用于加工和调节被运送通过装置的材料的装置的制作方法

专利名称：用于加工和调节被运送通过装置的材料的装置的制作方法
用于加工和调节被运送通过装置的材料的装置本发明涉及一种装置，用于处理被运送通过该装置的材料，所述装置包括至少一个由固体(例如金属)结构构成的多孔元件，从而允许所述材料通过所述多孔元件的交叉流动。根据本发明的装置可用作被运送通过该装置的流体或流化材料的混合器或热交换器。该装置还可用于在均相或非均相条件下实施化学反应。具体地，根据本发明的装置包括具有器壁(优选圆筒形器壁)以及至少一个入口端和至少一个出口端的管子，其中在所述管子中布置至少一个由固体泡沫结构组成的多孔元件，其中所述多孔元件包括多个彼此连接并且形成互联网络的空洞，并且其中所述至少一个元件和所述器壁以一件式制造。所述装置和所述至少一个多孔元件可以通过选择性激光烧结(SLS，例如在美国专利5639070、美国专利5732323和美国专利6676892中描述的方法)或通过电子束熔融(EBM)以一件式制造。EBM工艺具有一些下述优点·没有热处理·可得到比SLS更光滑的表面·比 SLS 快 2-3 倍可以通过本发明的这种方法使用的材料是不锈钢、钛Ti6A14V、钛Ti6A14V ELI、钛2级、钴-铬、ASTM F75。可以根据本发明通过EBM方法使用的其他材料是钛铝化物(Titanium aluminide)、因康镍合金(Inconel，625&718)、不锈钢(例如 17-4)、工具钢(例如H 13)、铝(例如6061)、硬金属(例如NiffC)、铜(例如GRCop-84)、铍(例如AlBeMet)、无定形金属、铌。在本发明的优选实施方式中，至少一个多孔元件的孔隙率ε >0.5，优选介于0.6和0. 95之间，更优选介于0. 8和0. 95之间。多孔元件的孔隙率表示材料中空隙空间的分数。其由比率、/\定义，其中Vv是空隙空间的体积，Vt是多孔元件在装置中所占据的总体积。根据装置的另一实施方式中，所述至少一个多孔元件中的空洞基本上是球形的，并且具有0. 5至20mm、优选1至10mm、更优选1. 5至5mm的平均当量直径。限定所述球形空洞的表面积的外壳还包括多个互联孔，这些互联孔允许材料交叉流动。所述孔的平均当量直径在0. 01至5mm的范围内，优选在0. 1至5mm的范围内，更优选在0. 1至2mm的范围内。在本发明的特定实施方式中，外壳被制造成包含平滑的、或粗糙的、或部分光滑部分粗糙的表面。根据装置的物理性质，所述管子和所述至少一个多孔元件被设计成，在管状管中流动的雷诺数Re在1至100000的范围内。雷诺数Re是无因次数值，其表示惯性力和粘性力的比值的量度，因而量化了对于特定流动条件而言这两种类型的作用力的相对重要性。在本发明的另一优选实施方式中，优选地圆筒形器壁和至少一个多孔元件由如下金属或金属合金制成，所述金属选自由铁、钛、锆、铪、钒、钼、铌、稀土和钽组成的组，所述金属合金由这些金属中的至少一种制成，其结构中可以包含其它额外元素，如碳、硅或其他微
量元素。在本发明的另一优选实施方式中，优选地圆筒形器壁和至少一个多孔元件由陶瓷材料制成。陶瓷材料的实例是氧化铝、氧化硅、氧化锆(IV)、堇青石(cordierite)、滑石和/或碳和/或碳化硅。在优选的实例中，该装置被设计用作混合器或热交换器或者用于连续处理单相和多相化学反应，例如快速反应、放热反应、混合敏感反应或温度敏感反应。该装置提供各种反应物的快速混合和极度增强的热传递。将多孔结构固定连接到反应器的器壁对于保证良好的热传递和非常高的机械稳定性是较重要的。这使得允许高温和高压过程。多孔元件的结构还对轴向分散(反应器中的保留时间分布)具有很强的影响，其是化学工厂规模化的重要参数。对于通常用在化学工厂中的传统间歇反应器而言，可以通过搅拌器的旋转速度来控制能量消散。对于连续系统而言，仅可以改变与保留时间及其分布直接相连的流速。这种相关性与间歇反应器相比是劣势，但是这可以根据通过计算机流体动力学(CFD)辅助设计并且通过例如上述SLS方法制造的多孔元件的清楚定义的几何形状来进行处理。