CN212370140U - 用于放热或吸热过程的化学混合器 - Google Patents

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Abstract

一种用于放热或吸热过程的化学混合器，特别是用于产生水合物，包括混合器网络板和热交换器板，其中，网络混合器板包括室的阵列，这些室通过通道连接，在室中，将一种或多种流体的流相继地混合和分开。网络混合器板由具有内部室的热交换器板限制，在内部室中引进热交换器流体。所述网络板和热交换器板设计成选择成组装为较大处理单元的模块。本公开能够将若干组所述板组装成具有任意数量的已安装的板和操作中的板的模块，其能够使得生产率是动态灵活的。

Description

用于放热或吸热过程的化学混合器
技术领域
本实用新型涉及化学反应器/混合器以及用于在中型或微型结构的混合网络板(以下命名为网络混合器板)与邻近所述网络板的热交换器板中流动的流体之间进行连续热传递的相应方法。
本公开能够将若干组所述板组装成具有任意数量已安装的板和操作中的板的模块，这能够使得生产率是动态灵活的。网络板是应用在两种或更多种流体的混合上或应用在流体与催化剂的接触上的装置，并且它通常用于化学过程。化学反应、流体混合以及材料相变总是包括热释放和热吸收，并且温度指导常常是首要的。所述网络板内部的温度控制是通过使用所述板内部的热介质(例如水蒸气)或者冷介质(例如制冷剂)将热量传递到相邻的热交换器板而实现的。该热传递的装置和方法应用于例如气体到液体或固体的工艺中、或催化的化学反应中。本实用新型优选的应用领域是在化学工艺和设备中。
背景技术
静态混合器已经在工业应用中使用以实现连续操作，并且自1970年代起就已经成为标准化的装备，作为机械混合器的替代物，用于可混溶的或不可混溶的流体的混合、固体颗粒的均匀化以及用于增强热量和质量的传递。该类型的混合器广泛应用在制药、石化、食品、化妆品、生物技术、水/废水、纸和聚合物工业的不同工业过程中。静态混合器提供可混溶流体的良好混合或者增强热传递率和质量传递率的效果来自于它们引起横向混合以及使流体元件极为贴近的能力。这些混合器的最有趣的特征中的一个是仅通过流动能来混合产品，因此除了将流体泵送通过混合器所需要的动力外它们不需要外部动力；此外，静态混合器通常需要小的空间、低的装备成本并且不需要运动的零件。然而，静态混合器的使用通常引起总系统压降的增加以及增加的结垢可能性、相对难以清理以及更高的成本。
在许多化学过程/反应中，有效且精确的控制操作流体的温度是主要的需求。这对于高度发热的和吸热的反应来说尤为重要，其中热传递率变得关键。大部分热交换装置设计成在湍流状态下操作，这是由于从热传递的角度来说，普遍认为层流状态是无效的。一些作者已经提议将混沌对流作为在层流流动中增强热传递的方法，像在静态混合器中所发生的一样。截面热传递增强是由于次级横向流动的出现，改善了耦接到分流部的横向混合并通过静态混合器的几何结构得到了促进。这事实上导致了边界层的消除，边界层形成对管道流动中的热传递的主要阻力。
通过使用静态混合器而引起热传递增强并不是一个新的话题，并且一些作者已经通过报告无量纲的热传递系数、努塞尔数(Nusselt number)(以对于热交换装备的设计有用的相关性形式)描述了使用不同类型的静态混合器的好处。一些作者已经示出了在凯尼斯(Kenics)静态混合器在层流状态下操作时热传递系数能够增强2-3倍，而对于苏尔寿(Sulzer)SMX 静态混合器，当与其在空桶中时相比，热传递率能够提高5倍。关于在包括市场上可以买到的静态混合器的管中实验得到的努塞尔数的相关性的第一次汇编由ThakurRK、Vial C、Nigam KDP、Nauman EB、Djelveh G 在Chem.Eng.Res.Des.2003；81(7):787-826的《加工工业中的静态混合器- 综述(Static Mixers in the Process Industries—AReview)》中给出。包括静态混合元件的热交换器已经在市场上可买到并且目前在工业中使用。
