專利名稱：包括熱交換器的化學反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高熱效率和小體積的化學反應(yīng)器。更具體而 言，本發(fā)明涉及一種化學反應(yīng)器，該化學反應(yīng)器可以被小型化和能夠 有效交換熱從而增強熱效率，并因此有效地應(yīng)用在用于重整碳氫化合 物等的反應(yīng)器模塊中。
背景技術(shù)：
近來，隨著對環(huán)境問題的關(guān)注的增加而因此對作為汽油發(fā)動機和 化石燃料的生產(chǎn)的替代物的燃料電池等的研究在緊鑼密鼓地進行。為 了增加燃料電池的可用性，應(yīng)該提供能夠平穩(wěn)地制備和/或供給燃料中 使用的氫。
由于氬是最輕的氣體并且在空氣中容易爆炸，所以它的存儲和處 理非常困難。因此，目前的技術(shù)水平是僅僅簡單地使用高容量的氫存 儲罐供給氫。這種氫存儲罐的缺點是難于完全解決上述的問題。
另外的缺點是例如開發(fā)高容量的氫存儲罐和制備較高容量的氫存 儲設(shè)備等所需的初期設(shè)備投資費用太大。它是如此巨大的工程而不得 不作為國家級的基礎(chǔ)設(shè)施討論。
因此，為了減少重量和體積而使例如制備氫的重整反應(yīng)器的化學 反應(yīng)器小型化的計劃是非常合意的，因為可以在清潔燃料中使用氫而 不需要巨大的設(shè)備投資。制備向燃料電池供給的氬的裝置大致由三個單元組成。即，它們
可以分為重整裝置，其用于重整燃料制備氬、二氧化碳和一氧化碳；
水煤氣變換反應(yīng)器，其用于使一氧化碳和水蒸汽反應(yīng)而降低一氧化碳
濃度至1。/。并提高氫的濃度；以及選擇性CO氧化反應(yīng)器，其用于將殘 留一氧化碳的濃度降低至10 ppm以下。
特別地，在水蒸汽重整反應(yīng)的情況下，該反應(yīng)是在650。C以上的高 溫下進行的吸熱反應(yīng)，因此需要持續(xù)的熱供應(yīng)。使用燃燒爐或使用催 化氧化作為供熱源。另外，水煤氣轉(zhuǎn)移反應(yīng)在250 45(TC的溫度下進 行，所以通過重整裝置釋放的轉(zhuǎn)化氣的熱交換是必須的。
而且，當使用催化氧化時，注入預(yù)熱的燃燒氣體是有利的，而且 預(yù)熱和注入重整燃料也是有利的。對于這種預(yù)熱，應(yīng)該使用單獨的預(yù) 熱器或者燃燒氣體或重整燃料應(yīng)該與燃燒的煙道氣或從重整裝置排出 的轉(zhuǎn)化氣進行熱交換。
在公開號為1999-014655的未經(jīng)審查的韓國專利中，制備了 一種重 整爐，其能夠采用氧化催化劑加熱該重整爐和使用煙道氣的熱量同時 實現(xiàn)形成蒸汽的功能和預(yù)熱空氣與燃料的混合物的功能。然而，由于 分開設(shè)置熱交換器，所以在中間發(fā)生的熱量損失就不可避免。因此， 它具有熱效率不高和裝置復(fù)雜的缺點。
在第6,998,096 B2號的美國專利中，燃燒爐、重整爐、熱交換器 和蒸發(fā)器形成整體以增加熱效率。然而，所述的技術(shù)具有如下缺點
反應(yīng)器具有如此大的體積以至于通過器壁表面的熱量損失很大，并且 熱交換器被設(shè)置在重整爐的頂端，因此通過相當寬的重整裝置的側(cè)壁 表面的熱量損失變大。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明旨在解決例如上述重整反應(yīng)裝置的化學反應(yīng)器的熱量損失 問題，本發(fā)明的目的是提供具有更簡單結(jié)構(gòu)的整體的反應(yīng)器模塊。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明使用具有流體能夠通過的流體通道的 板，并且具有為實現(xiàn)有效熱交換而設(shè)計的流體流以便將暴露在外面的 流體線路減至最少。另外，本發(fā)明的化學反應(yīng)器使用微通道來增加熱 轉(zhuǎn)換效率。
技術(shù)方案
根據(jù)本發(fā)明的化學反應(yīng)器包括
第 一單元，其包括一個以上的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件 和一個以上的用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件，放熱反應(yīng)產(chǎn)物和放 熱反應(yīng)原料之間的熱交換在該第 一單元中進行；
第二單元，其包括一個以上的用于放熱反應(yīng)的板組件和一個以上 的用于吸熱反應(yīng)的板組件，該第二單元將在所述放熱反應(yīng)原料放熱反 應(yīng)產(chǎn)生的熱量提供給吸熱反應(yīng)原料而進行吸熱反應(yīng)；和
