SE524540C2 - Flödesstyrande insats i en reaktorkammare samt reaktor försedd med insatsen - Google Patents

Description

20 25 30 524 540 bränsleceller. En sådan reaktor beskrivs till exempel i EP 1 091 800, som visare en kompakt, katalytisk reaktor uppbyggd av staplade, strukturerade plattor som bildar reaktionsutrymmen och värmebärande utrymmen. Strukturen kan vara utformad som kanaler för att åstadkomma en bra fördelning av reaktionsvätskan.

Denna typ av reaktorer kan också användas i större skala.

Flödesstyrande insatser är kända i många sammanhang för att fördela ett flöde och för att säkerställa att flödesriktningen konstant förändras. Dessa insatser består av olika slags packningsmaterial, som finns tillgängliga i olika material och utföranden. l WO 01/94006 beskrivs ett exempel på en tubreaktor av detta slag med reaktionsrör med packning i moduler som skapar turbulens för att främja flödet genom packningsmaterialet.

Föreliggande uppfinning avser att tillhandahålla en reaktorkammare med en flödesstyrande insats som gör det möjligt att erhålla en noggrann hydrodynamisk kontroll av flödesförhållandena för de reagerande ämnen som skall passera rektionskammaren. Detta mål erhålles genom att insatsen omfattar ett antal enheter arrangerade i rader, vilka enheter tillsammans med kammarens väggar definierar en kanal för ett fluidum, vilken kanal sträcker sig från en första sida i kammaren till en andra sida i kammaren och tillbaka igen till den första sidan bakåt och framåt ett antal gånger och att enheterna är anordnade så att fluidet tvingas strömma genom enheterna i en serpentinformad bana. insatsen enligt uppfinningen, vilken tvingar fluidet att upprepade gånger ändra riktning, åstadkommer turbulenta flödesförhållanden som effektivt hindrar bildandet av lager av fluidum som flyter med olika flödeshastighet och inga stillastående zoner bildas. Höga blandningshastigheter erhålles och en snäv fördelning av uppehållstiden erhålles. De strömmande 10 15 20 25 30 524 540 a ~ | a »- reagerande ämnena som passerar kanalen kan vara rena vätskor, blandningar av vätskor, vätskor innehållande partiklar eller vätskor med löst eller fri gas. insatsen kan ha fyrkantig form och fyrkantig tvärsektion. Varje rad i insatsen kan ha en längd som är avsevärt större än avståndet mellan två motstående väggar i reaktorkammaren. De nämnda motstående i väggarna kan båda eller endast en bestå av ett värmeledande material, som gör det möjligt att låta ett kylande eller värmande fluidum passera utanför kanalen. Den ena eller båda väggarna kan alternativt bestå av ett membran med lämplig porstorlek som gör det möjligt för en bildad produkt eller produkter att passera membranet. Kombinationer av väggar av dessa slag kan också vara möjliga.

Den fyrkantiga insatsen kan om så önskas rullas till en tub eller i en spiral. I ett sådant fall måste naturligtvis också reaktorkammarens väggar få samma form.

Enheterna i den flödesstyrande insatsen enligt uppfinningen är med fördel utformade så att varje enhet har en plan yta avsedd att anligga mot en av reaktorkammarens väggar eller den mot plana sidan hos en annan enhet på ett tätande sätt. Enheten har en utsträckning som är mindre än avståndet mellan två motstående väggar i reaktorkammaren.

Den flödesstyrande insatsen är med fördel uppbyggd på ett sådant sätt att varje rad av enheter skiljs från en närliggande rad av enheter genom begränsande organ, som anligger mot reaktorkammaren på ett tätande sätt. Reaktorkammaren kan vara anordnad så att fluidet strömmar genom reaktorkammaren med hjälp av tyngdkraften, d. v. s. kammarens inlopp är anordnat över utloppet. Det är naturligtvis också möjligt att låta fluidet 10¶ 15 20 25 524 540 passera kammaren drivet av en pump, vilket betyder att in- och utlopp till kammaren är belägna på samma nivå.

Enheterna i den flödesstyrande insatsen har med fördel en sida mitt emot den plana ytan med en mjukt rundad form, till exempel en cylindrisk form.

På detta sätt uppnår man mycketfördelaktiga flödesförhållanden. l en flödesstyrande insats enligt uppfinningen finns med fördel en förbindelse mellan två närbelägna rader av enheter i reaktorkammaren, som erhålles genom att det finns en öppning mellan ena änden av raden och en reaktorvägg och också mellan nästa rad av enheter och samma reaktorvägg. På detta sätt kan fluidet strömma från en rad till den andra i det skapade tomma utrymmet.

