DE212018000181U1

DE212018000181U1 - Netzwerk-Wärmetauschervorrichtung und Anwendungen dafür

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Publication number: DE212018000181U1
Application number: DE212018000181.2U
Authority: DE
Original assignee: Petrogal SA
Current assignee: Petrogal SA
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: US20210291140A1; JP3225939U; ES1241645Y; CN212370140U; US11484862B2; KR20200000248U; WO2018185736A1; PT2018185736Y; BR112018074031A2; KR200496561Y1; PL128785U1; ES1241645U; BR112018074031A8

Abstract

Chemischer Reaktor für exotherme oder endotherme Prozesse, umfassend einen Stapel einer Netzwerkmischerplatte zur Durchführung der Reaktion und eine Wärmetauscherplatte,wobei die Netzwerkmischerplatte eine Anordnung von Kammern umfasst, wobei jede Kammer durch mindestens zwei Kanäle mit mindestens zwei anderen Kammern verbunden ist, um ein oder mehrere Reaktionsfluide nacheinander durch die Kammern zu verteilen und zu mischen,wobei die Wärmetauscherplatte einen Kanal für den Fluss eines Thermofluids umfasst, wobei der Kanal der Wärmetauscherplatte und die Kammern der Netzwerkmischerplatte so ausgerichtet sind, dass sie Wärme zwischen den Kammern und dem Kanal übertragen,wobei jede Kammer der Netzwerkmischerplatte eine sphärische oder zylindrische Kammer ist, die zwei oder drei Kanäle und zwei oder drei Öffnungen zur Verbindung mit den Kanälen umfasst,wobei die Kammerdurchmesser zwischen 1 mm und 50 mm und die Kanalbreiten oder - durchmesser zwischen 0,25 mm und 10 mm liegen,wobei die Reynoldszahl des Durchflusses oder des Netzwerkmischers größer als 100 ist; vorzugsweise zwischen 125 und 1000.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen chemischen Reaktor/Mischer zur kontinuierlichen Wärmeübertragung zwischen Fluiden, die in einer meso- oder mikrostrukturierten Mischnetzwerkplatte, nachfolgend als Netzwerkmischerplatte bezeichnet, fließen, und die Wärmetauscherplatten, die an die Netzwerkplatte angrenzen.
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht es, Sätze dieser Platten zu Modulen mit einer beliebigen Anzahl von installierten Platten und Platten im Betrieb zusammenzustellen, was eine dynamische, flexible Produktionsrate ermöglicht. Die Netzwerkplatte ist eine Vorrichtung zur Anwendung beim Mischen von zwei oder mehr Fluiden oder beim Kontaktieren von Fluiden mit einem Katalysator und wird im Allgemeinen für chemische Prozesse verwendet. Chemische Reaktionen, Mischen von Fluiden und Phasenwechsel von Materialien beinhalten immer Wärmeabgabe oder -absorption, und eine Temperaturführung ist oft von größter Bedeutung. Die Temperaturregelung innerhalb der Netzwerkplatte erfolgt durch Übertragen von Wärme auf benachbarte Wärmetauscherplatten unter Verwendung eines heißen Mediums innerhalb der Platte, zum Beispiel Wasserdampf, oder eines kalten Mediums, zum Beispiel eines Kältemittels. Diese Vorrichtung zur Wärmeübertragung wird beispielsweise bei der Gas-Flüssigkeits- oder Feststoffverarbeitung oder bei katalytischen chemischen Reaktionen eingesetzt. Das bevorzugte Anwendungsgebiet dieser Erfindung liegt in den chemischen Prozessen und Vorrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
Statische Mischer werden in industriellen Anwendungen für den Dauerbetrieb eingesetzt und sind seit den 1970er Jahren zur Standardausrüstung geworden, als Alternative zu mechanischen Mischern, zum Mischen von mischbaren oder nicht mischbaren Fluiden, zum Homogenisieren von Feststoffpartikeln sowie zur Verbesserung des Wärme- und Stoffaustauschs. Diese Art von Mischern wird in einer Vielzahl von verschiedenen industriellen Prozessen in der Pharma-, Petrochemie-, Lebensmittel-, Kosmetik-, Biotechnologie-, Wasser-/Abwasser-, Papier- und Polymerindustrie eingesetzt. Die Wirksamkeit von statischen Mischern zur Gewährleistung einer guten Mischung mischbarer Fluide oder zur Verbesserung des Wärme- und Stoffaustauschs ergibt sich aus ihrer Fähigkeit, eine Quervermischung zu induzieren und Fluidelemente in unmittelbare Nähe zu bringen. Eine der interessantesten Eigenschaften dieser Mischer ist, dass die Produkte allein durch die Strömungsenergie gemischt werden, so dass sie keine externe Energie benötigen, außer der erforderlichen Energie für das Pumpen der Fluide durch den Mischer; außerdem benötigen statische Mischer in der Regel wenig Platz und weisen niedrige Gerätekosten und keine beweglichen Teile auf. Der Einsatz von statischen Mischern führt jedoch in der Regel zu einer Erhöhung eines Druckabfalls über das System sowie zu einem größeren Verschmutzungspotenzial, relativem Reinigungsaufwand und höheren Kosten.
