Направляющая поток вставка для камеры реактора и для реактора

Направляющая поток вставка для камеры реактора, имеющая прямоугольное сечение, вход на одном конце камеры и выход на другом конце камеры. Одна из стенок камеры реактора состоит из теплопроводящего материала или мембраны. Вставка содержит множество элементов, расположенных рядами, причем данные элементы вместе со стенками камеры образуют канал для текучей среды. Канал тянется от первой стороны камеры до второй стороны камеры и снова назад до первой стороны, и так множество раз вперед и назад. Элементы расположены так, что текучая среда вынуждена течь между элементами извилистым путем. Предложенное изобретение дает возможным получение точного гидродинамического контроля условий потока для реагентов, которые должны пройти через камеру реактора. Использование вставки позволяет создать условия турбулентности потока, которые эффективно предотвращают появление слоев текучей среды, текущих с различными скоростями потока и застойных зон, а также получить высокие скорости смешения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Настоящее изобретение относится к направляющей поток вставке в камере реактора в реакторе, причем камера реактора имеет преимущественно сечение прямоугольной формы и имеет вход в одном углу камеры и выход в другом углу камеры. По меньшей мере, одна из стенок камеры реактора состоит из твердого проводящего тепло материала или из мембраны.

Общепринятые реакторы для проведения различных типов химических реакций в периодическом режиме обычно имеют форму сосуда подходящего размера, в который наливают реагенты, и дают возможность реагировать в течение заранее определенного времени реакции. Сосуд обычно снабжен средством для перемешивания. Если необходимо нагреть или охладить реагенты, сосуд может быть снабжен нагревающей или охлаждающей оболочкой или нагревающим или охлаждающим змеевиком, который погружен в реагенты. Перенос тепла, специфический для такого устройства, является таким же слабым, как и перемешивание.

Другой тип реактора, дающий возможность непрерывно проводить реакции, состоит из трубчатых реакторов, содержащих трубы подходящей длины, через которые подают поток реагентов. Такое устройство дает возможность контролировать время удерживания особенно в турбулентных условиях. Если реагенты необходимо нагревать или охлаждать, труба может быть окружена оболочкой, через которую подают теплоноситель или хладагент.

В последнее время на рынок были представлены пластинчатые реакторы, часто называемые микрореакторами, для проведения каталитических реакций. Данные микрореакторы часто используются в связи с топливными баками. Такой микрореактор описан, например, в EP 1091800, который демонстрирует компактный каталитический реактор, созданный из штабеля текстурированных пластин, образующих реакционные пространства и пространства теплопереноса. Текстура может быть в форме каналов для хорошего распределения реакционной жидкости.

Данный тип реакторов может также быть использован в более крупном масштабе.

Направляющие поток вставки известны во многих соединениях для того, чтобы разделить поток и гарантировать постоянное изменение направления потока. Данные вставки выполняют из различных видов материалов насадок в различных конфигурациях. WO 01/94006 описывает пример трубчатого реактора данного типа с реакционными трубами с модульной насадкой, которая создает турбулентность для того, чтобы продвигать поток текучей среды.

Целью настоящего изобретения является обеспечение реакционной камеры направляющей поток вставкой, которая делает возможным получение точного гидродинамического контроля условий потока для реагентов, которые должны пройти через камеру реактора. Данная цель достигается тем, что вставка содержит некоторое количество элементов, расположенных рядами, причем элементы вместе со стенками камеры образуют канал для текучей среды, причем канал тянется от первой стороны камеры до второй стороны камеры и снова назад до первой стороны камеры, назад и вперед несколько раз, а элементы расположены так, что заставляют текучую среду течь между элементами извилистым путем. Вставка согласно изобретению, которая заставляет поток текучей среды часто менять направление, создает условия турбулентности потока, которые эффективно предотвращают появление слоев текучей среды, текущих с различными скоростями потока, и застойные зоны не обнаруживаются. Получены высокие скорости смешения и узкое распределение времени пребывания. Реагенты текучей среды, проходящей по каналу, могут быть чистыми жидкостями, смесями жидкостей, жидкостями с частицами или жидкостями с растворенным или свободным газом.

