Способ и устройство для ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре, их распределения по каналам и вывода и применение многоканальной монолитной структуры
Предложены способы и устройства для ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре (в монолите), их распределения и вывода, причем отверстия каналов рассеяны по всей площади поперечного сечения указанной структуры. Указанное устройство содержит коллекторную головку, монолитный узел, или монолитный комплект, или батарею узлов или комплектов, или монолитный блок. Более того, в изобретении предлагается способ и реактор для массо- и/или теплообмена между двумя флюидами, причем указанные флюиды распределяют через одну или более головок коллекторов и узлов или комплектов, или батарей узлов или комплектов, или блоков. Изобретение позволяет простым и эффективным образом подавать два различных флюида в индивидуальные каналы в многоканальной монолитной структуре без использования труб, а также соединять несколько монолитов. 11 н. и 12 з.п. ф-лы, 18 ил.
Настоящее изобретение относится к созданию способа и устройства для ввода флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре (в монолите), их распределения по указанным каналам и вывода из указанной структуры, причем отверстия каналов распределены (рассеяны) по всей площади поперечного сечения указанной структуры.
Настоящее изобретение может найти применение в процессах массо- и/или теплопереноса между двумя флюидами.
Двумя флюидами обычно являются два газа с различными химическими и/или физическими параметрами. Однако настоящее изобретение также может найти применение в тех случаях, когда одним флюидом является газ, а другим является жидкость. Могут даже существовать системы, в которых один или оба флюида представляют собой смесь газа и жидкости. Эта смесь газа с жидкостью может образовывать сплошную или однородную фазу или же явный двухфазный поток (пробковое течение). В последующем описании два флюида в качестве примера обозначены как флюид 1 и флюид 2.
Флюид 1 и флюид 2 подают соответственно в указанные каналы для флюида 1 и в указанные каналы для флюида 2. Флюид 1 и флюид 2 распределены в монолите таким образом, что они имеют общие стенки, разделяющие флюид 1 и флюид 2. Стенки, которые являются общими стенками для двух флюидов, образуют контактную поверхность между двумя флюидами, которая служит для массо- и/или теплопереноса. Это означает, что флюиды должны быть поданы в каналы, причем отверстия каналов должны быть распределены по всей площади поперечного сечения монолита. Настоящее изобретение позволяет использовать всю контактную поверхность или все стенки каналов монолита непосредственно для массо- и/или теплопереноса между флюидом 1 и флюидом 2. Это означает, что канал для одного флюида всегда должен иметь другой флюид на обратной (внешней) стороне своей стенки канала, то есть все смежные или соседние каналы для флюида 1 должны иметь флюид 2, и наоборот. Настоящее изобретение особенно хорошо подходит для процесса интенсификации, так как в нем могут быть использованы монолитные структуры с отверстиями каналов, которые имеют малую площадь поперечного сечения (например, отверстия каналов с шириной 1-6 мм) и тонкие стенки. Каналы, имеющие малую площадь поперечного сечения и тонкие стенки, позволяют получить большую площадь поверхности в единице объема и, следовательно, получить весьма компактное и энергосберегающее устройство для массо- и/или теплообмена.
В соответствии с настоящим изобретением контактная поверхность стенки в монолите может быть мембраной, способной избирательно транспортировать один или несколько компонентов между двумя флюидами. Более того, настоящее изобретение также может быть использовано для систем с двухфазными потоками, в которых газ и жидкость (в данном случае флюид 1) протекают в одном и том же канале и производят интенсивный массообмен (абсорбцию или десорбцию) между двумя фазами (газ и жидкость) одновременно, по мере того как они нагреваются или охлаждаются флюидом 2 через стенку области контакта.
Стенка между двумя различными флюидами может также содержать активные поверхностные компоненты на одной или обеих сторонах. Такие активные поверхностные компоненты или катализаторы используют в том случае, когда идут одна или несколько химических реакций. Часто за счет химических реакций выделяется или поглощается теплота (экзотермические и эндотермические реакции). Для оптимизации таких реакционных систем очень важно регулировать температуру.
Отличительной характеристикой многоканальных монолитных структур (монолитов) является то, что они имеют корпус с большим числом внутренних продольных и параллельных каналов. Монолит целиком, вместе со всеми его каналами, может быть изготовлен в одной операции, обычно за счет техники экструзии.
За счет использования техники экструзии для изготовления монолитной структуры появляются широкие возможности воздействия на геометрическую форму каналов. Экструзия, как процесс изготовления, позволяет изготавливать всю монолитную структуру целиком за одну операцию. Поперечные сечения каналов могут отличаться как по форме, так и по размеру, или же каналы могут иметь одинаковые размеры и форму, что встречается наиболее часто, например, могут иметь треугольную, квадратную или шестиугольную форму поперечного сечения. Однако не исключается и комбинация нескольких геометрических форм. Геометрическая форма, вместе с шириной или площадью отверстия канала, оказывает существенное влияние на механическую прочность и имеющуюся площадь поверхности в единице объема.
Ширина отверстий каналов обычно составляет около 1-6 мм, а толщина стенки обычно составляет 0,1-1 мм. Установлено, что многоканальная монолитная структура с наименьшей шириной отверстий каналов позволяет обеспечивать наибольшую площадь поверхности в единице объема. Типичные значения для указанной площади поверхности в единице объема лежит в диапазоне от 250 до 1000 м2/м3. Другим преимуществом монолитов являются прямые каналы, которые обладают малым гидравлическим сопротивлением для флюида. Монолиты обычно изготавливают из керамических или металлических материалов, которые выдерживают высокие температуры. Это позволяет им сохранять прочность при применениях в процессах, протекающих при высоких температурах.
В промышленности монолиты используют главным образом при протекании только одного флюида через все каналы в монолите. Стенки каналов в монолите могут быть покрыты катализатором, который ускоряет ход химической реакции в протекающем по каналу флюиде. Примером такой монолитной структуры является выхлопная система автомобиля. В этой системе выхлопные газы нагревают стенки в монолите до температуры, при которой катализатор ускоряет окисление нежелательных компонентов выхлопных газов.
