CN102227257A - 具有高高宽比通道的蜂窝反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种在蜂窝结构内形成封闭通道的方法，所述方法包括以下步骤：提供蜂窝结构，所述蜂窝结构包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向从所述结构的第一端延伸到第二端，从所述结构的第一端和第二端中的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁至足够深度，以将选择的壁的初始高度减小至少50％。本发明还揭示了一种在蜂窝结构内形成封闭的通道的方法，其包括：从蜂窝结构的第一端和第二端中的一端或两端除去该蜂窝结构的选择的壁至足够的深度，以完全除去选择的壁。本发明还揭示了其它的方法和器件。

Description

具有高高宽比通道的蜂窝反应器
优先权
本申请要求2008年11月30日提交的题为“具有高高宽比通道的蜂窝反应器(Honeycomb Reactors With High Aspect Ratio Channels)”的美国专利临时申请第61/118,654号的优先权。
背景技术
本发明一般涉及基于蜂窝体的反应器，更具体涉及具有高高宽比通道的基于蜂窝体的反应器。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种在蜂窝结构内形成封闭通道的方法，所述方法包括以下步骤：(1)提供蜂窝结构，所述蜂窝结构包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向从所述结构的第一端延伸到第二端，(2)从所述结构的第一端和第二端中的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁至足够深度，以将选择的壁的初始高度减小至少50％。优选所述高度减小75％，甚至90％。
根据本发明的另一个方面，另一种在蜂窝结构内形成封闭的通道的方法包括：从蜂窝结构的第一端和第二端中的一端或两端除去该蜂窝结构的选择的壁至足够的深度，以完全除去选择的壁。
根据本发明的又一个方面，另一种在蜂窝结构内形成封闭的通道的方法包括：从蜂窝结构的第一端和第二端中的一端或两端除去该蜂窝结构的选择的壁，以形成至少一个通道，封闭所述至少一个通道，其中，将所述选择的壁除去至足够的深度，使得形成的通道在封闭的情况下，沿着所述通道路径等于或大于50％的长度，在共同方向的高度与宽度的高宽比等于或大于1∶1，优选等于或大于2∶1，更优选等于或大于4∶1。
根据本发明的又一个方面，提供了一种包括蜂窝体的反应器或反应器部件，所述蜂窝体包括其中沿着共同的方向延伸的孔道，所述蜂窝体还包括在其中限定的封闭的通道，该通道延伸横跨所述蜂窝体的多个孔道，所述通道具有至少一个180度的封闭的转弯。
根据本发明的再一个方面，提供了一种反应器或反应器部件，其包括蜂窝体，所述蜂窝体包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向延伸，所述蜂窝体还包括在其中限定的封闭的通道，所述通道延伸横跨蜂窝体的多个孔道，所述通道包括反应器中剩余的孔道壁的残留壁，所述残留壁包括初始壁的等于或小于50％，优选25％，更优选10％的长度。
附图简要说明
图1A-1C是蜂窝体20的一端的平面图，显示了根据本发明的一个方面，形成反应器或反应部件的方法的步骤。
图2是根据本发明一个方面形成的反应器或反应器部件12的透视图。
图3是可以根据本发明另一个方面使用的具有垫片30的蜂窝体的一端的平面图。
图4A-4D是根据本发明又一个方面加工的蜂窝体20的截面图。
图5-7是根据本发明其它的方面形成的各种其它的反应器或反应器部件。
详述
本发明一般涉及用来制造具有整体式流体通道的基于蜂窝体的反应器的技术，具体涉及具有高高宽比通道的反应器，涉及用来制造具有高高宽比通道的反应器的方法。
在本发明人以及同事以前的工作中，已经揭示了具有长的高表面-体积比通道的基于蜂窝体的反应器。例如，在名为“用于流体加工的挤出体器件和方法(Extruded Body Devices and Methods for Fluid Processing)”的PCT公开第WO2008/121390号中，本发明人和同事揭示了具有蜿蜒的流体通道的反应器，所述通道以蜿蜒的方式沿着连续的几个或几组蜂窝体孔道，从蜂窝体一端到另一端来回而行。尽管这些器件提供了非常好的热控制—通过短的开放孔道中流动的热交换流体—并且工艺流体在蜿蜒通道中具有长的停留时间，但是蜿蜒通道中较小的通道尺寸会导致随着流速增大产生显著的压降。在反应物流需要低的压降或非常短的停留时间的情况下，可以对工艺流体和热交换流体进行转换—工艺流体可以在短直的开放孔道中流动，而热交换流体可以在相邻的蜿蜒通道流过。但是这会导致沿着热交换通道发生很大的压降，特别是当需要采用高的热交换流体流速来控制极端的放热或吸热反应的时候。
