DE60032468T2

DE60032468T2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE60032468T2
Application number: DE60032468T
Authority: DE
Inventors: Keith Thomas Codsall SYMONDS
Original assignee: Chart Heat Exchangers LP
Current assignee: Chart Heat Exchangers LP
Priority date: 1999-03-27
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: US7111672B2; ATE348993T1; AU2681600A; WO2000058681A1; EP1166026A1; EP1166026B1; CA2366611A1; DE60032468D1; EP1767886A2; EP1767886A3; GB0004244D0; EP1767886B1; US20040154788A1; US6695044B1; GB2348481A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und/oder ein Fluidmischmittel, wie es in Anspruch 1 offenbart ist. Das Dokument WO-A-98/55812 wird als nächstliegender Stand der Technik betrachtet und offenbart einen Wärmetauscher oder ein Fluidmischmittel mit einem Stapel, der aus mindestens einer Gruppe von Platten gebildet ist, die eine oder mehrere perforierte Platten umfassen, die zwischen einem Paar primärer Separatorplatten angeordnet sind. Jede der perforierten Platten hat eine Vielzahl von Perforierungen, die über die Platte in Reihen in einer ersten Richtung angeordnet sind, wobei sich zwischen jedem benachbarten Paar von Perforierungen in einer Reihe ein Steg befindet und mit Rippen zwischen den benachbarten Reihen. Die Stege bilden Strömungsbarrieren in der ersten Richtung über die Platte und die Rippen bilden Strömungsbarrieren in einer zweiten Richtung über die Platte, wobei die zweite Richtung rechtwinklig zur ersten Richtung verläuft.
Kompakte Wärmetauscher werden durch deren hohe „Flächendichte" charakterisiert, das heißt, dass sie ein großes Verhältnis von Wärmetransferoberfläche zum Wärmetauschervolumen aufweisen. Die Flächendichte ist typischerweise größer als 300 m²/m³ und kann mehr als 700 m²/m³ betragen. Derartige Wärmetauscher werden üblicherweise verwendet, um Prozess-Fluide zu kühlen (oder zu heizen).
Ein bekannter, jedoch kostenintensiv herzustellender Typ von Wärmetauschern ist der sogenannte Tube-and-Shell-Wärmetauscher. Solche Wärmetauscher bestehen im Wesentlichen aus einer äußeren, röhrenförmigen Hülse, durch die eine Anzahl sich längs erstreckender, einen kleineren Durchmesser aufweisender Röhren erstreckt, die ein Fluid oder mehrere Fluide führen. Andere Fluide, mit denen die Wärme zu tauschen ist, verlaufen typischerweise quer über den Wärmetauscher, so dass die Wärme durch die Röhrenwände ausgetauscht wird. Es kann eine große Anzahl an Röhren notwendig sein, und die Röhren müssen zudem individuell und präzise in einer Kopfplatte an jedem Ende der Hülse befestigt und an dieser gesichert sein. In jedem Fall müssen die Löcher in den Kopfplatten sehr genau gebohrt werden, um die Röhren anzuordnen. Anschließend müssen auf hohe Qualität getestete Röhren in den Platten angeordnet und durch Löten, durch Schweißen oder durch mechanisches Weiten in Position gebracht werden. Je mehr die Röhren in ihrem Durchmesser reduziert werden, um die Oberfläche, die für den Wärmetransfer zur Verfügung steht, und damit die Leistungsfähigkeit bzw. Kompaktheit zu steigern, umso schwieriger und teu- rer wird es, derartige Anordnungen herzustellen.
Ein zweiter bekannter Typ von Wärmetauschern ist der sogenannte Primärplatten/Sekundärplatten-Wärmetauscher-Typ, in dem ein Stapel aus Platten zusammengefügt ist, wobei der Stapel Primärplatten, die direkt zwei unterschiedliche Fluidströme trennen, und sekundäre Platten zwischen benachbarten primären Platten aufweist. Die sekundären Platten wirken als Leitbleche, die die Festigkeit der Struktur erhöhen und mit Perforationen versehen sein können, um zusätzliche Flusspfade für das Fluid bereitzustellen. Die Platten sind üblicherweise durch Löten miteinander verbunden, aber das kann den Nachteil haben, dass die physikalischen Eigenschaften der Platten in den gelöteten Regionen beeinflusst werden, oder es kann durch das Lötmaterial eine in Bezug auf die Festigkeit und den Korrosionswiderstand potenziell weniger zufriedenstellende Struktur in das System eingebracht werden. Es wurde vorgeschlagen, die Platten durch Diffusionsbonden miteinander zu verbinden, aber eine zufriedenstellende Konstruktion, die den vorliegenden hohen Drücken widerstehen kann, wurde nicht gefunden, und die Leitbleche können sich zudem während des Bondvorgangs verbiegen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Konstruktion für diesen zweiten Typ von Wärmetauschern zur Verfügung zu stellen, die zufriedenstellend hergestellt werden kann, beispielsweise durch Diffusionsbonden oder Löten. Sie zielt zudem darauf ab, eine Wärmetauscher-Konstruktion zur Verfügung zu stellen, die schnell zur Verwendung als Fluidmischmittel anpassbar ist, beispielsweise ist sie als chemischer Reaktor verwendbar, in dem Fluide, die miteinander reagieren sollen, miteinander vermischt werden. Ist eine Reaktion daher exotherm, so kann die Erfindung Mittel bereitstellen, durch die die Reaktionswärme der Reaktion effizient entfernt wird, oder die alternativ dazu verwendet werden kann, Wärme einer endothermen Reaktion zur Verfügung zu stellen. Die Produkte der Erfindung sind zudem als Kraftstoff-Reformer und Gas-Reinigungseinheiten nützlich, die im Zusammenhang mit der Brennstoffzellen-Technologie verwendet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher oder ein Fluidmischmittel gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Optional können die Perforationen der perforierten Platten längliche Schlitze sein.
Vorzugsweise weist der Durchbruch eine Boden-Oberfläche auf und die Ablagerung ist in den Schlitzen bis zu einem Niveau mit der Boden-Oberfläche ausgebildet.
Die Erfindung wird im Folgenden detaillierter mit Bezug auf Ausführungsformen beschrieben, in der die oder jede Gruppe an Platten zwei oder mehr perforierte Platten umfasst.
Es ist anzumerken, dass die Flusskanäle ebenso in der ersten Richtung anstatt in der zweiten Richtung vorgesehen sein können, das heißt dass, die Stege im Endeffekt die Rippen sind, die die Durchbrüche enthalten, und die Rippen die Stege darstellen.
Die Separatorplatten können unperforiert sein, um eine vollständige Separation der Strömungskanäle der entsprechenden Gruppen aus Platten zu erreichen. Alternativ können die Separatorplatten Löcher aufweisen, die so angeordnet sind und eine solche Größe aufweisen, dass sie ein kontrolliertes Mischen der Fluide in diesen Strömungskanälen ermöglichen. Eine solche Separatorplatte wird im Folgenden als Mischplatte bezeichnet.
Wie oben ausgeführt, umfasst jede Gruppe an perforierten Platten vorzugsweise zumindest zwei perforierte Platten, sie kann jedoch auch, sofern dies gewünscht ist, drei oder mehr zueinander benachbarte, perforierte Platten umfassen. Ein Stapel kann beispielsweise zwei oder mehr Gruppen aus perforierten Platten umfassen, die durch Separatorplatten voneinander getrennt sind, wobei jede Gruppe zwei perforierte Platten enthält, deren Perforationen in Reihen angeordnet sind.