Монолитные структуры используют также для передачи теплоты от газообразных продуктов сгорания или от выхлопных газов приточному воздуху для процессов горения. Один из способов предусматривает поочередное протекание через монолит двух газов, например, горячего и холодного газа. При таком способе, например, выхлопной газ может нагревать монолитную структуру, которая затем передает теплоту холодному воздуху. Однако такие регенеративные процессы теплообмена с циклами чередования протекания двух флюидов (одного горячего и одного холодного) в одной и той же структуре не пригодны, когда перемешивание двух флюидов является нежелательным или когда необходим постоянный и непрерывный тепло- и/или массообмен.
Промышленное применение монолитов ограничено главным образом теми применениями, в которых только один флюид протекает по всем каналам одновременно.
В литературе уже описан ряд процессов или применений, в которых монолиты преимущественно могут быть использованы для тепло- и/или массообмена между двумя различными потоками флюида. Такие процессы уже были осуществлены в экспериментальных испытаниях небольшого масштаба. В качестве примеров можно привести производство синтез-газа (СО и Н2). Обычно синтез-газ получают с использованием парового (с водяным паром) реформинга метана. Это представляет собой эндотермическую реакцию, в которой метан вступает в реакцию с водяным паром для образования синтез-газа. Такой процесс может быть проведен в монолите, в котором экзотермическая реакция в смежных каналах обеспечивает теплоту для парового реформинга метана.
Хотя уже было показано, что выгодно использовать монолиты для тепло- и/или массообмена между двумя флюидами в ряде применений, промышленное использование монолитов в таких применениях не является широко распространенным. Одной из наиболее важных причин неудовлетворенности, по которой монолиты не используют в этих областях, является то, что известные технологии ввода двух флюидов в раздельные каналы монолита, распределения и вывода из них являются сложными и не подходят для пропорционального увеличения (масштабирования) (то есть для объединения нескольких монолитных узлов), особенно тогда, когда в монолите используют большое число каналов.
В патенте ФРГ 19653989 описаны устройство и способ для подачи двух флюидов в каналы монолита через подводящие трубки. Эти подводящие трубки или подводящие трубы служат для подвода двух флюидов в соответствующие каналы монолита из камер повышенного давления соответствующих флюидов. Камеры повышенного давления смонтированы вместе таким образом, что трубы от внешней камеры должны проходить через внутреннюю камеру и затем соединяться с каналами в монолите. Каждая индивидуальная труба должна быть герметизирована, чтобы исключить утечку из каналов монолита и через проходные втулки в стенках камер повышенного давления. При нагревании монолит, стенки камер повышенного давления, трубы и материал уплотнения расширяются, а при охлаждении происходит сжатие. Это повышает вероятность образования трещин и нежелательной утечки и, как следствие, вероятность перемешивания двух флюидов. Эта вероятность возрастает с ростом числа указанных проходных втулок.
В патенте ФРГ 19653989 входные и выходные зоны герметизированных труб охлаждают, так что может быть использован низкотемпературный, гибкий материал уплотнения и поэтому риск образования трещин и утечки может быть снижен. Само собой разумеется, что система охлаждения несколько повышает стоимость и сложность монолитной структуры, особенно в применениях крупного масштаба, в которых монолит содержит многие тысячи каналов и в которых необходимо также использовать множество монолитных структур, установленных последовательно и/или параллельно, чтобы получить достаточную площадь поверхности.
В патенте США 4271110 описан другой способ ввода/вывода двух флюидов. Преимуществом этого способа является то, чтобы труба подачи из камеры повышенного давления в каналы соответствующих флюидов в монолитной структуре может быть полностью исключена. Это достигнуто за счет прорезания параллельных зазоров вниз от торцов (концов) монолита. Эти прорези или зазоры ведут в каналы для одного из флюидов и выходят из них. При этом прорезь зазоров соответствует камере повышенного давления для ряда каналов, через которые прорезан зазор. За счет герметизации отверстия зазора, которое обращено к торцу монолита, создаются отверстия в боковой стенке монолита, где один из флюидов может входить или выходить. Другой флюид может при этом входить или выходить через остальные открытые каналы у короткого конца монолита. Главным недостатком этого способа, кроме необходимости обработки (резки и уплотнения) собственно монолитной структуры, является то, что только половина имеющейся площади может быть использована для массо- и/или теплообмена. Например, квадратные каналы для одного флюида и другого флюида должны лежать в связанных рядах, так что структура каналов для двух флюидов соответствует пластинчатому теплообменнику. Если каналы для двух флюидов распределить как на шахматной доске, где черные клетки соответствуют каналам для одного флюида, а белые клетки соответствуют каналам для другого флюида, то может быть достигнуто максимальное использование площади, так как в такой картине распределения флюида, все стенки каналов для одного флюида будут общими стенками для каналов другого флюида. При использовании таких каналов для одного и того же флюида в ряду, как в патенте США 4271110, ориентировочно только половина стенок каналов для одного флюида будет в контакте со стенками каналов для другого флюида.
Основной задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для ввода двух флюидов в многоканальную монолитную структуру, распределения в ней и вывода из нее двух флюидов таким образом, что достигается максимальное использование площади поверхности.
Другой задачей настоящего изобретения является создание улучшенных способа и реактора для массо- и/или теплообмена между двумя флюидами.
В соответствии с настоящим изобретением первая задача решена за счет способа, в котором один флюид подают через канавку в одном или более зазорах в коллекторной головке, которая герметично прилегает к одной стороне, указанной монолитной структуры, причем другой флюид подают в туннель в указанной коллекторной головке и затем направляют через канавки в указанной стенке туннеля и в один или более зазоров в указанной коллекторной головке, при этом указанные флюиды распределяют из их соответствующих зазоров в указанные каналы так, что, по меньшей мере, одна стенка канала является общей для указанных флюидов, причем указанные флюиды собирают в их соответствующих зазорах в коллекторной головке, которая герметизирована на противоположной стороне указанной структуры, где герметизирована первая коллекторная головка, при этом флюиды затем проходят соответственно через канавку из одного или более зазоров и канавок в стенке туннеля в указанной упомянутой последней головке коллектора.