根据本发明的一个方面，通过使用高高宽比的通道显著降低了内部流体路径的压降，所述内部流体路径表示通过基于蜂窝体的反应器或反应器部件的闭合孔道的路径。对于特定的流，所述高高宽比的通道几何结构造成压降减小，而热交换性能只有中等的减小。根据本发明的另一个方面，提供了一种在蜂窝结构内形成封闭的通道的方法，该方法包括以下步骤(1)提供蜂窝结构，该蜂窝结构包括被壁分隔的孔道，以及(2)从所述结构的第一端和第二端中的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁至足够的深度，以将选择的壁的初始高度减小至少50％，优选至少75％，甚至90％。
可以根据本发明的方法，使用任意各种具有足够长而窄的可及范围(reach)的机械加工方法，在蜂窝体中形成在端面封闭的孔道内的高高宽比流体通道，所述机械加工方法包括但不限于钢丝锯，切入磨削钻，各种激光切割法等。如图1所示，根据本发明的一个实施方式，得到生坯状态的挤出蜂窝体20(图1A)，然后完全除去选择的壁以形成通道28(图1B)，然后用填塞材料26在顶部和底部将开放端堵塞，在挤出体20内留下高高宽比的封闭的通道或通路(图1C)以及图2(显示直通道)。对于在生坯状态下机械加工的陶瓷、玻璃和玻璃-陶瓷蜂窝体20，可以在生坯状态或烧制之后进行堵塞。关于人们已经发现的合适的材料的资料，可参见上面提及的PCT公开。
作为根据本发明的另一种方法，可在图1B有效地直接通过挤出而开始，可以通过定制的模头进行挤出而直接形成在所述蜂窝体孔道方向横向的一条或多条通道。
从图1C和图2可以看到，蜂窝体20的另外孔道25可以围绕进入通道的开口堵塞，用来保持流体密封等。图2显示在蜂窝体20中形成的反应器12的透视图。所述通道28具有高高宽比，也即高度方向(图中的垂直方向)相对于宽度方向(图中的进入图面的方向)很大，优选至少为2∶1，更优选至少等于或大于4∶1。
图1A-1C的制造方法的一个潜在的难题，特别是使用具有长的直部分的蜿蜒形式的时候，该难题在于，在高温烧结过程中，通道壁可能会***并变形。对于玻璃基材料来说，此种通道壁下垂变形是一个值得注意的问题，也会一定程度影响氧化铝基材料。通道壁变形会导致沿着流体路径的通道宽度发生变化，引起流体压降变化。壁的变形还会导致沿着高高宽比通道的高度方向的通道宽度发生变化。通道内的此种流体流垂直位置的变化会导致不希望有的停留时间分散。
根据本发明的另一个方面，解决该潜在难题的一种方案是如图3所示，可将小垫片30***高高宽比反应物通道结构中选择的位置，然后进行烧结。在烧结过程中，所述垫片为通道壁结构提供局部的支承，防止侧壁发生下垂变形。垫片可以用与蜂窝体20自身相同的材料制造。可以用模塑或机械加工工艺将其制造成具有精确厚度的预定的尺寸，以确保在烧结过程中保持预定的反应物通道宽度。所述垫片30优选显著小于通道的高度(图3中进入该图的方向)，因此即使在存在垫片30的情况下，也留下高高宽比的开放通道。
根据本发明的又一个方面，图4A-4D的截面图显示了另一种保持通道几何结构的方法。图4A显示了进行任何处理之前，蜂窝孔道壁的截面图。图4B显示了如何通过用切割工具32从蜂窝体的一端几乎完全切掉整个壁，每隔一个壁进行机械加工，从而选择性地对壁进行机械加工。如图4C所示，然后从蜂窝体的相反端，沿着特定的通道在间隔的壁上进行相同的机械加工操作。这样制造的高高宽比通道在烧结过程中，被那些机械加工之后仍然保留的端面附近的壁部分40良好地支承。图4D显示完成的高高宽比通道，其中形成的通道28用填塞材料26堵塞。假定蜂窝体20中具有正方形的孔道几何结构，用***箭头表示，该例子中所得的高宽比约为7∶1。
根据图4A-4D所示的方法，蜂窝结构内的封闭通道是通过以下方式形成的：从结构的第一端和第二端中的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁，从而形成通道，然后封闭所述通道，其中，将形成通道的壁除去至足够的深度，使得沿着通道路径的等于或大于50％的长度上，形成的通道在封闭的情况下的高宽比等于或大于1∶1。高宽比优选等于或大于2∶1，更优选等于或大于4∶1。
图5-7显示了根据本发明的方法制造的另外的实施方式。在图5中，在端面附近，但是并不在端面处留下剩余的壁，为对于最大机械加工深度获得较大的反应器深度创造条件。在图6的实施方式中，除了仅在蜂窝体20一端以外，完全除去了壁。在此情况下，在相反侧使用任选的垫片30。在图7的实施方式中，仅剩下很小的剩余的壁，优选仅为初始壁高度的约10％。这些留在中间的小壁为对于切入机械加工深度获得最高的反应器创造条件。
在图5和图7的实施方式中，反应器的孔道壁的残余壁保留在流体通道或通路本身之内。在这些实施方式中，所述残留壁优选包括初始壁的等于或小于50％，更优选等于或小于25％，最优选等于或小于10％的长度。