公开这些事实是为了示出由本公开所解决的技术问题。
实用新型内容
本公开能够将若干组所述板组装成具有任意数量的已安装的板和操作中的板的模块，其能够使得生产率是动态灵活的。网络板是应用在两种或更多种流体的混合上或应用在流体与催化剂的接触上的装置，并且它通常用于化学过程。化学反应、流体混合以及材料相变总是包括热释放或热吸收，并且温度指导常常是首要的。所述网络板内部的温度控制是通过使用所述板内部的热介质(例如水蒸气)或者冷介质(例如制冷剂)将热量传递到相邻的热交换器板而实现的。该热传递的装置和方法应用于例如气体到液体或固体的工艺中、或催化的化学反应中。本实用新型优选的应用领域是在化学工艺和设备中。
本公开的一个方面涉及用于放热或吸热过程的化学混合器，该化学混合器包括热交换器板和用于执行混合的网络混合器板的堆叠物，其中网络混合器板包括室的阵列，每个室通过至少两个通道与至少两个其他室互相连接，用于通过所述室相继地混合和分开一种或多种反应流体，其中，热交换器板包括用于热流体流动的通道，其中，热交换器板的通道和网络混合器板的室对齐以在所述室和所述通道之间传递热量，其中网络混合器板的每个室是球形腔或柱形的室，其包括两个或三个通道以及用于连接至所述通道的两个或三个孔口。
本公开的用于放热或吸热过程的化学反应器保持微型反应器的大的比表面积，并且同时主要在中型结构的装置中附带地增加比热传递能力。
在为了更好的结果的实施例中，其中，网络混合器的室和通道的深度可以在0.25mm与10mm之间。
在为了更好的结果的实施例中，网络混合器的室的直径可以在1mm 与50mm之间，通道的宽度或直径在0.25mm与10mm之间。
在为了更好的结果的实施例中，网络混合器流动的雷诺数(Re)可以大于100；优选地在125与1000之间。在通道处将雷诺数(Re)限定为 Re＝(υφ)/ν，其中ν是流体的运动粘度，φ是通道的宽度或直径，υ是通道中的空间平均流速。
在为了更好的结果的实施例中，反应器/混合器可以包括两个热交换器板，其中网络混合器板堆叠在热交换器板之间。
在为了更好的结果的实施例中，互相连接到网络混合器板的每个室的通道中的至少两个通道可以相对于网络混合器板内的流体流动的整体方向倾斜。
在为了更好的结果的实施例中，热交换器板的通道可以是曲折的通道。
在为了更好的结果的实施例中，热交换器板的通道可以包括两个或更多个互相连接的腔。
在为了更好的结果的实施例中，腔可以包括挡板。
在为了更好的结果的实施例中，热交换器板包括一个或多个通孔，用于使流体流向网络混合器板、或使流体流自网络混合器板、或使流体流向和流自网络混合器板。
在为了更好的结果的实施例中，本公开的反应器/混合器可以包括多个所述网络混合器板和多个所述热交换器板，使得每个网络混合器板连续地放置于两个热交换器板之间。
在为了更好的结果的实施例中，板可以包括侧部入口和侧部出口。
在为了更好的结果的实施例中，板可以包括与相连的板连接的顶部入口和底部出口。
在为了更好的结果的实施例中，反应器/混合器可以包括用于为所述通道和/或室提供流体密封性的一个或多个盖板。
在为了更好的结果的实施例中，网络混合器板的每个室是球形或柱形的室，包括两个或三个通道以及用于连接到所述通道的两个或三个孔。
本公开涉及一种用于在这样的过程中进行热传递的方法和反应器/混合器，即，在该过程中一种或几种流体经历释放或吸收热量的转变，例如化学反应或相变。在这种情况下，流体的温度通过吸热或放热过程改变，因此必须向过程中提供热量或从过程中除去热量以将流体控制在适当的温度范围内。所述过程在中型或微型结构的网络板中进行，该网络板包括具有相互连接的切割的腔的阵列的板，其中，所述腔通常为柱形或球形，并且在下文中命名为混合室。所述混合室通过通道相互连接，该通道大致为棱形或柱形的。流体流过相互连接的混合室和通道的网络。来自一个或多个通道的流进入混合室，在混合室中将来自不同通道的一种或多种流体混合。混合的一种或多种流体通过一个或多个通道流出所述混合室，通道将流出的流分到一个以上的下游混合室。在第一行处的混合室通过单个或多个入口通道从分配单元接收流体。最后一行的混合室可以有一个或多个出口端口。图2示出了在优选实施例中的网络混合器板(或网络混合器) 的可能实施例，所述板可以是在EP1720643B的示例和附图中所公开的静态混合器装置。
