RU2588519C2 - Layered, leak-tight chemical reactors, methods of production and methods of use - Google Patents
Layered, leak-tight chemical reactors, methods of production and methods of use Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588519C2 RU2588519C2 RU2013122927/05A RU2013122927A RU2588519C2 RU 2588519 C2 RU2588519 C2 RU 2588519C2 RU 2013122927/05 A RU2013122927/05 A RU 2013122927/05A RU 2013122927 A RU2013122927 A RU 2013122927A RU 2588519 C2 RU2588519 C2 RU 2588519C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sheet
- reactor
- sheets
- welding
- welded
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 181
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 138
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 126
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 105
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 95
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 60
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 42
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 25
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 25
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 claims description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 86
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 51
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 32
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 28
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 26
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 26
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 24
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 24
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 23
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 23
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 15
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 15
- 239000000047 product Substances 0.000 description 15
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 14
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 14
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 description 12
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 12
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 11
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 10
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 9
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 7
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 5
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 5
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010964 304L stainless steel Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 3
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 3
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N alstonine Natural products C1=CC2=C3C=CC=CC3=NC2=C2N1C[C@H]1[C@H](C)OC=C(C(=O)OC)[C@H]1C2 WYTGDNHDOZPMIW-RCBQFDQVSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000004128 high performance liquid chromatography Methods 0.000 description 2
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000013335 mesoporous material Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000002808 molecular sieve Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- -1 putty Substances 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N sodium aluminosilicate Chemical compound [Na+].[Al+3].[O-][Si]([O-])=O.[O-][Si]([O-])=O URGAHOPLAPQHLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- 238000013097 stability assessment Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006037 Brook Silaketone rearrangement reaction Methods 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000032750 Device leakage Diseases 0.000 description 1
- IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N Ethylene oxide Chemical compound C1CO1 IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002543 FeCrAlY Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000264877 Hippospongia communis Species 0.000 description 1
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GOOHAUXETOMSMM-UHFFFAOYSA-N Propylene oxide Chemical compound CC1CO1 GOOHAUXETOMSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010070834 Sensitisation Diseases 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 238000004517 catalytic hydrocracking Methods 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 235000019506 cigar Nutrition 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000000994 depressogenic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000005713 exacerbation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000011900 installation process Methods 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical group 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000000803 paradoxical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011112 process operation Methods 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 238000013138 pruning Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 238000001303 quality assessment method Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000008313 sensitization Effects 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000011949 solid catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Родственные заявкиRelated Applications
Эта заявка испрашивает приоритет по заявкам на патенты США с временными серийными номерами 61/394,328, поданной 18 октября 2010 г., и 61/441,276, поданной 9 февраля 2011 г.This application claims priority over US patent applications with provisional serial numbers 61 / 394,328, filed October 18, 2010, and 61 / 441,276, filed February 9, 2011.
ВведениеIntroduction
Традиционное представление микроканальной технологии заключается в том, что оптимальная теплопередача в микроканальном теплообменнике может быть достигнута только за счет диффузионной сварки и/или пайки. Эти способы основаны на формировании сплошных поверхностей контакта металлов между слоями. Сплошная поверхность контакта устраняет сопротивление термического контакта между слоями и считается необходимой для переноса высоких уровней тепла от экзотермической реакции к камерам для отвода тепла или для добавления тепла при эндотермической реакции.The traditional idea of microchannel technology is that optimal heat transfer in a microchannel heat exchanger can only be achieved by diffusion welding and / or soldering. These methods are based on the formation of continuous metal contact surfaces between the layers. The solid contact surface eliminates the thermal contact resistance between the layers and is considered necessary for transferring high levels of heat from the exothermic reaction to the chambers to remove heat or to add heat during the endothermic reaction.
Пайка требует добавления промежуточного слоя материала, который плавится при температуре ниже температуры плавления материалов конструкции. При диффузионной пайке или в процессе пайки промежуточный слой становится жидким. Жидкий промежуточный слой течет, заполняя зазоры или полости и соединяя, таким образом, материалы. При течении промежуточного слоя также происходит его диффузия, в результате чего материалы промежуточного слоя могут диффундировать в основной материал, а материал из основного слоя может диффундировать в промежуточный слой. По мере развития диффузии изменяется местный состав материала промежуточного слоя. Далее после начала снижения температуры по достижении максимальной температуры жидкий промежуточный слой затвердевает и заполняет свободный объем между двумя основными слоями. Отверждение может определяться температурой или составом. В последнем случае осуществляется добавление депрессанта температуры плавления, такого как фосфор или бор, чтобы обеспечить плавление промежуточного слоя при более низкой температуре по отношению к основному материалу. В аналогичном примере устройство, изготовленное диффузионной сваркой, также образует плотный термический контакт между теплопередающими слоями.Soldering requires the addition of an intermediate layer of material that melts at a temperature below the melting temperature of the materials of the structure. During diffusion soldering or during brazing, the intermediate layer becomes liquid. The liquid intermediate layer flows, filling gaps or cavities and thus connecting materials. During the flow of the intermediate layer, its diffusion also occurs, as a result of which the materials of the intermediate layer can diffuse into the main material, and the material from the main layer can diffuse into the intermediate layer. As diffusion develops, the local composition of the material of the intermediate layer changes. Then, after the start of temperature reduction, when the maximum temperature is reached, the liquid intermediate layer hardens and fills the free space between the two main layers. Curing can be determined by temperature or composition. In the latter case, a melting point depressant, such as phosphorus or boron, is added to allow the intermediate layer to melt at a lower temperature with respect to the base material. In a similar example, a device made by diffusion welding also forms a tight thermal contact between the heat transfer layers.
Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention
В одном аспекте изобретение предлагает способ производства слоистого устройства, включающий: предоставление нижнего листа, верхнего листа, и отличающийся тем, что зазор между поверхностью верхнего листа и поверхностью нижнего листа [обратите внимание, что верхний и нижний листы могут входить в состав подузлов]; предоставление теплопроводной оребренной вставки, высота которой по крайней мере на 1% больше (предпочтительно по крайней мере на 2% больше, а в некоторых вариантах осуществления - на 1-10% больше) высоты зазора, расположение оребренной вставки в зазоре; и сжатие листов таким образом, чтобы оребренная вставка деформировалась в соответствии с внутренней формой зазора.In one aspect, the invention provides a method for manufacturing a layered device, comprising: providing a bottom sheet, a top sheet, and characterized in that the gap between the surface of the top sheet and the surface of the bottom sheet [note that the top and bottom sheets can be part of subnodes]; providing a heat-conducting finned insert, the height of which is at least 1% greater (preferably at least 2% greater, and in some embodiments, 1-10% greater) of the height of the gap, the location of the finned insert in the gap; and compressing the sheets so that the ribbed insert is deformed in accordance with the internal shape of the gap.
Вставка может иметь или не иметь каталитическое покрытие. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения итоговое устройство имеет неправильную конфигурацию, в которой вставка деформирована неправильным образом, например, не все смятые стенки изогнуты в одном направлении или в чередующихся направлениях. В некоторых вариантах осуществления оребренные пластины преимущественно (больше 50%, предпочтительно больше 80%) изогнуты в одном направлении. Сжатые оребренные пластины не имеют правильной формы, такой как представлена на гофрированном листе.The insert may or may not have a catalytic coating. In some preferred embodiments of the invention, the resulting device has an irregular configuration in which the insert is deformed incorrectly, for example, not all crumpled walls are bent in one direction or in alternating directions. In some embodiments, the finned fins are advantageously (greater than 50%, preferably greater than 80%) curved in one direction. Compressed ribbed plates do not have the correct shape, such as that shown on the corrugated sheet.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления поверхность нижнего и/или верхнего листа имеет линии сплавления, выступающие из поверхности; в некоторых предпочтительных вариантах осуществления лист включает одну или более внутренних линий сплавления с непрерывной длиной по крайней мере 50% (предпочтительно по крайней мере 80%) от длины или ширины листа; и по крайней мере одна сторона оребренной вставки располагается по крайней мере частично (предпочтительно полностью) на одной или более линиях сплавления. Предпочтительно направление потока через вставку является перпендикулярным к линиям сплавления. Как ни удивительно, нами было установлено, что хорошая теплопередача была достигнута в случае присутствия этих линий сплавления, даже когда линии сплавления были расположены между реакционной камерой (т.е. камерой с прессовой посадкой и катализатором) и теплообменником. В некоторых вариантах осуществления оребренная вставка приваривается прихваточным швом к верхней или нижней поверхности, в более предпочтительном варианте осуществления оребренная вставка удерживается на месте прессовой посадкой и не соединена с какой-либо из поверхностей сваркой. Предпочтительно оребренная пластина располагается внутри микроканала, и/или смежный теплообменник включает микроканалы.In some preferred embodiments, the surface of the bottom and / or top sheet has fusion lines protruding from the surface; in some preferred embodiments, the sheet includes one or more internal fusion lines with a continuous length of at least 50% (preferably at least 80%) of the length or width of the sheet; and at least one side of the finned insert is at least partially (preferably completely) on one or more fusion lines. Preferably, the flow direction through the insert is perpendicular to the fusion lines. Surprisingly, we found that good heat transfer was achieved when these fusion lines were present, even when the fusion lines were located between the reaction chamber (i.e., the press fit chamber and the catalyst) and the heat exchanger. In some embodiments, the finned insert is tack-welded to the upper or lower surface, in a more preferred embodiment, the finned insert is held in place by press fit and is not connected to any of the surfaces by welding. Preferably, the finned plate is located inside the microchannel, and / or the adjacent heat exchanger includes microchannels.
Помимо всех способов, описанных в настоящем документе, изобретение также включает устройство, изготовленное в соответствии с этими способами. Изобретение также включает эксплуатацию устройства, изготовленного в соответствии со способом, для выполнения одной или более технологических операций. Предпочтительно устройства, указанные в настоящем документе, представляют собой химические реакторы, которые предназначены для выполнения одной или более технологических операций.In addition to all the methods described herein, the invention also includes a device manufactured in accordance with these methods. The invention also includes the operation of a device manufactured in accordance with the method for performing one or more technological operations. Preferably, the devices described herein are chemical reactors that are designed to perform one or more process operations.
В другом аспекте изобретение предлагает слоистое устройство, включающее: устройство, включающее впуск текучей среды, соединенный с рабочей камерой, и выпуск рабочей среды, соединенный с рабочей камерой; отличающееся тем, что рабочая камера включает зазор и теплопроводную оребренную вставку, которая расположена внутри зазора и касается верхней и нижней части зазора; далее отличающееся тем, что оребренная вставка обладает неправильной формой, которая вызвана по крайней мере 1% сжатием оребренной вставки внутри зазора; и теплообменник в термическом контакте с рабочей камерой. В этом устройстве неправильная форма обусловлена сжатием листов по обеим сторонам зазора таким образом, что высота оребренной вставки является деформированной по крайней мере на 1% высоты оребренной пластины (где высота определяется в том же направлении, что и высота стопки), предпочтительно по крайней мере на 2%, в некоторых вариантах осуществления по крайней мере на 5% и в некоторых вариантах осуществления в диапазоне от 1 до 10%.In another aspect, the invention provides a layered device, comprising: a device including a fluid inlet connected to a working chamber and an outlet of a working medium connected to a working chamber; characterized in that the working chamber includes a gap and a heat-conducting finned insert, which is located inside the gap and touches the upper and lower parts of the gap; further characterized in that the finned insert is irregular in shape, which is caused by at least 1% compression of the finned insert within the gap; and a heat exchanger in thermal contact with the working chamber. In this device, the irregular shape is caused by compression of the sheets on both sides of the gap so that the height of the finned insert is deformed by at least 1% of the height of the finned plate (where the height is determined in the same direction as the height of the stack), preferably at least 2%, in some embodiments, at least 5%, and in some embodiments, in the range of 1 to 10%.
Это устройство может содержать любой из указанных в настоящем документе признаков. Например, в некоторых предпочтительных вариантах осуществления вставка не имеет каталитического покрытия; в некоторых предпочтительных вариантах осуществления частицы катализатора присутствуют в зазоре. Проводящая оребренная вставка представляет собой оребренную пластину, которая передает тепло от процесса, происходящего внутри секции оребренной пластины, к смежным теплообменным слоям. Оребренная вставка предпочтительно выполнена из материала, обладающего более высокой теплопроводностью, чем материал конструкции теплопередающего слоя. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления проводящая оребренная вставка обладает теплопроводностью, которая превышает более чем в 10 раз и более предпочтительно более чем в 100 раз эффективную теплопроводность катализатора, расположенного внутри проводящей оребренной конструкции. Для большинства материалов теплопроводность известна, а если нет, она может быть измерена с применением стандартного метода Американского общества специалистов по испытаниям и материалам.This device may contain any of the features described herein. For example, in some preferred embodiments, the insert is not coated catalytically; in some preferred embodiments, the implementation of the catalyst particles are present in the gap. The conductive finned insert is a finned plate that transfers heat from the process taking place inside the finned section to adjacent heat transfer layers. The finned insert is preferably made of a material having a higher thermal conductivity than the material of the heat transfer layer construction. In some preferred embodiments, the conductive fin insert has a thermal conductivity that is more than 10 times greater and more preferably more than 100 times the effective thermal conductivity of the catalyst located inside the conductive finned structure. For most materials, thermal conductivity is known, and if not, it can be measured using the standard method of the American Society of Testing and Materials.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает способ проведения химической реакции, включающий: помещение по крайней мере одного реагента в рабочую камеру устройства в соответствии с пунктом формулы 2; проведение процесса в рабочей камере и одновременно теплообмен между рабочей камерой и теплообменником.In a further aspect, the invention provides a method for conducting a chemical reaction, comprising: placing at least one reagent in a working chamber of a device in accordance with
В другом аспекте изобретение предлагает способ производства слоистого устройства, включающий: предоставление первого подузла или первого листа и второго подузла или второго листа; отличающийся тем, что первый подузел или первый лист включает первую параллельную систему каналов, и отличающийся тем, что второй подузел или второй лист включает вторую параллельную систему каналов, и отличающийся тем, что отсутствует пересечение между каналами в первом подузле или первом листе и втором подузле или втором листе; сварку кромки первого подузла с кромкой второго подузла с образованием комбинированного слоя подузла или сварка кромок первого и второго листов с образованием общего сварного листа; и укладку комбинированного слоя или общего сварного листа с одним или более слоями или листами, и соединение уложенных в стопку листов с образованием слоистого устройства.In another aspect, the invention provides a method for manufacturing a layered device, the method comprising: providing a first subnode or first sheet and a second subnode or second sheet; characterized in that the first subnode or first sheet includes a first parallel channel system, and characterized in that the second subnode or second sheet includes a second parallel channel system, and characterized in that there is no intersection between the channels in the first subnode or first sheet and the second subnode or second sheet; welding the edges of the first subassembly with the edge of the second subassembly to form a combined layer of the subassembly or welding the edges of the first and second sheets to form a common welded sheet; and laying a combined layer or common welded sheet with one or more layers or sheets, and joining stacked sheets to form a layered device.
Несмотря на отсутствие межканального смешивания для каналов в первом и втором листах, первая и вторая системы параллельных каналов могут иметь общий задний и/или передний приемники. В одном примере этого способа лист (или подузел, включающий ряд листов) разрезается на четыре части, и эти четыре части снова свариваются вместе по кромкам - это довольно парадоксальный процесс, поскольку разрезанный лист сваривается по кромкам предыдущего разреза. Тем не менее, было установлено, что этот процесс значительно снижает коробление и соответственно обеспечивает более высокое качество слоистого изделия. В некоторых расширенных аспектах этого способа первый и второй листы (или подузлы) не являются частями разрезанной общей заготовки, а могут быть изготовлены отдельно. Предпочтительно уложенные в стопку слои имеют одинаковую ширину и длину (в некоторых вариантах осуществления в пределах 5% по длине и ширине; в некоторых вариантах осуществления в пределах 1% по длине и ширине). Разрезы (и повторные соединительные сварные швы) должны быть параллельны длине каналов; при такой ориентации отсутствует риск блокированных или прерывистых каналов.Despite the lack of interchannel mixing for the channels in the first and second sheets, the first and second parallel channel systems can share a common rear and / or front receivers. In one example of this method, a sheet (or a subnode including a series of sheets) is cut into four parts, and these four parts are again welded together along the edges - this is a rather paradoxical process, since the cut sheet is welded along the edges of the previous cut. However, it was found that this process significantly reduces warpage and, accordingly, provides a higher quality laminated product. In some extended aspects of this method, the first and second sheets (or subnodes) are not parts of a cut common blank, but can be made separately. Preferably, the stacked layers have the same width and length (in some embodiments, within 5% of the length and width; in some embodiments, within 1% of the length and width). The cuts (and reconnecting welds) should be parallel to the length of the channels; with this orientation there is no risk of blocked or intermittent channels.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления коэффициент соотношения ширина/высота и длина/высота для первого подузла составляет больше 2, более предпочтительно больше 10. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления коэффициент соотношения ширина/длина или длина/ширина для первого листа или первого подузла составляет 1,5 или больше, более предпочтительно 2 или больше, в некоторых вариантах осуществления 4 или больше. Под высотой подразумевается высота укладки, ширина и длина взаимно перпендикулярны, и длина расположена в направлении течения текучей среды вдоль листа. Предпочтительно первый подузел или первый лист включает по крайней мере 5 первых параллельных каналов (предпочтительно микроканалов); второй подузел или второй лист включает по крайней мере 5 вторых параллельных каналов (предпочтительно микроканалов), и первый и второй подузлы или листы соединены по кромке с образованием одного листа или подузла, в котором первые параллельные каналы параллельны вторым параллельным каналам. Предпочтительно первый и второй подузлы или листы соединены таким образом, что смежные параллельные каналы в первом и втором подузлах расположены в пределах 2 см, более предпочтительно в пределах 1 см в направлении по ширине (длина параллельна общему направлению потока через устройство). Итоговое устройство будет содержать листы со сварными швами, которые соединяют сегменты листов. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления, в частности, с коэффициентом соотношения ширина/высота или длина/высота первого листа или первого подузла больше 1, перед сваркой кромок выполняется этап выравнивания одного или более (и предпочтительно всех) подузлов.In some preferred embodiments, the width / height and length / height ratio for the first subnode is greater than 2, more preferably greater than 10. In some preferred embodiments, the width / length or length / length ratio for the first sheet or first subnode is 1.5 or more, more preferably 2 or more, in some embodiments, 4 or more. By height is meant the stacking height, the width and length are mutually perpendicular, and the length is located in the direction of the fluid flow along the sheet. Preferably, the first subnode or first sheet includes at least 5 first parallel channels (preferably microchannels); the second subnode or second sheet includes at least 5 second parallel channels (preferably microchannels), and the first and second subnodes or sheets are connected along the edge to form one sheet or subnode in which the first parallel channels are parallel to the second parallel channels. Preferably, the first and second subnodes or sheets are connected so that adjacent parallel channels in the first and second subnodes are located within 2 cm, more preferably within 1 cm in the width direction (the length is parallel to the general direction of flow through the device). The resulting device will contain sheets with welds that connect the segments of the sheets. In some preferred embodiments, in particular with a ratio of width / height or length / height of the first sheet or first subassembly greater than 1, before welding the edges, the step of aligning one or more (and preferably all) subassemblies is performed.
Помимо всех способов, описанных в настоящем документе, изобретение также включает изделие, изготовленное в соответствии с этими способами.In addition to all the methods described herein, the invention also includes an article made in accordance with these methods.
Изобретение включает слоистое устройство, включающее: первый слой, имеющий размеры - ширину и длину; отличающийся тем, что первый слой включает первую секцию, включающую первый ряд параллельных каналов, и вторую секцию, включающую второй ряд параллельных каналов, в котором первый и второй ряды каналов являются параллельными; в котором первая и вторая секции соединены вместе сварным соединением и в котором сварное соединение параллельно параллельным каналам; и второй слой, отличающийся тем, что второй слой сварен с первым слоем. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления первый слой представляет собой подузел и второй слой представляет собой подузел, и слои соединены сварным швом по периметру слоев.The invention includes a layered device, comprising: a first layer having dimensions of width and length; characterized in that the first layer includes a first section including a first row of parallel channels, and a second section including a second row of parallel channels, in which the first and second rows of channels are parallel; in which the first and second sections are joined together by a welded joint and in which the welded joint is parallel to the parallel channels; and a second layer, characterized in that the second layer is welded to the first layer. In some preferred embodiments, the first layer is a subnode and the second layer is a subnode, and the layers are joined by a weld along the perimeter of the layers.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает метод предварительного изгиба для получения более ровного подузла. Этот способ производства слоистого устройства включает предоставление металлического листа; деформирование металлического листа и соединение сваркой деформированного металлического листа в слоистое устройство.In a further aspect, the invention provides a preliminary bending method to obtain a more even subassembly. This method of manufacturing a layered device includes providing a metal sheet; deformation of the metal sheet and welding connection of the deformed metal sheet into a layered device.
В предпочтительном варианте осуществления металлический лист деформирован по дуге с кривизной 10 градусов от ровной поверхности, в некоторых вариантах осуществления с кривизной в диапазоне от 10 до 80 градусов от ровной поверхности. Детали предпочтительно предварительно изогнуты от ровного состояния для обеспечения деформации таким образом, что при воздействии на детали напряжений от сварки (в особенности от лазерной сварки), они возвращаются в почти ровное состояние. Дуга кривизны от ровного состояния составляет менее 90 градусов и предпочтительно от 10 до 80 градусов. Более предпочтительный диапазон составляет от 30 до 70 градусов. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления металлический лист выполнен из нержавеющей стали.In a preferred embodiment, the metal sheet is deformed in an arc with a curvature of 10 degrees from a flat surface, in some embodiments, with a curvature in the range of 10 to 80 degrees from a flat surface. The parts are preferably pre-bent from a flat state to ensure deformation in such a way that when the parts are subjected to stresses from welding (especially from laser welding), they return to an almost even state. The arc of curvature from an even state is less than 90 degrees and preferably from 10 to 80 degrees. A more preferred range is from 30 to 70 degrees. In some preferred embodiments, the metal sheet is made of stainless steel.
В другом аспекте изобретение предлагает способ производства слоистого устройства, включающий: предоставление подузла; выравнивание подузла; сварку подузла с листом или вторым подузлом. Предпочтительно подузлы свариваются по периметрам, за исключением участков с вырезами для впускных и выпускных отверстий. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления этот способ сочетается с любым из способов, описанных в настоящем документе.In another aspect, the invention provides a method for manufacturing a layered device, comprising: providing a subassembly; subnode alignment welding a subnode with a sheet or second subnode. Preferably, the subunits are welded around the perimeters, with the exception of areas with cutouts for the inlet and outlet openings. In some preferred embodiments, this method is combined with any of the methods described herein.
В другом аспекте изобретение предлагает способ проведения процесса в канальном слое, в котором изменяется растяжение на сжатие или наоборот, включающий предоставление устройства, включающего первый канальный слой и второй канальный слой, расположенные непосредственно вплотную к первому каналу; отличающийся тем, что на первом этапе первый канальный слой содержит первую текучую среду при первом давлении, а второй канальный слой содержит вторую текучую среду при втором давлении; отличающийся тем, что первое давление выше второго давления; проведение технологической операции в первом канальном слое на первом этапе; отличающийся тем, что на втором этапе первый канальный слой содержит третью рабочую среду при третьем давлении, а второй канальный слой содержит четвертую рабочую среду при четвертом давлении; проведение технологической операции в первом канальном слое на втором этапе.In another aspect, the invention provides a method for carrying out a process in a channel layer in which the compression stress is changed or vice versa, comprising providing a device comprising a first channel layer and a second channel layer located directly adjacent to the first channel; characterized in that in the first step, the first channel layer contains a first fluid at a first pressure, and the second channel layer contains a second fluid at a second pressure; characterized in that the first pressure is higher than the second pressure; carrying out a technological operation in the first channel layer at the first stage; characterized in that in the second stage, the first channel layer contains a third working medium at a third pressure, and the second channel layer contains a fourth working medium at a fourth pressure; carrying out a technological operation in the first channel layer in the second stage.
При растяжении давление в первом канальном слое выше, чем во втором канальном слое, а при сжатии давление в первом канальном слое меньше, чем во втором канальном слое. В направлении по высоте слой определяется низом и верхом слоя, и растягивающее или сжимающее усилие оказывает воздействие на низ или верх слоя. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления первая и третья текучие среды являются одинаковыми, и вторая и четвертая текучие среды являются одинаковыми; например, первая и третья текучие среды могут представлять собой технологический поток Фишера-Тропша («ФТ»), а вторая и четвертая текучие среды - теплоноситель, как правило, воду (или иной теплоноситель), который подвергается частичному кипению. К примерам других процессов можно отнести синтез этиленоксида, пропиленоксида, метанола, аммиака, стирола и гидрирование и гидрообработку. Предпочтительно способ осуществляется в слоистом устройстве с первым каналом, расположенным в первом слое, и вторым каналом, расположенным в прилегающем слое. Наиболее предпочтительно процесс осуществляется в слоистом устройстве, содержащем многочисленные (по крайней мере от 10) чередующиеся слои первого и второго каналов. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления первый канал содержит вставку с прессовой посадкой, а в некоторых предпочтительных вариантах осуществления первый канал содержит катализатор, который предпочтительно используется в сочетании с вставкой с прессовой посадкой. Как ни удивительно, нами было обнаружено, что устройство, выполненное без диффузионной сварки или пайки (такое как устройство с прессовой посадкой), может успешно функционировать при этих условиях. Предпочтительно этот способ определяется как наблюдаемый при непрерывной эксплуатации, а не при отключении или запуске. Этот процесс может происходить, например, по мере формирования остатка в технологическом канале и/или потери активности катализатора, и выравнивания условий процесса для компенсации изменений в реакторе.In tension, the pressure in the first channel layer is higher than in the second channel layer, and in compression, the pressure in the first channel layer is lower than in the second channel layer. In the direction of height, the layer is defined by the bottom and top of the layer, and a tensile or compressive force affects the bottom or top of the layer. In some preferred embodiments, the first and third fluids are the same, and the second and fourth fluids are the same; for example, the first and third fluids can be a Fischer-Tropsch process stream (“FT”), and the second and fourth fluids can be a heat carrier, usually water (or some other heat carrier), which is partially boiled. Examples of other processes include the synthesis of ethylene oxide, propylene oxide, methanol, ammonia, styrene and hydrogenation and hydrotreatment. Preferably, the method is carried out in a layered device with a first channel located in the first layer and a second channel located in the adjacent layer. Most preferably, the process is carried out in a layered device containing multiple (at least 10) alternating layers of the first and second channels. In some preferred embodiments, the first channel comprises a press fit insert, and in some preferred embodiments, the first channel comprises a catalyst that is preferably used in combination with a press fit. Surprisingly, we found that a device made without diffusion welding or soldering (such as a press-fit device) can function successfully under these conditions. Preferably, this method is defined as being observed during continuous operation, and not during shutdown or start-up. This process can occur, for example, as a residue forms in the process channel and / or a loss of catalyst activity, and the process conditions become equal to compensate for changes in the reactor.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает устройства, в которых секции устройства соединяет венец (описано ниже). Так изобретение предлагает устройство, включающее первый слоистый узел, содержащий ряд уложенных в стопку листов; отличающееся тем, что первая сторона первого слоистого узла содержит ряд впускных или выпускных отверстий; отличающийся тем, что к первой стороне прикрепляется приемник, выступающий из первой стороны и заключающий ряд впускных и выпускных отверстий. Как правило, приемник выполняется из металла и приваривается к первой стороне первого слоистого узла.In a further aspect, the invention provides devices in which a crown connects sections of the device (described below). Thus, the invention provides a device comprising a first layered unit comprising a series of stacked sheets; characterized in that the first side of the first laminate assembly comprises a series of inlet or outlet openings; characterized in that a receiver protruding from the first side and enclosing a series of inlet and outlet openings is attached to the first side. Typically, the receiver is made of metal and is welded to the first side of the first laminate assembly.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления устройство включает второй слоистый узел, содержащий ряд уложенных в стопку листов; и отличается тем, что первая сторона второго слоистого узла включает второй ряд впускных и выпускных отверстий; и отличается тем, что приемник соединяет первый ряд впускных или выпускных отверстий со вторым рядом впускных или выпускных отверстий.In some preferred embodiments, the apparatus includes a second laminate assembly comprising a series of stacked sheets; and characterized in that the first side of the second laminate assembly includes a second row of inlet and outlet openings; and characterized in that the receiver connects the first row of inlets or outlets to the second row of inlets or outlets.
В другом аспекте слоистое микроканальное устройство, имеющее длину и ширину, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения, определяемая как произведение длины листа на ширину листа, превышает 100 см2 (в некоторых вариантах осуществления превышает 500 см2), соединена с верхней пластиной с образованием сварного узла с линейной плотностью лазерного сварного соединения от 0,05 до 20 см/см2 (предпочтительно от 0,1 до 10 см/см2) на секции поверхности листа в пределах микроканального устройства; эта секция включает по крайней мере 50% (предпочтительно по крайней мере 90%, в некоторых вариантах осуществления 100%) сплошной площади основной поверхности (листы имеют две основных поверхности). В большинстве случаев лист образует поверхность подузла в более крупном устройстве. Сварные швы соединяют два или более листов. Сварные швы также могут обеспечивать соединение между двумя смежными каналами внутреннего потока. В этом устройстве «100% сплошной площади» означает всю поверхность (не просто 100% выбранной прямоугольной области); аналогичным образом 50% и 90% означают 50% и 90% всей поверхности. Предпочтительно соотношение длины к ширине листа превышает 2. Помимо этого или в качестве альтернативного варианта указанной линейной плотности устройство изобретения может быть определено как имеющее внутренние сварные швы (т.е. сварные швы на внутренней части листа, а не по периметру), длина которых превышает по крайней мере в 10 раз, предпочтительно по крайней мере в 100 раз длину окружности (периметра) устройства.In another aspect, a layered microchannel device having a length and a width, characterized in that the cross-sectional area, defined as the product of the sheet length by the sheet width, exceeds 100 cm 2 (in some embodiments, exceeds 500 cm 2 ), connected to the upper plate to form a welded assembly with a linear density of laser welded joints from 0.05 to 20 cm / cm 2 (preferably from 0.1 to 10 cm / cm 2 ) on a sheet surface section within the microchannel device; this section includes at least 50% (preferably at least 90%, in some embodiments 100%) of the continuous area of the main surface (sheets have two main surfaces). In most cases, the sheet forms the surface of the subnode in a larger device. Welds connect two or more sheets. Welds can also provide a connection between two adjacent channels of the internal stream. In this device, “100% continuous area” means the entire surface (not just 100% of the selected rectangular area); similarly, 50% and 90% mean 50% and 90% of the entire surface. Preferably, the ratio of length to width of the sheet is greater than 2. In addition to this or as an alternative to the indicated linear density, the device of the invention can be defined as having internal welds (i.e., welds on the inside of the sheet, and not along the perimeter), the length of which exceeds at least 10 times, preferably at least 100 times, the circumference (perimeter) of the device.
В другом аспекте изобретение предлагает слоистый микроканальный узел, включающий первый лист и второй лист; отличающийся тем, что каждый лист имеет длину и ширину, причем площадь поперечного сечения, определяемая как произведение длины листа на ширину листа, превышает 100 см2 (в некоторых вариантах осуществления превышает 500 см2); отличающийся тем, что первый и второй листы являются по существу плоскими (листы могут иметь некоторое коробление, но не являются гофрированными); отличающийся тем, что первый лист содержит систему параллельных микроканалов, причем микроканалы отделены друг от друга перегородкой (микроканалы могут проходить по толщине первого листа частично (напр., вытравленные каналы) или проходить по всей толщине первого листа); отличающийся тем, что первый лист и второй лист являются смежными; и включающий сварные швы, которые проходят по длине перегородок (сварные швы могут быть непрерывными или прерывистыми) и соединяют первый лист со вторым листом.In another aspect, the invention provides a layered microchannel assembly including a first sheet and a second sheet; characterized in that each sheet has a length and a width, wherein the cross-sectional area, defined as the product of the sheet length by the sheet width, exceeds 100 cm 2 (in some embodiments, exceeds 500 cm 2 ); characterized in that the first and second sheets are essentially flat (the sheets may have some warpage, but are not corrugated); characterized in that the first sheet contains a system of parallel microchannels, the microchannels being separated from each other by a partition (microchannels can partially extend through the thickness of the first sheet (eg, etched channels) or extend through the entire thickness of the first sheet); characterized in that the first sheet and the second sheet are adjacent; and including welds that extend along the length of the partitions (welds may be continuous or intermittent) and connect the first sheet to the second sheet.
