反应器组件和执行反应的方法与流程

反应器组件和执行反应的方法
1.相关专利数据
2.本技术要求于2019年3月20日提交的名称为“reactor assemblies and methods of performing reactions”的美国专利申请序列号16/359,909的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
3.关于联邦资助研究和开发下的发明权利的声明
4.本发明是根据美国能源部(u.s.department of energy)授予的合同de
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ac05
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76rl01830在政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。
技术领域
5.本公开涉及反应器组件和用于执行反应的方法。本公开的实施方案涉及执行吸热反应。本发明的实施方案还可利用太阳能或其他热源来驱动吸热反应。


背景技术：

6.在氢气生产的情况下，目前的商业技术包括在燃烧产物流的一部分以驱动吸热反应的系统中的常规蒸汽甲烷重整，以及其中用于电化学反应的能量通常来自电网的水电解。与常规蒸汽甲烷重整和使用电网电力的水电解相比，从天然气或其他甲烷来源太阳能热化学生产氢气可以具有更高的总体能量效率和减少的碳排放的优点。
7.反应器系统已经被设计用于使用集中太阳能对甲烷和其他烃进行蒸汽重整。已经提供了反应器组件和方法，其包括2018年4月24日公布的标题为“solar thermochemical processing system and method”的美国专利号9,950,305和2018年4月10日提交的标题为“solar thermochemical processing system and method”的美国专利申请序列号15/950,068，所述专利申请的每个专利申请的全部内容通过引用并入本文。


技术实现要素：

8.本发明提供了反应器，其可以包括第一组流体通道和被定向成与第一组流体通道热接触的第二组流体通道。任一组或两组流体通道的通道可以是非线性的。
9.还提供了堆叠式反应器组件，其可以包括处于堆叠构型的第一组流体通道和第二组流体通道，其中流体通道被定向成彼此热接触，并且第一组流体通道中的至少一个流体通道与第二组流体通道中的多个其他通道热接触。
10.还提供了反应器组件，其可包括：第一组流体通道，该第一组流体通道限定至少一个非线性通道，所述至少一个非线性通道具有由正数学函数限定的形状；以及第二组流体通道，该第二组流体通道限定至少另一个非线性通道，所述至少另一个非线性通道具有由相对于第一组流体通道的一个非线性通道的正数学函数的负数学函数限定的形状。
11.提供了用于在反应器上分配能量的方法。所述方法可包括经由第一组流体通道将反应物输送到第二组流体通道，并且使第一组流体通道中的至少一个流体通道与第二组流体通道中的至少两个流体通道热接合。
12.本公开的实施方案可以利用热能来促进或驱动各组流体通道中的至少一组中的吸热反应。在特定实施方案中，用于通道的热可由多种来源提供，包括电加热、放热化学过程和/或太阳能。反应器和/或方法可以提供高温吸热反应诸如甲烷蒸汽重整或逆水煤气变换，其中反应热主要由太阳能提供。本公开的反应器和/或方法在合成气产生中具有应用，合成气可以是用于生产许多化学品(包括可用于精炼厂的氢气)、用于燃料电池(包括燃料电池车辆)以及用于其他化学处理应用中的前体。
13.本公开的反应器组件和/或方法可以具有两组螺旋形流体通道，所述两组螺旋形流体通道可以由薄构件分开并且以相反的螺旋方向布置以形成横流模式、逆流模式或逆横流(counter
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cross
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flow)模式。每组可以是重复的非线性单元的阵列，其限定螺旋流动路径的一个或多个通道。两个通道组的对称轴线可以在毂部重合。虽然每个流体通道的重复单元可以相同或不同，但根据示例性实施方案，重复单元可以不同。形成阵列的重复单元的非线性流体通道可以从螺旋性质的一般曲线导出，该曲线是平面的或三维的。虽然可以使用许多类型的螺旋曲线，但是阿基米德和对数螺旋线及其三维导数是特别相关的。