Задача также решается за счет способа ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре, их распределения и вывода, причем отверстия каналов рассеяны по всей площади поперечного сечения указанной структуры и указанные каналы имеют общие стенки, тем, что один флюид подают в первый туннель в коллекторной головке и направляют через канавки в стенке первого туннеля и затем в один или более зазоров в коллекторной головке, другой флюид подают во второй туннель в коллекторной головке и направляют через канавки в стенке второго туннеля и затем в один или более других зазоров в коллекторной головке, указанные флюиды распределяют из их соответствующих зазоров в каналы таким образом, что, по меньшей мере, одна стенка канала является общей для указанных флюидов, флюиды собирают в их соответствующих зазорах в коллекторной головке, причем флюиды затем выводят из их соответствующих канавок в стенках туннелей.
При этом флюиды вводят и выводят через одну и ту же коллекторную головку, флюиды распределяют в каналах таким образом, что если один флюид втекает в один канал, то другой флюид втекает во все смежные каналы, флюиды из зазоров распределяют в каналах, как на шахматной доске, где один флюид течет в "черных" каналах, а другой флюид течет в "белых" каналах.
В соответствии с настоящим изобретением первая задача решена за счет использования в коллекторной головке для ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре, их распределения и вывода, причем отверстия каналов рассеяны по всей площади поперечного сечения указанной структуры, и каналы имеют общие стенки, по меньшей мере, трех параллельных разделительных пластин, соединенных вместе при помощи прокладок, с образованием зазоров с канавками между указанными пластинами, и торцевых накладных пластин (накладок, крышек), соединенных в параллель с указанными разделительными пластинами, причем указанные разделительные пластины и накладные пластины имеют одно отверстие, образующее туннель с канавками через указанные объединенные пластины. При этом разделительные пластины и накладные пластины имеют, по меньшей мере, одно отверстие, образующее трубчатое пространство (туннель) через соединенные пластины, причем стенка туннеля имеет канавки, сообщающиеся с зазорами.
В соответствии с настоящим изобретением первая задача решена за счет использования узла, в котором предусмотрена многоканальная монолитная структура, в которой отверстия каналов распределены по всей площади поперечного сечения указанной структуры, указанные каналы имеют общие стенки, а указанная коллекторная головка герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности указанной структуры.
Указанный узел может содержать многоканальную монолитную структуру, в которой отверстия каналов распределены по всей площади поперечного сечения указанной структуры, и каналы имеют общие стенки, указанную коллекторную головку, которая герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности указанной структуры, и, по меньшей мере, одну пластину с отверстиями, которая герметично установлена между коллекторной головкой и указанной структурой на наружной поверхности, где имеются отверстия каналов.
Указанные отверстия устроены таким образом, что два флюида могут протекать из каналов монолита в зазоры, и наоборот, одна или более стенок каналов покрыты одним или более каталитически активными компонентами, отверстия каналов равномерно распределены по всей площади поперечного сечения монолитной структуры в шахматном порядке, указанная структура имеет стенки каналов, ориентированные под углом 45 градусов к наружным стенкам структуры, разделительные пластины герметично соединены с пластиной с отверстиями, разделительные пластины герметично соединены непосредственно со стенками каналов монолита, коллекторная головка герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности структуры монолита, где имеются отверстия каналов.
В соответствии с настоящим изобретением первая задача решена за счет использования комплекта, который содержит две или более многоканальных монолитных структур, причем отверстия каналов распределены по всей площади поперечного сечения указанных структур и указанные каналы имеют общие стенки, по меньшей мере, одну указанную коллекторную головку, которая герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности указанной структуры, по меньшей мере, одну пластину с отверстиями, которая герметично установлена между указанной коллекторной головкой и указанной структурой на указанной стороне, где имеются отверстия каналов, и, по меньшей мере, одну соединительную пластину или другое средство соединения между блоками.
В соответствии с настоящим изобретением первая задача решена за счет использования батареи, которая содержит указанные узлы или комплекты, соединенные вместе.
Типичная длина батареи имеет тот же порядок величины, что и высота индивидуального комплекта, введенного в цилиндрическую оболочку.
В соответствии с настоящим изобретением первая задача решена за счет использования блока, который содержит батареи указанных блоков или комплектов, которые соединены скобами лицом к лицу.
Блок имеет такую же высоту, что и индивидуальный комплект монолита, такую же ширину, что и батарея, и длину, пропорциональную числу батарей.
В соответствии с настоящим изобретением вторая задача решена за счет использования реактора, в котором один или более указанных узлов или комплектов, или указанных батарей узлов или комплектов, или указанных блоков объединены в единое целое.
Сосуд высокого давления (автоклав) содержит монолитный блок (монолитные структуры, плотно упакованные вместе) с полостями, проходами, каналами или трубами внутри оболочки (оболочки сосуда) для транспортирования одного или обоих флюидов в монолитные структуры и из них, а также в сосуд высокого давления и из него.
В соответствии с настоящим изобретением вторая задача решена за счет использования способа, в котором указанные два флюида распределяют через один или более указанных узлов или комплектов или через батарею узлов, или комплектов, или блоков.
Между коллекторной головкой и монолитом введены одна или более пластин с отверстиями для флюидов, чтобы обеспечивать равномерное распределение потока и преобразование (переход) от режима течения в шахматном порядке (в монолите) к линейному режиму течения (в коллекторной головке).
Настоящее изобретение позволяет соединять две или более монолитных структур через упругое соединение, встроенное в коллекторную головку. Если необходимо соединять несколько таких узлов вместе, важно, чтобы они могли двигаться друг относительно друга, принимая во внимание различающиеся тепловые расширения. Несколько монолитных структур, соединенных вместе, образуют монолитную батарею.
Более того, настоящее изобретение позволяет вводить большое число монолитных структур в сосуд высокого давления, без увеличения его диаметра при росте числа монолитных структур. Таким образом, емкость системы может быть увеличена/уменьшена просто за счет изменения числа батарей или числа монолитных структур и изменения длины сосуда высокого давления.
Настоящее изобретение позволяет также сохранять один флюид в трубчатой замкнутой системе, то есть в трубе, при этом другой флюид может втекать в полости внутри сосуда высокого давления и вытекать из них.
При использовании настоящего изобретения нет необходимости в применении прорезей, как в патенте США 4271110, или подводящих трубок, как в патенте ФРГ 19653989 С2.