在实施例中，网络混合器板连接到至少一个相邻的热交换器板，或更典型地，每个网络板堆叠在两个热交换器板之间。热交换器板具有一个或多个内部腔，用于与网络板中的流体热传递的热流体或冷流体在内部腔中流动。用于热传递的流体通过温度差在网络板内部操作，并且也可以通过相变(例如用于以加热网络板为目的的冷凝或用于制冷所述板的蒸发)来操作。在下文中将这些流过热交换器板以用于热传递目的的流体称为热流体。热交换器板中的腔具有一个或多个端口，用于所述热流体的入口和出口的目的。所述腔在板中可以直接连接到入口和出口端口或互相连接到相邻的腔。每个腔可以是带有或不带有挡板的中空平行结构。热交换器板可以具有连接槽，意在使管通过或作为将进料流连接到网络板的入口端口和出口端口的通道。所述连接槽与热流体流动的腔隔离。另外，所述连接槽可以被设计成将流体分配到一个以上的入口室或从网络板的排放室的多个出口端口收集流体。
在一个实施例中，每组的一个网络板和一个或两个热交换器板堆叠成使得热交换器板中的腔对齐以与网络板中的室和通道传递热量。在下文中，该特定的布置被命名为基本单元。根据热交换器板的布置，基本单元可能需要一个或多个盖。本实用新型具有模块化结构，该模块化结构能够使得多个基本单元堆叠。堆叠多个单元需要连接管具有不同于图1的布置，在该图中，所述管通过热交换盖的顶部进入，而在堆叠的单元中，这些管必须从侧部进入，除非当所述管连接来自不同的基本单元的热交换器时或者对于在堆叠物的顶部或底部处的基本单位。所述基本单元同时操作，操作中的基本单元的数量用于调节生产率，从而能够动态地设置灵活的生产率。
附图说明
为了本实用新型更容易理解，增加了一些附图，其描述了本实用新型优选的实施例，尽管并不旨在限制本实用新型的目的。
图1：热交换装置[1]的基本单元的布局，具有堆叠有两个热交换器板和所述热交换器板的各自的盖[5和6]的一个网络板[2]的组件，其中两个热交换器板是一个在顶部的热交换器板[3]以及另一个在底部的热交换器板[4]。该特定实施例具有用于将流体引入网络板中的两个入口，入口通道 [7]将流体引入两个混合室，而入口室[8]将流体引入另外两个混合室。网络板的出口[9]是位于装置的底部处的管。热流从端口[10]进入顶部热交换器板并且通过端口[11]离开。
图2：网络混合器板[2]具有柱形混合室[22]以及连接所述混合室[22] 棱形通道[23]，并且在混合室的第一行处确定用于流体入口[24]的可能的位置。附图中的网络板[2]是五列混合室并且在第一列中具有四个混合室 [22]的阵列。
图3：直径为D的柱形混合室[22]具有两个长度为l宽度为d的棱形入口[23-1]以及两个具有相同尺寸的出口棱形通道[23-2]。所述混合室[22] 和棱形通道[23-1和23-2]具有深度ω。
图4：热交换器板[3]具有这样的可能的实施例，具有用于热传递流体循环的腔[41]并识别室入口[42]和出口[43]，并具有通向网络板的入口和出口管的液压通道、连接槽[44]的可能构造。该板在腔内具有用于热流循环 [2]的挡板[45]。
图5：包套(jacketed)搅拌箱[51]、具有蛇形件的搅拌箱[52]、包套管状反应器[53]、具有外部热交换器的搅拌箱[54]、微反应器[55]和本公开的反应器[56]的比表面积。
图6：包套搅拌箱[51]、具有蛇形件的搅拌箱[52]、包套管状反应器[53]、具有外部热交换器的搅拌箱[54]、微反应器[55]和本公开的反应器[56]的比热传递能力(specificheat transfer capacity)。