Фраза «проходят по длине» означает, что сварные швы направлены в том же направлении, что и перегородки и контактируют с перегородками.The phrase "pass along the length" means that the welds are directed in the same direction as the partitions and are in contact with the partitions.
В любом из способов, описанных в настоящем документе, узел может быть образован путем соединения двух или более сварных подузлов, причем способ сварки двух или более подузлов для образования узла может представлять тот же способ сварки или другой способ сварки. В некоторых вариантах осуществления сварные подузлы также могут содержать соединения, образованные с применением методик, отличных от сварки.In any of the methods described herein, the assembly can be formed by joining two or more welded sub-assemblies, the welding method of two or more sub-assemblies to form the assembly can be the same welding method or another welding method. In some embodiments, the welded subunits may also contain joints formed using techniques other than welding.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает способ формирования узла, включающий сварку верхнего листа с нижним листом с образованием ряда каналов, расположенных между верхней поверхностью верхнего листа и нижней поверхностью нижнего листа, отличающийся тем, что для образования швов между каналами в ряде каналов используется сварка. Верхняя и нижняя поверхности представляют собой верхнюю и нижнюю поверхности слоистого узла. Например, нижний лист может содержать вытравленные каналы, а верхний лист может представлять собой ровный лист без травления. Предпочтительно способ соединения листов в узлы включает лазерную сварку для выполнения шва между двумя смежными каналами внутреннего потока. В любом из описанных в настоящем документе вариантов осуществления каналы предпочтительно могут являться микроканалами.In a further aspect, the invention provides a method of forming a node, comprising welding the upper sheet with the lower sheet to form a series of channels located between the upper surface of the upper sheet and the lower surface of the lower sheet, characterized in that welding is used to form seams between the channels in a number of channels. The upper and lower surfaces are the upper and lower surfaces of the layered assembly. For example, the bottom sheet may contain etched channels, and the top sheet may be a flat sheet without etching. Preferably, the method of joining the sheets into nodes includes laser welding to create a seam between two adjacent channels of the internal stream. In any of the embodiments described herein, the channels may preferably be microchannels.
В другом аспекте изобретение предлагает сварной узел-заготовку, который был подвергнут процессу ремонта для устранения утечек или отверстий на первоначальном этапе сварки, отличающийся тем, что процесс ремонта может включать одинаковую методику сварки с первичной сваркой (как правило, лазерную сварку) или может использовать вторичный процесс, такой как газовольфрамовая сварка, импульсный лазер, сварка с холодным переносом металла или иной, для снижения количества мест утечки в сварном узле-заготовке.In another aspect, the invention provides a prefabricated welded assembly that has undergone a repair process to eliminate leaks or holes in the initial welding step, characterized in that the repair process may include the same primary welding technique (typically laser welding) or may use a secondary a process, such as gas-tungsten welding, pulsed laser, welding with cold transfer of metal or another, to reduce the number of leak points in the welded workpiece assembly.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает сварной узел-заготовку, который может выдерживать перепад давления более 100 фунт/кв. дюйм изб. при температуре окружающей среды (более предпочтительно более 500 фунт/кв. дюйм изб. при температуре окружающей среды). Сварной узел является слоистым устройством, в котором при эксплуатации потоки текучих сред направлены главным образом перпендикулярно толщине листа. В сварном узле уплотнения для выдерживания перепада давления выполнены без применения диффузионной сварки или пайки.In a further aspect, the invention provides a weldment blank that can withstand a pressure drop of more than 100 psi. inch hut at ambient temperature (more preferably more than 500 psi at ambient temperature). A welded assembly is a layered device in which, during operation, fluid flows are directed mainly perpendicular to the thickness of the sheet. In the welded assembly, the seals to withstand the differential pressure are made without diffusion welding or soldering.
В другом аспекте изобретение предлагает способ формирования слоистого сварного устройства, включающий: получение сварного узла заготовки, который имеет кривизну больше 1 см при установке на ровный стол; осуществление процесса выравнивания для сварного узла-заготовки с созданием по существу ровной детали с подъемом не более 1 см над поверхностью при установке на ровный стол; и сварку выровненного узла-заготовки с подузлом с образованием слоистого сварного устройства.In another aspect, the invention provides a method of forming a layered welded device, comprising: obtaining a welded workpiece assembly that has a curvature greater than 1 cm when mounted on a flat table; the implementation of the alignment process for the welded workpiece assembly with the creation of a substantially flat part with a lift of not more than 1 cm above the surface when mounted on a flat table; and welding the aligned workpiece assembly with a subassembly to form a layered weld device.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает сварной узел-заготовку, содержащий ряд каналов, которые уплотнены сваркой (уплотнение не обусловлено применением полимерных прокладок, пайки, диффузионной сварки или иных традиционных методик), и имеющий интенсивность утечки менее 0,5 фунт/кв. дюйм изб. за 15 минут; либо интенсивность утечки менее 10 см3/мин азота (предпочтительно менее 1 см3/мин азота) при нагнетании азота при 100 фунт/кв. дюйм изб. и температуре окружающей среды.In a further aspect, the invention provides a prefabricated welded assembly comprising a series of channels that are sealed by welding (the seal is not caused by the use of polymer spacers, soldering, diffusion welding, or other conventional techniques) and having a leak rate of less than 0.5 psi. inch hut in 15 minutes; or a leak rate of less than 10 cm 3 / min of nitrogen (preferably less than 1 cm 3 / min of nitrogen) when nitrogen is injected at 100 psi. inch hut and ambient temperature.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает устойчивое к давлению слоистое устройство, включающее: стопку листов, которые соединены вместе (предпочтительно сваркой); отличающееся тем, что стопка листов включает ряд каналов, проходящих через стопку, и по крайней мере одно впускное и одно выпускное отверстия, соединенные с рядом каналов; непрерывный несвязанный участок, который представляет собой свободный объем в стопке листов; первую и вторую концевые пластины на противоположных сторонах слоистого устройства; и далее включающее набор элементов жесткости, которые удерживаются (например, сваркой) в плотном контакте с основными наружными поверхностями концевых пластин и непрерывно выступают на всей площади, ограниченной непрерывным несвязанным участком. Жесткость элементов набора обеспечивает сопротивлению изгибу в направлении укладки (т.е. направлении, ортогональном плоскости слоев). Предпочтительно система далее включает технологический поток, включающий водород и/или углеводород, проходящий через ряд каналов.In a further aspect, the invention provides a pressure-resistant layered device, comprising: a stack of sheets that are joined together (preferably by welding); characterized in that the stack of sheets includes a series of channels passing through the stack, and at least one inlet and one outlet openings connected to a series of channels; a continuous unconnected portion, which is the free volume in the stack of sheets; first and second end plates on opposite sides of the layered device; and further comprising a set of stiffeners that are held (for example, by welding) in tight contact with the main outer surfaces of the end plates and continuously protrude over the entire area bounded by a continuous unconnected portion. The stiffness of the elements of the set provides resistance to bending in the laying direction (i.e., the direction orthogonal to the plane of the layers). Preferably, the system further includes a process stream comprising hydrogen and / or hydrocarbon passing through a series of channels.
Изобретение также предлагает ремонт сварных устройств. Устройства могут быть восстановлены посредством удаления одного или более сварных швов. Посредством удаления пластины на одном конце каналов можно блокировать избранные каналы, снижая, таким образом, очаги повреждений или иным образом избегая каналов, содержащих дефекты. В альтернативном варианте устройство можно открыть, удалив сварной шов по периметру, после чего становится возможным удаление или замена подузлов. В некоторых вариантах осуществления подузел может быть удален и восстановлен перед повторной установкой в устройство. После удаления и/или замены подузла можно снова использовать сварку, чтобы закрыть устройство. Для упрощения демонтажа одну или более поверхностей подузла можно покрыть разделительным слоем, таким как покрытие оксида циркония или оксида иттрия, или можно использовать вставку из графойла или керамической бумаги между узлами.The invention also provides repair of welded devices. Devices can be restored by removing one or more welds. By removing the plate at one end of the channels, it is possible to block selected channels, thereby reducing lesions or otherwise avoiding channels containing defects. Alternatively, the device can be opened by removing the weld along the perimeter, after which it becomes possible to remove or replace subnodes. In some embodiments, the subnode may be removed and restored before reinserting into the device. After removing and / or replacing the subassembly, welding can be used again to close the device. To facilitate dismantling, one or more surfaces of the subassembly can be coated with a release layer, such as a coating of zirconium oxide or yttrium oxide, or an insert of graphoil or ceramic paper between the nodes can be used.
Изобретение также включает способы технического обслуживания реактора посредством раскрытия сварного шва и удаления или замены: катализатора (такого как дисперсный катализатор), оребренной или волнообразной пластины или подузла. После этого возможна повторная сварка системы. Изобретение далее включает устройства, имеющие структуры металла шва, связанные с техническим обслуживанием или ремонтом.The invention also includes methods for maintaining a reactor by opening a weld and removing or replacing: a catalyst (such as a dispersed catalyst), a finned or wave-like plate, or subassembly. After this, re-welding of the system is possible. The invention further includes devices having weld metal structures associated with maintenance or repair.
В дальнейшем аспекте изобретение предлагает слоистый химический реактор, включающий: ряд листов в стопке; стопку, имеющую взаимно перпендикулярные размеры - высоту, ширину и длину; отличающийся тем, что высота является размером укладки; для открытого пространства внутри стопки длина является большим из размеров, а ширина - перпендикулярной длине; отличающийся тем, что стопка включает по крайней мере одну поверхность контакта между листами, причем в ходе эксплуатации внутреннее давление создается в открытом пространстве внутри стопки и прилагается к поверхности контакта, причем ширина открытого пространства составляет по крайней мере 0,07 м; и обладающий такой устойчивостью к утечке, что при подаче газообразного N2 через впускное отверстие в свободный объем в указанной поверхности контакта при закрытом выпускном отверстии со скоростью повышения давления 30-50 кПа/мин, повышении давления в свободном объеме до 790 кПа и выдержке при этом давлении в течение 15 минут с последующим возвратом к давлению окружающей среды путем стравливания газообразного N2, и дальнейшей подаче воды с интенсивностью, достаточной для повышения давления через впускное отверстие со скоростью 300-400 кПа/мин, при закрытом выпускном отверстии для повышения давления в свободном объеме до уровня около 3000 кПа и продолжении повышения давления со скоростью примерно 100 кПа/мин до 6000 кПа с дальнейшим снижением давления со скоростью 250-300 кПа до уровня ниже 5300 кПа и продолжением снижения давления до давления окружающей среды, сливом воды и сушкой реактора, и повторной подаче газообразного N2 через впускное отверстие со скоростью повышения давления 30-50 кПа/мин в свободный объем в указанной поверхности контакта при закрытом выпускном отверстии, повышении давления в свободном объеме до 790 кПа и перекрытии впускного отверстия для отсечения поступления газа в свободный объем, уровень утечки устройства составлял не более 100 кПа за последующие 15 минут.In a further aspect, the invention provides a layered chemical reactor, comprising: a series of sheets in a stack; a stack having mutually perpendicular dimensions — height, width and length; characterized in that the height is the size of the stack; for open space inside the stack, the length is the largest of the dimensions, and the width is perpendicular to the length; characterized in that the stack includes at least one contact surface between the sheets, and during operation, internal pressure is created in the open space inside the stack and applied to the contact surface, the width of the open space being at least 0.07 m; and having such a resistance to leakage that when gaseous N 2 is supplied through the inlet to the free volume in the specified contact surface with the outlet closed, the pressure increases at a rate of 30-50 kPa / min, the pressure in the free volume increases to 790 kPa and the shutter speed is pressure for 15 minutes, followed by a return to ambient pressure by venting gaseous N 2, and further supply of water at a rate sufficient to increase the pressure through the inlet at a speed of 300-400 kPa / min With a closed outlet to increase the pressure in the free volume to a level of about 3000 kPa and continue to increase the pressure at a speed of about 100 kPa / min to 6000 kPa with a further decrease in pressure at a speed of 250-300 kPa to a level below 5300 kPa and continue to reduce the pressure to pressure environment, water draining and drying the reactor, and re-supplying N 2 gas through the inlet at a rate of pressure increase of 30-50 kPa / min into the free volume in said contact surface at the closed outlet, increasing The pressure in the void volume of up to 790 kPa, and the overlap of the inlet opening to cut off the gas entering the free volume, the level of device leakage was not more than 100 kPa over the next 15 minutes.
Изобретение включает реакторы, обладающие заявленной устойчивостью к утечке, а не просто реакторы, которые были подвергнуты испытаниям по протоколу. Более предпочтительно реактор обладает устойчивостью к утечке менее 30 кПа за последующие 15 минут, а в некоторых вариантах осуществления - в диапазоне от 1 до 50 кПа. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления ширина открытого пространства составляет по крайней мере 0,1 м, в некоторых вариантах осуществления ширина составляет по крайней мере 0,3 м. Реактор может иметь любую форму; и в некоторых вариантах осуществления реактор состоит из стопки прямоугольных листов, тогда как в некоторых других вариантах осуществления реактор состоит из стопки круглых листов.The invention includes reactors with claimed leakage resistance, and not just reactors that have been tested by protocol. More preferably, the reactor has a leakage resistance of less than 30 kPa over the next 15 minutes, and in some embodiments, in the range of 1 to 50 kPa. In some preferred embodiments, the width of the open space is at least 0.1 m, in some embodiments, the width is at least 0.3 m. The reactor may be of any shape; and in some embodiments, the reactor consists of a stack of rectangular sheets, while in some other embodiments, the reactor consists of a stack of round sheets.
Предпочтительно реактор имеет концевую пластину, толщина которой составляет не более 3 см, предпочтительно не более 1 см, а в некоторых вариантах осуществления не более 0,5 см. Предпочтительно реактор имеет ширину и длину по крайней мере 0,3 м; в некоторых варианта осуществления - по крайней мере 0,5 м. Изобретение включает любое сочетание признаков, представленных в настоящем описании; например, реактор, имеющий ширину и длину по крайней мере 0,3 м и концевую пластину, толщина которой не превышает 3 см. Поверхность контакта может быть плоской, но необязательно является плоской.Preferably, the reactor has an end plate whose thickness is not more than 3 cm, preferably not more than 1 cm, and in some embodiments not more than 0.5 cm. Preferably, the reactor has a width and a length of at least 0.3 m; in some embodiments, at least 0.5 m. The invention includes any combination of features provided herein; for example, a reactor having a width and length of at least 0.3 m and an end plate whose thickness does not exceed 3 cm. The contact surface may be flat, but not necessarily flat.
В некоторых вариантах осуществления устройство содержит более 0,1 км внутренних линейных сварных швов, в некоторых вариантах осуществления - более 1 км внутренних линейных сварных швов и экзоскелет. Предпочтительно целостность слоистого химического реактора обеспечивают экзоскелет и сварные швы. Предпочтительно слоистый химический реактор не содержит диффузионную сварку или пайку и не имеет прокладок. Для скрепления слоистого химического реактора не нужны зажимы, и в связи с устойчивостью реактора к утечке (которая не связана с зажимами) отсутствует необходимость в его размещении в защитной оболочке под давлением. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления по крайней мере 60% объема (в некоторых вариантах осуществления по крайней мере 80% объема) слоистого химического реактора составляют микроканалы и другие свободные объемы.In some embodiments, the device comprises more than 0.1 km of internal linear welds, in some embodiments, more than 1 km of internal linear welds and an exoskeleton. Preferably, the integrity of the layered chemical reactor is ensured by exoskeleton and welds. Preferably, the layered chemical reactor does not contain diffusion welding or soldering and does not have gaskets. No clamps are needed for bonding a layered chemical reactor, and due to the leakage resistance of the reactor (which is not connected with the clamps), it is not necessary to place it in a protective shell under pressure. In some preferred embodiments, at least 60% of the volume (in some embodiments of at least 80% of the volume) of the layered chemical reactor is made up of microchannels and other free volumes.
В описанном выше испытании на устойчивость к утечке выражение «при закрытом выпускном отверстии» означает, что N2 не имеет иного выхода из свободного объема, за исключением утечки через поверхность контакта между листами. Кроме того, необходимо понимать, что это испытание применяется для одной поверхности раздела или усредненной суммы всех поверхностей раздела, обслуживаемых этим впускным отверстием. Устройство выдерживает испытание, если по крайней мере один жидкостный контур, обладающий указанными параметрами, выдерживает испытание, предпочтительные устройства имеют по крайней мере 2 жидкостных контура, которые выдерживают испытание, более предпочтительно все жидкостные контуры выдерживают испытание (например, если устройство имеет два жидкостных контура, каждый из которых обслуживается одним впускным и одним выпускным отверстиями, испытание выдерживают оба контура). Устройство находится под воздействием давления окружающей среды, за исключением участков устройства, соединенных с указанным впускным отверстием.In the leakage test described above, the phrase “with the outlet closed” means that N 2 has no other way out of the free volume, except for leakage through the contact surface between the sheets. In addition, it must be understood that this test is applied to a single interface or averaged sum of all the interfaces served by this inlet. The device passes the test, if at least one liquid circuit with the indicated parameters passes the test, preferred devices have at least 2 liquid circuits that pass the test, more preferably all liquid circuits pass the test (for example, if the device has two liquid circuits, each of which is served by one inlet and one outlet, both circuits withstand the test). The device is under the influence of environmental pressure, with the exception of sections of the device connected to the specified inlet.
Изобретение также включает слоистый химический реактор, имеющий экзоскелет и обладающий одним или более (включая любые сочетания) признаков, описанных в настоящем документе. Непрерывный несвязанный участок в пределах границы внутреннего давления представляет собой минимальное расстояние между заданной точкой соединения между слоями в пределах поверхности контакта под воздействием заданного давления в слоистом устройстве и смежной точкой соединения между этими же слоями. В предпочтительных вариантах осуществления к устройству приваривается экзоскелет, тогда как в других вариантах осуществления экзоскелет закрепляется пайкой, клеем или другими способами.The invention also includes a layered chemical reactor having an exoskeleton and having one or more (including any combination) of the features described herein. A continuous unconnected portion within the boundary of the internal pressure is the minimum distance between a given joint point between the layers within the contact surface under the influence of a given pressure in the layered device and an adjacent joint point between the same layers. In preferred embodiments, an exoskeleton is welded to the device, while in other embodiments, the exoskeleton is fixed by soldering, glue, or other means.
Экзоскелет более эффективен, чем зажимы. Зажимы могут быть легко удалены (для удаления экзоскелета необходима резка или стачивание). Кроме того, в сварном экзоскелете армирующие элементы могут иметь прямоугольное поперечное сечение, ориентированное более длинной стороной параллельно направлению приложения нагрузки с повышением жесткости для устойчивости к изгибающему напряжению. Это позволяет использовать более тонкие листы обшивки и снижает массу и стоимость материала, необходимого для сопротивления нагрузкам одной величины. Вместо экзоскелета можно было бы использовать зажимы, имеющие толстые пластины с резьбовыми соединениями; однако пластины должны были бы быть достаточно прочными для сопротивления изгибающему напряжению, поскольку резьбовые соединения не были бы нагружены в этом направлении. Резьбовые соединения должны были бы быть достаточно прочными для сопротивления полному растягивающему напряжению, вызванному усилием, созданным под воздействием на пластины давления. Экзоскелет обеспечивает дополнительную поддержку пластин в обоих случаях. Кроме того, зажимы с большей вероятностью были бы подвержены ослаблению и отказу при циклической эксплуатации.Exoskeleton is more effective than clamps. Clips can be easily removed (cutting or grinding is necessary to remove the exoskeleton). In addition, in a welded exoskeleton, the reinforcing elements may have a rectangular cross section oriented with the longer side parallel to the direction of load application with increased stiffness for resistance to bending stress. This allows the use of thinner sheathing sheets and reduces the weight and cost of the material necessary to resist loads of the same magnitude. Instead of an exoskeleton, clamps having thick plates with threaded joints could be used; however, the plates would have to be strong enough to resist bending stress, since threaded joints would not be loaded in this direction. The threaded joints would have to be strong enough to resist the full tensile stress caused by the force created by the pressure plate. The exoskeleton provides additional support plates in both cases. In addition, clamps are more likely to be subject to loosening and failure during cyclic operation.
Изобретение также включает способ эксплуатации слоистого химического реактора, включающий: подачу газа во впускное отверстие реактора для повышения давления внутри реактора до первого давления; дополнительно определение утечек и дополнительно устранение утечек; стравливание газа; подачу текучей среды в реактор для повышения давления внутри реактора до второго давления, причем второе давление выше первого давления; удаление текучей среды; подачу газа во впускное отверстие реактора для повышения давления внутри реактора до третьего давления, причем второе давление выше третьего давления; и измерение утечек реактора под действием третьего давления. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления текучая среда представляет собой жидкость. Этот способ превосходит методику одноэтапной нагрузки устройства путем нагнетания текучей среды с последующим испытанием на утечки.The invention also includes a method of operating a layered chemical reactor, comprising: supplying gas to the reactor inlet to increase the pressure inside the reactor to a first pressure; additionally leak detection and additionally leak repair; gas bleeding; supplying fluid to the reactor to increase the pressure inside the reactor to a second pressure, the second pressure being higher than the first pressure; fluid removal; supplying gas to the reactor inlet to increase the pressure inside the reactor to a third pressure, the second pressure being higher than the third pressure; and measuring reactor leaks under a third pressure. In some preferred embodiments, the fluid is a liquid. This method is superior to the one-stage loading method of a device by pumping a fluid followed by a leak test.
В еще одном аспекте изобретение предлагает слоистое устройство, включающее: стопку листов, соединенных сваркой; стопку листов, содержащую основной пакет листов, соединенных сваркой по периметру листов; и соединение для снятия напряжения в стопке листов; отличающееся тем, что соединение для снятия напряжения включает два смежных листа, которые расположены в стопке, но по существу не соединенные друг с другом по периметру двух смежных листов.In yet another aspect, the invention provides a layered device, comprising: a stack of sheets joined by welding; a stack of sheets containing the main package of sheets connected by welding around the perimeter of the sheets; and a connection for relieving stress in the stack of sheets; characterized in that the stress relieving connection includes two adjacent sheets that are stacked but not substantially connected to each other around the perimeter of two adjacent sheets.
В настоящем описании «смежные» означает непосредственно прилегающие без промежуточных листов.In the present description, "adjacent" means directly adjacent without intermediate sheets.
Изобретение включает любой способ использования любого описанного в настоящем документе устройства; например, химический процесс с использованием любого описанного здесь устройства. Аналогичным образом изобретение включает любое устройство для реализации любого из способов, описанных в настоящей заявке. Изобретение далее включает любое сочетание способов и/или конструкций, упомянутых в настоящем документе. Листы и вставки (в случае наличия) предпочтительно полностью выполнены из металла. В конечных устройствах металл может быть покрыт защитными покрытиями и/или каталитическими покрытиями, такими как слой пористого оксида металла с нанесением катализатора на оксид металла.The invention includes any method of using any device described herein; for example, a chemical process using any device described herein. Similarly, the invention includes any device for implementing any of the methods described in this application. The invention further includes any combination of the methods and / or designs mentioned herein. The sheets and inserts (if any) are preferably made entirely of metal. In the end devices, the metal may be coated with protective coatings and / or catalytic coatings, such as a layer of porous metal oxide with a catalyst deposited on the metal oxide.
Изобретение имеет целью включение в различных альтернативных вариантах любых общих представлений и характерных признаков, которые описаны в настоящем документе и могут быть определены специалистами в данной области техники. Например, устройство изобретения может иметь любое сочетание признаков, описанных в настоящем изобретении.The invention is intended to include, in various alternative embodiments, any general concepts and features that are described herein and may be determined by those skilled in the art. For example, the device of the invention may have any combination of features described in the present invention.
Изобретение не ограничивается исключительно вариантами, изложенными выше, и включает любые способы, системы и устройства, описанные в настоящем документе. Изобретение включает все признаки или сочетания признаков, указанные в настоящем документе. Изобретение также включает способы химической обработки (включая, например, теплопередачу, химические реакции, реакцию синтеза Фишера-Тропша (ФТ)) и, например, включает одно или более (включая любые комбинации) условий, преобразований и т.д., которые упомянуты в настоящем документе. Для случаев описания процесса со ссылками на графики или таблицы изобретение включает процессы, которые имеют значения в пределах +/-20%, более предпочтительно около 10%, еще более предпочтительно около 5% и в некоторых вариантах осуществления в пределах около 1% параметров условий, диапазонов и/или значений, указанных в настоящем документе. Например, изобретение включает способ синтеза ФТ, осуществляемый со временем контакта в диапазоне от около 90 до около 278 мс, конверсией СО от около 58 до около 73% и избирательностью к метану от около 8 до около 34% (термин «около» должен включать значения в пределах +/-20%); изобретение включает способы, которые далее определяются конструкциями устройств; изобретение может быть в альтернативном варианте определено как система, которая включает как признаки устройств, так и составы текучих сред и/или условия - например, система может представлять собой устройство, содержащее газообразный водород и оксид водорода при температуре около 180°C.The invention is not limited solely to the options set forth above, and includes any methods, systems, and devices described herein. The invention includes all features or combinations of features described herein. The invention also includes chemical processing methods (including, for example, heat transfer, chemical reactions, Fischer-Tropsch synthesis reaction (FT)) and, for example, includes one or more (including any combination) of the conditions, transformations, etc. that are mentioned in this document. For cases of describing a process with reference to graphs or tables, the invention includes processes that have values within +/- 20%, more preferably about 10%, even more preferably about 5%, and in some embodiments within about 1% of the parameters of the conditions, ranges and / or values indicated herein. For example, the invention includes a FT synthesis method, with a contact time in the range of about 90 to about 278 ms, a CO conversion of about 58 to about 73%, and a methane selectivity of about 8 to about 34% (the term “about” should include the meanings within +/- 20%); the invention includes methods that are further determined by device designs; the invention may alternatively be defined as a system that includes both the features of the devices and the compositions of the fluids and / or conditions - for example, the system may be a device containing hydrogen gas and hydrogen oxide at a temperature of about 180 ° C.
ГлоссарийGlossary
«Узел» - это две или более пластины, соединенные вместе с образованием слоистой структуры. Узел, как правило, состоит из ряда «подузлов» и может представлять собой функционирующее устройство или заготовку для устройства. «Подузел» - это «узел», который является (или предназначен в качестве) составляющей более крупного слоистого узла. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления узел является полностью герметичным, за исключением впускных и выпускных отверстий. Не требуется, чтобы узел был полностью функционирующим устройством; например, он может являться заготовкой или промежуточным продуктом для полностью функционирующего устройства. Например, в некоторых случаях требуется вторичный этап обрезки, чтобы открыть впускной и выпускной каналы потока. В некоторых вариантах осуществления узел выполняется из пластин, имеющих размеры ширину и длину конечного устройства; в некоторых вариантах осуществления узлы могут быть разрезаны на несколько подузлов или в альтернативном варианте соединены с образованием более крупного узла. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления узел (или подузел) имеет толщину 1 см или менее; в некоторых предпочтительных вариантах осуществления толщина находится в диапазоне от 0,1 до 1,0 см; в некоторых вариантах осуществления толщина находится в диапазоне от 0,2 до 0,4 см. Предпочтительно, чтобы пластины в составе узла были по существу ровными и чтобы узел имел ровную верхнюю и нижнюю поверхности.A “node” is two or more plates connected together to form a layered structure. The site, as a rule, consists of a number of "subnodes" and may be a functioning device or a blank for the device. A “subnode” is a “node” that is (or is intended to be) a component of a larger layered node. In some preferred embodiments, the assembly is completely sealed, with the exception of the inlet and outlet openings. The node is not required to be a fully functioning device; for example, it may be a preform or an intermediate product for a fully functioning device. For example, in some cases, a secondary pruning step is required to open the inlet and outlet channels of the stream. In some embodiments, the implementation of the node is made of plates having dimensions of the width and length of the end device; in some embodiments, the nodes may be cut into several subnodes or alternatively connected to form a larger node. In some preferred embodiments, the implementation of the node (or subnode) has a thickness of 1 cm or less; in some preferred embodiments, the implementation of the thickness is in the range from 0.1 to 1.0 cm; in some embodiments, the thickness is in the range of 0.2 to 0.4 cm. It is preferred that the plates in the assembly are substantially even and that the assembly has smooth upper and lower surfaces.
В настоящем описании термины «пластина», «лист», «слои» и «прокладка» используются взаимозаменяемо. Пластины имеют толщину 1 см или меньше; предпочтительно 0,5 см или меньше; более предпочтительно 0,3 см или меньше; и, как правило, имеют толщину по крайней мере 0,02 см.As used herein, the terms “plate”, “sheet”, “layers” and “gasket” are used interchangeably. The plates have a thickness of 1 cm or less; preferably 0.5 cm or less; more preferably 0.3 cm or less; and typically have a thickness of at least 0.02 cm.
«Экзоскелет» - это набор элементов жесткости, которые удерживаются (например, сваркой) в плотном контакте с основными наружными поверхностями концевых пластин слоистого химического реактора и непрерывно выступают по длине концевой пластины, которая расположена между границей внутреннего давления и границей внешнего давления набора элементов жесткости. Жесткость элементов набора обеспечивает сопротивлению изгибу в направлении укладки (т.е. направлении, ортогональном плоскости слоев). Экзоскелет не является зажимом и не требует применения винтов или болтов.An “exoskeleton” is a set of stiffeners that are held (for example, by welding) in tight contact with the main outer surfaces of the end plates of a layered chemical reactor and continuously protrude along the length of the end plate, which is located between the internal pressure boundary and the external pressure boundary of the stiffener set. The stiffness of the elements of the set provides resistance to bending in the laying direction (i.e., the direction orthogonal to the plane of the layers). The exoskeleton is not a clamp and does not require screws or bolts.
«Зазор» - это наименьший размер микроканала. Как правило, в слоистом устройстве зазор располагается в направлении укладки (т.е. высоты). При использовании термина «зазор» в предпочтительных вариантах осуществления он выступает в качестве замены высоты микроканала.“Clearance” is the smallest microchannel size. Typically, in a layered device, the gap is in the stacking direction (i.e., height). When using the term “clearance” in preferred embodiments, it acts as a substitute for the height of the microchannel.
