增材工艺制造的交换器和/或反应器‑交换器的制作方法

更确切地，本发明涉及在工业工艺中使用的毫米结构化的(millistructured)交换器-反应器和交换器，这些工业工艺要求此种装置在以下条件下运行：

(i)-高温/高压对，

(ii)-最小的压降，以及

(iii)-使该工艺被加强的条件，例如使用催化交换器-反应器用于生产合成气或者使用紧凑板式热交换器用于预热在氧燃烧工艺的背景下使用的氧气。

毫米结构化的反应器-交换器是其中物质和热量的交换通过通道的几何结构被加强的化学反应器，这些通道的特征尺寸，如水力直径，是一毫米的量级。构成这些毫米结构化的反应器-交换器的几何结构的通道总体上被蚀刻到板上，这些板彼此组装并且这些板中的每一个构成该装置的一级。构成同一个板的多个通道总体上彼此连接并且安排通路以便使所采用的流体(气相或液相)从一个板转移至另一个上。

毫米结构化的反应器-交换器通过分配器或分配区进料有试剂，该分配器或分配区的作用之一是确保这些试剂均匀分配至所有通道中。通过收集器收集在该毫米结构化的反应器-交换器中进行的反应的产物，该收集器使该产物被携带出该装置。

在下文中以下定义应该应用：

(i)-“级”：定位在同一水平上并且其中发生化学反应或热交换的通道的集合，

(ii)-“壁”：将安排在同一级上的两个连贯通道分隔的隔离物，

(iii)-“分配器”或“分配区”：连接至一组通道上并且安排在同一级上并且其中使从该反应器-交换器外部传送的试剂朝向一组通道流通的体积，并且

(iv)-“收集器”：连接至一组通道上并且安排在同一级上并且其中从该组通道携带的反应产物朝向该反应器-交换器外部流通的体积。

构成该反应器-交换器的通道中的一些可以填充有固体形状，例如泡沫，目的在于改进交换，和/或填充有呈固体形式或呈沉积物的形式的催化剂，该沉积物覆盖这些通道以及这些通道可能填充有的元件的壁，如这些泡沫的壁。

通过类似于毫米结构化的反应器-交换器，毫米结构化的交换器是其特征与毫米结构化的反应器-交换器的那些类似的交换器，并且对于该交换器再次发现在上文中定义的元件如(i)“级”、(ii)“壁”、(iii)“分配器”或“分配区”以及(，iv)“收集器”。这些毫米结构化的交换器的通道同样可以填充有固体形式如泡沫，目的在于改进热交换。

此种装置的热整合可以是使得可能优化在不同温度下的流通通过该装置的流体之间的热交换(由于这些流体在若干级上的空间分配以及若干分配器和收集器的使用)的广泛优化的主题。例如，提议用于在玻璃炉中预热氧气的毫米结构化的交换器是由多个毫米级通路构成的，这些通路安排在不同级上并且是使用彼此连接的通道形成的。这些通道可以通过一个或多个分配器供应有热流体(例如在大约700℃与950℃之间的温度下)。通过一个或多个收集器将冷却和加热的流体传送到该装置外部。

为了充分利用毫米结构化的反应器-交换器或毫米结构化的交换器在目标工业工艺中的使用，此种设备需要具有以下特性：

-它需要能够在高的、总体上大于或等于大约12.10⁸Pa.℃(12 000巴.℃)的量级的“压力×温度”乘积(对应于大于或等于600℃的温度以及大于20.10⁵Pa(20巴)下的压力)下运行；