Die Strömungskanäle über die Platten verlaufen bevorzugt nur einmal von einer Kante zu einer zweiten Kante über die Platten. In einer alternativen ersten spezifischen Ausführungsform können die Strömungskanäle jedoch, beispielsweise durch eine geeignete Anordnung der Strömungskanäle, bei einer oder beiden Kanten um einen Winkel gedreht sein, so dass sich der Strömungskanal, der durch die Kanäle gebildet ist, in eine andere Richtung durch den Stapel fortsetzt, beispielsweise in die entgegengesetzte Richtung, um so von der zweiten Kante zu der ersten Kante zurück zu verlaufen.
In einer zweiten spezifischen Ausführungsform sind zwei oder mehr separate Strömungskanäle über eine Gruppe von Platten vorgesehen, wodurch Ströme von verschiedenen Fluiden parallel zueinander in der gleichen Lage, die durch die Gruppe der Platten gebildet wird, strömen können. Diese Ausführungsform kann verbesserte Temperaturprofile über die Platten und verminderte thermische Spannungen liefern.
Da die Platten mit den perforierten Platten einer jeden Gruppe aneinander ausgerichtet sind, wobei ihre Perforationen in Reihen verlaufen, ist anzumerken, dass die massiven Regionen (das heißt die Rippen und die Stege) derjenigen Platten zwischen den Reihen der Perforationen und zwischen den Perforationen ebenfalls in Reihen angeordnet sind. Da die perforierten Platten daher jeweils eine über der anderen im Stapel angeordnet sind, sind die Rippen und die Stege über den Stapel ausgerichtet, und das sorgt für Stabilität des zusammengebauten Stapels, wodurch den Drücken, die bei dem Bondprozess erzeugt werden, widerstanden werden kann. Die Erfindung stellt daher eine Struktur für einen Stapel bereit, die ohne das Risiko, dass die Leitbleche der sekundären Platten unter dem erzeugten Druck zusammenbrechen, verbunden werden kann. Die Leitbleche bilden zudem ein Mittel, um den Innendrücken der Arbeitsströme zu widerstehen. Die Reihen an Rippen und Stege können in parallelen Linien über die Platten verlaufen, das ist jedoch nicht notwendig.
Die Perforationen können jede gewünschte Gestalt aufweisen, es handelt sich jedoch vorzugsweise um längliche Schlitze.
Die Platten können beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig sein oder jede andere bevorzugte Gestalt aufweisen.
Wenn die Platten quadratisch oder rechteckig sind, kann sich jede Reihe an Schlitzen von einer ersten Kante der Platte parallel zu einer zweiten Kante der Platte und über im Wesentlichen die gesamte Länge dieser zweiten Kante erstrecken. Es ist anzumerken, dass normalerweise eine im Wesentlichen unperforierte Kante oder einen im Wesentlichen unperforierten Rand um den Umfang der Hauptseiten der Platte erforderlich ist, um die Platten des Stapels miteinander verbinden zu können, und um einen drucksicheren Einschluss des Stroms oder der Ströme zu erreichen. Ein vollständig unperforierter äußerer Rand ist jedoch nicht notwendig und es können beispielsweise für Einlass- und Auslassmittel Schlitze in dem Rand bzw. der Begrenzung notwendig sein. Eine Vielzahl von Reihen und Schlitzen kann sich entsprechend von der ersten Kante zu der gegenüberliegenden, dritten Kante über die Platte erstrecken.
Wenn die Platten kreisförmig sind, können sich die Reihen und die Strömungskanäle vom äußeren Umfang eines Segments des Kreises auf das Zentrum hin erstrecken.
In einer besonderen Anordnung der oben genannten zweiten Ausführungsform kann ein Stapel aus einer oder mehreren gleichen Gruppen aus Platten aufgebaut sein, wobei jede Gruppe eine obere und eine untere unperforierte Separatorplatte, eine Mehrfach-Strömungskanal-Eingangs-Lage, die mit einer Separatorplatte in Kontakt steht, und eine zugehörige Mehrfach-Strömungskanal-Ausgangs-Lage, die in Kontakt mit der anderen Separatorplatte steht, umfasst, wobei eine zentral vorgesehene Lage zumindest einen Strömungskanal für ein erstes Fluid und zwei oder mehr Transfer-Strömungskanäle für ein Fluid von jedem der Strömungskanäle der Eingangslage aufweist, wobei eine erste perforierte Hilfsplatte zwischen der Eingangs-Lage und der zentral vorgesehenen Lage liegt, und wobei eine zweite perforierte Hilfsplatte zwischen der Ausgangs-Lage und der zentral vorgesehenen Lage liegt, wobei die Perforationen in der ersten perforierten Hilfsplatte angeordnet sind, um Fluid von jedem der Strömungskanäle der Eingangs-Lage zu dem entsprechenden Transfer-Strömungskanal in der zentral vorgesehenen Lage zu transferieren, und wobei die Perforationen in der zweiten perforierten Hilfsplatte zum Transferieren von Fluid von den Transfer-Strömungskanälen zu den zugehörigen Strömungskanälen der Ausgangs-Lage angeordnet sind. Die zentral vorgesehene Lage kann, wie auch die Eingangs- und Ausgangs-Lagen, einfach aus einer Vielzahl perforierter Haupt-Platten gebildet sein, wie es oben beschrieben ist.
Die Perforationen oder Schlitze sind bevorzugt auf bekannte fotochemische Weise durch die Platten hindurchgeätzt, obwohl auch Funkenerosion, Stanzen oder andere geeignete Mittel verwendbar sind, sofern das gewünscht ist.
Die Durchbrüche können auf ähnliche Weise gebildet werden und sind vorzugsweise durch fotochemisches Ätzen hergestellt. Die Durchbrüche sind der Bequemlichkeit halber in den Rippen auf einer Oberfläche der Platte ausgebildet, so dass sie sich teilweise in die Dickenausdehnung der Rippe (das heißt die Dickenausdehnung der Platte) hinein erstrecken. Sie können beispielsweise eine Tiefe aufweisen, die sich auf ungefähr die Hälfte der Dicke der Platte beläuft. Es kann jedoch vorteilhaft sein, Durchbrüche in beiden Oberflächen der Platte auszubilden, wobei in diesem Fall die Durchbrüche in einer Oberfläche vorzugsweise gegenüber von denen in der anderen Oberfläche versetzt bzw. gestaffelt angeordnet sind.
Aus Gründen der Einfachheit wird die Erfindung im Folgenden insbesondere mit Bezug auf Durchbrüche beschrieben, die in den Rippen vorgesehen sind, obwohl anzumerken ist, dass, wie oben ausgeführt, diese auch genau so gut in den Stegen statt in den Rippen ausgebildet sein können.