第三單元，其包括 一 個以上的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件 和一個以上的用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件，吸熱反應(yīng)產(chǎn)物和吸 熱反應(yīng)原料之間的熱交換在第三單元中進行。
在這里使用的術(shù)語"放熱反應(yīng)原料"是指在例如氧化反應(yīng)的放熱 反應(yīng)中使用的原料(例如，燃燒氣體)，以及術(shù)語"放熱反應(yīng)產(chǎn)物"是指在"放熱反應(yīng)原料"經(jīng)歷放熱反應(yīng)之后的狀態(tài)(例如，燃燒的燃燒氣體[煙 道氣])。另外，術(shù)語"吸熱反應(yīng)原料"是指在例如碳氫化合物的重整反 應(yīng)的吸熱反應(yīng)中使用的原料(例如，碳氫化合物或醇)，以及術(shù)語"吸熱 反應(yīng)產(chǎn)物"是指在"吸熱反應(yīng)原料"經(jīng)歷吸熱反應(yīng)之后的狀態(tài)(例如， 轉(zhuǎn)化氣)。
化合物的反應(yīng)器模塊，該反應(yīng)器模塊重整碳氫化合物原料而制備氫。 這時，在本發(fā)明的化學反應(yīng)中，放熱反應(yīng)是燃燒氣體的氧化反應(yīng)，而 吸熱反應(yīng)是重整碳氫原料而制備氫的重整反應(yīng)。
在上述的本發(fā)明的化學反應(yīng)器中，通過分別設(shè)置在第一單元上和 第三單元下的第一和第四板，以及分別設(shè)置在兩單元之間的具有通孔 的第二和第三板，優(yōu)選將暴露在外面的流體流降至最少。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的化學反應(yīng)器優(yōu)選進一步包括
放熱反應(yīng)產(chǎn)物；
放熱反應(yīng)原料提供給用于放熱反應(yīng)的板組件，并用于將吸熱反應(yīng)原料
用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件；
第三板，其用于將從用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件中導(dǎo)入的 吸熱反應(yīng)原料和從用于放熱反應(yīng)板組件中導(dǎo)入的放熱反應(yīng)產(chǎn)物提供給第二板,
供給用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件；和
第四板， 換板組件， 反應(yīng)產(chǎn)物。
另外，考慮到反應(yīng)器的體積，優(yōu)選將第一板、第一單元、第二板、 第二單元、第三板、第三單元和第四板依次以層疊的形式設(shè)置在本發(fā) 明的化學反應(yīng)器中。同樣地，優(yōu)選分別地，將組成第一單元的用于放
地層疊，將組成第二單元的用于放熱反應(yīng)的板組件和用于吸熱反應(yīng)板 組件交替層疊，將組成第三單元的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件 和用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件交替層疊。
而且，考慮到熱交換能力，在每個組成第一至第三單元的板組件 中，優(yōu)選地，具有一個以上的在第一通道板的下表面形成的微通道的 第一通道板和具有一個以上的在第二通道板的上表面形成的微通道的 第二通道板和第一板的相應(yīng)的微通道相結(jié)合形成一個以上的微流體通道。


圖1為概要描述根據(jù)本發(fā)明的化學反應(yīng)器的完整結(jié)構(gòu)的圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明一個方面的化學反應(yīng)器的分解立體圖； 圖3為組成圖2的化學反應(yīng)器的板組件的分解立體圖； 圖4為組成圖3的板組件的通道板的平面9圖5為根據(jù)本發(fā)明的在板組件中使用的墊圏的平面圖；以及 圖6為組成圖2的化學反應(yīng)器的板組件的側(cè)截面圖。
具體實施例方式
參照附圖，下面將詳細描述本發(fā)明。
圖1為概要描述根據(jù)本發(fā)明的化學反應(yīng)器的完整結(jié)構(gòu)的圖。如圖1 所示，本發(fā)明的化學反應(yīng)器包括第一單元200,其用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物 與供給放熱反應(yīng)的放熱反應(yīng)原料進行熱交換；第二單元400,其包括用 于放熱反應(yīng)的板組件和用于吸熱反應(yīng)的板組件；和第三單元600，其用