有机分子中的官能团的氢化是快速多相放热反应的实例。这样的反应是可用于有机合成的环保方面可接受的反应路线中的一部分。例如，前躯体(即维生素A和维生素E的中间体)通过三种主要形式的反应来制备。其中的一种是催化选择性氢化，是一种多相(即三相)反应，其中的反应混化合物包含液相、未溶解的固体催化相和气相。用于实施这种氢化反应的最常用反应器类型是以间歇方式操作的浆液反应器。主要使用搅拌罐和环形反应器。由于强放热反应，所以外部热交换器和内部热交换器的组合对于有效的温度控制是必要的。此外，反应中使用的催化剂的浓度相对较低(< 10%)，这限制了反应速率。最后，传统反应器的热传递性能为0.2至5kW HT3IT1的级别。因此，大反应器容积对于获得可接受的生产速率是必要的。氢化工艺的性能和产品分布主要受催化剂活性/选择性以及化学动力学与反应器中的传递现象的相互作用的影响。在三相反应中，要克服的主要问题之一是避免内部和外部质量传递受限。因此，需要小直径的催化剂颗粒。然而，在技术应用中，最低尺寸由于催化剂操作(如通常导致安全和环境问题的固体加料、过滤和卸料)而受限，并且可能导致显著的催化剂损耗和对环境不太有利的工艺。此外，因为氢化是高度放热的，所以反应热的去除成为反应器性能的主要限制。因此，在浆液反应器中，每体积的催化剂质量受其热交换能力的限制。另一方面关注工艺安全性以及在可控压力下的可持续生产。在上述多步化学工艺中，产物中间体通常是不稳定的并且分解释放大量热量。结果是热失控、爆炸。为了增加化学反应的安全性，需要严格的热量管理。此外，反应器中的反应物的量应尽可能地少以降低潜在风险。选择性反应的这些问题可以通过使用本发明所定义的装置(此后也被称为塞流反应器)设计来解决。这样的反应器可以以连续模式操作。这种操作模式避免了如间歇工艺那样储存大量不稳定的产物中间体，并且增加了化学反应的安全性。这种集成工艺对于将热不稳定的中间体加工成稳定的物质尤其重要。此后描述的连续塞流反应器的结构化几何形状根据热传递和质量传递来优化。反应器中的塞流状流速场保证了等温、均相操作模式。其几何形状可以根据化学反应是使用的流体的传热系数、粘性、密度和混合行为而调整，从而优化操作费用(压降、加热能量等)和产品质量(选择性、转化率等)的比值。另一方面，至少一个多孔元件的结构不仅满足静态混合元件的要求，其还作为关键反应的阻焰器(flame arrestor)并且其允许连续系统通过传统成型的机械和化学稳定性以及材料的正确选择。为了满足所有这些要求，所述至少一个多孔元件的几何形状在该元件的长度上不必一致，其可以根据不同条件进行调整。此外并且取决于管子中发生的反应，多孔元件可以沿着该管子的整个长度延伸，或可以具有反应器管子的整个长度的10至90%、优选50至80%的长度。根据本发明的塞流反应器具有在毫米范围内的特征尺寸。优选地，使用通道直径介于0. 5和300mm之间的反应器。在本发明的优选实施方式中，反应器管子具有在1至300mm、优选2至100mm、更优选5至50mm范围内的直径。关于装置作为实施化学反应的反应器的应用，本发明范围内的基本目的是建议使用催化剂。在塞流反应器中，可以像在传统的悬浮反应器中一样使用固定或非固定形式的催化剂颗粒。如果使用固定的催化剂颗粒，那么多孔元件的优选烧结金属结构可以作为催化剂的载体。与传统的化学反应器相比，该反应器的另一主要特征是高的表面积-体积比。由至少一个多孔元件所构建的反应器的比表面积在500至50000m2m_3的范围内，而传统的实验室和生产容器的比表面积为约10m2m_3，很少超过100m2m_3。取决于所需要的至少一个多孔元件的比表面积，金属外壳包含平滑的、或粗糙的、或部分光滑部分粗糙的表面。在塞流反应器的优选实施方式中，所述管子包含限定环形室的双壁面圆筒壳体，其中所述环形室包括至少一个流体入口和至少一个流体出口，它们被连接到热交换器，用于将热交换流体连续运送通过所述室以冷却或加热所述反应混合物。可供选择地或者可与双壁面圆筒壳体组合地，管子可以包含沿着圆筒状器壁的轴向方向布置的中心内管，其中所述内管包括至少一个出口，用于将反应过程的化合物添加到被运送通过管子的材料，或者其与不具有出口的内管一起布置用于将热交换流体运送通过所述反应器。以下，结合附图更详细地描述本发明。