Ein Stapel aneinander angrenzender, perforierter Platten weist Reihen aus Stegen und Reihen aus Rippen auf. In den Rippen zwischen jeweils benachbarten Paaren von Reihen von Stegen sind eine Vielzahl von Durchbrüchen vorgesehen, die Flusskanäle über die Platte bilden. Diese Flusskanäle bilden gemeinsam einen Fluss-Strömungskanal, der von benachbarten Gruppen aus Flusskanälen, das heißt benachbarten Fluss-Strömungskanälen, durch die Reihen aus Stegen separiert ist. Jeder der Vielzahl von Fluidkanälen, der einen individuellen Strömungskanal bildet, kann daher durch den Stapel fließen, ohne mit den Kanälen auf der anderen Strömungskanalseite in Verbindung zu stehen. Es kann daher zu keiner Vermischung von Fluid in diesen Strömungskanälen kommen, und der Stapel fungiert ausschließlich als Wärmetauscher, wobei Fluide verschiedener Temperaturen durch verschiedene Gruppen perforierter Platten oder durch verschiedene Strömungskanäle in der gleichen Gruppe perforierter Platten fließen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist an ausgewählten Positionen zwischen benachbarten Strömungskanälen eine Verbindung zwischen diesen vorgesehen. Es können daher Verbindungskanäle oder Verbindungs-Durchbrüche in Erhebungen der Platte eingeätzt oder anderweitig in diesen ausgeformt sein, um so einen Zugang zwischen benachbarten Strömungskanälen bereitzustellen. Die Verbindungs-Durchbrüche können an jeder gewünschten Position entlang des Strömungskanals angeordnet sein. Fluid, das durch separate Strömungskanäle fließt, kann daher an vorbestimmten Orten seiner Reise durch die Strömungskanäle durch den Stapel gemischt werden, und dieses Mischen kann dazu verwendet werden, um eine gute Fluidverteilung sicherzustellen und die Wärmeaustausch-Fähigkeit zu verbessern. (Es ist anzumerken, dass da, wo die Durchbrüche in den Stegen statt in den Rippen angeordnet sind, die Verbindungs-Durchbrüche in den Rippen statt in den Stegen ausgebildet sind.)
Alternativ oder additiv können des Weiteren Einlässe für ein weiteres Fluid vorgesehen sein, die durch den äußeren Rand der Platten verlaufen. Es kann dann durch den äußeren Rand ein Reaktant eingeführt und eingemischt werden, wodurch der Stapel als chemischer Reaktor eingesetzt werden kann.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Stapel zur Verfügung gestellt, in dem ein Fluidstrom von einer Gruppe perforierter Platten in einen Fluidstrom in einer benachbarten Gruppe perforierter Platten injiziert wird. In einer Mischplatte sind zu diesem Zweck Injektionslöcher vorgesehen, die die zwei Gruppen perforierter Platten von einander trennen. Auf diese Weise kann eine sogenannte „Prozessintensivierung" erreicht werden und jede Reaktion, die durch die Injektion eines ersten Fluids in ein zweites Fluid hervorgerufen wird, kann so, je nach Wunsch durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Strömen, die Größe, Anzahl und den Abstand der Injektionslöcher und durch ein Anordnen des zweiten Stroms zwischen dem ersten Strom und einem Kühlstrom oder einem Heizstrom gesteuert werden.
Die Dichte an Schlitzen und damit die Dichte an Rippen oder Leitblechen zwischen jeder Reihe aus Schlitzen kann wie gewünscht variiert werden. Daher kann die Zahl der Schlitze pro Breiteneinheit oder pro Längeneinheit einer Platte so gewählt werden, dass sie jeden spezifischen Anforderungen an den Fluss/den Druckabfall/die Änderung der Verteilung entspricht.
Die Durchbrüche aus benachbarten Paaren von Rippen sind bevorzugt gegeneinander verschoben, so dass ein Fluidstrom über die Platten kontinuierlich seine Richtung ändert und einer sinusförmigen Kurve folgen muss. Es ist anzumerken, dass jedes Mal, wenn der Fluss durch einen Durchbruch strömt, sich die Flussfläche und damit die Geschwindigkeit ändert, was zu Turbulenzen führt und einen guten Wärmetransfer durch die Masse der Platten bewirkt, auch wenn dies mit einem Druckabfall verbunden ist. Der Durchschnittsfachmann ist daher in der Lage, eine breite Vielfalt an Charakteristika des Wärmetauschers zu entwerfen und die gewünschten Effekte zu optimieren.
Die Durchbrüche können senkrecht zu der Richtung der Rippen gebildet sein, oder sie können unter einem Winkel durch die Rippe verlaufen, so dass eine erhöhte Seitwärtskomponente der Bewegung erhalten wird. Die Durchbrüche können sich verjüngen, insbesondere können sie sich in Richtung des Flusses auf den Ausgang hin zu einem Schlitz verengen. Dadurch steigt die Flussgeschwindigkeit, wenn Fluid in einen Durchbruch eintritt, und nimmt aufgrund des durch die Verjüngung eintretenden Effekts weiter zu.
Es ist zudem anzumerken, dass die Haupt-Flussrichtung über die Platten durch die Durchbrüche verläuft und dass ein Fluss, der senkrecht zu dieser Richtung verläuft, das heißt, der durch gegebenenfalls vorhandene Verbindungs-Durchbrüche verläuft, normalerweise durch das Vorsehen von weniger und/oder kleineren Durchbrüchen begrenzt wird.
Die Reihen aus Schlitzen können sich linear über die Platte erstrecken, dies ist jedoch nicht notwendig und die Reihen können in anderen gewünschten Mustern angeordnet sein, wie beispielsweise einem Fischgrät-oder Chevron-Muster.
Die Platten können an ihren Kanten mit Erweiterungen, beispielsweise in der Form von Ösen, versehen sein, um die Anordnung der Platten zu einem Stapel zu erleichtern. Solche Ösen können so ausgebildet sein, dass sie abgebrochen werden können, nachdem der Stapel zusammengefügt worden ist, beispielsweise dadurch, dass ein Teil ihrer Dickenausdehnung entlang einer Linie teilweise weggeätzt wird, entlang der die Öse an die Platte angrenzt. Alternativ können die Erweiterungen in dem Stapel ineinander greifen, um so beispielsweise einen oder mehrere Tanks auf den Seiten des Stapels zu bilden. Jede Erweiterung kann beispielsweise in der Form einer flachen Schleife sein, also beispielsweise ein halbkreisförmiges Profil haben, das eine Öffnung an der Kante der Platte bildet, wobei die Öffnungen benachbarter Platten das Volumen des Tanks bilden, wenn die Platten zu einem Stapel zusammengefügt werden. Die Schleifen können an der Platte nicht nur an deren Enden, sondern durch dünne Verbinder auch über deren Öffnungen hinweg angebracht sein. Die Tanks, die so ausgebildet werden, können jeweils Fluid, beispielsweise Prozess-Fluid, Kühlmittel oder Reaktant, mit dem die Tanks beschickt sind, in die Kanäle eines der Strömungskanäle einfüttern. Der Tank wird so an die Seite des Stapels mit gleicher Höhe und Breite des Strömungskanals, das heißt einer Gruppe von Kanälen, die zu beschicken sind, angrenzen. Wenn die Stapel einen polygonalen Querschnitt haben, kann der Tank an einer oder mehreren Seitenflächen des Stapels vorgesehen sein. Wenn die Stapel einen kreisförmigen Querschnitt haben, kann eine Anzahl von Tanks um den Umfang angeordnet sein, sofern das gewünscht ist.
Platten, die dazu verwendet werden, die Produkte der Erfindung herzustellen, können auch mit einem Loch versehen sein, das beispielsweise zentrisch durch jede Platte vorgesehen ist, wodurch ein Stapel der Platten einen zentral angeordneten Strömungskanal für einen Fluidstrom durch den Stapel aufweist. Um den Verlust an Durchflussfläche dann, wenn ein derartiges zentrales Loch vorgesehen ist, auszugleichen, ist es möglich, die Platte dann, wenn sie mit integralen Tank-Schleifen versehen ist, nach außen zwischen benachbarte Schleifen auszudehnen.
Die Platten eines Stapels bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material und sind vorzugsweise dünne Metallbleche, beispielsweise mit einer Dicke von 0,5 mm oder weniger. Das Material ist vorzugsweise rostfreier Stahl, es können aber auch andere Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Titan oder deren Legierungen verwendet werden.
