專(zhuān)利名稱：帶催化劑的板式結(jié)構(gòu)微型反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有用于在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)非均相(heterogeneous)/多相催化氣相反應(yīng)的催化壁面制劑的微型反應(yīng)器。反應(yīng)器做得類(lèi)似于層狀結(jié)構(gòu)的板式換熱器，其中這樣形成的并通過(guò)間隔元件固定和分區(qū)的腔室作為反應(yīng)腔和熱輸送腔。分層結(jié)構(gòu)的尺寸這樣選擇，使得對(duì)于用于噸級(jí)規(guī)模生產(chǎn)的大規(guī)模應(yīng)用在流動(dòng)、熱和物料輸送、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、工藝可靠性和靜力學(xué)方面存在最佳性能。
背景技術(shù)：
板式結(jié)構(gòu)微型反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。這種堆疊的反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)基本上是類(lèi)似的并包括一個(gè)或幾個(gè)用于離析物和傳熱介質(zhì)的中央輸入管，從這些輸入管分叉出支流，并輸入相應(yīng)的層。在流過(guò)一層和進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)或催化反應(yīng)工序后，支流以物料方式集中到中央輸出管內(nèi)，輸送到下一層或從反應(yīng)器中導(dǎo)出。
在US 2002/0106311和US 5,534,328中公開(kāi)了上述類(lèi)型的微型板式反應(yīng)器，其中介紹了大量層和層順序，它們部分滿足不同的功能，然而其中在用于大規(guī)模生產(chǎn)的最佳結(jié)構(gòu)或工藝流程方面則沒(méi)有談到。這特別是在極端的工藝條件，如高的壓力、高的溫度和/或強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)或爆炸的氣體成分方面這個(gè)資料也只字未提。
在DE 3926466中介紹了一種用來(lái)進(jìn)行化學(xué)雙原料反應(yīng)的微型反應(yīng)器，它用于具有強(qiáng)烈熱效應(yīng)的反應(yīng)是已知的并且也適用于多相催化反應(yīng)。在層內(nèi)設(shè)有縱向縫隙，在基本上兩種介質(zhì)匯合以后反應(yīng)對(duì)象流過(guò)這些縫隙，而冷卻介質(zhì)交替地流入下一層內(nèi)。按照DE 3926466這個(gè)垂直于反應(yīng)縫隙分布的冷卻在縱向縫隙末端通過(guò)層壁或在整個(gè)層長(zhǎng)上進(jìn)行。為了調(diào)整熱量輸送過(guò)程和要求的緊湊性規(guī)定壁厚小于1000μm，這使得這種反應(yīng)器禁止用于在高壓下進(jìn)行的侵蝕性反應(yīng)。此外在工業(yè)應(yīng)用中常常采用催化劑材料，它們不是來(lái)自于起所述催化作用的金屬組，并且不能用作基板材料。
在DE 19654361中介紹了一種疊式結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器，它用于化學(xué)催化過(guò)程，其中催化劑作為涂層涂覆在反應(yīng)通道的內(nèi)壁上。與包含反應(yīng)通道的層交替地設(shè)置類(lèi)似于上述資料的里面流通傳熱介質(zhì)的層，其中同類(lèi)的層處在流體連接中。在DE 19654361中公布了一種在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)導(dǎo)向的非常簡(jiǎn)單的方案，其中通過(guò)一橫向的縫隙將從前一層來(lái)的反應(yīng)流體分配到下一反應(yīng)層或輸出通道。缺點(diǎn)是，由于這種幾乎是直接的繼續(xù)傳輸在各個(gè)通道的支流之間只進(jìn)行非常小的均勻化過(guò)程，使得由于例如由壁或催化劑表面的制造誤差以及在反應(yīng)過(guò)程中沉淀物在內(nèi)表面上的沉積造成的不同的流動(dòng)阻力而造成不同強(qiáng)度通流的各通道的危險(xiǎn)。由此使反應(yīng)變差，從而更多地形成副產(chǎn)品和第二產(chǎn)品或者造成出口處未反應(yīng)離析物的份量提高。在這份資料中找不到各個(gè)層的由反應(yīng)決定的尺寸數(shù)據(jù)或通道的尺寸。