Настоящее изобретение дает пользователям свободу в использовании любых типов форм и размеров и создает возможность использования максимальной имеющейся площади поверхности для массо- и/или теплообмена. Способ, описанный в патенте США 4271110, требует, чтобы все каналы с одним и тем же флюидом использовали совместно, по меньшей мере, одну стенку, так что когда общую стенку убирают или удаляют за счет механической обработки, может создаваться соединительный зазор, который образует общую камеру повышенного давления для флюида. Тот факт, что два соседних канала с одним и тем же флюидом должны иметь, по меньшей мере, одну общую стенку, означает, что уменьшается имеющаяся область массо- и/или теплообмена. В патенте ФРГ 19653989 С2 используют трубки для подачи соответствующих флюидов из камер повышенного давления в каналы монолита, которые могут быть распределены таким образом, что может быть использовано максимальное имеющееся пространство, то есть флюиды подводят и распределяют таким образом, что один флюид всегда имеет общие стенки каналов с другим флюидом. Два флюида распределены в каналах, имеющих расположение в виде шахматной доски. Это позволяет максимально использовать имеющуюся область массо- и/или теплообмена.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ и устройство, которые позволяют эффективно подводить, отводить и распределять два различных флюида в каналах в многоканальной монолитной структуре. Необходимо, чтобы отверстия каналов для двух флюидов были равномерно распределены или рассеяны по всей площади поперечного сечения монолита и чтобы каналы имели общие стенки. Устройство позволяют эффективно собирать на впуске или выпуске флюид одного типа, например флюид 1, из всех каналов, содержащих этот флюид, так что флюид 1 может храниться раздельно от флюида 2, и наоборот.
Более того, требуется наименьшее возможное число деталей или компонентов и минимальная возможная обработка и адаптация (приспособление) этих деталей или компонентов, так что монолит выгодно отличается прочностью, простотой и низкой стоимостью. В принципе, можно утверждать, что чем меньше используют отдельных деталей или компонентов, тем больше достигаемые преимущества. Это способствует упрощению герметизации между двумя флюидами, которые вводят в каналы монолита и выводят из них. Возможное параллельное изготовление коллекторных головок, пластин с отверстиями и монолитных структур уменьшает время изготовления. Предварительная сборка этих компонентов в монолитный узел, монолитный комплект, батарею узлов или комплектов или в монолитный блок создает дополнительные преимущества при размещении в сосуде высокого давления.
Более того, выгодным образом может быть достигнута наибольшая возможная контактная поверхность (площадь поверхности) в монолите, при заданной ширине отверстия канала. Это особенно выгодно в том случае, когда монолитную структуру или стенки канала используют в качестве мембраны, например, мембраны для пропускания водорода или кислорода.
Для достижения максимально возможной пропускной способности соответствующего компонента флюида на единицу объема монолитной структуры важно иметь наибольшую возможную контактную поверхность на единицу объема. Поэтому желательно, чтобы один флюид протекал в одном канале, а другой флюид находился (снаружи) на всех боковых стенках, образующих канал. Например, при использовании каналов с квадратным поперечным сечением два флюида должны протекать через монолит в схеме каналов, соответствующей шахматной доске, то есть один флюид должен протекать в "белых" каналах, а другой флюид в "черных" каналах. Кроме того, что это очень важно для массообмена между двумя флюидами, наибольшая возможная поверхность прямого контакта также очень важна для повышения эффективности теплообмена.
Чем меньше отверстия каналов, тем больше будет удельная поверхность в монолите. Поэтому для достижения компактных решений желательно иметь возможно меньшие практически осуществимые каналы.
На тех наружных поверхностях монолита, где имеются впуски и выпуски каналов монолита, коллекторная головка установлена герметично над отверстиями каналов монолита. Для некоторых применений может быть необходимо герметизировать стык только одной наружной поверхности монолита с коллекторной головкой. Коллекторная головка содержит разделительные пластины, установленные на расстоянии, адаптированном к размеру отверстий каналов в монолите. Расстояние или пространство между пластинами служит для сбора флюида из отверстий каналов, которые лежат в одном и том же ряду (то есть для сбора одного и того же флюида) в монолите. Это пространство называют зазором повышенного давления. В одном из применений эти разделительные пластины имеют отверстия (например, круглые отверстия), через которые один из флюидов может быть выведен из трубчатого пространства или введен в трубчатое пространство, образованное при помощи указанных разделительных пластин. Это трубчатое пространство может быть соединено с трубой или трубкой. Таким образом, если монолиты расположены в сосуде высокого давления, один из флюидов может храниться в замкнутой трубчатой системе, соединенной с трубчатым пространством коллекторной головки, а другой флюид может протекать в открытом пространстве и/или через направляющие каналы к впускным и выпускным отверстиям коллекторной головки в указанном сосуде. В такой системе можно избежать прямого (герметизированного) соединения с монолитом для одного из флюидов.
Ряды отверстий каналов преимущественно идут в поперечном направлении по всему короткому концу монолита и содержат впуск или выпуск для одного и того же флюида. Эти ряды отверстий каналов для одного и того же флюида разделены при помощи герметичных разделительных пластин в коллекторной головке. Два флюида собирают в их соответствующих зазорах повышенного давления. При наличии рядов отверстий каналов для одного и того же флюида зазор повышенного давления для одного флюида будет иметь зазор повышенного давления для другого флюида на другой стороне разделительной пластины. В монолите с квадратными каналами, образующими ряды для одного и того же флюида, разделительные пластины должны быть герметично соединены со стенками каналов в монолите. Вместо герметичного соединения разделительных пластин непосредственно со стенками каналов в монолите одна пластина может быть сначала герметично соединена с короткой лицевой стороной монолита. Эта пластина является пластиной с отверстиями, с которыми соединены отверстия каналов в монолите, так что флюид из различных каналов, которые содержат один и тот же флюид, может протекать через отверстия в указанной пластине и поступать в зазоры повышенного давления. Это означает, что разделительные пластины в коллекторной головке герметично соединены с пластиной с отверстиями между рядами отверстий вместо непосредственного соединения со стенками каналов монолита, которые разделяют два флюида.