14.非线性流体通道和/或非线性逆流通道或非线性逆横流通道的集成可以提供转化为性能和经济优势的两个益处。首先，该组合可以提供热扩散，如下所述，该热扩散降低热点和热应力的严重性、使冷点变暖，并提高反应器寿命。其次，该组合可允许从产物流回收热能(显热)以为反应提供额外的热。这可以降低对于给定量的反应所需的太阳能的量，并且因此使反应器系统更有效、生产率更高并且成本更低。
附图说明
15.下面参考附图描述本公开的实施方案。
16.图1是根据本公开的实施方案的反应器组件的横剖视图。
17.图2是根据本公开的实施方案的反应器组件的一组通道的视图。
18.图3描绘了根据本公开的实施方案的处于堆叠构型的两组反应器通道。
19.图4描绘了根据本公开的实施方案的处于堆叠构型的两组反应器通道。
20.图5a
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5d是根据本公开的实施方案的反应器组件的构型的部分和整个构型。
21.图6是根据本公开的实施方案的(r,θ)坐标范围内的构型和整个反应器的视图。
22.图7a是根据本公开的实施方案的以部分切除部分示出的反应器的图示。
23.图7b是示出了第一组流体通道中的一个流体通道与第二组流体通道中的多个流体通道热接触的反应器的图示。
24.图8是根据本公开的实施方案的反应示意图。
25.图9是根据本公开的实施方案的热通量分布数据的图示。
26.图10a
‑
10c是根据本公开的实施方案的热和应力分布数据的图示。
27.图11a
‑
11c是根据本公开的实施方案的热和应力分布数据的图示。
28.图12是根据本公开的实施方案的反应数据。
29.图13是根据本公开的实施方案的反应数据。
具体实施方式
30.已经认识到，对于实际的太阳能聚光器，由于太阳能聚光器光学器件的缺陷，在反
应器表面可能存在热点。由于反应器冶金限制，热点或高太阳辐射通量的局部点可限制最大总操作通量。热点或其他热梯度也可在反应器中引起大的热应力，这可导致由于低循环疲劳而导致的热循环寿命缩短。因此，与热梯度相关的温差可导致反应器系统的高操作和/或资金成本和故障，从而导致寿命缩短。
31.将参照图1
‑
13描述本发明。首先参考图1，根据一个截面示出了反应器10，其包括在第二组流体通道14上方的处于堆叠构型的第一组流体通道12。这些流体通道可以经由构件16彼此热接触。根据示例性实施方式，这些通道的组中的一者或两者可包括非线性的流体通道。根据其他实施方式，第一组流体通道中的通道中的一个通道可与第二组流体通道中的多个其他通道热接触。如图1所示，反应器10可以包括到第一组流体通道的反应物流，该反应物流横穿构件16的长度，然后通过流体通路到达第二组流体通道14，然后在横穿构件16之后离开反应器。
32.接下来参考图2，示出了非线性通道20的一个示例。非线性通道20可以从反应器的毂部22伸出到边沿24，并且非线性通道20可以在其中具有分隔构件28。非线性通道20与分隔构件28结合可形成例如一对流体通路30。通道可以是微通道或中通道(mesochannel)。微通道可以在总体流动方向上具有任何长度并且具有一个维度(例如，宽度)，该维度典型地在热和/或质量输送方向上并且大于或等于1微米并且小于或等于1毫米。中通道可以在总体流动方向上具有任何长度并且具有一个维度(例如，宽度)，该维度典型地在热和/或质量输送方向上并且大于1毫米并且小于或等于1厘米。
33.接下来参考图3，根据本发明的一个示例性实施方案，一组流体通道中的非线性通道20可以与另一组线性流体通道26相关联，并且根据示例性实施方式，这些通道可以彼此堆叠。
34.接下来参考图4，根据一种构型示出了一对非线性通道20和40，在42处提供流体通道20和40的流体连通。如图所示，通道20和40都是非线性的。如图5a
‑
5d所示，非线性通道20和40可以相关联以形成反应器组件50的至少一部分，这些通道从毂部22伸出并延伸到组件50的边沿24。在这些通道的每个通道内可以是分隔构件58。分隔构件58可以朝向边沿24延伸以形成一对流体管道。根据示例性实施方式，可以有多个非线性通道52以及多个非线性通道54，其可以形成反应器50的一部分，或者在图5d的情况下形成反应器的全部。根据示例性实施方式，这可以被认为是螺旋通道设计。