EP 1031375公開(kāi)了一種用來(lái)在水平腔室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的微型反應(yīng)器，它和上述反應(yīng)器的工作原理相似，其中向下一層或功能級(jí)的流體繼續(xù)傳輸通過(guò)一旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的通道進(jìn)行。對(duì)于在EP 1031375中公布的微型反應(yīng)器決定性的是，板之間的密封不用附加的密封材料而借助于內(nèi)置密封區(qū)進(jìn)行，它僅僅通過(guò)在這個(gè)區(qū)內(nèi)的兩側(cè)的高級(jí)的表面特性和相應(yīng)的壓緊力實(shí)現(xiàn)。此外作為特征要提到的是，根據(jù)不同的需要可以合并不同的過(guò)程和合成(工序)，因?yàn)檫@種微型反應(yīng)器的功能模塊可以方便地可拆卸地相互連接。在工業(yè)應(yīng)用中對(duì)接觸區(qū)和檢視區(qū)內(nèi)的表面特性的非常高的要求肯定可以看作是關(guān)鍵的，并且對(duì)于具有非常突出的熱效應(yīng)或壓力變化的反應(yīng)不能提供足夠的泄漏安全性。
在EP 0903174中公開(kāi)了一種用于在采用過(guò)氧化物作為氧化劑的情況下有機(jī)化合物的液相反應(yīng)的微型反應(yīng)器，它通過(guò)反應(yīng)層和冷卻層的交替堆疊的序列解決可靠的溫度導(dǎo)引的問(wèn)題，其中相鄰層的微型通道始終相互成直角分布，并指明反應(yīng)通道和相鄰的冷卻層之間的最小剩余壁厚為1000μm，反應(yīng)通道的最大液壓直徑同樣為1000μm。在這份資料中所述的過(guò)氧化反應(yīng)的中心挑戰(zhàn)是防爆炸。因此系統(tǒng)的密封性以及確保所有的反應(yīng)物最佳的混合是基本的要求，以避免具有操作性的過(guò)氧化濃度的區(qū)域，然而EP 0903174除了通道橫截面的尺寸選擇以外對(duì)此未加說(shuō)明。在這份資料中防爆炸僅僅從可靠地保持所需要的溫度和濃度的觀點(diǎn)加以考慮。
由DE 10042746已知一種裝置和方法，其中至少兩種流體介質(zhì)相互反應(yīng)，此外其中有時(shí)存在松散的或附著在壁上的催化劑。在所述反應(yīng)器中反應(yīng)在平面疊式反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行。在構(gòu)成這些反應(yīng)腔的板內(nèi)設(shè)有腔室或孔，傳熱介質(zhì)流過(guò)它們。在DE 10042746中公開(kāi)的這種反應(yīng)器的基本構(gòu)想是平行和平面通流的反應(yīng)腔，不帶內(nèi)部構(gòu)件，其中在邊緣區(qū)內(nèi)的各塊間隔元件確保兩塊板之間的縫隙寬度。其中在尺寸，亦即縫隙寬度方面調(diào)整到在50至5000μm的微小尺寸。另一個(gè)重要特征是這種反應(yīng)器的內(nèi)在可靠性，因?yàn)樾〉牧魍ㄖ睆揭种苹鹧鏀U(kuò)展。這種反應(yīng)器通過(guò)基本構(gòu)想在很多方面作了承諾，然而在工業(yè)應(yīng)用中在所述的平面縫隙大時(shí)預(yù)計(jì)反應(yīng)縫隙會(huì)部分封閉。這種部分封閉是反應(yīng)腔和傳熱腔之間大的壓差或由熱引起的應(yīng)力的結(jié)果，例如在由過(guò)程決定的起動(dòng)或結(jié)束過(guò)程中。
此外在壁涂覆起催化作用的材料時(shí)可以預(yù)期，上述材料運(yùn)動(dòng)以及由過(guò)程引起的波動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致開(kāi)裂，這又造成部分封閉。板上的大量腔室使制造工藝非常復(fù)雜，此外它們非常難以控制和清洗。不存在對(duì)于許多反應(yīng)所要求的反應(yīng)縫隙和傳熱腔的順向和逆向流通的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