通过本发明的各种方法能够在蜂窝体内制造复杂的封闭的通道。在现有技术的方法中，在垂直于孔道的方向对蜂窝体进行任意深度的机械加工，与之不同的是，在本发明中，使用窄的刈切工具，在与孔道相同的方向进行机械加工，由此可以形成如图1C和图3所示的复杂的蜿蜒形状。通过这些方法可制造的反应器可以包括位于内部封闭通道内的180度的转弯。因此，本发明的另一个方面提供了一种包括蜂窝体的反应器或反应器部件，所述蜂窝体中包括沿着共同的方向延伸的孔道，所述蜂窝体还包括在其中限定的封闭的通道，该通道延伸横跨所述蜂窝体的多个孔道，所述通道中具有至少一个180度的封闭的转弯。

Claims (19)

1.一种在蜂窝结构中形成封闭的通道的方法，所述方法包括：
提供蜂窝结构，所述蜂窝结构包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向从结构的第一端延伸到结构的第二端；
从所述蜂窝结构的第一端和第二端的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁至足够的深度，以将选择的壁的初始高度减小至少50％。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述除去选择的壁的步骤包括将选择的壁的初始高度减小至少75％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述除去选择的壁的步骤包括将选择的壁的初始高度减小至少90％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从蜂窝结构的单侧除去全部的选择的壁。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述蜂窝结构的两侧至少部分地除去至少一些选择的壁。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过除去选择的壁，并且还包括对所得的通道进行封闭，以制得高宽比至少为1∶1的封闭的通道的步骤而形成通道。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高宽比至少为2∶1。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高宽比至少为4∶1。
9.一种在蜂窝结构中形成封闭的通道的方法，所述方法包括：
提供蜂窝结构，所述蜂窝结构包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向从结构的第一端延伸到结构的第二端；
从所述蜂窝结构的第一端和第二端的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁至足够的深度，以将选择的壁完全除去。
10.一种在蜂窝结构中形成封闭的通道的方法，所述方法包括：
提供蜂窝结构，所述蜂窝结构包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向从结构的第一端延伸到结构的第二端；
从所述蜂窝结构的第一端和第二端中的一端或两端除去蜂窝结构的选择的壁，以形成至少一个通道；以及
封闭所述至少一个通道，
其中，所述除去选择的壁的步骤包括除去选择的壁至足够深度，使得形成的通道在封闭的情况下，沿着通道路径等于或大于50％的长度，在共同方向的高度与宽度的高宽比等于或大于1∶1。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高宽比至少为2∶1。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高宽比至少为4∶1。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述除去选择的壁的步骤包括除去选择的壁的至少50％的长度。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述除去选择的壁的步骤包括除去选择的壁的至少75％的长度。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述除去选择的壁的步骤包括除去选择的壁的至少90％的长度。
16.一种包括蜂窝体的反应器或反应器部件，所述蜂窝体包括其中沿着共同的方向延伸的孔道，所述蜂窝体还包括在其中限定的封闭的通道，该通道延伸横跨所述蜂窝体的多个孔道，所述通道中具有至少一个180度的封闭的转弯。
17.一种反应器或反应器部件，其包括蜂窝体，所述蜂窝体包括被壁分隔的孔道，所述孔道沿着共同的方向延伸，所述蜂窝体还包括在其中限定的封闭的通道，所述通道延伸横跨蜂窝体的多个孔道，所述通道包括反应器中剩余的孔道壁的残留壁，所述残留壁包括初始壁的等于或小于50％的长度。
18.如权利要求17所述的反应器或反应器部件，其特征在于，所述残余壁包括初始壁的等于或小于75％。
19.如权利要求17所述的反应器或反应器部件，其特征在于，所述残余壁包括初始壁的等于或小于90％的长度。
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