35.接下来参考图6，示出了从反应器的毂部22伸出到边沿24的各组非线性通道。这些通道示出为沿示例极坐标系110对准，其中非线性通道60的形状可被认为具有关于坐标系的正数学函数，而非线性通道80的形状可被认为具有关于坐标系的负数学函数。
36.定义通道形状和方向的数学函数可以由一般方程θ＝f(r)参考图6中具有坐标(r,θ)的极坐标系110来表示，其中f是定义特定曲率的任意函数。例如，阿基米德螺线和类似曲线由θ＝((r
‑
b)/a)
c
给出；对数螺旋曲线由θ＝(lnr
‑
lna)/b给出；直线由θ＝d给出，其中a、b、c和d是任意常数的参数。对于由关于极坐标系110的正函数θ＝f(r)描述的该组非线性通道60，可以通过由θ＝
‑
f(r)定义的相关负函数来描述对应组的通道80。更一般地，可以通过正函数θ＝f1(r)来定义一组非线性通道，并且可以通过负函数θ＝
‑
f2(r)来定义另一组非线性通道，其中数学函数f1和f2可以相同或不同。此外，描述非线性通道的形状的数学函数本质上可以是三维空间曲线，在这种情况下，在不失一般性的情况下，参考柱面坐标系(r,θ,
z)的一般函数θ＝f(r,z)可以代替前述讨论中的θ＝f(r)。
37.根据示例性实施方式，当作为绝对值时，流体通道60和80的形状的非线性数学函数可以彼此相等，从而具有彼此的镜像。根据其他实施方式，这些流体通道可以不是彼此的镜像，而是仍然可以被配置为反向螺旋。根据示例性实施方式，反应器可包括具有相同正函数的多个非线性流体通道以及具有相同负函数的多个非线性通道。反应器可以包括具有正函数的一组非线性通道和具有负函数的另一组非线性通道的整体。根据示例性实施方式，并且参考图7a，示出了包括入口202和出口204的反应器200。反应器200可包括例如在流体通路230处连接的第一组流体通道212以及第二组流体通道214。除了通路230之外，各组流体通道214和212之间可以是构件216。该构件可以是导热构件，该导热构件也可以形成第一组流体通道212的顶板以及第二组流体通道214的底板。根据示例性实施方式，通道212的至少一部分可设置有例如催化剂，以促进所需的反应。可以将催化剂以例如泡沫、毡、晶格或颗粒的形式填充到任一组或两组通道中。催化剂也可以涂覆到通道壁上，通道壁包括构件216的一部分，该构件形成一组通道的底板和另一组通道的顶板。
38.根据示例性实施方式，可以将支撑在泡沫上的催化剂提供到一组通道212中。根据示例性实施方式，并且参考一组212的单独流体通道，反应器200的单独流体通道可以与另一组214的多达两个(如果不是多达14个)单独通道热连接，如206处的多个接触所示。
39.该方法可提供经由第一组流体通道输送反应物和从第二组流体通道提取产物，并且使第一组流体通道中的至少一个流体通道与第二组流体通道中的至少两个流体通道热接合，例如如图7a所示。根据示例性实施方式，可以在这几组流体通道中的一组流体通道中提供吸热反应，例如，流体通道212可以具有提供给其的反应物并且发生吸热反应，该吸热反应可要求利用太阳能促进吸热反应，如图8所示。根据示例性实施方式，图7a的反应器具有未示出的部分(在部分或面之下)，该部分可暴露于太阳能以提供能量来促进或驱动该吸热反应。根据其他实施方式，随着反应通过反应器进行，并且加热的产物通过该组流体通道214返回，这些产物的热经由构件216传递到通道212内的吸热反应。
40.虽然本公开的实施方案可以利用大多数金属作为构造材料，可以利用金属包括镍、铜、不锈钢合金、钛、钛合金、超级合金诸如铬镍铁合金、哈氏合金和海恩斯合金及其组合。陶瓷也是有用的。
41.各组通道之间的分隔构件216可具有平的、凹的或凸的轮廓。分隔构件可以是支撑通道结构和提供热传导路径所需的任何厚度。根据示例性实施方式，该分隔构件可以具有在0.1mm至3.2mm之间的厚度。分隔构件可以是不可渗透的固体。
42.每个组内的各个通道的高度可以小于100微米(0.1毫米)或大于1厘米。然而，在使用固体催化剂的实施方案中，通道高度优选地大于1mm，并且更优选地大于5mm，以便提供足够的催化剂材料来支持反应。
43.接下来参考图8，描绘了用于提供反应物和从本公开的反应器接收产物的示意图。因此，提供了一种用于在反应器诸如本文的反应器上分配能量的方法。
44.在具体实施方案中并参考图7a，甲烷和蒸汽的进料气体混合物在毂部处的入口202处进入反应器200并分布到具有非线性侧壁的一组相同通道212中。通道横穿大致一个反应器半径并且可以从开始到结束将其方向改变90度或更多。在这些通道中的每个通道内存在催化剂。该催化剂介质可以采取符合通道形状的泡沫的形式，但也可以包括保持在通