За счет герметичного соединения пластины с отверстиями с одной или двумя наружными поверхностями монолита, имеющими отверстия для флюида 1 и флюида 2, может быть использована описанная здесь ранее коллекторная головка, в которой каналы для флюида 1 и флюида 2 в монолите распределены в шахматном порядке. Это позволяет создать способ и устройство для ввода и вывода двух раздельных флюидов с максимальным использованием площади поверхности в монолите. Флюиды преобразуют из картины распределения в виде шахматной доски в монолите в ряды отверстий в пластине, герметично соединенной с монолитом. Более того, флюид 1 и флюид 2 пропускают через эти ряды отверстий в каналы монолита или из этих каналов для флюида 1 и флюида 2, распределенных в виде шахматной доски, где один флюид протекает через "черные" каналы, а другой флюид протекает через "белые" каналы. Пластина с отверстиями позволяет подавать флюид, распределенный в шахматном порядке, в зазоры повышенного давления, разделенные при помощи разделительных пластин, которые позволяют разделять флюид 1 и флюид 2 друг от друга. Отверстия пластины должны быть немного меньше площади отверстий каналов, с которыми они герметично соединены. Кроме уменьшенной площади отверстий в пластине по сравнению с площадью отверстий каналов, отверстия в пластине, которая герметично прилегает к структуре каналов монолита и к разделительным пластинам в коллекторной головке, также должны быть выполнены и расположены таким образом, что расстояние между отверстиями, связанными с каналами двух флюидов, позволяет размещать разделительные пластины между рядами отверстий с впусками и/или выпусками для одного и того же флюида. В случае квадратных отверстий каналов для двух флюидов, расположенных в виде шахматной доски, разделительные пластины между двумя флюидами будут идти по прямой линии между рядами отверстий для одного и того же флюида.
Теперь стало возможным выводить или вводить два флюида, распределенные в каналах в монолитной структуре, через отдельные зазоры повышенного давления, причем отверстия каналов распределены в виде шахматной доски. Для того чтобы сохранять разделение двух флюидов, когда они входят в зазоры повышенного давления в коллекторной головке или выходят из них, один флюид может быть подан в отверстия в зазорах повышенного давления на одной боковой кромке коллекторной головки, а другой может быть подан, соответственно, во все зазоры повышенного давления на противоположной боковой кромке коллекторной головки. Альтернативно, один из флюидов может быть подан через зазоры повышенного давления в трубчатое пространство в разделительных пластинах и затем подан по трубе или через круговое соединение или стык в соседнюю коллекторную головку монолитного комплекта. Такое соединение или стык между коллекторными головками позволяет создавать батареи из множества монолитных узлов или комплектов. Такая батарея вновь может быть соединена скобами с соседней батареей. Таким образом, монолитные узлы могут быть установлены на близком расстоянии друг от друга, что позволяет производить компактное соединение множества монолитных комплектов в монолитный блок или сердечник в сосуде высокого давления.
В такой системе, в которой имеется не только единственная пластина с отверстиями, которая позволяет пропускать флюид из каждого канала через отверстия в указанной пластине и выпускать его непосредственно в зазоры в коллекторной головке (в пространство между разделительными пластинами в коллекторной головке), но две или более пластин, расстояние между разделительными пластинами в коллекторной головке может быть сделано намного больше, чем отверстия каналов в монолите и, таким образом, без ограничений за счет площади поперечного сечения (ширины) каналов монолита.
Это осуществлено за счет подачи флюида из одного канала в поток от соседнего канала через каналы или воронки, созданные внутри системы пластин с отверстиями между монолитом и коллекторной головкой. При этом флюид из одного канала или более соседних каналов в монолите пропускают через выпуск стыка в зазоры повышенного давления в коллекторной головке. Эти впуски/выпуски стыка выполнены в системе таким образом, что выпуски для одного флюида соединяют вместе, при этом, соответственно, выпуски для другого флюида также соединяют вместе. Такое соединение выпусков для одного и того же флюида создает схему размещения, позволяющую устанавливать разделительные пластины в коллекторной головке на максимально большем расстоянии друг от друга, чем в случае, когда пластины герметично соединены непосредственно с коллекторной головкой, где ширина индивидуальных отверстий каналов в монолите определяет это расстояние.
Наибольший эффективный теплообмен на единицу объема монолитной структуры достигается при малых каналах и при распределении флюида в шахматном порядке. Это позволяет использовать практически 100% имеющейся площади поверхности в монолите. Чем меньше каналы, тем больше площадь поверхности на единицу объема (удельная площадь поверхности).
Однако малая ширина отверстий каналов также делает более сложным пропускание флюидов через коллекторную головку в каналы монолита и из них. Описанная выше система пластин с отверстиями упрощает подачу флюидов в малые каналы и вывод флюидов из них и позволяет сохранить распределение флюида в шахматном порядке.
Далее описана система подачи двух различных флюидов в монолитную структуру и вывод указанных флюидов из нее, без использования коллекторной головки. Эта система основана на использовании каналов для одного и того же флюида, расположенных рядами, имеющих общие стенки. Аналогично тому, что описано в патенте США 4271110, эти общие стенки могут иметь вырезы на определенную глубину монолита и затем могут быть герметизированы на концах, так что создаются отверстия в боковых стенках монолита, через которые один из флюидов может втекать или вытекать.
Однако в отличие от способа, описанного в патенте США 4271110, предложенная здесь система основана на использовании каналов, расположенных рядами, которые идут не только параллельно вдоль боковых стенок в одном направлении, но и в другом направлении (перпендикулярно друг другу). Это означает, что вырезы делают в этих пересекающихся рядах и после герметизации (как это обсуждается далее более подробно) получают отверстия во всех боковых стенках монолита, а не только в двух боковых стенках, как это было в случае рядов, идущих параллельно в одном направлении. Это обеспечивает намного большую гибкость ввода флюидов в монолит и вывода флюидов из него. Это позволяет создавать повторяющиеся кластеры 3×3 каналов, причем один флюид протекает через угловые каналы, а другой флюид протекает через два пересекающихся в центре ряда (через пересечение, крест). Аналогично, можно создавать повторяющиеся кластеры 4х4 каналов, в которых пересекающиеся в центре ряды образуют крест. Шесть других каналов размещают по одному в каждом углу (вершине креста), а два канала размещают на соответствующих внешних кромках на каждой боковой стороне у основания креста.
