专利名称：蜂窝体反应器最优化通道尺寸设定的制作方法
蜂窝体反应器最优化通道尺寸设定优先权本申请要求2009年2月观日提交的题为“微反应器最优化通道尺寸设定”的美国临时专利申请号第61/156，499号的优先权。
背景本发明大体涉及蜂窝体连续流化学反应器的通道结构，尤其涉及蜂窝体或蜂窝体挤出反应器中的最优化通道结构。
发明内容
连续流化学反应器提供了一个或多个流体通道，当反应物发生化学反应时，这些
流体通道容纳并运送这些反应物。沿着流体通道，每个点的反应速率通常是局部反应物浓
度、反应物混合程度和局部温度的函数，如式1.所述
-Earate az k0eRT CuaCpb ⑴其中，Ea是以kj/mol为单位的活化能；CA和Cb是物种A和B的局部浓度，单位是 mol/L;T是局部温度；α和β是与反应物物种浓度有关的幂律因子(通常> 0)，1 是指前因子，R是气体常数。随着反应进行，局部反应物浓度的变化导致反应局部速率的变化。
图1示出一个例子，显示反应速率R作为通道位置的函数，通道位置从0到全通道长度L，其中，随着反应物的混合，反应速率快速增加，然后，随着反应物被消耗，反应速率逐渐下降，反应进行直到完成。反应速率的增加对应着反应产生或需要热量的增加。在连续流化学反应器中，热交换流体通道通常位于与反应流体通道紧邻的地方。沿着反应通道任何位置的不充分热交换能力将会导致反应物通道温度的变化，这一变化通常会反过来改变反应速率。例如，两种液体反应物可能在初始混合的时候发生放热反应，如果产生热的局部速率大大超过反应器的热交换能力，这会导致反应物流体温度的突然升高。其结果可能是在反应产物中有不利的变化或者在通道压力方面有危险的增加。市售的连续流化学反应系统由分散的化学工艺单元组装而成。每一个化学工艺单元的特性因设计而不同，一个特定化学工艺单元的许多几何参数(如通道尺寸，壁厚)沿着流动路径不能被轻易改变。比如，在管式反应器里，所有管道名义上是固定直径的，所以， 从大量反应液到管壁的热交换不会被轻易改变。热交换性能和管道外的传热会沿着管道而变化，但另一方面，这受到大量热交换液的流动构型的影响(如通向流动，逆向流动或交叉流动热交换)。如果一个简单的化学工艺单元被选用于一个特定的连续流化学反应，(例如)反应物通道尺寸与热交换性能之间的关系沿着液流通道被预定义。这个关系不属于能够对一个特定的化学反应产生最佳反应条件的特定的关系。例如，如果一个管式热交换器被用来进行反应，如图1所示的速率图，管道直径必须被确定尺寸以满足当反应速率达到峰值
3时相关的传热的要求。沿着管道在另外的区域，热交换的要求不是那么高，所以在这些区域热交换器有过度的表现。过度表现的通道部分小于它们所需要的程度，这导致了在这些部分内不必要的压力下降。因此非最佳的通道尺寸会导致操作成本的上升。另外，如果反应活性或产物的选择性需要将操作温度控制在一个狭小区域，在远离反应速率峰值情况的位置，过度表现的通道部分可能会产生低于最优性能的表现。一个特定反应的进行可能会沿着液流路径用到一个以上的化学工艺单元，并且每一个工艺单元会针对它反应的部分被最优化。虽然这种构型可能达到最佳操作条件，但是因为与流体互连的执行和管理相关的成本，人们可能不希望将一系列化学工艺单元结合在一起。拥有高表面积-体积比反应物通道和大内部容积的化学反应器可以用蜂窝挤出工艺制造。通过在每一个端面形成一系列流体通道U型弯曲转角，这些设备可以提供长的内部曲折通道。例如，用镂铣机通过一系列孔道机械加工一道浅沟，然后用堵塞材料封住沟的顶部，这样就可以形成U型弯曲转角。热交换流体通道可以设置在靠近这些曲折通道的位置以控制反应物温度。现在的发明者和(或)他们的同事在已公开的申请中描述了生产技术和一些反应器设计，包括例如PCT公开W02009108356A1和W02009088464A1，它们的内容根据美国的法律参考结合入本文。根据本专利的一个方面，提供了一种蜂窝体，其有沿着共同方向延伸的孔道，包括在蜂窝体两端开放的大量第一孔道，以及孔道在蜂窝体的一端或两端封闭的大量第二孔道。