與開(kāi)頭所述的現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的目的是這樣的技術(shù)問(wèn)題，即提供一種大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的微型反應(yīng)器，用它可以在高溫和高壓下以及在爆炸的過(guò)程狀態(tài)下進(jìn)行多相的催化反應(yīng)，用它可以生產(chǎn)在每天幾噸范圍內(nèi)的物質(zhì)量，并且可以借助于反應(yīng)腔和傳熱腔的方便的擴(kuò)大提高產(chǎn)量。
按照本發(fā)明這個(gè)目的根據(jù)權(quán)利要求1的特征實(shí)現(xiàn)并通過(guò)從屬權(quán)利要求的特征設(shè)計(jì)。公開(kāi)一種用來(lái)進(jìn)行多相催化反應(yīng)的微型反應(yīng)器，它具有大量垂直或水平并且基本上平行地設(shè)置的腔室。這些腔室具有至少一條輸入管，它與至少一個(gè)分配單元連接，此外還包括輸出管，它們與至少一個(gè)匯集單元相連。相同類(lèi)型的腔室和流體的輸入管相互連通，對(duì)于相同類(lèi)型的腔室輸出管也一樣。腔室由堆疊的板或?qū)訕?gòu)成，其中一部分腔室是反應(yīng)腔，在它們里面進(jìn)行化學(xué)催化反應(yīng)，另一部分腔室是傳熱腔，用來(lái)導(dǎo)通冷卻或加熱介質(zhì)，其中反應(yīng)腔和傳熱腔之間的熱量傳輸通過(guò)至少一個(gè)共同的腔壁或直接貼合的相鄰的板進(jìn)行。在所有腔室內(nèi)設(shè)有間隔元件，以便傳遞通過(guò)板堆從外部施加的壓緊的力流，并抑制由于流通的承載寬度的變形造成的微型通道的堵塞。這種變形是由反應(yīng)腔和傳熱腔之間的壓差引起的。按照本發(fā)明在反應(yīng)腔內(nèi)壁上至少局部涂覆催化劑材料。這時(shí)令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，在涂覆催化劑后這種結(jié)構(gòu)的微型構(gòu)造中的自由流通橫截面必須具有小于4000μm的液壓直徑和小于800的縫槽與縫高之比值。
此外根據(jù)所選擇的板的基本材料的不同本發(fā)明公開(kāi)，如果自由流通橫截面的液壓直徑小于1500μm，最好小于500μm，其中相鄰間隔元件的間隔長(zhǎng)度和反應(yīng)腔的縫高之比小于800，尤其是小于450，最好小于100，那么便存在特別優(yōu)良的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。然而這個(gè)長(zhǎng)度比不允許小于10。這里兩塊間隔元件之間的距離是指最小的垂直距離，因此在平行縫隙的情況下就是縫寬?？p高和間隔元件距離理解為涂覆以后的尺寸，因?yàn)橹挥羞@個(gè)尺寸構(gòu)成自由流通橫截面，在這種板式結(jié)構(gòu)時(shí)令人驚訝地顯示，在反應(yīng)腔內(nèi)不希望的流體力學(xué)和化學(xué)的邊緣效應(yīng)可以忽略不計(jì)。
在有效板高小于4000μm和板的基體材料是金屬時(shí)，在熱量傳輸方面催化劑涂層的厚度對(duì)于熱量傳輸是一個(gè)限制量，涂層可以具有不超過(guò)2mm的厚度，由此可以使微型反應(yīng)器幾乎絕熱地運(yùn)行。
內(nèi)腔的催化劑涂層也可以延續(xù)到匯集腔或分配腔，這里在這些區(qū)域內(nèi)的壁面上也可以涂覆與在反應(yīng)縫隙內(nèi)不同的催化劑。
間隔元件的造型沒(méi)有任何限制，可以設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、液滴形、菱形的或者有利地是設(shè)計(jì)成筋，最好是連貫的筋。決定性的是足夠的支承比，它是基體材料的材料性能、過(guò)程溫度和相鄰腔室之間的壓力差以及合成的從外部施加的壓緊力的函數(shù)。
間隔元件設(shè)計(jì)成連貫的筋的主要好處是對(duì)在用這種方法形成的矩形反應(yīng)縫隙內(nèi)的流動(dòng)性能、附加產(chǎn)生的用于催化劑材料的附著面和制造工藝方面的影響。