Настоящее изобретение позволяет, простым и эффективным образом, подавать два различных флюида в индивидуальные каналы в многоканальной монолитной структуре, распределять их в указанных каналах и выводить из указанной структуры. Это осуществлено за счет использования коллекторной головки, которая герметично прилегает к короткой лицевой стороне или к лицевым сторонам монолита, где имеются отверстия каналов. Предложенный способ основан на использовании системы в монолите, в которой отверстия каналов, через которые протекает один и тот же флюид, соединены в ряды, причем два флюида распределены равномерно. Ряды отверстий каналов для одного и того флюида соединены зазорами повышенного давления в коллекторной головке. Зазоры повышенного давления также могут иметь отверстия, так что два различных флюида могут быть выпущены на любой стороне коллекторной головки. Это означает, что можно пропускать отдельные потоки различных флюидов в индивидуальные каналы (и из них) в монолите через отдельный зазор повышенного давления (то есть через пространство, образованное между двумя разделительными пластинами). Таким образом, это означает, что нет необходимости в использовании труб для подачи двух флюидов в монолит или для отвода флюидов от него или в использовании вырезов или зазоров в самом монолите. Более того, можно соединять несколько монолитов в параллель, то есть бок о бок, и за счет этого получать флюиды из внешнего резервуара и/или направлять флюиды в него через каналы, образованные на наклонной стенке коллекторных головок. Зазоры повышенного давления могут быть также снабжены канавками, так что один из флюидов может быть введен или выведен на верхней части или же на одной или двух боковых сторонах коллекторной головки, в то время как другой флюид может быть введен или выведен через зазоры повышенного давления, через канавки в трубчатом пространстве в коллекторной головке. Это означает, что можно вводить отдельные потоки различных флюидов в индивидуальные каналы (и выводить из них) в монолите через отдельные зазоры повышенного давления (то есть через пространство, образованное между двумя разделительными пластинами), причем зазоры повышенного давления для одного из флюидов ведут в трубчатое пространство, соединенное с трубой или с круговым соединением.
Более того, настоящее изобретение позволяет, аналогично тому, что было описано здесь выше, с указанными коллекторными головками, вводить два флюида в каналы в шахматном порядке в многоканальном монолите, распределять и/или выводить два флюида из них, то есть пропускать один флюид через "черные" каналы, а другой флюид через "белые" каналы.
Если коллекторная головка соединена непосредственно с монолитом, то расстояние между разделительными пластинами в коллекторной головке монолита должно быть меньше ширины отверстий каналов в монолите. Таким образом, нижний предел расстояния между разделительными пластинами определяет, насколько малыми могут быть сделаны отверстия каналов в монолите. Система пластин с отверстиями между монолитом и коллекторной головкой позволяет пропускать флюиды через такие каналы в монолите, размер которых намного меньше расстояния между разделительными пластинами коллекторной головки. Кроме того, эта система пластин с отверстиями позволяет использовать каналы для флюида, которые распределены в шахматном порядке, при этом выпускные каналы для одного и того же флюида находятся в одном ряду.
Более того, система пластин с отверстиями между монолитом и коллекторной головкой позволяет иметь большее расстояние между разделительными пластинами, чем отверстия каналов в монолите.
Распределение отверстий каналов в шахматном порядке позволяет максимально использовать контактную поверхность между двумя флюидами в монолите. Пластина, которая закрывает все отверстия каналов, герметично прилегает к наружной поверхности монолита и к коллекторной головке. Эта пластина также имеет схему расположения отверстий, эквивалентную схеме расположения каналов в монолите. Схема расположения каналов в монолите и схема расположения отверстий в пластине адаптированы таким образом, что отверстия для одного и того же флюида могут образовывать ряды отверстий, поверх которых размещены зазоры повышенного давления.
В соответствии с настоящим изобретением не требуется производить обработку собственно монолита, если шероховатость наружной поверхности, где расположены выходы отверстий каналов монолита, позволяет герметично соединять пластину с отверстиями с наружной поверхностью монолита. Если это не так, то следует произвести обработку наружных поверхностей монолита, например шлифование, чтобы можно было герметично соединять пластину с отверстиями с наружной поверхностью монолита, где расположены выходы отверстий каналов.
Через ряды отверстий для одного флюида в пластине флюид вводят или выводят через зазоры повышенного давления, которые теперь образованы в коллекторной головке, и выводят или вводят через канавки в той же самой коллекторной головке. При этом другой флюид вводят или выводят через канавки на противоположной боковой стенке коллекторной головки или через трубчатое соединение. Таким образом, два флюида выводят из их соответствующих каналов в монолите таким образом, что эти два флюида могут относительно легко храниться отдельно.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на фиг.1-18.
На фиг.1 показаны два многоканальных монолита, оба с квадратными ячейками или отверстиями каналов. Монолит в левой части фиг.1 имеет стенки каналов, ориентированные параллельно стенкам монолита. Монолит в правой части фиг.1 имеет стенки каналов, ориентированные под углом 45 градусов к наружным стенкам монолита. Такие структуры монолитов, если они изготовлены из керамических материалов, обычно получают при помощи экструзии. На фиг.1 показаны виды в перспективе монолитов, с одной наружной поверхностью, где видны отверстия каналов, причем на фиг.1 в кружках показаны с увеличением детали каналов. Экструзионный инструмент определяет структуру канала монолита, площадь поперечного сечения и форму (канала). Могут быть получены каналы с различной геометрической формой. Например, все поперечные сечения каналов могут быть треугольными, квадратными или шестиугольными или их комбинациями. Каналы в монолите обычно являются параллельными и имеют одинаковую форму по всему продольному направлению монолита. Монолиты с квадратными отверстиями каналов, в которых стенки отверстий каналов идут параллельно боковым стенкам, применяют наиболее часто. Монолиты со стенками отверстий каналов, которые ориентированы под углом 45 градусов к внешним стенкам монолита, применяют реже. В соответствии с настоящим изобретением такая ориентация является предпочтительной, так как она упрощает схему расположения отверстий и уменьшает необходимое число пластин с отверстиями по сравнению с монолитом со стенками отверстий каналов, параллельными внешней стенке монолита.