In vielen chemischen Prozessen/Reaktionen ist eine wesentliche Voraussetzung eine effektive und präzise Steuerung der Betriebsfluidtemperaturen. Dies ist besonders kritisch bei hochexothermen oder hoch endothermen Reaktionen, bei denen die Wärmeübertragungsraten entscheidend sind. Die meisten Wärmetauschervorrichtungen sind so ausgelegt, dass sie im turbulenten Bereich betrieben werden können, da allgemein angenommen wird, dass der laminare Bereich aus Sicht der Wärmeübertragung nicht effizient ist. Einige Autoren haben chaotische Advektion als Mittel zur Verbesserung der Wärmeübertragung in laminaren Strömungen vorgeschlagen, wie es bei statischen Mischern der Fall ist. Die Verbesserung der Wärmeübertragung im Querschnitt ist auf das Auftreten von sekundären Querströmungen zurückzuführen, die eine verbesserte Quervermischung in Verbindung mit der Strömungsteilung bewirken, die durch die Geometrie des statischen Mischers gefördert wird. Dadurch werden Grenzschichten, die den dominanten Widerstand gegen die Wärmeübertragung im Rohrstrom bilden, praktisch eliminiert.
Die Verbesserung der Wärmeübertragung durch den Einsatz von statischen Mischern ist kein neues Thema, und mehrere Autoren haben bereits die Vorteile der Verwendung verschiedener Typen von statischen Mischern beschrieben, indem sie den dimensionslosen Wärmeübertragungskoeffizienten, die Nusselt-Zahl, in Form von Korrelationen beschrieben haben, die für die Auslegung von Wärmetauscheranlagen nützlich sind. Einige Autoren haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungskoeffizienten bei Kenics statischen Mischern, die im laminaren Regime arbeiten, 2-3 fach erhöht werden können, während bei Sulzer SMX statischen Mischern die Wärmeübertragungsrate um den Faktor 5 erhöht werden kann, verglichen mit derjenigen in leeren Rohren. Eine erste Zusammenstellung von Korrelationen für die Nusseltzahl, die experimentell in Rohren mit handelsüblichen statischen Mischern erhalten wurde, ist in Thakur RK, Vial C, Nigam KDP, Nauman EB, Delvejh G. Static Mixers in the Process Industries-A Review. Chemie. Eng. Res. Des. 2003;81(7):787-826. Enthalten. Wärmetauscher mit statischen Mischelementen sind kommerziell erhältlich und werden derzeit in der Industrie eingesetzt.
Diese Fakten werden offengelegt, um das technische Problem zu veranschaulichen, das durch die vorliegende Offenbarung adressiert wird.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung ermöglicht es, Sets der Platten zu Modulen mit einer beliebigen Anzahl installierter Platten und von betriebenen Platten zusammenzustellen, was eine dynamische, flexible Produktionsrate ermöglicht. Die Netzwerkplatte ist eine Vorrichtung zur Anwendung beim Mischen von zwei oder mehr Fluiden oder beim Kontaktieren von Fluiden mit einem Katalysator und wird im Allgemeinen für chemische Prozesse verwendet. Chemische Reaktionen, Mischen von Fluiden und Phasenwechsel von Materialien beinhalten immer Wärmeabgabe oder - absorption und eine Temperaturführung ist oft von größter Bedeutung. Die Temperaturregelung innerhalb der Netzwerkplatte erfolgt durch Übertragen von Wärme auf benachbarte Wärmetauscherplatten unter Verwendung eines heißen Mediums innerhalb der Platte, zum Beispiel Wasserdampf, oder eines kalten Mediums, zum Beispiel eines Kältemittels. Diese Vorrichtung zur Wärmeübertragung wird beispielsweise bei der Gas-Flüssigkeits- oder Feststoffverarbeitung oder bei katalytischen chemischen Reaktionen eingesetzt. Das bevorzugte Anwendungsgebiet dieser Erfindung liegt in den chemischen Prozessen und Vorrichtungen.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen chemischen Reaktor für exotherme oder endotherme Prozesse, umfassend einen Stapel einer Netzwerkmischerplatte zur Durchführung der Reaktion und eine Wärmetauscherplatte, wobei die Netzwerkmischerplatte eine Anordnung von Kammern umfasst, wobei jede Kammer durch mindestens zwei Kanäle mit mindestens zwei anderen Kammern verbunden ist, um ein oder mehrere Reaktionsfluide nacheinander durch die Kammern zu verteilen und zu mischen, wobei die Wärmetauscherplatte einen Kanal für den Fluss eines Thermofluids umfasst, wobei der Kanal der Wärmetauscherplatte und die Kammern der Netzwerkmischerplatte so ausgerichtet sind, dass sie Wärme zwischen den Kammern und dem Kanal übertragen, wobei jede Kammer der Netzwerkmischerplatte eine sphärische oder zylindrische Kammer ist, die zwei oder drei Kanäle und zwei oder drei Öffnungen zur Verbindung mit den Kanälen umfasst.