«Микроканал» - это канал, имеющий по крайней мере один внутренний размер (от стенки до стенки без учета катализатора) 10 мм или меньше, предпочтительно 2 мм или меньше и больше 1 мкм (предпочтительно больше 10 мкм) и в некоторых вариантах осуществления от 50 до 1500 мкм, при этом от 500 до 1500 микрон особенно предпочтительны при использовании дисперсной формы катализатора; предпочтительно микроканал сохраняет эти размеры по длине по крайней мере 1 см, предпочтительно по крайней мере 20 см. В некоторых вариантах осуществления в диапазоне по длине от 5 до 100 см, и в некоторых вариантах осуществления - в диапазоне от 10 до 60 см. Микроканалы также определяются присутствием по крайней мере одного впускного отверстия, которое не совпадает по крайней мере с одним выпускным отверстием. Микроканалы не просто представляют собой каналы через цеолиты или мезопористые материалы. Длина микроканала соответствует направлению потока через микроканал. Высота и ширина микроканала по существу перпендикулярны направлению потока через канал. В случае слоистого устройства, в котором микроканал имеет две основных поверхности (например, поверхности, образованные уложенными и соединенными листами), высота представляет собой расстояние от основной поверхности до основной поверхности, а ширина перпендикулярна высоте. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения микроканалы являются прямолинейными или по существу прямолинейными - это означает, что через микроканал можно беспрепятственно провести прямую линию («беспрепятственно» означает до подачи твердых катализаторов, сорбентов или иных дисперсных твердых материалов). Как правило, устройства содержат ряд микроканалов, которые имеют общий задний приемник и общий передний приемник. Хотя некоторые устройства имеют один задний приемник и один передний приемник, микроканальное устройство может иметь несколько задних приемников и несколько передних приемников. Микроканалы также определяются наличием по крайней мере одного впускного отверстия, которое не совпадает по крайней мере с одним выпускным отверстием - микроканалы не просто представляют собой каналы через цеолиты или мезопористые материалы. Высота и/или ширина микроканала реакции составляет предпочтительно 2 мм или меньше и более предпочтительно 1 мм или меньше. Стенки микроканала определяются стенками канала реакции. Эти стенки предпочтительно выполнены из твердого материала, такого как нержавеющая сталь или жаропрочный сплав на основе Ni, Со или Fe, такой как FeCrAlY. Технологические слои могут быть выполнены из материала, отличного от материала теплообменных каналов, а в одном предпочтительном варианте осуществления технологический слой выполнен из меди, алюминия или другого материала с теплопроводностью выше 30 Вт/(м·К). Выбор материала для стенок канала реакции может зависеть от реакции, для которой предназначен реактор. В некоторых вариантах осуществления стенки реакционной камеры выполнены из нержавеющей стали или инконеля, которые являются прочными и обладают хорошей теплопроводностью. Как правило, стенки канала реакции выполнены из материала, который обеспечивает первичную конструкционную опору для микроканального устройства. Микроканальное устройство может быть выполнено с применением известных способов и в некоторых предпочтительных вариантах осуществления выполнено из слоистых чередующихся пластин (также известных как «прокладки») и предпочтительно прокладки, предназначенные для каналов реакции, чередуются с прокладками, предназначенными для теплообмена. Некоторые микроканальные устройства включают по крайней мере 10 слоев (или по крайней мере 100 слоев), составляющие слоистую конструкцию, в которой каждый из этих слоев содержит по крайней мере 10 каналов (или по крайней мере 100 каналов); устройство может содержать другие слои с меньшим количеством каналов.A "microchannel" is a channel having at least one internal dimension (wall to wall, excluding catalyst) of 10 mm or less, preferably 2 mm or less and more than 1 μm (preferably more than 10 μm) and, in some embodiments, from 50 up to 1500 microns, while from 500 to 1500 microns are particularly preferred when using a dispersed form of the catalyst; preferably the microchannel retains these dimensions along the length of at least 1 cm, preferably at least 20 cm. In some embodiments, in the range of 5 to 100 cm, and in some embodiments, in the range of 10 to 60 cm. Microchannels also determined by the presence of at least one inlet that does not coincide with at least one outlet. Microchannels are not just channels through zeolites or mesoporous materials. The length of the microchannel corresponds to the direction of flow through the microchannel. The height and width of the microchannel are substantially perpendicular to the direction of flow through the channel. In the case of a layered device in which the microchannel has two main surfaces (for example, surfaces formed by stacked and connected sheets), the height is the distance from the main surface to the main surface, and the width is perpendicular to the height. In some preferred embodiments of the present invention, the microchannels are straightforward or substantially straightforward — this means that a straight line can be freely drawn through the microchannel (“unhindered” means before feeding solid catalysts, sorbents, or other dispersed solid materials). Typically, devices contain a number of microchannels that have a common rear receiver and a common front receiver. Although some devices have one rear receiver and one front receiver, a microchannel device may have several rear receivers and several front receivers. Microchannels are also determined by the presence of at least one inlet that does not coincide with at least one outlet — microchannels are not just channels through zeolites or mesoporous materials. The height and / or width of the reaction microchannel is preferably 2 mm or less, and more preferably 1 mm or less. The walls of the microchannel are determined by the walls of the reaction channel. These walls are preferably made of a solid material, such as stainless steel or a heat-resistant alloy based on Ni, Co or Fe, such as FeCrAlY. Technological layers can be made of a material different from the material of the heat-exchange channels, and in one preferred embodiment, the technological layer is made of copper, aluminum or another material with a thermal conductivity above 30 W / (m · K). The choice of material for the walls of the reaction channel may depend on the reaction for which the reactor is intended. In some embodiments, the walls of the reaction chamber are made of stainless steel or Inconel, which are durable and have good thermal conductivity. As a rule, the walls of the reaction channel are made of material that provides the primary structural support for the microchannel device. The microchannel device can be made using known methods and, in some preferred embodiments, is made of alternating layered plates (also known as “gaskets”), and preferably gaskets intended for the reaction channels alternate with gaskets intended for heat exchange. Some microchannel devices include at least 10 layers (or at least 100 layers) constituting a layered structure in which each of these layers contains at least 10 channels (or at least 100 channels); the device may contain other layers with fewer channels.
В некоторых устройствах технологические каналы содержат частицы катализатора. Предпочтительно частицы имеют размер (наибольший) 5 мм или меньше, в некоторых вариантах осуществления - 2 мм или меньше. Размер частиц может быть измерен с применением сит, микроскопии или иных соответствующих методик. Для относительно крупных частиц используется просеивание через сито. Дисперсные материалы, включенные в технологические каналы, могут представлять собой катализатор, адсорбент или инертный материал.In some devices, process channels contain catalyst particles. Preferably, the particles have a size (largest) of 5 mm or less, in some embodiments, 2 mm or less. Particle size can be measured using sieves, microscopy, or other appropriate techniques. For relatively large particles, screening through a sieve is used. Dispersed materials included in the process channels may be a catalyst, adsorbent or inert material.
Теплоносители могут протекать по теплообменным каналам (предпочтительно микроканалам), смежным с технологическими каналами (предпочтительно микроканалами реакции), и могут представлять собой газы или жидкости, в том числе пар, жидкие металлы или любые другие известные теплоносители - система может быть оптимизирована для изменения фазы в теплообменнике. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления ряд теплообменных слоев чередуется с рядом микроканалов реакции. Например, по крайней мере 10 теплообменников чередуются по крайней мере с 10 микроканалами реакции, и предпочтительно 10 слоев систем теплообменных микроканалов имеют поверхность контакта по крайней мере с 10 слоями микроканалов реакции. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления при наличии «n» слоев технологических микроканалов присутствует «n+1» теплообменных слоев, причем теплообменные слои контактируют со всеми технологическими слоями. Каждый из этих слоев может содержать простые прямолинейные каналы или каналы внутри слоя могут иметь более сложную геометрию. Изобретение включает системы, которые включают как устройство, так и текучую среду, присутствующую в устройстве. При «диффузионной сварке» процесс нагрева используется для соединения деталей, в которых происходит диффузия элементов от одной детали к другой, обусловливая получение соединенного изделия за счет диффузии элементов на участке поверхности контакта (или рядом с участком, представляющим поверхность контакта до диффузионной сварки).The coolants can flow through heat transfer channels (preferably microchannels) adjacent to the process channels (preferably reaction microchannels), and can be gases or liquids, including steam, liquid metals or any other known coolants — the system can be optimized to change the phase in heat exchanger. In some preferred embodiments, the implementation of a number of heat transfer layers alternates with a number of reaction microchannels. For example, at least 10 heat exchangers alternate with at least 10 reaction microchannels, and preferably 10 layers of heat transfer microchannel systems have a contact surface with at least 10 layers of reaction microchannels. In some preferred embodiments, when there are “n” layers of process microchannels, “n + 1” heat transfer layers are present, the heat transfer layers contacting all process layers. Each of these layers may contain simple rectilinear channels or the channels inside the layer can have a more complex geometry. The invention includes systems that include both the device and the fluid present in the device. In "diffusion welding", the heating process is used to connect parts in which the diffusion of elements from one part to another occurs, resulting in a connected product due to diffusion of elements in the contact surface area (or next to the area representing the contact surface before diffusion welding).
При пайке используется промежуточный слой, располагаемый в промежутках между деталями, промежуточный слой имеет более низкую температуру плавления, чем детали.When soldering, an intermediate layer is used, located in the gaps between the parts, the intermediate layer has a lower melting point than the parts.
При сварке используется нагрев для соединения или герметизации деталей. В отличие от пайки, для сварки не требуется более легкоплавкий материал, хотя признано, что для сварного шва может быть использована проволока из того же материала или аналогичного материала, который может обладать немного сниженной температурой плавления, однако соединение также обозначается как сварное соединение при выполнении герметизации по периметру слоистого устройства с некоторой глубиной проникновения сварного шва на периферии, а не по всему объему изделия. «Сварной шов» в готовой детали может быть определен квалифицированным рабочим - например, металлург может определить шов с применением микроскопического исследования или других методик, известных в данной области техники.When welding, heat is used to connect or seal parts. Unlike soldering, a fusible material is not required for welding, although it is recognized that a wire of the same material or similar material, which may have a slightly lower melting point, can be used for a weld, however, the joint is also referred to as a welded joint when sealing along the perimeter of a layered device with a certain penetration depth of the weld at the periphery, and not over the entire volume of the product. A “weld” in the finished part can be determined by a skilled worker — for example, a metallurgist can determine the weld using microscopic examination or other techniques known in the art.
«Соединение» включает сварку, диффузионную сварку, склеивание и пайку. Соединение - это любой процесс, который связывает вместе две или более деталей.“Joining” includes welding, diffusion welding, bonding and soldering. A join is any process that ties together two or more parts.
«Узел-заготовка» состоит из ряда листов, которые соединены друг с другом с образованием целостной слоистой стопки. Термином «узел-заготовка» иногда обозначается панель, и он может состоять из верхнего и нижнего листов, определяющих путь потока, и, как правило, содержит ряд листов в стопке, определяющих многочисленные пути потоков.A “workpiece assembly” consists of a series of sheets that are connected to each other to form an integral laminated stack. The term “workpiece assembly” is sometimes used to designate a panel, and it may consist of upper and lower sheets defining a flow path, and, as a rule, contains a series of sheets in a stack defining numerous flow paths.
Изобретение также включает способы выполнения технологических операций внутри устройства, описанного в настоящем документе. «Технологическая операция» означает химическую реакцию, испарение, сжатие, химическое разделение, дистилляцию, конденсацию, смешивание, нагрев или охлаждение. «Технологическая операция» не означает только перенос текучей среды, хотя технологические операции зачастую сопровождаются переносом. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления технологическая операция не представляет собой исключительно смешивание.The invention also includes methods for performing technological operations within the device described herein. "Technological operation" means a chemical reaction, evaporation, compression, chemical separation, distillation, condensation, mixing, heating or cooling. “Technological operation” does not only mean fluid transfer, although technological operations are often accompanied by transfer. In some preferred embodiments, the process step is not solely mixing.
Микроканальные реакторы характеризуются наличием по крайней мере одного канала реакции, имеющего по крайней мере один размер (от стенки до стенки без учета катализатора) 1,0 см или меньше, предпочтительно 2 мм или меньше (в некоторых вариантах осуществления около 1 мм или меньше) и больше 100 нм (предпочтительно больше 1 мкм) и в некоторых вариантах осуществления от 50 до 500 мкм. Канал, содержащий катализатор, является каналом реакции. В общем, канал реакции - это канал, в котором происходит реакция. Длина канала реакции, как правило, выше. Предпочтительно длина канала реакции составляет больше 1 см, в некоторых вариантах осуществления - больше 50 см, в некоторых вариантах осуществления - больше 20 см и в некоторых вариантах осуществления находится в диапазоне от 1 до 100 см.Microchannel reactors are characterized by having at least one reaction channel having at least one size (wall to wall excluding catalyst) of 1.0 cm or less, preferably 2 mm or less (in some embodiments, about 1 mm or less) and greater than 100 nm (preferably greater than 1 μm), and in some embodiments, from 50 to 500 μm. The channel containing the catalyst is a reaction channel. In general, a reaction channel is a channel in which a reaction occurs. The length of the reaction channel is usually higher. Preferably, the length of the reaction channel is greater than 1 cm, in some embodiments, greater than 50 cm, in some embodiments, greater than 20 cm, and in some embodiments, in the range of 1 to 100 cm.
«Прессовая посадка» описывает способ расположения оребренной пластины (предпочтительно медной волнообразной пластины) в пространстве внутри устройства. Оребренная пластина с прессовой посадкой удерживается на месте за счет сжатия или плотной посадки в свободном объеме внутри устройства или подузла. Хотя возможно выполнение небольшого количества прихваточных сварных швов, оребренная пластина с прессовой посадкой не подвергается пайке или сварке во всех точках контакта в положении установки. Предпочтительно оребренная пластина с прессовой посадкой удерживается на месте без применения связующего или любого иного способа химического связывания.“Press fit” describes a method for arranging a finned plate (preferably a copper wave plate) in the space inside the device. The press-fit fin plate is held in place by compression or tight fit in the free volume inside the device or subassembly. Although a small number of tack welds are possible, a press fit finned plate is not brazed or welded at all contact points in the installation position. Preferably, the press fit finned plate is held in place without the use of a binder or any other chemical bonding method.
Открытое пространство обозначает пространство внутри реактора, в котором отсутствуют соединенные внутренние опоры, сопротивляющиеся растяжению. Открытое пространство может содержать ребра или другие конструкции, которые представляют опоры, работающие на сжатие, но эти конструкции не закреплены по обеим сторонам поверхности контакта и в связи с этим не обеспечивают сопротивление растяжению. «Открытое пространство» может представлять собой часть более крупного пространства, однако в предпочтительных вариантах осуществления слоистое устройство сваривается или соединяется иным образом только на периферии.Open space refers to the space inside the reactor in which there are no connected internal supports that resist tension. The open space may contain ribs or other structures that constitute compressive supports, but these structures are not fixed on both sides of the contact surface and therefore do not provide tensile resistance. The "open space" may be part of a larger space, however, in preferred embodiments, the layered device is welded or otherwise connected only at the periphery.
Свободный объем - это пространство внутри устройства, которое открыто для доступа газообразного N2, поступающего в одно или более впускных отверстий устройства. Величина свободного объема может быть измерена путем откачивания газов из пространства в течение по крайней мере 10 секунд и подачи газа N2 в пространство с измерением объема газа N2, заполняющего пространство.Free space is the space inside the device that is open for access to gaseous N 2 entering one or more inlets of the device. The amount of free volume can be measured by evacuating gases from space for at least 10 seconds and supplying N 2 gas to the space with measuring the volume of N 2 gas filling the space.
Внутренний линейный шов - сварные швы, которые соединяют вместе два или более слоев в пределах периметра устройства с наружной сваркой по периметру.Inner linear seam - welds that connect together two or more layers within the perimeter of the device with external welding around the perimeter.
В соответствии со стандартной патентной терминологией «содержащий» означает «включающий», и ни один из этих терминов не исключает наличия дополнительных или множественных составляющих. Например, когда устройство содержит слой, лист и т.д., следует понимать, что устройство изобретения может включать ряд слоев, листов и т.д. В альтернативных вариантах осуществления термин «содержащий» может быть заменен на более строгие словосочетания «включающий по существу» или «состоящий из».In accordance with standard patent terminology, “comprising” means “including,” and none of these terms excludes the presence of additional or plural components. For example, when the device contains a layer, sheet, etc., it should be understood that the device of the invention may include a number of layers, sheets, etc. In alternative embodiments, the term “comprising” may be replaced by more stringent phrases “comprising essentially” or “consisting of”.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фигура 1 иллюстрирует некоторые элементы, из которых возможна сборка технологического слоя.Figure 1 illustrates some of the elements from which the assembly of the technological layer is possible.
Фигура 2 демонстрирует укладку составляющих с образованием подузлов и уложенных в стопку подузлов. Каждый проиллюстрированный технологический слой содержит 3 оребренных вставки.Figure 2 shows the stacking of components to form subnodes and stacked subnodes. Each illustrated process layer contains 3 finned inserts.
Фигура 3 демонстрирует слоистую стопку при сжатии и вид угла устройства.Figure 3 shows a layered stack in compression and a view of the angle of the device.
Фиг.4А иллюстрирует две пластины, образующие соединение для снятия напряжения.4A illustrates two plates forming a stress relieving connection.
Фиг.4В иллюстрирует узлы расширительных соединений, приваренные к верхней и нижней части камеры реактора.Figv illustrates the nodes of the expansion joints welded to the upper and lower parts of the reactor chamber.
Фигура 5 иллюстрирует «венцы», устанавливаемые на наружную часть слоистого устройства.Figure 5 illustrates the "crowns" mounted on the outer part of the layered device.
Фигура 6 демонстрирует выравнивание поверхности теплоносителя с узлами каналов теплоносителя и фасками концевой пластины.Figure 6 shows the alignment of the surface of the coolant with the nodes of the channels of the coolant and chamfers of the end plate.
Фигура 7 представляет собой фотографию, иллюстрирующую угловой сварной шов, добавленный (иллюстрация справа) с целью создания более равномерной платформы для узла удерживания катализатора. Неправильная форма оребренной пластины, показанной в правой части фиг.7, обусловлена сжатием.Figure 7 is a photograph illustrating a fillet weld added (illustration to the right) to create a more uniform platform for the catalyst holding assembly. The irregular shape of the fin plate shown on the right side of FIG. 7 is due to compression.
Фигура 8 демонстрирует технологические коллекторы для реактора изобретения. На фигуре показаны коллекторы (вверху и внизу) и камера слоистого реактора (по центру).Figure 8 shows the process manifolds for the reactor of the invention. The figure shows the collectors (top and bottom) and the chamber of the layered reactor (in the center).
Фигура 9 демонстрирует коллекторы теплоносителя для устройства изобретения.Figure 9 shows the collectors of the coolant for the device of the invention.
Фигура 10 демонстрирует переход к частичному кипению и устойчивой производительности для цельносварного реактора.Figure 10 shows the transition to partial boiling and steady performance for an all-welded reactor.
Фигура 11 демонстрирует график теплового убегания в цельносварном реакторе изобретения при времени контакта 70 мс.Figure 11 shows a graph of thermal runaway in an all-welded reactor of the invention at a contact time of 70 ms.
Фиг.12 иллюстрирует предварительный изгиб, выполненный параллельно каналам теплоносителя для снижения кривизны.12 illustrates a preliminary bend made parallel to the coolant channels to reduce curvature.
Фиг.13 представляет снимок в разрезе оребренной пластины с прессовой посадкой, смежной с гребнями, образованными в процессе лазерной сварки. Оребренная пластина контактирует с гребнями, и между оребренной пластиной и теплопередающей стенкой наблюдается мелкая открытая трещина.13 is a sectional view of a finned plate with a press fit adjacent to ridges formed during laser welding. The finned plate contacts the ridges, and a small open crack is observed between the finned plate and the heat transfer wall.
Фиг.14 демонстрирует линии сплавления лазерных швов, которые соединяют верхнюю часть ребер между параллельными и смежными каналами теплоносителя, сформированными в нижней пластине.Fig. 14 shows fusion lines of laser seams that connect the top of the ribs between parallel and adjacent coolant channels formed in the bottom plate.
Фигура 15 демонстрирует камеру слоистого реактора (слева) и реактор с внешними опорами (экзоскелет).Figure 15 shows a chamber of a layered reactor (left) and a reactor with external supports (exoskeleton).
Фиг.16 иллюстрирует узел, образованный из 4 подузлов, которые были соединены точечной сваркой.Fig.16 illustrates a node formed of 4 subnodes that were connected by spot welding.
Фигура 17 иллюстрирует устройство из примера 8, включающее наружные опоры. Размеры камеры устройства составляли примерно 0,6×0,6×0,08 м.Figure 17 illustrates the device of example 8, including external supports. The dimensions of the device’s chamber were approximately 0.6 × 0.6 × 0.08 m.
Фигура 18 демонстрирует график цикла давления, используемого для гидростатических испытаний технологического контура устройства из примера 8.Figure 18 shows a graph of the pressure cycle used for hydrostatic testing of the process circuit of the device of example 8.
Фигура 19 демонстрирует график цикла давления, используемого для гидростатических испытаний контура теплоносителя устройства из примера 8.Figure 19 shows a graph of the pressure cycle used for hydrostatic testing of the coolant circuit of the device of example 8.
Фигура 20 демонстрирует график температуры катализатора вдоль центральной линии слоя основания. Высота оребренной пластины составляет 0,563 см (0,225″).Figure 20 shows a graph of the temperature of the catalyst along the center line of the base layer. The height of the finned plate is 0.563 cm (0.225 ″).
Фигура 21: пример 10: температура катализатора вдоль центральной линии уплотненного слоя. Высота оребренной пластины 0,5″.Figure 21: Example 10: Catalyst temperature along the center line of the packed bed. The height of the finned plate is 0.5 ″.
Фигура 22: пример 10: температура катализатора вдоль центральной линии уплотненного слоя. Высота оребренной пластины 2,5 см (1,0″).Figure 22: Example 10: Catalyst temperature along the center line of the packed bed. The height of the finned plate is 2.5 cm (1.0 ″).
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION
Описанное изобретение предлагает способы производства устройств и устройства, которые могут быть изготовлены в соответствии с этими способами. Изобретение далее включает способы выполнения технологических операций в устройствах. Технологические операции могут включать химические реакции, изменение фазы, смешивание, теплопередачу и разделение. Устройства могут быть микроканальными, или могут использоваться устройства с более крупными характеристическими размерами. Характеристический размер микроканала определяется как 10 мм или меньше в диапазоне от 0,001 мм до 10 мм, в предпочтительном диапазоне от 0,01 мм до 2 мм и в некоторых вариантах осуществления от 0,1 до 2 мм.The described invention provides methods for manufacturing devices and devices that can be manufactured in accordance with these methods. The invention further includes methods for performing technological operations in devices. Technological operations may include chemical reactions, phase change, mixing, heat transfer and separation. The devices may be microchannel, or devices with larger characteristic sizes may be used. The characteristic microchannel size is defined as 10 mm or less in the range of 0.001 mm to 10 mm, in the preferred range of 0.01 mm to 2 mm, and in some embodiments, 0.1 to 2 mm.
В некоторых вариантах осуществления способ включает первый этап формирования подузла из по крайней мере двух листов - нижнего листа и верхнего листа (нижний лист может содержать вытравленные каналы); в альтернативном варианте между верхним и нижним листами может быть расположен лист со сквозными каналами. В некоторых вариантах осуществления подузел может быть выполнен из трех или более листов. Возможны небольшие утечки, но текучая среда, циркулирующая через первый узел, по существу остается внутри первого подузла. На втором этапе первый подузел укладывается смежно с технологическим слоем, и подузел и технологический слой соединяются с прессовой посадкой, обеспечивающей термический контакт, с образованием узла, который включает по крайней мере два или более канала текучей среды.In some embodiments, the method includes the first step of forming a subnode of at least two sheets — a bottom sheet and a top sheet (the bottom sheet may comprise etched channels); alternatively, a sheet with through channels may be located between the upper and lower sheets. In some embodiments, a subnode may be made up of three or more sheets. Small leaks are possible, but the fluid circulating through the first assembly essentially remains inside the first subassembly. In a second step, the first subassembly is laid adjacent to the process layer, and the subassembly and the process layer are connected to a press fit that provides thermal contact to form a assembly that includes at least two or more fluid channels.
Один способ соединения подузла предлагает создание короткой стопки слоев, которая включает два или более слоя для создания каналов текучей среды. В альтернативных вариантах осуществления более двух слоев могут быть соединены для создания системы параллельных каналов текучей среды или подузла, который обеспечивает каналы текучей среды для двух или более текучих сред.One way to connect a subnode is to create a short stack of layers that includes two or more layers to create fluid channels. In alternative embodiments, more than two layers may be connected to form a system of parallel fluid channels or a subassembly that provides fluid channels for two or more fluids.
В качестве примера одного варианта осуществления для формирования первого узла прокладка или слой, содержащий предварительно сформированные каналы (каналы могут быть выполнены травлением), соединяется с верхней пластиной. Кромки подузла являются по существу герметически уплотненными вдоль кромок для предотвращения утечки текучей среды через боковые края и поддержания непрерывности проходного сечения таким образом, что более 95% и предпочтительно 99%, и более предпочтительно 99,9% текучей среды, которая поступает из первого впускного отверстия, покидает подузел через первое выпускное отверстие, а не вытекает через боковые края или по другим путям, не предусмотренным для направления потока. В альтернативных вариантах осуществления возможно более одного впускного и/или выпускного отверстия, что определяется слоистой геометрией изделия.As an example of one embodiment, for forming the first assembly, a gasket or layer containing preformed channels (channels can be etched) is connected to the upper plate. The edges of the subassembly are substantially hermetically sealed along the edges to prevent leakage of fluid through the lateral edges and to maintain continuity of the bore so that more than 95% and preferably 99%, and more preferably 99.9% of the fluid that comes from the first inlet leaves the subnode through the first outlet, and does not flow out through the side edges or along other paths not provided for flow direction. In alternative embodiments, more than one inlet and / or outlet is possible, as determined by the layered geometry of the article.
Слоистые изделия предпочтительно также уплотнены вдоль верхней или нижней поверхности подузла по длине коридоров непрерывного металла или материала; в некоторых предпочтительных вариантах осуществления по крайней мере 50% коридоров имеют непрерывные уплотнения в направлении длины на по крайней мере верхней и/или нижней поверхности; как правило, уплотнения расположены вдоль стенок каналов, которые разделяют каналы. Соединение может осуществляться только на участках, где при укладке подузла осуществляется контакт металла между слоями. Должно быть понятно, что участки, содержащие канал потока или свободный объем для циркуляции текучих сред после изготовления устройства, не должны быть закрыты. Уплотнение образуется за счет контакта двух материалов. Также должно быть понятно, что соединение подузла вдоль одной или более поверхностей подузла может быть непрерывным вдоль пути потока или прерывистым в соответствии с эксплуатационными требованиями к конструкции устройства. Текучая среда может вытекать или подаваться из одного параллельного канала к следующему внутри первого подузла при испытаниях функциональности устройства или при выполнении проверок контроля качества перед эксплуатацией. Этот малый объем поперечного потока составляет меньше 20% потока на канал и более предпочтительно менее 10%, и еще более предпочтительно 25 или меньше; эти проценты могут быть основаны на средних показателях поперечного потока через все каналы или поперечном потоке из любого избранного канала.Layered products are also preferably sealed along the upper or lower surface of the subassembly along the length of the corridors of a continuous metal or material; in some preferred embodiments, at least 50% of the corridors have continuous seals in the length direction on at least the upper and / or lower surface; seals are generally located along the walls of the channels that separate the channels. The connection can only be carried out in areas where, when laying the subassembly, metal contacts between the layers. It should be understood that areas containing a flow channel or a free volume for circulating fluids after manufacturing the device should not be closed. The seal is formed by the contact of two materials. It should also be understood that the connection of the subassembly along one or more surfaces of the subassembly can be continuous along the flow path or intermittent in accordance with the operational requirements for the design of the device. The fluid may flow or flow from one parallel channel to the next inside the first subassembly when testing the functionality of the device or when performing quality control checks before use. This small cross-flow volume is less than 20% of the flow per channel, and more preferably less than 10%, and even more preferably 25 or less; these percentages can be based on average cross-flow through all channels or cross-flow from any selected channel.
Соединение подузла включает по крайней мере два слоя, но может включать три или более слоя. В одном варианте осуществления в подузел соединены двадцать или более слоев. Способы соединения первого подузла включают, но не ограничиваются, лазерную сварку, контактную сварку сопротивлением, ротационную сварку трением, ультразвуковую сварку, диффузионную сварку, пайку, диффузионную пайку или пайку с прозрачной жидкой фазой, клеевое соединение, реактивное соединение, механическое соединение и т.п. Применение лазерной сварки является предпочтительным вариантом осуществления при использовании лазерной сварки определенного типа (включая волоконные лазеры и волоконные иттербиевые лазеры, в частности, в связи с их низкой потребляемой мощностью, которая ограничивает уровень деформаций металла после соединения).A subnode connection includes at least two layers, but may include three or more layers. In one embodiment, twenty or more layers are connected to a subnode. Methods for connecting the first subassembly include, but are not limited to, laser welding, resistance resistance welding, friction rotational welding, ultrasonic welding, diffusion welding, soldering, diffusion soldering or soldering with a transparent liquid phase, adhesive bonding, reactive bonding, mechanical bonding, etc. . The use of laser welding is the preferred embodiment when using laser welding of a certain type (including fiber lasers and ytterbium fiber lasers, in particular due to their low power consumption, which limits the level of metal deformation after joining).
Способ соединения поверхности подузла может быть аналогичным или отличным от способа уплотнения кромок подузла. В одном варианте осуществления для уплотнения вдоль периметра используется волоконный лазер, а в другом варианте осуществления используется импульсный лазер. Также для уплотнения периметра (за исключением участков входа или выхода из слоя каналов потока) могут быть использованы другие способы сварки или соединения.The method of connecting the surface of the subassembly may be similar or different from the method of sealing the edges of the subassembly. In one embodiment, a fiber laser is used to densify along the perimeter, and in another embodiment, a pulsed laser is used. Other methods of welding or joining can also be used to seal the perimeter (with the exception of the areas of entry or exit from the layer of flow channels).
Соединенный или уплотненный подузел предпочтительно подвергается проверке качества (контролю качества) перед укладкой в узел. Оценка может быть выполнена для каждого подузла, контролю качества может быть подвергнута статистическая выборка подузлов, либо оценка качества может быть выполнена для случайной выборки подузлов. Проверка качества может включать испытание под давлением для проверки на утечки, испытания в потоке для проверки падения давления или испытания с применением красителя для проверки распределения времени пребывания, на основании которого можно сделать вывод о потоке между предполагаемыми уплотненными внутренними параллельными каналами.The connected or sealed subassembly is preferably subjected to a quality control (quality control) before being placed in the assembly. Evaluation can be performed for each subnode, quality control can be subjected to statistical sampling of subnodes, or quality assessment can be performed for a random selection of subnodes. Quality control may include a pressure test to check for leaks, a flow test to check the pressure drop, or a dye test to check the distribution of residence time, based on which a flow can be inferred between the proposed sealed internal parallel channels.
Соединенные или уплотненные подузлы далее могут быть соединены в узел посредством чередования или повторения соединенных подузлов со вторым подузлом или второй системой каналов текучей среды для создания устройства с двумя или более наборами каналов текучей среды.The connected or sealed sub-assemblies can then be connected to a node by alternating or repeating the connected sub-assemblies with a second sub-unit or a second system of fluid channels to create a device with two or more sets of fluid channels.
Канал текучей среды может включать волнообразную или оребренную конструкцию либо альтернативную конструкцию, пригодную для химической обработки, такую как пена, войлок, набивка, ячеистые структуры, такие как аэрогель, соты и т.п. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления волнообразная или оребренная конструкция создает каналы или камеры, имеющие коэффициент соотношения сторон (высота к ширине) больше единицы, где высота представляет собой расстояние между двумя подузлами, а ширина - расстояние между повторяющимися оребренными пластинами или смежными плечами (волнообразные поверхности) волнообразной пластины. В альтернативном варианте осуществления второй канал текучей среды может содержать любую теплопроводящую конструкцию.The fluid channel may include a wave or ribbed structure or an alternative structure suitable for chemical treatment, such as foam, felt, packing, cellular structures such as airgel, honeycombs, and the like. In some preferred embodiments, the implementation of a wave-like or finned structure creates channels or chambers having an aspect ratio (height to width) greater than one, where the height is the distance between two subnodes and the width is the distance between repeating finned plates or adjacent shoulders (wave-like surfaces) wavy plate. In an alternative embodiment, the second fluid channel may comprise any heat-conducting structure.
В предпочтительном варианте осуществления второй канал текучей среды включает технологические каналы, а первый подузел содержит теплопередающие каналы, хотя в некоторых вариантах осуществления эта функциональная взаимосвязь может быть обратной.In a preferred embodiment, the second fluid channel includes process channels, and the first subassembly contains heat transfer channels, although in some embodiments this functional relationship may be inverse.
Пример элементов, которые можно использовать для конструирования канала текучей среды, представлен на фиг.1, где волнообразная пластина создается из плоской фольги. Наружная часть канала текучей среды уплотняется с использованием стыковых планок (также определенных как периферийные планки, или п-планки) либо боковых планок, а также может включать использование опорных планок (о-планок).An example of elements that can be used to construct a fluid channel is shown in FIG. 1, where a wave plate is created from a flat foil. The outer portion of the fluid channel is sealed using butt planks (also defined as peripheral planks, or p-planks) or side planks, and may also include the use of support strips (o-planks).
Первый подузел размещается или укладывается между слоем второго канала текучей среды (показан как волнообразный слой). Это показано на фиг.2. Возможен один непрерывный второй канал текучей среды или ряд непрерывных каналов текучей среды (три показаны на фигуре 2), уложенных на каждом слое для второго канала текучей среды.The first subnode is placed or laid between the layer of the second fluid channel (shown as a wave-like layer). This is shown in FIG. One continuous second fluid channel is possible, or a series of continuous fluid channels (three are shown in FIG. 2) laid on each layer for the second fluid channel.