-它们需要特征为小于或等于大约40 000m²/m³并且大于或等于大约4000m²/m³的表面积与体积比以便允许在壁上的现象并且特别是热传递的加强；

-它们需要允许在热流体的入口与冷却或温暖的流体的出口之间小于5℃的接近温度；并且

-它们需要引起在输送同一流体的通道的网络的分配器与收集器之间小于10⁴Pa(100毫巴)的压降。

若干设备制造商提供了毫米结构化的反应器-交换器和交换器。这些件装置中的大多数是由板构成的，这些板由通过喷蚀获得的通道组成。这种制造方法导致产生通道，这些通道的截面具有接近半圆形形状的形状并且这些通道的尺寸由于机加工工艺本身从一个制造批次到另一个是近似的并且不是精确地可重复的。确切地，在蚀刻操作过程中，所使用的浴变得被从这些板去除的金属颗粒污染并且尽管将该浴再生，但是由于操作成本的原因，当大流水线生产制造板时不可能维持相同的效率。在下文中“半圆形截面”将被理解为意指通道的截面，该通道的特性受制于在上文中描述的并且由制造方法(如化学蚀刻和模压)引起的尺寸限制。

尽管这种通道制造方法从经济观点来看不是有吸引力的，可想到的是通过传统的机加工方法制造构成这些板的通道。在此情况下，这些通道的截面将不是半圆形类型的，而是将是矩形的，于是这些被称为具有“矩形截面”。

通过类推，这些制造方法还可以用于制造分配区或收集器，由此赋予它们与通道的几何优先级类似的几何优先级，如：

(i)-在通过化学蚀刻或模压制造的情况下产生在通道的底部与其壁之间的半径以及产生从一个制造批次到另一个制造批次的不可重复的尺寸，或者可替代地

(ii)-在使用传统的机加工方法制造的情况下产生直角。

如此获得的由半圆形截面或涉及直角的截面的通道构成的板总体上通过扩散结合或通过扩散钎焊彼此组装。

半圆形或矩形截面的这些件装置的大小确定依赖于应用ASME(美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers))第VIII节部分1附录13.9(section VIII div.1 appendix 13.9)，其并入了由蚀刻板构成的毫米结构化的交换器和/或反应器-交换器的机械设计。为了获得所希望的机械完整性而有待限定的值在图1中指出。分配区和收集器的尺寸是由有限元计算确定的，因为ASME规范不为这些区提供分析的尺寸标注。

一旦这些尺寸已经确立，通过这种方法限定的设计的调整验证要求根据ASME UG 101的爆裂试验。例如，对于通过扩散钎焊组装的并且由因科镍(inconel)(HR 120)合金制成的在25巴下并且在900℃下运行的反应器-交换器的预期的爆裂值在环境温度下具有3500巴的量级。这是高度不利的，因为这个试验要求该反应器过度设计建造(over-engineered)以便符合该爆裂试验，该反应器因此损失紧凑性以及就热传递而言的效率(由于通道壁厚度的增加)。

目前，这些毫米结构化的反应器-交换器和/或交换器的制造根据图2中描述的七个步骤进行。在这些步骤中，四个是关键性的，因为它们可能导致不符合的问题，其唯一可能的结果是该交换器或反应器-交换器的报废，或者如果这种不符合是足够早期地在制造此设备的生产线上检测到，构成压力设备的板的报废。

这四个步骤是：

-化学蚀刻通道，

-通过扩散钎焊或扩散结合组装经蚀刻的板，

-将连接头焊接到分配区和收集器上，在这些连接头上焊接管供应或去除流体，以及最后

-在经受引起可能使该设备的表面光洁度降级的现象的用途的反应器-交换器或交换器的情况下，施加保护涂层和/或催化剂层的操作。

无论什么机加工方法用于制造毫米结构化的交换器或反应器-交换器，所获得的通道是半圆形的截面(在化学蚀刻情况下(图3))并且由两个直角构成的，或者是矩形截面(在传统的机加工情况下)并且由四个直角构成。这多个角对于获得在整个截面上均匀的保护涂层是有害的。这是因为，几何不连续性的现象(如角落)增加了产生不均匀沉积物的可能性，这将不可避免地导致基体的表面光洁度的降级的现象的开始，该现象旨在被避免，例如像腐蚀、碳化或氮化的现象。通过化学蚀刻或传统的机加工技术获得的有角的通道截面不允许优化此种组装的机械完整性。确切地，用于设计建造此类截面的尺寸以便经受压力的计算具有增加这些通道的壁厚度和底部厚度的作用，该设备因此损失其紧凑性并且还损失就热传递而言的效率。