將從第一單元排出的放熱反應(yīng)原料供給給第二單元中的用于放熱反應(yīng) 的板組件并在放熱反應(yīng)中使用，將該放熱反應(yīng)產(chǎn)物供給第一單元以預(yù) 熱放熱反應(yīng)原料，將從第三單元排出的吸熱反應(yīng)原料供給在第二單元 中的用于吸熱反應(yīng)的板組件并在吸熱反應(yīng)使用，并將吸熱反應(yīng)產(chǎn)物供 給第三單元以預(yù)熱吸熱反應(yīng)原料。
例如，本發(fā)明的上述的化學反應(yīng)器可以用作重整碳氳化合物的反 應(yīng)器模塊。所述放熱反應(yīng)為燃燒氣體的氧化反應(yīng)，并且所述吸熱反應(yīng) 是用于重整碳氫化合物原料而制備氫的反應(yīng)。在該重整反應(yīng)中，放熱 反應(yīng)原料、放熱反應(yīng)產(chǎn)物、吸熱反應(yīng)原料和吸熱反應(yīng)產(chǎn)物分別對應(yīng)于 燃燒氣體、燃燒的煙道氣、燃料和轉(zhuǎn)化氣。
圖2為根據(jù)本發(fā)明的化學反應(yīng)器的分解立體圖，該化學反應(yīng)器包
括第一板100,向其中供給放熱反應(yīng)原料，從該第一板中排出放熱反 應(yīng)產(chǎn)物；
第一單元200，其包括用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210和用 于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220,其中從第一板100排出的放熱反 應(yīng)原料流入到用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210，從第二板300 排出的放熱反應(yīng)產(chǎn)物流入到用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220;
第二板300，其用于將從第一單元200流入的放熱反應(yīng)原料供給用 于放熱反應(yīng)的板組件410，并將從第三板500流入的吸熱反應(yīng)原料供給 用于吸熱反應(yīng)的板組件420，從第三板500排出的放熱反應(yīng)產(chǎn)物流入第 二板；
第二單元400，其包括從第二板300排出的放熱反應(yīng)原料流入到其 中的用于放熱反應(yīng)的板組件410，以及吸熱反應(yīng)原津+流入到其中的用于 吸熱反應(yīng)的才反組件420;
第三板500，其將從第二單元400流出的放熱反應(yīng)產(chǎn)物排出至第二 板300，將從第二單元400流出的吸熱反應(yīng)產(chǎn)物供給第三單元600，并 將從第三單元600流入的吸熱反應(yīng)原料排出至第二板300;
第三單元600,其包括用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620和用 于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610,其中從第三板500排出的吸熱反 應(yīng)產(chǎn)物流入到用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換一反組件620,從第四板700 排出的吸熱反應(yīng)原料流入到用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610;和
第四板700,其用于排除吸熱反應(yīng)產(chǎn)物，向該第四板供給吸熱反應(yīng)原料。
ii通過下面的附圖，詳細解釋組成了根據(jù)本發(fā)明的化學反應(yīng)器的每 個部件的結(jié)構(gòu)和部件之間的相互連接。
第 一板100
作為化學反應(yīng)器的頂蓋和供給放熱反應(yīng)原料以及排出放熱反應(yīng)產(chǎn) 物的第一板100為平板狀的部件，并裝配有在其兩側(cè)末端形成的導(dǎo)入
放熱反應(yīng)原料的流入口 101和排出放熱反應(yīng)產(chǎn)物的排出口 105。另夕卜， 將流入口 101和排出口 105的下端連接到在下面描述的第一單元200上。
第一單元200
并將其設(shè)置在第一板100的下面。第一單元200包括放熱反應(yīng)原料流 入到其中的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210,以及放熱反應(yīng)產(chǎn)物 流入到其中的用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220。每個熱交換板組 件是通過連接第一通道板和第二通道板組成的，并且第一和第二通道 板具有相同的結(jié)構(gòu)并且以鏡像存在。當?shù)?一通道板和第二通道板相互 重疊時，在第一通道板內(nèi)表面形成的凹面部分和在第二通道板內(nèi)表面 形成的凹面部分相互對應(yīng)形成一個以上的纟鼓流體通道。