Технологическая волнообразная пластина может быть соединена с первым подузлом с применением сварки на вершинах выпуклостей или термического соединения связующими или другими материалами, которые повышают теплопроводность контакта между первым подузлом и вторым каналом текучей среды. В одном варианте осуществления два слоя запрессовываются друг в друга в процессе укладки и подвергаются сварке без добавления дополнительного материала для повышения термического соединения (этот вариант осуществления без пайки или сварных швов для соединения деталей называется «прессовой посадкой»). В другом варианте осуществления для снижения сопротивления между первым подузлом и вторым каналом текучей среды добавляется дополнительный материал. В другом варианте осуществления термический контакт при химической обработке повышается за счет применения многостадийного процесса, в котором малый просвет или зазоры между технологической конструкцией с прессовой посадкой и подузлами заполняются жидкостью в процессе обработки под действием капиллярных сил. Жидкость может предпочтительно заполнять зазоры и повышать проводимость композитной структуры при эксплуатации химической установки.Technological wave plate can be connected to the first subassembly using welding on the peaks of the bulges or thermal bonding with binders or other materials that increase the thermal conductivity of the contact between the first subassembly and the second fluid channel. In one embodiment, the two layers are pressed into each other during installation and are welded without adding additional material to increase the thermal connection (this embodiment without soldering or welds for joining parts is called "press fit"). In another embodiment, additional material is added to reduce resistance between the first subassembly and the second fluid channel. In another embodiment, the thermal contact during chemical treatment is enhanced by the use of a multi-stage process in which a small clearance or gaps between the press fit technological structure and subassemblies are filled with liquid during processing under the action of capillary forces. The fluid may preferably fill the gaps and increase the conductivity of the composite structure during operation of a chemical plant.
После укладки комбинированной стопки, которая включает первый подузел и второй канал текучей среды, устройство изобретения соединяется для образования стопки с применением такого способа, как, но, не ограничиваясь, наружная сварка, связующие и реактивное соединение. Для сварки стопки могут использоваться различные способы сварки, включая, в том числе газовольфрамовую сварку, сварку плавящимся электродом в инертном газе, лазерную сварку, электронно-лучевую сварку. Также для соединения периметра может быть использована пайка мягким припоем, если эксплуатационная температура и давление химического реактора являются достаточно благоприятными для применения мягкого припоя.After laying the combined stack, which includes the first subnode and the second fluid channel, the device of the invention is connected to form a stack using a method such as, but not limited to, external welding, binders and reactive bonding. Various methods of welding can be used to weld the stack, including, but not limited to, gas-tungsten welding, inert gas consumable electrode welding, laser welding, and electron beam welding. Also, soft soldering can be used to connect the perimeter if the operating temperature and pressure of the chemical reactor are favorable enough for the use of soft solder.
Перед соединением конечного узла стопка может быть подвергнута сжатию для обеспечения контакта слоев и снижения полостей между слоями, где происходит окончательное соединение устройства. Сжатие может быть выполнено, например, с использованием зажимного приспособления, прикладывающего нагрузку за счет болтового соединения, или с применением наружного пресса для прикладывания нагрузки к стопке. Волнообразная пластина с прессовой посадкой может деформироваться при сжатии и оставаться в деформированном состоянии после прекращения сжатия.Before connecting the final node, the stack can be compressed to provide contact between the layers and reduce the cavities between the layers where the final connection of the device takes place. Compression can be performed, for example, using a clamping device applying a load by means of a bolted connection, or using an external press to apply a load to the stack. A press-fit wave plate may deform under compression and remain in a deformed state after compression has ceased.
Перед укладкой может потребоваться выравнивание узлов. Один способ выравнивания включает выравнивание прокаткой сваренного лазерной сваркой подузла на рихтовочном станке. Этот способ снизил деформацию при использовании пластин с размерами 15×60 см (6″×24″). Эти панели имели деформацию в одном направлении - по длине линий сплавления сварных швов. Выравнивание прокаткой дало менее успешные результаты для подузла с размерами 60×60 см (24″×24″), когда деталь имела деформации в двух направлениях (форма чаши или трехмерная параболообразная форма). Стандартный рихтовочный станок был использован для выравнивания деформированной детали, но это привело к разрушению лазерных сварных швов. Нестандартный ручной валик мягкого действия был использован для менее агрессивного изгиба деформированной детали к более ровному состоянию. Нестандартный ручной валик обеспечил некоторое снижение деформации, но не обеспечил восстановление по существу ровного состояния детали, где по существу ровное состояние определяется отставанием любого угла детали, уложенной на ровную поверхность, не более чем на 1 см. Таким образом, мягкое выравнивание может обеспечить получение более качественного устройства, в частности, для подузлов с различной шириной и длиной (т.е. не квадратных подузлов). В некоторых предпочтительных вариантах осуществления выравнивание выполняется для подузлов, имеющих ширину около 15 см или менее; в некоторых вариантах осуществления - ширину от около 10 до 20 см.Before laying, alignment of nodes may be required. One leveling method involves leveling by rolling a laser welded subassembly on a straightening machine. This method reduced deformation when using plates with dimensions of 15 × 60 cm (6 ″ × 24 ″). These panels had deformation in one direction - along the length of the fusion lines of the welds. Alignment by rolling gave less successful results for a subassembly with dimensions of 60 × 60 cm (24 ″ × 24 ″), when the part had deformations in two directions (bowl shape or three-dimensional parabolic shape). A standard leveling machine was used to align the deformed part, but this led to the destruction of laser welds. A non-standard soft-action manual roller was used for less aggressive bending of the deformed part to a more even state. A non-standard hand roller provided some reduction in deformation, but did not restore a substantially even state of the part, where a substantially even state is determined by a lag of no more than 1 cm behind any corner of the part laid on a flat surface. Thus, soft alignment can provide more high-quality device, in particular, for subnodes with different widths and lengths (i.e. non-square subnodes). In some preferred embodiments, alignment is performed for subnodes having a width of about 15 cm or less; in some embodiments, a width of from about 10 to 20 cm.
V-образные канавки представляют преимущество между подузлами, поскольку угловые сварные швы могут быть использованы для заполнения V-образных канавок. Подузел может несколько выступать за участок боковых планок или стыковых планок. В альтернативном варианте осуществления подузел установлен по существу вровень со стыковой планкой. По существу вровень означает в пределах 5 или менее толщин подузла. В качестве примера, если бы толщина подузла составляла 0,025 см (0,01″), в таком случае выступание или углубление кромки подузла не должно было бы составлять более 0,125 см (0,05″) от кромки стыковой планки. Для подузла толщиной 0,15 см (0,06″) смещение от расположения вровень составляет не более 0,75 см (0,3″) с предпочтительным смещением не более 0,15 см (0,06″) от расположения вровень, напр., выступание на 0,15 см (0,06″) или углубление на 0,15 см (0,06″) в качестве предварительного варианта осуществления.V-grooves are an advantage between sub-assemblies, since fillet welds can be used to fill V-grooves. A subnode may protrude slightly beyond a portion of the side slats or butt planks. In an alternative embodiment, the subassembly is installed substantially flush with the butt plate. Essentially flush means within 5 or less of the thickness of the subnode. As an example, if the thickness of the subassembly was 0.025 cm (0.01 ″), then the protrusion or recess of the edge of the subassembly would not be more than 0.125 cm (0.05 ″) from the edge of the butt strip. For a subassembly with a thickness of 0.15 cm (0.06 ″), the offset from the flush location is not more than 0.75 cm (0.3 ″) with a preferred offset of not more than 0.15 cm (0.06 ″) from the flush location, e.g. ., a protrusion of 0.15 cm (0.06 ″) or a recess of 0.15 cm (0.06 ″) as a preliminary embodiment.
Ключевое преимущество этого комбинированного способа производства заключается в снижении требований к подготовке поверхности для диффузионной сварки и/или пайки. Для качественной диффузионной сварки и/или пайки поверхности должны быть очень чистыми, ровными и с жесткими допусками для точной подгонки. Устранение этапа диффузионной пайки и/или сварки также устраняет необходимость в воздействии высоких температур на крупное устройство, которое требуется для диффузионной сварки и/или пайки. Энергия, необходимая для нагрева и охлаждения крупного устройства является значительной, как и время, требуемое для нагрева и охлаждения крупного устройства при сварке или пайке, чтобы исключить избыточные температурные напряжения и соответствующую деформацию. Для устройства, выполненного из нержавеющей стали, состоящего из преимущественно ровных внутренних слоев, внутренний температурный градиент от наиболее удаленного от центра угла к центральной точке должен составлять менее 30°C при температуре выше 500°C для предотвращения механической деформации слоя. Для устройства с поперечным сечением больше 0,5×0,5 м может потребоваться несколько суток для нагрева и несколько суток для охлаждения устройства при пайке или сварке в процессе вакуумной термической обработки. Необходимое время на обработку и подготовку поверхности деталей повышает общую стоимость реактора.A key advantage of this combined manufacturing method is to reduce the requirements for surface preparation for diffusion welding and / or soldering. For good diffusion welding and / or soldering, surfaces must be very clean, even and with tight tolerances for a precise fit. Eliminating the stage of diffusion soldering and / or welding also eliminates the need for high temperatures to affect the large device that is required for diffusion welding and / or soldering. The energy required for heating and cooling a large device is significant, as is the time required for heating and cooling a large device during welding or soldering to eliminate excessive temperature stresses and corresponding deformation. For a device made of stainless steel, consisting of predominantly even inner layers, the internal temperature gradient from the farthest corner from the center to the center point should be less than 30 ° C at temperatures above 500 ° C to prevent mechanical deformation of the layer. For a device with a cross-section of more than 0.5 × 0.5 m, it may take several days to heat up and several days to cool the device during soldering or welding during vacuum heat treatment. The necessary time for processing and preparing the surface of the parts increases the total cost of the reactor.
Способ изобретения для производства устройства исключает необходимость этапа диффузионной сварки и/или пайки реактора. Способ изобретения может обеспечить производство реакторов более высокого качества при сниженной стоимости и за меньшее время.The inventive method for manufacturing a device eliminates the need for a diffusion welding and / or soldering step of the reactor. The method of the invention can provide the production of higher quality reactors at a reduced cost and in less time.
Неожиданный результат устройства изобретения с прессовой посадкой заключается в эффекте сопротивления контакта между слоями. Прессовая посадка слоев не обеспечивает плотный термический контакт, что дополнительно усугубляется по мере повышения размера устройства и неидеальном выравнивании начальной детали. Тепло передается между первым подузлом и вторым каналом текучей среды через участок контакта низкого качества, разделяющего потоки текучей среды. В устройстве с применением диффузионной сварки или пайки каждый слой находится в плотном термическом контакте, что обусловлено самим характером диффузионной сварки и/или пайки, тогда как локальная шероховатость поверхности и/или неровности детали либо исходная деформация снижают эффективность теплопередачи между слоями.An unexpected result of the press-fit device of the invention is the effect of contact resistance between the layers. Press fit of the layers does not provide tight thermal contact, which is further aggravated as the size of the device increases and imperfect alignment of the initial part. Heat is transferred between the first subassembly and the second fluid channel through a low quality contact portion separating the fluid flows. In a device using diffusion welding or soldering, each layer is in close thermal contact, which is due to the nature of diffusion welding and / or soldering, while local surface roughness and / or roughness of the part or initial deformation reduce the heat transfer efficiency between the layers.
Значимость термического контакта между слоями зависит от эксплуатационных требований к процессу для реактора или устройства. В некоторых вариантах осуществления внутренние полости между двумя слоями заполняются при эксплуатации технологической рабочей средой. В другом варианте осуществления термически соединяющий материал, такой как связующее, замазка, жидкость или деформируемое твердое тело, как например, графит или подобный промежуточный слой, может быть введен в слой с прессовой посадкой для снижения сопротивления контакта между двумя слоями текучей среды (по крайней мере один из которых является слоем с прессовой посадкой).The significance of the thermal contact between the layers depends on the operational requirements of the process for the reactor or device. In some embodiments, the internal cavities between the two layers are filled during operation with a process fluid. In another embodiment, a thermally bonding material, such as a binder, putty, liquid, or a deformable solid, such as graphite or a similar intermediate layer, may be introduced into the press fit layer to reduce contact resistance between the two fluid layers (at least one of which is a press fit layer).
В некоторых вариантах осуществления промежуточный термический контактный слой не требуется. В реакторе изобретения было выполнено испытание для реакции Фишера-Тропша без использования промежуточного слоя для повышения термического контакта между технологической стороной волнообразной пластины и стороной теплоносителя подузла, сваренного лазерной сваркой. Эксплуатационные показатели по существу соответствовали показателям, измеренным для цельнопаяного реактора аналогичной конструкции.In some embodiments, an intermediate thermal contact layer is not required. In the reactor of the invention, a test was performed for the Fischer-Tropsch reaction without using an intermediate layer to increase thermal contact between the technological side of the wave-like plate and the coolant side of the laser welded subassembly. The performance indicators essentially corresponded to those measured for a solid brazed reactor of a similar design.
Также предусмотрено, что реакции или технологические операции с участием водорода и/или жидкости, включая, но, не ограничиваясь, реакции гидрирования, гидрокрекинга или гидрообработки, не требуют применения теплопроводящего слоя между первым подузлом и вторым каналом текучей среды. Эти текучие среды обладают хорошим коэффициентом теплопроводности, и при заполнении этими текучими средами полостей может быть обеспечена хорошая теплопроводность. Жидкости обеспечат достаточное капиллярное натяжение для проникновения в полости между оребренной пластиной и смежной теплопередающей поверхностью. Кроме того, следует отметить, что поверхностное натяжение масел по существу ниже на меди, чем на нержавеющей стали, что далее способствует капиллярному натяжению масла или воска в случае реактора Фишера-Тропша для проникновения в полости между медью и нержавеющей сталью (или другим металлом) в ходе реакции. Повышенное поверхностное натяжение масла или разжиженного воска на нержавеющей стали может не иметь того же эффекта или вызывать необходимость в существенно меньших зазорах для проникновения жидкости в полости. Также предусмотрено, что медные оребренные пластины будут менее восприимчивы к производственным отклонениям.It is also contemplated that reactions or process steps involving hydrogen and / or liquid, including but not limited to hydrogenation, hydrocracking, or hydrotreatment reactions, do not require the use of a heat-conducting layer between the first subassembly and the second fluid channel. These fluids have a good coefficient of thermal conductivity, and when these cavities are filled with cavities, good thermal conductivity can be ensured. The fluids will provide sufficient capillary tension to penetrate into the cavity between the finned plate and the adjacent heat transfer surface. In addition, it should be noted that the surface tension of the oils is substantially lower on copper than on stainless steel, which further contributes to the capillary tension of the oil or wax in the case of the Fischer-Tropsch reactor for penetration into the cavity between copper and stainless steel (or another metal) in the course of the reaction. The increased surface tension of the oil or liquefied wax on stainless steel may not have the same effect or may require significantly smaller clearances for liquid to enter the cavity. It is also envisaged that copper finned plates will be less susceptible to manufacturing deviations.
Предусмотрено, что для реакций, включающих реакции окисления, может потребоваться применение промежуточного теплопроводящего материала. В одном варианте осуществления катализатор с покрытием из пористого оксида или другая удерживаемая текучая среда во втором канале текучей среды также может служить в качестве промежуточного теплопроводящего материала при заполнении полостей между двумя слоями для обеспечения теплопередачи и регулирования температуры реакции.It is contemplated that reactions involving oxidation reactions may require the use of an intermediate heat-conducting material. In one embodiment, a porous oxide coated catalyst or other retained fluid in a second fluid channel can also serve as an intermediate heat conducting material when filling cavities between two layers to provide heat transfer and control the reaction temperature.
Соединение для снятия напряженияStress relief connection
Соединение для снятия напряжения, выполненное из двух сваренных вместе пластин, может быть добавлено к стопке для снижения напряжения, присутствующего в сварных швах, соединяющих смежные слои в камере. Соединение предназначено для раскрытия (расширения) по мере нагнетания давления при эксплуатации. При этом уплотняющие сварные швы, расположенные на наружных поверхностях реактора, остаются ненапряженными, что повышает срок службы устройства.A stress relieving joint made of two plates welded together can be added to the stack to reduce the stress present in the welds connecting adjacent layers in the chamber. The connection is designed to open (expand) as pressure is increased during operation. In this case, the sealing welds located on the outer surfaces of the reactor remain unstressed, which increases the service life of the device.
Расширительное соединение выполнено из двух металлических пластин, как правило, одной ширины и длины со стопкой. Например, в устройстве, представленном в другом месте настоящего описания, пластины имеют ширину ~60 см (24″) и длину 60 см (24″), соответствуя размерам других пластин в стопке. Предпочтительно нижняя пластина тоньше верхней пластины в соединении для снятия напряжений; например, пластина основания (т.е. пластина, копланарная и контактирующая со стопкой) может иметь толщину ~0,625 см (0,25″), а верхняя пластина (пластина ближе к наружной основной поверхности) - толщину 0,1 см (0,04″). В некоторых предпочтительных вариантах осуществления пластина основания содержит ряд отверстий, а верхняя пластина не имеет отдельных особенностей. Пластины располагаются друг на друге и выравниваются по кромкам. Далее пластины свариваются с применением лазерной сварки. Кромки пластин расширительного соединения не имеют непрерывных сварных швов; это обеспечивает перемещение пластин в процессе эксплуатации устройства. Предпочтительно контур сварных швов выполнен таким образом, что кромки пластин соединены только по углам. Это обеспечивает разделение кромок в процессе эксплуатации для компенсации при необходимости любого расширения реактора, не подвергая напряжению уплотняющие сварные швы на реакторе, и изоляцию различных внутренних швов друг от друга. Отверстия в пластине основания обеспечивают индивидуальную проверку сварных швов на утечки перед сборкой в реактор. После успешно пройденных квалификационных испытаний для расширительного соединения отверстия в пластине основания могут быть заполнены с использованием стандартного процесса газовольфрамовой сварки.The expansion joint is made of two metal plates, usually of the same width and length with a stack. For example, in the device presented elsewhere in the present description, the plates have a width of ~ 60 cm (24 ″) and a length of 60 cm (24 ″), corresponding to the sizes of the other plates in the stack. Preferably, the bottom plate is thinner than the top plate in the stress relieving joint; for example, a base plate (i.e., a plate coplanar and in contact with the stack) may have a thickness of ~ 0.625 cm (0.25 ″), and the upper plate (the plate closer to the outer main surface) may have a thickness of 0.1 cm (0, 04 ″). In some preferred embodiments, the implementation of the base plate contains a number of holes, and the upper plate does not have separate features. The plates are arranged on top of each other and aligned along the edges. Next, the plates are welded using laser welding. The edges of the expansion joint plates do not have continuous welds; this ensures the movement of the plates during operation of the device. Preferably, the contour of the welds is designed so that the edges of the plates are connected only at the corners. This ensures separation of the edges during operation to compensate for any expansion of the reactor if necessary, without stressing the sealing welds on the reactor, and isolating the various internal seams from each other. The holes in the base plate provide an individual leak check of the welds before assembly into the reactor. After successfully passed qualification tests for expansion joints, the holes in the base plate can be filled using the standard gas tungsten welding process.
Предпочтительно в камере готового реактора используются два узла расширительного соединения: один в верхней части камеры, и один - в нижней части. Предпочтительно одна пластина соединения для снятия напряжений расположена напротив камеры реактора и сварена с подузлом теплоносителя по всей окружности периметра.Preferably, two expansion joint assemblies are used in the finished reactor chamber: one at the top of the chamber, and one at the bottom. Preferably, one stress relieving plate is located opposite the reactor chamber and welded to the coolant subassembly along the entire circumference of the perimeter.
В процессе эксплуатации реактор находится под давлением. Давление приводит к упругому растяжению наружных опор. При отсутствии соединений для снятия напряжений это привело бы к соответствующему растяжению самой камеры реактора и развитию вызванных напряжением деформаций в уплотняющих сварных швах. В присутствии соединений для снятия напряжений упругое растяжение вызывает раскрытие соединений, снижая деформации в сварных швах.During operation, the reactor is under pressure. Pressure leads to elastic stretching of the outer supports. In the absence of stress relieving joints, this would lead to a corresponding extension of the reactor chamber itself and the development of stress-induced deformations in the sealing welds. In the presence of stress relieving joints, elastic tension causes the joints to open, reducing deformations in the welds.
Дополнительный этап сварки венца (который выполнен из сплошного полого квадрата или металлического кольца прямоугольного сечения либо из двух или более деталей, сваренных вместе с образованием сплошного кольца, которое выступает над поверхностью камеры). Венец создает вспомогательную конструкцию для устройства и конечных эксплуатационных коллекторов (макроколлекторов) таким образом, что при ремонте соединение между макроколлектором и устройством может быть разрезано и повторно сварено или соединено для последующего периода эксплуатации. Это применение венца особенно эффективно в качестве средства для удаления или восстановления катализатора, содержащегося в камере реактора. Венцы, устройства, содержащие венцы, способы производства устройств, содержащих венцы, и способы использования устройств, содержащих венцы, являются дополнительными оригинальными аспектами изобретения.An additional step of welding the crown (which is made of a solid hollow square or a metal ring of rectangular cross section or of two or more parts welded together with the formation of a solid ring that protrudes above the surface of the chamber). The crown creates an auxiliary design for the device and the final operational collectors (macro collectors) in such a way that during repair, the connection between the macro collector and the device can be cut and re-welded or connected for a subsequent period of operation. This use of the crown is particularly effective as a means for removing or reducing the catalyst contained in the reactor chamber. Wreaths, devices containing wreaths, methods for manufacturing devices containing wreaths, and methods of using devices containing wreaths are additional original aspects of the invention.
Примеры:Examples:
Пример 1. Сварной подузел - сварной реактор - проводящая оребренная пластина с прессовой посадкойExample 1. Welded subassembly - welded reactor - conductive finned plate with press fit
Сварной реактор был изготовлен и подвергнут эксплуатации для подтверждения одинаковых эксплуатационных показателей с паяным реактором с использованием в качестве испытания реакции Фишера-Тропша. Эксплуатация реактора осуществлялась непрерывно на протяжении более 2000 часов и продемонстрировала, что контакт содержащей катализатор технологической пластины и подузла с прессовой посадкой оказался достаточным для эффективной работы реактора и обеспечил соответствие эксплуатационным показателям паяного реактора той же конструкции.A welded reactor was manufactured and put into operation to confirm the same performance with a brazed reactor using the Fischer-Tropsch reaction as a test. The operation of the reactor was carried out continuously for more than 2000 hours and demonstrated that the contact of the technological plate containing the catalyst and the subassembly with the press fit proved to be sufficient for the effective operation of the reactor and ensured the performance of the soldered reactor of the same design.
Описание устройстваDevice description
Двуслойное цельносварное устройство Фишера-Тропша было разработано и изготовлено для подтверждения производственного процесса изобретения. Конструкция многоканального микрореактора включает две технологические повторяющиеся единицы, чередующиеся с тремя повторяющимися единицами теплоносителя. Каналы теплоносителя ориентированы поперек потока технологических каналов.The Fischer-Tropsch two-layer all-welded device was designed and manufactured to confirm the production process of the invention. The design of a multichannel microreactor includes two technological repeating units, alternating with three repeating coolant units. The coolant channels are oriented across the flow of technological channels.
Технологические каналы выполнены из медных волнообразных пластин длиной 15,75 см (6,2 дюйма), шириной 7,62 см (3 дюйма) и высотой 0,635 см (0,256 дюймов). Толщина волнообразной пластины составляет 0,015 см (0,006 дюймов). Конечное устройство содержит 274 технологических канала в двух слоях. Каждый из этих каналов обладает следующими средними размерами: ширина - 0,095 см (0,0375 дюйма), высота - 0,635 см (0,25 дюймов) и длина - 7,62 см (3 дюйма). Оребренная пластина превышает на 0,015 см (0,006 м) номинальный размер смежных стыковых планок для обеспечения превосходного термического контакта.Technological channels are made of wave-shaped copper plates with a length of 15.75 cm (6.2 inches), a width of 7.62 cm (3 inches) and a height of 0.635 cm (0.256 inches). The thickness of the wave plate is 0.015 cm (0.006 inches). The final device contains 274 technological channels in two layers. Each of these channels has the following average dimensions: width - 0.095 cm (0.0375 inches), height - 0.635 cm (0.25 inches) and length - 7.62 cm (3 inches). The finned plate exceeds 0.015 cm (0.006 m) of the nominal size of adjacent butt plates to provide excellent thermal contact.
Каналы теплоносителя устройства, включающие сваренные лазерной сваркой подузлы, соединены с верхней пластиной иттербиевым волоконным лазером (модель производства IPG YLR-600-SM: иттербиевый волоконный лазер мощностью 600 Ватт, длина волны 1,07 микрон) с выполнением сварного шва толщиной от 50 до 150 микрон, проникающего через верхнюю пластину толщиной 500 микрон в нижнюю канальную пластину толщиной 1000 микрон, не проплавляя ее по всей толщине. Подузлы выполнены из двух прокладок, которые включают верхний, или обшивочный лист или стенки, соединенные с канальной прокладкой, которая содержит каналы потока для теплопередающей текучей среды. Эти подузлы теплоносителя уложены в устройство с размерами Д×Ш×В-8×25×7 см (~3″×~10″×~2,7″) и уплотнены по периметру при помощи швов, полученных сваркой плавлением, и угловых сварных швов.The coolant channels of the device, including laser-welded sub-assemblies, are connected to the top plate by an ytterbium fiber laser (IPG production model YLR-600-SM: 600 Watt ytterbium fiber laser, 1.07 micron wavelength) with a weld thickness of 50 to 150 microns penetrating through the upper plate with a thickness of 500 microns into the lower channel plate with a thickness of 1000 microns, not melting it throughout the thickness. The subassemblies are made of two gaskets, which include an upper or cladding sheet or walls connected to a channel gasket that contains flow channels for heat transfer fluid. These coolant subassemblies are laid in a device with dimensions L × W × H-8 × 25 × 7 cm (~ 3 ″ × ~ 10 ″ × ~ 2.7 ″) and sealed around the perimeter using seams obtained by fusion welding and corner welded seams.
После сварки составляющих камеры устройство было очищено, и в него были загружены 66,5 граммов высокоактивного кобальтового катализатора, полученного от компании Oxford Catalysts, Limited (Оксфорд Каталистс, Лимитед), и карбида кремния с зернистостью 120, поставленного компанией Atlantic Equipment Engineers (Атлантик Иквипмент Инженирс).After welding the components of the chamber, the device was cleaned and loaded with 66.5 grams of highly active cobalt catalyst obtained from Oxford Catalysts, Limited (Oxford Catalists, Limited) and 120 grit silicon carbide supplied by Atlantic Equipment Engineers (Atlantic Equipments) Engineering).
Последние этапы производства включали сварку заднего и переднего приемников (для теплоносителя и технологических каналов для наружных соединений в макромасштабе, т.е. крупными трубопроводами) и сварку опор. Сварка опор представляла собой конструкционную необходимость для данной конструкции, которая также обеспечивает безопасную эксплуатацию устройства без необходимости в системе защитной оболочки под давлением.The last stages of production included welding of the rear and front receivers (for the coolant and technological channels for external connections at the macro scale, i.e., large pipelines) and welding of supports. Welding of the supports was a structural need for this design, which also ensures the safe operation of the device without the need for a containment system under pressure.
Изготовление составляющих камерыProduction of camera components
Цельносварной реактор имеет два технологических слоя, каждый из которых содержит медную волнообразную пластину и две стыковые планки из нержавеющей стали. Три слоя теплоносителя чередуются с технологическими слоями и изготавливаются как подузлы с применением лазерной сварки верхней пластины или стенки из нержавеющей плиты с канальной прокладкой из нержавеющей стали. Прокладки стенок были вырезаны по размеру из листовой заготовки из нержавеющей стали толщиной 0,05 см (0,020″). Прокладки теплоносителя имеют непрямолинейные и прямолинейные каналы, которые выполнены с применением частичной фотохимической обработки (ФХО) в листе из нержавеющей стали толщиной 0,1 см (0,040″) на глубину 0,05 см (0,020″) и в ширину 0,25 см (0,100″) с ребрами размером 0,1 см (0,040″) для прямолинейных каналов и на глубину 0,0375 см (0,015″) и ширину 0,0425 см (0,017″) для каналов непрямолинейной секции. Непрямолинейная секция была выполнена с волнообразным или змеевидным профилем с 22 изгибами. Лазерная сварка была выполнена для каждого ребра по всей длине прокладки для создания уплотнения между каналами, а также между наиболее удаленными от центра каналами и периметром для уплотнения каналов снаружи. Далее была выполнена проверка подузлов на утечки. Возможность проверки подузлов на утечки обеспечила установление и ремонт утечек перед сборкой устройства и позволила избежать производства бракованного устройства. Другое преимущество предварительной сборки слоев теплоносителя в виде подузлов заключается в снижении количества деталей для укладки в узел по крайней мере на около 20%.The all-welded reactor has two technological layers, each of which contains a copper wave-like plate and two stainless steel butt plates. Three coolant layers alternate with the technological layers and are made as subnodes using laser welding of the upper plate or stainless steel wall with a stainless steel duct gasket. The wall gaskets were cut to size from 0.05 cm (0.020 ″) thick stainless steel sheet. Heat carrier gaskets have non-linear and rectilinear channels, which are made using partial photochemical processing (PFC) in a stainless steel sheet 0.1 cm (0.040 ″) thick to a depth of 0.05 cm (0.020 ″) and 0.25 cm wide ( 0.100 ″) with ribs 0.1 cm (0.040 ″) in size for straight channels and to a depth of 0.0375 cm (0.015 ″) and a width of 0.0425 cm (0.017 ″) for channels in a non-straight section. The indirect section was made with a wavy or serpentine profile with 22 bends. Laser welding was performed for each rib along the entire length of the strip to create a seal between the channels, as well as between the channels farthest from the center and the perimeter to seal the channels from the outside. Further, the subnode was checked for leaks. The ability to check the subassemblies for leaks ensured the establishment and repair of leaks before assembling the device and avoided the production of defective devices. Another advantage of the preliminary assembly of coolant layers in the form of sub-assemblies is the reduction in the number of parts for laying in the assembly by at least about 20%.
Стыковые планки на технологической стороне были выполнены из материала стандартной толщины (номинальная толщина 0,625 см (0,250″)) с минимальными требованиями к механообработке, заключавшейся только в обрезке по длине и ширине и снятии фасок кромки. Медные волнообразные пластины были изготовлены в стандартном формовочном процессе оребренных пластин, в котором тонкие витки изгибаются через одинаковые промежутки с образованием повторяющейся оребренной структуры. Оребренные пластины были выполнены высотой 0,64 см (0,256″). Для концевых пластин потребовалась минимальная механообработка с обрезкой по длине, ширине и снятием фасок. Все детали не требуют жестких допусков по толщине, связанных с паяными устройствами, в связи с чем могут быть использованы заготовки.The butt planks on the technological side were made of material of standard thickness (nominal thickness 0.625 cm (0.250 ″)) with minimal requirements for machining, which consisted only in cutting along the length and width and chamfering the edge. The wave-shaped copper plates were made in a standard molding process for finned plates in which thin coils bend at regular intervals to form a repeating finned structure. The finned fins were 0.64 cm (0.256 ″) high. The end plates required minimal machining with trimming along the length, width and chamfering. All parts do not require tight thickness tolerances associated with soldered devices, and therefore blanks can be used.
Сборка устройства для примера 1Assembly of the device for example 1
Камера устройства (т.е. технологические слои и слои теплоносителя, заключенные между двумя концевыми пластинами) создается путем укладки составляющих с чередованием технологических слоев и слоев теплоносителя. Количество технологических слоев определяется необходимым выходом продукта реакции ФТ, тогда как количество слоев теплоносителя на единицу превышает количество технологических слоев таким образом, чтобы каждый технологический слой с обеих сторон контактировал со слоями теплоносителя. В процессе укладки необходимо установочное приспособление для выравнивания деталей, а также сохранения выравнивания в процессе сборки и на первоначальных этапах сварки. Было создано зажимное приспособление, представляющее собой платформу для укладки, а также закрепления уложенной камеры для транспортировки на этап сварки. Зажимное приспособление состоит из двух пластин, выполненных в форме удлиненного знака плюс. Каждая содержит четыре (4) паза для установки стержней с резьбой по всей длине диаметром 1,25 см (1/2″). Под нижним зажимом была расположена опорная плита, чтобы обеспечить пространство для резьбового конца и гайки на нижней стороне. Для выравнивания технологических поверхностей четыре прямолинейных кромки были закреплены на месте с каждой стороны зажимного приспособления при помощи С-образных струбцин. Пятая прямолинейная кромка была использована для выравнивания одной из двух поверхностей теплоносителя.The device’s chamber (i.e., technological layers and coolant layers enclosed between two end plates) is created by stacking components with alternating technological layers and coolant layers. The number of technological layers is determined by the required yield of the FT reaction product, while the number of coolant layers per unit exceeds the number of technological layers so that each technological layer contacts both sides of the coolant. During the installation process, an installation device is necessary to align the parts, as well as maintain alignment during the assembly process and in the initial stages of welding. A clamping device was created, which is a platform for laying, as well as securing the stacked chamber for transportation to the welding stage. The clamping device consists of two plates made in the form of an elongated plus sign. Each contains four (4) grooves for installing threaded rods over the entire length with a diameter of 1.25 cm (1/2 ″). A base plate was located under the lower clamp to provide space for the threaded end and nut on the underside. To align the technological surfaces, four straight edges were fixed in place on each side of the clamping device using C-shaped clamps. The fifth straight edge was used to align one of the two surfaces of the coolant.
