包括带有支撑件的连接器的交换器-反应器的制作方法

目前，用于合成气生产的最普遍的方法是甲烷的蒸汽重整。该反应是催化的并且吸热的。该反应所需的热量是通过辐射炉中的燃烧获得的。因此，合成气是在高温(约900℃)下获得的。已经普及的优化提出了在毫米级结构交换器-反应器中进行反应，以便改善反应器内的热传递和材料转移。

本发明涉及的重整反应器是由多个不同部分(其在图1中示出)组成的单组分单元。“单组分反应器”应理解为没有组装界面的反应器。交换器-反应器的入口1和出口2分别连接到入口连接器11和出口连接器12，该入口连接器和该出口连接器本身直接连接到分配区域3，该分配区域向该交换区域4提供供应。交换区域4由直且平行的通道组成：这些直通道被分为反应通道5、产物通道6和在两个反应通道5与产物通道之间的接合部7。“反应通道”应理解为在其中发生催化反应的通道，并且“产物通道”应理解为产物流可以在其中循环的通道。仅入口1、分配区域3和反应通道6涂覆有催化剂8。除了催化剂8的沉积之外，这些通道还可以涂覆有包层，该包层用于保护免受施加到反应通道的表面10上的腐蚀9。

入口连接器11和出口连接器12可以被定义为至少50％空、优选至少70％空的容积，并且该入口连接器和出口连接器相应地使入口和分配区域相连接并且使分配区域和出口相连接。

“分配区域”应理解为被安排以便对进入或离开交换区域的通道的流量进行最佳分配的容积。

为了允许单级制造如上所述的交换器-反应器，入口连接器和出口连接器必须与分配区域和交换区域同时通过增材法制造。

然而，在不限制连接器的定位或尺寸可能性的情况下，目前没有允许连接器与交换区域和分配区域同时制造的解决方案。

因此，需要提供改进的交换器-反应器和/或改进的工艺，利用该工艺可以使连接器与交换区域和分配区域同时制造。

本发明的解决方案是单组分交换器-反应器，该交换器-反应器从底部到顶部在制造方向上包括：

-分配区域3；

-入口连接器11和出口连接器12，该入口连接器和出口连接器各自处于半圆柱体的形式、并且在两侧上邻接分配区域；

-位于该入口连接器的正面上的入口1；

-位于该出口连接器的正面上的出口2；

-由反应通道5和产物通道6组成的交换区域；

其中，每个连接器在其内部上部部分中包括支撑件。

应当注意的是，所讨论的通道是毫米级通道。

视情况而定，根据本发明的反应器-交换器可以展现以下特征中的一项或多项：

-该分配区域在其邻接该入口连接器的面上包括安排在若干竖直轴线上的流入口；包括在该入口连接器的内部上部部分中的支撑件具有邻接分配区域的一个面和邻接入口连接器的内部上表面的一个面；并且支撑件插入在所述各个竖直轴线之间；

-该分配区域在其邻接该出口连接器的面上包括安排在若干竖直轴线上的流出口；包括在该出口连接器的内部上部部分中的支撑件具有邻接分配区域的一个面和邻接入口连接器的内部上表面的一个面；并且支撑件插入在所述各个竖直轴线之间；

-支撑件呈圆盘扇形形状，该扇形形状具有在30°和60°之间的角度、优选地具有在40°和50°之间的角度；

-这些连接器具有内径“d”，并且呈圆盘扇形形状的这些支撑件具有半径“d”，使得

-支撑件具有在25％和45％之间的孔隙率、优选地具有在35％和45％之间的孔隙率；

-支撑件具有小于2mm的厚度、优选地小于1mm、更优选地小于0.8mm；

-该分配区域的流入口和/或流出口具有在0.3mm和4mm之间的水力直径、优选地在0.5mm和2mm之间；

-所述交换器-反应器是通过增材制造整体制造的。优选地，增材制造方法使用至少一种微米级金属粉末作为其基体材料。

交换区域的通道分布在几个级。“级”应理解为位于同一级别的一组通道。这些通道被壁分隔开。“壁”应理解为两个连续通道之间的分离隔板。确定通道的数量、这些通道的尺寸和这些通道的安排，以便能够在热传递、原料损失和转化率方面实现预期性能。