將第一板100的流入口 101與形成在用于放熱反應(yīng)原料的熱交換 板組件210上的入口 211相連接，將形成在用于放熱反應(yīng)原料的熱交 換板組件210上的出口 212與形成在用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組 件220上的通孔225相連接。因此，該從第一板100流入的放熱反應(yīng) 原料沿著形成在用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210中的流體通道 流動，然后流入到第二板300的通孔305中。同時，將形成在用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220上的入口
221與形成在第二板300上的第一流入口 301相連接，并將形成在用于 放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220上的出口 222與形成在用于放熱反 應(yīng)原料的熱交換板組件210上的通孔215相連接。因此，從第二板300 導(dǎo)入的放熱反應(yīng)產(chǎn)物沿著形成在用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件 220中的流體通道流動，然后通過形成在用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板 組件210上的通孔215排出至第一板100的排出口 105。這時，經(jīng)過用 于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220的具有500。C以上高溫的放熱反 應(yīng)產(chǎn)物提供熱量給經(jīng)過用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210的放熱
當然，考慮到熱轉(zhuǎn)換效率等，可以在這種第一單元200中交替層 疊一個以上的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件和一個以上的用于放 熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件，其中將例如燃燒氣體的放熱反應(yīng)原料導(dǎo) 入到所述一個以上的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件，將例如煙道 氣的放熱反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)入到所述一個以上的用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換 板組件。
第二板300
第二板300是被設(shè)置在第 一單元200下面的，在該第二板300上，
形成了將放熱反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)入到其中的第一流入口 301和將熱交換過的 吸熱反應(yīng)原料導(dǎo)入到其中的第二流入口 302，并且形成用于經(jīng)過進行過 熱交換的放熱反應(yīng)原料的通孔305 。
13形成在第二板300上的通孔305連接組成上面的第一單元200的用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220的通孔225與組成如下所述的下面的第二單元400的用于放熱反應(yīng)的板組件410的入口 411。
另夕卜，將第一流入口 301與組成上面的第一單元200的用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220的入口 221相連接，并且將第二流入口302與組成下面的第二單元400的用于放熱反應(yīng)的板組件410的通孔415相連接。
第二單元400
第二單元400為一個部分，其中在第一單元200中預(yù)熱的放熱反
中預(yù)熱的吸熱反應(yīng)原料進行吸熱反應(yīng)的熱量。
設(shè)置在第二板300下面的第二單元400包括用于放熱反應(yīng)的板組件410和用于吸熱反應(yīng)的板組件420。在此，組成第二單元400的用于放熱反應(yīng)的板組件410和用于吸熱反應(yīng)的板組件420的結(jié)構(gòu)與組成第一單元200的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210和用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220的結(jié)構(gòu)相同。