Der chemische Reaktor für exotherme oder endotherme Prozesse der vorliegenden Offenbarung erhält die großen spezifischen Oberflächen von Mikroreaktoren und erhöht gleichzeitig die spezifischen Wärmeübertragungskapazitäten, hauptsächlich in den meso strukturierten Vorrichtungen.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse können die Kammern und Kanäle bezüglich der Netzwerkmischertiefe zwischen 0,25 mm und 10 mm liegen.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse können die Kammerdurchmesser des Netzwerkmischers zwischen 1 mm und 50 mm und die Kanalbreiten oder -durchmesser zwischen 0,25 mm und 10 mm liegen.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse kann die Reynoldszahl des Netzwerkmischerdurchflusses (Re) größer als 100 sein, vorzugsweise zwischen 125 und 1000. Die Reynoldszahl (Re) ist an den Kanälen definiert als Re=(υ ϕ)/ν, wobei ν die kinematische Viskosität des Fluids ist, ϕ die Breite oder der Durchmesser der Kanäle ist und υ die räumlich gemittelte Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen ist.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse kann der Reaktor/Mischer zwei Wärmetauscherplatten umfassen, wobei die Netzwerkmischerplatte zwischen den Wärmetauscherplatten gestapelt ist.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse können mindestens zwei der mit jeder Kammer der Netzwerkmischerplatte verbundenen Kanäle schräg zur Gesamtrichtung des Fluidstroms innerhalb der Netzwerkmischerplatte angeordnet sein.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse kann der Kanal der Wärmetauscherplatte ein Mäanderkanal sein.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse kann der Kanal der Wärmetauscherplatte zwei oder mehr miteinander verbundene Hohlräume umfassen.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse können die Hohlräume Leitbleche aufweisen.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse umfasst die Wärmetauscherplatte eine oder mehrere Durchgangsöffnungen für den Fluidstrom zu, von, oder zu oder von der Netzwerkmischerplatte.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse kann der Reaktor/Mischer der vorliegenden Offenbarung eine Vielzahl der Netzwerkmischerplatten und eine Vielzahl der Wärmetauscherplatten umfassen, so dass jede Netzwerkmischerplatte angrenzend zwischen zwei Wärmetauscherplatten angeordnet ist.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse können die Platten seitliche Einlässe und seitliche Auslässe umfassen.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse können die Platten obere Einlässe und untere Auslässe umfassen, die mit angrenzenden Platten verbunden sind.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse kann der Reaktor/Mischer eine oder mehrere Deckelplatten umfassen, um die Fluiddichtheit der Kanäle und/oder Kammern zu gewährleisten.
In einer Ausführungsform für bessere Ergebnisse ist jede Kammer der Netzwerkmischerplatte eine sphärische oder zylindrische Kammer, die zwei oder drei Kanäle und zwei oder drei Öffnungen zur Verbindung mit den Kanälen umfasst.
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Reaktor/Mischer zur Wärmeübertragung bei Prozessen, bei denen ein Fluid oder mehrere Fluide einer Umwandlung unterzogen werden, wie beispielsweise einer chemischen Reaktion oder einem Phasenwechsel, die Wärme freisetzt oder absorbiert. In solchen Fällen wird die Temperatur der Fluide durch einen endothermen oder exothermen Prozess verändert, so dass dem Prozess Wärme zugeführt oder entzogen werden muss, um die Fluide auf einen geeigneten Temperaturbereich einzusteuern. Diese Prozesse finden in meso- oder mikrostrukturierten Netzwerkplatten statt, die aus Platten mit einer Anordnung von miteinander verbundenen, geritzen Hohlräumen bestehen, wobei die Hohlräume im Allgemeinen zylindrisch oder sphärisch sind und nachstehend als Mischkammern bezeichnet werden. Diese Mischkammern sind durch Kanäle miteinander verbunden, die im Allgemeinen prismatisch oder zylindrisch ausgebildet sind. Die Fluide fließen durch dieses Netzwerk von miteinander verbundenen Mischkammern und Kanälen. Der Strom aus einem oder mehreren Kanälen fließt in eine Mischkammer, in der ein Fluid oder Fluide aus verschiedenen Kanälen gemischt werden. Das oder die gemischten Fluide strömt/strömen aus der Mischkammer durch einen oder mehrere Kanäle, die den Ausgangsstrom zu mehr als einer nachgeschalteten Mischkammer teilen. Die Mischkammern in der ersten Reihe nehmen die Fluide von den Dosiereinheiten über einen oder mehrere Einlasskanäle auf. Die Mischkammern in der letzten Reihe können einzelne oder mehrere Auslassöffnungen aufweisen. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Netzwerkmischerplatte (oder eines Netzwerkmischers) in einer bevorzugten Ausführungsform. Die Platte kann die statische Mischervorrichtung sein, die in den Beispielen und Zeichnungen von EP1720643B offenbart ist.
