DE60302438T2

DE60302438T2 - Herstellung von vorrichtungen durch aufstapeln von schichten und verfahren zur durchführung von unit operations mit diesen vorrichtungen

Info

Publication number: DE60302438T2
Application number: DE60302438T
Authority: DE
Inventors: Lee Anna TONKOVICH; Gary Roberts; P. Sean FITZGERALD; W. Paul NEAGLE; Dongming Qiu; Matthew Schmidt
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: DE60302438T3; US20120031349A1; EP1474237B2; CA2476217C; DE60302438D1; ATE310580T1; AU2003214933A1; EP1474237A1; US20030152488A1; US7883670B2; WO2003068400A1; CA2476217A1; EP1474237B1; JP2005516770A; JP4378526B2; EP1623761B1; EP1623761A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Vorrichtungen durch Aufstapeln von Schichten. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Durchführung von Unit Operationen an Fluiden in diesen Vorrichtungen.
EINLEITUNG
Der folgende einleitende Abschnitt soll zum besseren Verständnis der Erfindung beitragen, er enthält die Beschreibung sowohl der erfindungsgemäßen als auch der vorbekannten Technologie.
Mikrokanalvorrichtungen, die aus Scheiben hergestellt sind, können unter Verwendung mehrerer Scheibenausführungen ausgestaltet und hergestellt werden. Bei einer ersten Ausführung wird der gesamte Strömungskanal unmittelbar aus einer dünnen Metallscheibe herausgeschnitten. Die Dicke des Metalls dient als Ausdehnung des Mikrokanals (üblicherweise kleiner als 2 mm). Angrenzend an den Kanal, der durch den Ausschnitt gebildet ist, befindet sich eine Wandscheibe. Durch die Wandscheibe entsteht eine Rippe, die parallele Kanäle desselben Fluids trennt. Die Kanäle sind durch die Verwendung von Löchern miteinander verbunden, die in jeder Scheibe ausgerichtet sind. Der verbundene Durchgang dient als Kopfstück für die Gruppe paralleler Kanäle oder als Fußstück zum Auffangen des Fluids, nachdem es durch die Kanäle geströmt ist. Eine Unit Operation wie Wärmeaustausch, Reaktion oder Trennung wird durch Erstellen einer weiteren Gruppe von parallelen Kanälen unter der ersten Gruppe paralleler Kanäle erreicht. Die Kanalausrichtung wird als von oben nach unten bezeichnet.
Eine Vorrichtung 10, die auf diese Art geschichtet ist, ist in 1a dargestellt. Die Scheiben 12, 14, 16 und 18 sind aufeinander gestapelt, wobei jede Scheibe parallel zur Scheibe 12 ist. Diese Scheiben werden bei Bedarf wiederholt, sodass die gewünschte Anzahl von Kanälen entsteht. Die Scheiben können mit einem Verfahren wie Diffusionsschweißen, reaktives Metallverbinden oder Laserschweißen miteinander verbunden werden. Üblicherweise enthält eine Scheibe Öffnungen 20, die in die Kanäle 22, 24 führen. In die Reaktionskammer 15 könnte ein Katalysator gegeben werden. Während des Betriebs der geschichteten Vorrichtung ist die Fluidströmung (wie durch die Pfeile 30, 32, 34 angegeben) im Wesentlichen senkrecht zur Schichtdicke (im Wesentlichen parallel zur Schichtbreite). Obwohl der Durchfluss durch die Öffnung 20 im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke ist, ist der Gesamtdurchfluss senkrecht zur Schichtdicke. Die Öffnung 20 dient als Kopfstück oder Fußstück zur Verbindung von Strömungskanälen anstatt zum Ausführen einer Unit Operation innerhalb dieses Fließwegs. Üblicherweise sorgen die Kanäle 22, 24 für den Wärmeaustausch. Diese Ausgestaltung sorgt für gute, unterstützte Bereiche zum Verbinden und für Festigkeit. Bei dieser Ausgestaltung können die Kanäle rechteckig, trapezförmig, wellenförmig, jedoch nicht kreisförmig sein. Die kleinste Ausdehnung der Mikromerkmale wird üblicherweise durch die Dicke der Schicht gesteuert.
Eine andere Ausgestaltungsausrichtung ist in 1b dargestellt. In den Scheiben werden durchgehende Schnitte erzeugt, um Strömungskanäle herzustellen. Angrenzend an den Strömungskanal wird eine Scheibe angeordnet, um eine Wand herzustellen, die zwei verschiedene Ströme trennt. Der zweite Fließweg entsteht durch eine dritte Scheibe, die an die Wandscheibe angrenzt. Die Wandscheibe zwischen den beiden Fluidströmen ist die Ebene, durch die die Wärme für eine Unit Operation, beispielsweise Wärmeaus tausch oder Reaktion, übertragen wird. Die dritte Scheibe enthält auch einen durchgehenden Schnitt, um einen Fließweg herzustellen. Die Kopfstücke und Fußstücke werden durch durchgehende Löcher in jeder Scheibe hergestellt, die zu den jeweiligen Fließwegen der beiden Fluide führen. Bei dieser Ausführung können Parallelflachkanäle oder andere Kanäle mit flachen Wänden wirtschaftlich gestaltet werden. Beispiele für Kanäle mit flachen Wänden, die nach dieser Ausführung hergestellt sind, sind in den US-Patentschriften 6, 129,973 und 6,192,596 gezeigt. Die Kanalausrichtung wird als verzahnt bezeichnet.
Alternativ könnte eine Vorrichtung derart aufgebaut sein, wie es in 2 gezeigt ist. In dieser Figur können die Scheiben als von unten nach oben in der Ausrichtung der Scheibe 51 aufgestapelt betrachtet werden. Vorteile dieses Aufbaus umfassen: dass Mikromerkmale durch die Scheibendicke gesteuert werden können; dicke Scheibenplatten 52 verwendet werden können, um Druck standzuhalten; eine Katalysatorkammer 54 derart ausgestaltet werden kann, dass ihre Größe zu der Fläche der Wärmeaustauschkanäle passt und Katalysatorkammerschichten mit Wärmeaustauschschichten verzahnt sein können. Kanäle können wirtschaftlich aus Scheiben mit rechteckigen Öffnungen aufgebaut werden. Außerdem könnten wellenförmige oder anders geformte Kanäle auf der Scheibe 51 gebildet werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung, die manchmal als „zweischalige" Ausgestaltung bezeichnet wird (nicht gezeigt), werden Schichten verwendet, die teilweise geätzte Kanäle aufweisen. Wenn die teilweise geätzten Kanäle die Form von Halbkreisen aufweisen, können zwei entsprechende Schichten verbunden werden, sodass sie röhrenförmige Kanäle bilden. Die Kompaktreaktoren, die in WO 01/10773 A1 dargestellt sind, könnten auf der Grundlage einer zweischaligen Ausgestaltung hergestellt sein.
In 3 ist eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung veranschaulicht. Bei diesem Aufbau wird eine Vorrichtung 70 durch Aufstapeln von Scheiben, die in der Richtung der Scheibe 72 ausgerichtet sind, und deren Verbindung miteinander hergestellt. Diese Ausgestaltung, bei der der Durchfluss in der fertig gestellten Vorrichtung im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke (im Wesentlichen orthogonal zur Schichtbreite) ist, wird als „Ortho"ausgestaltung bezeichnet. Durch die Öffnungen 74 wird eine Reaktionskammer geschaffen, während durch die Öffnungen 76 und 78 Wärmeaustauschkanäle entstehen. Ein bedeutender Vorteil der Orthoausgestaltung ist, dass dadurch die wirtschaftliche Herstellung von Scheiben mit einer Vielzahl von Öffnungsausgestaltungen möglich ist, die zum Beispiel durch Stanzen identischer Muster in mehrere Schichten hergestellt werden könnten. Beispiele für Ausgestaltungen, die durch die Orthoausgestaltung verwirklicht werden können, sind in 4 bis 5 dargestellt.
Durch die Kombination dieser Ausführungen können gemischte Scheibenausführungen erstellt werden. Ein Beispiel ist die Halborthoausführung; Abschnitte der Scheibe sind mit Orthomerkmalen versehen, wo der Durchfluss im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke ist, und Abschnitte der Scheibe sind auch mit anderen Merkmalen versehen, wo der Durchfluss im Wesentlichen senkrecht zur Schichtdicke verläuft. Ein Beispiel für diese Ausführung der Scheibenausgestaltung ist in 4g gezeigt. Die Merkmale ganz links zeigen einen verzahnten Wärmetauscher, bei dem ein Strom (Fluid C) mit seinen eigenen Abgasen erwärmt wird (Rückgewinnungswärme) und anschließend durch eine zweite Unit Operation wie einen Reaktor fließt. Im Reaktorabschnitt macht der Durchfluss eine U-Kurve und fließt zurück in den rekuperativen Wärmetauscher, wodurch der Einlassstrom der Reaktanten vorgewärmt wird. Ein zweites Fluid (Fluid D) fließt durch die Löcher, die zusam menhängend durch jede Scheibe ausgerichtet sind und nach der Orthoausführung erstellt sind. Das Fluid D kann ein Wärmetauschfluid sein, das einer endothermen Reaktion Wärme liefert oder von einer exothermen Reaktion Wärme abführt.
Die vier Scheiben, die in 4g gezeigt sind, sind aufeinander gestapelt, zusätzlich zu weiteren ähnlichen Scheiben, wie es für die Erstellung der erforderlichen Anzahl von Kanälen erforderlich ist, um die gewünschte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu erreichen. Eine höhere Leistungsfähigkeit für eine Unit Operation erfordert den parallelen Betrieb oder die Hinzufügung von mehr Kanälen.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Durchführung von Unit Operationen an einem Fluid bereit, umfassend: Aufstapeln einer Mehrzahl von Scheiben, sodass ein zusammenhängender Fließweg durch die Scheiben gebildet wird; wobei sich der Fließweg in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Scheibendicke erstreckt; bei dem die Mehrzahl von Scheiben zumindest drei benachbarte Scheiben umfasst, durch die ein Fließweg gebildet wird, und bei dem eine gerade, unversperrte Linie durch den Fließweg in den besagten zumindest drei Scheiben existiert. Die drei Scheiben werden so angeordnet, dass eine Unit Operation an einem Fluid in dem Fließweg ausgeführt werden kann. Die Scheiben sind verbunden, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Lage ist, eine Unit Operation an einem Fluid auszuführen.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung aus einer Mehrzahl von Scheiben, zum Führen eines Fluids durch die Vorrichtung und zur Durchführung einer Unit Operation an dem Fluid bereit. Bei diesem Verfahren wird eine Mehr zahl von Scheiben derart aufgestapelt, dass ein zusammenhängender Fließweg durch die Scheiben gebildet wird. Der Fließweg verläuft im Wesentlichen parallel zur Scheibendicke. Die Mehrzahl von Scheiben umfasst zumindest drei Scheiben, durch die ein Fließweg gebildet wird, und bei dem eine gerade, unversperrte Linie durch den Fließweg in den besagten zumindest drei Scheiben existiert. Der Fließweg in den zumindest drei Scheiben vermischt sich nicht mit irgendwelchen anderen Fließwegen. Die Scheiben sind verbunden, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Lage ist, eine Unit Operation an einem Fluid auszuführen. Dann fließt ein Fluid derart in die Vorrichtung, dass ein Fluid durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt; und zumindest eine Unit Operation wird an dem Fluid ausgeführt, während es durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Durchführung einer Unit Operation an einem Fluid bereit, umfassend: Aufstapeln einer Mehrzahl von Scheiben, sodass ein zusammenhängender Fließweg durch die Scheiben gebildet wird; wobei der Fließweg im Wesentlichen parallel zur Scheibendicke ist; bei dem die Mehrzahl von Scheiben zumindest drei Scheiben umfasst, durch die ein Fließweg gebildet wird, und eine gerade, unversperrte Linie durch den Fließweg in den besagten zumindest drei Scheiben existiert; Verbinden der Scheiben, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Lage ist, eine Unit Operation an einem Fluid auszuführen; Führen eines Fluids in die Vorrichtung, sodass das Fluid durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt; und Ausführen zumindest einer Unit Operation an dem Fluid, während es durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Durchführung einer Unit Operation an einem Fluid bereit, umfassend: Aufstapeln einer Mehrzahl von Scheiben, sodass ein zusammenhängender Fließweg durch die Scheiben gebildet wird; wobei der Fließweg im Wesentlichen parallel zur Scheibendicke ist; bei dem die Mehrzahl von Scheiben zumindest drei Scheiben umfasst, durch die ein Fließweg gebildet wird, und bei dem der Fließweg in den zumindest drei Scheiben eine kleinste Ausdehnung (Höhe oder Breite) von zumindest 10 μm hat; Verbinden der Scheiben, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Lage ist, eine Unit Operation an einem Fluid auszuführen; Führen eines Fluids in die Vorrichtung, sodass das Fluid durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt; und Ausführen zumindest einer Unit Operation an dem Fluid, während es durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung aus einer Mehrzahl von Scheiben, zum Führen eines Fluids durch die Vorrichtung und zum Durchführen einer Unit Operation an dem Fluid bereit. Bei diesem Verfahren Bei diesem Verfahren wird eine Mehrzahl von Scheiben derart aufgestapelt, dass ein zusammenhängender Fließweg durch die Scheiben gebildet wird; wobei der Fließweg im Wesentlichen parallel zur Scheibendicke ist. Die Scheiben sind verbunden, um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Lage ist, eine Unit Operation an einem Fluid auszuführen; wobei die Unit Operation ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Destillation, Reaktion, Adsorption, Erwärmen, Kühlen, Komprimierung, Ausdehnung, Trennung, Absorption, Eindampfung, Kondensation und Verbindungen aus diesen. Ein Fluid fließt derart in die Vorrichtung, dass das Fluid durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt; und zumindest eine Unit Operation wird an dem Fluid ausgeführt, während es durch den Fließweg in den zumindest drei Scheiben fließt.
Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer geschichteten Vorrichtung bereit, die ein Bauteil enthält, umfassend: Aufstapeln von mindestens vier benachbarten Scheiben; wobei jede der zumindest vier Scheiben eine Öffnung umfasst; wobei die Öffnungen in jeder der zumindest vier Scheiben einen zusammenhängenden Fließweg durch jede der zumindest vier Scheiben bilden; wobei die Öffnung in jeder der zumindest vier Scheiben leer ist oder teilweise durch einen Mischvorsprung versperrt ist; und bei dem eine gerade, unversperrte Linie durch den zusammenhängenden Fließweg oder durch den zusammenhängenden Fließweg und die Mischvorsprünge existiert. Die zumindest vier Scheiben sind miteinander verbunden. Nach verwandten Gesichtspunkten umfasst die Erfindung auch eine Einrichtung, die mit diesem Verfahren hergestellt ist. Die Erfindung umfasst ferner Verfahren wie Mischen, bei denen die Einrichtung verwendet wird, die mit diesem Verfahren hergestellt ist.
Es ist festzuhalten, dass eine Öffnung wahlweise als innere Kanten einer Scheibe dargestellt werden kann, die eine Öffnung definieren, oder als eine Scheibe, die innere Begrenzungen aufweist, die eine Öffnung definieren.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung eine geschichtete Vorrichtung bereit, die Folgendes umfasst: eine erste Gruppe von Mikrokanälen, wobei jeder Mikrokanal einen Einlass und einen Auslass aufweist; ein Kopfstück, das mit den Einlässen der ersten Gruppe von Mikrokanälen verbunden ist; ein Fußstück, das mit den Auslässen der ersten Gruppe von Mikrokanälen verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst eine Kopf- oder Fußstruktur, bei der das Kopfstück eine Oberfläche aufweist, die sich zu zumindest einem Teil der Einlässe der ersten Gruppe von Mikrokanälen hin krümmt, und/oder das Fußstück eine Oberfläche aufweist, die sich zu zumindest einem Teil der Auslässe der ersten Gruppe von Mikrokanälen hin krümmt, und/oder das Fußstück eine Kuppel umfasst, die an einer Seite des Fußstücks angeordnet ist, die der mit den Ausläs sen der ersten Gruppe von Mikrokanälen verbundenen Seite gegenüber liegt, und wobei die Kuppel bezogen auf die Auslässe der ersten Gruppe von Mikrokanälen schräg steht.
Die Erfindung stellt auch eine Einrichtung zum Eindampfen von Wasser bereit, die Folgendes umfasst: einen Einlass, der zu einer ersten Gruppe von Mikrokanälen führt, in die eine Flüssigkeit hineinfließen soll; eine zweite Gruppe von Mikrokanälen, durch die eine Flüssigkeit hindurchfließen soll; wobei die erste Gruppe von Mikrokanälen an die zweite Gruppe von Mikrokanälen angrenzt; und wobei das Eindampfgerät einen Leistungskennwert aufweist. Zum Beispiel kann das Eindampfgerät einen solchen Kennwert aufweisen, dass, wenn es unter Bedingungen getestet wird, bei denen Wasser mit 1,5 ppm Summe gelöster Stoffe (Total Dissolved Solids), wobei die Summe der Stoffe zumindest 7 Ca, 15% Mg und 2% Si umfasst, durch die erste Gruppe von Mikrokanälen mit 280 psig, einer Einlasstemperatur von 210°C und einer Durchflussrate von 20 ml/min geführt wird, und einem Durchfluss von Luft mit 8 psig, 279 °C, und einer Durchflussrate von 247 Normlitern/Minute (SLPM), über 40% des Wassers siedet mit einem Anstieg des Druckabfalls von weniger als 5 psig über der ersten Gruppe von Mikrokanälen nach 1000 Stunden in Betrieb. Wahlweise oder zusätzlich könnte die Einrichtung durch einen geringen Druckabfall gezeichnet sein, sodass, wenn es bei Durchfluss von Luft mit 247 Normlitern/Minute (SLPM) und 279 °C durch die zweite Gruppe von Mikrokanälen und Wasser mit 20 ml/min und 280 psig durch die erste Gruppe von Mikrokanälen getestet wird, der Druckabfall über der ersten Gruppe von Mikrokanälen 5 psig oder weniger beträgt. Vorzugsweise sind die Mikrokanäle zumindest 1 cm (in einigen Ausführungsformen zumindest 5 cm) lang. Bei Einrichtungen und Verfahren zum Eindampfen von Wasser mit 1,5 ppm oder mehr gelösten Stoffen ist es bevorzugt, dass der Druckabfall über den Wasserkanälen um weniger als 5 psig nach 1000 Betriebsstunden zunimmt. Wahlweise oder zusätzlich könnten die Einrichtun gen oder Verfahren durch einen volumetrischen Wärmestrom von 1 W/cm³ oder mehr gekennzeichnet werden, wahlweise verbunden mit weiteren Eigenschaften wie einem geringen Druckabfall.
Nach noch einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung eine geschichtete Vorrichtung bereit, die in der Lage ist, Wärme zu einem Fluiddurchgang innerhalb der Vorrichtung hin oder von diesem weg zu übertragen, die Folgendes umfasst: einen Stapel von Scheiben, die miteinander verbunden wurden; wobei der Stapel von Scheiben ein erstes Bauteil mit den Dimensionen Höhe, Breite und Dicke umfasst; wobei zumindest ein Teil der Höhe des ersten Bauteils größer ist als 1 μm, zumindest ein Teil der Breite des ersten Bauteils größer ist als 1 μm und zumindest ein Teil der Dicke des ersten Bauteils größer ist als 1 μm; wobei Höhe, Breite und Dicke jeweils aufeinander senkrecht stehen; wobei der Stapel von Scheiben ein zweites Bauteil mit den Dimensionen Höhe, Breite und Dicke umfasst; wobei zumindest ein Teil der Höhe des zweiten Bauteils größer ist als 1 μm, zumindest ein Teil der Breite des zweiten Bauteils größer ist als 1 μm und zumindest ein Teil der Dicke des zweiten Bauteils größer ist als 1 μm, und wobei zumindest ein Teil zumindest einer der Dimensionen Höhe, Breite oder Dicke des zweiten Bauteils kleiner ist als 2 mm; wobei die Richtungen der Höhe, Breite und Dicke dieselben Richtungen sind wie für das erste Bauteil; wobei der Stapel Scheiben enthält, wobei zumindest 3 benachbarte Scheiben zumindest eine Öffnung innerhalb jeder Scheibe enthalten, wobei die Öffnungen durch Begrenzungen innerhalb jeder Scheibe definiert sind, und das zweite Bauteil innerhalb der zumindest einen Öffnung in jeder der besagten zumindest 3 benachbarten Scheiben liegt, oder durch diese Öffnung gebildet wird; und wobei sich das zweite Bauteil in den Richtungen von Höhe, Breite und Dicke nach dem ersten Bauteil richtet. Scheiben, die zur Herstellung einer solchen Vorrichtung verwendet werden könnten, sind zum Bei spiel in 5(c) und 6(c) veranschaulicht. Bauteile könnten beispielsweise Wärmetauscher, Reaktionskammern oder jede kleine Vorrichtung sein, bei der ein Wärmeaustausch erforderlich ist. Der Begriff „sich richten nach" bedeutet mehr als dass nur zwei Planare Bauteile vorliegen, das zweite Bauteil richtet sich in drei Dimensionen nach dem ersten, nicht nur in zwei Dimensionen. Die Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung dieser Vorrichtungen zum Ausführen einer Unit Operation wie einem Verfahren zur Wärmeübertragung.
Die Erfindung umfasst auch Verfahren zur Fluidverarbeitung anstatt von oder zusätzlich zu allen Verfahren, die Unit Operationen umfassen, wobei die „Fluidverarbeitung" das Mischen oder jede beliebige Unit Operation umfasst.
Selbstverständlich kann jeder Gesichtspunkt mit zusätzlichen Merkmalen kombiniert werden (wie bei Halborthoausgestaltungen) und diese sind in den zuvor beschriebenen Gesichtspunkten enthalten. Die Erfindung umfasst auch Vorrichtungen, die beliebige der jeweils einmaligen Strukturmerkmale oder Ausgestaltungen aufweisen, die hier beschrieben sind. Die Erfindung umfasst auch Verfahren, bei denen beliebige Strukturmerkmale oder Ausgestaltungen verwendet werden, die hier beschrieben sind.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einige oder alle folgenden Vorteile aufweisen: geringe Kosten, schneller Aufbau und einfache Ausgestaltung und Herstellung. Dadurch, dass durch die Verwendung von Scheiben der Orthoausgestaltung kreisförmige oder gerundete Mikrokanäle hergestellt werden können, können Mikrovorrichtungen mit hohen Druckunterschieden zwischen den Strömen betrieben werden. Der Druckunterschied kann zwischen 0 bis zu hunderten atm liegen. Eine ähnliche Ausgestaltung mit rechteckigen Mikrokanälen würde vier eckige Ecken und einen höheren Kerbfaktor aufweisen. Um diesen Kerbfaktor bei Mikrokanälen mit viereckigen Ecken zu überwinden, wäre mehr Metall zwischen den Fluidströmen oder mehr strukturelle Stützrippen im Mikrokanal erforderlich, um den Druckunterschied aufrechtzuerhalten.
Ein zusätzlicher Vorteil einiger erfindungsgemäßer Ausführungsformen ist die leichte Herstellung nichtrechteckiger Mikrokanäle bei der verzahnten Fluidausrichtung. Nicht-rechteckige Mikrokanäle wie die wellenförmigen Kanäle, die in 4c dargestellt sind, können zur Verbesserung der Wärmeübertragung vorteilhaft sein. Bei diesen Kanälen kann die Wärmeübertragung erhöht werden, indem eine Grenzschichtablösung geschaffen wird, die die Übergangszahlen für Wärmekonvektion erhöht. Höhere Wärmeströme können erreicht werden, wenn Grenzschichtablösung stattfindet. Daher sind die Scheiben der Orthoausführung, die wellenförmige oder andere unregelmäßige Merkmale erzeugen, vorteilhaft.
Ein weiterer Vorteil der Scheiben der Orthoausführung und insbesondere der nicht-rechteckigen Mikrokanäle ist die Fähigkeit, einen konformen Mikrokanal um eine Vorrichtung herzustellen, die gekühlt oder erwärmt werden muss. Ein Beispiel ist zur Kühlung von Elektronik. Ein weiteres Beispiel könnte die Erwärmung oder Kühlung einer zylinderförmigen Vorrichtung mit einem Austauscher in Orthoausführung sein. In diesen Fällen kann der konforme Mikrokanal, der auf der Grundlage der Orthoausgestaltung geschaffen wurde, unmittelbar angrenzend an den Gegenstand angeordnet werden, bei dem eine Wärmeübertragung erforderlich ist. Die verzahnte Ausführung, die in 1b beschrieben ist, könnte zur Herstellung einer konformen Anordnung von Mikrokanälen in alternierenden Scheiben auf halbkreisförmige Art (siehe US-Patentschrift 6,129,973 mit einer diesbezüglichen Zeichnung) verwendet werden, jedoch werden die Fließwege durch diese halbkreisförmigen Mikroka näle mit flachen Wänden in Rippen über dem erwünschten konformen Gegenstand ausgerichtet. Wärmeübertragung durch Rippen ist immer oder beinahe immer weniger wirksam als die Wärmeübertragung durch eine Wand, wie durch die Verwendung einer Rippeneffizienz bedeutet wird, bei der die gesamte verfügbare Oberfläche der Rippen abgezogen wird, da sie weniger wirksam als die Wand ist, die zwei Fluidströme trennt.
Ein weiterer Vorteil der Ortho-Scheibenausführung ist die Möglichkeit, eine strukturierte oder aufgeraute Oberfläche für die Wärmeübertragung herzustellen. Derartige Merkmale dienen der Trennung oder Ablösung der Grenzschicht, so dass eine erhöhte Wärmeübertragung erreicht werden kann.
Beispiele für Anwendungen verschiedener Ausführungsformen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: Kühlung der elektronischen Bauteile mit hohen Wärmeerzeugungsraten, Hochleistungsfestkörperlasersysteme, Wärmeaustausch in Mikroantriebssystemen und Mikrobrennkammern, kompakte chemische Reaktoren oder Verarbeitungssysteme, Brennstoffzellen und Klimaanlagen, bei denen die Kühlmittelkanäle nah an der Wärmequelle liegen sollen, um die erzeugte Wärme hoher Dichte abzuführen oder eine gleichmäßige feste Wandtemperatur zu erhalten.
GLOSSAR
DER FOLGENDE ABSCHNITT ENTHÄLT DEFINITIONEN VON BEGRIFFEN IN DEN ANSPRÜCHEN
Der Begriff „Verbinden" ist nicht auf das Diffusionsschweißen begrenzt, sondern umfasst jedes geeignete Verfahren zum dichten Verbinden der Scheiben.
Unter „Vorrichtungen" sind ganze geschichtete Vorrichtungen oder geschichtete Bauteile zu verstehen, die sich in einem größeren System befinden können.
Die „Ausdehnung (Höhe oder Breite)" eines Fließwegs betrifft eine Ausdehnung eines Fließwegs (ein Fließweg kann auch als Fluiddurchgang bezeichnet werden), die in einem beliebigen Querschnitt gemessen wird, der senkrecht zur Dicke ist. Kleinste Ausdehnung bedeutet, dass der Fließweg an jedem beliebigen Punkt entlang dem Weg durch die angegebene Anzahl von Schichten nicht kleiner als die angeführte Ausdehnung sein kann.
Ein „Mikrokanal" weist zumindest eine Ausdehnung von 2 mm oder weniger auf.
„Scheiben" beziehen sich auf im Wesentlichen ebene Platten oder Schichten, die jede beliebige Breite und Höhe aufweisen und vorzugsweise eine Dicke (die kleinste Ausdehnung) von 5 Millimeter (mm) oder weniger aufweisen, und bei einigen bevorzugten Ausführungsformen zwischen 50 und 1000 μm. Bei dieser Offenbarung kann auch eine Gruppe identischer Scheiben (oder Schichten), die miteinander verbunden sind, als Scheibe bezeichnet werden.
Dass eine „gerade, unversperrte Linie durch den Fließweg (oder gleichwertig Fluiddurchgang) existiert", heißt weder, dass der gesamte Fließweg gerade und unversperrt sein muss noch, dass ein Abschnitt des Fließwegs vollkommen frei von Vorsprüngen ist, sondern vielmehr, dass zumindest ein Abschnitt des Fließwegs derart gerade und unversperrt ist, sodass ein gerader Stab (mit einer endlichen Dicke, d.h. ein Stab, der nicht unendlich dünn ist) im Fließweg durch die gesamte Dicke der aufgeführten Anzahl von Scheiben angeordnet werden könnte; der Fließweg umfasst, ist jedoch nicht beschränkt auf, einen geraden und unversperrten Fließweg. Ein Fließweg, der eine Membran, einen porösen Film oder eine durchlöcherte Schicht enthält, wird nicht als „unversperrt" betrachtet.