图1表示根据本发明的具有两个多孔元件的反应器的示意图。图加和2b表示多孔元件的泡沫结构的CAD(计算机辅助设计)视图。图3表示可用于实施化学反应通过SLS技术制造的优选塞流管的照片，其中为了更好地展示结构原理，从管壁切下了以不可拆卸方式连接的多孔元件。图4表示多孔元件的中空室的其他可选草图。
图1是根据本发明的其中设置有两个多孔元件的反应器的示例性横截面示意图。该反应器包括管子1，其具有圆筒壳体2以及一个入口端3和一个出口端4。管子1中布置有两个由固体金属结构构成的圆筒多孔元件5，其中所述多孔元件5包含如图2a、2b和3所示的多个彼此相连并且互联成孔穴网络的空洞6。圆筒壁或壳体1以及多孔元件5彼此以不可拆卸方式连接，并且由钢或钛制成。如果该反应器被例如设计成实施氢化反应，那么管子1优选具有在2至IOOmm范围内的内径。两个多孔元件5的孔隙率ε介于0. 8和0. 95之间。至少一个多孔元件的空洞6基本上是球形的，并且具有2至5mm的平均直径。此外，限定球形空洞6的金属外壳还包含多个允许材料的交叉流动的孔7，其中所述孔的平均直径在0. 5至Imm的范围内。图4举例说明了另一种金属的或非金属的外壳或框架，这些金属的或非金属的外壳或框架定义了多孔元件5的空洞6和孔7。其由多个交叉连接的撑条(bar)8组成。在本发明的具体实施方式
中，这些撑条8包括由互联的通道构成的中空结构，该结构根据特定应用可以作为另一热交换系统。图1所示的反应器的圆筒壳体2还包括限定环形室9的双壁面圆筒状器壁，其中所述环形室9包括流体入口 10和流体出口 11，它们被连接到热交换器，用于将热交换流体连续运送通过所述室9。最后，该反应器包含沿着圆筒状器壁2的轴向方向布置的中心内管12，其中所述内管12包括一个出口 13，用于将至少一种化合物添加到被运送通过管子1的反应介质中。在本发明的另一优选实施方式中，催化剂颗粒附在金属外壳的表面上。根据本发明可用的催化剂的类型取决于反应器适用的反应。根据本文所述的氢化反应，优选的催化剂选自由Pt-催化剂、Pd-催化剂、Ni-催化剂和过渡金属的氧化物组成的组，例如Pd、Pd(0H)2、Pd/C、Pd/BaS04、Pd/CaC03、Pd/Al203、Pt、Pt02、Ni、I aney Ni 和 Ru。2.塞流反应器的制造就金属泡沫结构中的化学反应而言，必须解决商购泡沫的一些难题。一方面，商购材料(如铝或铜)用于化学反应器尤其在腐蚀方面是有风险的。另一方面，泡沫到器壁的连接是热传递中的限制步骤。测试了不同的方式(如焊接)，但是没有达到持久稳固的连接。因此并且根据本发明，提出了一种新的制造方法，其为前面部分所描述的所谓的激光焊接技术(SLS)。采用这项技术，几乎每种形状的三维结构都可以在计算机辅助设计(CAD)软件中进行设计，然后可被制造成一个单一部件。这通过如下来完成沉积一层金属粉末，能量指向所选择的相应于CAD模型的位置以对其进行烧结，然后沉积新的一层并且再次开始上述过程，如例如在美国专利5639070、美国专利5732323和美国专利US 6676892中所述。因为这种制造工艺在几何形状(直到50μπι的长度尺度)方面几乎没有限制，所以制造商可以满足每种工艺特定的设计标准。这些优点允许通过配合如下列举的最具影响力的参数使化学工艺非常精确地缩放。另一种方式是也在前面部分描述了的所谓的电子束熔融(EBM)工艺。3.保留时间保留时间是化学反应器的规划设计的重要参数。在化学和医药工业中，不连续的间歇工艺仍很常见。因此，由实验室规模工艺进行工艺放大在热传递和质量传递方面被大大促进了。这种工厂的最大优点在于它们的生产高度灵活并且批次循环的产品质量稳定。但是在出故障的情况下，损耗极大量的离析物。