所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道道，这些孔道相互配合，限定出伸展通过蜂窝体的一条或多条流体通路，所述流体通路至少部分地垂直于所述共同的方向延伸，其中至少一条所述流体通路沿着其长度发生横截面的变化。所述至少一条流体通路会根据需要沿着其长度发生横截面减小然后增大，可以以连续的方式或逐步的方式变化。根据本发明的另一个方面，提供了一种蜂窝体，其具有沿着共同方向延伸的孔道， 其中包括在蜂窝体两端开放的大量第一孔道和在蜂窝体一端或两端封闭的大量第二孔道， 所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道的形式，这一组或多组孔道相互配合限定出一条或多条流体通路，所述流体通路至少部分地沿着垂直于所述共同方向的方向延伸通过所述蜂窝体。在一个垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道的面积与大量第二孔道的面积的比值沿着所述一个或多个流体通路中的至少一个的长度而变化。这个比值会如人们期望的那样沿着所述一个或多个流体通路中的至少一个的长度增大，然后减少。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于流体反应的反应器，该反应器包括多个蜂窝体，每个蜂窝体具有沿着共同方向延伸的孔道，包括在蜂窝体两端开放的大量第一所述孔道和在蜂窝体一端或两端封闭的大量第二所述孔道，所述大量第二孔道中的每一个被设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合，限定出沿着至少部分地垂直于所述共同方向的方向延伸通过相应的蜂窝体的一条或多条第一流体通路。对所述蜂窝体进行设置，使得第二流体通路连续地延伸通过每一个蜂窝体的大量第一孔道，所述大量第二孔道的面积与所述大量第一孔道的面积的之比沿着第二流体通路的长度而变化。该比值会根据人们的需要沿着所述第二流体通路的长度增大然后减小。根据本发明的另一个方面，提供了一种在蜂窝体内进行连续流化学反应的方法， 这个方法包括选择一种要进行的化学反应，确定反应所需的沿着连续流路径的传热，提供其中限定有反应通路和热交换通路的蜂窝体，其中，当需要高度热交换时，热交换通路与反应通路的面积之比是高的，当反应不需要高度热交换时，热交换通路与反应通路的面积之比是低的。通过本发明的一些方面，通过在基材端面上调节反应物通道布局且沿着反应物路径改变反应物通道尺寸，用蜂窝体挤出基材制造的连续流化学反应器的传热和压降性能可以被最大化。反应物通道尺寸变化可以是离散的或者是连续的。可以将多个蜂窝体挤出基材堆叠起来，从而使得反应物流体流过与挤出轴平行的短而直的通道。在这种情况下，在所述堆叠体内不同的基材中，短而直的通道尺寸可以以离散或连续的方式改变。这些实施方式中的一些或全部的性能优势可能包括(1)通过以离散或连续的方式改变反应物通道尺寸，反应物通道上的总压降显著降低，与非最优化的直的通道结构相比有80% -85%的降低；( 通过沿着反应物通道优化传热来实现在一个特定的操作中减小总反应器底座尺寸；(3)根据特定反应的需要，通过修改反应物/热交换通道尺寸和长度来实现更高的产率和/或更好的反应控制。附图简述图1是反应速率作为通道位置从0到全通道长度L的函数的示例曲线图；图2A-2C是可以在蜂窝体端面上重复的三种不同的通道布局模式的例子；图3是蜂窝体横截面或端面，它在端面不同的区域采用了不同的通道布局模式；图4是使用图1所示反应的产热0沿着反应物通道长度的变化关系图；图5Α和5Β分别是初始反应通道结构的单元和改变的反应通道结构的代表性单元；图6A-6D是靠近热交换通道的反应物通道的各种通道构型；图7是单位为W/m2K的所需传热系数作为以米为单位的沿着通道或通路的位置的函数的示例性图示；图8显示了重新设定尺寸的反应物通道的变化，针对第一次热交换的情况，该变化与图7所示的反应的传热要求紧密匹配，包括导致压降改进的形式的性能结果；图9是蜂窝体反应器曲折反应物通道布局的横截面或端面视图，使用了横截面积变化的通道；图10示出设置非均勻反应物通道的另一个方法，其中反应物通道尺寸主要在一个方向放大(即在此图中沿着水平方向放大)；图11A-11C示出的是在标准孔道内的可变宽度通道的横截面图；图12是压降比例八P' /ΔΡ和反应物通道的参数分级尺寸(st印size)的变化关系图；图13是沿着一条反应物通道的热交换和压降性能的模拟关系图，其中s参数比例缩放因子尺寸等于1且s”= 