將第二板300的通孔305與形成在用于放熱反應(yīng)的板組件410上的入口 411相連接，并將形成在用于放熱反應(yīng)的板組件410上的出口412與形成在用于吸熱反應(yīng)的板組件420的通孔425相連^^妄。因此，從第二板300流入的例如燃燒氣體的放熱反應(yīng)原料經(jīng)過例如氧化反應(yīng)的放熱反應(yīng)，沿著形成在用于放熱反應(yīng)的板組件410中的流體通道流動，然后流入形成在第三板500上的第一排出口 501 ，通過該排出口排出放熱反應(yīng)產(chǎn)物。因此，經(jīng)過用于力欠熱反應(yīng)的板組件410的i文熱反應(yīng)原料持續(xù)向經(jīng)過用于吸熱反應(yīng)的板組件420的吸熱反應(yīng)原料提供熱量以使P及熱反應(yīng)進4亍。
另一方面，將形成在用于吸熱反應(yīng)的才反組件420上的入口 421通過形成在用于放熱反應(yīng)的板組件410上的通孔415與形成在第二板300上的第二流入口 302相連接，并將形成在用于吸熱反應(yīng)的板組件420上的出口 422與形成在第三板500上的通孔505相連接。因此，從第二板300流入的吸熱反應(yīng)原料進行吸熱反應(yīng)，同時沿著形成在用于吸熱反應(yīng)的板組件420中的流體通道流動，經(jīng)過形成在第三板500上的通孔505,然后流入第三單元600的用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620中。
當然，考慮到反應(yīng)容量，可以如上所述在第二單元400中交替層疊一個以上的用于放熱反應(yīng)的板組件和一個以上用于吸熱反應(yīng)的板組件。在本發(fā)明中，另外，可以將用于放熱反應(yīng)的催化劑涂覆在形成在用于放熱反應(yīng)板組件中的流體通道上，并且可以將用于吸熱反應(yīng)的催化劑涂敷在形成在用于吸熱反應(yīng)的板組件中的流體通道上。
對于用于放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)的催化劑的具體種類并不作特別限定。根據(jù)進行反應(yīng)的種類，可以使用在化學領(lǐng)域的普通催化劑而不作限制。例如，如果本發(fā)明的化學反應(yīng)器是用于碳氬化合物的重整反應(yīng)中，則用于放熱反應(yīng)的催化劑可以為用于氧化反應(yīng)的催化劑，而用于吸熱反應(yīng)的催化劑可以為重整催化劑。此時，用于氧化的催化劑不作特別限定，只要它能用于碳氫化合物或醇等的催化氧化。用于氧化的這種催化劑的例子可以為選自由例如鉑(Pt)、銠(Rh)、釕(Ru)、鋨(Os)、銥(Ir)和鈀(Pd)的鉑系元素；例如金(Au)、銀(Ag)和銅(Cu)的貴金屬元素；或它們的混合物組成的組中的一種以上。另外，可以通過將用于氧化
15的催化劑負載在例如氧化鋁，a,Y，e-氧化鋁、氧化鈰(Ce02)、氧化鋯(Zr02)和/或二氧化硅(Si02)等催化劑載體上使用。
另外，重整催化劑的例子可以為選自由鉑(Pt),銠(Rh)，釕(Ru)，鎳(Ni),堿金屬氧化物，堿土金屬氧化物(例如CaO、 K20或MgO)和它們的混合物中的 一種以上，或選自由Cu/Ce02/Zr02復(fù)合物、Cu/Zn02/Al203復(fù)合物、Cu/Ce02/Al203復(fù)合物、Cu/Zr02/Al203復(fù)合物或銅—鋅-鋁(CuZnAl)氧化物的固溶體組成的組中的一個以上。另外，也可以將重整催化劑負載在例如氧化鋁，aj,e-氧化鋁、氧化鈰(Ce02)、氧化鋯(Zr02)和/或二氧化硅(Si02)等催化劑載體上使用。
第三板500
第三板500是設(shè)置在第二單元400的下面，在第三板500上，形成了用于排出放熱反應(yīng)產(chǎn)物的第一排出口 501和用于排出熱交換過的吸熱反應(yīng)原料的第二排出口 502,并且形成了用于經(jīng)過熱交換過的吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的通孔615。
形成在第三板500上的通孔505連接形成在組成上面的第二單元400的用于吸熱反應(yīng)的板組件420上的出口 422與組成下面的第三單元600的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610的通孔615。
另外，將第一排出口 501與第二板300的第一流入口 301相連接，并將第二排出口 502與第二板300的第二流入口 302相連接。