In einer Ausführungsform sind die Netzwerkmischerplatten mit mindestens einer benachbarten Wärmetauscherplatte verbunden oder typischerweise ist jede Netzwerkplatte zwischen zwei Wärmetauscherplatten gestapelt. Die Wärmetauscherplatten weisen einen oder mehrere innere Hohlräume auf, in denen ein heißes oder kaltes Fluid zur Wärmeübertragung mit den Fluiden in der Netzwerkplatte strömt. Fluide für die Wärmeübertragung arbeiten mit einer Temperaturdifferenz zur Innenseite der Netzwerkplatte und können auch durch Phasenwechsel betrieben werden, z.B. Kondensation zu Heizzwecken der Netzwerkplatte oder Verdampfung zur Kühlung der Platte. Diese Fluide, die zu Wärmeübertragungszwecken durch die Wärmetauscherplatte strömen, werden im Folgenden als Thermofluide bezeichnet. Die Hohlräume in den Wärmetauscherplatten weisen einen oder mehrere Öffnungen für den Ein- und Ausgang der Thermofluide auf. Diese Hohlräume können direkt mit den Ein- und Auslassöffnungen oder mit benachbarten Hohlräumen in der Platte verbunden sein. Jeder Hohlraum kann eine hohle parallele Struktur mit oder ohne Leitbleche sein. Wärmetauscherplatten können Anschlussschlitze aufweisen, die auf den Durchgang von Rohren abzielen oder als Kanäle dienen, die die Zuläufe mit den Ein- und Auslassöffnungen der Netzwerkplatte verbinden. Die Anschlussschlitze sind von den Hohlräumen, in denen das Thermofluid fließt, isoliert. Zudem können die Anschlussschlitze so ausgebildet sein, dass sie das Fluid auf mehr als eine Einlasskammer verteilen oder das Fluid aus mehreren Auslassöffnungen der Auslasskammern der Netzwerkplatte aufnehmen.
In einer Ausführungsform werden jedes Set einer Netzwerkplatte und eine oder zwei Wärmetauscherplatten gestapelt, so dass die Hohlräume in den Wärmetauscherplatten so ausgerichtet sind, dass sie Wärme mit den Kammern und Kanälen in der Netzwerkplatte tauschen. Diese besondere Anordnung wird im Folgenden als Grundeinheit bezeichnet. Je nach Anordnung der Wärmetauscherplatten können ein oder mehrere Deckel für die Grundeinheit erforderlich sein. Diese Erfindung weist einen modularen Aufbau auf, der das Stapeln mehrerer Grundeinheiten ermöglicht. Das Stapeln der Einheiten erfordert, dass die Verbindungsrohre eine andere Anordnung aufweisen als in 1, wobei die Rohre durch die Oberseite der Wärmetauschdeckel eintreten, während diese Rohre bei gestapelten Einheiten seitlich eintreten müssen, es sei denn, die Rohre verbinden Wärmetauscher aus verschiedenen Grundeinheiten oder sind für die Grundeinheiten oben oder unten im Stapel. Wenn die Grundeinheiten gleichzeitig arbeiten, wird die Anzahl der betriebenen Basiseinheiten verwendet, um die Produktionsrate anzupassen, was flexible Produktionsraten ermöglicht, die dynamisch eingestellt werden können.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind einige Figuren hinzugefügt, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, ohne jedoch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung einzuschränken.

1: Anordnung der Grundeinheit der Wärmetauschervorrichtung [1] mit einer Anordnung aus einer Netzwerkplatte [2], die mit zwei Wärmetauscherplatten gestapelt ist, einer oben [3] und einer unten [4], und entsprechenden Deckeln der Wärmetauscherplatten [5 und 6]. Diese spezielle Ausführungsform umfasst zwei Einlässe zum Einleiten von Fluiden in die Netzwerkplatte, der Einlasskanal [7] führt die Fluide in zwei Mischkammern ein, während die Einlasskammer [8] die Fluide in zwei weitere Mischkammern einleitet. Der Auslass [9] der Netzwerkplatte ist das Rohr an der Unterseite der Vorrichtung. Das Thermofluid tritt vom Anschluss [10] in die obere Wärmetauscherplatte ein und tritt durch den Anschluss [11] aus.
2: Netzwerkmischerplatte [2] mit zylindrischen Mischkammern [22] und prismatischen Kanälen [23], die die Mischkammern [22] verbinden, und Identifizierung möglicher Positionen für den Fluideinlass [24] in der ersten Reihe von Mischkammern. Die Netzwerkplatte [2] in der Figur ist eine Anordnung von fünf Zeilen von Mischkammern und vier Mischkammern [22] in der ersten Zeile.
3: Zylindrische Mischkammer mit Durchmesser D [22] mit zwei Einlassprismenkammern mit Länge l und Breite d [23-1] und zwei Auslassprismenkanälen mit gleichen Abmessungen [23-2]. Die Mischkammer [22] und die prismatischen Kanäle [23-1 und 23-2] weisen eine Tiefe □ auf.
4: Wärmetauscherplatte [3] mit einer möglichen Ausführungsform des Hohlraums [41] für die Wärmetransferfluideitszirkulation und Kennzeichnung des Kammereinlasses [42] und des Kammerauslasses [43] und einer möglichen Konfiguration für Hydraulikkanäle, Anschlussschlitze [44], von Ein- und Auslassleitungen zur Netzwerkplatte. Diese Platte weist Leitbleche [45] im Hohlraum für die Thermofluidzirkulation [2] auf.