Den flödesstyrande insatsen kan innehålla åtminstone två enheter i åtminstone två närliggande rader som är anordnade så att en öppning i en cylindrisk del i en enhet samverkar med en öppning i det begränsande organet tillsammans med en öppning i den cylindriska delen i en andra enhet för att bilda en passage som sträcker sig genom en del av insatsen eller genom hela insatsen. Sådana passager ger möjlighet att skapa en i förbindelse mellan ett inlopp vid reaktorkammarens ena ände och strömmen av fluidum varsomhelst i reaktorkammaren. Passagerna kan utnyttjas för att injicera ett vätske- eller gasreagens i strömmen av fluidum. De kan också utnyttjas för att ta prover eller för att mäta till 1 exempel temperatur eller tryck. Om så önskas kan ett kylande eller värmande medium ledas genom de bildade passagerna.

Den flödesstyrande insatsen som innehåller ett önskat antal rader och begränsande organ framställs med fördel i en del. Beroende 10 15 20 25 30 u ~ . ~ -n 524 540 ësfiæ;-ä på det önskade material i insatsen kan den till exempel framställas genom formning, pressning, fräsning eller genom gjutning.

Den flödesstyrande insatsen som 'innehåller ett antal enheter och begränsningar kan alternativt produceras i delar med pelarform, som tillsammans bildar insatsen. Detta kan vara nödvändigt om enheterna har en mjukt böjd form också i närheten av den plana ytan.

Ett speciellt lämpligt material för att framställa insatsen utgöres av polyetereterketon, PEEK. Andra material kan utgöras av kol, glas eller metall.

Den flödesstyrande insatsen enligt uppfinningen beskrivs närmare med hänvisning till bifogade ritningar som visar två utföringsexempel på den flödesstyrande insatsen. Dessa utföringsformer har valts endast som exempel.

Fig. 1-3 visar olika vyer av en enskild enhet med begränsningar avsedd att vara en del i en insats.

Fig. 4 visas en perspektivritning av ett antal enheter sammansatta till en del av en insats.

Fig. 5 visar en perspektivritning av två enheter försedda med öppningar avsedda att anordnas i två närbelägna rader.

Fig. 6 visar en tvärsektion av en rad enheter försedda med öppningar i den cylindriska delen av enheten.

. Fig. 7 visar en perspektivritning av tre rader av enheter med öppningar.

Fig. 8 visar en perspektivritning av en del av en insats anordnad i en reaktorkammare.

Fig. 9-11 visar olika sidor av en annan utföringsform av en enskild enhet avsedd att vara en del av en insats. 10 15 20 25 30 524 540 .

Fig.12 visar en perspektivritning av hur dessa enheter har kombinerats för att bilda en del av en insats.

Fig. 13 visar en perspektivritning av hur dessa enheter kan produceras i form av pelare.

Fig. 14 visar ett tvärsnitt av en rad av enheter.

Fig. 15 visar hur tio enheter i tre rader bildar en del av en insats.

Fig. 16 visar en insats anordnad i en reaktorkammare i en platta sedd både från framsidan och från baksidan. i Fig. 17 visar en perspektivvy av en del av en reaktor med en reaktorkammare innehållande insatser enligt uppfinningen. l fig. 1 visas en enskild enhet 1 sedd från en sida, vilken enhet 1 tillsammans med likadana enheter anordnade i rader bildar en insats för en reaktorkammare. Enheten 1 har en plan yta 2 och övre och nedre fyrkantiga begränsningar 3, 4.

Enheten 1 har en cylindrisk del 5 på den sida som är motsatt till den plana sidan som framgår av fig. 2, som visar en tvärsektion av enheten.

I fig. 3 ses enheten 1 från sidan. Som framgår av fig. 2 och 3 bildas ett fritt utrymme 6 inuti enheten som avgränsas av begränsningarna 3 och 4.