第三單元600
第三單元600為吸熱反應(yīng)原料和吸熱反應(yīng)產(chǎn)物進行熱交換的部分，并且包括位于第三板500下面的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610和用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換j反組件620，吸熱反應(yīng)原料流入到用
反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件中。在此，組成第三單元600的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610和用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620的結(jié)構(gòu)與組成第一單元200的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件210和用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件220的結(jié)構(gòu)相同。
將第四板700的流入口 701與形成在用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610上的入口 611相連接，并將形成在用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610上的出口 612與形成在第三板500上的第二排出口 502相連接。因此，從第四板700流入的吸熱反應(yīng)原料沿著形成在用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610中的流體通道流動，然后流入第三板500的第二排出口 502中。
另一方面，將形成在用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620上的
相連接，并將形成在用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620上的出口222與形成在第四板700上的排出口 702相連接。因此，吸熱反應(yīng)產(chǎn)生的和從第三板500流入的吸熱反應(yīng)產(chǎn)物沿著形成在用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620中的流體通道流動然后通過形成在第四板700上的排出口 702排出。因此，在650。C以上的高溫經(jīng)過用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物
換板組件610的吸熱反應(yīng)原料提供熱量以將吸熱反應(yīng)原料預(yù)熱至大約50(TC或更高的溫度。當然，考慮到熱轉(zhuǎn)換效率，可以將一個以上的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件和 一個以上的用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件交替層疊在第三單元600中。
第四板700
第四板700用作反應(yīng)器的底蓋。在第四板700上，形成了用于提供吸熱反應(yīng)原料的流入口 701和用于排出吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的排出口 702。將吸熱反應(yīng)原料導(dǎo)入流入口并將吸熱反應(yīng)產(chǎn)物通過排出口排出。
將流入口 701通過第三單元600的用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件620的通孔625與用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件610的入口611相連接，并將排出口 702與第三單元600的用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換4反組件620的出口 622相連接。
下面參照圖3 6更加詳細地解釋組成第一至第三單元的板組件。
圖3為描述第一單元200的分解的熱交換板組件210和220的分解立體圖。如圖3所示，在根據(jù)本發(fā)明的板組件中，通過將具有一個以上的形成在第一通道板下表面的微通道的第一通道板210'或220'和具有一個以上的形成在第二通道板上表面的微通道的第二通道板210"或220"與第一通道板的相應(yīng)的微通道相連接形成一個以上的微流體通道。除了具有鏡像對稱結(jié)構(gòu)，該微通道板的第二通道板210"和220"與第一通道板210，和220'相同。因此，下面將相同的附圖標記提供給相同的部件，但是它們通過符號(")區(qū)別和表示。