这种容器的保留时间可以非常容易地进行控制。如果想要放大连续系统，则不得不设计反应器(例如塞流反应器)，以保证非常清晰的保留时间分布。这可以通过将本发明的金属泡沫插入管子中来轻松地实现。本发明人比较了具有固定床和普通填充材料这些特征的传统金属泡沫和烧结金属泡沫。结果显示类似的行为。与固定床反应器相比，金属泡沫的孔隙率远远更高(在90%的范围内)。这导致压降较小，因而操作成本较低。4.热传递件质金属泡沫已被用在热交换技术中以增强热传递效率。发明人已经更详细地调查了金属泡沫在化学反应方面的热传递，并且注意到，对于优化的热通量来说关键的问题是泡沫跟器壁的连接。传统的泡沫通过受力装配(force fitting)被插入热交换器中。这项技术允许快速改装特定的热交换器以增强其效率。因此，通常使用铜或铝合金。这不仅导致接触腐蚀问题，其还表现出了热传递的局限性。应用了不同的方式来解决这个问题，例如胶合或焊接，但所有这些方式完全都是依赖于环境情况的。这些技术中没有一项涉及以一个单个部件形式制造热交换器、反应器器壁和泡沫结构。根据本发明应用SLS为制造足够在高温和高压下稳定地运行反应的热交换反应器提供了可能性。5.混合性质为了比较金属泡沫和传统系统的混合效率，基于空管径在600至7600雷诺数范围内分析不同孔尺寸的变量系数。在非常短的5cm混合长度之后，观察到低至0. 1的数值。发明人能够证明，对于混合性质来说金属泡沫的孔尺寸存在最佳值。这个最佳值受由结构所引起的湍流的影响。因此，内部结构的形状，即根据本发明的多孔元件的形状，可以通过应用计算机流体动力学软件(CFD-软件)和烧结工艺的组合来优化。
cooes] 6.mmmmmn Jir a^i这个实例呈现了用于处理放热多相反应的连续塞流反应器概念。这个装置的主要特征是不同状态物质的不同离析物的快速混合以及快速的热传递速率。从而，可以在相类似的低压降下实现以kg/min生产规模计的流速。通过选择性激光烧结(SLS)，反应器被构造成具有CAD (计算机辅助设计)设计的集成多孔介质的一个单个部件。反应器的内部几何形状模仿业已证明作为非常良好静态混合器的商用金属泡沫的形状。该结构是直径为2. 9mm的四面体排列重叠球体的负片。其具有IO4 2/m3级别的非常高的比表面积以及约85%的高孔隙率。这种微结构的几何形状具有优异的热传递性质和质量传递性质。6. 1通过使用水作为模型流体来表征通过本发明装置的单相流动所有调查都是基于空管径在600至7600雷诺数的范围内进行的。径向质量传递在长50mm、直径7mm的泡沫元件的下游垂直于径向和轴向方向的正交平面上同时进行颗粒图像测速(PIV)和激光诱导荧光(LIF)测量。调查不同孔尺寸(每英寸20个孔、30个孔和45个孔)的商用金属泡沫和我们设计的结构，并将它们与空管参比例进行比较。中值流动场由于金属泡沫而明显扭曲。因此，在泡沫元件的前方注射的追踪剂染料的径向分散强烈增加。这导致增强的混合效率，该混合效率由变化量(variation)的系数来量化。所获得的变化量系数为0.1的级别。轴向质量传递径向速度分量的份额(share)较大归因于保留时间分布非常之窄。在大幅降低的压降和类似的比表面积下，所测定的分散特征与填充床和常用填充材料的那些分散特征类似。热传递对流热传递由于插入的金属泡沫元件而大幅增加。观察到，与30ppi泡沫相比，20ppi的泡沫的热传递速率更高。这可以解释为，由具有较大孔的泡沫结构所引起的湍流增加。观察到，具有较大比表面积和对器壁的固定连接的烧结反应器具有绝对最好的性能。6. 2多相流动的特征以下示出了通过光学测量以及在管子(内径7mm)内应用丝网传感器(wire meshsensor)的方式获得的以不同的质量流动速率通过烧结的结构元件和传统金属泡沫的水-空气流动的特征(阻塞、瞬时统计学)。在实验装置中，电极筛网断层扫描仪被设置在泡沫元件的入口和出口。该设备能够使在管内以两相流动的短暂气体级分分布高速可视化。其由两个电极格栅组成。丝线格栅的两个平面以彼此相距短距离的方式放置在流动中。