此外，化学蚀刻施加了就几何形状而言的限制，使得不可能具有高度大于或等于其宽度的通道，并且这导致对表面积/体积比的限制，导致优化限制。

使用扩散结合的蚀刻板的组装是通过将高单轴向应力(典型地具有2Mpa至5MPa的量级)施加至由一堆蚀刻板构成的基体上获得并且是通过压力机在高温下在持续若干小时的保持时间期间施加的。这种技术的使用与设备(例如像，在400mm×600mm的体积内容纳的设备)的小型物件的制造兼容。超过这些尺寸，必须施加以便维持恒定应力的力变得太大而不能通过高温压力机施加。

使用扩散结合工艺的某些制造商通过使用据称自组装的组件克服了实现高应力的困难。此技术不允许有效控制施加至该设备上的应力，并且可引起通道变得粉碎。

使用扩散钎焊的蚀刻板的组装是通过以下方式获得的：将通过压力机或者通过自组装机构在高温下并且持续若干小时的保持时间施加的低单轴向应力(典型地具有0.2Mpa的量级)施加在由这些蚀刻板构成的基体上。在这些板的每一个之间，使用不允许保证此施加的完美控制的工业施加方法施加钎焊的填料金属。此填料金属旨在在钎焊操作过程中扩散至该基体内以便产生在这些板之间的机械连接。

此外，在该设备的温度保持期间，当该设备被制造时，该钎焊金属的扩散不能被控制，并且这可导致不连续并且因此具有损害该设备的机械完整性的作用的钎焊接合。举例而言，根据扩散和钎焊方法制造的并且根据ASME第VIII节部分1附录13.9设计建造的由已经生产的HR 120制成的设备在爆裂试验过程中不能经受840.10⁵Pa(840巴)的压力的施加。为了克服这种降级，分配区的壁厚度和几何结构被适配以便增加在每个板之间的接触面积。这具有限制表面积/体积比、增加压降、以及引起在该设备的通道中的差分配的作用。

此外，用于设计建造这种类型的钎焊设备的ASME规范第VIII节部分1附录13.9不允许使用扩散钎焊技术用于使用含有致命气体(例如像一氧化碳)的流体的设备。因此，通过扩散钎焊组装的设备不能用于生产合成气。

通过扩散钎焊制造的设备最终由一堆蚀刻板构成，在这些蚀刻板之间安排钎焊接合。其结果是，在大多数情况下，在这种设备的面上进行的每个焊接操作导致由该焊接操作影响的热影响区中的钎焊接合的破坏。这种现象沿着钎焊接合传播，并且在大多数情况下，引起该组件分裂开。为了减轻此问题，有时候建议的是在组装该钎焊基体的时候添加厚的增强板以便提供用于连接器焊接的框架似的支撑件(不具有钎焊接合)。

从工艺加强观点来看，蚀刻板彼此组装的事实意指该设备需要用二维方式设计，这通过强迫这种类型的设备的设计者约束他们自己至分级的方式来分配这些流体限制了在交换器或反应器-交换器内的热优化。

从经济制造(ecomanufacture)观点来看，因为所有这些制造步骤通过不同行业进行，它们总体上是通过位于不同地理位置中的多个不同的分包商进行的。这导致漫长的生产延迟和大量的部件运输。

本发明提出克服与现今制造方法关联的缺点。

本发明的解决方案是一种至少包括3级的交换器-反应器或交换器，该交换器-反应器或交换器在每级上具有至少一个促进热交换的毫米级通道区和至少一个在该毫米级通道区上游和/或下游的分配区，其特征在于，所述交换器-反应器或交换器是在这些不同级之间不具有组装界面的部件。