流動(dòng)性能、擴(kuò)散效應(yīng)和物料輸送過(guò)程可以在規(guī)定的縫隙內(nèi)非常好地模擬和優(yōu)化。同時(shí)可以抑制橫向流動(dòng)和回流混合的影響。筋的側(cè)面給附著在壁上的催化劑作為接觸面和附著面，并使催化劑層穩(wěn)固。從制造工藝的角度看具有均勻的縫隙和筋的板可以在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床上工藝簡(jiǎn)單和非常經(jīng)濟(jì)地加工。為了提供足夠的支承面，在構(gòu)成反應(yīng)腔或傳熱腔的板面上的間隔元件的支承面或底面相對(duì)于板的整個(gè)表面的份量證明最好在5-15％的范圍內(nèi)，其中份量應(yīng)該在2.5％以上但不超過(guò)30％。在這種情況下板的這樣一些表面稱為基準(zhǔn)面，即其位于環(huán)形的、封閉反應(yīng)腔或傳熱腔的密封件以及密封熔焊縫或密封釬焊縫的內(nèi)部。設(shè)置在密封件之外的板的材料盡可能做成實(shí)心材料，它對(duì)于支承面的上述考量沒(méi)有意義。因此在過(guò)程腔和傳熱腔之間的壓差大時(shí)間隔元件頂面可以具有足夠的支承性能，以傳遞通過(guò)兩塊端板或端部的固定桿或固定板所施加的壓緊力。如果間隔元件做成筋，那筋的最小寬度為1000μm，超過(guò)6000μm的筋的寬度通常在經(jīng)濟(jì)和制造工藝方面是不可取的。
如果催化材料涂在例如通過(guò)板的材料切除形成的凹坑內(nèi)，則得到本發(fā)明裝置另一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。用這種方式將催化劑固定在板上使得可以達(dá)到非常均勻的涂覆，因?yàn)槔缈梢越柚诠伟寤蚰ハ餮b置將突出的催化劑材料機(jī)械地切削到基體板的高度。凹坑可以具有任意的形狀，有利地設(shè)計(jì)成凹槽或溝槽形，其中這種凹槽或溝槽最好始終準(zhǔn)確地分布在反應(yīng)縫隙內(nèi)兩條筋之間。
此外本發(fā)明包括，至少一部分板或筋的材料起催化作用。這首先是采用金屬材料，例如貴金屬、錳、鉬、鐵、鉻、鎳等等的情況。根據(jù)相應(yīng)地進(jìn)行的催化反應(yīng)的能量分布，相鄰反應(yīng)腔和傳熱腔的主流動(dòng)方向可以這樣設(shè)置，使得相對(duì)于下一個(gè)腔室通流以順流、逆流或曲折形進(jìn)行。尤其是可以建立幾乎絕熱的反應(yīng)條件，因?yàn)闊崃枯斔鸵灾苯庸δ苓B接平行于每個(gè)反應(yīng)腔進(jìn)行。如果存在金屬基體并且根據(jù)上述數(shù)據(jù)優(yōu)化縫隙和板的幾何形狀，那么熱量輸送主要受催化劑材料的層厚限制。
在另一種實(shí)施形式中每?jī)蓧K板的筋相互定向，這些筋相互形成0°至90°的角。在一種特別優(yōu)良的結(jié)構(gòu)中這些筋相互平行并直接重疊地設(shè)置。在筋不平行設(shè)置時(shí)達(dá)到一種強(qiáng)烈的混合和渦旋效應(yīng)。
在本發(fā)明另一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)中設(shè)想，在入口和反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置至少一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)至少兩種流體混合，其中噴入至少一種氣態(tài)或液態(tài)流體，在其上可連接一均勻化路段。此外按照本發(fā)明包括，在均勻化路程之前或沿此路程設(shè)置一任意結(jié)構(gòu)形式的裝置，它減小與主流動(dòng)方向垂直的自由/流通橫截面。橫截面的這種減小造成流動(dòng)速度的提高，從而使流體強(qiáng)烈混合。在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)中具有減小的自由橫截面的區(qū)域意味著機(jī)械的火焰阻擋。因此這種火焰阻擋(Flammsperre)或滅火效應(yīng)(Quencheffekt)防止點(diǎn)火過(guò)程超越反應(yīng)區(qū)進(jìn)入其他過(guò)程單元，還防止火焰進(jìn)入從分配器或匯集單元出發(fā)的反應(yīng)區(qū)，所述反應(yīng)區(qū)主要局限定位在具有催化劑涂層的反應(yīng)縫隙區(qū)域內(nèi)。