Вставка может иметь форму прямоугольника и прямоугольное сечение. Длина каждого ряда во вставке может быть значительно больше, чем расстояние между двумя противоположными стенками в камере реактора. Упомянутые противоположные стенки могут одна или обе состоять из теплопроводящего материала, что дает возможность охладить или нагреть текучую среду, протекающую по внешней стороне канала. Одна или обе стенки могут альтернативно состоять из мембраны с порами подходящего размера, делающими возможным прохождение образованного продукта или продуктов через мембрану. Возможна также комбинация стенок данного типа.

Вставка прямоугольной формы может быть, если потребуется, свернута в трубку или в спираль. В этом случае стенки реакционной камеры должны, конечно, иметь такую же форму.

Элементы направляющей поток вставки по данному изобретению сконструированы предпочтительно так, что каждый элемент имеет одну плоскую поверхность для того, чтобы плотно примыкать к одной стенке камеры реактора или к плоской стороне другого элемента. Элемент имеет протяженность меньшую, чем расстояние между двумя противоположными сторонами в камере реактора.

Направляющая поток вставка создана предпочтительно таким способом, что каждый ряд элементов отделен от соседнего ряда элементов разграничительным средством, которое плотно примыкает к стенкам камеры реактора. Реакционная камера может быть смонтирована так, что текучая среда протекает через реакционную камеру под действием силы тяжести, то есть вход в камеру может быть расположен выше выхода. Конечно, можно также заставить текучую среду проходить через камеру с помощью насоса, что означает, что вход и выход камеры расположены на одном уровне.

Элементы направляющей поток вставки имеют предпочтительно сторону, противоположную плоской поверхности, например, цилиндрической формы. Таким способом получают очень благоприятные условия потока.

В направляющей поток вставке согласно изобретению имеется предпочтительно соединение между двумя соседними рядами элементов в камере реактора, которое получают так, что имеется отверстие между одним концом ряда и стенкой реактора и также между следующим рядом элементов и той же стенкой реактора. Таким образом, текучая среда может протекать от одного ряда к другому в созданном пустом пространстве.

Направляющая поток вставка может содержать, по меньшей мере, два элемента, по меньшей мере, в двух соседних рядах, которые смонтированы так, что отверстие в цилиндрической части одного элемента соединяется с отверстием в разграничительном средстве вместе с отверстием в цилиндрической части второго элемента, образуя проход, простирающийся через часть вставки или через всю вставку. Такие проходы дают возможность создавать соединение между входом на одном конце камеры реактора и потоком текучей среды где угодно в камере реактора. Проходы могут быть использованы для ввода жидкого или газообразного реагента в поток текучей среды. Они также могут быть использованы для отбора проб или для измерения, например, температуры или давления. Если потребуется, то через образованные проходы могут быть проведены хладагент или теплоноситель.

Направляющая поток вставка, содержащая требуемое количество рядов и разграничительное средство, предпочтительно изготавливается в одном куске. В зависимости от требуемого материала вставки она может быть изготовлена формовкой, прессованием, дроблением или отливкой.

Направляющая поток вставка, содержащая некоторое количество элементов и ограничителей, может быть альтернативно изготовлена из частей в форме колонны, которые вместе образуют вставку. Это может быть необходимым, если элементы имеют плавно изогнутую форму около плоской поверхности.

Один особенно подходящий материал для производства вставки содержит полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). Другими материалами могут быть углерод, стекло или металл.

Контролирующая поток вставка согласно изобретению будет дополнительно описана с ссылкой на прилагаемые чертежи, которые демонстрируют два примера варианта осуществления направляющей поток вставки. Данные варианты осуществления выбраны только как примеры.

Фиг.1-3 показывают различные виды отдельного элемента с ограничителями, который является частью вставки.

Фиг.4 - вид в перспективе нескольких элементов, собранных в часть вставки.

Фиг.5 - вид в перспективе двух элементов с отверстиями, которые предназначены для вмонтирования в два соседних ряда.

Фиг.6 - сечение ряда элементов с отверстиями в цилиндрической части элемента.

Фиг.7 - вид в перспективе трех элементов с отверстиями.

Фиг.8 - вид в перспективе секции вставки, расположенной в камере реактора.

Фиг.9-11 - различные виды другого варианта осуществления отдельного элемента, который является частью вставки.

Фиг.12 - вид в перспективе данных элементов, объединенных в часть вставки.

Фиг.13 - вид в перспективе варианта изготовления данных элементов в форме колонн.

Фиг.14 - сечение или ряд элементов.