На фиг.2 показана сборка (комплект, узел) монолита с пластинами с отверстиями и с коллекторной головкой. Типичный комплект монолита или узел монолита имеет две коллекторные головки на двух наружных поверхностях монолита, где находятся впускные и выпускные отверстия каналов. За счет пластин с отверстиями флюид, который втекает в систему, трансформируется от линейной схемы расположения в коллекторной головке в схему расположения в шахматном порядке в монолите, или наоборот. Коллекторная головка образована при помощи набора разделительных пластин (разделительная пластина (перегородка) А и разделительная пластина (перегородка) В и двух торцевых крышек (накладных пластин) типа "А" и типа "В". Как это показано на фиг.2, флюид 1 может входить и выходить через трубчатые отверстия внутри коллекторной головки. На фиг.2 трубчатые отверстия находятся в центральной части коллекторной головки, но в принципе они могут занимать любое положение в коллекторной головке. Также и форма коллекторной головки может варьировать, кроме наружной поверхности, которая стыкуется с пластинами конвертера или непосредственно с наружными поверхностями монолита, где имеются впускные и выпускные отверстия каналов. Трубчатые отверстия позволяют производить соединение с соседним комплектом монолита с аналогичной коллекторной головкой через трубное соединение или соединять коллекторную головку с коллекторной трубой нескольких комплектов монолита. Таким образом, флюид 1 может входить через замкнутую трубопроводную систему в несколько монолитов и выходить из них, в то время как другой флюид может входить или выходить через канавки в коллекторной головке. Такое решение является предпочтительным для системы, в которой комплекты монолита помещают внутри сосуда высокого давления (автоклава), так как только один из флюидов (здесь флюид 1) следует герметизировать, в то время как другой флюид (здесь флюид 2) может заполнять пустое пространство в сосуде высокого давления и протекать через проходы или каналы из впускных отверстий или в выпускные отверстия в оболочке сосуда.
Первая пластина с отверстиями герметично прилегает к наружным поверхностям монолита, где имеются впускные и выпускные отверстия каналов, причем пластина имеет отверстия, которые соответствуют числу отверстий каналов в монолите. Эти отверстия в пластине расположены над отверстиями каналов в монолите таким образом, что два флюида могут протекать из каналов в монолите в зазор между разделительными пластинами в коллекторной головке, и наоборот. Для обеспечения функционального назначения системы отверстия для одного флюида в пластине, герметично соединенной с монолитом (расположенные в шахматном порядке для максимального использования площади), должны быть соединены с набором связанных отверстий в комплекте соединенных пластин, который изменяет положение потока флюида таким образом, что один и тот же флюид протекает через линейную картину отверстий, которая сопряжена с отверстиями между разделительными пластинами для этого же флюида.
На фиг.3 показан вид спереди одного монолита с отверстиями каналов, вместе с пятью (различными) пластинами с отверстиями. Пластина 1 имеет такую схему расположения отверстий, что каждое отверстие занимает положение, которое соответствует положению одного отверстия канала в монолите. Таким образом, если установить пластину 1 поверх монолита в правильное положение, то каждое ее отверстие должно соответствовать отверстию канала в монолите. Пластина 1 может быть герметично соединена с монолитом в этом положении. Диаметр отверстий в пластине 1 преимущественно должен быть несколько меньше ширины отверстий каналов. Насколько меньше, это зависит от допусков и приемлемого падения давления. Под допусками здесь понимают отклонения размеров и формы, которые могут возникать при изготовлении. Для керамических материалов одной из причин отклонений является усадка, которая возникает при спекании материала. Меньшие отверстия позволяют допускать большие отклонения. С другой стороны, меньшие отверстия в пластине 1 будут создавать большее падение давления для флюида, протекающего через нее. Пластинами 2, 3 и 4 здесь названы средние пластины, которые имеют отверстия с продольными конфигурациями. Эти конфигурации позволяют флюидам изменять положение от картины потока (режима течения) в виде шахматной доски в монолите к линейной картине потока при протекании через отверстия в пластине 5. Штрих-пунктирные линии показывают положение разделительных пластин коллекторной головки. Система гидротрансформатора (конвертера), образованная при помощи отверстий в пластинах, может быть также получена с использованием меньшего числа пластин или даже с использованием одной пластины. Если эта система образована с использованием одной пластины, то необходимо применять технику изготовления, позволяющую делать малые каналы, направляющие (ведущие) впускной и выпускной флюид в правильное положение. При этом отверстия должны соответствовать монолиту или отверстиям, соответствующим положению между разделительными пластинами. Подходящей техникой изготовления является литьевое формование, однако с очень высокими требованиями, вызванными малыми допустимыми отклонениями из-за очень узких каналов с малыми расстояниями друг от друга. Предполагается, что если изготавливать, по меньшей мере, пластины 1 и 5 как индивидуальные пластины, то это обеспечивает лучший контроль, так как они могут быть непосредственно герметично соединены с монолитом и с разделительными пластинами.
На фиг.4.1 показан разрез коллекторной головки, где стрелками показаны направления потоков флюидов. Флюиды вводят в монолиты или выводят из них через канавки, что позволяет флюиду 1 входить из кругового отверстия ("туннеля") в замкнутое пространство (зазор) между разделительными пластинами, которые отделяют флюид 1 от флюида 2. Показанные разделительные пластины для флюида 2 не имеют отверстий в круговом пространстве, но имеют канавки в верхней части коллекторной головки, так что флюид 2 может протекать через эти канавки. Таким образом, флюид 1 и флюид 2 могут поступать из отдельных камер повышенного давления и втекать в отдельные камеры повышенного давления или зазоры между разделительными пластинами. Отверстия из кругового пространства для флюида 1 сделаны потому, что разделительная пластина или перегородка В имеет набор бобышек в непосредственной близости от кругового отверстия. Они повышают способность разделительных пластин выдерживать разности давлений, а также позволяют передавать осевое усилие к уплотнительному кольцу, если две или несколько коллекторных головок соединяют вместе.
На фиг.4.2 показана коллекторная головка той же системы, что и на фиг.4.1, но с двумя трубчатыми (круговыми) отверстиями внутри коллекторной головки. При таком построении оба флюида могут быть введены в монолит и выведены из него при помощи герметично замкнутой или герметизированной системы труб. В этом случае структуры монолита могут находиться в изолированном сосуде при атмосферных условиях, даже если оба флюида имеют повышенные давления. Недостатком такого построения является то, что перемещения, вызванные тепловыми расширениями, ограничиваются при помощи трубных соединений обоих флюидов.