在另一種本發(fā)明的裝置中在腔壁上設(shè)有孔，它們相對(duì)于主流動(dòng)方向的垂線傾斜-60°至+60°，尤其是-30°至+30°的角度，并通過(guò)一基本上垂直于主流動(dòng)方向的共同通道連接。通過(guò)這個(gè)主通道和這些孔將流體噴入反應(yīng)腔或相應(yīng)的反應(yīng)縫隙內(nèi)。其次本發(fā)明包括，沿流動(dòng)方向在反應(yīng)腔的末端設(shè)置至少一個(gè)裝置，它縮小垂直于主流動(dòng)方向的流通橫截面，其中裝置具有任意的形狀，有利地做成大量間隔元件、筋寬度的加寬部或做成擋板，最好做成縫隙高度的縮小部。在反應(yīng)腔末端的這種橫截面縮小部用來(lái)使流動(dòng)均勻化，并且和上述在傾斜的微型構(gòu)造時(shí)入口區(qū)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似是一種機(jī)械式火焰阻擋，從而防止從催化劑出發(fā)的燃燒進(jìn)入相鄰的通常形成微型構(gòu)造的反應(yīng)器或過(guò)程單元。令人驚訝地?cái)喽?，在要求完全防止爆炸的條件下在阻擋區(qū)內(nèi)不再允許設(shè)置催化劑材料，因?yàn)榉駝t即使在存在機(jī)械式火焰阻擋的情況下從催化劑出發(fā)的點(diǎn)燃也能擊穿進(jìn)入?yún)R集單元。
流動(dòng)的均勻化是非常有利的，因?yàn)槔缭诖呋瘎┩繉拥牟黄蕉炔皇窃诜磻?yīng)腔區(qū)域內(nèi)就是在各個(gè)縫隙內(nèi)產(chǎn)生不同的壓差，從而造成多相的流通，這導(dǎo)致在產(chǎn)品質(zhì)量方面相應(yīng)的缺點(diǎn)，就像由現(xiàn)有技術(shù)所知的那樣。實(shí)際顯示，通過(guò)在板出口處的橫截面變窄產(chǎn)生的壓力損失至少必須比由催化劑涂層的制造誤差造成的壓差波動(dòng)大5倍，阻擋區(qū)上的壓力損失最好比上述與由波動(dòng)造成的壓力損失大10倍。通過(guò)選擇上述明顯不在微型區(qū)內(nèi)的通道寬度，這種元件可以結(jié)構(gòu)上有意義和制造工藝簡(jiǎn)單地設(shè)置在每個(gè)單個(gè)通道內(nèi)。
此外按照本發(fā)明公開(kāi)一些應(yīng)用上述反應(yīng)器的方法，這些方法在壓差在0至15bar的范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行，其中理想的應(yīng)用范圍根據(jù)所選用的基體材料的不同在0bar和5bar之間?？赡艿倪\(yùn)行溫度從0°以下的低溫到約500℃的溫度。為了在熱量輸送腔內(nèi)的熱量輸送，可以導(dǎo)通液體或氣體介質(zhì)。
本發(fā)明一種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)想，傳熱腔內(nèi)的介質(zhì)在導(dǎo)通期間通過(guò)冷凝或蒸發(fā)完全或部分改變機(jī)組的狀態(tài)。
因此本發(fā)明的方法包括，例如主要由丙烯和過(guò)氧化氫組成的氧化丙烯或主要由芳族碳?xì)浠衔锝M成的酚的合成，以及碳?xì)浠衔锖吞貏e是碳?xì)浠衔锏难趸?Oxygenaten)的其它的合成。此外反應(yīng)器適合于由氫和氧組成的過(guò)氧化氫的合成。


下面借助于表示實(shí)施例的

本發(fā)明。附圖表示圖1以俯視圖示出單塊反應(yīng)器板和在板的入口區(qū)內(nèi)的局部視5的位置以及在板的出口處的局部視7的位置以及密封和導(dǎo)向筋結(jié)構(gòu)；圖2以俯視圖示出類(lèi)似于圖1的單塊反應(yīng)器板，它沒(méi)有集成的分配器單元，而是在板的窄邊的整個(gè)寬度上迎流；圖3以俯視圖示出單塊傳熱板以及密封結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向筋的變型方案；圖4以剖視圖舉例示出反應(yīng)腔和傳熱腔的堆放順序；圖5以局部視圖示出兩種實(shí)施方案的縫隙的入口區(qū)以及用來(lái)噴入流體的裝置和均勻化路段；圖6所用尺寸的位置；圖7以局部視圖示出兩種實(shí)施方案的反應(yīng)縫隙的末端和間隔元件結(jié)構(gòu)形狀以及阻擋裝置的位置和結(jié)構(gòu)形狀；圖8反應(yīng)腔內(nèi)的可能的布局。
具體實(shí)施例方式