Nach dem Verbinden der Platten des Stapels können an dem Stapel Einlass- und Auslass-Kopfplatten oder Verteiler für die verschiedenen Fluide befestigt werden oder diese können alternativ integral an den Platten ausgeformt sein.
Die Komponenten des Stapels können, wie oben angegeben miteinander durch Diffusionsbonden oder durch Löten verbunden werden. Diffusionsbonden kann, sofern es möglich ist, bevorzugt sein, jedoch kann im Falle von Aluminium, was schwer durch Diffusionsbonden zu verbinden ist, ein Löten bzw. Hartlöten notwendig sein. Es ist dann bevorzugt, die Aluminiumoberflächen beispielsweise durch Heißwalzen-Druck-Bonden mit einer geeigneten Lötlegierung zu beschichten, um eine zufriedenstellende Verbindung durch die Löttechnik zu erreichen, obwohl auch andere Mittel als Lötmedium genutzt werden können, wie beispielsweise eine Folie oder Dampfabscheidung.
Diese Erfindung ist insbesondere nützlich, wenn der Aufbau eines großen Wärmetauschers durch ein Seite-an-Seite-Verbinden einer Zahl von Wärmetauscher-Einheiten gewünscht ist. Jede Einheit kann durch einen Stapel aus Platten gemäß der Erfindung gebildet sein. Jeder Stapel kann, nur um ein Beispiel zu geben, aus Platten gebildet sein, die 300 mm breit und 1200 mm lang sind und die gewünschte Höhe aufweisen, die von der Dicke und der Anzahl der Platten abhängt. Es können mehrere Stapel auf einer Separatorplatte Seite an Seite angeordnet werden und die Anordnung wird dann an der Oberseite durch eine weitere Separatorplatte abgeschlossen. Wenn beispielsweise sechs Stapel Seite an Seite verwendet werden, wird ein Wärmetauscher von ungefähr 1800 mm Flusslänge erhalten. Alle benötigten Ösen, Gehrungsabschnitte, Abstandshalter usw., können integral angeformt und aus geeigneten Formationen auf jeder der Platten aufgebaut sein und alle Stapel können die gleiche Höhe aufweisen, wobei sie aus identischen Platten hergestellt sein können. Eine solche Anordnung weist signifikante Vorteile in der Herstellung beispielsweise von „kryogenen" Aluminium-Wärmetauschern auf, die nach konventioneller Herstellung aus Lagen aus gewellten Blechen mit separaten Seitenstäben aufgebaut werden müssen. Ist die Höhe der Seitenstäbe relativ zu der Höhe der gewellten Bleche nicht korrekt, kann das zu Ungleichförmigkeiten und einem nichtbefriedigenden Lötergebnis bei dem Produkt führen.
Es ist bekannt, dass chemische Reaktionen innerhalb einer Struktur, wie beispielsweise einem Wärmetauscher, katalysiert werden können, indem eine Ablagerung katalytischen Materials in den internen Strömungskanälen vorgesehen ist, durch die das zu katalysierende Fluid bzw. die zu katalysierenden Fluide strömt bzw. strömen.
Die perforierten Platten, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind in dieser Hinsicht besonders nützlich, da die Oberflächen der Rippen, Stege und Durchbrüche eine Beschichtung aus katalytischem Material relativ moderater Dicke erhalten können und die da Schlitze in den perforierten Platten können eine deutlich dickere Ablagerung des katalytischen Materials erhalten können. Wenn sich die Durchbrüche in die Dickenausdehnung der Rippen, also beispielsweise bis in eine Tiefe erstrecken, die ungefähr der Hälfte der Plattendicke entspricht, kann die Ablagerung aus Katalysator in den Schlitzen eine Tiefe aufweisen, die bis zur Hälfte der Plattendicke reicht, ohne dass die Durchbrüche blockiert werden.
In der Erfindung wird ein Wärmetauscher/katalytischer Reaktor bereitgestellt, der eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die katalytisches Material zum Beschleunigen einer chemischen Reaktion in einem Fluid bzw. in Fluiden enthält, die durch die Strömungskanäle passieren, wobei diese Strömungskanäle durch eine Zwischenplatte von einem Stapel aus einer oder mehreren parallelen, perforierten Platten separiert ist, die eine Durchbrüche aufweisende Rippenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen. Der Stapel aus Platten ist daher durch die Zwischenplatte von den angrenzenden Strömungskanälen, die später mit katalytischem Material befällt werden, getrennt und aus perforierten Platten aufgebaut, wobei jede Perforationen aufweist, die in einer ersten Richtung in Reihen über die Platte angeordnet sind, wobei sich zwischen jedem benachbarten Paar in einer Reihe angeordneter Perforationen ein Steg befindet und wobei sich Rippen zwischen benachbarten Reihen befinden, wobei die Stege Barrieren für einen Fluss in die erste Richtung über die Platte bilden und wobei die Rippen Fluss Barrieren für einen Fluss in eine zweite Richtung über die Platte bilden, wobei die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung verläuft, wobei die Rippen Durchbrüche durch einen Teil ihrer Dickenausdehnung aufweisen, wobei die Durchbrüche sich von einer Seite einer Rippe zu der anderen Seite in die zweite Richtung erstrecken, wodurch Flusskanäle durch die Durchbrüche gebildet sind und die Flusskanäle, die zwischen jedem benachbarten Paar an Stegen liegen, einen Fluss-Kanal bilden, der in der zweiten Richtung über die Platte verläuft.
Ist die Struktur des Wärmetauschers einmal vervollständigt und getestet, kann das katalytische Material in dessen Strömungskanäle deponiert werden. Das Deponieren des katalytischen Materials wird jedoch normalerweise unmittelbar vor der Installation des Wärmetauschers/Reaktors in seiner gewünschten Arbeitsposition abgeschlossen.
Die Strömungskanäle oder Flusskanäle, die das katalytische Material enthalten sollen, sind bevorzugt zwischen parallelen Rippen ausgebildet, die über die Länge ihrer Platten verlaufen, um ein einfaches Einführen des katalytischen Materials und dessen nachfolgendes Entfernen am Ende seines Lebenszyklus zu erleichtern. Die Strömungskanäle können an einem oder an beiden Enden durch ein Gitter bzw. Netz verschlossen sein, um das katalytische Material zurückzuhalten.
Die chemische Reaktion kann sehr einfach dadurch beheizt oder gekühlt werden, indem ein Heiz- oder Kühlfluid durch den Stapel aus Platten fließt, die benachbart zu den Lagen angeordnet sind, die den Katalysator enthalten. Wie oben ausgeführt, bewirkt diese Struktur einen gewundenen Fluss und erzeugt Turbulenzen, so dass sehr gute Wärmetransfereigenschaften erreichbar sind, insbesondere bei gasförmigen Fluiden. Die katalysierte Reaktion kann daher, wenn sie exotherm ist, effektiv durch das Durchleiten eines geeigneten Kühlfluids gekühlt werden oder sie kann, wenn sie endotherm ist, geheizt werden und durch Durchleiten eines geeigneten Heizfluids durch den Stapel initiiert oder verbessert werden.