图7：典型的热交换器装备的比热传递能力，特别是包套搅拌箱[51]、具有蛇形件的搅拌箱[52]、包套管状反应器[53]、具有外部热交换器的搅拌箱[54]、微反应器[55]和本公开的反应器[56]的热传递能力。
具体实施方式
本公开涉及一种包括网络板和热交换器板的模块化装置。网络板包括室的阵列，其通过通道连接，在通道中将一个或多个流体的流动混合并且随后分开。网络板由具有将冷源或热源引入的内室的热交换器板限制。所述网络板和热交换器板设计成可以选择组装成更大的处理单元的模块。
在实施例中，网络板可以是在EP 1 720 643 B中所描述的静态混合器，即，在附图和示例中所描述的静态混合器。
在一个实施例中，在基本单元中将两种流体引入到网络板中：气体和液体。网络板具有五列柱形混合室，并且在奇数列上室的数量是四，而在偶数列上室的数量是三。所述混合室通过棱形通道连接。将气体引入第一列的偶数混合室中，而将液体引入第一列的奇数混合室中。气体被释放热量的液体吸收，释放出的热量通过公用设施(例如在两个与网络板相邻的热交换器板内部流动的冷水)除去。将液体从顶部热交换器板中的连接槽引入混合室，该连接槽通过柱形管连接到混合室入口端口。气体从在底部热交换器板中的连接槽引入混合室，该连接槽通过柱形管连接到混合室入口端口。充满气体的液体混合物从混合室的最后一行排入热交换器板中的单个连接槽中，在此处，所述室通过从其出口端口出来的柱形管连接。
另一个实施例涉及用于酸性气态流出物和碱性水溶液的处理的大规模生产设备，其中流量在一天中变化。基本单元是堆叠在两个具有先前应用示例中所描述的特征的热交换器板之间的网络板，其中对于本示例，液体是碱性水溶液，气体是气态流出物。网络板具有五列柱形混合室，并且在奇数列中混合室的数量是四，在偶数列中混合室的数量是三。所述混合室通过棱形通道连接。将气态流出物引入第一列的偶数混合室，而将碱性水溶液引入第一列的奇数混合室。酸性气体由释放热量的液体吸收，释放出的热量由热流体(在两个热交换器板内部流动的冷水，两个热交换器板一个在网络板上方另一个在网络板下方)除去。将碱性水溶液从在底部热交换器板中的连接槽引入到混合室中，该连接槽通过在板中钻孔的柱形管连接到混合室入口端口。将气体从在底部热交换器板中的连接槽引入混合室中，该连接槽通过在板中钻孔的柱形管连接到混合室入口端口。在网络板中形成充满中和的气体的液体，并将其从混合室的最后一行排入在热交换器板中的单个连接槽中，在此处，所述室通过从其出口端口出来的柱形管连接。彼此堆叠的一百个基本单元的组件具有用于在堆叠的基本单元上分配气体和碱性水溶液的歧管。用于液体分配的歧管在与基本单元的连接部上具有阀，并且所述阀能够动态地改变操作中的基本单元的数量，并且以这种方式来针对生产率调整装置。类似的歧管方案用于通过热交换器板循环冷水。
另一个实施例涉及在液相下发生的催化吸热反应。基本单元是堆叠在两个热交换器板之间的网络板。网络板具有五列柱形混合室，在奇数列中混合室的数量为六个，在偶数列中混合室的数量为五个。所述混合室通过棱形通道连接。将液体引入第一列混合室中。在前两列室中，液体在网络中流动以达到发生反应所需的温度。在第三列到第五列中，混合室壁上涂有将会引发化学反应的催化剂。用于吸热反应的热量由在两个热交换器板内部流动的热水蒸汽公用设施供应，这两个热交换器板中的一个在网络板的上方而另一个在网络板的下方。将液体从底部热交换器板中的连接槽引入混合室，该连接槽通过在板中钻孔的柱形管连接到混合室入口端口。出口液体从混合室的最后一行排入热交换器板中的单个连接槽中，在此处，这些室通过从其出口端口出来的柱形管连接。顶部热交换器板和底部热交换器板具有两个腔，第一腔位于紧邻前两行混合室的位置，并用于设定反应物的初始温度。第二腔位于紧邻第三行至第五行混合室的位置，并且提供用于发生吸热反应的热量。在不同腔中使用的水蒸气公用设施可以具有相同或不同的温度。