1 ；图14A-14C是对于一个单通道宽度的反应物曲折通道的三个标准布局孔道的横截面图表；图15A-15C是双通道宽度的反应物曲折通道的标准布局模式；图16A-16C是三通道宽度的反应物曲折通道的标准布局模式；图17是一组互相对比的反应物曲折通道标准布局模式，包括“模式单元”安排的、或者标准布局宽度的列，和通道宽度安排的行；图18是标准模式串联的例子，标准模式串联以形成具有非均勻通道尺寸的曲折反应物通道；图19A-19C是在不同方向上(纵向、横向和对角线)的用于曲折通道互连的标准模式的例子；图20是用于1，2和3通道宽度曲折互连的标准模式阵列，这些通道通过连接方向成列设置；图21A-21C是用于单通道宽度曲折热交换的标准布局模式；图22A-22C是在与短而直的通道内与反应物通道相邻的用于双通道宽度曲折热交换通道的标准布局模式；图23A-C是在短而直的通道内与反应物通道相邻的用于三通道宽度曲折热交换通道的标准布局模式；图24A-24C是三个具有在端面上重复的通道布局模式的蜂窝体基材例子；图25是一个包括叠置的蜂窝体基材的反应器，这些叠置的蜂窝体基材相互配合， 从而沿着反应物流动路径改变所述短而直的反应物通道的横截面积。舰通过调整布局在蜂窝体反应器基材端面上的路径通道，一个或多个本发明人或其同事已经开发了用于改良热交换性能和反应物通道使用的技术。例如，图2示出三个不同的通道布局模式30，这些模式在形成于蜂窝体20内的反应器端面上重复。用“X”标记的孔道32有反应物流体向下的流动，用“O”标记的孔道34有反应物流体向上的流动，所述反应物流体在蜂窝挤出基材通道22内沿着一条上下曲折通道流动；空的孔道36表示热交换通道的位置在非常靠近反应物流体通道40的地方。沿着反应物流体路径的箭头38描绘了流体流从通道到反应物通道40流动的方向。在一个实例中，在流体路径中，箭头38通常对应经过机械加工的形成U型弯曲转角的端面壁的位置。虽然过去的申请描述了模式如何会填满整个基材的端面，然而本申请将揭示一个新的方法，在端面的不同区域中采用不同的通道布局模式。图3示出了一个例子，其中深灰色孔道34表示向上的流动，浅灰色孔道32表示向下的流动，在蜂窝体20的端面46的指定区域44内，四种不同的通道布局模式A-D分别被示出。箭头48表示反应通道的出口位置。 可以使得沿着反应路径的热交换性能最优化，以使其与一种特定反应或一类反应的反应速率变化相匹配。这个方法也会在整个端面上反应物通道使用部分最大化，减小为了提供特定反应停留时间所需的反应器整体尺寸。对于图1-3中呈现的通道布局模式，热交换通道与反应物通道的比例因设计的不同而不同。因此，可以进行热交换的通道正面面积可以在基材端面上变化。引到蜂窝体反应器端面上的热交换流体会优选流过基材端面种热交换通道的密度最大的区域。结果，反应物通道的热交换可以通过至少三个几何因素来局部调整(1)在一个特定区域里，反应物通道与热交换通道间的平均距离；( 在一个特定区域内，热交换通道数量相对于反应物通道数量的比例(例如，局部热交换通道密度)；C3)局部热交换通道密度在基材端面上的变化。这里描述的反应物通道优化技术的一个优势是用蜂窝挤出基材可以实现基材端面的均勻通道几何。不足之处在于反应物通道的横截面沿着通道路径不能被轻易地改良以最优化压降性能。反应物通道桉比例缩放一个最优化的反应物通道设计沿着反应物通道流动路径的每一个位置提供了足够的热交换性能，同时最小化反应物通道压降。因为沿着反应物通道路径的反应速率大体上是不均勻的，在热交换条件没有极端要求减小总体压降的区域，反应物通道可以扩大。因为当反应物通道被扩大时热交换性能总体上被降低，必须小心以保证任何局部扩大的反应物通道部分都满足所有的局部热交换要求。图1示出了一个反应的例子，其中反应速率沿着反应物通道路径而变化。反应物的混合和/或消耗导致反应中涉及的摩尔数会发生变化，从而导致反应速率的变化。