可以根据在这个级的通道中循环的流体来定义三种类型的级：

-包括所谓的“反应”通道的那些级，总体上在蒸汽重整的情况下，烃原料和蒸汽混合物在这些通道中循环，

-包括所谓的“产物”通道的那些级，蒸汽重整反应的产物在这些通道中循环。蒸汽重整反应的产物将蒸汽重整反应所需的热量的一部分释放给烃原料和蒸汽的混合物，从而使得能够提高该工艺的效率，

-包括所谓的“供热”通道的那些级，热传递流体在这些通道中循环，使得能够供应蒸汽重整反应所需的热量。

交换器-反应器由这三种类型的级的堆叠组成。

流通过被称为分配区域的区域在通道中输送。分配区域允许在其可达到的通道之间均匀分配流量。

增材制造工艺可以使用微米级金属粉末，金属粉末被一个或多个激光器熔化，以便制造具有复杂三维形状的成品零件。根据所期望形状的精确度和所期望的沉积速率，逐层构建零件，这些层具有50μm的量级。待熔化的金属可以通过粉末床或通过喷雾嘴提供。用于局部熔化粉末的激光器是yag激光器、光纤激光器或co2激光器，并且粉末在惰性气氛(氩、氦等)下熔化。本发明不限于单一的增材制造技术，而是适用于所有已知技术。

增材制造技术使得可以最终生产被称为“固体”的零件，并且与诸如扩散钎焊或扩散焊接的构造技术相比，这些零件在每个雕刻板之间没有构造界面。这种性能增加了装置的机械强度，因为装置被构建的方式消除了弱化线，并且因此消除了潜在缺陷的来源。

通过增材制造并且消除扩散钎焊或焊接界面的固体零件的生产，使得可以设想出许多设计可能性，而不限于已经被研究来限制可能的构造缺陷(诸如钎焊接合中或扩散焊接界面中的不连续性)的影响的壁几何结构。

增材制造使得可以产生利用不可被传统制造方法设想的形状，并且因此交换器-反应器或毫米级结构交换器的连接器的制造可以与装置的主体的制造连续地进行。然后，这使得可以不进行将连接器焊接到主体上的操作，并且因此可以消除设备结构完整性弱化的根源。

连接器内部上部部分中的支撑件使得可以通过增材法制造交换器-反应器的连接器。

支撑件在连接器中必须定位在通过增材法进行的制造将需要支撑的这些点处。例如，如图2所示，在通过增材法竖直构造的交换器-反应器的情况下。

连接器的支撑件位于连接器的内部上部部分中。

为了最小化对制造方法的影响，并且不干扰流循环以及这些流在分配区域的流入口和流出口处的分配，支撑件被定位在入口和出口之间，这决定了支撑件的厚度(参见图3、图4和图5)。

此外，为了不干扰流循环，支撑件优选地被穿孔并且具有在25％和45％之间的高孔隙率，具有40％的理想值(被计算为支撑件的孔的组合体积与支撑件所占的总体积之比)。

本发明还涉及用于使用根据本发明的反应器-交换器对烃原料进行蒸汽重整的工艺。需要注意的是，支撑件的存在不损害交换器-反应器的性能并且因此不损害蒸汽重整工艺的正确执行。

下面的实例旨在示出在通过增材法制造交换器-反应器期间支撑件的重要性。

根据本发明的实例

考虑由inconel625制成的用于生产5nm3/h(试验情况)的氢气的反应器-交换器的实例，该氢气旨在被供应至燃料电池，以便为住宅生产电力和热水。交换器-反应器的连接器可以具有在15mm和150mm之间的直径。选择80mm的直径。

支撑件的存在使得可以获得图6中描绘的交换器-反应器。

对比实例

为了制造这种交换器-反应器，保留了根据本发明的交换器-反应器的特征，除了被消除的支撑件之外。

缺少支撑件产生了图7中描绘的交换器-反应器。

换言之，在没有支撑件的情况下，在通过增材法制造交换器-反应器期间不可能关封闭入口连接器11和出口连接器12，其结果是该交换器-反应器报废。

实例的结论

为了能够通过3d打印来竖直构造如前所述的交换器-反应器，并且因而最大化可以在3d打印机中形成的交换长度。必须在入口连接器和出口连接器中提供特定的支撑件，一旦零件被生产出来，这些支撑件将保持在位，并且因此一旦零件投入运行，这些支撑件就必须对流体流产生最小的干扰。在没有这些支撑件并且必须从侧面中的一个侧面供应/移除一种或多种流体的情况下，必须提供如本申请中所定义的特定的、高度穿孔的支撑件。