Фиг.15 - десять элементов в трех рядах, образующих часть вставки.

Фиг.16 - вставку, расположенную в реакционной камере в пластине, с видом как передней, так и задней части.

Фиг.17 - вид в перспективе части образца реактора с камерой реактора, содержащей вставки согласно данному изобретению.

На Фиг.1 показан отдельный элемент 1, видимый с одной стороны, причем элемент 1 вместе с аналогичными элементами, расположенными рядами, образует вставку для камеры реактора. Элемент 1 имеет плоскую поверхность 2 и верхний и нижний ограничители 3, 4 прямоугольной формы.

Элемент 1 имеет цилиндрическую часть 5 со стороны, противоположной плоской поверхности, как можно видеть на Фиг.2, показывающей сечение элемента.

На Фиг.3 элемент 1 виден сбоку. Как можно видеть на Фиг.2 и Фиг.3, там образовано свободное пространство 6 внутри элемента, ограниченное протяженностью ограничителей 3 и 4. Данное свободное пространство предназначено для текучей среды, которая будет проходить через камеру реактора.

На Фиг.4 показано, как девять элементов 1 расположены по отношению друг к другу для того, чтобы образовать вставку для камеры реактора. Как можно видеть на Фиг.4, девять элементов, показанных на фигуре, расположены так, что плоская поверхность первого и третьего элементов в каждом ряду повернута в одну сторону, в то время как второй элемент в каждом ряду повернут на 180° по отношению к первому и третьему элементам. Таким образом, плоские поверхности элементов образуют площадь (поверхность), которая вместе со стенками камеры реактора (не показанными здесь) образуют извилистой формы канал для текучей среды. Текучая среда течет через свободное пространство 6 между элементами и между цилиндрической частью 5 элементов и стенками реакционной камеры. Для того чтобы заставить текучую среду течь через образованный канал, конечно, необходимо, чтобы плоская поверхность элементов примыкала к соседней стенке так, чтобы текучая среда не могла миновать канал. Верхний 3 и нижний 4 ограничители элемента 1 образуют один или вместе разграничительное средство между рядами.

На данных чертежах ряды вставки построены из отдельных элементов. Если потребуется, то, конечно, можно построить вставку, содержащую элементы, в которой два элемента повернуты своими плоскими поверхностями друг к другу. Это дает эффективное распределение потока при возможности точно контролировать распределение времени пребывания в камере.

На Фиг.5 показаны два элемента, предназначенные для установки в соседние друг другу ряды. Оба эти элемента имеют отверстие 7 в цилиндрической части элемента, которое простирается через элемент от верхнего 3 до нижнего 4 ограничителя. С таким расположением можно соединить вход на одном конце камеры реактора так, что поток введенной текучей среды можно добавлять к потоку первой текучей среды в любой требуемой точке камеры реактора. Соединение устанавливают так, что элемент с отверстием 7 также имеет отверстие где угодно на поверхности цилиндрической части элемента, причем два отверстия соединяют где-нибудь в элементе. Также можно иметь некоторое количество элементов с отверстиями в некотором количестве соседних рядов так, что образуется проход, который тянется через всю вставку.

На Фиг.6 показано сечение некоторого количества элементов 1, снабженных отверстиями 7. Отдельные ограничители 4 элементов вместе образуют разграничительное средство 8. В правом конце фигуры имеется полость 9 в разграничительном средстве 8. Данная полость 9 позволяет текучей среде течь от одного ряда элементов к соседнему ряду элементов.

Фиг.7 показывает три ряда элементов, снабженных отверстиями 7. Как можно видеть на чертеже, самое верхнее разграничительное средство 8 тянется несколько дальше вправо, чем следующее разграничительное средство. Данное пространство соответствует полости 9, показанной на Фиг.6. Текучая среда, которая должна протекать через камеру реактора (стенки не показаны на данном чертеже), входит в реакционную камеру через вход (не показан), расположенный в непосредственной близости от левого конца самого верхнего ряда элементов. Затем текучая среда протекает извилистым путем в свободном пространстве 6 между элементами, пока не достигнет правого конца самого верхнего ряда. Благодаря полости 9 текучая среда может затем переходить в следующий ряд и течь через свободное пространство между элементами справа налево. Как можно видеть на чертеже, имеется соответствующая полость в третьем разграничительном средстве 8, что позволяет текучей среде входить в третий ряд элементов. На данном чертеже вставка показана в вертикальном положении. Конечно, можно расположить вставку в камере реактора горизонтально.