Die Erfindung kann zudem in Verbindung mit der oben beschriebenen Injektionskonstruktion verwendet werden, das heißt, der Wärmetauscher kann einen ersten Stapel, der die Strömungskanäle enthält, die katalytisches Material enthalten, einen angrenzenden zweiten Stapel, der durch eine Zwischenplatte mit Injektionslöchern vom ersten Stapel getrennt ist, und einen dritten Stapel, der eine Kühl-oder eine Heizkonstruktion aufweist umfassen. Der erste Stapel kann beispielsweise zwischen dem zweiten und dem dritten Stapel liegen oder er kann in der Reihenfolge „erster, zweiter, dritter" angeordnet sein. Es ist überflüssig zu sagen, dass diese drei Stapel mehrfach wiederholt werden können, um den vollständigen Wärmetauscher/Reaktor zu bilden.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung aufgrund von Beispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
1 eine Draufsicht auf eine geschlitzte Platte zur Verwendung in der Erfindung ist,
2 eine Draufsicht in vergrößertem Maßstab auf einen Abschnitt eines Stapels aus Platten des in 1 gezeigten Typs ist,
3 eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer anderen Platte zur Verwendung in der Erfindung ist, die die Staffelung von Durchbrüchen zeigt,
4 ein vertikaler Schnitt durch einen Abschnitt eines Stapels aus Platten gemäß der Erfindung ist,
5 eine ähnliche Ansicht wie die aus 4 eines Abschnitts eines anderen Stapels aus Platten gemäß der Erfindung ist,
6A eine Draufsicht auf eine unperforierte Zwischenplatte, das heißt eine Separatorplatte, ist,
6B eine Draufsicht auf eine perforierte Zwischenplatte, das heißt eine Misch-Platte, ist,
7 eine schematische Draufsicht auf eine modifizierte geschlitzte Platte gemäß der Erfindung ist,
8 ein Schnitt entlang der Linie VIII-VIII der 7 ist,
9 eine perspektivische Ansicht, teilweise eine Explosionsansicht, eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung ist, der als katalytischer Reaktor geeignet ist,
10 eine schematische Darstellung der Plattenanordnung in dem Wärmetauscher nach 9 ist,
11 ein Plan eines Stapels aus drei Platten ist, der in dem Wärmetauscher nach 9 verwendet wird, um Strömungskanäle für ein Prozessfluid zur Verfügung zu stellen, das einer chemischen Reaktion unterzogen werden soll,
12 ein Schnitt entlang der Linie XII-XII in 10 ist,
13 eine Draufsicht auf einen Stapel aus Platten ist, der in dem Wärmetauscher gemäß 9 verwendet wird, um ein Reaktant-Fluid, das in das Prozessfluid injiziert werden soll, bereitzustellen,
14 eine Draufsicht auf einen anderen Stapel aus Platten ist, die den Platten gemäß 13 ähnlich sind, wobei der Stapel in dem Wärmetauscher nach 9 verwendet wird, um je nach Bedarf ein Kühl- oder ein Heizfluid, bereitzustellen,
15 eine Draufsicht auf eine Separator-oder Zwischenplatte ist, die zwischen den Stapeln gemäß der 13 und 14 anzuordnen ist, und
16 eine Draufsicht auf eine Injektorplatte ist, die zwischen den Stapeln gemäß der 11 und 13 anzuordnen ist.
In 1 weist eine rechteckige Platte 10 zur Verwendung im Rahmen der Erfindung ein Paar angeformter Seitenstäbe 12A und 12B auf, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Platte angeordnet sind. Zwischen den Seitenstäben 12 und 12B erstreckt sich eine Vielzahl von parallelen Reihen aus Schlitzen 14, wobei sich jeder Schlitz vollständig durch die Dicke der Platte erstreckt und von einem benachbarten Schlitz der gleichen Reihe durch einen Steg 16 getrennt ist. Die Stege 16 erstrecken sich kontinuierlich in Reihen, die parallel zu den Seitenstäben 12A und 12B verlaufen, über die Platte. Jeder Schlitz ist von einem benachbarten Schlitz in der nächsten Reihe an Schlitzen durch eine Rippe 18 separiert. Die Rippen 18 erstrecken sich in parallelen Reihen zwischen den Seitenstäben 12A und 12B über die Platte.
Jede Rippe 18 ist geätzt, um zumindest zwei Durchbrüche 20 zwischen jedem Paar an Stegen 16 oder zwischen einem Steg 16 und einem Seitenstab 12A oder 12B aufzuweisen. Die Durchbrüche erstrecken sich teilweise durch die Dickenausdehnung der Rippen, das heißt in die Papierebene, und stellen eine Möglichkeit zur Kommunikation, das heißt Flusskanäle, zwischen einem Schlitz in einer Reihe und einem benachbarten Schlitz in der nächsten Reihe aus Schlitzen bereit. (Durchbrüche sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in einer Ecken-Region der Platte 10 gezeigt, es ist aber anzumerken, dass sie über die gesamte Platte zwischen den Seitenstäben ausgebildet sind.). Die Durchbrüche werden bei der Beschreibung der 2 bis 6 weiter unten detaillierter gezeigt und beschrieben. Die Durchbrüche 20 ermöglichen es, dass der Strömungskanal mit dem Hauptstrom für ein Fluid, das über die Platte fließt, in der Richtung verläuft, die durch die Pfeile A angedeutet ist, wenn die Platten mit einer oder mehreren identischen Platten zu einem Stapel angeordnet sind. Da die Durchbrüche in benachbarten Rippen gestaffelt angeordnet sind, sind die Strömungskanäle für das Fluid, die sich über die Platte erstrecken, zwischen benachbarten parallelen Stegen 16 gewunden.
Die Stege 16 sind zudem mit Verbindungs-Durchbrüchen 22 versehen, die wiederum teilweise durch deren Dicke verlaufen, um zwischen benachbarten Strömungskanälen Strömungsaustausch-Kanäle zur Verfügung zu stellen. Das trägt wiederum zur Bildung von Turbulenzen und zu den Wärmetransfereigenschaften bei. Es ist anzumerken, dass dieser Strömungsaustausch, der durch den Pfeil B angedeutet ist, durch weniger beabstandete Durchbrüche verläuft, so dass die Haupt-Strömungsrichtung des Stroms in der allgemeinen Richtung verläuft, die durch den Pfeil A angedeutet ist. Es ist zudem anzumerken, dass die Verbindungs-Durchbrüche in Bezug auf die Seitendurchbrüche in benachbarten Stegen gestaffelt angeordnet sind.
In 2 ist ein Stapel aus vier Platten 30A, B, C, D gezeigt, die jeweils mit dem in 1 gezeigten Typ vergleichbar sind. Jede Platte weist Reihen von Schlitzen auf, die sich zwischen parallelen Rippen 38A, B, C, D erstrecken, wobei benachbarte Schlitze durch Stege 36A, B, C, D separiert sind. Die Schlitze jeder Platte fügen sich im Stapel mit den Schlitzen der drei anderen Platten zusammen, um große Schlitze 34 zu bilden.
Eine unperforierte Randplatte 40 steht in Kontakt mit der untersten geschlitzten Platte 30A. Auf gleiche Art und Weise kann eine andere unperforierte Platte in Kontakt mit der obersten geschlitzten Platte 30D in Kontakt stehen, wodurch Fluid, das über die Platten 30A bis 30D strömt, zwischen den unperforierten Platten eingeschlossen ist.
Die Rippen 38A, B, C, D weisen alle Durchbrüche 32 auf, die teilweise durch deren Dicke hindurchgeätzt sind und Kanäle für einen Fluidfluss zwischen einem Schlitz 34 auf einer Seite der Rippe und einem anderen Schlitz 34 auf der anderen Seite der Rippe zur Verfügung zu stellen. Diese Durchbrüche liefern dadurch Strömungskanäle für den Fluidfluss über die Platten in der allgemeinen Richtung, die durch den Pfeil A angedeutet ist. Wie zu ersehen ist, kann der Fluss aufgrund der versetzten Anordnung und der verschiedenen Höhen der Durchbrüche 32 sinusförmig von Seite zu Seite und von oben nach unten verlaufen.