道中的基质诸如颗粒。每个反应通道可以在距中心较短距离处分叉，使得催化剂介质插入物在毂部附近足够宽。
45.在通道终止的反应器边沿附近，狭槽形开口将通道连接到第二组通道，该第二组通道在与第一组通道相反的方向上弯曲。第二组通道214可称为热回收通道，而第一组通道可称为反应通道。反应通道和热回收通道由固体中间构件216分开，该固体中间构件允许通过传导进行热传递。狭槽形开口230穿透中间构件以允许来自反应通道的反应产物流进入热回收通道。产物流通过热回收通道返回到中心，并且通过入口和出口连接管之间的环形空间204流出反应器。类似于反应通道，热回收通道也可以是分叉的。
46.在图5d和图7a中清楚地示出了该反应器的螺旋逆横流模式，其中反应器的三维模型以线框样式呈现。反应器结构可替代地通过以圆形模式(circular pattern)重复单个流动路径的顺序来描述，如图4
‑
5d的等距视图所示：
47.1.从一个螺旋热回收通道即流动路径的一半开始。
48.2.添加相反螺旋方向的一个反应通道。
49.3.通过反应通道和热回收通道之间的位于反应器周边附近的狭槽开口连接反应通道和热回收通道。反应通道被示出为没有催化剂，并且为了清楚起见，反应通道的顶壁的一部分被移除。
50.4.以圆形模式重复热回收通道。
51.5.以循环模式(circulation pattern)重复反应回收通道。
52.6.完成完整圆的模式，从而产生以逆流方式布置的一组螺旋反应通道和相反螺旋的一组热回收通道。
53.可以模拟本反应器组件和方法的实施方案的蒸汽甲烷重整条件和非均匀太阳辐射通量分布下的反应流，以理解反应器几何形状和通道构型对温度和热机械应力分布的影响。
54.在一个实施方案中，反应器在大的反应器区域和多个通道上提供热扩散。非线性旋转可以是完整圆的四分之一或更多。在结合逆横流的一个实施方案中，两组通道可以覆盖反应器的相当大的区域，因此使用流体提供从热区到较冷区的相当大的热扩散。
55.在通道212中流动的每个进料流通过分隔构件216与逆流通道214中的多个产物流热接触，后一组流的流动路径覆盖两组流动通道之间的整个区域的大约五分之一。参考图7b，红色区域被一个通道中的进料流占据。黄色区域是所有产物流的流动路径的流过所述进料流的部分。因此，黄色区域表示提供给每个单通道的热扩散程度。该区域是毂部和边沿之间的整个区域的18％。
56.与通过金属层的直接热传导相比，反应通道和回收通道的逆横流布置可以在更大程度上提供非均匀太阳辐照的有效热扩散。热点的减少分别通过改善反应器在高通量条件下的可操作性而导致较低的操作和资金成本以及通过降低热应力延长反应器寿命。
57.反应器表面上的太阳辐射通量分布可以从月亮辐射通量分布来估计，该月亮辐射通量分布是通过其中抛物面碟(parabolic dish)指向满月的映射练习在先前实验中获得的。结果以w/m2表示在图9中，其中清楚地存在多个热点。该通量分布被指定为用于模拟模型的反应器正面上的边界条件。模拟具有本公开的非线性通道的反应器和具有其他类似反应器和通道维度的径向逆流线性通道的先前设计以进行比较。线性反应器和非线性反应器
模型分别如图10a
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10c和图11a
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11c所示。
58.对于线性反应器和非线性反应器，在一组典型的高太阳辐射通量条件(9.6kw总入射太阳能，>80％甲烷转化率，0.032mol/s甲烷流量，蒸汽与碳的比率为3)下的反应器表面温度分布分别示于图10b和图11b中。发现在非线性螺旋逆横流反应器的情况下最大表面温度为988℃，在线性反应器的情况下从1114℃的最大表面温度降低超过100℃。视觉上，非线性反应器表面上的热区域比线性反应器上的热区域更均匀地扩展。非线性反应器的优异热扩散归因于热点下的任何反应通道被热点下游的多个回收通道交叉，其中更大量的接收热然后扩散到其他通道而不是回到同一通道。概念上，线性反应器中的热扩散可限于一个楔形反应通道的区域，或总表面区域的约5％。非线性反应器中的热扩散至少在由反应通道及其连接的热回收通道包围的区域上，或高达总表面区域的约18％。
59.图10c和图11c中分别给出了线性反应器和非线性反应器的以psi为单位的冯
