NL2020804B1

NL2020804B1 - Modular Additive Manufactured Reactor System

Info

Publication number: NL2020804B1
Application number: NL2020804A
Authority: NL
Inventors: Arnoldus Maria Willemsen Johannes; Francis De Scheemaker Gabriel
Original assignee: 3D Cat B V
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2019-10-28

Claims

CONCLUSIES

1. Modulair reactorsysteem voor het uitvoeren van processen op industriële schaal, omvattende mengingen, chemische reacties, warmte-uitwisselingen , en/of scheidingen van chemische reactiemiddelen en/of (neven)producten, waarbij het reactorsysteem ten minste wordt gevormd door een additief-geproduceerde module, waarbij de module geconfigureerd is om ten minste één proces uit te voeren, alsook optioneel een externe behuizing.
2. Reactorsysteem volgens conclusie 1, waarin het proces op industriële schaal gebruikmaakt van een minimum debiet van een aangevoerd fluïdum van ten minste 5 liter per uur.
3. Reactorsysteem volgens conclusie 1 of conclusie 2, waarin de module een reactieruimte omvat die in het bezit is van een gemiddelde hoofddiameter van ten minste 5 cm, en van een gemiddelde hoofdhoogte van ten minste 10 cm.
4. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin het systeem ten minste twee opeenvolgende modules omvat.
5. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin de module of modules ten minste gedeeltelijk gevormd is of zijn uit een keramisch materiaal.
6. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin de procesactiviteit ten minste twee omvat van mengen, adsorptie en/of desorptie, optioneel gekatalyseerde en/of niet-gekatalyseerde chemische reacties, warmte-uitwisselingen, en/of productscheidingen.
7. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, ten minste twee verschillende modules omvattende voor het uitvoeren van ten minste twee verschillende processen, bij voorkeur een combinatie van mengen en chemische reacties, een combinatie van een chemische reactie en van een warmte-uitwisseling; een combinatie van een chemische reactie en van een scheiding, of combinaties/mengsels daarvan, bij voorkeur waarin ten minste één module geconfigureerd is om ten minste twee processen uit te voeren.
8. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, tussen 2 en meer dan 50 reactormodules omvattende die opgesteld zijn op gestapelde wijze en in een bepaalde volgorde in overeenstemming met een richting van een productstroom.
9. Reactorsysteem volgens conclusie 8, waarin de modules in een stromingsrichting opgesteld zijn volgens welke dan ook van de zes ruimtelijke richtingen, waarin bij voorkeur de stromingsrichting in hoofdzaak horizontaal of verticaal is; waarin bij voorkeur het systeem ten minste één laag omvat die verschillende, horizontaal gepositioneerde, optioneel onderling verbonden in honingraatstructuren opgestelde modules omvat, waarin bij voorkeur elke laag is verbonden met een, in een verticale richting volgende laag.
10. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin ten minste één reactormodule één of meerdere mengzones omvat, waardoor bij voorkeur een statische menger gevormd wordt.
11. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin ten minste één reactormodule één of meerdere katalysator- en/of sorptiedelen omvat.
12. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin ten minste één van de reactormodules een passief en/of actief warmte-uitwisselingsysteem omvat, bij voorkeur een actief warmte-uitwisselingsysteem.
13. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin ten minste één van de reactormodules een scheidingseenheid omvat.
14. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin ten minste twee modules gemeenschappelijke reactorruimten en/of kanaallijnen voor warmteoverdragend fluïdum die onderling verbonden zijn, omvatten.
15. Reactorsysteem volgens conclusie 14, waarin de reactorruimte en/of het warmteuitwisselingskanaal in een initiële ruimte in een eerste module verschillend is of zijn ten opzichte van de reactorruimte of kanaalvolume en/of geometrie in een tweede, volgende module.
16. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarin elke module een keramische dragende structuur omvat die ten minste een keramische caviteit definieert, waarbij de ten minste ene keramische caviteit in het bezit is van een gedefinieerde oppervlakte en van een gedefinieerde geometrie.
17. Reactorsysteem 16, waarin de keramische structuur van de module een monolithische driedimensionale meerlaagse keramische structuur is.
18. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 17, bovendien verbindingsdelen omvattende voor het verbinden en het uitlijnen van modules en/of modules en algemene inlaten en uitlaten van het reactorsysteem, en bij voorkeur eveneens verbindingen omvattende tussen modules en verbindende leidingen, en bij voorkeur eveneens installatie- en verwijderdelen omvattende, bij voorkeur uitgevoerd in de vorm van hijsogen, en verbindingen om verschillende modules met elkaar te verbinden.
19. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 18, waarin modules ontworpen zijn om in ten minste twee van de zes richtingen te verbinden, en stromingskanalen omvattende voor reactiemiddelen, eindproduct, en/of koeling/verwarming met verschillende vormen in de zes richtingen, optioneel met individueel gecontroleerde, variërende vrije kanaal diameters over de hoogte/breedte van de module.
20. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 19, waarin verbindingen ten minste één gestandaardiseerde vormfactor omvatten voor elk type verbinding.
21. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 met 20, waarin een module op een zodanige wijze gedimensioneerd en ontworpen is dat er voldaan wordt aan een gestandaardiseerde vormfactor.
22. Reactorsysteem volgens een der conclusies 10 tot en met 21, waarin de monolithische driedimensionale meerlaagse keramische structuur is gevormd uit een veelheid aan dunne keramische lagen, bij voorkeur met een dikte van 1 pm tot en met 100 pm, en beter met een dikte van 10 pm tot en met 50 pm.
23. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 22, waarin ten minste één module bovendien een actief materiaal omvat dat aanwezig is in of op de keramische dragende structuur.
24. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 23 waarin het actieve materiaal een katalytisch actief en/of absorberend materiaal is.
25. Reactorsysteem volgens conclusie 23 of conclusie 24, waarin de keramische dragende laag poreus of niet-poreus is, waarin bij voorkeur het keramische materiaal poreus is, en nog beter aluminiumoxide, titaniumoxide, siliciumoxide en/of zirkoniumoxide omvat.
26. Reactorsysteem volgens conclusie 24 of conclusie 25, waarin het katalytische materiaal is gevormd op een veelheid aan oppervlakken van het poreuze keramische materiaal, voorafgaand aan of na het bakken (sinteren) ervan.
27. Reactorsysteem volgens conclusie 26, waarin het katalytische materiaal gevangen zit in een veelheid aan holle ruimten die gevormd zijn in het poreuze keramische materiaal, voorafgaand aan of na het bakken (sinteren) ervan.
28. Reactorsysteem volgens conclusie 24, waarin een poreuze keramische dragende laag is gevormd op een oppervlak van de veelheid aan kanalen, waardoor een positieve laag wordt gevormd over een negatief basisadditief-geproduceerd skelet.
29. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 28, bovendien ten minste twee onafhankelijke fluïdumleidingsystemen omvattende die onderling niet met elkaar in fluïdumverbinding staan, zodat door elk systeem een verschillende fluïdumstroming kan stromen.
30. Reactorsysteem volgens conclusie 29, waarin één van de leidingsystemen werkzaam is als product/reactiemiddel stromingskamer/reactieruimte, en waarin het ten minste tweede systeem werkzaam is als warmte-uitwisselingsysteem.
31. Reactorsysteem volgens conclusie 30, waarin één van de leidingsystemen werkzaam is als productstromingskamer, en waarin het ten minste tweede systeem werkzaam is als scheidingseenheid, waarin de grens tussen de twee systemen fungeert als membraan voor het op selectieve wijze verwijderen van producten.
32. Reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 31, bovendien ten minste een sensor omvattende, bij voorkeur één van een temperatuursensor, een viscositeitsensor, een visuele sensor, bijvoorbeeld een opaciteitsensor, een stromingssensor, een druksensor, een dichtheidssensor, voor het aanleveren van een feedbackcontrole, bij voorkeur in de vorm van een aanvoersnelheid, algemene omstandigheden, dichtheid, temperatuur, en/of de aanvoerstroom en/of omstandigheden van de reachemiddelen of het warmte-uitwisselingsfluïdum.
33. Reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, ten minste twee of meerdere modules omvattende, waarbij elke module één of meerdere, monolithische, driedimensionale, meerlaagse, keramische structuren omvat zodat er een eenheidproceszone gedefinieerd is.
34. Reactorsysteem volgens conclusie 33, bovendien een katalysator- of sorptiemateriaal omvattende dat gevormd is in combinatie met de poreuze keramische dragende laag, waarbij de katalysator samen met de monolithische driedimensionale meerlaagse keramische structuur gebakken is of is aangebracht na het bakken van de keramische structuur.
35. Reactorsysteem volgens conclusie 34, bovendien ten minste één inlaatkanaal omvattende voor reactiemiddel stromen, alsook ten minste één uitlaatkanaal voor de reactiemiddelen en producten, elk in fluïdumverbinding met de reactiemodules.
36. Werkwijze voor het vormen van een module voor een modulair reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de werkwijze de stappen omvat met:

a. het voorzien van een precursor-additiefmateriaal; en

b. het afzetten van het ten minste ene precursor-additiefmateriaal in achtereenvolgende lagen, teneinde een driedimensionale structuur te vormen.
37. Werkwijze volgens conclusie 36, waarin het precursormateriaal een keramisch precursor-additiefmateriaal is, en waarin een pre-keramische driedimensionale structuur wordt gevormd, waarin de werkwijze bovendien een stap (c) omvat voor het bakken (omstandigheden die aanleiding geven tot sinteren) van het pre-keramische (groene) additiefmateriaal, en optioneel voor het vormen van een thermische dragende structuur.
38. Werkwijze volgens conclusie 37, bovendien het afzetten omvattende van een katalytisch precursormateriaal dat samen met het pre-keramische additiefmateriaal kan gebakken worden, en het tegelijkertijd bakken van de gevormde keramische structuur met de daarop afgezette geïmmobiliseerde katalysator, of het aanbrengen van het katalysatorof katalysatorprecursormateriaal na het bakken van de keramische structuur.
39. Werkwijze volgens een der conclusie 37 of 38, het vormen omvattende van een additiefgeproduceerde, thermisch onbehandelde, afgewerkte, pre-keramische reactormodule in een additief-productiesysteem waarin de pre-keramische module wordt omgevormd tot een monolithische keramische composietmodule, de stappen omvattende met:

a. het selecteren van een door bakken te verwijderen deeltjesvormig of vloeibaar bindmiddel;

b. het mengen van het vloeibare of deeltjesvormige bindmiddel met een deeltjesvormig materiaal (poeder) dat geselecteerd is uit ten minste één van een metaalpoeder, een carbidepoeder, een keramisch poeder, en een mengsel van de voorgaande, teneinde een gemengd keramisch precursormateriaal te verkrijgen;

c. het afzetten van een veelheid aan lagen van het keramische precursormateriaal tot een driedimensionale groene lichaamsstructuur voor een reactormodule verkregen wordt, bij voorkeur om een wanddikte te realiseren die gelegen is in een bereik van 1 pm tot en met 30 mm, bij verdere voorkeur met een verschil tussen de buitenwand en de onderdelen aan de binnenkant van de reactor;

d. het onderwerpen van de lichaamsstructuur aan een bakproces in een oven, teneinde de bindmiddelcomponent te verwijderen (ontbinden), en om de groene lichaamsstructuur om te vormen tot een keramische compositiestructuur (sinteren).
40. Werkwijze volgens conclusie 39, waarin het afzetten van de veelheid aan lagen computergestuurd plaatsvindt, bij voorkeur in de vorm van een driedimensionaal drukproces.
41. Werkwijze volgens een der conclusies 39 of 40, waarin het bindmiddel is geselecteerd uit een polymeer dat vloeibaar kan gemaakt worden en/of kan ontbinden bij de hoge temperatuur die heerst in de oven tijdens het ontbinden en/of het bakken.
42. Werkwijze volgens conclusie 41, waarin het bindmiddel bovendien andere componenten omvat die geselecteerd zijn uit een metallisch poeder, een keramisch poeder, grafietpoeder, grafeenpoeder, diamantpoeder, carbidepoeder, silicidepoeder, nitridepoeder, grafeen, koolstof nanovezels, koolstof nanobuisjes en mengsels van de voorgaande.
43. Werkwijze voor het vormen van een modulair reactorsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de werkwijze de stappen omvat met:

a. het voorzien van een negatief precursor-additiefmateriaal; en

b. het afzetten van het ten minste ene precursor-additiefmateriaal in opeenvolgende lagen, teneinde een driedimensionale negatieve structuur te vormen, en

c. het op de negatieve vorm afzetten van een pre-keramisch of op een andere wijze geschikt materiaal; en

d. het verwijderen van de negatieve vorm van de positieve laag, teneinde een holle positieve dragende laag te verkrijgen.
44. Gebruik van een reactorsysteem volgens een der conclusies 1 tot en met 35, of een systeem zoals dat verkregen is aan de hand van een werkwijze volgens 30 tot en met 43, voor werkwijzen op industriële schaal, in het bijzonder voor de (petro)chemische industrie.