Die Stege 36A, B, C, D sind mit Verbindungs-Durchbrüchen 33 versehen, von denen zahlenmäßig weniger vorhanden sind als an Durchbrüchen 32, die jedoch einen Fluss durch die Stege in der Richtung ergeben, die durch den Pfeil B angedeutet ist.
Der Effekt der gestaffelten Anordnung der Durchbrüche ist deutlicher in 3 gezeigt. Hier weist eine Platte 50 zwischen Rippen 54 Schlitze 52 auf. Jede Rippe 54 weist eine Vielzahl von Durchbrüchen 56 auf, die durch ihre Dicke hindurchgeätzt sind, um eine Serie von Rippen-Blöcken 54A zu bilden, wobei die Durchbrüche einen Flusskanal zwischen benachbarten Schlitzen 52 bilden. Weil die Durchbrüche in einer Rippe zu denen einer anderen Rippe gestaffelt angeordnet sind, verläuft ein Fluidfluss über die Platte, wie er durch die Pfeile angedeutet ist, notwendigerweise gewunden.
Wie oben ausgeführt, weist die Platte auf ihren Oberflächen eine Beschichtung aus einem Katalysator auf und die Beschichtung kann eine dicke Ablagerung in den Schlitzen 52 ausbilden, die bis zu dem Niveau der Boden-Oberfläche der beschichteten Durchbrüche 56 reicht. Das kann bei der hergestellten Struktur einfach dadurch erreicht werden, dass das katalytische Material auf bekannte Weise durch die Struktur hindurch geleitet wird, um die Ablagerungen zu bilden. Die Struktur kann insbesondere Lagen aus einfach geschlitzten Platen umfassen, die zwischen Paaren aus Separatorplatten oder Paaren aus geschlitzten Platten angeordnet sind, wobei eine umgekehrt oben auf der anderen liegt, wobei deren Rippen-Blöcke 54A in Kontakt stehen, und wobei jedes Paar zwischen einem Paar Separatorplatten liegt. In letzterem Fall kann das katalytische Material zwischen der Struktur hindurchgeführt werden, um die Ablagerungen in den Schlitzen einer Platte abzulagern und die Struktur kann dann umgekehrt werden, um mehr katalytisches Material aufzunehmen, das dann in den Schlitzen der zweiten Platte eines jeden Paars an geschlitzten Platten abgelagert wird.
In den 4 und 5 sind zwei Stapel aus Platten gemäß der Erfindung gezeigt, um verschiedene Variationen der Anordnung der Durchbrüche zu zeigen.
In 4 sind vier identische geschlitzte Platten 60 gezeigt, die zwischen einem Paar unperforierter Randplatten 62, 64 zu einem Stapel angeordnet sind. Jede Platte 60 weist Durchbrüche 66, die in ihre Oberfläche 60A eingeätzt sind, und Durchbrüche 68 auf, die in ihre gegenüberliegende Seite 60B eingeätzt sind. Die Durchbrüche 66 und die Durchbrüche 68 sind gegeneinander entlang der Rippe der Platte gestaffelt angeordnet.
Regionen 70 einer jeden Platte bezeichnen einen Steg, und es ist zu erkennen, dass sich dieses Muster aus durchbrochenen Rippen zwischen benachbarten Stegen über die Platte entlang ihrer gesamten Länge wiederholt, wie in 1 angedeutet ist.
In 5 sind die gemäß 4 zu den Platten 62 und 64 korrespondierenden Platten entfernt worden. Die vier geschlitzten Platten sind wiederum zu einem Stapel zusammengefügt. Die Platten 72A, B, C und D sind identisch, jedoch wurde jede zweite Platte umgedreht. Dadurch hat jede Platte in ihrer Rippenregion drei Schlitze 74 auf einer Seite und zwei Schlitze 76 auf der anderen Seite. Die Platte 72A weist ihre drei Schlitze 74 nach oben und ihre zwei Schlitze 76 nach unten auf. Bei der Platte 725 weisen ihre beiden Schlitze 76 nach oben und korrespondieren mit den beiden Schlitzen 76 der Platte 72A. Ihre unteren Schlitze 74 korrespondieren mit den Schlitzen 74 der Platte 72C. Ähnliche Schlitze 76 der Platte 72C, die nach unten weisen, sind zu den Schlitzen 76 der Platte 72D korrespondierend angeordnet. Hierdurch werden größere Durchbruch-Kanäle durch die Rippen gebildet.
6A zeigt eine einzelne unperforierte Randplatte TS, die verwendet werden kann, um die Fluss-Strömungskanäle durch eine Gruppe perforierter Haupt-Platten von den Fluss-Strömungskanäle einer anderen Gruppe der perforierten Haupt-Platten zu separieren.
6B zeigt eine einzelne Rand-Mischplatte TP. Die Platte TP weist eine Gruppe kreisförmiger Löcher TPP durch ihre Dickenausdehnung hindurch auf, obwohl anzumerken ist, dass Löcher verschiedener Gestalt, Größe und Anordnung verwendet werden können. Wenn die Platte TP als Randplatte zwischen zwei Gruppen aus perforierten Haupt-Platten verwendet wird, kann ein erster Fluidstrom, der entlang einer Gruppe mit einem höheren Strom fließt als ein zweiter Strom, der entlang einer anderen Gruppe fließt, mit einer kontrollierten Zuführrate in das zweite Fluid injiziert werden.
In den 7 und 8 ist eine Platte 80 gezeigt, die eine Serie quadratischer Schlitze 82 aufweist, die durch Ätzen oder anderweitig hergestellt sind und die Platte in ihrer Dickenausdehnung durchgreifen. Die Schlitze 82 erstrecken sich in Reihen über die Platte, wobei acht Reihen gezeigt sind. Zwischen benachbarten Schlitzen sind Kanäle vorgesehen, die durch Haupt-Durchbrüche 84 gebildet werden, die sich durch einen Teil der Dickenausdehnung der Platte erstrecken, und es sind Verbindungs-Kanäle vorgesehen, die durch Verbindungs-Durchbrüche 86 gebildet werden, die sich ebenfalls durch einen Teil der Dickenausdehnung der Platte erstrecken.
Die vier Reihen aus Schlitzen auf der rechten Hälfte der Platte erstrecken sich von der Kante 80A zu der gegenüberlie genden Kante 80C der Platte und werden von einem Einlass I an der Kante 80A beschickt, wobei Fluid mittels der Kanten-Durchbrüche 84I in die Schlitze injiziert wird. Das Fluid kann dann mittels der Durchbrüche 84 quer auf die Kante 80C zu fließen, wobei sich ein Teil des Fluids mittels der Verbindungs-Durchbrüche 86 in eine andere Reihe aus Schlitzen bewegt.
Der Fluidstrom wird im Allgemeinen durch die Pfeile angedeutet.
Fluid, das die Schlitze 82 erreicht, die sich am nächsten zur Kante 80C der Platte befinden, ist gezwungen, eine oder mehrere Verbindungs-Durchbrüche 86 zu nehmen und dadurch in eine der vier Reihen an Schlitzen überzutreten, die sich auf der linken Hälfte der Platte erstrecken. Das Fluid strömt dann von der Kante 80C zur Kante 80A der Platte zurück, wo es durch einen Auslass O austritt, der durch den Kantendurchbruch 84' gebildet ist.