После установки и выравнивания приспособления первый этап заключается в размещении концевой пластины на зажимном приспособлении с ее центрированием между прямолинейными кромками технологической поверхности. Далее выполняется установка прямолинейной кромки поверхности теплоносителя перед укладкой первого слоя. Первый уложенный слой представлял собой подузел теплоносителя. Технологические слои располагаются между двумя слоями теплоносителя. Подузел опускается на концевую пластину, передвигается на место по отношению к прямолинейной кромке поверхности теплоносителя и центрируется между фасками на концевой пластине (фигура 6). При удовлетворительном выравнивании первый технологический слой был помещен сверху на подузел теплоносителя. На этом этапе стыковые кромки были заделаны вровень с поверхностью теплоносителя. Для сварки плавлением это уплотняет поверхность контакта между стыковыми планками и подузлами теплоносителя и стыковыми планками и концевыми пластинами. Первая концевая планка располагается вровень со стыковой планкой теплоносителя с последующим расположением волнообразной пластины и далее второй стыковой планки. Волнообразная пластина устанавливается в плотном контакте с первой стыковой планкой и центрируется на подузле теплоносителя. Вторая стыковая планка устанавливается в плотном контакте с волнообразной пластиной, и выполняется проверка ее выравнивания по другой поверхности теплоносителя. Если стыковые планки на обеих поверхностях теплоносителя выровнены в пределах +/-0,025 см (0,010″) по смежному слою, выравнивание является приемлемым. Этот процесс укладки подузлов теплоносителя и технологических слоев повторяется еще раз с укладкой следующего подузла теплоносителя. Итоговая стопка состояла из двух (2) технологических слоев и трех (3) слоев теплоносителя. Последней устанавливаемой составляющей камеры была верхняя концевая пластина. Верхняя концевая пластина устанавливается вровень со всеми четырьмя прямолинейными кромками технологической стороны и прямолинейной кромкой поверхности теплоносителя.After installing and aligning the fixture, the first step is to place the end plate on the fixture with its centering between the straight edges of the technological surface. Next, the installation of a straight edge of the surface of the coolant before laying the first layer. The first laid layer was a coolant subassembly. Technological layers are located between two layers of the heat carrier. The subnode drops onto the end plate, moves into place with respect to the straight edge of the coolant surface and is centered between the chamfers on the end plate (figure 6). With satisfactory alignment, the first technological layer was placed on top of the coolant subassembly. At this stage, the butt edges were flush with the surface of the coolant. For fusion welding, this seals the contact surface between the joint strips and coolant sub-assemblies and the joint strips and end plates. The first end plate is flush with the butt plate of the coolant, followed by the location of the wave-like plate and then the second butt plate. The wave-like plate is installed in tight contact with the first butt strip and is centered on the coolant subassembly. The second butt strip is installed in tight contact with the wave-like plate, and its alignment is checked on another surface of the coolant. If the butt planks on both surfaces of the coolant are aligned within +/- 0.025 cm (0.010 ″) with the adjacent layer, alignment is acceptable. This process of laying the sub-nodes of the coolant and technological layers is repeated again with the laying of the next sub-node of the coolant. The resulting stack consisted of two (2) process layers and three (3) coolant layers. The last installable component of the chamber was the upper end plate. The upper end plate is installed flush with all four straight edges of the technological side and the straight edge of the coolant surface.
Сварка камеры осуществлялась в два этапа. На первом этапе сварки были выполнены угловые сварные швы шириной 5 см (2″) по длине стыковых планок. На каждой технологической поверхности были выполнены шесть V-образных канавок, которые заполняются угловыми сварными швами. Участки криволинейных вырезов на зажимном приспособлении обеспечили доступ к этим V-образным канавкам для выполнения этого этапа сварки. Первоначальные угловые сварные швы были предназначены для фиксации конца стыковой планки, ближайшей к волнообразным пластинам, во избежание их повреждения. Позже угловые сварные швы были дополнены до внутренней кромки стыковых планок в соответствии с узлом удержания катализатора. Иллюстрации до и после выполнения этих угловых сварных швов показаны на фигуре 7. После завершения этих угловых сварных швов зажимное приспособление было удалено для обеспечения доступа к поверхностям теплоносителя для следующего этапа сварки. На каждой поверхности теплоносителя было три подузла теплоносителя и соответственно шесть сварных швов (по одному шву над каждым подузлом и под ним), каждый из которых представлял шов, полученный сваркой плавлением, по всей длине поверхности. После этого камера была готова к очистке и подготовке для загрузки катализатора.Welding of the chamber was carried out in two stages. At the first stage of welding, fillet welds were made with a width of 5 cm (2 ″) along the length of the butt planks. On each technological surface, six V-grooves were made, which were filled with fillet welds. Plots of curved cuts on the fixture provided access to these V-grooves to perform this welding step. The original fillet welds were designed to fix the end of the butt plate closest to the wave plates to prevent damage. Later fillet welds were added to the inner edge of the butt planks in accordance with the catalyst retention unit. The illustrations before and after performing these fillet welds are shown in Figure 7. After completing the fillet welds, the fixture was removed to provide access to the coolant surfaces for the next welding step. On each surface of the coolant there were three coolant sub-assemblies and, accordingly, six welds (one seam above each sub-assembly and under it), each of which represented a seam obtained by fusion welding, along the entire length of the surface. After that, the chamber was ready for cleaning and preparation for loading the catalyst.
Очистка и загрузка катализатораCatalyst Cleaning and Loading
Перед загрузкой катализатора была выполнена очистка технологической стороны устройства и приварен на место узел удержания катализатора.Before loading the catalyst, the technological side of the device was cleaned and the catalyst retention unit was welded into place.
Перед загрузкой катализатор устанавливается на место и приваривается на одной технологической поверхности узел удержания катализатора, предназначенный для удержания катализатора при ориентации камеры в вертикальном положении. Узел удержания катализатора состоит из четырех частей: сита, крепежного кольца сита, пены и крепежного кольца пены. Сито выполняет функцию удержания катализатора в устройстве. Крепежное кольцо сита представляет тонкую раму из нержавеющей стали, которая удерживает сито на месте, обеспечивая плотный контакт с технологической поверхностью. Малый сварной шов вокруг периметра крепежного кольца сита закрепляет сито на месте и обеспечивает хорошее удержание катализатора в устройстве. Также для лучшего удержания катализатора были подняты до внутренней кромки стыковых планок угловые сварные швы на стыковых планках. Для защиты медных волнообразных пластин в процессе сварки по периметру крепежного кольца сита может быть использована алюминиевая защитная перегородка.Before loading, the catalyst is put in place and a catalyst retention unit is welded on one technological surface to hold the catalyst when the chamber is oriented in a vertical position. The catalyst retention unit consists of four parts: sieve, sieve fastener ring, foam and foam fastener ring. The sieve performs the function of retaining the catalyst in the device. The sieve fixing ring is a thin stainless steel frame that holds the sieve in place, ensuring close contact with the process surface. A small weld around the perimeter of the sieve fixing ring secures the sieve in place and ensures good catalyst retention in the device. Also, for better catalyst retention, the corner welds on the butt plates were raised to the inner edge of the butt planks. To protect the copper wave plates during welding along the perimeter of the mounting ring of the sieve, an aluminum protective partition can be used.
После установки узла удержания катализатора на одну технологическую поверхность была выполнена загрузка катализатора. Загрузка представляла четырехэтапный процесс.4 концевых канала (по 1 на каждом конце каждого технологического слоя) имеют частичное оребрение и были блокированы крепежным кольцом сита, таким образом перейдя в разряд неработающих каналов. Эти каналы были полностью заполнены карбидом кремния (SiC), инертным материалом с размером частиц, приблизительно соответствующим катализатору, на первом этапе загрузки. Остальные каналы были загружены 3-мя слоями: 1,6625 см (~0,665″) SiC в технологическое впускное отверстие, 3,75 см (~1,5″) слоем катализатора и 1,875 см (~0,75″) SiC в технологическое выпускное отверстие. Для обеспечения необходимой глубины каждого из этих трех слоев материалы загружались в устройство небольшими порциями с последующим обстукиванием боковой части устройства (концевых пластин) резиновым молотком для уплотнения загруженного материала. После загрузки и уплотнения каждой порции при помощи измерительных наконечников выполнялись измерения глубины всех каналов. После завершения этого процесса для любого заданного слоя материал подвергался дальнейшему уплотнению при помощи ультразвука для как можно большего приближения к СПУС (измеренной внешними средствами средней плотности уплотненного слоя материала). Загрузка была завершена, когда после уплотнения верхний слой остался вровень со стыковыми планками. Когда катализатор перестал подвергаться уплотнению ультразвуком, слой катализатора был принят как полностью уплотненный. После загрузки всех трех слоев (два слоя SiC, один слой катализатора) был установлен и приварен на открытой технологической поверхности устройства узел удержания катализатора с применением той же процедуры, которая была описана ранее для другой технологической поверхности.After installing the catalyst retention unit on one technological surface, the catalyst was loaded. The loading was a four-stage process. 4 end channels (1 at each end of each technological layer) have a partial finning and were blocked by a fixing ring of sieves, thus passing into the category of inoperative channels. These channels were completely filled with silicon carbide (SiC), an inert material with a particle size approximately corresponding to the catalyst, in the first loading step. The remaining channels were loaded with 3 layers: 1.6625 cm (~ 0.665 ″) SiC into the process inlet, 3.75 cm (~ 1.5 ″) with a catalyst bed and 1.875 cm (~ 0.75 ″) SiC into the process outlet. To ensure the required depth of each of these three layers, materials were loaded into the device in small portions, followed by tapping the side of the device (end plates) with a rubber hammer to seal the loaded material. After loading and compaction of each portion using measuring tips, depth measurements of all channels were performed. After completion of this process, for any given layer, the material was subjected to further compaction using ultrasound to approximate as much as possible to the SCPS (measured by external means of the average density of the compacted material layer). The loading was completed when, after compaction, the top layer remained flush with the butt planks. When the catalyst ceased to be densified by ultrasound, the catalyst bed was accepted as fully densified. After loading all three layers (two SiC layers, one catalyst layer), a catalyst retention unit was installed and welded on the open technological surface of the device using the same procedure that was previously described for a different technological surface.
Окончательная сварка для примера 1Final welding for example 1
Изготовление устройства было завершено тремя окончательными этапами сварки, а именно закреплением технологических коллекторов, коллекторов теплоносителя и опорных пластин. В отличие от паяных устройств единственными внутренними составляющими для цельносварного устройства ФТ со сквозным уплотнением являются подузлы теплоносителя. Остальные составляющие (волнообразные пластины, стыковые планки и концевые пластины) соединены со смежными составляющими только по периметру. Опорные пластины обеспечивают необходимую конструкционную опору для сохранения целостности устройства под действием высоких перепадов давления в процессе эксплуатации. Опорные пластины также служат для замены защитной оболочки под давлением (ЗОД), используемой для паяных устройств. Для теплоносителя используются два выпускных отверстия, предназначенных для раздельного отвода водяного пара и воды в жидкой фазе.The manufacturing of the device was completed by the three final stages of welding, namely, the fastening of technological collectors, heat-transfer manifolds and base plates. Unlike soldered devices, the only internal components for an all-welded FT device with a through seal are coolant sub-assemblies. The remaining components (wave-shaped plates, butt plates and end plates) are connected to adjacent components only along the perimeter. Support plates provide the necessary structural support to maintain the integrity of the device under the action of high pressure drops during operation. The base plates also serve to replace the pressure protective sheath (ZOD) used for soldered devices. For the coolant, two outlet openings are used, which are designed for separate removal of water vapor and water in the liquid phase.
Технологические коллекторы выполнены из нержавеющей стали 304L и имеют следующие приблизительные размеры: длина - 22,75 см (9,1″), ширина - 6,75 см (2,7″), глубина - 4,75 см (1,9″). Внутренний карман с приблизительными размерами 20,25×4,25×3,00 см (8,1″×1,7″×1,2″) герметично соединен с технологическим отверстием волнообразной пластины и обеспечивает опору для механизма удержания катализатора. Коллекторы приварены по периметру камеры с использованием традиционного процесса газовольфрамовой сварки. Из центральной части каждого из технологических коллекторов отходят трубы диаметром один дюйм, обеспечивающие вход и выход из камеры технологического газа. Коллекторы спроектированы с минимальной толщиной стенки приблизительно 1,25 см (0,5″) для поддержки технологического давления в процессе эксплуатации. См. фиг.8.The process manifolds are made of 304L stainless steel and have the following approximate dimensions: length - 22.75 cm (9.1 ″), width - 6.75 cm (2.7 ″), depth - 4.75 cm (1.9 ″) ) An inner pocket with approximate dimensions of 20.25 × 4.25 × 3.00 cm (8.1 ″ × 1.7 ″ × 1.2 ″) is hermetically connected to the technological hole of the wave plate and provides support for the catalyst retention mechanism. The collectors are welded around the perimeter of the chamber using the traditional gas tungsten welding process. Pipes of one inch in diameter extend from the central part of each of the technological collectors, providing entry and exit from the process gas chamber. Manifolds are designed with a minimum wall thickness of approximately 1.25 cm (0.5 ″) to support process pressure during operation. See Fig. 8.
Впускной коллектор теплоносителя выполнен из нержавеющей стали 304L и имеет следующие приблизительные размеры: длина - 14 см (5,6″), ширина - 6,75 см (2,7″), глубина - 4,25 см (1,7″). Внутренний карман с приблизительными размерами 12×4,75×3,25 см (4,8″×1,9″×1,3″) герметично соединен с впускными каналами теплоносителя и предназначен для равномерного распределения теплоносителя на впускной поверхности теплоносителя. Коллектор приварен по периметру с использованием традиционного процесса газовольфрамовой сварки. От коллектора отходят трубы диаметром один дюйм, обеспечивающие вход в теплоносителя в камеру. Коллектор спроектирован с минимальной толщиной стенки приблизительно 0,95 см (0,38″) для поддержки давления теплоносителя в процессе эксплуатации.The coolant intake manifold is made of 304L stainless steel and has the following approximate dimensions: length - 14 cm (5.6 ″), width - 6.75 cm (2.7 ″), depth - 4.25 cm (1.7 ″) . An inner pocket with an approximate size of 12 × 4.75 × 3.25 cm (4.8 ″ × 1.9 ″ × 1.3 ″) is hermetically connected to the coolant inlet channels and is designed to evenly distribute the coolant on the coolant inlet surface. The collector is welded around the perimeter using the traditional gas tungsten welding process. Pipes with a diameter of one inch extend from the collector, providing entry into the coolant into the chamber. The manifold is designed with a minimum wall thickness of approximately 0.95 cm (0.38 ″) to support fluid pressure during operation.
Выпускной коллектор теплоносителя выполнен из нержавеющей стали 304L и имеет следующие приблизительные размеры: длина - 14 см (5,6″), ширина - 6,75 см (2,7″), глубина - 11 см (4,4″). Внутренний карман с приблизительными размерами 12×4,75×10 см (4,8″×1,9″×4,0″) герметично соединен с выпускными каналами теплоносителя и предназначен для обеспечения беспрепятственного выхода потока теплоносителя из камеры реактора. Коллектор приварен по периметру с использованием традиционного процесса газовольфрамовой сварки. С противоположных сторон от коллектора отходят трубы диаметром 2,5 см (1″). Верхняя труба обеспечивает выход пара, а нижняя труба - выход воды в жидкой фазе. Коллектор спроектирован с минимальной толщиной стенки приблизительно 0,95 см (0,38″) для поддержки давления теплоносителя в процессе эксплуатации.The coolant exhaust manifold is made of 304L stainless steel and has the following approximate dimensions: length - 14 cm (5.6 ″), width - 6.75 cm (2.7 ″), depth - 11 cm (4.4 ″). An inner pocket with approximate dimensions of 12 × 4.75 × 10 cm (4.8 ″ × 1.9 ″ × 4.0 ″) is hermetically connected to the outlet channels of the coolant and is designed to provide unhindered exit of the coolant flow from the reactor chamber. The collector is welded around the perimeter using the traditional gas tungsten welding process. Pipes with a diameter of 2.5 cm (1 ″) extend from opposite sides of the collector. The upper pipe provides steam output, and the lower pipe provides water output in the liquid phase. The manifold is designed with a minimum wall thickness of approximately 0.95 cm (0.38 ″) to support fluid pressure during operation.
Два коллектора теплоносителя приварены непосредственно к цельнометаллическим концевым пластинам камеры и технологическим коллекторам. При этом сварные швы камеры полностью герметизированы в соответствии с параметрами процесса и коллекторов теплоносителя и в связи с этим не выходят непосредственно на какую-либо наружную поверхность реактора. См. фиг.9.Two coolant collectors are welded directly to the all-metal end plates of the chamber and process collectors. In this case, the welds of the chamber are completely sealed in accordance with the parameters of the process and the coolant collectors and in this regard do not go directly to any outer surface of the reactor. See FIG. 9.
Далее добавляются опоры (экзоскелет) с применением традиционного процесса газовольфрамовой сварки. Всего четыре набора опор окружают реактора в вертикальном направлении (технологического потока) и один дополнительный набор расположен в горизонтальном направлении над выпускным коллектором теплоносителя. Каждый набор вертикальных опор выполнен из двух одинаковых деталей из нержавеющей стали 304L, которые имеют следующие приблизительные размеры: длина - 22 см (8,8″), высота - 8,25 см (3,3″), толщина - 0,625 см (0,25″). Каждый набор опор приварен в точках контакта их концов, а также с применением прерывистой шовной сварки по периметру. Четыре набора опор отстоят друг от друга приблизительно на 5 см (2″), и первый набор расположен приблизительно в 6,75 см (2,7″) от кромки впускного коллектора теплоносителя. Тогда как четыре вертикальных набора опор обеспечивают опору для камеры реактора и технологических коллекторов, горизонтальный набор обеспечивает дополнительную опору для крупногабаритного выпускного коллектора теплоносителя. Две горизонтальные опоры имеют следующие приблизительные размеры: длина - 13,5 см (5,4″), высота - 60 см (2″), толщина - 0,625 см (0,25″). Они расположены по центру с каждой стороны выпускного коллектора теплоносителя и приварены к этому коллектору, а также к концевым пластинам камеры и наиболее удаленным от центра вертикальным опорам.Next, supports (exoskeleton) are added using the traditional gas tungsten welding process. Only four sets of supports surround the reactor in a vertical direction (process flow) and one additional set is located in a horizontal direction above the exhaust manifold of the coolant. Each set of vertical supports is made of two identical parts made of stainless steel 304L, which have the following approximate dimensions: length - 22 cm (8.8 ″), height - 8.25 cm (3.3 ″), thickness - 0.625 cm (0 , 25 ″). Each set of supports is welded at the contact points of their ends, as well as using intermittent seam welding around the perimeter. Four sets of supports are spaced about 5 cm (2 ″) apart, and the first set is approximately 6.75 cm (2.7 ″) from the edge of the coolant intake manifold. While four vertical sets of supports provide support for the reactor chamber and process manifolds, a horizontal set provides additional support for a large-sized coolant exhaust manifold. The two horizontal supports have the following approximate dimensions: length - 13.5 cm (5.4 ″), height - 60 cm (2 ″), thickness - 0.625 cm (0.25 ″). They are located in the center on each side of the coolant exhaust manifold and are welded to this collector, as well as to the end plates of the chamber and the vertical supports furthest from the center.
Экспериментальная установка для примера 1Experimental setup for example 1
Технологическая сторонаTechnological side
Поток и состав синтетического газа (сингаза), подаваемого в микроканальный реактор с неподвижным слоем для синтеза Фишера-Тропша, контролировались путем регулировки расходов отдельных газов (оксида углерода, водорода и азота) с применением регуляторов массового расхода Брукс. Газы подавались через слой активированного угля и молекулярное сито 13Х для устранения любых примесей. Подаваемые газы были предварительно нагреты в микроканальном теплообменнике из нержавеющей стали перед поступлением в реактор. На реактор был установлен ленточный нагреватель Watlow мощностью 3000 Вт и выполнена его изоляция для сведения к минимуму потерь тепла. Эксплуатационные данные были измерены с использованием преобразователей давления и термопар типа К в оболочке из нержавеющей стали 316SS.The flow and composition of the synthetic gas (syngas) supplied to the fixed-bed microchannel reactor for Fischer-Tropsch synthesis was controlled by adjusting the flow rates of individual gases (carbon monoxide, hydrogen and nitrogen) using Brookes mass flow controllers. Gases were supplied through an activated carbon layer and a 13X molecular sieve to eliminate any impurities. The feed gases were preheated in a stainless steel microchannel heat exchanger before entering the reactor. A 3,000-watt Watlow tape heater was installed on the reactor and insulated to minimize heat loss. Performance data were measured using pressure transducers and type K thermocouples in a 316SS stainless steel jacket.
Поток продукта был направлен через три сборника при повышенном давлении с поэтапным охлаждением для обеспечения грубого разделения легких и тяжелых углеводородных продуктов и водной фазы. Сбор большей части продуктов осуществлялся в первый резервуар продукта (с температурой ~100°C) и второй резервуар (с температурой окружающей среды ~25°C). Водная фаза и тяжелые углеводородные продукты (воск) поступали в 1-й резервуар, тогда как водная фаза и легкая жидкая углеводородная фаза поступала во 2-й резервуар. Отходящий газ удалялся из 3-го резервуара. Пробы получаемого газа были отобраны через пробоотборный канал, расположенный вдоль потока от реактора и против потока от первого резервуара для сбора продуктов, и проанализированы с применением газового микрохроматографа Agilent М200Н с двумя колонками, молекулярного сита 5А и программы PlotQ.The product flow was directed through three collectors at elevated pressure with gradual cooling to ensure coarse separation of light and heavy hydrocarbon products and the aqueous phase. Most products were collected in the first tank of the product (with a temperature of ~ 100 ° C) and the second tank (with an ambient temperature of ~ 25 ° C). The aqueous phase and heavy hydrocarbon products (wax) entered the 1st tank, while the aqueous phase and the light liquid hydrocarbon phase entered the 2nd tank. Exhaust gas was removed from the 3rd tank. Samples of the produced gas were taken through a sampling channel located along the flow from the reactor and against the flow from the first reservoir for collecting products, and analyzed using an Agilent M200H gas column microchromatograph with two columns, 5A molecular sieve and PlotQ program.
Сторона теплоносителяCoolant side
Для хранения охлаждающей воды был использован резервуар из углеродистой стали объемом 76 л (20 гал.). Химический состав воды поддерживался за счет добавления реагентов Cortrol OS5300 и Optisperse АР302. В резервуар под давлением нагнетался азот для поддержания давления в паровом контуре. Для подачи воды в контур теплоносителя был использован насос высокого давления производства Cat Pumps (модель 231.3000). Для измерения и контроля расхода теплоносителя был использован расходомер Appleton FLSC-62A. Перед поступлением в реактор питательная вода проходила через 25-см блок 5-микронных фильтров для улавливания частиц и 60-микронный фильтр Swagelok. Паровыпускное отверстие реактора соединено с источником азота для контроля давления теплоносителя, тогда как вода (отделенная в заднем коллекторе теплоносителя) протекает в 2-литровый бак Swagelok из нержавеющей стали, который был использован для поддержания необходимого уровня воды в системе.A 76-liter (20 gal.) Carbon steel tank was used to store cooling water. The chemical composition of the water was maintained by the addition of Cortrol OS5300 and Optisperse AP302 reagents. Nitrogen was injected into the reservoir under pressure to maintain pressure in the steam circuit. A high pressure pump manufactured by Cat Pumps (model 231.3000) was used to supply water to the coolant circuit. An Appleton FLSC-62A flowmeter was used to measure and control the flow rate of the coolant. Before entering the reactor, the feed water passed through a 25-cm block of 5-micron filters for particle capture and a 60-micron Swagelok filter. The steam outlet of the reactor is connected to a nitrogen source to control the coolant pressure, while water (separated in the rear coolant collector) flows into the 2-liter stainless steel Swagelok tank, which was used to maintain the required water level in the system.
Эксплуатационные данныеOperational data
Цельносварной реактор изобретения эксплуатировался без защитной оболочки под давлением на протяжении ~2150 часов. Реактор имел экзоскелет, приваренный к наружной части, для сопротивления давлению при осуществлении этой реакции под высоким давлением.The all-welded reactor of the invention was operated without a containment under pressure for ~ 2150 hours. The reactor had an exoskeleton welded to the outside to resist pressure when carrying out this reaction under high pressure.
Эксплуатация реактора осуществлялась с постепенным ужесточением условий эксплуатации до точки теплового убегания (около 70 миллисекунд времени контакта на технологической стороне). После проявления теплового убегания реактор был регенерирован для оценки степени повреждения катализатора. После регенерации катализатор восстановил примерно 50% своей первоначальной активности.The reactor was operated with a gradual tightening of operating conditions to the point of thermal runaway (about 70 milliseconds of contact time on the technological side). After thermal runaway, the reactor was regenerated to assess the degree of damage to the catalyst. After regeneration, the catalyst recovered about 50% of its original activity.
Запуск и оценка по результатам испытанийTest run and evaluation
Запуск реактора был выполнен следующим образом: после завершения активации катализатора реактор был охлажден до температуры окружающей среды и подвергнут давлению 2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.). В контур теплоносителя была подана охлаждающая вода с целевым расходом, и реактор был нагрет до температуры введения сингаза ~170°C. Далее была начата ступенчатая подача сингаза и нагрев реактора до целевой эксплуатационной температуры.The reactor was launched as follows: after the activation of the catalyst was completed, the reactor was cooled to ambient temperature and subjected to a pressure of 2413 kPa (350 psig). Cooling water was supplied to the coolant circuit at the target flow rate, and the reactor was heated to a syngas injection temperature of ~ 170 ° C. Then, a stepwise supply of syngas and heating of the reactor to the target operating temperature were started.
По завершении запуска реактор вышел на следующий режим: Н2:СО=2,0, р=2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.), разбавитель ~16,8%, время контакта ~290 мс. На наружной поверхности реактора были приварены прихваточной сваркой два ряда термопар на расстоянии приблизительно 1,17 см (0,46 дюйма) и 3,2 см (1,26 дюйма) от начала слоя катализатора (3,20 см и 5,23 см от впускного отверстия реактора). Цельносварной микроканальный реактор изобретения не обеспечил полностью изотермическую эксплуатацию реактора; однако измеренные температурные градиенты составили менее около 5°C. Кроме того, внутренние градиенты катализатора ФТ не были измерены и ожидаются более высокими, чем измеренные температурные градиенты в стенках реактора. Температурный профиль поверхности реактора контролировался в пределах ±2°C от среднего значения температуры.Upon completion of the launch, the reactor entered the following mode: H 2 : СО = 2.0, p = 2413 kPa (350 psi), diluent ~ 16.8%, contact time ~ 290 ms. On the outer surface of the reactor, two rows of thermocouples were welded by tack welding at a distance of approximately 1.17 cm (0.46 in) and 3.2 cm (1.26 in) from the beginning of the catalyst layer (3.20 cm and 5.23 cm from reactor inlet). The all-welded microchannel reactor of the invention did not provide fully isothermal operation of the reactor; however, the measured temperature gradients were less than about 5 ° C. In addition, the internal gradients of the FT catalyst have not been measured and are expected to be higher than the measured temperature gradients in the walls of the reactor. The temperature profile of the surface of the reactor was controlled within ± 2 ° C of the average temperature.
Непосредственное сравнение параметров (цельносварного) реактора изобретения с паяным реактором представлено ниже в таблице 1 для одного катализатор Фишера-Тропша:A direct comparison of the parameters of the (all-welded) reactor of the invention with a brazed reactor is presented below in table 1 for one Fischer-Tropsch catalyst:
Время непрерывной эксплуатации цельносварного реактора изобретения сопоставимо с другими паяными и одноканальными реакторами при тех же условиях. Восковой продукт, собранный за этот период испытаний, был проанализирован для установления распределения углеводородных продуктов. Результаты показали превосходное соответствие с воском из более ранних испытаний при аналогичных условиях с применением коротких и длинных одноканальных реакторов и опытно-промышленных испытаний паяных реакторов.The continuous operation time of the all-welded reactor of the invention is comparable with other soldered and single-channel reactors under the same conditions. The wax product collected during this test period was analyzed to determine the distribution of hydrocarbon products. The results showed excellent consistency with wax from earlier tests under similar conditions using short and long single-channel reactors and pilot tests of soldered reactors.
Устойчивость к нарушениям технологических параметровResistance to violations of technological parameters
Приблизительно через 211 часов непрерывной эксплуатации отказ расходомера теплоносителя привел к возникновению блокировки. Отказ расходомера привел к срабатыванию сигнала тревоги нулевого расхода (несмотря на штатное функционирование насоса), что вызвало запуск резервного насоса, повлекший за собой значительное повышение расхода теплоносителя, которое вызвало блокировку. В течение 5 минут был выполнен перезапуск системы. За этот период реактор остыл до ~197°C. Расход СО и Н2 был немедленно восстановлен после сброса системы. Расход N2 был восстановлен спустя 2 минуты. Повышение температуры реактора началось немедленно, и в течение 9 минут (с момента сброса системы) максимальная температура, зарегистрированная на наружной поверхности реактора, достигла ~240°C в связи с отсутствием расхода теплоносителя (поскольку каналы теплоносителя не были откачаны, запас воды от предыдущей операции находился на стороне теплоносителя и мог начать испаряться). После достижения температуры 240°C (через 9 минут с момента сброса системы) насосы теплоносителя были запущены вручную. Температура реактора начала опускаться до нормальных уровней. Спустя 28 минут (через 37 минут с момента сброса системы) ситуация была под контролем и реактор остыл до ~192°C. Далее температура реактора постепенно была повышена до значения перед блокировкой (~206,6°C). После сброса было установлено более высокое значение расхода Н2 по сравнению с целевым, обеспечив изменение соотношения Н2:СО до 2,17 (вместо 2,00).After approximately 211 hours of continuous use, a failure of the flow meter has led to blockage. The failure of the flow meter triggered a zero flow alarm (despite the normal functioning of the pump), which caused the backup pump to start, which entailed a significant increase in the flow rate of the coolant, which caused a blockage. The system was restarted within 5 minutes. During this period, the reactor cooled to ~ 197 ° C. The consumption of CO and H 2 was immediately restored after a system reset. Consumption N 2 was restored after 2 minutes. The increase in the temperature of the reactor began immediately, and within 9 minutes (from the moment the system was reset), the maximum temperature recorded on the outer surface of the reactor reached ~ 240 ° C due to the absence of coolant flow (since the coolant channels were not pumped out, the water supply from the previous operation was on the coolant side and could start to evaporate). After reaching a temperature of 240 ° C (9 minutes after the system was reset), the heat transfer pumps were started manually. The temperature of the reactor began to drop to normal levels. After 28 minutes (37 minutes after the system was reset), the situation was under control and the reactor cooled to ~ 192 ° C. Further, the reactor temperature was gradually raised to a value before blocking (~ 206.6 ° C). After the reset, a higher value of H 2 flow rate was established compared to the target, providing a change in the ratio of H 2 : CO to 2.17 (instead of 2.00).