由圖1可以看到一形成反應(yīng)腔的反應(yīng)器板，在板上輸入的離析物可通過(guò)中央輸入管2輸入到反應(yīng)腔8的分配單元6中。在分配單元內(nèi)設(shè)有導(dǎo)向筋9，它們將所述離析物均勻地分配給涂覆催化劑材料的縫隙，縫隙在間隔元件11，這里表示為筋，之間形成?？p隙平行設(shè)置并確定主流動(dòng)方向14。在縫隙末端處表示了匯集單元7，在它里面包含產(chǎn)品流，并在那里借助于其他導(dǎo)向筋9輸入中央輸出管4。此外在圖1中示出用于第二種離析物流的中央輸入管24，它在位于基體板1內(nèi)的通道24a內(nèi)垂直于主流動(dòng)方向14輸入，這些通道24a與圖5中所示的孔25連通。通過(guò)這些孔將第二種離析物流噴入反應(yīng)腔內(nèi)。通過(guò)不可逆的連接和/或密封件26使反應(yīng)腔8、傳熱腔10以及其輸入輸出口密封。以類(lèi)似的方法構(gòu)成在圖3中所示的傳熱腔板，其中在所示實(shí)施形式中筋11與反應(yīng)腔的筋平行和疊合地分布。這里未設(shè)置用于其他流體的催化劑涂層和輸入管。
圖2中示出一反應(yīng)器板，它在反應(yīng)腔內(nèi)沒(méi)有集成的分配腔，而是通過(guò)一中央離析物流和這里未畫(huà)出的其他反應(yīng)板一起通流。
圖4作為剖視圖示例性地示出反應(yīng)腔和傳熱腔的堆疊順序，其中主流動(dòng)方向垂直于圖紙平面流出或進(jìn)入。在反應(yīng)腔a)內(nèi)可以看到一側(cè)涂覆催化劑材料12的縫隙，其中下面的傳熱腔設(shè)計(jì)成相同類(lèi)型的。反應(yīng)縫隙最大可能的流通橫截面與相鄰的傳熱腔的縫隙相比縮小了催化劑層的橫截面積。在反應(yīng)腔b)內(nèi)可以看到，在兩塊板表面配備了催化劑的縫隙。下面接著包含不同數(shù)量縫隙的傳熱腔。在反應(yīng)腔c)內(nèi)兩個(gè)板壁也涂覆催化劑，其中一塊板表面設(shè)有凹槽，在它們里面放入催化劑材料12(還見(jiàn)圖6c)。因此可能的最大流通橫截面只減小一個(gè)催化劑層的橫截面面積。
圖5以三種方案示出單個(gè)反應(yīng)縫隙的入流區(qū)，其中來(lái)自分配單元的離析物流流入混合區(qū)30，在那里通過(guò)輸入管24a和孔25給離析物流混入第二和第三種流體?？?5如在a)中所示與主流動(dòng)方向成直角，或順或逆主流動(dòng)方向傾斜一角度δ(圖5b))。在進(jìn)入以壁涂覆催化劑材料為特征的反應(yīng)區(qū)之前設(shè)置一均勻化區(qū)31，在這個(gè)區(qū)內(nèi)通過(guò)內(nèi)部構(gòu)件29使流速提高造成渦流特性，并達(dá)到最佳的混和。在圖5b)中示出可能的內(nèi)部構(gòu)件的兩種實(shí)施方案。內(nèi)部構(gòu)件29b)在混合區(qū)30區(qū)域內(nèi)便已經(jīng)減小自由流通橫截面，使得形成微型構(gòu)造，從而形成比用內(nèi)部構(gòu)件29a)給出的更大可能的機(jī)械火焰阻擋。
圖6示出所用的尺寸的位置和本資料中所用的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)?？梢钥吹娇p隙的自由流通橫截面由縫隙寬度16乘筋的高度17減涂覆的催化劑材料12的橫截面得到，其中催化劑橫截面通常是涂層厚度和縫隙寬度16之積。例如在圖6c)中所表示的方案是例外，在這個(gè)方案中筋的側(cè)面同樣涂覆催化劑材料，或在凹槽或溝槽內(nèi)安裝催化劑材料(見(jiàn)圖6c)。對(duì)于強(qiáng)度方面的考慮決定性的尺寸是有效板高22，它位于最小板厚區(qū)域內(nèi)，在例c)中位于凹槽區(qū)域內(nèi)。在圖6的示例a)和b)中它是板高21。
圖7以局部視圖示出反應(yīng)縫隙出口區(qū)的三種結(jié)構(gòu)方案以及間隔元件的實(shí)施形式。在圖7中的實(shí)施例a)中示出筋寬18的加大部，它形成阻擋區(qū)32。在這個(gè)圖的實(shí)施例b)中縫隙通過(guò)一種柱形通道通過(guò)這樣的方法構(gòu)成，即以狹窄通道的方式設(shè)置旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的間隔元件，在狹窄通道內(nèi)涂覆催化劑材料，表示成帶點(diǎn)的面。在這種方案中堵?lián)跣Чㄟ^(guò)橢圓形的間隔元件或擋板29達(dá)到，擋板設(shè)置在縫隙的主流道內(nèi)。如由局部視圖c)可見(jiàn)，間隔元件在腔室內(nèi)按任意的分布設(shè)置，其中阻擋區(qū)32由間隔元件較窄的布局形成。在這個(gè)例子中催化劑材料涂覆在板的整個(gè)表面上，并一直延伸到堵?lián)跖_(tái)階后面的區(qū)域內(nèi)。