Mit „im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke (oder Scheibendicke)" ist im Wesentlichen senkrecht zur Schichtbreite (oder Scheibenbreite) gemeint, und dass eine gewisse Krümmung oder eine geringfügige oder teilweise Abweichung von 90° in Bezug auf die Scheibenbreite zugelassen ist. Ein Fließweg, der parallel zur Scheibendicke über die Fläche einer Scheibe, durch eine Öffnung in einer angrenzenden Scheibe und hinunter zur Oberfläche einer weiteren Scheibe verläuft und wieder parallel zur Scheibendicke verläuft, ist nicht „im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke (oder Scheibendicke)"; anders ausgedrückt umfasst „im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke (oder Scheibendicke)" nicht den Durchfluss durch die Kopfstücke/Fußstücke der ersten Scheibenausführung.
„Unit Operation" bedeutet chemische Reaktion, Eindampfung, Komprimierung, chemische Trennung, Destillation, Kondensation, Erwärmung und Kühlung. „Unit Operation" bedeutet nicht lediglich Mischen oder Fluidtransport, obwohl Mischen und Transport häufig zusammen mit Unit Operationen stattfinden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1a veranschaulicht eine geschichtete Vorrichtung, bei der der Durchfluss im Wesentlichen senkrecht zur Schichtdicke ist.
1b veranschaulicht eine weitere geschichtete Vorrichtung, bei der der Durchfluss im Wesentlichen senkrecht zur Schichtdicke ist.
2 veranschaulicht eine weitere Ausführung einer geschichteten Vorrichtung, bei der der Durchfluss im Wesentlichen senkrecht zur Schichtdicke ist.
3 veranschaulicht eine Art der geschichteten Vorrichtung, die gemäß der Orthoausführung hergestellt ist.
4a veranschaulicht Ansichten von Scheiben, bei denen der dunkle Bereich Scheibenmaterial ist und die hellen Bereiche Öffnungen sind, die derart mit identischen Scheiben gestapelt werden können, dass sie röhrenförmige Kanäle bilden.
4b veranschaulicht Scheiben mit dreieckigen oder zweischalige Öffnungen, die derart gestapelt werden können, dass sie prismatische oder halbkugelförmige Kanäle bilden.
4c veranschaulicht Scheiben mit unregelmäßig geformten Öffnungen, die derart gestapelt werden können, dass sie unregelmäßig geformte Kanäle bilden.
4d veranschaulicht Scheiben mit länglichen Öffnungen, die Rippen enthalten, die derart gestapelt werden können, dass sie längliche Röhren bilden, die Rippen enthalten.
4e ist eine Darstellung einer dreidimensionalen Vorrichtung, die durch das Schichten von Scheiben der Art gebildet ist, die in der Mitte von 4d gezeigt sind.
4f veranschaulicht Scheiben mit Gruppen ovalförmiger Öffnungen, die derart gestapelt werden könnten, dass sie Gruppen ovalförmiger Röhren bilden.
4g veranschaulicht ein Halborthosystem. Bei der besonderen veranschaulichten Ausgestaltung umfasst ein Reaktor eine eingebaute Wärmerückgewinnung des Reaktanten- und Produktstroms.
5a veranschaulicht Scheiben mit Gruppen kreisförmiger Öffnungen, die derart gestapelt werden könnten, dass sie Gruppen zylinderförmiger Röhren bilden.
5b veranschaulicht Scheiben mit abwechselnden Reihen von Schlitzen und kreisförmigen Öffnungen, die derart gestapelt werden könnten, dass sie abwechselnde Reihen von zylinderförmigen Röhren und rechteckigen Schlitzen bilden.
5c veranschaulicht eine Scheibe mit einer kreisförmigen Öffnung, die umgeben ist von konformen Halbkreisen, die derart gestapelt werden könnten, dass sie eine zylinderförmige Röhre bilden, die an konforme halbkugelförmige Durchgänge angrenzt.
6a bis 6b veranschaulichen die Kondensation in einem gekrümmten und geraden Kanal gleichen Durchmessers.
6c veranschaulicht ein gekrümmtes Kopfstück oder Fußstück eines Mikrokanals.
7a ist eine Explosionsdarstellung eines Reaktors, der aus Scheiben gebildet ist.
7b bis 7d sind gerade Ansichten von Scheiben in dem Reaktor, der in 7a veranschaulicht ist.
8a veranschaulicht 3 Scheiben mit kreisförmigen Öffnungen, die jeweils durch eine auf verschiedene Winkle gedrehte Rippe halbiert sind. Wenn sie aufgestapelt werden, bilden die Scheiben einen feststehenden Mischer.
8b veranschaulicht einen Block mit einer zylinderförmigen Öffnung und einem spiralförmigen Einsatz, der in der zylinderförmigen Öffnung angeordnet werden kann, um einen feststehenden Mischer zu bilden.
9a veranschaulicht eine Explosionsdarstellung einer geschichteten Vorrichtung, die aus Scheiben mit Öffnungen mit Randmerkmalen hergestellt ist, die sich mit Scheiben abwechseln, die glatte Ränder aufweisen. Es ist auch die gerade Ansicht 711 (einen Kanal hinunter) und der Querschnitt 713 dargestellt, die keine Explosionsdarstellungen sind.
9b veranschaulicht eine Explosionsdarstellung einer geschichteten Vorrichtung, die aus benachbarten Scheiben mit Öffnungen mit Randmerkmalen hergestellt ist. Es ist auch die gerade Ansicht 721 (einen Kanal hinunter) und der Querschnitt 723 dargestellt, die keine Explosionsdarstellungen sind.
9c veranschaulicht eine Dampfblase, die auf einer Fläche mit Randmerkmalen gebildet ist.
10a veranschaulicht eine Eindampfvorrichtung.
10b veranschaulicht eine Scheibe, die wiederholt aufgestapelt werden kann, um einen Eindampfkörper zu bilden.
10c veranschaulicht Scheiben, die verwendet werden, um ein Kopfstück zum Lenken von flüssigem Wasser in einen Eindampfkörper zu bilden.
10d veranschaulicht Scheiben, die verwendet werden, um ein Fußstück zum Auffangen von Wasserdampf aus einem Eindampfkörper zu bilden.
10e bis 10i veranschaulichen eine Kopfstück- und/oder Fußstückausgestaltung, die für einen Lufteinlass und/oder -auslass in einem Eindampfgerät verwendet werden könnte.
11 ist eine grafische Darstellung von Daten der Leistung eines Eindampfgeräts in Abhängigkeit von der Zeit.
12 zeigt einen Stapel aus 4 Scheibengruppen, die geschnitten werden können, um 4 Eindampfkörper zu bilden.
13 veranschaulicht eine Scheibengruppe zum Herstellen einer Vorrichtung für Operationen mit Fluiden bei verschiedenen Drücken.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
4 bis 5 veranschaulichen einige Scheiben, die geschichtet werden können, um Vorrichtungen (einschließlich Bauteilen in Vorrichtungen) zu bilden; es sollte sich verstehen, dass die Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen, die Erfindung sollte nicht als beschränkt auf die veranschaulichten Ausführungsformen verstanden werden. Die Vorrichtungen (einschließlich Bauteilen) wären schwer oder unmöglich zu konstruieren, wenn herkömmliche Scheibenausgestaltungen für Schichtungsverfahren verwendet werden würden.
Die Scheiben in 4(a) weisen Reihen der kreisförmigen Öffnungen 402, 404 und 406 auf. Bei einer üblichen Operation weisen zumindest zwei der Reihen eine unterschiedliche Temperatur auf. Die entstehenden röhrenförmigen Kanäle bieten eine erhöhte Druckbeständigkeit, Festigkeit und Rissbeständigkeit. Wie bei allen Ausgestaltungen, die hier beschrieben sind, sind sie besonders gut geeignet zur Verwendung in Mikrovorrichtungen. Zum Beispiel kann jeder röhrenförmige Kanal einen Querschnittsdurchmesser von vorzugsweise kleiner als 5 mm und besser von kleiner als 2 mm aufweisen.
4b veranschaulicht eine Anordnung, die besonders geeignet zum Wärmeaustausch ist. Die dreieckigen Kanäle 412 haben auf allen drei Seiten benachbarte Kanäle 414. Daher kann, wenn 412 eine andere Temperatur als die Kanäle 414 aufweist, eine sehr wirksame Wärmeübertragung erreicht werden. Auch können in einfacher Weise diagonale Wände für die Wärmeübertragung gestaltet werden, welche durch eine große Oberfläche zwischen den heißen 420 und den kalten 422 Kanälen verstärkt wird.
4c veranschaulicht die unregelmäßig geformten Öffnungen 430 und 433. Die Öffnung 433 ist ausgebogen. Die entstehenden Kanäle können eine größere Oberfläche für die Wärmeübertragung, die Trennung wie Sorption und/oder die Katalyse (und bei einigen Ausführungsformen turbulente Strömung) bereitstellen. Zum Beispiel könnte der Kanal 433 (gebildet durch Aufstapeln mehrerer Scheiben) mit einer Katalysatorzusammensetzung (zum Beispiel einem Aluminiumoxid-Washcoat gefolgt von einer Metallimprägnierung oder Oberflächenbeschichtung, nicht gezeigt) beschichtet sein, während der Kanal 430 ein Wärmeaustauschkanal ist. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen weisen die Scheiben zumindest 2 unregelmäßig geformte (d.h. nicht rechteckige, keine regelmäßig wellenförmigen usw.) Öffnungen mit übereinstimmenden benachbarten Flächen wie 435, 437 auf – und geschichtete Vorrichtungen mit Kanälen mit entsprechenden Eigenschaften.
4d zeigt die Öffnungen 440, 442, 444 und die Rippen 441, 443, 445. In dieser Figur können die im Allgemeinen länglichen Öffnungen derart angeordnet werden, dass sie sich von links nach rechts, heiß-kalt-heiß usw. abwechseln.
4e ist eine dreidimensionale Darstellung einer Vorrichtung, die entsteht, wenn die Scheiben, die in der mittleren Darstellung von 4(d) gezeigt sind, aufgestapelt werden. Die Scheiben können mit identischen Scheiben, mit abwechselnden Ausgestaltungen oder gemischt mit weiteren ausgewählten oder zufälligen Mustern aufgestapelt werden. Im Allgemeinen ist durch die Orthoausgestaltung je nach den gewünschten Eigenschaften der Vorrichtung ein einfaches Aufstapeln identischer oder unterschiedlicher Scheiben (jede Art von Scheiben, die Öffnungen enthalten) möglich, vorausgesetzt, dass die Scheiben mit einigen ausgerichteten Öffnungen für den Fluiddurchfluss versehen sind.
4f veranschaulicht eine Scheibe mit mehreren Öffnungen 450, 452 für eine größere Oberfläche. Die Gruppen der Öffnungen 454, 456 können mit verschiedenen Temperaturen zwischen den Gruppen betrieben werden.
4g veranschaulicht eine Halborthoausgestaltung für einen Reaktor, der eine eingebaute Wärmerückgewinnung des Reaktanten- und Produktstroms umfasst. Die Öffnungen 462 im Reaktorabschnitt sind in der Orthoausführung hergestellt, bei der der Durchfluss im Wesentlichen parallel zur Schichtdicke ist. Die Schlitze 464 im Reaktorabschnitt sind derart ausgerichtet, dass ein offener Strömungskanal entsteht und der Durchfluss ist im Wesentlichen parallel zur Schichtbreite. Die Öffnungen 466 im Wärmeaustauschabschnitt (z.B. ein Vorwärmabschnitt) und die Wände sind verzahnt, um einen rekuperativen Austauscher zu schaffen, bei dem der Durchfluss im Wesentlichen parallel zur Schichtbreite ist. Die Reaktionskanäle 464 sind ein Beispiel für eine Quasiorthoausgestaltung, die einen weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform gibt es mehrere (zumindest drei) Kanäle, durch die eine gerade, unversperrte Linie existiert (die veranschaulichte Ausführungsform weist einen durchgehenden, offenen Kanal auf). Die Ausgestaltung des Reaktorkanals (an sich) ist keine Orthoausgestaltung, da der Durchfluss durch den Kanal im Wesentlichen parallel zur Schichtbreite ist. Durch diese Ausgestaltung ist eine Kommunikation mit einer gewissen Vermischung zwischen mehreren Scheiben möglich, jedoch ist der Durchfluss im Wesentlichen parallel zur Schichtbreite. Diese Ausgestaltung demonstriert auch eine allgemeine Herangehensweise, um Unit Operationen in einer Vorrichtung zu integrieren.
5a ist eine ähnliche Anordnung wie 4f, jedoch mit kreisförmigen Öffnungen. 5b zeigt eine Scheibe mit abwechselnden Reihen von Löchern 510 und Schlitzen 512. Ein Vorteil des Mischens geometrischer Formen wie Löcher und Schlitze kann bei Ausführungsformen verwirklicht werden, bei denen ein größerer offener Bereich für einen Fließweg erwünscht ist und es dennoch auch einen hohen Druckunterschied zwischen den Strömen gibt. Ein größerer offener Bereich kann vorteilhaft zum Zufügen eines Katalysators oder zum Vergrößern des offenen Durchflussbereichs und damit durch Verringerung des Druckabfalls sein.
5c veranschaulicht eine Scheibe, die verwendet werden kann, um ein erstes Bauteil (in diesem Fall eine kreisförmige Öffnung 520) mit einem konformen zweiten Bauteil (in diesem Fall eine halbkreisförmige Öffnung 522) zu bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Scheiben aufgestapelt, um eine zylinderförmige Röhre zu bilden, in die ein Katalysator zugegeben wird, um eine Reaktionskammer zu bilden. Das konforme zweite Bauteil kann ein Wärmeaustauschkanal oder eine zweite Reaktionskammer sein, die derart ausgestaltet ist, dass eine Reaktion durchgeführt wird, die die entgegengesetzte Thermizität aufweist (zum Beispiel eine endotherme Reaktion, wenn die Reaktion in der zylinderförmigen Röhre exotherm verläuft).