视情况而定，根据本发明的交换器-反应器或交换器可展示以下特征中的一项或多项：

-这些毫米级通道的截面是圆形形状；

-所述交换器-反应器是催化交换器-反应器并且包括：

-至少第一级，其包括至少一个分配区以及至少一个毫米级通道区用于流通在大于700℃的温度下的气态流，使得它供应对于催化反应必要的热量中的一些；

-至少第二级，其包括至少一个分配区和至少一个毫米级通道区用于在被催化剂覆盖的毫米级通道的纵向方向上流通气态流试剂以便引起该气态流反应；

-至少第三级，其包括至少一个分配区和至少一个毫米级通道区用于流通在第二板上产生的该气态流，使得它供应对于催化反应必要的热量中的一些；在该第二板和该第三板上具有系统，使得所产生的气态流可以从该第二板流通至该第三板。

本发明的另一个主题是增材制造方法用于制造紧凑催化反应器的用途，该紧凑催化反应器至少包括3级、在每级上具有至少一个促进热交换的毫米级通道区和至少一个在该毫米级通道区上游和/或下游的分配区。

优选地，该增材制造方法将允许制造根据本发明的交换器-反应器或交换器。

等效直径意指等效水力直径。

作为优先选择，该增材制造方法使用：

-至少一种微米级金属粉末作为基材，和/或

-至少激光作为能量源。

确切地，该增材制造方法可以采用微米级金属粉末，这些粉末通过一种或多种激光熔融以便制造复杂的三维形状的最终物件。根据用于所希望的形状和所希望的淀积速率的精度，逐层建立该物件，这些层具有50μm的量级。有待被熔融的金属可以或作为粉末床或通过喷雾嘴供应。用于局部熔融该粉末的激光是或者YAG、纤维或CO₂激光，并且这些粉末的熔融是在惰性气体(氩气、氦气等)下进行的。本发明不限于单一增材制造技术而是适用于所有已知技术。

不像传统的机加工或化学蚀刻技术，该增材制造方法使得可能产生圆柱形截面的通道，这些通道提供了以下优点(图4)：

(i)-经受压力的更好的能力并且因此允许在通道壁厚度上显著减小，以及

(ii)-允许使用压力设备设计规则，这些设计规则不要求进行爆裂试验以便证明该设计的效力，如由ASME规范的第VIII节部分1附录13.9所要求的。

确切地，通过增材制造(使得可能产生圆柱形截面的通道)产生的交换器或反应器-交换器的设计依赖于“通常”的压力设备设计规则，这些设计规则适用于构成该毫米结构化的反应器-交换器或交换器的圆柱形截面的通道、分配器和收集器的尺寸标注。

增材制造技术最终使得可能获得据称“固体”的物件，不像组装技术如扩散钎焊或扩散结合，这些物件在每个蚀刻板之间没有组装界面。此特性通过经由构造来消除弱点线的存在并且通过由此消除潜在失效源用以改进装置的机械完整性。

通过增材制造并且消除扩散钎焊或扩散结合界面获得固体部件使得可能考虑很多设计可能性，而不约束于被设计为限制潜在组装缺陷(如在钎焊接合中或者在扩散结合的界面中的不连续性)的影响的壁几何结构。

增材制造使得可能产生使用传统制造方法不可想象的形状，并且因此用于毫米结构化的反应器-交换器或交换器的连接器的制造可以与该装置的主体的制造连续性地完成。然后，这使得可能不必须进行将这些连接器焊接至该主体的操作，由此使得可能消除对该设备的结构整体性的损害源。

在使用增材制造的通道的几何结构上的控制允许产生圆形截面的通道，除了此形状随之带来的良好的压力完整性之外，其还使得可能具有对于保护涂层和催化涂层的沉积优化的通道形状，这些涂层因此沿着这些通道的整个长度是均匀的。

通过使用这种增材制造技术，在生产率方面上的增长通过减少制造步骤的数目也被允许。确切地，使用增材制造产生反应器的步骤从七个下降至四个(图5)。关键性的步骤(可引起完整的装置或构成该反应器的板报废的那些)采用增材制造时下降至两个，在这些关键性的步骤中当使用通过组装化学地蚀刻的板的常规制造技术时存在四个。因此，留下的仅有步骤是增材制造步骤以及施加涂层和催化剂的步骤。

举例而言，根据本发明的反应器-交换器可用于生产合成气。此外，根据本发明的交换器可以在氧燃烧工艺中用于预热氧气。