Detta fria utrymme är avsett för det fluidum, som skall passera reaktorkammaren. l fig. 4 visas hur nio enheter 1 är anordnade i förhållande till varandra för att bilda insatsen för reaktorkammaren. Som framgår av fig. 4 är de nio enheterna visade i figuren anordnade så att den plana ytan hos den första och tredje enheten i varje rad är vända åt samma sida, medan den andra enheten i varje rad är vänd 180 ° i förhållande till den första och den tredje enheten. På detta sätt definierar de plana ytorna ett område 10 15 20 25 a « » . n. 524 540 ::ïæ:r¿.U-- (yta), som tillsammans med reaktorkammarens väggar (ej visade här) bildar en meanderformad kanal för fluidet. Fluidet strömmar genom de fria utrymmena 6 mellan enheterna och mellan den cylindriska delen 5 hos enheterna och väggarna i reaktorkammaren. För att tvinga fluidet att strömma i de bildade kanalerna är det naturligtvis nödvändigt att de plana ytorna hos enheterna anligger mot den närbelägna väggen så att inget fluidum kan strömma förbi kanalen. De övre 3 och undre 4 i begränsningarna hos enheten 1 definierar ensamma och tillsammans begränsande organ mellan raderna.

I dessa ritningar är raderna i insatsen uppbyggda av enskilda enheter.

Om så skulle önskas är det naturligtvis möjligt att bygga upp en insats som innehåller enheter, där två enheter vänder sina plana ytor mot varandra. Detta ger en effektiv fördelning av flödet på bekostnad av möjligheten att noggrant kontrollera uppehållstiden i kammaren.

I fig. 5 visas två enheter avsedda att anordnas i rader närliggande till varandra. Båda dessa enheter har en öppning 7 i den cylindriska delen av enheten som sträcker sig genom enheten frånden övre till den undre begränsningen. Med ett sådant arrangemang är det möjligt att förbinda ett inlopp i ena änden av reaktorkammaren så att ett flöde av injicerat fluidum tillsätts ett flöde av det första fluidet vid en valfri punkt i reaktorkammaren. Förbindelsen erhålles genom att en enhet med en öppning 7 också har en öppning någonstans på ytan av den cylindriska delen hos enheten, vilka två öppningar är förbundna någonstans inuti enheten. Det är också möjligt att ha ett antal enheter med öppningar i ett antal närbelägna rader så att det bildas en passage, som sträcker sig hela vägen genom insatsen. 10 15 20 25 30 . ~ ~ . .n 524 540 I fig. 6 visas en tvärsektion av ett antal enheter 1 försedda med öppningar 7. De enskilda begränsningarna 4 hos enheterna bildar tillsammans det begränsande organet 8. I högra änden av figuren finns ett urtag 9 i det begränsande organet 8. Urtaget 9 gör det möjligt för fluidet att strömma från en rad av enheter till en närbelägen rad av enheter.

Fig. 7 visar tre rader av enheter försedda med öppningar 7. Somframgår av ritningen sträcker sig det översta begränsande organet 8 något längre till höger än nästa begränsande organ. Detta utrymme motsvarar urtaget 9 som visas i figur 6. Ett fluidum, som skall strömma genom reaktorkammaren (inga väggar visas i denna figur). kommer in i .reaktorkammaren genom ett inlopp (ej visat) anordnat i närheten av den vänstra änden av den översta raden enheter. Fluidet strömmar sedan i en serpentinbana i det fria utrymmet 6 mellan enheterna, tills det når högra änden av den översta raden. Beroende på urtaget 9 kan fluidet sedan passera till nästa rad och strömma genom det fria utrymmet mellan enheterna från höger till vänster. Som framgår av ritningen finns ett motsvarande urtag i det tredje begränsande organet 8, vilket ger fluidet möjlighet att komma in i den tredje raden av enheter. På denna ritning visas insatsen stående. Naturligtvis är det lika möjligt att insatsen finns anordnad i en reaktorkammare, som är horisontell.

I fig. 8 visas hur en insats omfattande ett block av enheter 1 formade i ett stycke kan anordnas i en reaktorkammare. Reaktorkammaren omger ett utrymme i form av en avlång fyrkant. På ritningen, som bara visar en liten del av reaktorkammaren, visas den bortre väggen 10 i kammaren och sidoväggarna 11 och 12. Den främre väggen i reaktorkammaren har uteslutits för klarhets skull. På ritningen visas hur fluidet kommer från kammarens högra del och strömmar i en serpentinformad bana i kanalen, som definieras av enheterna och kammarens väggar. Urtaget 9 bildat 10 15 20 25 30 524 540 mellan insatsen och sidoväggen 12 gör det möjligt för fluidet att passera till den närbelägna lägre raden. l fig. 9 visas en utföringsform av en enhet med något annorlunda form som ger en annan slags insats. Enheten 11 ses från ena sidan och har också övre och undre begränsningar 31 och 41. l fig. 10 visas ett tvärsnitt av enheten 11. Som framgår av ritningen har enheten 11 en plan yta 21 och en cylindrisk del 51. Det finns en mjukt rundad övergång från den cylindriska delen till den plana delen. Den övre och undre begränsningen 31 och 41 har formen av en stympad triangel med två parallella sidor. Som framgår av fig.11 finns det ett utrymme 61 framför den cylindriska delen 51 hos enheten.