Этот экспериментальный результат был неожиданным в том отношении, что тепловое убегание не возникло спустя секунды после отказа подачи теплоносителя и что между потерей теплоносителя и повышением температуры реактора более чем на 40°C прошло 9 минут. Эффективность катализатора была возвращена к ожидаемым уровням после перезапуска теплоносителя и достижения целевой температуры. Высокое отношение объема металлического реакторного блока к объему катализатора создает термосток, обусловливающий поглощение экзотермического тепла реакции в течение нескольких минут до устранения нарушения параметров системы. Это обеспечивает значительное преимущество над традиционными трубчатыми реакторами ФТ с неподвижным слоем, в которых временная потеря теплоносителя приводит к тепловому убеганию и потере эффективности катализатора. Реактор ФТ изобретения обеспечивает временный буфер для нежелательных нарушений тепловых параметров, как показывает возврат к ожидаемой эффективности спустя 9 минут без подачи теплоносителя. Рост температуры реактора осуществлялся, как ожидалось, но высокая теплоемкость металлоконструкции предотвратила необратимое спекание катализатора.This experimental result was unexpected in that the thermal runaway did not occur seconds after the supply of the coolant failed and that 9 minutes elapsed between the loss of coolant and the increase in the temperature of the reactor by more than 40 ° C. The efficiency of the catalyst was returned to the expected levels after restarting the coolant and reaching the target temperature. A high ratio of the volume of the metal reactor block to the volume of the catalyst creates a thermostock, causing the absorption of exothermic heat of the reaction for several minutes until the violation of the system parameters. This provides a significant advantage over traditional FT fixed-bed tubular reactors in which temporary loss of coolant leads to thermal runaway and loss of catalyst efficiency. The FT reactor of the invention provides a temporary buffer for unwanted violations of thermal parameters, as shown by a return to the expected efficiency after 9 minutes without supplying a coolant. The temperature rise of the reactor was carried out as expected, but the high heat capacity of the metal structure prevented irreversible sintering of the catalyst.
Для цельносварного экспериментального реактора объем катализатора составлял ~7% от общего объема реактора (63,1 мл катализатора в реакторном блоке объемом 0,934 л - 25×7,5×4,75 см (10″×3″×1,9″)). При этом отношении объема реактора к объему катализатора ~14:1 было продемонстрировано приемлемое время термостока без теплоносителя 9 минут.For the all-welded experimental reactor, the catalyst volume was ~ 7% of the total reactor volume (63.1 ml of catalyst in the 0.934 L reactor block was 25 × 7.5 × 4.75 cm (10 ″ × 3 ″ × 1.9 ″)) . In this case, the ratio of the reactor volume to the catalyst volume of ~ 14: 1, an acceptable thermostat time without a coolant of 9 minutes was demonstrated.
Для более крупных устройств с отношением объема реактора к объему катализатора меньше 14:1 и, как правило, менее 10:1, и более предпочтительно меньше 3:1 или 2:1 приемлемое время без подачи теплоносителя должно быть меньше 9 минут и ожидается в пределах 5 минут или меньше, в некоторых вариантах осуществления 30 секунд или меньше. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления отношение объема катализатора к объему реактора составляет от 2 до 60%, в некоторых вариантах осуществления реакторов в соответствии с настоящим изобретением - от 5 до 40%; где общий объем реактора включает объем каналов, стенок каналов, встроенных коллекторов и наружных стенок, но не включает объем наружных трубопроводов или защитных оболочек под давлением.For larger devices with a ratio of reactor volume to catalyst volume of less than 14: 1 and typically less than 10: 1, and more preferably less than 3: 1 or 2: 1, an acceptable time without supply of coolant should be less than 9 minutes and is expected to be within 5 minutes or less, in some embodiments, 30 seconds or less. In some preferred embodiments, the ratio of catalyst volume to reactor volume is from 2 to 60%; in some embodiments, reactors in accordance with the present invention are from 5 to 40%; where the total volume of the reactor includes the volume of channels, channel walls, built-in manifolds and external walls, but does not include the volume of external pipelines or protective shells under pressure.
Кроме того, после ~346 часов непрерывной эксплуатации регулятор массового расхода (РМР) оксида углерода был заменен в связи с низким показателем сухих газовых часов (СГЧ) для выходящего потока. Новый РМР СО был настроен на значение ниже целевого, что привело к повышению соотношения Н2:СО. На протяжении последующего периода 17 часов (до ~363 часов непрерывной эксплуатации) соотношение Н2:СО составляло ~2,36, а конверсия СО была повышена до значения >85%.In addition, after ~ 346 hours of continuous operation, the carbon monoxide mass flow controller (PMR) was replaced due to the low dry gas hours (RHF) for the effluent. The new RMR of CO was adjusted to a value lower than the target, which led to an increase in the ratio of H 2 : CO. Over a subsequent period of 17 hours (up to ~ 363 hours of continuous operation), the ratio of H 2 : CO was ~ 2.36, and the conversion of CO was increased to> 85%.
Поразительно, но нами было установлено, что даже при высокой конверсии СО скорость деактивации не повысилась и эффективность была восстановлена до предыдущих уровней после регулировки соотношения подачи. Реактор обладает устойчивостью в эксплуатации при изменяющихся условиях, включая повышенное отношение Н2 к СО. Традиционные трубчатые реакторы ФТ с неподвижным слоем не обеспечивают хорошую реакцию на быстрые изменения теплоотдачи, включая резкое повышение выхода тепла от реакции. Реактор изобретения продолжал стабильную работу по мере повышения тепла от реакции, связанного с увеличением отношения Н2 к СО. Далее эффективность была возвращена к ожидаемым параметрам после восстановления целевого значения отношения сингаза.Surprisingly, we found that even with a high conversion of CO, the deactivation rate did not increase and the efficiency was restored to previous levels after adjusting the feed ratio. The reactor is stable in operation under changing conditions, including an increased ratio of H 2 to CO. Conventional fixed-bed FT tube reactors do not provide a good response to rapid changes in heat transfer, including a sharp increase in the heat output from the reaction. The reactor of the invention continued to operate stably as the heat from the reaction associated with an increase in the ratio of H 2 to CO increased. Further, the efficiency was returned to the expected parameters after the restoration of the target value of the syngas ratio.
Выполнение оценки частичного кипенияPartial Boil Assessment
На следующем этапе демонстрации реактора изобретения было осуществлено испытание частичного кипения теплоносителя и оценка результатов регулирования температуры и устойчивости цельносварного реактора изобретения, в котором элементы регулирования кипящего потока (22 волнообразных изгиба канала малого поперечного сечения на впускной стороне перед главными каналами теплоносителя) уплотнены только вдоль линейного шва между параллельными волнообразными элементами, а не по контуру волнообразных элементов. На канал потока теплоносителя приходится одна секция волнообразного элемента, и простого линейного уплотнения между параллельными каналами теплоносителя было достаточно для обеспечения устойчивой эксплуатации при высоком тепловом потоке контролируемой реакции частичного кипения, напр., поток не выходил за пределы изгибов вдоль участков, смежных со змеевидными элементами, что привело бы в таком случае к предварительному падению давления и потенциально способно было бы вызвать дестабилизацию расхода теплоносителя при кипении.At the next stage of the demonstration of the reactor of the invention, the partial boiling of the coolant was tested and the results of temperature control and stability of the all-welded reactor of the invention were evaluated, in which the elements of the control of the boiling flow (22 wave-like bends of the small cross-section channel on the inlet side in front of the main coolant channels) are sealed only along the linear seam between parallel wave-like elements, and not along the contour of wave-like elements. One section of the wave-like element falls on the heat-transfer channel, and a simple linear seal between parallel coolant channels was sufficient to ensure stable operation of the controlled partial boiling reaction at high heat flux, for example, the flow did not go beyond the bends along the sections adjacent to the serpentine elements, which would then lead to a preliminary pressure drop and could potentially cause a destabilization of the coolant flow rate during boiling.
Поддерживались эксплуатационные условия, соответствующие исходным условиям (Н2:СО=2,0, р=2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.), разбавитель ~16,8%, время контакта ~290 мс). Начиная с ~634 часов непрерывной эксплуатации расход теплоносителя был снижен с ~2 л/мин таким образом, что было обеспечено выходное паросодержание с ~1-3% кипения. Температура реактора также была отрегулирована для поддержания ~70% конверсии СО. При ~679 часах непрерывной эксплуатации расход охлаждающей воды был снижен до 0,4 л/мин и достигнуто выходное паросодержание 1,5%. Температура реактора была снижена до 204,3% для поддержания целевой конверсии СО. Эффективность является по существу аналогичной однофазной операции. Кроме того, использование частичного кипения обеспечивает эксплуатацию реактора с повышенным тепловым потоком нетто или выработкой тепла реактором ФТ, эксплуатация которого осуществляется со временем контакта ниже исходных 290 мс.Operating conditions were maintained that corresponded to the initial conditions (H 2 : СО = 2.0, p = 2413 kPa (350 psi), diluent ~ 16.8%, contact time ~ 290 ms). Starting from ~ 634 hours of continuous operation, the flow rate of the coolant was reduced from ~ 2 l / min in such a way that a steam output of ~ 1-3% boiling was ensured. The reactor temperature was also adjusted to maintain ~ 70% CO conversion. At ~ 679 hours of continuous operation, the flow rate of cooling water was reduced to 0.4 l / min and an output steam content of 1.5% was achieved. The temperature of the reactor was reduced to 204.3% to maintain the target conversion of CO. Efficiency is essentially the same as a single-phase operation. In addition, the use of partial boiling ensures the operation of a reactor with an increased net heat flow or heat production by a FT reactor, the operation of which is carried out with a contact time below the initial 290 ms.
Условия частичного кипения поддерживались на протяжении ~300 часов, и эффективность на протяжении этого периода представлена на фигуре 10.The partial boiling conditions were maintained for ~ 300 hours, and the efficiency over this period is shown in figure 10.
Реактор изобретения устойчиво работал на протяжении >250 часов непрерывной эксплуатации с частичным кипением воды и выходным паросодержанием 1,5% при исходном условии 290 мс, по существу соответствуя эффективности однофазного теплоносителя.The reactor of the invention steadily worked for> 250 hours of continuous operation with partial boiling of water and an output steam content of 1.5% under the initial condition of 290 ms, essentially corresponding to the efficiency of a single-phase coolant.
Выполнение оценки тепловой устойчивостиPerforming a thermal stability assessment
На следующем этапе испытаний было выполнено испытание способности реактора изобретения к эффективному отводу тепла за счет повышения теплопроизводительности реакции (обработка большего объема сингаза при сниженном времени контакта с поддержанием конверсии СО за счет регулирования температуры). Следует отметить, что технологические оребренные пластины были только запрессованы для контакта с подузлом теплоносителя. Сопротивление контакта технологической оребренной пластины с прессовой посадкой и подузла теплоносителя по существу не изменило эффективность экзотермического реактора ФТ. Кроме того, прессовая посадка оребренных пластин по отношению к одной стенке была затруднена рельефным ребром или утолщением высотой порядка 0,013-0,13 мм (0,5-5 мил) и шириной порядка 0,025-0,508 мм (1-20 мил), связанным со способом производства подузла с применением лазерной сварки.At the next test stage, the ability of the reactor of the invention to efficiently remove heat was tested by increasing the heat output of the reaction (processing a greater syngas volume with a reduced contact time while maintaining CO conversion by controlling the temperature). It should be noted that the technological finned plates were only pressed for contact with the coolant subassembly. The contact resistance of the technological finned plate with the press fit and the coolant subassembly did not essentially change the efficiency of the FT exothermic reactor. In addition, the press fit of the finned plates in relation to one wall was hindered by a raised rib or thickening of a height of the order of 0.013-0.13 mm (0.5-5 mils) and a width of the order of 0.025-0.508 mm (1-20 mils) associated with a method of manufacturing a subassembly using laser welding.
При сохранении 16,5% разбавления, Н2:СО=2 и давления эксплуатации 2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.) время контакта реакции процесса снижалось поэтапно от 290 мс до ~70 мс. Например, с учетом 66,5 граммов катализатора и объема слоя катализатора 63,1 см3 изменение от 290 мс (расход 13,1 ст.л/мин) до 70 мс повышает расход сингаза в реактор до 54,1 ст.л/мин. Состав сингаза и подробности перехода представлены в таблице 2 ниже. Температура была повышена от ~206,6°C до ~263°C для поддержания ~70% конверсии СО. В результате этого повышенного теплового потока была испытана способность теплоносителя к отводу тепла. Ключевые данные для этой фазы эксплуатации представлены ниже в таблице 2.While maintaining 16.5% dilution, Н 2 : СО = 2 and an operating pressure of 2413 kPa (350 psig), the contact time of the reaction of the process decreased stepwise from 290 ms to ~ 70 ms. For example, taking into account 66.5 grams of catalyst and a catalyst bed volume of 63.1 cm 3, a change from 290 ms (flow rate 13.1 tbsp / min) to 70 ms increases the consumption of syngas in the reactor to 54.1 tbsp / min . The composition of the syngas and transition details are presented in table 2 below. The temperature was raised from ~ 206.6 ° C to ~ 263 ° C to maintain ~ 70% CO conversion. As a result of this increased heat flux, the heat transfer ability of the heat carrier was tested. Key data for this phase of operation is presented below in table 2.
[мс]Contact time
[ms]
[ст. л/мин]Consumption N 2
[Art. l / min]
[ст. л/мин]CO consumption
[Art. l / min]
N2
[ст. л/мин]Consumption
N 2
[Art. l / min]
[°C]Temperature
[° C]
[%]CO conversion
[%]
[%]Selectivity for CH 4
[%]
[Вт]Approx. heat flow per channel
[W]
На основе вышеуказанных данных сварной реактор изобретения может справиться с теплопроизводительностью, более чем в четыре раза превышающей значение при условии времени контакта 290 миллисекунд (с повышением среднего парообразования от ~1,5% до ~10%).Based on the above data, the welded reactor of the invention can cope with a heating capacity that is more than four times the value provided that the contact time is 290 milliseconds (with an increase in the average vaporization from ~ 1.5% to ~ 10%).
Ниже представлены отдельные этапы эксплуатации и сравнение с аналогичными условиями испытаний для других устройств (паяных и одноканальных реакторов):The following are the individual stages of operation and comparison with similar test conditions for other devices (soldered and single-channel reactors):
Сварной реактор изобретения был подвергнут испытанию при времени контакта 210 мс от 945 до 1131 часа непрерывной эксплуатации. Другие технологические параметры поддерживались на постоянном уровне Н2:СО=2,0, р=2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.), разбавитель ~16,5%. Температура реактора была повышена до ~214,6°C для поддержания конверсии СО.The welded reactor of the invention was tested at a contact time of 210 ms from 945 to 1131 hours of continuous operation. Other process parameters were maintained at a constant level of H 2 : CO = 2.0, p = 2413 kPa (350 psi), diluent ~ 16.5%. The temperature of the reactor was increased to ~ 214.6 ° C to maintain the conversion of CO.
Сварной реактор изобретения был подвергнут испытанию при времени контакта 150 мс от 1132 до 1182 часов непрерывной эксплуатации. Другие технологические параметры поддерживались на постоянном уровне Н2:СО=2,0, р=2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.), разбавитель ~16,5%. Температура реактора была повышена до ~221,7°C для поддержания конверсии СО.The welded reactor of the invention was tested at a contact time of 150 ms from 1132 to 1182 hours of continuous operation. Other process parameters were maintained at a constant level of H 2 : CO = 2.0, p = 2413 kPa (350 psi), diluent ~ 16.5%. The temperature of the reactor was raised to ~ 221.7 ° C to maintain the conversion of CO.
Сварной реактор изобретения был подвергнут испытанию при времени контакта 100 мс от 1205 до 1350 часов непрерывной эксплуатации. Другие технологические параметры поддерживались на постоянном уровне Н2:СО=2,0, р=2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.), разбавитель ~16,5%. Температура реактора была повышена до ~241,2°C для поддержания конверсии СО. На протяжении периода ~1221-1228 часов непрерывной эксплуатации произошел отказ регулятора массового расхода СО в связи с попаданием воды, что вызвало блокировку и необходимость замены.The welded reactor of the invention was tested at a contact time of 100 ms from 1205 to 1350 hours of continuous operation. Other process parameters were maintained at a constant level of H 2 : CO = 2.0, p = 2413 kPa (350 psi), diluent ~ 16.5%. The temperature of the reactor was increased to ~ 241.2 ° C to maintain the conversion of CO. Over a period of ~ 1221–1228 hours of continuous operation, the CO mass flow rate regulator failed due to water ingress, which caused blockage and the need for replacement.
Далее время контакта было постепенно снижено с шагом 5 мс от 100 мс до 70 мс. Другие технологические параметры поддерживались на постоянном уровне Н2:СО=2,0, р=2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.), разбавитель ~16,5%. При времени контакта 70 мс и температуре реактора ~263,1°C (~1542 часа непрерывной эксплуатации) было отмечено неустойчивое поведение убегания по ряду позиций термопар на реакторе. При постоянных условиях наблюдалось резкое быстрое повышение температуры (перед контролем убегания за счет снижения температуры реактора), как показано на графике на фигуре 11.Further, the contact time was gradually reduced in 5 ms steps from 100 ms to 70 ms. Other process parameters were maintained at a constant level of H 2 : CO = 2.0, p = 2413 kPa (350 psi), diluent ~ 16.5%. At a contact time of 70 ms and a reactor temperature of ~ 263.1 ° C (~ 1542 hours of continuous operation), an unstable runaway behavior was noted for a number of thermocouple positions on the reactor. Under constant conditions, there was a sharp rapid increase in temperature (before runaway control due to lower reactor temperature), as shown in the graph in figure 11.
Температура, представленная на фигуре 22, измерена на наружной металлической стенке реактора, которая представляет противоположную поверхность опорной пластины толщиной 1,27 см (0,5 дюйма), которая контактирует с наиболее удаленным от центра каналом теплоносителя. Температура металла повышается менее чем на 10°C, но свидетельствует о повышении температуры слоя катализатора, согласно оценкам, выше 50°C.The temperature shown in FIG. 22 is measured on the outer metal wall of the reactor, which is the opposite surface of the support plate 1.27 cm (0.5 in) thick, which is in contact with the coolant channel farthest from the center. The temperature of the metal rises by less than 10 ° C, but indicates an increase in the temperature of the catalyst layer, estimated above 50 ° C.
На протяжении этого периода эксплуатации также была продемонстрирована повышенная продуктивность сварного реактора изобретения. Восковой материал, полученный при эксплуатации со временем контакта 290 мс, 210 мс и 150 мс, был проанализирован для определения числа альфа. Технологические параметры устройства представлены ниже в таблице 3.During this period of operation, the increased productivity of the inventive welded reactor was also demonstrated. Wax material obtained during operation with contact times of 290 ms, 210 ms and 150 ms was analyzed to determine the alpha number. The technological parameters of the device are presented below in table 3.
Паросодержание/выполнение оценки устойчивости частичного кипенияSteam content / partial boiling stability assessment
В этой части исследования от 1662 часов до 1783 часов непрерывной эксплуатации выполнялось снижение расхода теплоносителя от 0,5 л/мин (при поддержании других эксплуатационных параметров на постоянном уровне Н2:СО=2, разбавитель 16,5° технологическое давление 2413 кПа (350 фунт/кв. дюйм изб.)) для повышения степени кипения при той же теплопроизводительности и обеспечения повышенного выходного паросодержания. При ~1712 часах непрерывной эксплуатации и расходе 0,2 л/мин расходомер достиг нижней границы измерения, и дальнейшее снижение расхода стало невозможным. Среднее паросодержание на протяжении этого этапа испытаний было повышено до ~15%, как показано в таблице 4 ниже.In this part of the study, from 1662 hours to 1783 hours of continuous operation, the coolant flow rate was reduced from 0.5 l / min (while maintaining other operating parameters at a constant level of Н 2 : СО = 2, diluent 16.5 ° technological pressure 2413 kPa (350 psi)) to increase the degree of boiling at the same heat output and to provide increased output steam content. At ~ 1712 hours of continuous operation and a flow rate of 0.2 l / min, the flow meter reached the lower limit of measurement, and a further decrease in flow rate became impossible. The average steam content during this test phase was increased to ~ 15%, as shown in table 4 below.
[мс]Contact time
[ms]
[л/мин]Coolant flow rate
[l / min]
[%]CO conversion
[%]
[%]Selectivity for CH 4
[%]
[%]Average steam output
[%]
Давление на сваренном лазерной сваркой подузлеPressure on laser welded subassembly
В процессе эксплуатации реактора ФТ сваренный лазерной сваркой подузел постепенно переходит от работы на сжатие к работе на растяжение по мере повышения давления внутри подузла теплоносителя со временем непрерывной эксплуатации. В частности, секция подузла теплоносителя, являющаяся смежной с технологическими слоями, меньше всего подузла теплоносителя. Для цельносварного реактора, описанного в этом примере, примерно 60% подузла являются смежными с оребренным технологическим слоем и подвергаются изменениям сжатия и растяжения. Для более крупного реактора с подузлом 60×60 см (24″×24″) более 80% площади поверхности подузла осуществляет переход между сжатием и растяжением по мере изменения температуры кипения в зависимости от давления. Температура реакции, как правило, для реакции Фишера-Тропша повышается по мере деактивации катализатора с накоплением воска. Характерная начальная температура находится в диапазоне от 200 до 210°C, когда температура кипения из кривой пара расположена в диапазоне от 1448 до 1793 кПа (от 210 до 260 фунт/кв. дюйм изб.). Давление подачи процесса, как правило, составляет от 1724 до 3101 кПа (от 250 до 450 фунт/кв. дюйм изб.). С ростом давления на стороне теплоносителя происходит повышение температуры. При 220°C давление пара в процессе кипения (предпочтительный способ для удаления экзотермического тепла от реакции Фишера-Тропша) составляет приблизительно 2206 кПа (320 фунт/кв. дюйм изб.). При 230°C давление пара составляет приблизительно 2620 кПа (380 фунт/кв. дюйм изб.). Для экспериментов, описанных в этом примере, температура процесса была повышена до уровня выше 250°C при давлении пара приблизительно 3861 кПа (560 фунт/кв. дюйм изб.), что значительно превышает технологическое давление реакции. В начале цикла лазерные сварные швы находились в условиях сжатия под действием высокого давления на оребренную пластина или технологическую сторону. При максимальной температуре лазерные сварные швы работали на сжатие, и давление на стороне теплоносителя на 2289 кПа (332 фунт/кв. дюйм изб.) превышало давление на технологической стороне. До и после регенерации температура реакции снижалась до уровня ниже 220°C, и лазерные сварные швы снова совершали переход от работы на растяжение к работе на сжатие. Сваренный лазерной сваркой подузел продемонстрировал устойчивость к работе в условиях переменного сжатия и растяжения на протяжении более 1000 часов непрерывной эксплуатации. Кроме того, была выявлена не только устойчивость к эксплуатации в условиях переменного сжатия и напряжения для лазерных швов, но и отсутствие воздействия со стороны изменений давления внутри устройства на термический контакт оребренной пластины и уплотнение катализатора. Важным параметром для поддержания хорошей эксплуатационной эффективности реактора изобретения является хорошо загруженный слой катализатора, предпочтительно, когда плотность загрузки катализатора находится в пределах 2% и еще предпочтительнее 1% от теоретической СПУС (средней плотности уплотненного слоя), определенной снаружи в соответствии с методами Американского общества специалистов по испытаниям и материалам для определенного материала. Для сравнения фактического снижения давления с расчетным значением из уравнения Эргуна, возможно применение испытания снижения давления холодного потока. Если снижение давления выходит за пределы 5% (с предпочтительным уровнем 2%) от расчетного значения из уравнения Эргуна, в таком случае слой недостаточно уплотнен. При недостаточном уплотнении слоя возможны отрицательные воздействия при подаче потока в реактор, и изменения между сжатием и растяжением в отношении технологических каналов и каналов теплоносителя могут привести к повышению нежелательных усилий, воздействующих на частицы катализатора, что влечет за собой истирание или измельчение. При разрушении частиц катализатора образовавшиеся малые частицы с высокой вероятностью способны вызвать значительное снижение давления в некоторых каналах по отношению к другим, обусловливая нарушение распределения расхода, проявление местного перегрева или предварительное тепловое убегание.During the operation of the FT reactor, the laser-welded subnode gradually switches from compression to tensile work as the pressure inside the coolant subassembly increases with continuous operation. In particular, the section of the coolant subassembly, which is adjacent to the process layers, is the smallest sub-section of the coolant. For the all-welded reactor described in this example, approximately 60% of the subassembly is adjacent to the finned process bed and undergoes compression and tensile changes. For a larger reactor with a 60 × 60 cm (24 ″ × 24 ″) subassembly, more than 80% of the subassembly’s surface area transitions between compression and tension as the boiling point changes depending on pressure. The reaction temperature, as a rule, for the Fischer-Tropsch reaction increases as the catalyst is deactivated with the accumulation of wax. The characteristic initial temperature is in the range of 200 to 210 ° C. when the boiling point of the steam curve is in the range of 1448 to 1793 kPa (210 to 260 psi). The process feed pressure is typically between 1724 and 3101 kPa (250 to 450 psi). With increasing pressure on the side of the coolant, an increase in temperature occurs. At 220 ° C, the steam pressure during the boiling process (the preferred method for removing exothermic heat from the Fischer-Tropsch reaction) is approximately 2206 kPa (320 psi). At 230 ° C, the vapor pressure is approximately 2620 kPa (380 psi). For the experiments described in this example, the process temperature was raised to above 250 ° C at a vapor pressure of approximately 3861 kPa (560 psi), which significantly exceeds the process pressure of the reaction. At the beginning of the cycle, the laser welds were under compression under high pressure on the ribbed plate or the technological side. At maximum temperature, the laser welds worked in compression, and the pressure on the coolant side was 2289 kPa (332 psi) higher than the pressure on the process side. Before and after regeneration, the reaction temperature decreased to below 220 ° C, and the laser welds again made the transition from tensile work to compression work. The laser-welded subnode demonstrated resistance to operation under conditions of variable compression and tension for more than 1000 hours of continuous operation. In addition, it was revealed not only the resistance to operation under conditions of variable compression and tension for laser seams, but also the absence of the effect of changes in pressure inside the device on the thermal contact of the finned plate and the catalyst seal. An important parameter to maintain the good operational efficiency of the reactor of the invention is a well-loaded catalyst bed, preferably when the catalyst loading density is within 2% and even more preferably 1% of the theoretical SDES (average packed density) determined externally in accordance with the methods of the American Society of Specialists on tests and materials for a specific material. To compare the actual pressure drop with the calculated value from the Ergun equation, it is possible to use the cold flow pressure drop test. If the pressure drop goes beyond 5% (with a preferred level of 2%) of the calculated value from the Ergun equation, then the layer is not densely packed. With insufficient compaction of the layer, negative effects are possible when the flow is fed into the reactor, and changes between compression and tension in relation to the technological channels and coolant channels can lead to an increase in undesirable forces acting on the catalyst particles, which entails abrasion or grinding. During the destruction of the catalyst particles, the formed small particles are highly likely to cause a significant decrease in pressure in some channels relative to others, causing a violation of the flow distribution, local overheating, or preliminary thermal runaway.
Подводя итоги, эксплуатационная эффективность цельносварного реактора была подтверждена результатами испытаний и подтверждено отсутствие необходимости в пайке и/или диффузионной сварке. Термический контакт, обеспеченный технологией цельносварного производства, обеспечил желаемые результаты.Summing up, the operational efficiency of the all-welded reactor was confirmed by the test results and confirmed the absence of the need for soldering and / or diffusion welding. The thermal contact provided by the technology of all-welded production provided the desired results.
Исходное превышение давления теплоносителя над технологическим давлением было ограничено 345 кПа (~50 фунт/кв. дюйм) для предотвращения расхождения сварных швов между каналами теплоносителя и деформации волнообразных пластин на основе размеров лазерных швов для реактора этого изобретения и испытаний на разрыв аналогичных сваренных лазерной сваркой деталей. На протяжении цикла это превышение давления было повышено до 2289 кПа (~332 фунт/кв. дюйм), и наружные видимые деформации отмечены не были. После испытаний вскрытие реактора подтвердило, что внутренние части реактора не были сжаты или деформированы, а также не подверглись иным нежелательным изменениям. Этот поразительный результат свидетельствует о том, что оребренные пластины с загруженным катализатором обеспечили конструкционную опору для малых лазерных сварных швов, ширина которых составляла менее 0,005 см (0,002 дюйма). Возможно выполнение лазерных сварных швов с большей шириной, например, 0,0150 см (0,006 дюйма) или более для эксплуатации при повышенном давлении теплоносителя без необходимой поддержки со стороны загруженного катализатором технологического канала. Таким образом, в предпочтительных вариантах осуществления в устройстве и способах в соответствии с изобретением используются лазерные сварные швы шириной 0,015 см или выше.The initial excess of the coolant pressure over the process pressure was limited to 345 kPa (~ 50 psi) to prevent the welds from diverging between the coolant channels and deforming the wavy plates based on the dimensions of the laser welds for the reactor of this invention and tensile testing of similar laser welded parts . Throughout the cycle, this pressure increase was increased to 2289 kPa (~ 332 psi), and no visible visible deformations were noted. After testing, the opening of the reactor confirmed that the internal parts of the reactor were not compressed or deformed, and also did not undergo other undesirable changes. This astounding result suggests that ribbed plates with a loaded catalyst provided structural support for small laser welds that were less than 0.005 cm (0.002 in) wide. It is possible to perform laser welds with a wider width, for example, 0.0150 cm (0.006 in) or more, for operation at elevated coolant pressure without the necessary support from the process channel loaded with the catalyst. Thus, in preferred embodiments, laser welds of a width of 0.015 cm or more are used in the apparatus and methods of the invention.
ПРИМЕР 3. Лазерные сварные швы крупных листовEXAMPLE 3. Laser welds of large sheets
Для демонстрации влияния неоднородной толщины деталей на сваренные лазерной сваркой подузлы для реактора изобретения были подвергнуты испытаниям детали трех типов. Согласно первоначальной теоретической оценке, более верхние листы должны были быть менее подвержены деформациям в связи с более низкой подводимой мощностью для формирования сварного шва. Однако, как ни удивительно, было установлено, что более тонкие верхние листы подвержены деформациям в большей степени. Предпочтение было отдано более толстым верхним листам.To demonstrate the effect of the non-uniform thickness of the parts on laser welded subassemblies for the reactor of the invention, three types of parts were tested. According to the initial theoretical assessment, the upper sheets should have been less prone to deformation due to lower input power to form a weld. However, surprisingly, it was found that thinner top sheets are more susceptible to deformation. Preference was given to thicker top sheets.
- Верхний лист, приваренный к канальной прокладке теплоносителя, имел толщину стенки от 0,05 см (0,020″), 0,025 см (0,010″) и 0,025 см (0,005″), 0,125 см.- The top sheet welded to the coolant channel gasket had a wall thickness of 0.05 cm (0.020 ″), 0.025 cm (0.010 ″) and 0.025 cm (0.005 ″), 0.125 cm.
- Первоначальная сварка была выполнена с применением прерывистых лазерных сварных швов для закрепления деталей (напр., для каждого пятого ряда). Перед выполнением длинных сварных швов в каждом пятом ряду были добавлены прерывистые лазерные сварные швы в направлении по длине сварного шва. Длина прерывистых сварных швов составляла приблизительно 2-4 см с промежутками без сварки длиной 5-20 см.- Initial welding was performed using intermittent laser welds to fix the parts (e.g. for every fifth row). Before performing long welds in every fifth row, intermittent laser welds were added in the direction along the length of the weld. The length of intermittent welds was approximately 2-4 cm at intervals of 5-20 cm without welding.
- После этого верхняя пластина была удалена и выполнена сварка по всей длине.- After that, the upper plate was removed and welding was performed along the entire length.
- Для двух сценариев с более тонкой стенкой необходима была регулировка установки мощности и фокусировки- For two scenarios with a thinner wall, it was necessary to adjust the power setting and focus
- 60% установки мощности для стенки 0,025 см (0,010″)- 60% power setting for the wall 0.025 cm (0.010 ″)
- 50% установки мощности для стенки 0,0125 см (0,005″)- 50% power setting for the wall 0.0125 cm (0.005 ″)
Первоначально было выдвинуто предположение, что деформация будет ниже при снижении толщины стенки и мощности, однако был получен обратный результат. При измерении подузла стенки 0,05 см (0,020″) была определена деформация 6,875 см (~2,750″).Initially, it was suggested that the deformation will be lower with decreasing wall thickness and power, but the opposite result was obtained. When measuring the wall subassembly of 0.05 cm (0.020 ″), a deformation of 6.875 cm (~ 2.750 ″) was determined.