На Фиг.8 показано, как вставка, содержащая блок элементов, сформированных как одно целое, может быть расположена в камере реактора. Камера реактора окружает пространство в форме вытянутого прямоугольника. На чертеже, где представлена только небольшая секция камеры реактора, показана дальняя стенка 10 камеры и боковые стенки 11, 12. Передняя стенка камеры реактора не показана для ясности. На чертеже видно, как текучая среда направляется от правого конца камеры и течет извилистым путем по каналу, который ограничен элементами и стенками камеры. Полость 9, образованная между вставкой и боковой стенкой 12, дает возможность текучей среде переходить на соседний нижний ряд.

На Фиг.9 показан вариант осуществления элемента с немного отличающейся формой, дающей другой тип вставки. Элемент 1¹ виден с одной стороны, и он также имеет верхний и нижний ограничители 3¹ и 4¹. На Фиг.10 показано сечение элемента 1¹. Как можно видеть на чертеже, элемент 1¹ имеет плоскую поверхность 2¹ и цилиндрическую часть 5¹. Имеется плавно изогнутый переход от цилиндрической части к плоской части. Верхний и нижний ограничители 3¹ и 4¹ имеют форму усеченного треугольника с двумя параллельными сторонами. Как можно видеть на Фиг.11, имеется пространство 6¹ перед цилиндрической частью 5¹ элемента.

На Фиг.12 видно, как могут быть расположены элементы для того, чтобы образовать часть вставки, предназначенной для использования в камере реактора, причем каждый второй элемент повернут на 180° по отношению к другому элементу. Часть вставки, показанная на Фиг.12, может, как это показано на фиг 13, быть собрана из колонн 13, которые изготовляют как одно целое с требуемым числом элементов.

На Фиг.14 показано сечение некоторого числа элементов 1¹ в ряду. Плоские поверхности 2¹ элементов предназначены для того, чтобы плотно примыкать к стенкам камеры реактора. На чертеже видно, как плавно изогнутые части элементов 1¹ около плоской поверхности 2¹ вместе с цилиндрической частью элементов образуют извилистый канал.

На Фиг.15 показан в перспективе вид трех рядов элементов с десятью элементами в каждом ряду. На данной фигуре видно, как верхние и нижние ограничители элементов объединены, образуя верхнюю и нижнюю плоские поверхности, которые образуют разграничивающее средство, разделяющее ряды. Также видно, как плоские поверхности 2¹ образуют плоскую площадь с небольшими отверстиями 14. Стенки реакционной камеры должны плотно примыкать к плоской площади (поверхности) и образовать ограничение для канала, полученного между элементами.

На Фиг.16 вставка 15 показана внутри камеры реактора. Камера реактора размещается в отверстии прямоугольной формы в прямоугольной пластине 17. Камера реактора ограничена краями отверстия прямоугольной формы и тонкими пластинами или мембранами, расположенными сзади и спереди пластины 17. (Тонкие пластины или мембраны не показаны на Фиг.16.) На одном конце камеры имеется вход 18 для текучей среды, которая будет проходить через камеру реактора, и на другом конце камеры реактора имеется выход 19 для текучей среды.

Часть реактора, содержащая три камеры реактора 16, показана на Фиг.17. Стенки 20, 21, окружающие камеру реактора, состоят в данном варианте осуществления из тонких пластин теплопроводящего материала. Мембраны могут, если это подходит, быть использованы вместо тонких пластин на одной или на обеих сторонах камеры реактора. На обеих сторонах камеры реактора имеются каналы 22, через которые может протекать охлаждаемая или нагреваемая текучая среда. Каналы 22 на их другой стороне ограничены стенками 23. Между каналами для охлаждаемой или нагреваемой текучей среды имеются переходные пластины 24. Реакционные камеры 16, каналы для хладагента или теплоносителя и переходные пластины окружены с обеих сторон каркасными пластинами 25, и комплект скрепляется вместе болтами 26. Имеется входной патрубок 27 на одном конце реактора и соответствующее отверстие в каркасных пластинах 25 и стенках, окружающих каналы для хладагента или теплоносителя. Текучая среда, которая будет проходить через камеру реактора, входит через входной патрубок 27 и упомянутые отверстия и достигает входа 18 камеры реактора 16.