I fig.12 visas hur enheterna kan arrangeras för att bilda en del av insatsen avsedd att användas i reaktorkammaren, där varannan enhet har vänts 180° i förhållande till de andra enheterna. Den del av insatsen som visas i fig.12 kan, som visas i fig. 13, byggas upp av pelare 13, som är framställda i ett stycke som innehåller ett önskat antal enheter.

I fig. 14 visas en tvärsektion av ett antal enheter 11 i en rad. De plana ytorna 21 hos enheterna är avsedda att anligga mot väggarna i reaktorkammaren på ett tätande sätt. Av ritningen framgår hur de mjukt rundade delarna hos enheterna 11 nära den plana ytan 21 tillsammans med den cylindriska delen av enheterna bildar en serpentinformad kanal. l fig.15 visas en perspektivvy av tre rader enheter med tio enheter i varje.

I denna figur ser man hur de övre och nedre begränsningarna hos enheterna samverkar för att bilda övre och nedre ytor som bildar de begränsande organen som skiljer raderna. Man ser också hur de plana ytorna 21 bildar ett plant område med små öppningar 14. Väggarna i 10 15 20 25 30 . . - . a. 524 540 :Larm reaktorkammaren skall anligga mot detta plana område (yta) på ett tätande sätt och bilda en begränsning för kanalen, som erhålls mellan enheterna. lfig. 16 visas insatsen 15 inuti en reaktorkammare 16. Reaktorkammaren är anordnad i en fyrkantig öppning' i en rektangulär platta 17.

Reaktorkammaren begränsas av kanterna hos den fyrkantiga öppningen och av tunna plattor eller membran belägna bakom och framför plattan 17. ( De tunna plattorna eller membranen visas inte i fig. 16.) Vid ena änden av kammaren finns ett inlopp 18 för det fluidum, som skall passera i reaktorkammaren och 'i andra änden av reaktorkammaren finns ett utlopp 19 för fluidet.

En del av en reaktor som innehåller tre reaktorkammare 16 visas i fig. 17.

Väggarna 20, 21 som omger reaktorkammaren består i denna utföringsform av tunna plattor av ett värmeledande material. Membran kan, om så är lämpligt, användas i stället för tunna plattor på båda eller ena sidan av reaktorkammaren. På båda sidor av reaktorkammaren finns kanaler 22 genom vilka ett kylande eller värmande medium kan strömma.

Kanalerna 22 avgränsas på sin andra sida av väggar 23. Mellan kanalerna för kylande eller värmande medium finns övergångsplattor 24.

Reaktorkamrarna 16, kanalerna för kylande eller värmande medium och övergångsplattorna omges på båda sidor av stativplattor 25 och paketet hålls samman av bultar 26. Det finns ett inloppsrör 27 vid reaktorns ena ände och ett motsvarande hål i stativplattorna 25 och de väggar som omger kanalerna för kylande eller värmande medium. Fluidet, som skall passera reaktorkammaren, kommer in genom inloppsröret 27 och de nämnda hålen och kommer fram till inloppet 18 i reaktorkammaren 16.