Последующие испытания стенок толщиной 0,025 см (0,010″) и 0,0125 см (0,005″) показали следующие значения деформаций от напряжения:Subsequent tests of the walls with a thickness of 0.025 cm (0.010 ″) and 0.0125 cm (0.005 ″) showed the following stress strain values:
- для подузла 0,025 см (0,010″) - 7,265 см (2,906″)- for sub-node 0.025 cm (0.010 ″) - 7.265 cm (2.906 ″)
- для подузла 0,0125 см (0,005″) - 7,4025 см (2,961″)- for the subnode 0.0125 cm (0.005 ″) - 7.4025 cm (2.961 ″)
В испытываемых узлах было выполнено более 161 сварного шва длиной 60 см (24″) по ширине узла 60 см (24″), и напряжения в этих составляющих не вызывали удивления, представляя собой продольные и поперечные напряжения, стандартно наблюдаемые при выполнении длинных сварных швов. Задача заключается в снижении напряжений в процессе сварки или снижении/устранении напряжений после обработки подузла.More than 161
Предпочтительно отдельные верхние листы имеют толщину 0,04 см или выше, в некоторых вариантах осуществления - в диапазоне от 0,04 см до 0,2 см; более предпочтительно - от 0,05 см до 0,1 см. «Верхний лист» означает лист, который расположен поверх листа или ряда листов, которые содержат каналы или иные полости; верхний лист уплотняет каналы или полости в направлении по высоте и завершает подузел.Preferably, the individual topsheets have a thickness of 0.04 cm or more, in some embodiments, in the range of 0.04 cm to 0.2 cm; more preferably 0.05 cm to 0.1 cm. "Top sheet" means a sheet that is located on top of a sheet or a series of sheets that contain channels or other cavities; the top sheet seals the channels or cavities in the height direction and completes the subnode.
Испытания предварительного изгиба для крупных деталейPre-bending tests for large parts
Один из способов для снижения напряжений от сварки заключался в применении предварительного изгиба составляющих с последующим выполнением испытываемой операции. Был использован следующий процесс:One of the ways to reduce welding stresses was to use preliminary bending of the components, followed by the operation being tested. The following process was used:
- Процесс- process
- Предварительный изгиб стенки теплоносителя и канальной прокладки теплоносителя в комплекте- Preliminary bending of the coolant wall and channel coolant gasket in the kit
- Установка зажимного приспособления на стол для лазерной сварки и выполнение настройки и выравнивания лазера- Installing the fixture on the laser welding table and setting up and aligning the laser
- Выполнение программы лазерной шовной сварки- Implementation of the laser seam welding program
- Повторная установка зажимного приспособления на стол для лазерной сварки- Re-installing the fixture on the laser welding table
- Выполнение программы полной сварки- Complete welding program
Составляющие с предварительным изгибом были выполнены с использованием приспособления, включающего зажимы и соединительные накладки, что обеспечило управляемый и устойчивый изгиб составляющих (см. фиг.12). Изгиб листов был выполнен в направлении, перпендикулярном длине каналов. С применением этой техники были изогнуты два листа, для которых далее была выполнена сварка. Конечный подузел был подвергнут визуальному сравнению с подузлом, выполненным аналогичным образом, но без предварительного изгиба.The components with preliminary bending were made using a device including clamps and connecting plates, which ensured a controlled and stable bending of the components (see Fig. 12). The bending of the sheets was performed in a direction perpendicular to the length of the channels. Using this technique, two sheets were bent, for which welding was further performed. The final subnode was subjected to visual comparison with the subnode, made in a similar way, but without preliminary bending.
- Снятие напряжений при температурах ниже 400°C является допустимой практикой, но обеспечивающей лишь умеренное снятие напряжений. Один час при 870°C, как правило, снимает около 85% остаточных напряжений. Однако снятие напряжений в этом температурном диапазоне также может повлечь за собой осаждение карбидов на границах зерен, вызывающее сенсибилизацию, которая существенно ухудшает устойчивость коррозии в ряде сред. Во избежание проявления этих эффектов рекомендуется использовать стабилизированную нержавеющую сталь (марки 321 или 347) или сверхнизкоуглеродистую сталь (304L или 316L), в особенности при необходимости снятия напряжений на значительной длине. Снятие напряжений для крупной детали было испытано при 400°C и повышенной температуре 1000°C. В обоих случаях был отмечен ограниченный успех. Наблюдалось умеренное снижение деформации, составлявшее ~40% от первоначального коробления, измеренного по расстоянию одной кромки на ровной поверхности.- Stress relieving at temperatures below 400 ° C is acceptable practice, but provides only moderate stress relieve. One hour at 870 ° C typically relieves about 85% of residual stresses. However, stress relief in this temperature range can also lead to the deposition of carbides at grain boundaries, causing sensitization, which significantly impairs corrosion resistance in a number of media. To avoid these effects, it is recommended to use stabilized stainless steel (grades 321 or 347) or ultra-low carbon steel (304L or 316L), especially when stress relief is required over a considerable length. The stress relieving for a large part was tested at 400 ° C and an elevated temperature of 1000 ° C. In both cases, limited success was noted. A moderate decrease in deformation was observed, amounting to ~ 40% of the initial warpage, measured by the distance of one edge on a flat surface.
- Нормализация (часто обозначаемая как отжиг на твердый раствор) не только рекристаллизует наклепанные зерна, но и возвращает карбиды хрома (осажденные на границах зерен в сенсибилизированной стали) обратно в раствор аустенита. Отжиг также гомогенизирует дендритные структуры металла сварных швов и снимает все остаточные напряжения от холодной обработки. Температуры нормализации, как правило, превышают 1040°C, хотя отжиг некоторых типов может осуществляться при точно регулируемых температурах до 1010°C, когда имеет значение мелкий размер зерен. Время выдержки при температуре часто сокращается для сведения к минимуму поверхностной чешуйчатости или для контроля роста зерна, что может привести к «апельсиновой корке» при формовании.- Normalization (often referred to as annealing to a solid solution) not only recrystallizes riveted grains, but also returns chromium carbides (deposited at grain boundaries in sensitized steel) back to the austenite solution. Annealing also homogenizes the dendritic structures of the weld metal and relieves all residual stresses from cold working. Normalization temperatures typically exceed 1040 ° C, although some types can be annealed at precisely controlled temperatures up to 1010 ° C, when the fine grain size is important. The exposure time at temperature is often shortened to minimize surface scaly or to control grain growth, which can lead to an “orange peel” during molding.
Пример 4. Влияние оребренных пластин в сварных реакторахExample 4. The effect of finned plates in welded reactors
Волнообразные структуры, включающие оребренные пластины с прессовой посадкой и высоким соотношением сторон, чаще всего не сохраняют прямолинейную форму и содержат изгиб или искривление оребренных пластин. После сжатия в контакте с двумя цельными планками по обеим сторонам оребренных пластин, пластины еще сильнее изгибаются или искривляются. В сварном реакторе изобретения оребренные пластины прижимаются давлением к смежным поверхностям, а не припаиваются или привариваются, вызывая большее сопротивление контакта или термическое сопротивление в точке контакта оребренных пластин со смежными поверхностями. В экзотермических или эндотермических реакциях тепло от реакции передается между оребренными пластинами и смежными поверхностями. Для улучшения термического контакта с прессовой посадкой оребренные пластины выполнены выше опорных стыковых планок. При сжатии оребренных пластин в контакте с наружной нагрузкой они изгибаются или выпучиваются. По мере изгиба оребренных пластин они с меньшей вероятностью сохраняют внутренний запас прочности.The wave-like structures, including finned plates with a press fit and high aspect ratio, most often do not maintain a rectilinear shape and contain a bend or curvature of finned plates. After compression in contact with two solid planks on both sides of the finned plates, the plates are even more bent or curved. In the welded reactor of the invention, finned plates are pressurized to adjacent surfaces rather than soldered or welded, causing greater contact resistance or thermal resistance at the contact point of the finned plates with adjacent surfaces. In exothermic or endothermic reactions, heat from the reaction is transferred between the finned plates and adjacent surfaces. To improve thermal contact with the press fit, finned plates are made above the butt joints. When the fin plates are compressed in contact with an external load, they bend or bulge. As the finned plates bend, they are less likely to maintain an internal margin of safety.
Оребренные пластины с прессовой посадкой из Cu110 толщиной 0,015 см (0,006″) и высотой 0,64 см (0,256″), прижаты к стыковым планкам высотой 0,63 см (0,25″). Оребренные пластины становятся более эксцентрическими при их прижатии к смежным теплопроводящим стенкам. На фотографии на фиг.13 наблюдаются горизонтальные линии в местах посадки оребренных пластин на линиях сплавления лазерного сварного шва, который уплотняет теплообменные каналы с перекрестным потоком.Finned plates with a press fit made of Cu110 0.015 cm thick (0.006 ″) and 0.64 cm high (0.256 ″) are pressed against the butt plates 0.63 cm high (0.25 ″). Ribbed plates become more eccentric when pressed against adjacent heat-conducting walls. In the photograph in FIG. 13, horizontal lines are observed at the landing sites of the finned plates on the fusion lines of the laser weld, which seals the cross-flow heat exchange channels.
Реактор с прессовой посадкой, описанный в примере 1, продемонстрировал поразительно хорошую эксплуатационную эффективность, сопоставимую с показателями паяного реактора, который не имел гребней от лазерной сварки, отделяющих оребренную пластину от теплопередающей стенки, вследствие сочетания высокой теплопроводности медной оребренной пластины, передающей больше тепла к теплопроводящей стенке - в том числе за счет осевой проводимости для улучшения точек термического контакта, и заполнения малого зазора (по оценкам от 5 до 150 микрон) водородом и/или жидкостями Фишера-Тропша, продуцируемыми в ходе реакции. Теплопроводность водорода и жидкого масла по существу выше, чем для большинства газов, в связи с чем снижает воздействие плохого сопротивления контакта между оребренной пластиной с прессовой посадкой и теплопередающей стенкой. Кроме того, преимуществом применения меди с очень высокой теплопроводностью является эффективная осевая проводимость для переноса тепла к теплопередающей поверхности контакта без образования местного перегрева и создания или усугубления нежелательных побочных реакций.The press-fit reactor described in Example 1 showed amazingly good operational efficiency comparable to that of a brazed reactor, which had no ridges from laser welding, separating the finned plate from the heat transferring wall due to the combination of high thermal conductivity of the copper finning plate transferring more heat to the heat-conducting wall - including due to axial conductivity to improve thermal contact points, and fill a small gap (estimated from 5 to 150 microns) of water hydrogen and / or Fischer-Tropsch liquids produced during the reaction. The thermal conductivity of hydrogen and liquid oil is substantially higher than for most gases, and therefore reduces the effect of poor contact resistance between the press fit finned plate and the heat transfer wall. In addition, the advantage of using copper with a very high thermal conductivity is the effective axial conductivity for transferring heat to the heat transferring contact surface without the formation of local overheating and the creation or exacerbation of unwanted side reactions.
К стопке для обеспечения контакта была приложена нагрузка 17 926 кПа (2600 фунт/кв. дюйм). Предпочтительный диапазон нагрузок может составлять от 3447 кПа (500 фунт/кв. дюйм) до 3447000 (500000 фунт/кв. дюйм) в зависимости от высоты оребренной пластины, материала оребренной пластины, толщины оребренной пластины и эксцентричности начальной пластины. После выполнения сжатия и первой газовольфрамовой сварки по контуру боковых планок или стыковых планок обеспечивается контакт оребренной пластины с теплопередающим подузлом.A load of 17,926 kPa (2,600 psi) was applied to the stack to ensure contact. A preferred load range may be from 3447 kPa (500 psi) to 3447000 (500000 psi) depending on the height of the finned plate, the material of the finned plate, the thickness of the finned plate and the eccentricity of the starting plate. After compression and the first gas-tungsten welding along the contour of the side slats or butt planks, the contact of the finned plate with the heat transfer unit is ensured.
Пример 5. Линейная плотность сварных швов на единицу площади подузла для крупного сваренного лазерной сваркой подузлаExample 5. Linear density of welds per unit area of a subassembly for a large laser-welded subassembly
В этом примере представлено описание сваренного лазерной сваркой подузла с размерами 60×60 см (24″×24″) с линиями сплавления лазерных швов длиной 0,6 м вдоль направления потока теплоносителя. На этой панели присутствовал 161 канал теплоносителя и 162 линии сплавления лазерных швов для уплотнения устройства между каналами теплоносителя и представлена конструкционная опора для предотвращения деформации оборудования при эксплуатации под давлением.This example describes a laser-welded subassembly with dimensions of 60 × 60 cm (24 ″ × 24 ″) with fusion lines of laser welds 0.6 m long along the coolant flow direction. This panel included 161 coolant channels and 162 laser weld fusion lines for sealing the device between the coolant channels, and a structural support was presented to prevent deformation of the equipment during pressure operation.
Этот образец характеризуется линейной длиной сварных швов 97,2 м на участке 0,6×0,6 м или линейной плотностью сварных швов 270 м на м2 площади поверхности. В альтернативном варианте линейная плотность может быть представлена как 2,7 см/см2 для участка с площадью 3600 см2 в этом варианте осуществления. Для других вариантов осуществления линейная плотность сварных швов может быть выше или ниже 2,7 см/см2, а в предпочтительных вариантах осуществления может располагаться в диапазоне от 0,1 см/см2 до 10 см/см2.This sample is characterized by a linear length of welds of 97.2 m in a section of 0.6 × 0.6 m or a linear density of welds of 270 m per m 2 of surface area. Alternatively, the linear density can be represented as 2.7 cm / cm 2 for the plot with an area of 3600 cm 2 in this embodiment. For other embodiments, the linear density of the welds may be higher or lower than 2.7 cm / cm 2 , and in preferred embodiments, the implementation may range from 0.1 cm / cm 2 to 10 cm / cm 2 .
Пример 6. Регистрация лазерных сварных швовExample 6. Registration of laser welds
Фиг.14 демонстрирует линии сплавления лазерных сварных швов, которые соединяют верхнюю часть ребер между параллельными и смежными каналами теплоносителя, сформированными в нижней пластине. Лазерные сварные швы соединяют нижнюю канальную пластину с верхней пластиной. Лазерный сварной шов может быть выполнен по вершинам ребер, которые сформированы в нижней, или канальной пластине. В этом примере ширина ребра составляет 0,093 см (0,037″), а ширина лазерного шва может меняться в диапазоне от 0,005 см (0,002″) до 0,025 см (0,01″). Лазерный сварной шов может быть выполнен в средней части ребра либо на любой из сторон по ширине ребра.Fig. 14 shows fusion lines of laser welds that connect the upper part of the ribs between parallel and adjacent coolant channels formed in the lower plate. Laser welds connect the bottom channel plate to the top plate. The laser weld can be made along the tops of the ribs, which are formed in the bottom, or channel plate. In this example, the rib width is 0.093 cm (0.037 ″) and the width of the laser seam can vary from 0.005 cm (0.002 ″) to 0.025 cm (0.01 ″). The laser weld can be made in the middle part of the rib or on either side along the width of the rib.
Пример 7. Производство крупного реактора ФТExample 7. Production of a large FT reactor
Цельносварная камера реактора Фишера-Тропша изготавливается преимущественно как двухслойный узел с чередующимися секциями теплоносителя и технологическими секциями. Особенность этой конструкции заключается в том, что подузел теплоносителя сваривается с обеспечением механической целостности как самостоятельной единицы. Один процесс создания такого подузла заключается в применении лазерной сварки для соединения верхней цельной прокладки с обработанной прокладкой за счет расположения сварных швов между каждым каналом параллельно ребрам. Было продемонстрировано, что с применением такого подхода может быть достигнута требуемая механическая целостность. Вторым параметром, который необходимо учитывать, является прямолинейность детали. Сварка двух тонких листов таким образом может привести к значительной деформации подузла в связи с усадкой материала, соединенного с нержавеющей сталью сварки. Деформация подузла может привести к повышению трудоемкости и необходимости приложения усилий для повторного выравнивания деталей или модификации процесса укладки для обработки деформированных деталей.The all-welded chamber of the Fischer-Tropsch reactor is manufactured primarily as a two-layer unit with alternating sections of the coolant and technological sections. A feature of this design is that the coolant subassembly is welded to ensure mechanical integrity as an independent unit. One process for creating such a subunit is the use of laser welding to connect the upper one-piece gasket to the machined gasket by arranging the welds between each channel parallel to the ribs. It has been demonstrated that using this approach, the required mechanical integrity can be achieved. The second parameter to consider is the straightness of the part. Welding two thin sheets in this way can lead to significant deformation of the subassembly due to shrinkage of the material connected to the stainless steel weld. Deformation of the subassembly can lead to increased labor intensity and the need for efforts to re-align parts or modify the styling process to handle deformed parts.
Одним из способов для сведения к минимуму деформаций, связанных со сваркой, заключается в ограничении общего размера подузла. Было установлено, что применение подузла, который содержит сварные швы длиной 60 см (24″) между каналами, но ограничен по ширине приблизительно 15 см (6″), обеспечивает приемлемый уровень прямолинейности, тогда как аналогичный узел с шириной 60 см (24″) не выполняет эту задачу (напр., общий участок составляет 15×60 в сравнении с 60×60 см (6″×24″ в сравнении с 24″×24″)). Кроме того, несколько этих подузлов шириной 15 см (6″) могут быть соединены вместе прерывистой шовной сваркой с обеспечением достаточной прямолинейности. Таким образом, ровный подузел 60×60 см (24″×24″) может быть выполнен из соединенных прерывистой шовной сваркой четырех подузлов с размерами 15×60 см (6″×24″, обеспечивая по существу улучшенную прямолинейность, чем подузел 60×60 см (24″×24″) из начальных деталей с размерами 60×60 см (24″×24″).One way to minimize deformations associated with welding is to limit the overall size of the subassembly. It has been found that the use of a subassembly that contains 60 cm (24 ″) welds between the channels, but is limited to a width of approximately 15 cm (6 ″), provides an acceptable level of straightness, while a similar assembly with a width of 60 cm (24 ″) does not perform this task (e.g., the total area is 15 × 60 compared to 60 × 60 cm (6 ″ × 24 ″ compared to 24 ″ × 24 ″)). In addition, several of these sub-assemblies with a width of 15 cm (6 ″) can be joined together by intermittent seam welding to ensure sufficient straightness. Thus, an even 60 × 60 cm (24 ″ × 24 ″) subunit can be made of four 15 × 60 cm (6 ″ × 24 ″) interconnected intermittent seam welds, providing substantially improved straightness than the 60 × 60 subunit cm (24 ″ × 24 ″) of the initial parts with dimensions of 60 × 60 cm (24 ″ × 24 ″).
Другая полезная особенность, которая может быть обеспечена для сварного подузла, заключается в исполнении деталей, допускающем точную проверку на утечки и механическую целостность перед их использованием для формирования полной сварной стопки реактора ФТ. Это может быть достигнуто за счет некоторого повышения размеров первоначальных подузлов, добавления отверстия, через которое может подаваться давление, и первоначального уплотнения концов подузлов с применением процесса лазерной сварки. Это испытание под давлением может быть гидростатическим или пневматическим. После сварки и аттестации отдельных деталей выполняется обрезка узлов до правильного размера 15×60 см (6″×24″), при которой открываются проточные концы каналов, с последующей прерывистой шовной сваркой четырех подузлов 15 см (6″) вместе с образованием единого подузла теплоносителя 60×60 см (24″×24″).Another useful feature that can be provided for a welded subassembly is the execution of parts that can be accurately checked for leaks and mechanical integrity before using them to form a complete welded stack of the FT reactor. This can be achieved by slightly increasing the size of the original subassemblies, adding a hole through which pressure can be applied, and initially sealing the ends of the subassemblies using a laser welding process. This pressure test may be hydrostatic or pneumatic. After welding and certification of individual parts, the units are cut to the
Далее конечные подузлы чередуются с технологическими слоями с образованием главной камеры реактора. Процесс укладки включает первоначальную установку зажимной плиты толщиной 5 см (2″), на которую укладывается концевая пластина толщиной 2,5 см (1″) и далее чередующиеся слои теплоносителя и технологические слои. Укладка завершается размещением последнего подузла теплоносителя с укладкой на него верхней концевой пластины и верхней зажимной пластины. К укладке прикладывается давление для предварительного сжатия медных волнообразных пластин с обеспечением контакта металл-металл для всех составляющих. Прикладываемое давление находится в диапазоне от 138 кПа (20 фунт/кв. дюйм) до 3447000 кПа (500000 фунт/кв. дюйм), с предпочтительным диапазоном от 138 кПа до 138000 кПа (от 20 до 20000 фунт/кв. дюйм) и более предпочтительным диапазоном от 138 кПа до 34 474 кПа (от 20 до 5000 фунт/кв. дюйм). Далее стопка закрепляется на месте с применением системы зажимов перед снятием приложенного давления. Система зажимов поддерживает стопку в сжатом состоянии для выполнения сварки камеры.Further, the final subnodes alternate with the technological layers with the formation of the main chamber of the reactor. The laying process includes the initial installation of a clamping plate with a thickness of 5 cm (2 ″), onto which an end plate with a thickness of 2.5 cm (1 ″) is laid, and then alternating coolant layers and technological layers. The installation is completed by placing the last coolant subassembly with the upper end plate and the upper clamping plate laying on it. Pressure is applied to the stacking to pre-compress the wave-shaped copper plates to ensure metal-metal contact for all components. Applied pressure ranges from 138 kPa (20 psi) to 3,447,000 kPa (500,000 psi), with a preferred range of 138 kPa to 138,000 kPa (20 to 20,000 psi) or more. a preferred range of 138 kPa to 34,474 kPa (20 to 5,000 psi). The stack is then secured in place using a clamping system before relieving the applied pressure. The clamping system keeps the stack compressed to weld the chamber.
Сварка камеры осуществляется преимущественно в три этапа: выполнение несущих сварных швов на обеих технологических поверхностях, выполнение уплотняющих сварных швов на обеих поверхностях теплоносителя и выполнение двух уплотняющих сварных швов с концевой пластиной на каждой технологической поверхности для предотвращения обхода потока. Реактор остается в закрепленном состоянии на протяжении каждого из этих этапов сварки для обеспечения как можно лучшего термического контакта в камере. Следует отметить, что каждый из этих трех этапов сварки камеры служит для отдельной цели. Несущие сварные швы на технологических поверхностях выполняются первыми и придают стопке в целом достаточную механическую прочность для упрощения дальнейших операций с камерой (подъем, вращение или иные манипуляции) на протяжении двух других этапов сварки, а также всех последующих этапов изготовления. Уплотняющие сварные швы на двух поверхностях теплоносителя представляют собой первичные швы, которые защищают реактор от внутренних перекрестных утечек (технологическая среда - теплоноситель или наоборот). Уплотняющие сварные швы концевой пластины используются для уплотнения наиболее удаленных от центров подузлов теплоносителя с верхней и нижней концевыми пластинами. Хотя они уплотнены на поверхностях теплоносителя во избежание перекрестных утечек, также необходимо выполнить их уплотнение на технологических поверхностях во избежание переноса потока технологического газа между этими деталями в обход, таким образом, слоя катализатора. Следует отметить, что катализатор загружается в реактор и между технологическими оребренными пластинами после окончательной сборки.Welding of the chamber is carried out mainly in three stages: the implementation of load-bearing welds on both technological surfaces, the implementation of sealing welds on both surfaces of the coolant and the performance of two sealing welds with an end plate on each technological surface to prevent bypass flow. The reactor remains in a fixed state during each of these welding steps to ensure the best possible thermal contact in the chamber. It should be noted that each of these three stages of welding the chamber serves a separate purpose. Bearing welds on technological surfaces are carried out first and give the stack as a whole sufficient mechanical strength to simplify further operations with the camera (lifting, rotation or other manipulations) during the other two stages of welding, as well as all subsequent manufacturing steps. Sealing welds on two surfaces of the coolant are primary welds that protect the reactor from internal cross-leakage (process medium is coolant or vice versa). The sealing welds of the end plate are used to seal the most distant coolant sub-centers with the upper and lower end plates. Although they are sealed on the surfaces of the coolant in order to avoid cross-leakage, it is also necessary to seal them on the technological surfaces in order to prevent the transfer of the process gas flow between these parts, thus bypassing the catalyst layer. It should be noted that the catalyst is loaded into the reactor and between the technological finned plates after the final assembly.
Перед сваркой камеры в один узел реактор должен по существу не иметь утечек. Сварной реактор пока не был подготовлен для нагнетания значительного внутреннего давления, так что для поддержки можно использовать болт на зажимном механизме. После аттестации камеры реактора приваривается на место передний приемник теплоносителя. После выполнения этого этапа реактор может быть подвергнут испытаниям с расходом стороны охладителя в случае такого желания или необходимости. Далее на место приваривается соответствующий задний приемник теплоносителя. Оба коллектора теплоносителя подготавливаются к эксплуатации и составляют часть основания системы внешних опор реактора.Before welding the chamber into one assembly, the reactor should be substantially free of leaks. The welded reactor has not yet been prepared to pump significant internal pressure, so a bolt on the clamping mechanism can be used for support. After certification of the reactor chamber, the front coolant receiver is welded into place. After completing this step, the reactor can be tested at the flow rate of the cooler side, if desired or necessary. Next, the corresponding rear coolant receiver is welded into place. Both heat collectors are prepared for operation and form part of the base of the external support system of the reactor.
Поскольку, за исключением подузлов теплоносителя, вся сварка выполняется по периметру камеры, реактор не может выдерживать значительное внутреннее технологическое давление без деформации верхней и нижней концевых пластин в связи с вызванной давлением нагрузкой, и соответственно реактор не может выйти на рабочий режим в своем текущем состоянии. Для обеспечения механической целостности реактора по периметру камеры реактора приваривается система внешних опор (экзоскелет). Эти опоры предназначены для уравновешивания внутреннего технологического давления и таким образом для контроля любой деформации верхней и нижней пластин в приемлемых рамках. Внешние опоры действуют как элементы жесткости, которые привариваются к верхней и нижней концевым пластинам реактора, после чего выполняется соединение верхней и нижней частей. Они уравновешивают любые нагрузки, обусловленные внутренним нагнетанием давления, и соответственно предотвращают любую возможную в противном случае деформацию. Их толщина меньше высоты, и они окружают реактор в несколько слоев (см. фигуру 15). Предпочтительно каждый элемент жесткости имеет высоту по крайней мере в 3 раза, более предпочтительно по крайней мере в 5 раз превышающую толщину (высота подразумевается в направлении укладки). В некоторых вариантах осуществления расстояние между наборами опор, а также их толщина и высота определяются, исходя из уравновешиваемых нагрузок процесса. В одном примере опоры выполнены из пластины толщиной 0,75 дюйма из нержавеющей пластины и выступают приблизительно на 8″ на верхней и нижней концевых пластинах с расстоянием между ними приблизительно 3″. В качестве последнего этапа аттестации к камере на технологические поверхности могут быть приварены временные коллекторы, которые подвергаются испытаниям под высоким давлением для подтверждения соответствия реактора проектировочным критериям. После этого этапа технологические коллекторы удаляются, и камера может быть подготовлены для загрузки катализатора, после чего на место привариваются конечные технологические коллекторы.Since, with the exception of coolant subassemblies, all welding is performed around the perimeter of the chamber, the reactor cannot withstand significant internal process pressure without deformation of the upper and lower end plates due to the pressure caused by the pressure, and accordingly, the reactor cannot enter the operating mode in its current state. To ensure the mechanical integrity of the reactor, a system of external supports (exoskeleton) is welded along the perimeter of the reactor chamber. These supports are designed to balance the internal process pressure and thus to control any deformation of the upper and lower plates within an acceptable framework. External supports act as stiffeners that are welded to the upper and lower end plates of the reactor, after which the upper and lower parts are connected. They balance any load caused by internal pressure build-up and, accordingly, prevent any other possible deformation. Their thickness is less than the height, and they surround the reactor in several layers (see figure 15). Preferably, each stiffener has a height of at least 3 times, more preferably at least 5 times the thickness (height is implied in the laying direction). In some embodiments, the distance between the sets of supports, as well as their thickness and height, are determined based on the balanced loads of the process. In one example, the supports are made of a 0.75 inch thick stainless steel plate and project approximately 8 ″ on the upper and lower end plates with a spacing of about 3 ″ between them. As the last stage of certification, temporary collectors can be welded to the chamber on technological surfaces, which are subjected to high pressure tests to confirm that the reactor meets design criteria. After this stage, the technological collectors are removed, and the chamber can be prepared for loading the catalyst, after which the final technological collectors are welded into place.
Фиг.16 иллюстрирует пример, в котором четыре подузла 15×60 см (6″×24″) располагаются бок о бок и свариваются на различных участках для соединения в узел с размерами 60×60 см (24″×24″). Предпочтительной для соединения подузлов является точечная сварка, поскольку было установлено, что непрерывные сварные швы вызывают повышенную деформацию.FIG. 16 illustrates an example in which four 15 × 60 cm (6 ″ × 24 ″) subassemblies are arranged side by side and welded at different sites for connection to a 60 × 60 cm (24 ″ × 24 ″) assembly. Spot welding is preferred for joining subassemblies since it has been found that continuous welds cause increased deformation.
Пример 8.Example 8
Устройство из примера 8 представляет собой сварной реактор или устройство, которое обеспечивает теплопередачу с перекрестным током между двумя потоками текучей среды. Могут быть использованы альтернативные конфигурации потоков, но в конкретном описанном примере используется перекрестный ток. Наружные опоры были приварены в составе набора (см. фигуру 17) к наружной части камеры устройства, чтобы обеспечить нагнетание давления во внутренних каналах устройства по отношению к низкому давлению внешней среды без нарушения целостности устройства или потери герметичности. «Экзоскелет» или набор наружных опор позволяет устройству выдерживать высокие перепады давления с внешней средой. Устройство было выполнено из нержавеющей камеры 304L, включая внешние опоры. Применение экзоскелета позволяет использовать сварной реактор для реакций Фишера-Тропша и других реакций либо теплообменных задач или операций под высоким давлением без использования наружного сосуда давления. Устройства работают скорее на растяжение, чем на сжатие в присутствии наружного сосуда давления с текучей средой высокого давления, окружающей реактор или устройство изобретения.The device of Example 8 is a welded reactor or device that provides cross-flow heat transfer between two fluid streams. Alternative flow patterns may be used, but the cross-talk is used in the specific example described. External supports were welded as a part of the kit (see figure 17) to the outer part of the device chamber in order to ensure pressure build-up in the internal channels of the device with respect to the low pressure of the external environment without compromising the integrity of the device or loss of tightness. An “exoskeleton” or a set of external supports allows the device to withstand high pressure drops with the external environment. The device was made of stainless steel 304L, including external supports. The use of an exoskeleton allows the use of a welded reactor for Fischer-Tropsch reactions and other reactions or heat transfer tasks or operations under high pressure without using an external pressure vessel. The devices operate in tension rather than compression in the presence of an external pressure vessel with a high pressure fluid surrounding the reactor or device of the invention.
Камера устройства из примера 8 с размерами 61×61×~6,5 см была выполнена из слоев, которые сварены по периметру, как описано в прикрепленном приложении. Наружные опоры были выполнены с толщиной 1,9 см, длиной 105 см и шириной около 14 см у концов и около 17 см на участке, смежном с поверхностью 61×61 см. Опоры были расположены на расстоянии 10,2 см друг от друга (между центрами) с расположением между опорами поперечных элементов толщиной 1,9 см вдоль каждого конца устройства (таким образом, что два ряда перекрестных элементов отстоят друг от друга на 60 см). Сварные швы между наружными опорами и перекрестными элементами представляли собой сварные швы с разделкой кромок и полным проплавлением.The camera of the device of example 8 with dimensions 61 × 61 × ~ 6.5 cm was made of layers that are welded around the perimeter, as described in the attached application. The outer supports were made with a thickness of 1.9 cm, a length of 105 cm and a width of about 14 cm at the ends and about 17 cm in the area adjacent to the surface 61 × 61 cm. The supports were located at a distance of 10.2 cm from each other (between centers) with an arrangement between the supports of transverse elements 1.9 cm thick along each end of the device (so that two rows of cross elements are spaced 60 cm apart). The welds between the outer supports and the cross members were welds with grooves and full penetration.
Гидростатические испытания первоначально были выполнены для контура технологического потока. Использованная процедура (показана графически на фигуре 18) заключалась в следующем:Hydrostatic tests were originally performed for the process flow loop. The procedure used (shown graphically in figure 18) was as follows:
1. Определение исходной интенсивности утечки в ходе испытания под давлением с азотом при 690 кПа (фунт/кв. дюйм).1. Determination of the initial leakage rate during a pressure test with nitrogen at 690 kPa (psi).