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfassen gewünschte Scheiben eine oder mehrere der folgenden Formen, die in einer Scheibe ausgebildet sind: Quadrat, Rechteck, Parallelogramm, Kreis, Dreieck, unregelmäßige Formen (d.h. Formen ohne Symmetrie oder sich wiederholenden Einheiten), Wellenformen, Rechtecke oder Quadrate oder Dreiecke mit gerundeten Ecken und Ovale. Diese Scheiben können aufgestapelt und verbunden werden, damit sie dreidimensionale Öffnungen (Röhren) in Formen wie Zylinder, Prismen und Wellen bilden. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen werden 3 oder mehr identische Scheiben angrenzend aneinander aufgestapelt. Bei Hochdruckanwendungen sind zylinderförmige Röhren besonders bevorzugt. Für eine gute Wärmeübertragung ist es wünschenswert, dass Wärmeaustauschkanäle in Anordnungen gestaltet werden, durch die der Oberflächenkontakt zu den Bereichen einer Vorrichtung auf einen Höchstwert gebracht wird, bei denen eine Wärmeübertragung erforderlich ist – Beispiele könnten integrierte endotherme/exotherme Reaktoren, Eindampfgeräte, Rekuperatoren usw. sein. Es ist für die Wärmeübertragung wünschenswert, dass eine Scheibe eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung umfasst, deren Form sich nach der der ersten Öffnung richtet; Beispiele umfassen 2 wellenförmige Öffnungen, die durch einen gleich bleibenden Abstand getrennt sind, einen Kreis und einen Bogen, der einen Abschnitt des Kreises umgibt, und zwei dreieckige Öffnungen, die mit den Grundflächen zueinander angeordnet sind.
Gekrümmte Kanäle können bei verschiedenen geschichteten Vorrichtungen wünschenswerte Eigenschaften aufweisen. Der Durchfluss in einem gekrümmten Kanal weist einen hohen Geschwindigkeitsanteil nahe der Wand zur konkaven Seite auf. Bei der Anwendung eines Fluidmischers wie für einen chemischen Reaktor, einen Fluidphasentrenner oder eine Arzneimittelverteilvorrichtung wird durch dieses Fließmuster auch der Mischvorgang durch eine höhere Stoffdurchgangsrate verbessert.
Bei einer zweiphasigen erzwungenen Konvektion wie beim Mikrokanalkondensator trägt der gekrümmte Strömungsdurchgang zum Übergang von der trägen Strömung zu einem geschichteten oder ringförmigen Strömungsregime bei, um einen getrennten Dampfdurchgang zu bilden, wie es in 6a gezeigt ist. Jedoch wird in einem geraden Strömungskanal, wenn die Größe des Kanalspalts auf einen ausreichend niedrigen Wert gesenkt wird, durch die Kapillarkraft der Flüssigkeitsspiegel derart erhöht, dass sich eine Flüssigkeitsbrücke bildet und den gesamten Kanal versperrt, sodass die Strömung ein träges Strömungsregime erreicht, wie in 6b gezeigt ist. Bei der trägen Strömung löst die Kapillarwirkung einen zusätzlichen Druckabfall aus und erhöht den Wärmewiderstand der Kondensation durch den Erhalt eines verhältnismäßig großen und dicken Flüssigkeitsfilms und eine niedrigere Dampfgeschwindigkeit. Ein Hauptziel bei der Ausgestaltung von Kondensatoren ist die schnelle Entfernung des Kondensationsprodukts von der Oberfläche und der Erhalt des Dampf-Wand-Kontakts, ein gekrümmter Mikrokanal liefert bei einigen Fließbedingungen und geometrischen Gegebenheiten eine bessere Möglichkeit, die Flüssigkeit auf eine Seite zu befördern und den Weg für den Dampf freizumachen.
Da ein gerades Kopfstück oder Fußstück ungleichförmige Strömungsverteilungen oder schwer wiegende Fehlverteilungen der Strömung sowie unerwünschte Druckabfallprofile liefert, kann die Leistung verbessert werden, indem das Kopfstück und das Fußstück mit verschiedenen Querschnittsflächen hergestellt werden. 6c veranschaulicht den Querschnitt einer geschichteten Vorrichtung, die hergestellt werden könnte, indem zuerst Scheiben gebildet werden, die sowohl die Bereiche A als auch B umfasst, beispielsweise durch eine Orthoausgestaltung mit Scheiben, die in der Fließrichtung und senkrecht zu der Papierebene ausgestaltet sind, und mit gekrümmten Kopfstücken (oder Fußstücken) 604, 606 verbunden sind (beispielsweise durch Diffusionsschweißen), die durch Schichtung identischer Scheiben, die gekrümmte Öffnungen aufweisen, in einer Nichtorthorichtung hergestellt werden könnten. Der Druckabfall am Eingang aufgrund der Verengung und der scharfen Biegung vom Kopfstück in die Abzweigkanäle wird verringert durch den glatten Kanaleingang, der durch gekrümmte Scheiben gebildet ist. Das gekrümmte Kopfstück (oder Fußstück) 606 sorgt auch für Flexibilität, damit den Kanälen des Wärmetauschers getrennt Fluid zugeführt werden kann, an denen sich die Wärmebelastung deutlich von den anderen Kanälen unterscheidet und eine abweichende Durchflussrate erforderlich ist, insbesondere wenn der Raum durch andere Bauteile behindert ist. Die gekrümmten Kanäle können einen Übergangsbereich zwischen einem chemischen Reaktor (zum Beispiel in Bereich A) und einem Rekuperator (Bereich B) bilden, der die Ströme, die an einer Reaktion teilnehmen, erwärmt oder kühlt oder die Wärme des Produkts zurückgewinnt.
Geschichtete Vorrichtungen mit Orthoausgestaltungen, die gebildet sind durch Öffnungen durch Scheiben mit Randmerkmalen am Öffnungsrand, das heißt an der inneren Begrenzung, die durch die Ränder der Öffnung gebildet ist, können gegenüber Öffnungen ohne Randmerkmale bedeutende Vorteile bieten. Öffnungen mit Randmerkmalen sind in 9a bis 9c gezeigt. Ein Randmerkmal ist eine Struktur an der Begrenzung einer Öffnung, durch die zumindest eine 0,1%-Veränderung, besser zumindest eine 1%-Veränderung des Durchmessers einer Öffnung bewirkt wird. Wenn zum Beispiel die Begrenzung einer Öffnung einen Durchmesser von 1 cm und glatte Ränder aufweist bis auf eine Erhebung, die 0,05 mm von der Begrenzung vorsteht, ist diese Erhebung kein Randmerkmal, jedoch wäre eine Erhebung von 0,1 mm ein Merkmal. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen sind zumindest 20%, besser zumindest 50% und bei einigen Ausführungsformen zumindest 90% oder 100% des Umfangs einer Begrenzung um eine Öffnung mit Randmerkmalen besetzt. Begrenzungen, bei denen 100% ihres Umfangs mit den Randmerkmalen 712, 722 besetzt sind, sind in 9a und 9b gezeigt. Die Randmerkmale können jede beliebige Form aufweisen und könnten beispielsweise Quadrate (in 9a und 9b ge zeigt), Dreiecke, Kreise, Rechtecke usw. sein. Eine besonders bevorzugte Form ist in 9c dargestellt, bei der Vorsprünge dargestellt sind, bei denen der Querschnittsdurchmesser der Grundfläche (die an der Begrenzung befestigt ist) schmaler ist als der Querschnittsdurchmesser eines Teils des Vorsprungs, der vom Rand der Öffnung (also von dem Durchschnittsdurchmesser der Öffnung) vorsteht. Die Scheiben mit Öffnungen mit Randmerkmalen können zusammengestapelt werden, wobei jedes Merkmal an ein entsprechendes Merkmal angrenzt und so einen Kanal oder eine Nut bildet (siehe zum Beispiel 9b) oder angrenzend an Scheiben ohne entsprechende Merkmale gestapelt werden, um Vorsprünge an der Wand eines Kanals (oder einer Kammer) zu bilden (siehe zum Beispiel 9a).
Bei Einphasenstoff- und -wärmetauschern zerstört die geriffelte Oberfläche, die durch die Scheiben gebildet wird, die in 9a dargestellt sind, die Ausbildung einer Temperaturgrenzschicht in einer laminaren Strömung, bildet den Bereich des starken Temperaturgradienten (verdünnte Grenzschicht) und verbessert weiter den Vorgang der Stoff- und Wärmeübertragung. Im turbulenten Strömungsregime erhöht diese Struktur die turbulente Vermischung. Eine größere Wärmeübertragungsfläche ist charakteristisch für die strukturierte Mikrokanaloberfläche.
Bei Wärmetauschern, bei denen es zum Strömungssieden kommt, führt die Bildung von Dampfblasen auf einer glatten Oberfläche eines Mikrokanals zu einer hohen Gefahr der Ausbildung von überhitzten Stellen mit hoher Güte aufgrund des Austrocknens des dünnen Flüssigkeitsfilms unter der Dampfblase. Eine strukturierte Kanaloberfläche aus Scheiben, die in 9a gezeigt sind, verringert die Wahrscheinlichkeit dieses Problems durch die verbesserte Flüssigkeitszufuhr zum Boden der Blase, wie es in 9c dargestellt ist. Durch die Mikrostruktur der Nuten und Riffelungen nimmt die Flüssigkeitsströmung zum Boden der Blase, getrieben durch die Kapillarkraft, zu. Durch eine vorstehende Struktur wie in 9c wird der feste Wandbereich unter der Blase und im Berührungsbereich mit der Flüssigkeit vergrößert, wodurch der Eindampfungsvorgang wirksamer als bei einer glatten Fläche ist. Damit wird die Gesamtwärmeübertragung deutlich verbessert, mit einer niedrigeren Wandtemperatur und einem höheren Wärmestrom verglichen mit einer glatten Fläche.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung eine geschichtete Vorrichtung bereit, die einen feststehenden Mischer umfasst wie den, der in 8a und 8b veranschaulicht ist. 8a zeigt die drei Scheiben 802, 804 und 806. Jede Scheibe weist eine Öffnung 808 auf, die durch einen Streifen 812 halbiert ist. Die veranschaulichten Scheiben weisen einen mittig gelegenen Streifen auf; es sollte jedoch erkannt werden, dass der Streifen jeder beliebige Vorsprung in der Öffnung sein könnte und nicht mittig liegen muss. Für eine gute Vermischung sollte jeder Vorsprung zumindest 5% über den Öffnungsdurchmesser vorstehen. Der/die Vorsprünge (einschließlich Streifen) sollten sich an unterschiedlichen Stellen auf zumindest 3 Scheiben befinden, die miteinander verbunden sind, sodass die Öffnungen einen Fließweg bilden. Vorzugsweise sollten die zumindest 3 Scheiben benachbart sein. 8b veranschaulicht einen weiteren Mischer 820, bei dem ein Mischeinsatz wie die Feder 822 in ein Loch 824 in einer geschichteten Vorrichtung eingesetzt wird. Vorzugsweise ist die geschichtete Vorrichtung durch das Orthoverfahren gebildet. Der Mischeinsatz kann jede Struktur sein, die Ströme dazu bringt, sich zu kreuzen und damit zu vermischen. Bevorzugte Strukturen sind schraubenförmige, Doppelwendel-, spiralförmige, alternierend spiralförmige Muster und Ähnliches.
Bevorzugte Werkstoffe für die Scheiben sind je nach den erwünschten Eigenschaften Kunststoff, Metall, kerami sche Werkstoffe, Gläser und Verbundwerkstoffe. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Scheiben aus einem nicht porösen Werkstoff, obwohl sie wahlweise mit einem porösen oder teilweise porösen Werkstoff ausgearbeitet werden könnten. Das Vorhandensein von Öffnungen für Fluidströmungen und Unit Operationen wurde bereits hervorgehoben; jedoch sollte anerkannt werden, dass die Scheiben auch zusätzliche Merkmale wie Kopfstücke und Verbindungsstücke (zum Beispiel Einlässe und Auslässe zu Fluidleitungen) zum Verbinden der erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit weiteren Vorrichtungen, Fluidquellen, Reaktoren usw. enthalten können sowie Ausrichtlöcher, die verwendet werden, um Scheiben vor dem Verbinden auszurichten. Außerdem können Bauteile (zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Katalysatoren, Mischer und Sorbentien) in die Öffnungen eingesetzt werden. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist die Fläche jeder einzelnen Öffnung (wie einer Öffnung, die die Begrenzung eines Fließwegs definiert) kleiner als 20 cm²; und bei einigen Ausführungsformen liegt die Fläche jeder einzelnen Öffnung im Bereich von 10^–8 bis 10^–2 m². Zum Beispiel könnte eine Öffnung bis zu 80 cm breit und 0,25 cm stark sein oder viel kleiner.
Die Scheiben, die Öffnungen enthalten, können mithilfe von Verfahren geformt werden, umfassend: herkömmliche maschinelle Bearbeitung, Drahterodieren, Laserschneiden, photochemische Bearbeitung, elektrochemische Bearbeitung, Formen, Wasserstrahlschneiden, Stanzen, Ätzen (beispielsweise chemisches, photochemisches und Plasmaätzen) und Kombinationen davon. Stanzen ist besonders wünschenswert, wenn geringe Kosten erwünscht sind. Die Scheiben können durch Diffusionsschweißverfahren wie einer Presse oder einer HIP-Kammer miteinander verbunden werden. Sie können auch durch reaktives Metallverbinden oder andere Verfahren miteinander verbunden werden, durch die eine flächige Abdichtung entsteht. Die Scheiben können auch durch Laserschweißen verbunden werden. Die Vorrichtungen könnten wahlweise durch Verwendung von Klebstoffen verbunden werden. Bei bevorzugten Ausführungsformen werden die Vorrichtungen in einem einzigen Schritt geschichtet, bei weniger bevorzugten Ausführungsformen wird eine erste Gruppe von Scheiben miteinander verbunden und anschließend mit einer zweiten (oder mehreren) Gruppe von Scheiben verbunden. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen wird eine Gruppe von Scheiben in einem einzigen Schritt miteinander verbunden und anschließend wird der entstehende verbundene Gegenstand in mehrere Vorrichtungen zerschnitten.