5: Spezifische Oberfläche für ummantelte Rührtanks [51], Rührtanks mit Serpentinen [52], ummantelte Rohrreaktoren [53], Rührtanks mit externen Wärmetauschern [54], Mikroreaktoren [55] und den Reaktor der vorliegenden Offenbarung [56].
6: Spezifische Wärmeübertragungskapazität für den ummantelten Rührtank [51], Rührtank mit Serpentinen [52], ummantelte Rohrreaktoren [53], Rührtanks mit externen Wärmetauschern [54], Mikroreaktoren [55] und den Reaktor der vorliegenden Offenbarung [56].
7: Spezifische Wärmeübertragungskapazität typischer Wärmetauscheranlagen, insbesondere Wärmeübertragungskapazität für ummantelte Rührtanks [51], Rührtanks mit Serpentinen [52], ummantelte Rohrreaktoren [53], Rührtanks mit externen Wärmetauschern [54], Mikroreaktoren [55] und den Reaktor der vorliegenden Offenbarung [56].

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine modulare Vorrichtung, die aus Netzwerkplatten und Wärmetauscherplatten besteht. Netzwerkplatten bestehen aus einer Anordnung von Kammern, die durch Kanäle verbunden sind, in denen der Fluss einer oder mehrerer Fluide gemischt wird und die sich sequentiell teilen. Die Netzwerkplatten werden durch Wärmetauscherplatten begrenzt, die eine Innenkammer aufweisen, in die eine Kalt- oder Warmquelle eingeführt wird. Diese Netzwerkplatten und Wärmetauscherplatten sind so ausgelegt, dass sie die Möglichkeit haben, als Module größerer Prozesseinheiten montiert zu werden.
In einer Ausführungsform können die Netzwerkplatten der in EP 1 720 643 B beschriebene statische Mischer sein, und zwar in den Zeichnungen und Beispielen.
In einer Ausführungsform ist eine Grundeinheit angegeben, in die zwei Fluide in die Netzwerkplatte eingebracht werden: ein Gas und eine Flüssigkeit. Die Netzwerkplatte weist fünf Zeilen von zylindrischen Mischkammern und in den ungeraden Zeilen ist die Anzahl der Kammern vier und in den geraden Zeilen ist die Anzahl der Kammern drei. Diese Mischkammern sind durch prismatische Kanäle miteinander verbunden. Das Gas wird in die geradzahligen Mischkammern der ersten Zeile eingeleitet, während die Flüssigkeit in die ungeradzahligen Mischkammern der ersten Zeile eingeleitet wird. Das Gas wird von der Flüssigkeit absorbiert, die Wärme abgibt, die von einem Mittel, wie beispielsweise Kaltwasser, abgeführt wird, das in zwei Wärmetauscherplatten neben der Netzwerkplatte strömt. Die Flüssigkeit wird in die Mischkammern aus einem Anschlussschlitz in der oberen Wärmetauscherplatte, der über zylindrische Rohre mit den Einlassöffnungen der Mischkammer verbunden ist, eingeleitet. Das Gas wird in die Mischkammern über einen Anschlussschlitz in der unteren Wärmetauscherplatte, der über zylindrische Rohre mit den Einlassöffnungen der Mischkammer verbunden ist, eingeleitet. Das mit Gas gesättigte Flüssigkeitsgemisch wird aus der letzten Reihe von Mischkammern in einen einzigen Anschlussschlitz in der Wärmetauscherplatte ausgelassen, wo die Kammern durch zylindrische Rohre verbunden sind, die von ihren Auslassöffnungen ausgehen.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine Großproduktionsanlage zur Behandlung eines sauren gasförmigen Ablaufs mit alkalischer wässriger Lösung, bei der sich die Durchflussmengen während des Tages ändern. Die Grundeinheit ist eine Netzwerkplatte, die zwischen zwei Wärmetauscherplatten mit den im vorherigen Anwendungsbeispiel beschriebenen Eigenschaften gestapelt ist, wobei für das vorliegende Beispiel die Flüssigkeit die alkalische wässrige Lösung und das Gas der gasförmige Ablauf ist. Die Netzwerkplatte weist fünf Zeilen von zylindrischen Mischkammern auf, und in den ungeraden Zeilen ist die Anzahl der Mischkammern vier und in den geraden Zeilen ist die Anzahl der Mischkammern drei. Diese Mischkammern sind durch prismatische Kanäle miteinander verbunden. Der gasförmige Ablauf wird in die geradzahligen Mischkammern der ersten Zeile eingeleitet, während die alkalische wässrige Lösung in die ungeradzahligen Mischkammern der ersten Zeile eingeleitet wird. Das saure Gas wird durch die Flüssigkeit absorbiert, die Wärme abgibt, die durch ein Thermofluid, wie kaltes Wasser, abgeführt wird, das in den beiden Wärmetauscherplatten oberhalb und unterhalb der Netzwerkplatte strömt. Die alkalische wässrige Lösung wird aus einem Anschlussschlitz in der unteren Wärmetauscherplatte, der über zylindrische, in die Platten gebohrte Rohre mit den Einlassöffnungen der Mischkammern verbunden ist, in die Mischkammern eingeleitet. Das Gas wird über einen Anschlussschlitz in der unteren Wärmetauscherplatte, der mit den Einlassöffnungen der Mischkammern durch zylindrische, in die Platten gebohrte Rohre verbunden ist, in die Mischkammern eingeleitet. In der Netznwerkplatte bildet sich eine mit dem neutralisierten Gas gesättigte Flüssigkeit, die aus der letzten Reihe von Mischkammern in einen