2. Заполнение устройства водой с использованием насоса (в этом примере был использован насос ВЭЖХ «Prep Pump» производства Lab Alliance (Лэб Элайянс)).2. Filling the device with water using a pump (in this example, the Prep All HPLC pump Lab Alliance (Lab Elyans) was used).
3. Использование насоса для повышения давления от внешнего давления (т.е. <450 кПа) до ~3300 кПа (464 фунт/кв. дюйм) со скоростью ~300-400 кПа/мин.3. Using a pump to increase pressure from external pressure (ie <450 kPa) to ~ 3300 kPa (464 psi) at a rate of ~ 300-400 kPa / min.
4. Стравливание давления со скоростью ~50-100 кПа/мин до уровня ниже ~3000 кПа (420 фунт/кв. дюйм).4. Relieve pressure at a rate of ~ 50-100 kPa / min to a level below ~ 3000 kPa (420 psi).
5. Использование насоса для повышения давления от ~3000 кПа (420 фунт/кв. дюйм) до ~3700 кПа (522 фунт/кв. дюйм) со скоростью ~50-100 кПа/мин.5. Using a pump to increase pressure from ~ 3000 kPa (420 psi) to ~ 3700 kPa (522 psi) at a speed of ~ 50-100 kPa / min.
6. Использование насоса для повышения давления от ~3700 кПа до >6000 кПа (855 фунт/кв. дюйм) со скоростью ~100-150 кПа/мин.6. Using a pump to increase pressure from ~ 3700 kPa to> 6000 kPa (855 psi) at a speed of ~ 100-150 kPa / min.
7. Стравливание давления со скоростью ~250-300 кПа/мин до уровня ниже 5300 кПа (754 фунт/кв. дюйм).7. Relieve pressure at a rate of ~ 250-300 kPa / min to a level below 5300 kPa (754 psi).
8. Продолжение стравливания давления до достижения условий внешней среды и слив воды из устройства.8. Continue bleeding pressure until environmental conditions are reached and draining water from the device.
9. Повторение шага 1.9.
Далее были выполнены вторые гидростатические испытания для контура технологического потока. Использованная процедура (показана графически на фигуре 19) заключалась в следующем:Next, a second hydrostatic test was performed for the process flow loop. The procedure used (shown graphically in figure 19) was as follows:
10. Заполнение устройства водой с использованием насоса (в этом примере был использован насос ВЭЖХ «Prep Pump» производства Lab Alliance).10. Filling the device with water using a pump (the Prep All HPLC pump manufactured by Lab Alliance was used in this example).
11. Использование насоса для повышения давления от внешнего давления (т.е. <250 кПа) до ~3500 кПа (495 фунт/кв. дюйм) со скоростью ~2000-2500 кПа/мин.11. Using a pump to increase pressure from external pressure (ie <250 kPa) to ~ 3500 kPa (495 psi) at a speed of ~ 2000-2500 kPa / min.
12. Использование насоса для повышения давления от ~3500 кПа до >6000 кПа (855 фунт/кв. дюйм) со скоростью ~800-900 кПа/мин.12. Using a pump to increase pressure from ~ 3500 kPa to> 6000 kPa (855 psi) at a speed of ~ 800-900 kPa / min.
13. Стравливание давления со скоростью ~400 кПа/мин до уровня ниже 5200 кПа (740 фунт/кв. дюйм).13. Relieve pressure at a rate of ~ 400 kPa / min to below 5200 kPa (740 psi).
14. Продолжение стравливания давления до достижения условий внешней среды и слив воды из устройства.14. Continue bleeding pressure until environmental conditions are reached and draining water from the device.
15. Повторная проверка интенсивности утечки при давлении около 690 кПа (100 фунт/кв. дюйм) и сравнение с исходной интенсивностью утечки для испытания под давлением.15. Recheck the leak rate at a pressure of about 690 kPa (100 psi) and compare with the original leak rate for the pressure test.
Гидростатические испытания контуров теплоносителя и технологических контуров были выполнены с использованием вышеуказанных протоколов. Устройство продемонстрировало отсутствие признаков механического отказа при гидростатических испытаниях. Интенсивность утечки из контура теплоносителя в технологический контур до и после этих гидростатических испытаний, измеряемая как падение давления за 15-минутный период с исходным давлением 690 кПа (100 фунт/кв. дюйм) в контуре теплоносителя, составила 0,6 кПа (0,09 фунт/кв. дюйм) и 21 кПа (3,05 фунт/кв. дюйм). Далее устройство было подготовлено с применением сварки, и было выполнено измерение интенсивности утечки из контура теплоносителя в технологический контур, которая была определена как падение давления 2,2 кПа (0,32 фунт/кв. дюйм) за 15-минутный период с исходным давлением 690 кПа (100 фунт/кв. дюйм). В альтернативном варианте может быть использована газовольфрамовая сварка, сварка плавящимся электродом в инертном газе или другие традиционные способы сварки.Hydrostatic tests of the coolant and process circuits were performed using the above protocols. The device showed no signs of mechanical failure during hydrostatic tests. The leakage rate from the coolant circuit to the process circuit before and after these hydrostatic tests, measured as the pressure drop over a 15-minute period with an initial pressure of 690 kPa (100 psi) in the coolant circuit, was 0.6 kPa (0.09 psi) and 21 kPa (3.05 psi). Further, the device was prepared using welding, and the leakage rate was measured from the coolant circuit to the process circuit, which was defined as a pressure drop of 2.2 kPa (0.32 psi) over a 15-minute period with an initial pressure of 690 kPa (100 psi) Alternatively, gas tungsten welding, inert gas consumable welding, or other conventional welding methods may be used.
Сварная камера реактора была собрана из сваренных лазерной сваркой подузлов теплоносителя, после чего была выполнена сварка в конечный реактор. Далее реактор был оснащен экзоскелетом, который обеспечивает функционирование при повышенном давлении. Для реактора Фишера-Тропша испытания гидростатическим давлением выполняются при 5895 кПа (855 фунт/кв. дюйм). В альтернативном варианте для рабочих условий Фишера-Тропша могут быть использованы гидростатические испытания с более высоким или низким давлением в зависимости от желаемых условий эксплуатации. Описанные гидростатические испытания в этом примере аттестуют реактор для эксплуатации при пиковой температуре 250°C и пиковым расчетным давлением 3875 кПа (562 фунт/кв. дюйм). Рабочие температура и давление должны быть ниже пикового расчетного давления для обеспечения эксплуатационного коэффициента запаса. Для желаемого повышенного рабочего давления для реактора Фишера-Тропша промежутки между наружными опорами, как показано на фигуре 17, должны быть снижены, а также добавлены дополнительные опоры для аттестации ректора для повышенного рабочего давления.The welded chamber of the reactor was assembled from laser-welded sub-assemblies of the coolant, after which welding to the final reactor was performed. Further, the reactor was equipped with an exoskeleton, which ensures functioning at elevated pressure. For the Fischer-Tropsch reactor, hydrostatic pressure tests are performed at 5895 kPa (855 psi). Alternatively, hydrostatic tests with higher or lower pressure may be used for the Fischer-Tropsch operating conditions, depending on the desired operating conditions. The hydrostatic tests described in this example certify the reactor for operation at a peak temperature of 250 ° C and a peak design pressure of 3875 kPa (562 psi). The operating temperature and pressure should be lower than the peak design pressure to ensure an operational safety factor. For the desired increased working pressure for the Fischer-Tropsch reactor, the gaps between the external supports, as shown in FIG. 17, should be reduced, and additional supports added to certify the reactor for increased working pressure.
Другие реакции в случае эксплуатации при повышенной температуре или давлении должны быть обеспечены с применением экзоскелета изобретения, но могут потребовать дополнительных опор, которые расположены с большей плотностью. В альтернативном варианте при необходимости сниженного расчетного технологического давления или температуры следует использовать более редкое расположение сварных опорных элементов. Сварной реактор изобретения может эксплуатироваться при повышенной температуре и повышенном давлении без расположения внутри защитной оболочки под давлением или без паяной или диффузионно-сварной камеры реактора.Other reactions in the case of operation at elevated temperature or pressure should be provided using the exoskeleton of the invention, but may require additional supports, which are located with a higher density. Alternatively, if a reduced design process pressure or temperature is required, a rarer arrangement of welded support elements should be used. The welded reactor of the invention can be operated at elevated temperature and elevated pressure without being placed inside the containment under pressure or without a soldered or diffusion-welded reactor chamber.
Экзоскелет изобретения позволяет реактору или устройству успешно выдерживать гидростатические испытания при высоком внутреннем давлении и низком наружном давлении с сохранением механической целостности и пригодности к эксплуатации реактора.The exoskeleton of the invention allows the reactor or device to successfully withstand hydrostatic tests at high internal pressure and low external pressure while maintaining mechanical integrity and usability of the reactor.
Пример 9. Испытания на утечкуExample 9. Leak Testing
Проверочные испытания на утечку для цельносварного устройстваAll-weld leak test
РезюмеSummary
Цельносварные устройства ФТ были подвергнуты проверочным пневматическим испытаниям на утечку до уровня давления 690 кПа (100 фунт/кв. дюйм) независимо для технологической стороны и стороны теплоносителя. В некоторых вариантах осуществления давление проверки на утечку может составлять до 1380 кПа (200 фунт/кв. дюйм) или 3450 кПа (500 фунт/кв. дюйм), и в одном варианте осуществления до 6900 кПа (1000 фунт/кв. дюйм). Выполнялась регистрация падения давления со временем для определения наличия утечек в устройстве, а также испытания на утечку поверхностей контакта для определения расположения утечек. Чтобы обеспечить нагнетание давления с любой стороны, к устройству прикрепляются уплотненные прокладками передние и задние приемники при помощи зажимного приспособления с резьбой по всей длине. В устройство нагнетается давление с шагом 90-180 кПа (10-20 фунт/кв. дюйм) с остановкой после каждого шага для проверки интенсивности падения давления, проверки прокладок и всей арматуры на утечки, а также для определения любых утечек внутри устройства.All-welded FT devices were subjected to pneumatic leak tests to a pressure level of 690 kPa (100 psi) independently for the process side and the coolant side. In some embodiments, the leakage test pressure may be up to 1380 kPa (200 psi) or 3450 kPa (500 psi), and in one embodiment up to 6900 kPa (1000 psi). The pressure drop was recorded over time to determine the presence of leaks in the device, as well as leak tests of the contact surfaces to determine the location of the leaks. To ensure pressure build-up on either side, front and rear receivers sealed with gaskets are attached to the device using a clamping device with a thread along the entire length. Pressure is injected into the device in increments of 90-180 kPa (10-20 psi) with a stop after each step to check the rate of pressure drop, check gaskets and all fittings for leaks, and to identify any leaks inside the device.
Пример 10. Сверхвысокие оребренные пластины, используемые в реакторе изобретения для реакции Фишера-Тропша и других химических реакцийExample 10. Ultra-high finned plates used in the reactor of the invention for the Fischer-Tropsch reaction and other chemical reactions
Цельносварной реактор, в котором технологические слои (включая оребренные конструкции) расположены смежно с подузлами теплоносителя с образованием конечного устройства в сборе, допускает применение нетрадиционных технологических слоев, включая сверхвысокие оребренные пластины. Применение сверхвысоких оребренных пластин может быть связано с затруднениями при пайке или диффузионной сварке, поскольку они обеспечивают (если обеспечивают вообще) слабую опорную конструкцию при пайке или диффузионной сварке и способны прогибаться, деформироваться или иным образом обусловливать необходимость закрепления или выпрямления итоговой конструкции перед эксплуатацией в том случае, если эксплуатация возможна. Избыточная деформация сверхвысоких оребренных пластин (как например, около 1,25 см или 0,5 дюйма или выше) после пайки или диффузионной сварки обусловливает непригодность устройства для эксплуатации.The all-welded reactor, in which the technological layers (including finned structures) are adjacent to the coolant sub-assemblies with the formation of the final assembly, allows the use of non-traditional technological layers, including ultra-high finned plates. The use of ultrahigh finned fins can be difficult to solder or diffuse welding, because they provide (if they provide at all) a weak support structure during soldering or diffusion welding and are able to bend, deform, or otherwise make it necessary to fix or straighten the final structure before operation in case operation is possible. Excessive deformation of ultra-high finned fins (such as about 1.25 cm or 0.5 inches or higher) after soldering or diffusion welding makes the device unsuitable for use.
Случай А: высота оребренной пластины 0,5625 см (0,225″)Case A: Ribbed plate height 0.5625 cm (0.225 ″)
Реакция Фишера-Тропша проводится в микроканальном реакторе. Микроканальный реактор содержит ряд параллельных технологических каналов с уплотненным катализатором ФТ. Тепло от реакции отводится по каналам теплоносителя между технологическими каналами, где в качестве теплоносителя выступает вода. Отвод тепла от реакции, вырабатываемого внутри слоя катализатора, улучшается за счет внутренней оребренной структуры. Непрерывная оребренная пластина внутри технологического канала образует ряд параллельных путей потока. В этом примере оребренная пластина выполнена из меди 110. Высота технологического канала составляет 0,5625 см (0,225″), а длина - 57,5 см (23″). Оребренная пластина обладает той же длиной, расстояние между ребрами пластины составляет 0,1 см (0,04″), а толщина оребренной пластины - 0,015 см (0,006″). Предполагается отсутствие сопротивления контакта между оребренной пластиной и стенками технологического канала. Толщина стенки технологического канала составляет 0,05 см (0,02″), и она выполнена из нержавеющей стали.The Fischer-Tropsch reaction is carried out in a microchannel reactor. A microchannel reactor contains a number of parallel process channels with a compact FT catalyst. Heat from the reaction is removed through the coolant channels between the technological channels, where water acts as the coolant. The heat removal from the reaction generated inside the catalyst bed is improved due to the internal finned structure. A continuous finned plate inside the process channel forms a series of parallel flow paths. In this example, the finned plate is made of copper 110. The height of the process channel is 0.5625 cm (0.225 ″) and the length is 57.5 cm (23 ″). The fin plate has the same length, the distance between the ribs of the plate is 0.1 cm (0.04 ″), and the thickness of the fin plate is 0.015 cm (0.006 ″). It is assumed that there is no contact resistance between the ribbed plate and the walls of the process channel. The wall thickness of the process channel is 0.05 cm (0.02 ″), and it is made of stainless steel.
Технологический канал содержит определенное количество кобальтового катализатора и описан в первом примере. Пористость слоя катализатора составляет приблизительно 0,4, а эффективная теплопроводность - приблизительно 0,3 Вт/(м·К). Плотность загрузки катализатора - 1060 кг/м3.The process channel contains a certain amount of cobalt catalyst and is described in the first example. The porosity of the catalyst layer is approximately 0.4, and the effective thermal conductivity is approximately 0.3 W / (m · K). The loading density of the catalyst is 1060 kg / m 3 .
Комплексные реакции ФТ смоделированы в качестве упрощенной реакционной схемы с 6 объемными реакциями (см. таблицу 5). Параметры (таблица 6) в выражениях скорости установлены с использованием данных испытаний катализатора в лабораторном реакторе ФТ.Complex FT reactions are modeled as a simplified reaction scheme with 6 volumetric reactions (see table 5). The parameters (table 6) in terms of speed are established using the test data of the catalyst in the FT laboratory reactor.
Здесь в моделях реакторов ФТ были использованы следующие условия эксплуатации:Here, in the models of FT reactors, the following operating conditions were used:
- Температура на стенках технологических каналов - 230°C- The temperature on the walls of the technological channels - 230 ° C
- Давление в начале слоя катализатора - 2840 кПа (412 фунт/кв. дюйм)- The pressure at the beginning of the catalyst layer is 2840 kPa (412 psi)
- Соотношение Н2/СО в подаваемой смеси - 2,1- The ratio of H 2 / WITH in the feed mixture is 2.1
- Разбавление азотом подаваемой смеси - 31,3% (по объему)- Nitrogen dilution of the feed mixture - 31.3% (v / v)
- Технологическая подаваемая смесь предварительно нагрета до температуры стенок каналов- Technological feed mixture is preheated to the temperature of the walls of the channels
- Расход подаваемой смеси на один пакет катализатора с размерами 0,1×0,563×57,5 см (0,04″×0,225″×23″)-1197 см3/мин. Время контакта, рассчитанное на основе объема катализатора, составляет 0,17 секунды.- The flow rate of the feed mixture per catalyst package with dimensions of 0.1 × 0.563 × 57.5 cm (0.04 ″ × 0.225 ″ × 23 ″) is 1197 cm 3 / min. The contact time calculated based on the volume of the catalyst is 0.17 seconds.
Расчетная температура слоя катализатора как функция от длины реактора показана на фигуре 20. Выборка температур была получена вдоль центра слоя катализатора таким образом, что пик кривой представляет максимальную температуру слоя катализатора. В этом случае она составляет 239°C и расположена на малом расстоянии от начала слоя катализатора. Конверсия СО достигается при 76,0%, а избирательность к метану - при 15,3%.The calculated temperature of the catalyst bed as a function of reactor length is shown in Figure 20. A temperature sample was obtained along the center of the catalyst bed so that the peak of the curve represents the maximum temperature of the catalyst bed. In this case, it is 239 ° C and is located at a small distance from the beginning of the catalyst layer. CO conversion is achieved at 76.0%, and methane selectivity at 15.3%.
Случай В: высота оребренной пластины 1,25 см (0,5″)Case B: ribbed plate height 1.25 cm (0.5 ″)
Реакция Фишера-Тропша проводится в микроканальном реакторе. Микроканальный реактор аналогичен реактору в случае А. Единственное отличие заключается в том, что высота технологического канала и медной оребренной пластины составляет 1,25 см (0,5″). Ожидается, что при номинальной высоте оребренной пластины 1,25 см (0,5″) начальная высота оребренной пластины должна находиться в диапазоне от 1,253 см (0,501″) до 0,13 см (0,052″) с предпочтительным диапазоном от 1,26 см (0,504″) до 1,275 см (0,510″), приближенным к номинальному размеру 1,25 см (0,5″) боковых планок, стыковых планок или п-планок.The Fischer-Tropsch reaction is carried out in a microchannel reactor. The microchannel reactor is similar to the reactor in case A. The only difference is that the height of the process channel and the copper finned plate is 1.25 cm (0.5 ″). It is expected that at a nominal ribbed height of 1.25 cm (0.5 ″), the initial height of the finned plate should be in the range of 1.253 cm (0.501 ″) to 0.13 cm (0.052 ″) with a preferred range of 1.26 cm (0.504 ″) to 1.275 cm (0.510 ″), close to the nominal size of 1.25 cm (0.5 ″) of the side strips, butt strips or p-strips.
В этом примере условия эксплуатации аналогичны, за исключением расхода подаваемой смеси, который повышен в соответствии с общим объемом загрузки катализатора для сохранения того же времени контакта реакции на уровне 0,17 секунды. Расход составляет 2661 см3/мин.In this example, the operating conditions are similar, except for the flow rate of the feed mixture, which is increased in accordance with the total catalyst loading volume to maintain the same reaction contact time at 0.17 seconds. The flow rate is 2661 cm 3 / min.
В этом примере используется тот же катализатор и кинетика реакций. Характеристики слоя катализатора также аналогичны используемым в случае А.In this example, the same catalyst and reaction kinetics are used. The characteristics of the catalyst layer are also similar to those used in case A.
Расчетная температура слоя катализатора как функция от длины реактора показана на фигуре 21. Выборка температур была получена вдоль центра слоя катализатора таким образом, что пик кривой представляет максимальную температуру слоя катализатора. В этом случае она составляет 246°C и расположена на малом расстоянии от начала слоя катализатора. Конверсия СО достигается при 81,9%, а избирательность к метану - при 17,0%. При эксплуатации следует ожидать, что рабочая температура в связи с воздействием давления со стороны пара будет несколько снижена до 226-229°C, так что конверсия СО составит менее 76%, а соответствующий показатель избирательности будет несколько ниже расчетных 17%. В целом, согласно расчетам, при высоте оребренной пластины 1,25 см (0,5″) для реактора будет обеспечена эксплуатация с регулированием температуры.The calculated temperature of the catalyst layer as a function of reactor length is shown in Figure 21. A temperature sample was obtained along the center of the catalyst layer so that the peak of the curve represents the maximum temperature of the catalyst layer. In this case, it is 246 ° C and is located at a small distance from the beginning of the catalyst layer. CO conversion is achieved at 81.9%, and methane selectivity at 17.0%. During operation, it should be expected that the operating temperature due to the pressure from the steam side will be slightly reduced to 226-229 ° C, so that the CO conversion will be less than 76%, and the corresponding selectivity will be slightly lower than the calculated 17%. In general, according to calculations, with a ribbed plate height of 1.25 cm (0.5 ″), temperature-controlled operation will be provided for the reactor.
Ожидается, что в цельносварном реакторе изобретения может использоваться медная оребренная пластина высотой 1,25 см (0,5″) для реактора Фишера-Тропша. Этот переход к сверхвысокой оребренной пластине (0,625 см (0,25″) или выше) не является возможным в случае оребренной пластины для реакции Фишера-Тропша из нержавеющей стали или в случае паяного реактора. Сверхвысокие оребренные пластины паяного реактора подвергаются значительному сжатию и сминаются при высоких температурах и в процессе пайки при высокой нагрузке. Использование платформы цельносварного реактора обеспечивает более эффективные реакторы Фишера-Тропша с высокими и сверхвысокими оребренными пластинами.It is expected that a 1.25 cm (0.5 ″) high copper fin plate for a Fischer-Tropsch reactor can be used in an all-welded reactor of the invention. This transition to an ultra-high finned fin (0.625 cm (0.25 ″) or higher) is not possible in the case of the finned stainless steel finned plate or in the case of a brazed reactor. The ultrahigh finned fin plates of a brazed reactor undergo significant compression and crumple at high temperatures and during brazing at high loads. The use of an all-welded reactor platform provides more efficient Fischer-Tropsch reactors with high and ultra-high finned plates.
Случай С: высота оребренной пластины 2,5 см (1″)Case C: Ribbed Plate Height 2.5 cm (1 ″)
Реакция Фишера-Тропша проводится в микроканальном реакторе. Конфигурация реактора аналогична реактору в случае А. Единственное отличие заключается в том, что высота технологического канала и медной оребренной пластины составляет 2,5 см (1,0″).The Fischer-Tropsch reaction is carried out in a microchannel reactor. The reactor configuration is similar to the reactor in case A. The only difference is that the height of the process channel and the copper finned plate is 2.5 cm (1.0 ″).
В этом примере условия эксплуатации аналогичны, за исключением расхода подаваемой смеси, который повышен в соответствии с общим объемом загрузки катализатора для сохранения того же времени контакта реакции на уровне 0,17 секунды. Расход составляет 5321 см3/мин.In this example, the operating conditions are similar, except for the flow rate of the feed mixture, which is increased in accordance with the total catalyst loading volume to maintain the same reaction contact time at 0.17 seconds. The flow rate is 5321 cm 3 / min.
В этом примере используется тот же катализатор и кинетика реакций. Характеристики слоя катализатора также аналогичны используемым в случае А.In this example, the same catalyst and reaction kinetics are used. The characteristics of the catalyst layer are also similar to those used in case A.
Расчетная температура слоя катализатора как функция от длины реактора показана на фигуре 22. Выборка температур была получена вдоль центра слоя катализатора таким образом, что пик кривой представляет максимальную температуру слоя катализатора. В этом случае она превышает 600°C. В связи с тем, что объем катализатора приблизительно в 4 раза превышает объем в реакторе ФТ в случае А, общее количество тепла, проходящее через каждое ребро пластины, повышается с умножением на аналогичные масштабные коэффициенты. На этом уровне тепла от реакции даже низкое сопротивление к теплопередаче внутри медных ребер приобретает критическое значение. Это можно наблюдать по значительным изменениям температуры от центра к краю. В связи с высокой температурой в большей части слоя катализатора конверсия СО составляет около 90% и избирательность к метану также значительно выше, чем для случаев более низких значений высот оребренной пластины. Ожидается, что для экзотермического эффекта этого типа катализатор ФТ быстро деактивируется и соответственно экзотермический эффект перемещается вдоль потока в осевом направлении во многом подобно горящей сигаре. После выгорания катализатора ФТ общая конверсия должна быть низкой (менее 40% на проход для аналогичных условий расхода, температуры и давления), а соответствующий уровень метана должен быть высоким (выше 10%).The calculated temperature of the catalyst bed as a function of reactor length is shown in Figure 22. A temperature sample was obtained along the center of the catalyst bed so that the peak of the curve represents the maximum temperature of the catalyst bed. In this case, it exceeds 600 ° C. Due to the fact that the volume of the catalyst is approximately 4 times the volume in the FT reactor in case A, the total amount of heat passing through each edge of the plate increases with multiplication by similar scale factors. At this level of heat from the reaction, even a low resistance to heat transfer inside the copper fins becomes critical. This can be observed by significant changes in temperature from the center to the edge. Due to the high temperature in most of the catalyst layer, the CO conversion is about 90% and the methane selectivity is also significantly higher than for lower finned plate heights. It is expected that for an exothermic effect of this type, the FT catalyst is quickly deactivated and, accordingly, the exothermic effect moves along the stream in the axial direction much like a burning cigar. After the FT catalyst burns out, the total conversion should be low (less than 40% per passage for similar conditions of flow, temperature and pressure), and the corresponding methane level should be high (above 10%).
Вышеуказанные примеры предполагают превосходный термический контакт оребренной пластины со стенкой и превосходное распределение расхода на стороне теплоносителя без блокированных каналов или каналов теплоносителя с низким расходом. Ожидается, что в реальном промышленном крупномасштабном реакторе с применением дисперсного катализатора ФТ устойчивая высота оребренной пластины должна предпочтительно составлять менее 1,3 см (0,5 дюйма) для компенсации производственных дефектов или нарушений режима эксплуатации, связанных с потенциальным загрязнением на стороне теплоносителя в процессе эксплуатации.The above examples imply excellent thermal contact of the finned plate with the wall and excellent flow distribution on the coolant side without blocked channels or low-flow coolant channels. It is expected that in a real industrial large-scale reactor using a dispersed FT catalyst, the stable height of the finned plate should preferably be less than 1.3 cm (0.5 in) to compensate for manufacturing defects or operational disturbances associated with potential contamination on the coolant side during operation .
Claims (31)
первый и второй листы являются по существу плоскими;
первый лист содержит системы параллельных микроканалов, причем микроканалы отделены друг от друга перегородкой;
первый лист и второй лист являются смежными; и
включающий сварные швы, которые проходят по длине перегородок и соединяют первый лист со вторым листом.1. A chemical reactor for carrying out one or more technological operations, including a layered microchannel unit, which in turn includes a first sheet and a second sheet; each sheet has a length and a width, wherein the cross-sectional area, defined as the product of the sheet length by the sheet width, exceeds 100 cm 2 ;
the first and second sheets are substantially flat;
the first sheet contains systems of parallel microchannels, the microchannels being separated from each other by a partition;
the first sheet and the second sheet are adjacent; and
including welds that extend along the length of the partitions and connect the first sheet to the second sheet.
предоставление первого подузла или первого листа и второго подузла или второго листа;
при этом первый подузел или первый лист включает первую параллельную систему каналов, второй подузел или второй лист включает вторую параллельную систему каналов, при этом отсутствует пересечение между каналами в первом подузле или первом листе и втором подузле или втором листе;
сварку кромки первого подузла с кромкой второго подузла с образованием комбинированного слоя подузла или сварку кромок первого и второго листов с образованием общего сварного листа;
и укладку комбинированного слоя или общего сварного листа с одним или более слоями или листами и соединение уложенных в стопку слоев или листов с образованием слоистого устройства.6. A method of manufacturing a layered chemical reactor for one or more technological operations, including:
providing a first subnode or first sheet and a second subnode or second sheet;
wherein the first subnode or first sheet includes a first parallel channel system, the second subnode or second sheet includes a second parallel channel system, while there is no intersection between the channels in the first subnode or first sheet and the second subnode or second sheet;
welding the edges of the first subassembly with the edge of the second subassembly to form a combined subassembly layer or welding the edges of the first and second sheets to form a common welded sheet;
and laying a combined layer or common welded sheet with one or more layers or sheets, and joining stacked layers or sheets to form a layered device.
предоставление устройства, включающего первый канальный слой и второй канальный слой, расположенные непосредственно вплотную к первому каналу;
при этом на первом этапе первый канальный слой содержит первую текучую среду при первом давлении, а второй канальный слой содержит вторую текучую среду при втором давлении; причем первое давление выше второго давления;
проведение технологической операции в первом канальном слое на первом этапе;
при этом на втором этапе первый канальный слой содержит третью текучую среду при третьем давлении, а второй канальный слой содержит четвертую текучую среду при четвертом давлении; причем четвертое давление выше третьего давления;
и проведение технологической операции в первом канальном слое на втором этапе.13. A method of carrying out a technological operation in a channel layer in a layered chemical reactor, in which tensile compression changes or vice versa, including:
providing a device comprising a first channel layer and a second channel layer located directly adjacent to the first channel;
wherein in the first step, the first channel layer contains a first fluid at a first pressure, and the second channel layer contains a second fluid at a second pressure; wherein the first pressure is higher than the second pressure;
carrying out a technological operation in the first channel layer at the first stage;
wherein in the second step, the first channel layer contains a third fluid at a third pressure, and the second channel layer contains a fourth fluid at a fourth pressure; wherein the fourth pressure is higher than the third pressure;
and carrying out the technological operation in the first channel layer in the second stage.
причем стопка листов включает:
внутреннюю стопку листов, соединенных сваркой по периметру листов; и соединение для снятия напряжения в стопке листов;
при этом соединение для снятия напряжения включает два смежных листа, которые удерживаются в стопке, но по существу не соединены друг с другом по периметру двух смежных листов.21. A layered chemical reactor for carrying out one or more technological operations, including: a stack of sheets connected by welding;
moreover, a stack of sheets includes:
the inner stack of sheets connected by welding around the perimeter of the sheets; and a connection for relieving stress in the stack of sheets;
wherein the stress relieving connection includes two adjacent sheets that are held in a stack but are not substantially connected to each other along the perimeter of two adjacent sheets.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US39432810P | 2010-10-18 | 2010-10-18 | |
| US61/394,328 | 2010-10-18 | ||
| US201161441276P | 2011-02-09 | 2011-02-09 | |
| US61/441,276 | 2011-02-09 | ||
| PCT/US2011/056789 WO2012054542A2 (en) | 2010-10-18 | 2011-10-18 | Laminated, leak-resistant chemical processors, methods of making, and methods of operating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013122927A RU2013122927A (en) | 2014-11-27 |
| RU2588519C2 true RU2588519C2 (en) | 2016-06-27 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6220497B1 (en) * | 1998-01-16 | 2001-04-24 | Xcellsis Gmbh | Method for soldering microstructured sheet metal |
| RU2382310C2 (en) * | 2004-11-03 | 2010-02-20 | Велосис, Инк. | Method of partial boiling in mini- and microchannels |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6220497B1 (en) * | 1998-01-16 | 2001-04-24 | Xcellsis Gmbh | Method for soldering microstructured sheet metal |
| RU2382310C2 (en) * | 2004-11-03 | 2010-02-20 | Велосис, Инк. | Method of partial boiling in mini- and microchannels |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6659775B2 (en) | Laminated anti-leak chemical processing machine, manufacturing method and operating method | |
| CN103338852B (en) | microchannel processor | |
| JP6051050B2 (en) | Welding and laminating apparatus, method for manufacturing the apparatus, and method for using the apparatus | |
| RU2527901C2 (en) | Plate heat exchanger for isothermal chemical reactors | |
| TWI764487B (en) | Block style heat exchanger for heat pipe reactor | |
| CN107167000B (en) | Plate heat exchanger and method for manufacturing a plate heat exchanger | |
| RU2588519C2 (en) | Layered, leak-tight chemical reactors, methods of production and methods of use | |
| Matson et al. | Fabrication of a stainless steel microchannel microcombustor using a lamination process | |
| AU2011317159B8 (en) | Laminated, leak-resistant chemical processors, methods of making, and methods of operating | |
| WO2015081274A1 (en) | Flattened envelope heat exchanger | |
| Zhang | Design and performance characterization of an additively-manufactured heat exchanger for high temperature applications | |
| Brannon | Development of an economical high temperature microchannel recuperator for solid oxide fuel cells | |
| Steigleder | A microchannel-based thermal management system for hydrogen storage adsorbent beds | |
| Blakeley | Autothermal reforming of methane for syngas production in a novel ceramic microchannel reactor |