如圖5所示，可以將墊圏61設(shè)置在微通道板210'與220'、 210"與220"之間。該墊圈61可優(yōu)選由銅板制備。開口 62和通孔63形成在墊圈上用來在微通道板210'與220'、 210"與220"之間形成一定的空間。
18如圖3和圖4所示，在微通道板210'、 220，、 210"和220"的內(nèi)部 形成具有一定深度的凹面部分。彼此沿對角線設(shè)置的入口 211，和211" 與出口 212'和212"形成在凹面部分里，并且彼此沿對角線設(shè)置的通孔 214'和215，也形成在凹面部分之外的外圍上。另外，凹面部分的壁53'
用作用于控制經(jīng)過微通道的原料或反應(yīng)產(chǎn)物的流動方向的屏障。在凹 面部分內(nèi)部的微通道51'被一個以上的隔板52'和52"分開形成多個通道。
如圖6所示，在用于形成通道的各板組件的內(nèi)部形成許多的空間 71[微流體通道]。另外，在用于吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的板組件中，通過 將用于放熱反應(yīng)的催化劑或用于吸熱反應(yīng)的催化劑涂敷在內(nèi)壁上可以 形成涂敷部分。
另外，如圖4所示，在入口 211'和出口 212'附近形成許多會聚的 凹槽54'和會聚凸起55'用于限制原料或反應(yīng)產(chǎn)物的流動使得將原料或 反應(yīng)產(chǎn)物/人入口 211'或出口 212'擴散或收集到《敖通道51'。
工業(yè)實用性
根據(jù)本發(fā)明，上述包括熱交換器的化學反應(yīng)器將暴露至外面的放 熱反應(yīng)原料和吸熱反應(yīng)原料的物流降至最少而減小了反應(yīng)器的體積并 同時將熱量損失降至最小。
另外，通過在化學反應(yīng)器兩個寬闊的表面上設(shè)置熱交換器和使用 在熱交換器中通過反應(yīng)器的表面交換的熱來提高熱效率。通過放熱反 應(yīng)產(chǎn)物和吸熱反應(yīng)產(chǎn)物與》支熱反應(yīng)原料和吸熱反應(yīng)原料的熱交換預(yù)熱 放熱反應(yīng)原津牛和吸熱反應(yīng)原料，然后將其導(dǎo)入用于》t熱反應(yīng)和吸熱反 應(yīng)的板組件中，因此可以使放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)高效地進行。特別地，
19將所述的熱交換板組件和用于反應(yīng)的板組件設(shè)置成相互接觸的狀態(tài)以 便熱交換可以高效地進行。
而且，其優(yōu)點為通過以堆疊狀態(tài)順序設(shè)置第一板、第一單元、第 二板、第二單元、第三板、第三單元和第四板能夠顯著地減小反應(yīng)器 的體積。
權(quán)利要求
1、一種化學反應(yīng)器，其包括第一單元，其包括一個以上的用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件和一個以上的用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件，放熱反應(yīng)產(chǎn)物和放熱反應(yīng)原料之間的熱交換在該第一單元中進行；第二單元，其包括一個以上的用于放熱反應(yīng)的板組件和一個以上的用于吸熱反應(yīng)的板組件，該第二單元將通過所述放熱反應(yīng)原料的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量提供給吸熱反應(yīng)原料而進行吸熱反應(yīng)；和第三單元，其包括一個以上的用于吸熱反應(yīng)原料的熱交換板組件和一個以上的用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件，吸熱反應(yīng)產(chǎn)物和吸熱反應(yīng)原料之間的熱交換在該第三單元中進行。