einzigen Anschlussschlitz in der Wärmetauscherplatte abgegeben wird, wo die Kammern durch zylindrische Rohre verbunden sind, die aus ihren Auslassöffnungen entspringen. Eine Anordnung von hundert übereinander gestapelten Grundeinheiten mit einem Rohrverteiler zur Verteilung von Gasen und alkalischen wässrigen Lösungen über die gestapelten Grundeinheiten ist angegeben. Der Rohrverteiler für die Flüssigkeitsverteilung weist Ventile am Anschluss an die Grundeinheiten auf, und die Ventile ermöglichen es, die Anzahl der betriebenen Grundeinheiten dynamisch zu ändern und so die Vorrichtung an die Produktionsrate anzupassen. Ein ähnliches Verteilersystem wird für die Zirkulation von Kaltwasser durch die Wärmetauscherplatten verwendet.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine katalytische endotherme Reaktion in der Flüssigphase. Die Grundeinheit ist eine Netzwerkplatte, die zwischen zwei Wärmetauscherplatten gestapelt ist. Die Netzwerkplatte weist fünf Zeilen von zylindrischen Mischkammern auf, und in den ungeraden Zeilen ist die Anzahl der Mischkammern sechs und in den geraden Zeilen ist die Anzahl der Mischkammern fünf. Diese Mischkammern sind durch prismatische Kanäle miteinander verbunden. Die Flüssigkeit wird in die erste Zeile der Mischkammern eingeleitet. In den ersten beiden Zeilen der Kammern strömt die Flüssigkeit im Netzwerk, um die erforderliche Temperatur für die Reaktion zu erreichen. In den Zeilen drei bis fünf sind die Wände der Mischkammer mit einem Katalysator beschichtet, der die chemische Reaktion auslöst. Die Wärme für die endotherme Reaktion wird durch Heißwasserdampf geliefert, der innerhalb der beiden Wärmetauscherplatten oberhalb und unterhalb der Netzwerkplatte strömt. Die Flüssigkeit wird aus einem Anschlussschlitz in der unteren Wärmetauscherplatte, der mit den Einlassöffnungen der Mischkammern durch zylindrische, in die Platten gebohrte Rohre verbunden ist, in die Mischkammern eingeleitet. Die austretende Flüssigkeit wird aus der letzten Reihe von Mischkammern in einen einzigen Anschlussschlitz in der Wärmetauscherplatte ausgelassen, wo die Kammern durch zylindrische Rohre verbunden sind, die aus ihren Auslassöffnungen entspringen. Obere und untere Wärmetauscherplatten weisen zwei Hohlräume auf, und der erste Hohlraum befindet sich an der Stelle neben den beiden ersten Reihen von Mischkammern und dient zur Einstellung der Anfangstemperatur des Reaktanten. Der zweite Hohlraum befindet sich an der Stelle neben der dritten bis fünften Reihe von Mischkammern und liefert Wärme für die endotherme Reaktion. Der in den verschiedenen Hohlräumen verwendete Wasserdampferzeuger kann die gleichen oder unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
In der vorliegenden Offenbarung befinden sich die in den Mischkammern strömenden Fluide immer in kurzen Abständen vom Thermofluid in den Netzwerkplatten, was die Festkörperleitungswiderstände zur Wärmeübertragung verringert. Des Weiteren können globale Wärmeübertragungskoeffizienten größer als 1000 W.m^-2.K^-1 (Referenzwert für den Stand der Technik) auf kleinstem Raum erreicht werden, der für die Netzwerkplattenhohlräume erforderlich ist, wodurch die Größe der Grundeinheit minimiert wird.
In einer Ausführungsform, z.B. in Metallvorrichtungen, begrenzen Fertigungstechniken im Allgemeinen den möglichen Wertebereich der Mischkammertiefe, ω. Typischerweise liegt diese Tiefe im Bereich von 0,25 mm bis zu mehreren Millimetern, insbesondere 0,25 mm bis 2,5 mm, wobei ω > 1 mm mesostrukturierte Vorrichtungen und ω < 1 mm mikrostrukturierte Vorrichtungen sind. Die Verwendung der Mischkammer mit geringen Tiefen vergrößert die für die Wärmeübertragung verfügbare spezifische Oberfläche. Die spezifische Fläche für die Wärmeübertragung für eine Netzwerkplatte mit prismatischen Kanälen und zylindrischen Mischkammern, wie in der Ausführungsform von 3, ist $\frac{A}{V} \approx (\frac{1}{ω}) \frac{1 + 2 (\frac{ω}{D}) + \frac{8}{π} (\frac{1}{D} \frac{d}{D} + \frac{ω}{D} \frac{d}{D})}{\frac{1}{2} + \frac{4}{π} (\frac{1}{D} \frac{d}{D})}$
wobei ω die Tiefe der Mischkammern und Kanäle, D der Mischkammerdurchmesser, d die Breite der prismatischen Ein- und Ausgangskanäle und l die Länge der prismatischen Kanäle ist. 5 zeigt die spezifische Oberfläche dieser Erfindung und anderer industrieller Referenzvorrichtungen, die den Stand der Technik für Wärmetauscher darstellen. Mit dieser Erfindung können um Größenordnungen größere spezifische Oberflächen erzielt werden als mit dem Stand der Technik (Rührtanks mit Mänteln oder Serpentinen, Rohrreaktoren) und sogar noch größere Werte als die neuartigen konkurrierenden Mikroreaktoren. Eine größere spezifische Oberfläche und geringere Leitungswiderstände erhöhen die Kapazität der Fluide in der Netzwerkplatte, Wärme mit den Thermofluiden zu übertragen.