Die Orthoausgestaltung kann zur Herstellung einer Vielzahl integrierter Vorrichtungen eingesetzt werden. Einige nicht einschränkende Beispiele für Vorrichtungen umfassen: chemische Reaktoren (wie ein Dampfreformer, ein integrierter Reformer/Brennkammer usw.), Phasenänderungseinrichtungen wie Kondensatoren oder Eindampfgeräte, chemische Abscheider wie Destillationsgeräte, Temperatur- oder Druckwechsel- Adsorptionsverfahren und gezielte Trennungen mithilfe von Membranen und chemische Nachweisvorrichtungen oder Analysevorrichtungen. Fluiddurchgänge können Stoffe wie Katalysatoren (bei einigen bevorzugten Ausführungsformen sind Katalysatoren zwei verschiedener Arten in benachbarten Fluiddurchgängen angeordnet), Adsorptionsmittel, Absorptionsmittel und Wärmetauschfluide (wie Wasser, flüssige Metalle usw.) enthalten. Damit ist eine Fülle von Stoffen vorhanden, die in den Fluiddurchgängen angeordnet werden könnten. Beispiele für nur einige dieser Stoffe, die in den Fluiddurchgängen verwendet werden könnten, umfassen Metallschichten (die zum Beispiel Ni, Pd usw. umfassen) und Katalysatormetalle auf einem metallischen oder Oxidträger. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen sind ein, zwei oder mehrere Durchgänge für Wärmetauschfluide vorhanden (die während des Betriebs ein Wärmetauschfluid enthalten würden), die an einen, zwei oder mehrere Fluiddurchgänge angrenzen, die Katalysatoren, Adsorptionsmittel oder Absorptionsmittel enthalten. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen findet eine exotherme Reaktion in einem Fluiddurchgang statt, während in einem benachbarten Fluiddurchgang eine endotherme Reaktion stattfindet.
Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen werden die Vorrichtungen aus Gründen der Einfachheit und des einfachen Aufbaus mit 30 oder weniger, besser 10 oder weniger verschiedenen Scheibenausgestaltungen hergestellt. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen verläuft die Strömung durch jeden Teil der Vorrichtung im Wesentlichen in Orthorichtung (außer bei Kopfstücken und Fußstücken). Bei anderen Ausgestaltungen enthält eine Vorrichtung sowohl Ortho- als auch Nichtorthofließwege. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen sind Ortho- und Nichtorthowege getrennte Fließwege. Bei einigen anderen Ausführungsformen enthält derselbe Fließweg Abschnitte mit Orthodurchfluss durch zumindest 3 (oder zumindest 5) benachbarte Scheiben und Nichtorthodurchfluss durch zumindest 1 (oder zumindest 3 benachbarte) Scheiben. Zum Beispiel könnte bei einigen Vorrichtungen eine Strömung (anders ausgedrückt ein Fließweg) durch zumindest 3 (oder zumindest 5) benachbarte Scheiben in Orthorichtung verlaufen, gefolgt von einer Strömung in Nichtorthorichtung durch zumindest 1 (oder zumindest 3 benachbarte) Scheiben und wieder einer Strömung durch zumindest 3 (oder zumindest 5) benachbarte Scheiben in Orthorichtung.
Die Erfindung kann auch durch bestimmte Eigenschaften wie die Fähigkeit gekennzeichnet werden, Druckunterschieden zwischen inneren Fluiddurchgängen standzuhalten. Zum Beispiel arbeitet ein Hochdruckeindampfgerät mit einem Druckunterschied von 272 psig und bei Temperaturen von über 210 °C, der nur durch eine 500 Mikrometer starke Wand getrennt ist, die vollständig aus Edelstahl 316 besteht.
Die Druckstabilität wird ermöglicht durch die Verwendung von Mikrokanälen mit versetzten Rippen und gerundeten Ecken. Damit sind die erfindungsgemäßen Vorrichtungen oder Verfahren bei einigen bevorzugten Ausführungsformen durch die Fähigkeit gekennzeichnet, Druckunterschieden zwischen benachbarten Kanälen von zumindest 100 psig (pounds per square inch gauge) je 1000 Mikrometer Stegdicke, die die Kanäle trennt, besser zumindest 200 psig/1000 Mikrometer und noch besser zumindest 500 psig/1000 Mikrometer standzuhalten und/oder bei diesen Druckunterschieden zu arbeiten. Ausgestaltungsmerkmale wie gerundete Ecken und/oder versetzte Stützen sind für das Standhalten bei diesen Druckunterschieden nützlich.
Die Erfindung stellt auch Verfahren bereit, bei denen beliebige Ausgestaltungen verwendet werden, die hier beschrieben sind. Eine Auflistung nicht einschränkender Beispiele für Verfahren umfasst: Destillation, Reaktion, Adsorption, Erwärmen, Kühlen, Komprimierung, Ausdehnung, Trennung, Absorption, Eindampfung, Kondensation und Verbindungen aus diesen. Beispiele für Katalysatoren, Reaktionen, Verfahrensbedingungen und -parameter (zum Beispiel Erträge) und Reaktortypen, die auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung angewendet werden können, sind in der US-Patentanmeldung 09/640,903 beschrieben, die hier einbezogen ist, als ob sie im Folgenden wiedergegeben wäre.
BEISPIELE
Beispiel 1
Ein integrierter Reaktor 300 für endotherme Reaktionen und exotherme Reaktionen wurde unter Verwendung der Orthoscheibenausführung ausgestaltet, bei der der Durchfluss im Wesentlichen parallel zur Dicke der Scheibe ist. Eine Scheibe ist definiert als dünne Platte aus Metall, Kunststoff, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff. Die Dicke der Scheibe kann zwischen 50 Mikrometer und 5000 Mikrometer liegen. Ein bevorzugter Bereich der Scheibendicke ist 250 Mikrometer bis 2000 Mikrometer. Mikrokanäle können durch das Zusammensetzen von Scheiben mit ausgerichteten Merkmalen gebildet werden. Ein Merkmal ist ein ausgeschnittener Bereich in der Scheibe, der Formen umfasst wie, jedoch nicht beschränkt ist auf: Dreiecke, Quadrate, Rechtecke, Parallelogramme, Wellenformen, unregelmäßige Formen, Formen mit gerundeten Ecken, Dreiecke und Verbindungen davon.
Die grundlegende Ausgestaltung des integrierten endothermen und exothermen Reaktors in Orthoausführung ist in 7a dargestellt. Die Merkmale, die in diese Scheibe geschnitten sind, sind Schlitze und Löcher. Nach der Ausrichtung von 230 Scheiben, die jeweils 0,02 Zoll (0,05 cm) stark sind, werden fünf Schlitze für die endotherme Reaktionskammer gebildet. Einige dieser Scheiben werden außerhalb des Reaktionsabschnitts verwendet, um den Strom zu verteilen und auszurichten. Jeder Reaktionsschlitz ist 1,5 Zoll (3,8 cm) breit und 2 Zoll (5 cm) lang. Innerhalb dieses Schlitzes wird ein Katalysator von der Seite her eingesetzt, nachdem maschinell offene Zugangsschlitze hergestellt wurden. Nach der Ausrichtung und dem Verbinden der Scheiben werden auch 5,1 cm lange Löcher für die exotherme Reaktion gebildet. Diese Geometrie ist ausgewählt, um einen Druckunterschied zwischen den Strömen zu ermöglichen, wobei die exotherme Reaktion, z.B. Verbrennung, bei einem niedrigeren Druck in den Löchern erfolgt als die endotherme Reaktion in den Schlitzen. Ein Beispiel für eine endotherme Reaktion, die bei dieser Ausgestaltung verwendet werden kann, ist das Dampfreformieren von Methan. Wahlweise kann ein Verbrennungskatalysator eingesetzt oder auf die Wände der Löcher aufgetragen werden. Alternative Ausgestaltungen könnten erlauben, den Katalysator nach dem Verbinden zuzusetzen. Es ist nur eine Scheibenausgestaltung erforderlich, um den Kern des Reaktors herzustellen. Zusätzliche Scheiben verteilen und verbinden die Ströme aus Einlassrohren zu den Schlitzen oder Löchern im Reaktor hin. Die Scheiben und entsprechenden Merkmale und die Ströme sind beginnend bei der Verbindung zu den Einlassrohren beschrieben.
Die Deckscheibe 302 weist getrennte Öffnungen für beide Reaktanten der exothermen Reaktion auf, beispielsweise ein Brennstoff und Luft. Die Deckscheibe enthält auch eine Öffnung für das endotherme Reaktionsgemisch. Die Öffnung ganz links ist für den Brennstoff. Die nächsten beiden Öffnungen 306 weiter rechts sind für die Luft. Die beiden Öffnungen 308 auf der rechten Seite der Deckscheibe sind für das endotherme Reaktionsgemisch. Auf diese Deckscheibe können für jeden der drei Ströme Rohrverbindungen geschweißt werden. Die Dicke dieser Scheibe oder Deckplatte beträgt 0,25 Zoll (0,64 cm).
Die nächste Scheibe 310 wird für die Verteilung der Ströme verwendet. Die Scheibe 310 besteht aus 20 Scheiben, die jeweils 0,02 Zoll (0,05 cm) stark sind. Der Brennstoff fließt durch diese Scheibe zur nächsten benachbarten Scheibe. Sowohl die Luft als auch das endotherme Reaktionsgemisch strömen in dieser Anordnung ähnlicher Scheiben lateral, um den Durchfluss gleichmäßig über die Scheibenfläche zu verteilen. Luft und ein endothermes Reaktionsgemisch strömen durch die sich abwechselnden Kanäle 312, 314.
Die Scheibe 320 wird für die Verteilung der Ströme verwendet. Die Scheibe 320 besteht aus 1 Scheibe, die 0,02 Zoll (0,05 cm) stark ist. Der Brennstoff fließt durch diese Scheibe zur nächsten benachbarten Scheibe. Die kleinen Löcher 322 stellen eine Stauscheibe zur Bereitstellung eines ausreichenden Gegendrucks zur gleichmäßigen Verteilung der Fluide in den angrenzenden Scheiben dar.
Die Scheibe 330 umfasst die Schlitze 332, 334 für die Luft sowie das endotherme Reaktionsgemisch. Der Durchfluss ist nun gleichmäßiger über jeden Schlitz verteilt. In dieser Scheibe ist auch ein Durchgangsloch für den Brennstoff enthalten. Die Scheibe 330 besteht aus 1 Scheibe, die 0,02 Zoll (0,05 cm) stark ist.
Die Scheibe 340 enthält Löcher und Schlitze. Das endotherme Reaktionsgemisch strömt von den Schlitzen 332 in der Scheibe 330 in die Löcher 342 in dieser Scheibe. Löcher werden verwendet, um den Hochdruckstrom besser einzuschließen. Die Verbrennungsluft strömt weiter in den Schlitzen 344. Der Brennstoff strömt weiter durch die Durchgangslöcher 346 auf der rechten Seite der Scheibe. Die Scheibe 340 besteht aus 1 Scheibe, die 0,02 Zoll (0,05 cm) stark ist.
Die Scheibe 350 wird verwendet, um den Brennstoff über die Fläche der Scheibe zu verteilen. Der Brennstoff strömt von der Öffnung 352 auf der rechten Seite der Scheibe aus und verteilt sich durch die Schlitze 354, die an die Luftschlitze 355 angrenzen. Das endotherme Reaktionsgemisch strömt weiter durch die Löcher 352. Die Scheibe 350 besteht aus 20 Scheiben, die jeweils 0,02 Zoll (0,05 cm) stark sind.
Die Scheibe 360 wird verwendet, um den Brennstoff und die Verbrennungsluft zu vermischen. Das Mischen findet in den länglichen kurzen Löchern 362 statt, die über dem Brennstoffschlitz 354 und dem Luftschlitz 355 liegen. Das endotherme Reaktionsgemisch strömt weiter durch die Löcher 366. Die Scheibe 360 besteht aus 1 Scheibe, die 0,02 Zoll (0,05 cm) stark ist.
Die Scheibe 370 wird verwendet, um die Durchflussöffnung des Verbrennungsstroms auf in etwa oder unter den Auslöschdurchmesser zu verringern, um die Verbrennung mit homogener Flamme auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Die Scheibe 370 besteht aus 20 Scheiben, die jeweils 0,02 Zoll (0,05 cm) stark sind.
Die Scheibe 380 stimmt in der Ausgestaltung völlig mit der Scheibe 360 überein. Die Scheibe 380 besteht aus 1 Scheibe, die 0,02 Zoll (0,05 cm) stark ist.
Das endotherme Reaktionsgemisch expandiert von den Löchern zu den Schlitzen im Reaktorabschnitt 390 hin. Die Schlitze 392 sind wegen des leichten Einbringens des Reaktionskatalysators bevorzugt. Nach dem Verbinden des Blocks werden maschinell Seitennuten hergestellt, um jeden der Reaktionsschlitze zu öffnen. Anschließend wird der Katalysator von beiden Seiten eingesetzt und die Schlitze werden mit einer Seitenplatte wieder verschlossen, um an der Seite der Vorrichtung eine hermetische Abdichtung gegenüber der Umgebung zu schaffen. Die Verbrennungsreaktion erfolgt in der Doppelreihe der Löcher 394, die zwischen den Schlitzen für die endotherme Reaktion eingefügt sind. Löcher sind deshalb ausgewählt, um die Beanspruchungen des Metalls durch einen großen Druckunterschied zwischen den Strömen auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Dieser Druckunterschied kann zum Beispiel in einem Bereich von 0,1 bis 900 atm liegen. Ein bevorzugter Bereich ist von 2 bis 100 atm. Es werden Doppelreihen von Verbrennungslöchern verwendet, um für den Verbrennungsstrom mehr Durchfluss und eine größere Reaktionsfläche zu schaffen. Dies dient dazu, der Reaktion mehr Zeit zu geben und den Druckabfall des Verbrennungsstroms zu senken. Der Reaktor 390 besteht aus 100 Scheiben, die jeweils 0,02 Zoll (0,05 cm) stark sind, damit eine Reaktordurchflusslänge von 2 Zoll (5 cm) entsteht.
Die Größe der Löcher der Reaktorscheiben betrug 0,04 Zoll (0,1 cm) im Durchmesser und der Schlitzspalt war 0,035 Zoll (0,089 cm) groß, durch die der Katalysator eingesetzt oder aufgetragen und der Reaktionsdurchfluss in Produkte umgewandelt wird. Die Breite des Schlitzes beträgt 1,5 Zoll (3,8 cm), obwohl er bei dieser Ausgestaltung jede Breite aufweisen kann.