随着反应速率的变化，沿着反应物路径的热生成的量也发生变化。图4示出了相应的沿着反应物通道长度的热生成0。这里假设反应物通道有均勻的横截面(w χ )，总长度是&。对于很多反应来说，人们希望将反应物温度保持在一个狭小的范围内以最小化不希望产生的反应副产物。反应物通道和周围的热交换通道被设计成可以提供足够的热交换性能以避免不想要的反应物通道流体温度的漂移。局部对流的传热系数h(x)测量在所述壁和流体提向内部之间，每单位面积的壁界面上，每1°C的温差对应的通过特定流体壁界面的对流传热。如果以下参数是已知的，所需的局部对流传热系数h(x)可以按照以下方式计算(1)所需反应物通道主体温度相对于热交换流体主体温度的偏移Δ T的最大值；(2)在长度为dL的特定通道区域，由反应产生的热量；(3)发生热交换的壁界面区域dA。考察长度为L的反应物通道的一个很短的部分，如图5A所示，该反应物通道的很短的部分沿着它的长度有均勻的横截面(W X W)。该短部分容纳的反应物流体总体积是V = W2L0假定在通道长度内总热生成(0)是均勻的。还假定通道提供了足够的传热效果，使得通道内所有的热生成或消耗立即通过通道壁界面传递。如果反应物流速是高的且/或通道传热是低的，0(χ)值可以被修改以包括因流体流过通道进口和出口所获得或者损失的能量。通过反应物通道四个侧壁的传热 发生在总面积A = 上。局部传热系数需要保持一个温差ΔΤ，温差是反应物主体温度与周围热交换通道主体温度的温差。局部传热系数hreq 二 /ΑΔΤο为了减少反应物通道的压降，通道部分的横截面被增大到χ w'(图5Β)，其中，W' =s' w, s'是通道缩放比例因子。通过设定通道长度L' =L/(s' )2，新通道部分的体积可被强制等于初始通道部分的体积。因为新的通道部分容纳相同的体积，它也展现出相同的热生成0(假定高的侧壁传热和/或相对慢的反应物流动)。调整尺寸的通道部分的侧壁面积A' = 4w' L' = 4(s' w)L/(s' )2 = A/s'。 局部传热系数Iirai需要保持一个温差Δ Τ,该温差是反应物主体温度与周围热交换通道主体温度之间的温差。hreq=Q/A'AT- Q s'/ΑΔΤ = s*hreq.(2)当一个因子s'既增加了通道宽度，又增加了通道高度，保持固定反应物通道热条
7件所需的传热系数以因子S'增大(注意假设反应热的产生或消耗是与元素反应器体积成比例的，这样的假设在均相催化反应和非催化反应体系里通常是事实)。在层状流中，反应物通道尺寸的增加会增加靠近通道侧壁的热边界层厚度，这会导致传热性能的下降。对从正方形反应物通道阵列向着相邻的正方形热交换通道阵列的传热的限定元素模拟证实了这种预测。图6A示出了一个初始通道构型，其中，反应物通道50和热交换通道52的尺寸是相等的，且被壁M隔开。w代表通道宽度。对于这个初始构型，反应物通道比例缩放因子 s'等于1。热交换通道一个相似的比例缩放因子s"也等于1。对于这个s' = 1和s"= 1的构型，"h0"通常被用来代表反应物和热交换通道之间的总传热系数。当反应物和热交换通道的尺寸都增大相同量的时候(如图6B所示)，模拟结果显示新的传热系数是h' = 2h0/(s' +s〃).(3)只要通过通道壁的传热速率远远大于反应物通道或热交换通道内的传热速率，这个结果就是有效的。这对于使用液体反应物和热交换流体的氧化铝蜂窝体反应器来说是正确的，该反应器具有0.2-0. 3倍于通道宽度的通道壁厚度。当构型是s'兴s"时，等式h' =2h0/(s' +s")应该也是对的，例如图6C和6D。一旦所需传热系数Oiretl' =s' hre(1)和可用的通道传热(h' =2h0/(s' +s〃 )) 的等式被得到，下一步就是设定h^/ =h'，对s'进行求解。
权利要求
1.一种蜂窝体，其包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在所述蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在所述蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合以限定出一条或多条流体通路，所述一条或多条流体通路至少部分地以垂直于所述共同方向的方式延伸通过所述蜂窝体，至少一条所述流体通路沿着其长度在横截面上发生变化。