In einer Ausführungsform kann der globale Effekt der Maximierung der Wärmeübertragungskoeffizienten und der Minimierung der Gerätegröße in die spezifische Wärme-Übertragungskapazität synthetisiert werden, definiert als $\hat{q} = h \frac{A}{V}$
wobei h der Wärmeübertragungskoeffizient und $\frac{A}{V}$
das Verhältnis Fläche pro Volumeneinheit ist. 6 vergleicht die genannte spezifische Wärme-Übertragungskapazität dieser Erfindung mit Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, wobei wiederum nachgewiesen wird, dass die globale spezifische Wärme-Übertragungskapazität alle anderen Wärmeübertragungsvorrichtungen übertrifft.
In einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Offenbarung eine modulare Vorrichtung, bei der die Grundeinheiten die Bausteine großer Baugruppen sind. Die Vorteile der Modularität sind Skalierbarkeit, flexibler Betrieb und der Bau von Industrieanlagen. Die Skalierbarkeit ist die Fähigkeit dieser Vorrichtung, unabhängig von den Produktionsraten die gleichen Betriebseigenschaften, Produkteigenschaften und Wärmeübertragungswirkungsgrade beizubehalten.
In einer Ausführungsform wird die Skalierbarkeit erreicht, indem die Produktionsrate in jeder Einheit innerhalb eines definierten Betriebsbereichs für eine bestimmte Anwendung gehalten wird. Die Produktionssteigerung erfolgt durch die Erhöhung der Anzahl der Grundeinheiten.
In einer Ausführungsform bezieht sich der flexible Betrieb auf die Möglichkeit, die Produktion während des Betriebs zu ändern. Die Energieeffizienz und die Eigenschaften von Produkten aus kontinuierlichen Strömungssystemen werden durch die Verweilzeit der Fluide im System beeinflusst. Umweltschutztechnologien sind spezifische Fälle, in denen sich die Durchflussmengen im Laufe des Tages entwickeln und im Allgemeinen vom täglichen Zyklus menschlicher Aktivitäten abhängen. In solchen Fällen kann diese modulare Vorrichtung den Durchfluss jeder Basiseinheit aufrechterhalten, indem sie die Anzahl der aktiven Basiseinheiten dynamisch ändert.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist der Bau von großen Industrieanlagen. Der modulare Aufbau dieser Vorrichtung ermöglicht einen einfachen Standardaufbau von Großteilen, indem beliebig viele Grundeinheiten zu stapelbaren Blöcken zusammengefügt werden, die einfach in einen Rohrverteiler eingesetzt werden können. Dieses auf Blöcken basierende Konstruktionsprinzip ermöglicht eine einfache und schnelle Installation großer Industrieanlagen.
In einer Ausführungsform wurde die Wärmeübertragungsleistung des Chemiereaktors der vorliegenden Offenbarung bewertet und quantifiziert. Die Ausführungsform basiert auf der CFD-Simulation eines zuvor entwickelten numerischen Modells für den 3D statischen Reaktor Costa MF, Fonte CM, Dias MM, Lopes JCB. Wärmeübertragungsleistung von NETmix - A Novel Micro-Meso Structured Mixer and Reactor. AIChE J. 2017.
Die Reaktordurchschnittseinheitszellen-Nusseltzahl wurde für verschiedene Reynoldszahlen und für zwei verschiedene Randbedingungen bestimmt: konstante Wandtemperatur und konstanter Wand-Wärmestrom. In beiden Fällen wurde beobachtet, dass die Nusseltzahl mit zunehmender Reynoldszahl zunimmt. Es wird beobachtet, dass die Existenz von Hot-Spots reduziert wird, wenn die Strömungsmuster ein oszillierendes Verhalten aufweisen, und die restlichen mit der Zeit erneuert werden, was zu einer effizienteren Mischung und Wärmeübertragung führt.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei großen Reynoldszahlen 3-5 mal höhere Wärmeübertragungsraten erreicht werden können als bei der Strömung zwischen parallelen Platten. Maximale konvektive Wärmeübertragungskoeffizienten werden erreicht, wenn sich die Strömung innerhalb der Mischkammern zu einem selbsttragenden oszillierenden laminaren Strömungsregime entwickelt. Ein wichtiges Ergebnis dieser Simulationen ist, dass oberhalb der kritischen Reynoldszahl die thermische Grenzschicht entlang des Kammernetzwerks erneuert wird, wodurch die globale Wärmeübertragungskapazität des chemischen Reaktors gemäß der vorliegenden Offenbarung verbessert wird.