Затем текучая среда течет извилистым путем между элементами первого самого верхнего ряда, затем через следующий ряд и далее, пока все ряды в первой реакционной камере не будут пройдены. Затем текучая среда проходит отверстия в нижнем конце реактора (не показаны) и входит во вторую камеру реактора. Здесь текучую среду заставляют течь от одной стороны камеры реактора до другой стороны между элементами ряд за рядом вверх, до тех пор пока она не достигнет верхнего ряда. Имеется выход 19 из камеры реактора, через который текучая среда может проходить дальше через отверстия в стенках 21, 23 и через отверстие 28 в переходной пластине 24. В данном варианте осуществления камеры реактора соединены последовательно. Конечно, если потребуется, камеры реактора можно соединить параллельно.

Вместо использования каналов для нагревания и охлаждения на обеих сторонах камеры реактора отделить друг от друга две камеры реактора возможно также с помощью мембраны. При таком расположении канала для нагревания и охлаждения камеры реактора и мембраны, когда камера реактора и канал для нагревания и охлаждения расположены рядом друг с другом, первая реакция может иметь место в первой камере реактора, и один компонент, изначально присутствующий или полученный во время реакции, может проходить через мембрану для дополнительной реакции или для нагревания или для охлаждения.

В варианте осуществления, показанном на чертежах, все элементы вставки имеют одинаковые размеры и форму. Конечно, возможно в рамках изобретения использовать элементы меньшей или большей протяженности в одном или в нескольких рядах или только в части ряда. Верхние или нижние ограничители могут быть сделаны толще, что, конечно, изменит размер канала. Такое уменьшение размера канала может привести к увеличению скорости потока, что может быть предпочтительно.

1. Направляющая поток вставка (15) для камеры реактора (16) в реакторе, которая имеет по существу прямоугольное сечение, вход (18) на одном конце камеры и выход (19) на другом конце камеры, причем, по меньшей мере, одна из стенок камеры реактора содержит теплопроводящий материал или мембрану, отличающаяся тем, что вставка (15) содержит множество элементов (1, 1¹), расположенных рядами, причем элементы вместе со стенками (20, 21) камеры образуют канал для текучей среды, причем канал проходит от первой стороны камеры до второй стороны камеры и снова назад до первой стороны, и так множество раз назад и вперед, и элементы расположены так, что текучая среда вынуждена течь между элементами извилистым путем.

2. Вставка по п.1, отличающаяся тем, что каждый элемент (1, 1¹) имеет одну плоскую поверхность (2, 2¹), выполненную с возможностью примыкания к одной из стенок камеры реактора или к плоской поверхности (2, 2¹) другого элемента, и имеет протяженность, меньшую, чем расстояние между противоположными стенками камеры реактора.

3. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый ряд элементов (1, 1¹) отделен от следующего ряда элементов разграничительным средством (8), простирающимся между стенками и плотно примыкающим к стенкам камеры реактора.

4. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что сторона элемента, противоположная плоской поверхности, имеет плавно изогнутую форму (5), например форму цилиндра.

5. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что соединение между двумя соседними рядами элементов (1, 1¹) в камере реактора выполнено так, что имеется полость (9) между одним концом ряда и стороной реактора, а также между следующим рядом элементов и той же самой стороной реактора так, что текучая среда может перетекать от одного ряда к другому ряду в созданном пустом пространстве.

6. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, два элемента (1, 1¹), по меньшей мере, в двух соседних рядах расположены так, что отверстие (7) в цилиндрической части одного элемента, взаимодействуя с отверстием в разграничительном средстве (8), вместе с отверстием (7) цилиндрической части второго элемента дает возможность создать проходы между входом на одном конце камеры реактора и вышеуказанным извилистым путем потока текучей среды где угодно в камере реактора или через упомянутую камеру.

7. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что множество рядов элементов (1) и разграничительное средство (8) выполнены как одно целое.

8. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что множество элементов (1¹) и ограничителей (3, 4) выполнены как одно целое в виде колонны.

9. Вставка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что вставка изготовлена из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), углерода, стекла или металла.

10. Реактор, снабженный, по меньшей мере, одной камерой реактора, содержащей направляющую поток вставку по любому из предшествующих пунктов.