在本公开中，在混合室中流动的流体与网络板中的热流体总是相距短的距离，这降低了对热传递的固体传导阻力。此外，在网络板腔所需的最小空间中可以获得大于1000W.m-2.K-1(现有技术的参考值)的总热传递系数，从而最小化基本单元的尺寸。
在实施例中，例如，在金属装置中，制造技术通常限制混合室深度ω的可能数值范围。通常，该深度在0.25mm到几毫米的范围中，特别是在 0.25mm到2.5mm的范围中，其中ω＞1mm是中型结构的装置，而ω＜1mm 是微型结构的装置。所述混合室使用小的深度增加了热传递能够利用的比表面积。如在图3的实施例中，具有棱形通道和柱形混合室的网络板的热传递的比面积为
Figure DEST_PATH_GDA0002711167560000101
其中，ω是混合室和通道的深度，D是混合室直径，d是入口和出口棱形通道宽度，l是棱形通道长度。图5示出了本实用新型和构成现有技术的其他参考工业装置的热交换器的比表面积。与现有技术(具有包套或蛇形部的搅拌箱、管状反应器)相比，本实用新型可以得到更大数量级的比表面积，甚至得到比新型竞争微型反应器还大的数值。较大的比表面积和减小的传导阻力增加了网络板中的流体与热流体传递热量的能力。
在实施例中，最大化热传递系数和最小化设备尺寸的总体效果可以被合成为比热传递能力，定义为
Figure DEST_PATH_GDA0002711167560000111
其中，h是热传递系数，
Figure DEST_PATH_GDA0002711167560000112
是单位体积面积比。图6将本实用新型的所述比热传递能力与现有技术的装置进行了比较，其中再次证明了总比热传递能力胜过所有其他热交换装置。
在实施例中，本公开涉及一种模块化装置，其中，基本单元是大型组件的构件。模块化的优势是可扩展性、灵活操作性和工业设施的构造。可扩展性是在不管生产率如何的情况下该装置保持操作特征、产品性能和热传递效率不变的能力。
在实施例中，通过将每个单元中的生产率保持在用于特定应用的所限定的操作范围内来实现可扩展性。通过增加基本单元的数量来增加产量。
在实施例中，灵活的操作涉及在操作期间改变产量的可能性。来自连续流动系统的产品的能量效率和特征受系统内部流体的停留时间的影响。污染控制技术是特定情况，在该情况下流量在一天期间变化，通常取决于人类日常活动的周期。在这种情况下，该模块化装置可以通过动态地改变活动的基本单元的数量来维持每个基本单元的流量。
本实用新型的另一个优点是大型工业设备的构造。该装置的模块化性质通过将任意数量的基本单元组装为可简单连接到歧管的可堆叠块而实现大工位的简单标准化构造。这种基于块的构造原理能够用于大型工业工位的简单快速安装。
在实施例中，评估和量化了本公开的化学反应器的热传递性能。该实施例基于先前开发的3D静态反应器的数字模型的CFD模拟，Costa MF、 Fonte CM、Dias MM、Lopes JCB在AIChE J.2017的《混合网的热传递性能—一种新型的微型-中型结构的混合器和反应器(Heat Transfer Performance of NETmix–A Novel Micro-Meso Structured Mixer andReactor)》。
对于不同的雷诺数以及对于两个不同的边界条件：恒定的壁温和恒定的壁热通量，来确定反应器平均单元体的努塞尔数。在两种情况下，都观察到努塞尔数随雷诺数的增加而增加。还观察到当流动模式呈现振荡行为时，热点的存在减少，并且随时间剩下的部分会被更新，从而导致更有效的混合和热传递。
结果表明对于大的雷诺数，当与平行板之间的流动相比时，可以实现高出3到5倍的热传递率。当混合室内部的流动发展成自持的振荡层流状态时，可达到最大的对流热传递系数。从这些模拟中所得到的重要结果是，在临界雷诺数以上，热边界层沿着室的网络被更新，从而增强了本公开的化学反应器的总热传递能力。
本公开的化学反应器是特别适于处理需要快速界面传质的反应的混合装置，例如多相催化反应和气体-液体反应。