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，所述放熱反應(yīng)為燃 燒氣體的氧化反應(yīng)，并且所述吸熱反應(yīng)為重整碳氫化合物原料而產(chǎn)生 氫的重整反應(yīng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其進一步包括第 一 板，其用于將放熱反應(yīng)原料提供給用于放熱反應(yīng)原料的熱交放熱反應(yīng)產(chǎn)物；第二板，其用于將從用于放熱反應(yīng)原料的熱交換板組件中導(dǎo)入的 放熱反應(yīng)原料提供給用于放熱反應(yīng)的板組件，并用于將吸熱反應(yīng)原料用于放熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件；第三板，吸熱反應(yīng)原料和從用于放熱反應(yīng)的板組件中導(dǎo)入的放熱反應(yīng)產(chǎn)物提供 給第二板，提供給用于吸熱反應(yīng)產(chǎn)物的熱交換板組件；和第四板， 換板組件， 吸熱反應(yīng)產(chǎn)物。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的化學反應(yīng)器，其中，按次序?qū)盈B第一板、 第一單元、第二板、第二單元、第三板、第三單元和第四板。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，第一單元是以所述件交替層疊的方式形成的。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，第二單元是以所述 用于放熱反應(yīng)的板組件和用于吸熱反應(yīng)的板組件交替層疊的方式形成的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，第三單元是以所述件交替層疊的方式形成的。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，所述板組件包括相 互連接的第一通道板和第二通道板，并且在其中形成一個以上的微流 體通道。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的化學反應(yīng)器，其中，所述板組件具有通 向其內(nèi)部的流體連通的入口和出口以及穿過其中的通孔。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的化學反應(yīng)器，其中，所述板組件具有形成在其中且能使從入口流入的原料或反應(yīng)產(chǎn)物散開或者使其聚集到 出口的控制壁。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，所述用于放熱反 應(yīng)的板組件包括用于放熱反應(yīng)的催化劑，該催化劑中的活性成分負載在選自由氧化鋁，a，Y,e-氧化鋁、Ce02、 Zr02和Si02組成的組中的一種 以上的載體上，并且所述活性成分為選自由Pt、 Rh、 Ru、 Os、 Ir、 Pd、 Au、 Ag和Cu組成的組中的一種以上。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學反應(yīng)器，其中，劑中的活性成分負載在選自由氧化鋁，aj,e-氧化鋁、Ce02、 Zr02和 Si02組成的組中的一種以上的載體上，并且所述活性成分為選自由Pt、 Rh、 Ru、 Ni、石咸金屬氧化物和石威土金 屬氧化物組成的組中的一種以上，或者為選自由Cu/Ce(VZr02復(fù)合物、 Cu/Zn02/Al203復(fù)合物、Cu/Ce02/Al203復(fù)合物、Cu/Zr02/Al203復(fù)合物 和Cu-Zn-Al氧化物的固溶體組成的組中的 一種以上。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種具有高熱效率和小體積的化學反應(yīng)器，本發(fā)明的化學反應(yīng)器包括第一單元，其用于使放熱反應(yīng)產(chǎn)物與供給放熱反應(yīng)的放熱反應(yīng)原料進行熱交換；第二單元，其包括用于放熱反應(yīng)的板組件和用于吸熱反應(yīng)的板組件；和第三單元，其用于使吸熱反應(yīng)產(chǎn)物與供給吸熱反應(yīng)的吸熱反應(yīng)原料進行熱交換，將從第一單元排出的放熱反應(yīng)原料供給在第二單元中的用于放熱反應(yīng)的板組件并在放熱反應(yīng)中使用，將放熱反應(yīng)產(chǎn)物供給第一單元以預(yù)熱放熱反應(yīng)原料，將從第三單元排出的吸熱反應(yīng)原料供給在第二單元中的用于吸熱反應(yīng)的板組件并在吸熱反應(yīng)中使用，將吸熱反應(yīng)產(chǎn)物供給第三單元以預(yù)熱吸熱反應(yīng)原料，并且將第一單元、第二單元和第三單元層疊設(shè)置。
文檔編號C01B3/38GK101489918SQ200780027442
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者宋光浩, 崔在薰, 崔廷旭, 樸炚千, 李昌勛, 裴羨爀, 趙俊衍, 郭桂營 申請人:Lg化學株式會社