Der chemische Reaktor der vorliegenden Offenbarung ist eine Mischvorrichtung, die sich besonders für Reaktionen eignet, bei denen ein schneller Grenzflächenmassentransfer erforderlich ist, wie beispielsweise heterogene katalytische Reaktionen und Gas-Flüssigkeitsreaktionen.
In einer Ausführungsform wurde die spezifische Wärmeübertragungskapazität des chemischen Reaktors der vorliegenden Offenbarung mit anderen kommerziell verfügbaren Technologien verglichen. Es wird beobachtet, dass der chemische Reaktor der vorliegenden Offenbarung eine 2-5 Größenordnungen höhere spezifische Wärmeübertragungskapazität aufweist als die meisten der industriell verwendeten Technologien, wie Rührtanks mit Ummantelungen oder Rohrreaktoren, und eine fast eine Größenordnung größere spezifische Wärmeübertragungskapazität als Mikroreaktoren. Die Leistung des chemischen Reaktors der vorliegenden Offenbarung ist auf sein sehr großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis zusammen mit der Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten zurückzuführen, die aus den CFD-Simulationen und Nusseltzahlenberechnungen hervorgeht.
In einer Ausführungsform ist der chemische Reaktor/Mischer der vorliegenden Offenbarung eine kompetente Technologie zur Abfuhr/Zufuhr von Wärme aus/zu einem Fluid, die sie geeignet macht für schnelle Reaktionen, bei denen die Wärmeübertragung der kinetisch begrenzende Schritt ist, und für stark exo-/endotherme Reaktionen, bei denen die Gesamtproduktionskapazität des Prozesses erhöht wird.
Die Offenbarung sollte in keiner Weise auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, und der Fachmann wird viele Möglichkeiten zu deren Modifikationen erkennen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind kombinierbar.
Die folgenden Ansprüche stellen darüber hinaus besondere Ausführungsformen der Offenbarung dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1720643 B [0024]
EP 1720643 [0029]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Thakur RK, Vial C, Nigam KDP, Nauman EB, Delvejh G. Static Mixers in the Process Industries-A Review. Chemie. Eng. Res. Des. 2003;81(7):787-826 [0005]

Claims

Chemischer Reaktor für exotherme oder endotherme Prozesse, umfassend einen Stapel einer Netzwerkmischerplatte zur Durchführung der Reaktion und eine Wärmetauscherplatte, wobei die Netzwerkmischerplatte eine Anordnung von Kammern umfasst, wobei jede Kammer durch mindestens zwei Kanäle mit mindestens zwei anderen Kammern verbunden ist, um ein oder mehrere Reaktionsfluide nacheinander durch die Kammern zu verteilen und zu mischen, wobei die Wärmetauscherplatte einen Kanal für den Fluss eines Thermofluids umfasst, wobei der Kanal der Wärmetauscherplatte und die Kammern der Netzwerkmischerplatte so ausgerichtet sind, dass sie Wärme zwischen den Kammern und dem Kanal übertragen, wobei jede Kammer der Netzwerkmischerplatte eine sphärische oder zylindrische Kammer ist, die zwei oder drei Kanäle und zwei oder drei Öffnungen zur Verbindung mit den Kanälen umfasst, wobei die Kammerdurchmesser zwischen 1 mm und 50 mm und die Kanalbreiten oder - durchmesser zwischen 0,25 mm und 10 mm liegen, wobei die Reynoldszahl des Durchflusses oder des Netzwerkmischers größer als 100 ist; vorzugsweise zwischen 125 und 1000.
Reaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kammer- und Kanaltiefen zwischen 0,25 mm und 10 mm liegen.
Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reynoldszahl des Durchflusses oder des Netzwerkmischers zwischen 125 und 1000 ist.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei Wärmetauscherplatten, wobei die Netzwerkmischerplatte zwischen den Wärmetauscherplatten gestapelt ist.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei der mit jeder Kammer der Netzwerkmischerplatte verbundenen Kanäle schräg zur Gesamtströmungsrichtung innerhalb der Netzwerkmischerplatte sind.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kanal der Wärmetauscherplatte ein Mäanderkanal ist.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kanal der Wärmetauscherplatte zwei oder mehr miteinander verbundene Hohlräume umfasst.
Reaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Hohlräume Leitbleche umfassen.
Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauscherplatte eine oder mehrere Durchgangsöffnungen für den Fluidstrom zu der Netzwerkmischerplatte, von der Netzwerkmischerplatte oder zu oder von der Netzwerkmischerplatte umfasst.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl der Netzwerkmischerplatten und eine Vielzahl der Wärmetauscherplatten, so dass jede Netzwerkmischerplatte angrenzend zwischen zwei Wärmetauscherplatten angeordnet ist.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platten seitliche Einlässe und seitliche Auslässe umfassen.
Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platten obere Einlässe und untere Auslässe zum Verbinden mit angrenzenden Platten umfassen.
Der Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine oder mehrere Deckelplatten zum Bereitstellen einer Fluiddichtigkeit für die Kanäle und/oder Kammern.