在实施例中，将本公开的化学反应器的比热传递能力与其他市场上能够买到的技术进行了比较。观察到本公开的化学反应器比工业上所使用的大多数技术(例如带有包套的搅拌箱或管式反应器)高出2到5个数量级的比热传递能力，并且比微型反应器高出接近一个数量级的比热传递能力。本公开的化学反应器的性能是由于其非常大的表面与体积比以及从CFD 模拟和努塞尔数计算中所显示出的增强的热传递系数。
在实施例中，本公开的化学反应器/混合器是一种从流体中除去热量或向流体供应热量的熟练的技术，使其适用于在其中热传递是动力限制步骤的快速反应，并且适用于高度放热/吸热反应，提高了工艺的总生产能力。
不应当将本公开视作以任何方式限制在所描述的实施例中，并且本领域技术人员将会预见到对本公开修改的多种可能性。
上文所描述的实施例是能够组合的。
权利要求书进一步陈述了本公开的特定实施例。

Claims (13)

1.一种用于放热或吸热过程的化学混合器，其特征在于，所述化学混合器包括热交换器板和用于执行混合的网络混合器板的堆叠物，
其中，所述网络混合器板包括室的阵列，每个室通过至少两个通道与至少两个其他室互相连接，用于通过所述室相继混合和分开一种或多种反应流体，
其中，所述热交换器板包括用于热流体流动的通道，
其中，所述热交换器板的通道和所述网络混合器板的所述室对齐以在所述室与所述热交换器板的通道之间传递热量，
其中，所述网络混合器板的每个室是球形或柱形的室，包括两个或三个通道以及用于连接至所述通道的两个或三个孔口，
其中，所述室的直径在1mm与50mm之间，并且所述通道的宽度或直径在0.25mm与10mm之间，
其中，流动或所述网络混合器的雷诺数大于100。
2.根据权利要求1所述的混合器，其特征在于，所述室和所述通道的深度在0.25mm与10mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，流动或所述网络混合器的雷诺数在125与1000之间。
4.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述混合器包括两个热交换器板，其中，所述网络混合器板堆叠在所述热交换器板之间。
5.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，互相连接到所述网络混合器板的每个室的所述通道中的至少两个通道相对于所述网络混合器板内的流体流动的整体方向倾斜。
6.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述热交换器板的所述通道是曲折的通道。
7.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述热交换器板的所述通道包括两个或更多个互相连接的腔。
8.根据权利要求7所述的混合器，其特征在于，所述腔包括挡板。
9.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述热交换器板包括一个或多个通孔，用于使流体流向所述网络混合器板、或使流体流自所述网络混合器板、或使流体流向和流自所述网络混合器板。
10.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述混合器包括多个所述网络混合器板和多个所述热交换器板，使得每个网络混合器板连续地放置于两个所述热交换器板之间。
11.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述板包括侧部入口和侧部出口。
12.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述板包括用于与相连的板连接的顶部入口和底部出口。
13.根据权利要求1或2所述的混合器，其特征在于，所述混合器包括用于向所述通道和/或所述室提供流体密封性的一个或多个盖板。
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