Die Scheibe 400 ist dieselbe wie die Scheibe 380. Der Reaktorausfluss oder das Produkt strömt von den Schlitzen in die Löcher. Der Verbrennungsausfluss strömt von der doppelten Lochreihe in längliche Schlitze. Es wurde hier dieselbe Scheibenausgestaltung verwendet, um die Anzahl der jeweils einmaligen Scheibenausgestaltungen auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
Die Scheibe 410 ist dieselbe wie die Scheibe 370. Eine andere Scheibenausgestaltung könnte zur Verbesserung der Leistung der Vorrichtung, z.B. des Druckabfalls, verbessert werden, jedoch wurden zur Verringerung der Anzahl jeweils einmaliger Scheiben und zur Verminderung möglicher Fehler durch das Aufstapeln und Ausrichten von Scheiben symmetrische Scheiben ausgewählt.
Die Scheibe 420 ist dieselbe wie die Scheibe 360.
Die Scheibe 430 ist dieselbe wie die Scheibe 350, mit der Ausnahme, dass es keinen Schlitz für den Brennstoff gibt. Der Brennstoff wurde in der Scheibe 350 mit der Luft vermischt und im Reaktor verbraucht oder beinahe verbraucht.
Die übrigen Scheiben sind dieselben wie die Scheiben 340, 330, 320, 310 beziehungsweise 302, jedoch ohne Brennstofflöcher. Es werden die gleiche Scheibendicke und die gleiche Anzahl von Scheiben wie bei den Scheiben 340 bis 302 verwendet, um eine beinahe symmetrische Vorrichtung zu schaffen. Dadurch werden Herstellungszeit und -kosten verringert.
Der Katalysator, der in den Reformerkanälen verwendet wurde für den Fall einer Methandampfreformierung in den Schlitzen und einer Verbrennung in den Löchern, um die Wärme für die endotherme Reaktion bereitzustellen, enthielt einen Katalysator aus 13,8% Rh/6% MgO/Al₂O₃ auf einem Metallfilz aus einer FeCrAlY-Legierung von Technetics, Deland, Florida. Die Reformierungskatalysatoren wurden unter Verwendung eines Washcoatverfahrens auf der Grundlage eines FeCrAlY-Filzes mit einer Stärke von 0,01 Zoll und einer Porosität von 90% hergestellt. Vor der Aufbringung des Washcoats wurde der Metallfilz durch schnelles Heizen auf 900°C an Luft für 2 Stunden vorbehandelt. Zur Verbesserung der Haftung zwischen der Metalloberfläche und dem Katalysator wurde zuerst mithilfe der metallorganischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) eine dichte und porenfreie Zwischenschicht auf den oxidierten FeCrAlY-Filz aufgetragen. Diese Zwischenschicht kann Al₂O₃, Al₂O₃ + SiO₂ oder TiO₂ usw. sein. Zum Beispiel wurde, wenn TiO₂ aufgetragen wurde, Titanisopropoxid (Strem Chemical, Newburyport, Massachusetts) bei einer Temperatur zwischen 250 und 900°C bei einem Druck von 0,1 bis 100 Torr aufgedampft. Titandioxidbeschichtungen mit einer ausgezeichneten Haftung an dem Schaum wurden bei einer Aufdampftemperatur von 600°C und einem Reaktordruck von 3 Torr erreicht. Diese Schicht erhöht nicht nur die Haftung zwischen dem Metallfilz und dem Katalysator, sondern schützt auch das FeCrAlY vor der Korrosion während der Dampfreformierungsreaktion. Ein pulverförmiger Katalysator aus 13,8 Gew.-% Rh 6 Gew.-% MgO/Al₂O₃ wurde hergestellt durch 1) Kalzinierung von Gamma-Aluminiumoxid mit großer Oberfläche bei 500°C für 5 Stunden; 2) Imprägnierung des Gamma-Aluminiumoxids mit MgO unter Verwendung des Incipient-Wetness-Verfahrens mit einer wässrigen Magnesiumnitratlösung und Gewinnung eines MgO-modifizierten Gamma-Aluminiumoxidträgers; 3) Trocknen des modifizierten Trägers bei 110°C für 4 Stunden gefolgt von 4) einer zweiten Kalzinierung bei 900°C für 2 Stunden; 5) Imprägnierung des modifizierten Trägers mit Rh₂O₃ mit dem Incipient-Wetness-Verfahren aus einer Rhodiumnitratlösung; 6) gefolgt von einer abschließenden Trocknung bei 110°C für 4 Stunden und einer 7) abschließenden Kalzinierungen bei 500°C für 3 Stunden zur Gewinnung eines Pulvers des Trägerkatalysators. Die Katalysatormasse wurde durch Mischen des zuvor erwähnten pulverförmigen Katalysators mit deionisiertem Wasser im Verhältnis 1:6 hergestellt. Das Gemisch wurde für 24 Stunden in der Kugelmühle gemahlen, um eine Masse zu erhalten, die Katalysatorteilchen kleiner als 1 Mikrometer enthält. Der wärmebehandelte und über CVD beschichtete Filz wurde mit einem Washcoat beschichtet, indem der Filz in die Katalysatormasse eingetaucht wurde. Der Washcoat-Vorgang kann wiederholt werden, um die erwünschte Gewichtszunahme zu erreichen. Zwischen jeder Beschichtung wurde der Filz, der mit dem Katalysator beschichtet war, für 1 Stunde in einem Ofen bei 100°C getrocknet. Der Beschichtungsvorgang wird wiederholt, um die gewünschte Beschichtungsdicke oder Katalysatorbefüllung zu erreichen. Nach dem abschließenden Beschichtungsschritt wurde der Katalysator über Nacht bei 100°C in einem Ofen getrocknet und durch langsames Erwärmen an Luft bei einer Rate von 2°C/min bis zu einer Temperatur im Bereich von 300 bis 500°C kalziniert. Die Menge des aufgetragenen Katalysators wurde als 0,1 Gramm Katalysator je Quadratzoll (6,5 cm²) Filz gemessen. Vor dem Testen der Dampfreformierung wurde der entwickelte Katalysatorfilz einer Aktivierungsbehandlung unterzogen, vorzugsweise einer Reduktion bei 300 bis 400°C.
Der integrierte Verbrennungskatalysator kann ein Katalysator sein, der mit einem Washcoat beschichtet und unmittelbar auf die Inconel-Innenwände der ICR-Vorrichtung aufgetragen wird. Die Inconel-Oberfläche wird zuerst, wenn möglich per Ultraschall, in Hexan, Salpetersäure (20%) und Azeton (oder Propanol) gereinigt. Vorzugsweise werden die Reinigungslösungen über die Inconel-Oberflächen fließen gelassen. Anschließend wird eine Eigenchromoxidschicht auf der Inconel-Oberfläche gebildet durch Erwärmen an Luft (wenn möglich strömend) bei 3,5°C/min auf 500°C und Halten für 2 Stunden bei 500°C. Die Temperatur wird dann bei 3,5°C/min auf 950°C erhöht und für 2 Stunden bei 950°C gehalten. Das Inconel wird anschließend bei einer Rate von nicht schneller als 5°C/min auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Anschließend wird die aktive Palladium-Komponente auf die Chromoxidschicht aufgetragen, indem der erforderliche Auftragungsbereich in eine 10 Gew.-% Palladiumnitratlösung eingetaucht wird. Dies erfolgt entweder durch statisches Eintauchen oder durch Pumpen des Fluids in eine Vorrichtung bis zu einem erforderlichen Flüssigkeitsstand. Die Lösung darf anschließend für 2 Minuten in Berührung mit der Auftragungsfläche bleiben. Anschließend wird die Lösung aus dem Kontakt mit der Inconel-Oberfläche entfernt und die verbleibende Menge Palladium durch eine Differenzmessung berechnet. Wird ein Kanal beschichtet, wird Stickstoff durch den Kanal strömen gelassen, um sicherzustellen, dass es nicht zur Verstopfung kommt. Der Katalysator wird anschließend für eine Stunde bei 100°C getrocknet, wenn möglich unter Vakuum. Der Katalysator wird anschließend durch Erwärmung bei 3,5°C/min auf 850°C kalziniert und für 1 Stunde bei 850°C gehalten. Der Katalysator wird anschließend bei einer Rate nicht höher als 5°C/min auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.
Beispiel 2
Es wurde ein Hochdruckeindampfgerät 200 konstruiert, bei dem ein Durchfluss heißer Luft zur Erwärmung und teilweisen Eindampfung von Wasser verwendet wird, das in die Gegenstromrichtung fließt. Das Wasser wird unter einen Überdruck von 20 Atmosphären gesetzt, während sich die Luft bei annähernd Normaldruck befindet. Die Auslegungsdurchflussraten betragen 20 ml/Minute Wasser bei 280 psig am Einlass und einer Einlasstemperatur von 210°C und 247 SLPM Luft bei etwas über Normaldruck (8 psig am Einlass) und einer Einlasstemperatur von 279°C. Die Nennbetriebstemperatur beträgt 215°C. Der Auslegungspunkt für die Dampfqualität am Auslass beträgt 50%.
Der Mittelbereich des Eindampfgeräts enthielt einen 1,7 Zoll (4,3 cm) starken Stapel der identischen Scheiben 210, von denen jede 0,010 Zoll (0,025 cm) stark war. Die einzelnen Kanäle in einer Scheibe sind um ihre halbe Breite von den Kanälen darunter und darüber versetzt. Da jede zweite Schicht bei einem höheren Druck liegt, sorgt dies dafür, dass Beanspruchungen mit einer geringeren Anzahl der Stützen 214 unterstützt werden, wobei eine Stütze 214 (oder wahlweise Rippe genannt) definiert ist als das Material zwischen Kanälen in Richtung der Breite (das heißt dem Abstand innerhalb einer Scheibe zwischen Kanälen, wie er in der Richtung der längsten Ausdehnung jedes Kanals gemessen ist oder, wenn es keine längste Ausdehnung gibt, in der kürzesten Ausdehnung, die senkrecht zur Dicke ist), jedoch nicht umfassend die Stegdicke, die zwischen Kanälen in Richtung der Höhe angeordnet ist. Bei der gleichen Beanspruchung ist jeder Kanal breiter, als er es mit ausgerichteten Stützstegen wäre. Dadurch wird eine größere offene Fläche bereitgestellt, um Druckabfall und Verschmutzungen zu verringern und wird die erforderliche Dicke zwischen Schichten auf ein Mindestmaß herabgesetzt, wodurch der Widerstand gegenüber der konduktiven Wärmeübertragung verringert wird.
Die Merkmale im Hauptteil wurden durch photochemisches Ätzen durch ein flaches Stück aus Edelstahl 316 geschaffen. Durch die Herstellung von Merkmalen in Orthorichtung ist am Ende eines Schlitzes ein voller Radius zur Verringerung der Spannungskonzentration im Vergleich zu einer quadratischen oder abgerundeten Ecke möglich. Die Merkmale mit vollem Radius setzen auch die Möglichkeit von Umwälzbereichen im Wasserstrom auf ein Mindestmaß herab, durch die Oberflächenablagerungen zunehmen könnten, die zu Verschmutzungen führen.
Wasser fließt vom Einlasskopfstück 202 durch die Kanäle zum Auslasskopfstück 204. Es gibt 17 Schichten 216 aus 6 identischen Kanälen für Wasser. Es gibt 18 Schichten 218 für Luft. Jede Luftdurchflussschicht 218 weist 5 identische Kanäle mit 2 Kanälen halber Breite an jeder Seite auf. Zwischen den Schichten 216 und 218 ist eine Stegschicht 220 vorhanden. Bei dieser Anordnung ist jede Schicht 216, 218 genauso hoch wie jede Stütze 214 in jeder Schicht. Die Höhe jedes Kanals beträgt 0,6 mm und die Stegschicht 220 verläuft über einen Abstand von 0,76 mm zwischen Kanälen.
Es werden zwei Verteilerplatten zum Aufteilen des Wasserstroms in das Eindampfgerät verwendet, damit eine gleichmäßige Durchflussverteilung in den 102 Wasserkanälen erreicht wird. Die erste Platte 230 verteilt den Durchfluss vom Mitteleinlass 215 durch die Löcher 227, die zu den Außenkanten hin geneigt sind. Die Kreise 225 zeigen Löcher für Thermoelemente an, die bei dieser Testausgestaltung verwendet wurden, während die Kreise 229 die Ausdehnungen des Einlasses anzeigen, jedoch keine Merkmale auf den Platten 226 oder 230 darstellen. Nach dem Durchfluss durch die erste Gruppe von Löchern verteilt eine zweite Platte 226 den Durchfluss in einem Muster, das der Kanalanordnung entspricht. Ein ausgewogener Durchfluss durch die zweite Platte ist an den festen Streben zwischen den Kanälen ausgerichtet, wodurch dass Wasser in Wegen vom Einlass zu den Kanälen fließen muss, die fast gleich lang und gewunden sind.
Die Zweiphasen-Wasser/Dampf-Strömung wird im Kopfstückraum 241 im Fußstück 240 aufgefangen und tritt durch eine mittige Öffnung 242 aus. Die Ausrichtung der Vorrich tung ist mit diesem Auslass oben. Durch eine geneigte (gebogene) Kuppelform 244 im Raum von den Kanalausgängen zur Auslassöffnung werden Taschenbereiche beseitigt, in denen sich Dampf ansammeln könnte und eine pulsierende Strömung getrennter Mengen Dampf und Flüssigkeit bewirken könnte.
Im Eindampfgerät strömt Luft in einer Z-Anordnung in einen keilförmigen Verteiler 203 am Einlass, durch die 5 identischen Kanäle und die 2 Kanäle halber Breite und durch einen keilförmigen Verteiler 205 am Auslass. Die Keilform befindet sich im Inneren jedes Einlasses und Auslasses. Die Breite der Kopfstücke und Fußstücke sind derart gewählt, dass die Summe des Druckabfalls am Einlass und Auslass dieselbe Durchflussrate durch die ganzen Kanäle wie in den beiden halben Kanälen bereitstellt. Die Kopfstücke und Fußstücke sind derart ausgestaltet, dass der Luftstrom durch alle Luftstromkanäle gleich ist (selbst wenn Luft in einer Richtung eintritt, die nicht parallel zum Luftstrom durch den Körper des Eindampfgeräts ist). Die Ausgestaltung der Lufteinlass-/Luftauslasskopfstücke und -fußstücke ist in 10e bis 10i gezeigt. Luft, die von der rechten Seite der Figuren in die Scheiben eintritt, strömt in die Luftschlitze 1060, die mit den Flüssigkeitsstromkanälen 1062 verzahnt sind. Die Scheiben des Kopfstücks sind auf den Körper des Eindampfgeräts aufgestapelt und derart angeordnet, dass der Bereich der Luftschlitze zum Körper des Eindampfgeräts hin zunimmt, wobei der größte Bereich der Lufteinlassschlitze dem Lufteinlass am nächsten liegt. Da das Scheibenmuster im Fußstück umgekehrt ist (der größte Bereich der Lufteinlassschlitze liegt dem Luftauslass am nächsten), ist die Luftdurchflussrate in allen Kanälen durch die Eindampfvorrichtung hindurch gleich. Luft tritt auf der Seite aus, die der gegenüberliegt, auf der sie eintritt.