圖8示出在反應(yīng)腔內(nèi)部筋布置的兩種實(shí)施方案。在兩個(gè)例子中板的筋相互定向，其中在a)中筋相互成直角布置。在實(shí)施方案b)中各筋之間存在一任意的角度α。在兩種情況下在分配單元6和匯集單元7之間的路程上達(dá)到強(qiáng)烈的橫向混合。
圖形標(biāo)記表1板，基體板 22有效板高2流體1的輸入管23溝槽/凹槽寬度3傳熱介質(zhì)的進(jìn)口 24流體2/流體3入口4產(chǎn)品流的輸出管 25孔5傳熱介質(zhì)的出口 26密封件6分配單元 27間隔元件圓柱7匯集單元 28導(dǎo)向筋8反應(yīng)腔 29擋板，內(nèi)部構(gòu)件9導(dǎo)向筋 30混合區(qū)10 傳熱腔/傳熱介質(zhì) 31均勻化區(qū)11 間隔元件 32阻擋區(qū)12 催化劑材料13 自由流通橫截面14 主流動(dòng)方向15 縫隙高度16 縫隙寬度17 筋高18 筋寬19 筋距20 催化劑高度21 板高
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)進(jìn)行多相催化反應(yīng)的微型反應(yīng)器，它具有大量垂直或水平和基本上平行設(shè)置的腔室，這些腔室具有至少各一輸入管和一輸出管，其中輸入管與至少一個(gè)分配單元而輸出管與至少一個(gè)匯集單元相連；腔室由堆疊的板或?qū)訕?gòu)成，一部分腔室是反應(yīng)腔而另一部分腔室是傳熱腔，其中反應(yīng)腔和傳熱腔之間的熱量傳遞通過(guò)至少一個(gè)共同的腔壁進(jìn)行，此腔壁由一共同的板構(gòu)成，其中在所有腔室內(nèi)設(shè)有間隔元件，其特征為在反應(yīng)腔內(nèi)壁上至少局部涂覆催化劑材料，其中在反應(yīng)腔中的確定為自由流通橫截面4倍的面積與周長(zhǎng)之商的液壓直徑小于4000μm，優(yōu)選地小于1500μm，最好小于500μm，兩個(gè)相鄰間隔元件的最小垂直距離與反應(yīng)腔在涂覆催化劑之后的縫隙高度之比小于800，優(yōu)選地小于450，最好小于100，并大于或等于10。
2.按權(quán)利要求1的裝置，其特征為間隔元件設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的、液滴形的、菱形的或有利地設(shè)計(jì)成筋、最好是連貫的筋。
3.按權(quán)利要求1或2的裝置，其特征為間隔元件的支承面或底面面積相對(duì)于在封閉和包圍反應(yīng)腔或傳熱腔的密封件以及密封熔焊縫或密封釬焊縫內(nèi)部的板面積的份額至少為2.5％，尤其在5-15％范圍內(nèi)，但不超過(guò)30％。
4.按權(quán)利要求1至3之任一項(xiàng)的裝置，其特征為設(shè)計(jì)成筋或連貫的筋的間隔元件具有大于或等于1000μm的筋寬，并且不寬于6000μm。
5.按權(quán)利要求1至4之任一項(xiàng)的裝置，其特征為縫隙內(nèi)的催化材料主要涂在板上。
6.按權(quán)利要求1至5之任一項(xiàng)的裝置，其特征為分配單元和/或匯集單元的至少部分面積涂覆有催化材料或由起催化作用的材料制成。
7.按權(quán)利要求1至6之任一項(xiàng)的裝置，其特征為腔壁或間隔元件的至少部分面積的材料起催化作用。
8.按權(quán)利要求1至7之任一項(xiàng)的裝置，其特征為反應(yīng)腔和傳熱腔的輸入和輸出管這樣設(shè)置，使得通流相對(duì)于下一個(gè)腔室順流、逆流或曲折形進(jìn)行。
9.按權(quán)利要求1至8之任一項(xiàng)的裝置，其特征為板在反應(yīng)腔內(nèi)具有凹坑，在凹坑內(nèi)至少局部放置催化劑材料，其中凹坑可以具有任意形狀，有利地是設(shè)計(jì)成溝槽形，最好始終準(zhǔn)確地分布在一條縫隙內(nèi)。
10.按權(quán)利要求1至9之任一項(xiàng)的裝置，其特征為每?jī)蓧K板的筋相互定向，這些筋相互形成0°至90°的角度，并且這些筋最好平行并直接相互重疊設(shè)置。