Ein zweites Fluid oder weitere Fluide kann bzw. können in das Fluid, das entlang der Platte fließt, durch Seiten-Injektionsdurchbrüche 88, 90 und 92 in den entsprechenden Kanten 80B bzw. 80C bzw. 80D der Platte injiziert werden.
Es ist anzumerken, dass diese Injektions-Durchbrüche mit einem Einwegventil oder einem anderen, beispielsweise einem für eine Druckdifferenz sensitiven Mittel versehen sind, um zu verhindern, dass Fluid, das über die Platte fließt, durch diese Durchbrüche hinausfließt.
Die Injektions-Durchbrüche können so angeordnet werden, um die optimale Leistung aus dem injizierten Fluid bzw. den injizierten Fluiden zu erhalten. Es ist anzumerken, dass jeder zu einer Kante der Platte benachbarte Schlitz 82 entweder mit einem Injektions-Durchbruch zu der Kante der Platte hin oder mit einem Blind-Durchbruch 94 versehen ist. Diese Blind-Durchbrüche können einfach in vollständige Durchbrüche umgewandelt werden, so dass eine Vielzahl von Injektionsmustern möglich ist.
Es ist anzumerken, dass die Durchbrüche und die Verbindungs-Durchbrüche in 7 aus Klarheitsgründen in vereinfachter Form gezeigt sind, und dass zwei oder mehr Durchbrüche zwischen jedem benachbarten Paar an Schlitzen vorgesehen sein können und dass die Querschnittsflächen der Durchbrüche und deren Anzahl über die Platten variierbar ist, um gewünschte Flusscharakteristika zu erreichen.
In 9 ist ein Wärmetauscher/Katalysereaktor 100 gezeigt, der einen Einlass 101 und einen Auslass 102 für Kühlmittel (oder, sofern notwendig, für ein Heizfluid zum Initiieren einer endothermen Reaktion) und einen Einlass 103 und einen Auslass 104 für ein Reaktant-Fluid aufweist, das, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, in ein Prozessfluid injiziert wird, das durch den Offen-Durch-Strömungskanal (open-through passageway) 105 durch den Reaktor 100 und in der Richtung, die durch den Pfeil A angedeutet ist, fließt. Die Einlässe und die Auslässe führen zu und aus entsprechenden Tanks 100 bzw. 111, aus denen die Fluide ihrem jeweiligen Stapel zugeführt werden.
Der Reaktor 100 wird natürlich auf fluiddichte Art und Weise an eine Leitung (nicht eingezeichnet) oder auf konventionelle Weise durch andere Mittel zum Durchleiten des Prozessstroms von einer Quelle, durch den Reaktor 100 und hin zu einem geeigneten Behälter angeschlossen. Ein derartiger Anschluss kann einfach dadurch hergestellt werden, dass Flansche 100A und 100B an jedem Ende des Reaktors 100 an zugeordnete Flansche unter Verwendung von Bolzenlöchern 1000, die in der Pipeline oder der anderen Leitung vorgesehen sind, durch Bolzen befestigt werden.
Die Strömungskanäle oder Kanäle 105 sind in Stapeln aus Platten ausgebildet, die in Bezug auf die 11 und 12 weiter unten beschrieben werden. Diese Kanäle sind mit Katalysator versehen und der Reaktor 100 kann nach einer Benutzungsperiode einfach von seiner Leitung abgekoppelt, der verbrauchte Katalysator aus den Kanälen 105 entfernt und frischer Katalysator eingefügt werden, so dass der Reaktor für eine erneute Benutzung vorbereitet ist.
Ein Netz 105A, das in einem Rahmen 105B angebracht ist, kann an den Rahmen 100B und/oder den Rahmen 100A angebracht sein, um den Katalysator in den Strömungskanälen 105 zu halten.
Die Reihenfolge bzw. die Anordnung der Platten in dem Reaktor 100 ist in 10 gezeigt.
An jedem Ende des vollständigen Stapels aus Platten ist eine massive, unperforierte Platte S angeordnet, die mit Bezug auf 15 weiter unten beschrieben ist.
Oberhalb der Bodenplatte S in 10 ist ein Stapel A aus Platten angeordnet, die Kanäle zur Aufnahme des Kühlmittelstroms (oder des Heizmittelstroms) durch den Einlass 101 bilden. Die Platten des Stapels A werden mit Bezug auf die 14 weiter unten beschrieben.
Über dem Stapel A ist eine weitere solide, unperforierte Separatorplatte S angeordnet. Oberhalb dieser Platte S befindet sich ein Stapel aus Platten B, die Strömungskanäle zum Auf nehmen eines Reaktant-Fluids bilden. Die Platten des Stapels B werden mit Bezug auf 13 weiter unten beschrieben. Oberhalb des Stapels B befindet sich eine Injektions-oder Mischplatte I, die mit Bezug auf 16 weiter unten beschrieben wird.
Oberhalb der Injektionsplatte I befindet sich ein Stapel C aus Platten, die die Strömungskanäle 105 für das Prozessfluid bilden, und auf die oben Bezug genommen ist. Die Platten des Stapels C werden weiter unten mit Bezug auf die 11 und 12 beschrieben.
Oberhalb des Stapels C befindet sich eine weitere massive, unperforierte Separatorplatte S.
Diese Struktur kann dann mit einem weiteren Stapel A und dann sofort so oft weiter fortgesetzt werden, wie es notwendig ist, um den Wärmetauscher/Reaktor 100 der gewünschten Kapazität herzustellen.
Eine Separatorplatte ist in 15 gezeigt. Sie hat eine rechteckige, ebene Form, wobei Randregionen 156 mit den korrespondierenden Randregionen benachbarter Platten durch eines der oben beschriebenen Mittel verbunden bzw. verklebt sind. Die Randregion 156 umfasst eine unperforierte, das heißt massive zentrale Region 157 und läuft in diese aus, wobei die zentrale Region einen Fluidstrom von einer Seite der Platte S zu ihrer anderen Seite verhindert. Benachbart zu einer jeden Ecke der Platte S befindet sich eine schleifenförmige Erweiterung 158, die eine eingeschlossene Region oder Öffnung 159 einschließt. Diese Schleifen 158 lassen sich zusammen mit zugehörigen Abschnitten der anderen Platten, die im Wärmetauscher gestapelt sind, zu einem Stapel anordnen, um so zwei entsprechende Einlass- und zwei Auslasstanks 110 bzw. 111 zu bilden, wobei in 9 jeweils einer von diesen sichtbar ist.
Die oberste Platte des Stapels A ist in 14 gezeigt. Es werden zwei oder mehrere solcher Platten 170 benötigt und jede von ihnen weist eine rechteckige Form auf und umfasst eine Randregion 171 zum Verbinden mit benachbarten Platten und einer zentralen Region 172. Die Region 172 weist einen Aufbau mit Durchbrüchen aufweisenden Rippen auf – diese sind hier nicht gezeigt, sind aber beispielsweise in den 1 bis 3 gezeigt. Wie bei der Platte S sind benachbart zu den Ecken der Platte 170 Schlaufen vorgesehen, von denen zwei, 173A und 173B, in gegenüberliegenden Ecken eine Öffnung 174 einschließen, und bei denen die anderen beiden 173C, 173D sich in die zentrale Region 172 öffnen, wodurch ein Einlass und ein Auslass für Kühlfluid gebildet werden, das durch den Einlass 101 und den Auslass 102, die in 9 gezeigt sind, den Stapel A entlang und durch den Stapel A hindurch fließt.