2.如权利要求1所述的蜂窝体，其特征在于其中至少一条流体通道沿着其长度在横截面上减小，然后增大。
3.根据权利要求1或2所述的蜂窝体，其特征在于至少一条流体通道在横截面上逐步变化，每一步变化的阶跃量值是蜂窝体孔道中的单独孔道横截面积的正整数倍。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的蜂窝体，其特征在于，在垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道的孔道面积与所述大量第二孔道的孔道面积之比沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度变化。
5.如权利要求4所述的蜂窝体，其特征在于所述比值沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度增大然后减小。
6.一种蜂窝体，其包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在所述蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合，限定出一条或多条流体通路，所述一条或多条流体通路以至少部分垂直于所述共同方向的方式延伸通过所述蜂窝体，其中， 在一个垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道中的孔道面积与大量第二孔道中的孔道面积之比沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度变化。
7.如权利要求6所述的蜂窝体，其特征在于所述比值沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度增大，然后减少。
8.一种用于流体反应的反应器，该反应器包括多个蜂窝体，每个蜂窝体包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道中的各个孔道设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合以限定一条或多条第一流体通路，所述一条或多条第一流体通路以至少部分垂直于所述共同方向的方式延伸通过各自的蜂窝体，将所述蜂窝体设置成使得第二流体通路依次延伸通过各个蜂窝体的大量第一孔道，所述大量第二孔道的面积与所述大量第一孔道的面积之比沿着所述第二流体通路的长度变化。
9.如权利要求8所述的反应器，其特征在于所述比值沿着所述第二流体通路的长度增大，然后减小。
10.一种在蜂窝体内进行连续流化学反应的方法，该方法包括选择一种要进行的化学反应；确定该反应沿着连续流路径的传热；提供其中限定有反应通道和热交换通道的蜂窝体，当需要高热交换时，热交换通道面积与反应通道面积之比是高的，当不需要高热交换时，热交换通道面积与反应通道面积之比是低的。
全文摘要
本发明披露了一种蜂窝体，该蜂窝体包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道以相互配合以限定出一条或多条流体通路，所述流体通路以至少部分垂直于所述共同方向的形式延伸通过所述蜂窝体，其中，在垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道的面积与所述大量第二孔道的面积的之比沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度变化。
文档编号B01J19/24GK102413918SQ201080019309
公开日2012年4月11日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年2月28日
发明者A·D·伍德芬, J·S·萨瑟兰, 姜毅, 陈鹏 申请人:康宁股份有限公司