两个格栅的丝线之间的角度为90°。向第一平面(发射平面)的丝线供应驱动电压的脉冲。如果给予发射丝线之一的脉冲到达第二平面(接受平面)的某条丝线，那么就假设两个所选择丝线之间的交叉点被传导相(水)占据。采用CCD相机，由侧面同时观测流动。通过这样，表征传感器对流动图案和入口流动场的影响。结果表明，气相在反应器出口的管子的横截面上具有窄气泡尺寸分布的非常均勻的分散。业已发现，本发明的连续塞流反应器对于半间歇工艺来说是非常令人感兴趣的替代系统。所应用的制造方法允许建造几乎任意形状，这导致高度灵活的模块反应器概念。
权利要求
1.ー种装置，用于加工和调节被运送通过该装置的材料，所述装置包括具有器壁以及至少ー个入口端和至少ー个出口端的管子，所述管子用于处理被运送通过该管子的材料， 其中在所述管子中布置至少ー个由固体泡沫结构构成的多孔元件，其中所述多孔元件包括多个彼此连接并且形成互联网络的空洞，该多孔元件允许所述材料通过所述多孔元件的所述空洞交叉流动，并且其中所述至少ー个多孔元件和所述管子的所述器壁以一件式制造。
2.如权利要求1的装置，其特征在干，所述至少ー个多孔元件的孔隙率ε>0.5。
3.如权利要求1的装置，其特征在干，所述至少ー个多孔元件的孔隙率ε介于0.6和 0. 95之间，优选介于0. 8和0. 9之间。
4.如权利要求1至3中任意ー项的装置，其特征在干，所述至少ー个多孔元件的所述空洞基本上是球形形状的并且具有1至20mm、优选2至IOmm的平均直径，并且限定所述球形形状的空洞的外壳包含多个允许所述材料的交叉流动的孔，其中所述孔的平均直径在0. 01 至5mm的范围内，优选在0. 1至2mm的范围内。
5.如权利要求1至4中任意ー项的装置，其特征在干，所述外壳包括平滑的、或粗糙的、 或部分光滑且部分粗糙的表面。
6.如权利要求1至5中任意ー项的装置，其特征在干，所述至少ー个多孔元件被设计成在管状管中的流动的雷诺数介于1和100000之间。
7.如权利要求1至6中任意ー项的装置，其特征在干，所述管子和所述至少ー个多孔元件由金属或金属合金制成，所述金属选自由铁、钛、锆、铪、钒、铌、稀土和钽组成的組，所述金属合金由这些金属中的至少ー种制成。
8.如权利要求1至6中任意ー项的装置，其特征在干，所述管子和所述至少ー个多孔元件由陶瓷材料制成。
9.如权利要求8的装置，其特征在干，所述陶瓷材料选自由氧化铝、氧化硅、氧化锆 (IV)、堇青石、滑石組成的組。
10.如权利要求1至9中任意ー项的装置，其是用于被运送通过所述装置的流体或流化材料的混合器或热交換器。
11.如权利要求10的装置，其特征在干，其包括限定环状室的双壁面圆筒壁，其中所述环状室包括流体入口和流体出ロ，它们被连接到热交換器用于将热交換流体连续运送通过所述室。
12.如权利要求1至11中任意ー项的装置作为混合器或热交換器的用途。
全文摘要
本发明涉及一种装置，其用于处理被运送通过该装置的材料，所述装置包括至少一个由固体(例如金属)结构构成的多孔元件，该多孔元件允许所述材料通过所述多孔元件的交叉流动。根据本发明的装置特别可用作混合器或热交换器或者可用于实施在均相条件和非均相条件下的化学反应。这样的装置(此后也被称为反应器)可以包括具有圆筒状器壁(2)以及至少一个入口端(3)和至少一个出口端(4)的管子(1)。在所述管子(1)中布置至少一个由固体金属结构构成的圆筒多孔元件(5)，其中所述多孔元件(5)包括多个彼此连接并且形成互联孔穴网络的空洞，并且其中所述至少一个多孔元件(5)和所述圆筒状器壁(2)以一件式制造。所述至少一个多孔元件(5)的孔隙率ε介于0.8和0.95之间。
文档编号B01F5/06GK102574096SQ201080026231
公开日2012年7月11日 申请日期2010年6月14日 优先权日2009年6月12日
发明者大卫·罗本, 弗朗斯科·马斯卡雷洛, 森德里克·胡特尔, 菲利普·范·罗尔·鲁道夫 申请人:普瑞麦克斯反应器公司, 苏黎世联邦理工学院