Der Körper des Eindampfgeräts wurde hergestellt, indem flache Metallscheiben an jedem Querschnitt photochemisch mit den erwünschten Kanalformen versehen wurden und anschließend eine Baugruppe durch Diffusionsschweißen zu einem festen Gegenstand verbunden wurde. Die Scheiben wurden mit einer Nickelphosphatzwischenschicht überzogen, in der richtigen Reihenfolge aufgestapelt und unter Wärme und Druck verbunden. Nach dem Verbinden wurde der Körper maschinell bearbeitet, um einen Zugang zu den Luftverteilern herzustellen, anschließend wurden die Kopfstücke und Fußstücke für Luft und Wasser durch Schweißen befestigt. Wie es in 12 gezeigt ist, enthält jede Scheibe vier identische Gruppen von Merkmalen. Aus jedem Stapel 250 werden vier Eindampfgerätekörper hergestellt, die dann nach dem Verbinden auseinander geschnitten wurden. Es sind 174 identische Mittelscheiben und die Kopfstückscheiben (z.B. 252) vorhanden und 33 Scheiben (nicht gezeigt) mit 6 Anordnungen bilden jeden Luftverteilerabschnitt. Alle Luftverteilerscheiben wurden anfänglich völlig gleich hergestellt, anschließend wurde das jeweils einmalige Merkmal für jede Anordnung elektroerosiv hergestellt. Endplatten trennten die Wasserkanäle von den Luftkanälen und sorgten für einen dickeren festen Abschnitt zum Anschweißen der Kopfstücke und Fußstücke an den Körper.
Durch nicht symmetrische Ausrichtungslöcher bleiben identische Scheiben in der gleichen Ausrichtung, um eine Fehlausrichtung zu vermindern. Ausrichtungslöcher werden aufgrund der höheren Genauigkeit elektroerosiv hergestellt.
Die Luftverteilerscheiben sind zur Außenseite der Vorrichtung nicht offen. Ein kurzer Endabschnitt muss maschinell entfernt werden, damit die Luft hineingelangen und austreten kann. Die Luftverteilerscheiben weisen einen schmalen Außenrand auf, damit die Form während der Herstellung erhalten bleibt. Nach dem Verbinden wird maschinell eine Aussparung hergestellt, um die Schichten zu öffnen und zugänglich zu machen. Eine Wärmeschutznut wird maschinell parallel zu den Seiten hergestellt, an denen die Seitenplatten für die Luftkopfstücke und -fußstücke angeschweißt sind.
Das Wasserkopfstück und -fußstück werden an den Endplatten an den Körper angeschweißt. Die Seitenplatten für die Befestigung des Luftkopfstücks und -fußstücks, die über die gesamte Breite gehen, werden an die Endplatten und den Körper angeschweißt. Diese Seitenplatten vermeiden das Schweißen entlang der Scheibenverbindungsnaht. Luftkopfstück und -fußstück werden anschließend an die Seitenplatten angeschweißt.
Ein Luftstromtest wurde durchgeführt, um die Geschwindigkeit in jedem Kanal in einer einzelnen Schicht zur Bewertung der Strömungsverteilung zu messen und es wurde eine sehr geringe Abweichung beobachtet. Die Leistungsfähigkeit wurde über mehr als 5000 Betriebsstunden getestet.
Das Hochdruckeindampfgerät lief ohne Zeichen eines Qualitätsverlusts bei etwa 5000 Stunden (211 Tage) weiter, was in 11 gezeigt ist. Es lief bei 44 bis 46% Dampfqualität und es wurde Wasser mit etwa 1,5 ppm Summe gelöster Stoffe (TDS) zugeführt. Die hauptsächlichen anorganischen Festbestandteile im Wasser sind Mg, Ca und Si. Diese drei Feststoffe liegen in einem Gehalt von etwa 7%, 15% beziehungsweise 2% der insgesamt 1,5 ppm Feststoffe vor. Die Daten sind in 11 dargestellt. Obwohl der Druckabfall leicht anstieg, scheint es wegen der Beständigkeit der Ablufttemperatur keinen spürbaren Qualitätsverlust zu geben. Die Schwankung, die zwischen 3240 Stunden bis 3780 Stunden ersichtlich ist, war bedingt durch ein problematisches Nadelventil, durch das der Druck schwer zu regeln war. Dieses System erfuhr mehr als 10 Prozessstörungen ohne eine merkliche Veränderung der Leistung.
Luft kann verwendet werden, um Wasser teilweise zu sieden, um Dampf für die chemische Verfahrenstechnik zu erzeugen. Luft wurde mit 247 SLPM (Normliter je Minute) zugeführt und trat bei 279°C ein. Die durchschnittliche Ablufttemperatur betrug 212°C. Die Wasserdurchflussrate beträgt 20 ml/min. Unter diesen Bedingungen wurden 282 Watt Wärme übertragen oder ein durchschnittlicher Wärmestrom von 0,49 W/cm². Volumetrisch betrachtet wird diese Wärme innerhalb eines Kernvolumens von 1,74 Zoll Fließlänge mal 1,985 Zoll hoch mal 1,553 Zoll breit übertragen. Damit beträgt der volumetrische Wärmestrom über 3,4 W/cm³. Die Fließwege in der Vorrichtung verlaufen entgegengesetzt, wobei Wasser von unten nach oben fließt und Luft von oben nach unten strömt. Die gemessenen Wärmeverluste bei dieser Vorrichtung betrugen etwa 5%.
Nach mehr als 5000 Stunden wurde in der Mikrokanalvorrichtung keine Verschmutzungen festgestellt. Der Verschmutzungsgrad wird über die Gastemperatur am Auslass gemessen. Wenn sich Ablagerungen aufbauen, steigt der Widerstand gegenüber der Wärmeübertragung im Kanal an und es wird erwartet, dass die Gastemperatur am Auslass steigt und somit anzeigt, dass weniger Wärme vom Gas auf das teilweise siedende Wasser übertragen wird. Es wird vermutet, dass die höhere Oberflächengeschwindigkeit in den Mikrokanälen zur verringerten Verschmutzungsrate im Vergleich zu herkömmlichen Kesseln beiträgt.
Beispiel 3
Es kann auch eine alternative Mikrokanalausgestaltung und Aufbauanordnung, die Sandwichausführung, verwendet werden, um eine versetzte Rippenstruktur herzustellen, die in 13 gezeigt ist. Diese Struktur ähnelt 10b, die gemäß der Orthoausführung hergestellt wurde, außer dass durch die Orthoausführung die Ecken der Mikrokanäle einfach gerundet werden können. Der Mikrokanal der Sandwichausführung, die in 13 beschrieben ist, umfasst die Verwendung von 4 unterschiedlichen Scheiben, die in sich wiederholenden Einheiten von zumindest 6 Scheiben aufgestapelt sind.
Die erste Scheibe 1302 stellt eine Wandscheibe dar, die den Mikrokanal entweder von der Umgebung, von einem weiteren Mikrokanal oder von einer Scheibe zur Geschwindigkeitsbegrenzung trennt, die verwendet wird, um die Kanalströme zu den Kopfstücken und Fußstücken zu verbinden.
Die zweite Scheibe 1304 im Stapel ist die Scheibe zur Geschwindigkeitsbegrenzung, durch die ein Strömungsdurchgang entsteht, indem die Mikrokanäle 1306 des Fluids A in der Scheibe 1308 mit dem Kopfstück oder Fußstück der Scheibe 1302 verbunden werden.
Die dritte Scheibe 1308 ist die Anordnung paralleler Mikrokanäle, durch die Fluid strömt und eine Unit Operation ausgeführt wird. Wahlweise kann sich nur ein Mikrokanal auf dieser Schicht befinden.
Die vierte Scheibe 1310 im Stapel stimmt völlig mit der Scheibe 1302 überein und trennt die Fluidströme.
Die fünfte Scheibe 1312 im Stapel stimmt völlig mit der Scheibe 1304 überein. Durch diese Scheibe entsteht ein Strömungsdurchgang, indem die Mikrokanäle in der sechsten Scheibe mit dem Einlass- und Auslasskopfstück/-fußstück verbunden werden, die im Stapel als nächstes kommen würden (und stimmt völlig mit der Scheibe 1302 überein).
Die sechste Scheibe 1314 ist die Anordnung der parallelen Mikrokanäle 1316, durch die Fluid strömt und eine Unit Operation ausgeführt wird. Wahlweise kann sich nur ein Mikrokanal auf der Schicht 1314 befinden.
Diese Scheibenausgestaltung, die in 13 gezeigt ist, schafft eine druckbeständige Struktur, in der Mikrokanäle versetzte (statt ausgerichtete) Stützen aufweisen. Diese Ausgestaltungsmöglichkeit ist insoweit weniger wünschenswert, als dass keine gerundete Kanten für jeden Strömungskanal erreicht werden können und daher stärkere Wandscheiben (Scheibe 1302) erforderlich sein können. Sie bietet jedoch den Vorteil, dass es weniger notwendig ist, kleine Mikromerkmale in den Scheiben zu schaffen sowie den Vorteil, die Ausrichtung der Scheiben zu vereinfachen. Es können mit verschiedenen Ausgestaltungsausführungen unterschiedliche Anwendungen optimiert werden.
Die Erfindung umfasst Vorrichtungen, die das eine oder mehrere Merkmale aufweisen, das bzw. die in 13 veranschaulicht ist bzw. sind, sowie Verfahren zur Herstellung von Vorrichtungen unter Verwendung von Scheiben mit diesen Merkmalen und Verfahren zur Durchführung von Unit Operationen unter Verwendung von Vorrichtungen, die ein oder mehrere der veranschaulichten Ausgestaltungsmerkmale umfassen.
Drucktestmessung zur Kennzeichnung einiger bevorzugter Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung.
Mikrokanalvorrichtungen für Unit Operationen wie Reaktion, Trennung, Wärmeaustausch, Eindampfen, Kondensation und Ähnliches wurden derart ausgestaltet, dass sie mit hohen Druckunterschieden zwischen den Strömen arbeiten. Das Hochdruckeindampfgerät von Beispiel 2 wurde mit einem Differenzdruck von 272 psig bei über 210°C für mehr als 5000 Stunden betrieben.
Druckversuch
Für eine Unit Operation in einem Mikrokanal mit zumindest einer kritischen Kanalausdehnung von kleiner als etwa 2 mm ist mit zumindest zwei Einlassfluidströmen zu arbeiten. Der erste Fluidstrom muss bei 279°C und 8 psig liegen. Der zweite Fluidstrom muss bei 210°C und 280 psig liegen. Es kann jede Durchflussrate verwendet werden. Die Vorrichtung ist für 1000 Stunden zu betreiben, während welcher Zeit 10 thermische Kreisläufe auf Umgebungstemperatur der gesamten Vorrichtung stattfinden. Nach 1000 Stunden in Betrieb ist jede Fluidströmungsleitung auf einen Überdruck von 50 psig zu setzen und für 2 Stunden zu halten. Der Druck muss konstant bleiben, was auf minimale Leckpfade an die Umgebung hinweist. Anschließend ist die zweite Fluidströmungsleitung auf einen Überdruck von 50 psig zu setzen, während die erste Fluidströmungsleitung zur Umgebung offen gelassen wird, und für 2 Stunden zu halten. Der Druck muss konstant bleiben, was auf minimale interne Leckpfade hinweist. Ein minimaler Leckpfad ist als eine Leckrate von weniger als 10^–6 Normkubikzentimeter pro Sekunde von Helium definiert, wenn Helium als Fluid für die abschließende Dichtheitsprüfung verwendet wird.