Die oberste Platte des Stapels B ist in 13 gezeigt. Es werden zwei oder mehr solcher Platten benötigt und sie weisen die identische Struktur wie die Platten 170 auf. Sie haben daher Randregionen 181, die eine Region 182 aus stiftförmigen Leitblechen umgeben. Sie weisen eingeschlossene Schleifen 183A und 183B und Schleifen 183C und 183D auf, wobei die letzteren beiden Schleifen einen Einlass und einen Auslass für Reaktant-Fluid bilden, das durch den Einlass 103 und den Auslass 104 gemäß 9 den Stapel B entlang und durch den Stapel B fließt hindurch.
Die Injektorplatte I ist in 16 gezeigt. Sie weist die gleiche rechteckige Form wie die oben beschriebenen Platten auf. Ihre Randregion 191 kann mit den anderen Randregionen benachbarter Platten verbunden sein und sie umgibt eine zent rale Region 192 und läuft mit dieser zusammen. Die Region 192 ist nicht undurchlässig, sondern weist eine Reihe von Injektionslöchern 190 auf, die diese in ihrer Dickenausdehnung durchsetzen. Es ist daher möglich, dass Reaktant-Fluid, das auf einer Seite der Platte I durch den Stapel B fließt, einen höheren Druck hat als das Prozess-Fluid, das auf der anderen Seite der Platte I durch den Stapel C fließt, wodurch das Reaktant-Fluid durch die Löcher 190 in das Prozess-Fluid injiziert wird, um die gewünschte chemische Reaktion herbeizuführen. Die Löcher 190 können hinsichtlich ihrer Größe und ihrer Verteilung so gewählt sein, dass sie die gewünschte Menge an Reaktant-Fluid injizieren.
Wie die weiter oben beschriebenen Platten weist die Platte I Ecken-Schleifen 193A, B, C, D auf, und jede der Schleifen schließt eine Öffnung 194 ein, die einen Teil der in 9 gezeigten Tanks 110 und 111 darstellt.
Die Platten 120 des Stapels C sind in den 11 und 12 gezeigt. In dem Stapel sind drei Platten gezeigt, obwohl anzumerken ist, dass, sofern es gewünscht ist, mehr oder weniger Platten, verwendet werden können. Die Platten 120 sind wiederum rechteckig und weisen eine Randregion 121 entlang ihrer beiden längeren Kanten auf. Die Randregionen 121A, 121B sind entlang ihrer kürzeren Kante ausgebildet, um entlang von Schnittlinien XII-XII und XI-XI entfernt werden zu können, nachdem die Platten mit den anderen Platten des Wärmetauschers verbunden worden sind.
Die zentrale Region 122 einer jeden Platte 120 weist eine Reihe paralleler Rippen 123 auf, die entlang ihrer längeren Länge verlaufen. Zwischen benachbarten Paaren von Rippen 123 und zwischen den äußersten Rippen 123 und der Randregion 121 befinden sich offene Kanäle 124 (die den Kanälen 105 in 9 entsprechen). Die Kanäle erstrecken sich vollständig durch die Dicke der Platte. Wenn die Enden 121A und 121B entfernt werden, kann Prozess-Fluid von der einen Seite des Stapels C, wo sich die Enden 121B befunden haben, entlang der Kanäle 124 und aus dem anderen Ende heraus, das heißt dort, wo die Enden 121A sich befunden haben, fließen, wie durch den Pfeil A angedeutet ist. Die Pfeile A entsprechen hier dem Pfeil A in 9.
Es ist anzumerken, dass die Rippen 132 dadurch auf ihren Positionen gehalten werden, dass sie zunächst mit den Enden 121A und 1218 der Platte 120 verbunden sind. Wenn die Platten des Stapels miteinander verbunden sind, sind die Rippen 123 mit einer Platte I unterhalb oder einer Platte S oberhalb (wie in der in 10 gezeigten Anordnung) oder mit der korrespondierenden Rippe benachbarter Platten 120 verbunden. Wenn daher die Enden 121A und 1218 entfernt werden, bleiben die Rippen fest am Platz.
Die Kanäle 124 sind mit Katalysator bestückt, um die Reaktion zwischen dem Prozess-Fluid, das durch den Stapel A fließt, mit dem injizierten Reaktant-Fluid für Stapel B zu beschleunigen.
Wenn es gewünscht ist, die Drücke zwischen den Katalysator-Kanälen 124 anzugleichen, können Durchbrüche vorgesehen sein, die teilweise die Dicke der Rippen 123 durchsetzen. Es müssen zudem nicht alle Kanäle 124 in der Platte 120 die gleiche Breite aufweisen. Hierdurch können verschiedene Flussraten in verschiedenen Kanälen gefördert oder es kann eine schlechte Uniformität der Flussverteilung durch die Kanäle kompensiert werden, indem an den Kanten der Platte breitere Kanäle vorgesehen werden.
Die Platten 122 weisen jeweils Eck-Schleifen 125A, B, C, D auf, die Öffnungen 126 vollständig umschließen, um einen Teil der Tanks 110 und 111 zu bilden.
Nur als Beispiel können die Platten 120 eine Dicke von ungefähr 2 mm aufweisen und die gewünschte Höhe des Kanals wird dann durch Stapeln der entsprechend benötigten Zahl solcher Platten hergestellt.

Claims

Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel mit einem Stapel, der gebildet ist aus zumindest einer Gruppe von Platten, die eine oder mehrere perforierte Platten (50) umfasst, die zwischen einem Paar primärer Separatorplatten angeordnet sind, wobei jede der perforierten Platten eine Mehrzahl von Perforationen aufweist, die in Reihen in einer ersten Richtung über die Platte angeordnet sind, wobei sich zwischen jedem benachbarten Paar in einer Reihe angeordneter Perforationen ein Steg befindet und wobei sich Rippen (54) zwischen benachbarten Reihen befinden, wobei die Stege Flussbarrieren in der ersten Richtung über die Platte bilden und die Rippen Flussbarrieren in einer zweiten Richtung über die Platte bilden, wobei die zweite Richtung senkrecht zur ersten Richtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (54) Durchbrüche (56) durch einen Teil ihrer Dickenausdehnung aufweisen, wobei die Durchbrüche sich von einer Seite einer Rippe zu der anderen Seite der Rippe erstrecken, wodurch Flusskanäle durch die Durchbrüche gebildet sind und die Flusskanäle, die durch die Perforationen gebildet sind, die zwischen jedem benachbarten Paar von Stegen liegen, einen Flusskanal bilden, der in der zweiten Richtung quer über die Platten verläuft, und dadurch, dass eine Ablagerung katalytischen Materials auf den Oberflächen der Flusskanäle ausgebildet ist.
Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel nach Anspruch 1, wobei die Ablagerung katalytischen Materials in den Perforationen der perforierten Platte(n) ausgebildet ist.
Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Perforationen der perforierten Platten längliche Schlitze (52) sind.
Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel nach Anspruch 3, wobei der Durchbruch eine Boden-Oberfläche aufweist und die Ablagerung in den Schlitzen (52) bis zu einem Niveau mit der Boden-Oberfläche ausgebildet ist.
Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Durchbrüche (56) auf einer Oberfläche ihrer Rippen (54) ausgebildet sind und sich teilweise in die Dickenausdehnung der Rippe (54) erstrecken.
Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel nach Anspruch 5, wobei die Durchbrüche (56) in benachbarten Paaren von Rippen (54) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Wärmetauscher oder Fluid-Mischmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (56) senkrecht zu der Richtung der Rippe (54) ausgebildet sind.