11.按權(quán)利要求1至10之任一項(xiàng)的裝置，其特征為沿主流動(dòng)方向在入口處和在反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置至少一個(gè)裝置，它縮小垂直于主流動(dòng)方向的流通橫截面，其中該裝置具有任意形狀。
12.按權(quán)利要求1至11之任一項(xiàng)的裝置，其特征為在入口處和反應(yīng)腔內(nèi)部設(shè)有至少一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)至少兩種流體混合，其中至少一種流體基本上垂直于主流動(dòng)方向噴入，并在噴入口后設(shè)置一均勻化路段。
13.按權(quán)利要求12的裝置，其特征為一種流體的噴入通過(guò)腔壁上的孔進(jìn)行，這些孔相對(duì)于主流動(dòng)方向的垂線傾斜-60°至+60°的角度，最好傾斜-30°至+30°的角度，并通過(guò)至少一個(gè)基本上垂直于主流動(dòng)方向的流體通道連通。
14.按權(quán)利要求1至13之任一項(xiàng)的裝置，其特征為沿流動(dòng)方向在反應(yīng)腔的末端處設(shè)置至少一個(gè)裝置，它縮小垂直于主流動(dòng)方向的流通橫截面，其中此裝置具有任意形狀，有利地是做成大量間隔元件、筋寬的加寬部或做成擋板，最好做成縫隙高度的縮小部。
15.按權(quán)利要求14的裝置，其特征為通過(guò)在板出口處的橫截面減小造成的壓力損失至少比由催化劑層和/或縫隙的制造誤差產(chǎn)生的壓差波動(dòng)大5倍。
16.用于應(yīng)用按權(quán)利要求1至15之任一項(xiàng)所述裝置的方法，其特征為此方法中反應(yīng)腔和傳熱腔之間的壓差在0bar至15bar、最好在0bar至5bar之間的范圍內(nèi)。
17.用于應(yīng)用按權(quán)利要求1至16之任一項(xiàng)所述裝置的方法，其特征為在傳熱腔內(nèi)導(dǎo)通液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)。
18.用于應(yīng)用按權(quán)利要求1至17之任一項(xiàng)所述裝置的方法，其特征為在導(dǎo)通期間傳熱腔內(nèi)的介質(zhì)完全或部分改變聚集態(tài)。
19.用于應(yīng)用按權(quán)利要求1至18之任一項(xiàng)所述裝置的方法，其特征為此方法在500℃以下的溫度、也在0℃以下的溫度中使用。
20.按權(quán)利要求16至19之任一項(xiàng)的方法，其特征為此方法用來(lái)合成碳?xì)浠衔锖吞貏e是碳?xì)浠衔锏难趸铩?br> 21.按權(quán)利要求16至19之任一項(xiàng)的方法，其特征為此方法用來(lái)主要由過(guò)氧化氫和丙烯合成氧化丙烯。
22.按權(quán)利要求16至19之任一項(xiàng)的方法，其特征為此方法用來(lái)合成酚。
23.按權(quán)利要求16至19之任一項(xiàng)的方法，其特征為此方法用來(lái)主要由氫和氧合成過(guò)氧化氫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用來(lái)進(jìn)行多相催化反應(yīng)的用于大規(guī)模使用的板式或疊式結(jié)構(gòu)的微型反應(yīng)器，其中設(shè)有用于化學(xué)反應(yīng)和熱量輸送的板間腔室。在反應(yīng)腔內(nèi)在內(nèi)壁上涂覆催化劑材料，或者充填到凹坑內(nèi)，并且在所有腔室內(nèi)設(shè)有間隔元件(11)。特別是微型反應(yīng)器的縫隙形反應(yīng)腔具有多個(gè)帶有小于1500μm的液壓直徑和自由縫隙寬度與自由縫隙高度之比在10至450范圍內(nèi)的通道。
文檔編號(hào)B01F5/00GK1791461SQ200480013500
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月16日
發(fā)明者G·馬克茲, J·阿爾布萊西特, J·艾爾里希, M·尤西斯, E·克萊姆, A·朗格德奧利韋拉, R·馬赫尼克, J·拉普, R·許特, S·施爾邁斯特, O·馮莫斯泰因, H·海德勒, M·施密茨-尼德羅 申請(qǐng)人:猶德有限公司, 底古薩股份公司