Die Erfindung umfasst auch Verfahren zur Durchführung von Unit Operationen in der Vorrichtung, die das Druckbeständigkeitsverhalten aufweist, das zuvor beschrieben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Mikrovorrichtung zur Durchführung von Unit Operationen an einem Fluid, umfassend: Aufstapeln einer Mehrzahl von Scheiben, wobei jede Scheibe eine Öffnung aufweist, so dass ein zusammenhängender Fließweg durch die Scheiben gebildet wird; wobei sich der Fließweg in einer Richtung im Wesentlichen parallel zur Scheibendicke erstreckt; wobei die Mehrzahl der Scheiben so angeordnet wird, dass eine Unit Operation an einem Fluid in dem Fließweg ausgeführt werden kann; und Verbinden der Scheiben um eine Vorrichtung zu bilden, die in der Lage ist, eine Unit Operation an einem Fluid auszuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jede der Mehrzahl von Scheiben zumindest eine Öffnung aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kreise, Dreiecke, Wellenformen, Ovale, unregelmäßige Formen und Rechtecke oder Quadrate oder Dreiecke mit gerundeten Ecken.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem jede der Mehrzahl von benachbarten Scheiben zumindest eine Öffnung aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kreise und Dreiecke; und wobei die Mehrzahl der Scheiben verbunden ist, um eine Vorrichtung mit einem Kanal mit zylindrischer oder prismatischer Form zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jede der Mehrzahl von Scheiben identisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend den Schritt des Einbringens eines Katalysators oder Sorptionsmittels in den besagten Fließweg.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem sich der Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben nicht mit irgendwelchen anderen Fließwegen vermischt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben eine kleinste Ausdehnung (Höhe oder Breite) von zumindest 10 μm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Fließweg eine größte Ausdehnung (Höhe oder Breite) von höchstens 5000 μm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Fließweg, der in der besagten Mehrzahl von Scheiben gebildet ist, durch die Begrenzungen von Öffnungen in der besagten Mehrzahl von Scheiben definiert wird, und wobei jede der besagten Mehrzahl von Scheiben eine Begrenzung aufweist, die einen Fließweg definiert, wobei die Begrenzung einen Umfang aufweist und wobei der besagte Umfang in jeder Scheibe zu mindestens 20% mit Randmerkmalen besetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Fließweg, der in der besagten Mehrzahl von Scheiben gebildet ist, durch die Begrenzungen der Öffnungen in der besagten Mehrzahl von Scheiben definiert wird, und wobei zumindest eine der besagten Mehrzahl von Scheiben eine Begrenzung aufweist, die einen Fließweg definiert, wobei die Begrenzung einen Umfang aufweist und wobei der besagte Umfang in jeder Scheibe zu mindestens 20% mit Randmerkmalen besetzt ist, und wobei eine andere der besagten Mehrzahl von Scheiben eine Begrenzung aufweist, die einen Fließweg definiert, und bei der die Begrenzung glatt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Vorrichtung in der Lage ist, zumindest eine Unit Operation auszuführen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Eindampfung, Komprimierung, chemische Trennung, Destillation, Reaktion und Kondensation.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Vorrichtung in der Lage ist, zumindest zwei verschiedene Unit Operationen auszuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Öffnung in jeder der besagten Mehrzahl von Scheiben leer ist und ein feststehender Mischer in die Öffnung eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Öffnung in jeder der besagten Mehrzahl von Scheiben einen Vorsprung enthält.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Öffnung Seiten umfasst, und bei dem der Vorsprung sich von einer Seite der Öffnung zu einer anderen Seite der Öffnung erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Mehrzahl von Scheiben zumindest drei Scheiben umfasst, durch die ein Fließweg gebildet wird, und bei dem eine gerade, unversperrte Linie durch den Fließweg in den besagten zumindest drei Scheiben existiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Mehrzahl von Scheiben zumindest vier Scheiben umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend die Ausbildung der Vorrichtung als eine geschichtete Vorrichtung umfassend: eine erste Gruppe von Mikrokanälen, wobei jeder Mikrokanal einen Einlass und einen Auslass aufweist; ein Kopfstück, das mit den Einlässen der ersten Gruppe von Mikrokanälen verbunden ist; ein Fußstück, das mit den Auslässen der ersten Gruppe von Mikrokanälen verbunden ist; und umfassend eine Kopf- oder Fußstruktur, bei der das Kopfstück eine Oberfläche aufweist, die sich zu zumindest einem Teil der Einlässe der ersten Gruppe von Mikrokanälen hin krümmt; oder das Fußstück eine Oberfläche aufweist, die sich zu zumindest einem Teil der Auslässe der ersten Gruppe von Mikrokanälen hin krümmt; oder das Fußstück eine Kuppel umfasst, die an einer Seite des Fußstücks angeordnet ist, die der mit den Auslässen der ersten Gruppe von Mikrokanälen verbundenen Seite gegenüber liegt, und wobei die Kuppel bezogen auf die Auslässe der ersten Gruppe von Mikrokanälen schräg steht.
Verfahren nach Anspruch 18, weiter umfassend eine zweite Gruppe von Mikrokanälen, die der ersten Gruppe von Mikrokanälen benachbart sind und mit diesen in thermischem Kontakt stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, bei dem die Vorrichtung als ein Kondensator oder ein Eindampfgerät verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, weiter umfassend einen Fließweg, der entweder dem Kopfstück oder dem Fußstück benachbart ist, wobei der Fließweg von dem Kopfstück oder dem Fußstück durch eine gekrümmte Wand getrennt ist, die eine den Mikrokanälen gegenüberliegende Oberfläche, und eine dem Fließweg gegenüberliegende Oberfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem sowohl das Kopfstück als auch das Fußstück eine Oberfläche aufweisen, die sich zu den Mikrokanälen hin krümmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem die Vorrichtung als ein Eindampfgerät verwendet wird, wobei das Fußstück eine Kuppel umfasst, und die Kuppel zumindest zwei Seiten aufweist, die zusammenlaufen um eine Spitze zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Kuppel mehrere Auslässe enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, bei dem die geschichtete Vorrichtung als ein Eindampfgerät einen solchen Leistungskennwert aufweist, dass, wenn sie bei Durchfluss von Luft mit 247 Normlitern/Minute (SLPM) und 279°C als Wärmeübertragungsfluid und Wasser mit 20 mL/min und 1930 kPa (280 psig) getestet wird, der Druckabfall über der Vorrichtung für das teilweise siedende Wasser um weniger als 35 kPa (5 psig) zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem der zumindest eine Mikrokanal an die zumindest eine Kammer angrenzt; und wobei der zumindest eine Mikrokanal und die zumindest eine Kammer durch eine Wand mit einer Dicke von 5 mm oder weniger getrennt sind; bei dem die geschichtete Vorrichtung durch eine solche Druckbeständigkeit gekennzeichnet ist, dass für 1000 Stunden ein erster Fluidstrom bei 279°C und 55 kPa (8 psig) durch den zumindest einen Mikrokanal geführt wird und ein zweiter Fluidstrom bei 210°C und 1930 kPa (280 psig) durch die zumindest eine andere Kammer geführt wird, während welcher Zeit 10 thermischer Kreisläufe auf Umgebungstemperatur der gesamten Vorrichtung stattfinden; und wobei nach 1000 Stunden in Betrieb jeder Fluid-Fließweg unter einen Überdruck von 345 kPa (50 psig) gesetzt und für 2 Stunden gehalten wird, und wobei der Druck im Wesentlichen konstant bleibt, gemessen durch eine Leckrate von weniger als 10^–6 Normkubikzentimeter pro Sekunde von Helium an die Umgebung; und wobei weiter die zumindest eine andere Kammer unter einen Überdruck von 345 kPa (50 psig) gesetzt wird, während der zumindest eine Mikrokanal zur Umgebung offen gelassen wird, und dieser für 2 Stunden gehalten wird; und wobei der Druck in der zumindest einen anderen Kammer konstant bleibt, gemessen durch eine Leckrate von weniger als 10^–6 Normkubikzentimeter pro Sekunde von Helium, was auf minimale interne Leckpfade hinweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, bei dem das Eindampfgerät einen solchen Leistungskennwert aufweist, dass, wenn es unter Bedingungen getestet wird, bei denen Wasser mit 1,5 ppm Summe gelöster Stoffe (Total Dissolved Solids), wobei die Summe der Stoffe zumindest 7% Ca, 15% Mg und 2% Si umfasst, durch die erste Gruppe von Mikrokanälen mit 1930 kPa (280 psig), einer Einlasstemperatur von 210°C und einer Durchflussrate von 20 mL/min geführt wird, und einem Durchfluss von Luft mit 55 kPa (8 psig), 279°C, und einer Durchflussrate von 247 Normlitern/Minute (SLPM), über 40% des Wassers siedet mit einem Anstieg des Druckabfalls von weniger als 35 kPa (5 psig) über der ersten Gruppe von Mikrokanälen nach 1000 Stunden in Betrieb.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem das Eindampfgerät einen solchen Leistungskennwert aufweist, dass, wenn es unter Bedingungen getestet wird, bei denen Wasser mit 1,5 ppm Summe gelöster Stoffe (Total Dissolved Solids), wobei die Summe der Stoffe zumindest 7% Ca, 15% Mg und 2% Si umfasst, durch die erste Gruppe von Mikrokanälen mit 1930 kPa (280 psig), einer Einlasstemperatur von 210°C und einer Durchflussrate von 20 mL/min geführt wird, und einem Durchfluss von Luft mit 55 kPa (8 psig), 279°C, und einer Durchflussrate von 247 Normlitern/Minute (SLPM), über 40% des Wassers siedet mit einem Anstieg des Druckabfalls von weniger als 35 kPa (5 psig) über der ersten Gruppe von Mikrokanälen nach 5000 Stunden in Betrieb.
Vorrichtung, gebildet durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28.
Verfahren zur Durchführung einer Unit Operation an einem Fluid, mit einem Schritt des Führens eines Fluids durch die Vorrichtung von Anspruch 29.
Verfahren zur Durchführung einer Unit Operation an einem Fluid, umfassend: Führen eines Fluids in die Vorrichtung von Anspruch 29, so dass das Fluid durch den Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben fließt; und Ausführen zumindest einer Unit Operation an dem Fluid, während es durch den Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben fließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 oder 31, bei dem das besagte Fluid zumindest einen Teil eines Reaktionsgemisches enthält; und weiter umfassend ein zweites Fluid, das durch einen zweiten Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben fließt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem sich das Fluid in dem besagten Fließweg und das zweite Fluid in dem besagten zweiten Fließweg nicht mischen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 oder 33, bei dem das Fluid in dem besagten Fließweg und das zweite Fluid in dem besagten zweiten Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben durch einen Abstand von 5 mm oder weniger getrennt sind, und wobei sich der Druck in dem besagten Fließweg und dem zweiten Fließweg um mindestens 1 atm unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, bei dem sich der Druck in dem besagten Fließweg und dem zweiten Fließweg um mindestens 10 atm unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, bei dem das Fluid in dem besagten Fließweg und das zweite Fluid in dem besagten zweiten Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben durch einen Abstand von 1 mm oder weniger getrennt sind, und wobei sich der Druck in dem besagten Fließweg und dem zweiten Fließweg um mindestens 19 atm unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 36, bei dem das Fluid in dem zweiten Fließweg ein Wärmetauschfluid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, bei dem der Fließweg erste Träger umfasst, die sich über den Fließweg erstrecken, und der zweite Fließweg zweite Träger umfasst, die sich über den zweiten Fließweg erstrecken, und wobei die ersten Träger und die zweiten Träger gegeneinander versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, bei dem das zweite Fluid ein zweites Reaktionsgemisch enthält; wobei das Reaktionsgemisch exotherm regiert; und wobei das zweite Reaktionsgemisch endotherm regiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 39, bei dem zumindest zwei verschiedene Unit Operationen in der Vorrichtung ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 40, bei dem die zumindest zwei verschiedenen Unit Operationen Wärmeübertragung und chemische Reaktion umfassen, und bei dem weiter Verbrennung in dem besagten Fließweg stattfindet und eine Dampfreformierungsreaktion in einem zweiten Fließweg stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 41, umfassend: Führen einer Fluidmischung aus zwei Phasen in die Vorrichtung von Anspruch 29.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 42, umfassend die Schritte: Führen einer Flüssigkeit in eine erste Gruppe von Mikrokanälen der Vorrichtung; und gleichzeitig, Führen eines Fluids in eine zweite Gruppe von Mikrokanälen der Vorrichtung; wobei sich das Fluid auf einer Temperatur befindet, die ausreichend ist, um zumindest einen Teil der Flüssigkeit zu verdampfen.
Verfahren nach Anspruch 43, bei dem die Flüssigkeit und das Fluid in entgegengesetzte Richtungen fließen.
Geschichtete Vorrichtung, die in Lage ist, Wärme zu einem Fluiddurchgang innerhalb der Vorrichtung hin oder von diesem weg zu übertragen, umfassend: einen Stapel von Scheiben, die miteinander verbunden wurden; wobei der Stapel von Scheiben ein erstes Bauteil mit den Dimensionen Höhe, Breite und Dicke umfasst; wobei zumindest ein Teil der Höhe des ersten Bauteils größer ist als 1 μm, zumindest ein Teil der Breite des ersten Bauteils größer ist als 1 μm und zumindest ein Teil der Dicke des ersten Bauteils größer ist als 1 μm; wobei Höhe, Breite und Dicke jeweils aufeinander senkrecht stehen; wobei der Stapel von Scheiben ein zweites Bauteil mit den Dimensionen Höhe, Breite und Dicke umfasst; wobei zumindest ein Teil der Höhe des zweiten Bauteils größer ist als 1 μm, zumindest ein Teil der Breite des zweiten Bauteils größer ist als 1 μm und zumindest ein Teil der Dicke des zweiten Bauteils größer ist als 1 μm, und wobei zumindest ein Teil zumindest einer der Dimensionen Höhe, Breite oder Dicke des zweiten Bauteils kleiner ist als 2 mm; wobei die Richtungen der Höhe, Breite und Dicke dieselben Richtungen sind wie für das erste Bauteil; wobei der Stapel Scheiben enthält, wobei zumindest 3 benachbarte Scheiben zumindest eine Öffnung innerhalb jeder Scheibe enthalten, wobei die Öffnungen durch Begrenzungen innerhalb jeder Scheibe definiert sind, und das zweite Bauteil innerhalb der zumindest einen Öffnung in jeder der besagten zumindest 3 benachbarten Scheiben liegt, oder durch diese Öffnung gebildet wird; und wobei sich das zweite Bauteil in den Richtungen von Höhe, Breite und Dicke nach dem ersten Bauteil richtet.
Verfahren zur Durchführung einer Unit Operation an einem Fluid, umfassend: Führen eines Fluids in die Vorrichtung von Anspruch 45, so dass das Fluid durch einen Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben fließt; und Ausführen zumindest einer Unit Operation an dem Fluid, während es durch den Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben fließt.
Verfahren nach Anspruch 46, bei dem das besagte Fluid zumindest einen Teil eines Reaktionsgemisches enthält; und weiter umfassend ein zweites Fluid, das durch einen zweiten Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben fließt.
Verfahren nach Anspruch 47, bei dem sich das Fluid in dem besagten Fließweg und das zweite Fluid in dem besagten zweiten Fließweg nicht mischen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 oder 48, bei dem das Fluid in dem besagten Fließweg und das zweite Fluid in dem besagten zweiten Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben durch einen Abstand von 5 mm oder weniger getrennt sind, und wobei sich der Druck in dem besagten Fließweg und dem zweiten Fließweg um mindestens 1 atm unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 49, bei dem das Fluid in dem besagten Fließweg und das zweite Fluid in dem besagten zweiten Fließweg in der besagten Mehrzahl von Scheiben durch einen Abstand von 1 mm oder weniger getrennt sind, und wobei sich der Druck in dem besagten Fließweg und dem zweiten Fließweg um mindestens 19 atm unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 50, bei dem das zweite Fluid ein zweites Reaktionsgemisch enthält; wobei das Reaktionsgemisch exotherm regiert; und wobei das zweite Reaktionsgemisch endotherm regiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 46 bis 51, bei dem zumindest zwei verschiedene Unit Operationen in der Vorrichtung ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 52, bei dem die zumindest zwei verschiedenen Unit Operationen Wärmeübertragung und chemische Reaktion umfassen, und bei dem weiter Verbrennung in dem besagten Fließweg stattfindet und eine Dampfreformierungsreaktion in einem zweiten Fließweg stattfindet.