延伸，使得在所述第一腔室(120)被配置为将流体(101)供应到所述传热床(110)的时间段期间所述流体(101)沿着所述第一空间方向行进通过所述第一腔室(120)，并且其中，所述储热材料(115)的热容量和热传递容量中的至少一个沿着所述第一空间方向增加。
20.根据权利要求13所述的流体反应器设备(100)，还包括流体地耦接到所述传热床(110)的第一开口(111)的第一腔室(120)，其中，所述储热材料(115)的热容量和热传递容量中的至少一个沿着所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)和所述第二开口(112)中的每一个朝向所述储热材料(115)的中心减小，其中，所述储热材料(115)的厚度方向从所述第一开口(111)延伸到所述第二开口(112)，其中，所述第一腔室(120)沿着第一空间方向纵向延伸，使得在所述第一腔室(120)被配置为将所述流体(101)供应到所述传热床(110)的时间段期间所述流体(101)沿着所述第一空间方向行进通过所述第一腔室(120)，并且其中，所述储热材料(115)的热容量和热传递容量中的至少一个沿着所述第一空间方向减小。
21.根据权利要求15所述的流体反应器设备(100)，其中，所述储热材料(115)包括具有至少两种不同材料的混合物，所述至少两种不同材料表现出不同热容量和不同热传递容量中的至少一个，并且其中，所述储热材料(115)中的所述至少两种不同材料的浓度不同。
22.根据权利要求1或权利要求2所述的流体反应器设备(100)，还包括：
第一腔室(120)，流体地耦接到所述传热床(110)的第一开口(111)；以及
第二腔室(130)，流体地耦接到所述传热床(110)的第二开口(112)，
其中，所述第一腔室(120)和所述第二腔室(130)被配置为交替地将所述流体(101)供应到所述传热床(110)，使得所述流体(101)在流过所述储热材料(115)时加热并反应，并且其中，在所述第一腔室(120)和所述第二腔室(130)中的一个被配置为将所述流体(101)供应到所述传热床(110)的时间段期间，所述第一腔室(120)和所述第二腔室(130)中的另一个被配置为将反应流体(101)从所述传热床(110)排出。
23.一种用于操作根据权利要求1至22中任一项所述的流体反应器设备的方法(1200)，所述方法(1200)包括：
将流体供应(1202)到所述传热床，使得所述流体在流过所述储热材料时加热并反应。
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