Fluidet strömmar sedan i en serpentinformad bana mellan enheterna i den första översta raden, sedan genom nästa rad och så vidare till dess 10 15 20 25 . - » ; .n 524 540 alla raderna i den första reaktorkammaren har passerats. Fluidet passerar sedan hålen i den nedre änden av reaktorn (icke visat) och kommer in i den andra reaktorkammaren. I denna tvingas fluidet att strömma från ena sidan av reaktorkammaren till andra sidan mellan enheterna i rad efter rad uppåt tills det når raden på toppen. Det finns ett utlopp 19 från reaktorkammaren genom vilket fluidet kan passera genom hålen i väggarna 21, 23 och genom en öppning 28 i övergàngsplattan 24. l denna utföringsform är reaktorkamrarna förbundna i serie. Naturligtvis är det också möjligt att förbinda reaktorkamrarna parallellt om så önskas. l stället för att ha värmande eller kylande kanaler på båda sidor av reaktorkammaren är det möjligt att separera två reaktorkammare från varandra med ett membran. Med ett sådant arrangemang med en värmande eller kylande kanal, en reaktorkammare, ett membran, en reaktorkammare och en värmande eller kylande kanal anordnade bredvid varandra kan en första reaktion ske i den första reaktorkammaren och en komponent som funnits med från början eller som bildats genom reaktionen, kan passera membranet för en ytterligare reaktion eller värmning eller kylning. l de utföringsformer som visats på ritningarna har alla enheterna i en insats samma form och storlek. Naturligtvis är det möjligt att inom ramen för uppfinningen använda enheter med en tunnare eller tjockare utsträckning i en eller ett antal rader, eller bara i en del av en rad. De övre eller lägre begränsningarna kan göras tjockare, vilket naturligtvis förändrar kanalens storlek. En sådan reduktion av kanalens storlek kan medföra en ökning av flödeshastigheten, vilket kan vara fördelaktigt.

Claims (10)

10 15 20 '25 30 524 540 fvrzë -' Patentkrav i

1. Flödesstyrande insats (15) i en reaktorkammare (16) i en reaktor, vilken reaktorkammare (16) har en huvudsakligen fyrkantig tvärsektion, vilken kammare (16) har ett inlopp (18) vid ena änden av kammaren och ett utlopp (194) vid kammarens andra ände och åtminstone en av väggarna i reaktorkammaren består av ett värmeledande material eller ett membran, k ä n n e t e c k n a d av att insatsen (15) omfattar ett antal enheter (1,11) anordnade i rader, vilka enheter tillsammans med väggarna (20,21) i kammaren definierar en kanal för ett fluidum, vilken kanal sträcker sig från en första sida av kammaren till en andra sida av kammaren och tillbaka igen till den första sida bakåt och framåt ett antal gånger och att enheterna (1 ,1 1) är anordnade, så att fluidet tvingas strömma mellan enheterna i en serpentinformad bana.

2. Flödesstyrande insats enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att varje enhet (1,11) haren plan yta (2,21) avsedd att anligga mot ena väggen i reaktorkammaren eller den plana ytan (2, 21) hos en annan enhet och har en utsträckning som är mindre än avståndet mellan motstående väggar i reaktorkammaren.

3. Flödesstyrande insats enligt krav 1-2, k ä n n e t e c k n a d av att varje rad av enheter (1, 11) skiljs från nästa rad enheter av begränsande organ (8) som sträcker sig mellan och anligger mot väggarna i reaktorkammaren på ett tätande sätt. f

4. Flödesstyrande insats enligt krav 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att den sida av enheten som är mitt emot den plana ytan har en mjukt rundad form (5), till exempel en cylindrisk form. 10 15 20 25 30 524 540 /3

5. Flödesstyrande insats enligt krav 1-4, k ä n n e t e c k n a d av att en förbindelse mellan två närbelägna rader av enheter (1, 11) i reaktorkammaren erhålles genom att det finns en öppning (9) mellan ena änden av en rad och en reaktorsida och också mellan nästa rad av enheter och samma reaktorsida, så att fluidet kan strömma från en rad till den andra i det skapade tomma utrymmet.

6. Flödesstyrande insats enligt krav 1-5, k ä n n e t e ck n a d av att åtminstone två enheter (1, 11) i åtminstone två rader den ena nära den andra är anordnade så att en öppning (7) i den cylindriska delen i en ' enhet samverkande med en öppning i det begränsande organet (8) tillsammans med en öppning (7) i den cylindriska delen i den andra enheten ger en möjlighet att skapa passager mellan ett inlopp vid ena änden av reaktorkammaren och en flödesväg någonstans i reaktorkammaren eller genom nämnda kammare.

7. Flödesstyrande insats enligt krav 1-6, k ä n n e t e c k n a d av att ett antal rader av insatser (1) och begränsande organ (8) framställs i ett stycke.

8. Flödesstyrande insats enligt krav 1-7, k ä n n e t e c k n a d av att ett antal enheter (11) och begränsningar (3, 4) framställs i ett stycke som en pelare.

9. Flödesstyrande enhet enligt något av krav 1-8, k ä n n e t e c k n a d av att insatsen är framställd av polyetereterketon (PEEK), kol, . glas eller metall.

10. Reaktor försedd med åtminstone en reaktorkammare som innehåller en flödesstyrande insats enligt något av föregående krav.