·
米塞斯应力。非线性反应器具有比线性反应器更低的最大应力。该差异可归因于热扩散和所得的较低热机械应力。
60.在太阳能热化学反应系统中测试本公开的一个实施方案，该太阳能热化学反应系统由抛物面碟型的太阳能聚光器、位于碟的焦点处的聚光(on
‑
sun)反应器单元以及位于地面上的配套设备(balance of plant)组成。反应系统的构型在图8中给出。聚光反应器单元包括蒸汽甲烷重整反应器、回热式热交换器、水蒸发器和机载过程控制器。进料气体系统、水泵、过程分析设备和尾气火炬装置在地面上。使用质量流量控制器控制进料气体。使用产物流通过回热式热交换器的网预热甲烷流。集中太阳能被重整反应器吸收以将甲烷催化转化成合成气。通过进料气体流和附加的空气冷却来冷却合成气产物流。通过过程气相色谱法分析产物气体的组成。在分离冷凝水之后，通过火炬装置排出产物流。
61.命名为trl 6的非线性反应器根据前面部分中描述的设计制造。在本公开的该特定实施方案中，通过加工单独的板并扩散压合板的堆叠来制造反应器。在中至高太阳辐射通量条件下，通过与标称反射镜面积为14.85m2的infinia powerdish iii抛物面碟式聚光器配对，测试反应器。还制造了具有其他类似反应器和通道维度的命名为trl 5的线性反应器，并且用相同规格的碟式聚光器在聚光进行测试。
62.参考图12和图13，通过在反应系统水平(即反应器及其热交换器网外加碟式聚光器)以及在反应器部件水平(即仅反应器本身)两者的能量转化效率来评估反应器性能。系统太阳能转化学能效率被定义为反应器产物流和进料流之间的较高热值差与入射到碟式聚光器反射器上的直接法向太阳能入射(dni)的比率，并且因此包括由于镜面反射率、接收器拦截、反应器
‑
接收器周围的热损失以及接近反应器中平衡化学转化的影响。图12中给出了来自聚光测试的系统太阳能转化学能效率数据。
63.利用trl 6反应器系统实现高达60％至70％的系统太阳能转化学能效率。该反应器系统能够在中至非常高的通量条件下一致地实现高效率。当反应器以相同表面温度极限操作时，非线性反应器设计的优异热扩散能力允许反应通道处于较高温度。认为在较高温度下吸热反应的较高热力学效率能够弥补任何额外的辐射热损失，因此trl 6反应器的总体高太阳能转化学能转化效率能够延伸到高通量区域。
64.作为比较，由于不存在增强的热扩散，trl 5反应器系统由于表面温度超过设计点而不在与非线性反应器系统相同的高太阳辐射通量下操作。在低至中太阳辐射通量范围
内，非线性反应器系统在太阳能转化学能效率方面也胜过线性反应器。
65.当检查反应器的能量效率时，非线性反应器的性能优势甚至更加明显。反应器热
‑
化学效率定义为反应器产物流和进料流之间的较高热值差与由反应器接收的集中太阳热能的量的比率，并且因此包括由于反应器
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接收器周围的热损失和反应器中的化学转化程度的影响。图13中给出了来自聚光测试的反应器热
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化学效率数据。
66.trl 5反应器实现了60％至70％的热
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化学能效率，但由于热点问题和反应器材料温度限制而限于低到中通量操作。利用trl 6反应器，在高通量区域中实现高达85％的热
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化学能转化效率。一些数据点表明甚至接近90％水平的性能也是可能的。非线性反应器在能量效率方面的优越性能归因于其更大的热扩散能力。
67.基于trl 6反应器的聚光性能数据进行火用分析。目的是评估反应器和热交换器的第二定律效率，并且识别火用破坏的来源和大小。在火用分析中，通过用基于ir热成像测量结果的平均值近似表面温度来估计反应器前表面处的火用破坏。参考环境选择为25℃和1atm，化学组成由szargut等人提出。trl 6反应器的火用效率被确定为大于90％。例如，当在0.048mol/s甲烷进料流速、2.2的蒸汽与碳比率、10.88kw的集中太阳能功率输入和820℃的平均反应器表面温度的条件下测试时，反应器的火用破坏率估计为5.34kw，从而得到90.2％的反应器火用效率。