На фиг.1-4 была показана индивидуальная система (для соединения) одного монолита с его коллекторной головкой.
На фиг.5 показана система для соединения двух или нескольких комплектов монолитов. При помощи уплотнительного кольца торцевая крышка (накладная пластина) типа "А" от одной коллекторной головки и торцевая крышка типа "В" от другой коллекторной головки могут быть соединены вместе и создано осевое усилие для соединения вместе двух комплектов монолитов (см. фиг.6). Такая система находит специальное применение в промышленных процессах, где часто требуется большое число монолитов.
На фиг.6 показан принцип соединения между двумя коллекторными головками, где можно видеть уплотнительное кольцо и два типа торцевых крышек, а именно, типа "А" и "В". Контактная поверхность между уплотнительным кольцом и торцевой крышкой "А" является плоской поверхностью, что позволяет производить перемещение по двум осям по этой поверхности. 2. Контактная поверхность между уплотнительным кольцом и торцевой крышкой "В" является частично сферической поверхностью, что позволяет производить вращение вокруг центра сферы. Обратите внимание на внешнее усилие, которое приложено к коллекторной головке. Это усилие необходимо для того, чтобы сделать систему газонепроницаемой, особенно если флюид 1 имеет более высокое давление, чем флюид 2. Если флюид 2 имеет достаточное избыточное давление по сравнению с флюидом 1, то внешнее усилие не является необходимым.
На фиг.6 в кружке показаны с увеличением уплотнительное кольцо и торцевые крышки двух различных типов (типа "А" и "В"), которые используют для соединения коллекторной головки одного комплекта монолита с коллекторной головкой другого соседнего комплекта монолита. При помощи такой системы можно соединять два различных монолита таким образом, что поддерживается герметичность и гибкость движения обоих флюидов. Кроме того, такая система соединения двух комплектов монолита является очень компактной. Для соединения требуется только расстояние, равное толщине уплотнительного кольца.
На фиг.7 показана поверхность сферического контакта между уплотнительным кольцом и торцевой крышкой "В". На фиг.7 показано, что поверхность контакта между уплотнительным кольцом и торцевой крышкой "В" является частью сферической поверхности, которая позволяет производить вращение вокруг центра сферы.
На фиг.8 показана сборка двух монолитов и коллекторной системы, подключенной к ним и соединяющей их друг с другом. В кружке (с увеличением) показаны детали соединений, описанные со ссылкой на фиг.5-7.
На фиг.9 показано альтернативное построение конвертера с использованием монолита со схемой расположения ячеек, ориентированных под углом 45 градусов к стенке монолита. Для такого монолита необходимо максимум 4 пластины с отверстиями, по сравнению с решением, показанным на фиг.3, где требуется 5 пластин. Кроме того, промежуток или расстояние между разделительными пластинами увеличены по сравнению со способом или системой, показанными на фиг.3, что дает такой же размер ячеек монолита. В нижней правой части на фиг.9 показана полость. Полостью называют то, что остается после удаления всего материала. Можно видеть полость "проточных каналов" внутри четырех пластин с отверстиями.
На фиг.10 показан индивидуальный комплект монолита, который содержит монолит, пластины конвертера и коллекторные головки. Показаны также соединительные пластины. Такие пластины используют только в том случае, когда комплект монолита содержит два или более индивидуальных монолитов. Это может быть в том случае, когда длина одного индивидуального монолита недостаточна или когда система содержит монолиты с различными функциональными возможностями или свойствами. Например, один монолит может быть теплообменником, а другой монолит может иметь мембранную структуру. Соединители могут быть образованы из ступенчатого материала, например, в случае различных коэффициентов теплового расширения монолитов, чтобы учитывать эти различные коэффициенты.
На фиг.11 показана батарея комплектов монолита, которая содержит индивидуальные комплекты монолита, соединенные вместе. Для построения такой линии (батареи) комплектов монолита может быть использована система соединения, показанная на фиг.8. При пропорциональном увеличении до промышленных размеров начинают с самого малого повторяющегося узла, которым для этой системы является индивидуальный комплект монолита, показанный на фиг.10. Следующим единичным компонентом будет сборка или линия (батарея) комплектов монолита, показанная на фиг.11.
В больших промышленных применениях, в которых необходимо использовать сотни монолитов, большое значение имеет возможность установки комплектов монолита возможно ближе друг к другу, чтобы получить компактную конструкцию реактора. На фиг.12 показаны система или способ, в соответствии с которыми батареи комплектов монолита, показанные на фиг.11, уложены стенка к стенке, с образованием большого "блока монолита". На фиг.12 показана батарея, которая содержит 10 комплектов монолита. Число комплектов монолита, которые следует иметь в одной батарее, зависит от множества факторов. Для максимального использования объема цилиндрического сосуда высокого давления высота комплекта и ширина монолитного блока должны быть выбраны соответствующим образом. Например, высота комплекта в батарее 150 см может быть получена из 10 монолитов, если ширина коллекторной головки и монолита равна 15 см. Емкость системы затем может быть увеличена без увеличения диаметра сосуда высокого давления, за счет простого увеличения длины и добавления дополнительных комплектов монолита.
На фиг.13 показано расположение монолитного блока в цилиндрическом сосуде высокого давления. Легко можно понять, что число батарей может быть увеличено или уменьшено без изменения диаметра сосуда высокого давления. Таким образом, система может быть легко подстроена в широком диапазоне функциональных возможностей за счет изменения числа батарей и выбора длины сосуда высокого давления. На фиг.13 показано, что флюид 1 находится в замкнутой системе за счет использования внутренних впускных и выпускных коллекторных труб. На фиг.13 показана противоточная система течения в монолитах, в которой флюид 1, входящий в верхнюю коллекторную головку комплектов монолита, течет вниз и выходит через нижнюю коллекторную головку. Флюид 2 входит в нижнюю коллекторную головку из проходов или из открытого пространства внутри реакторного сосуда и течет вверх в каналах монолита, вытекает из них и поступает в верхнюю коллекторную головку и втекает в верхнюю часть реактора, где выходит через канавки в коллекторных головках в верхней части реактора.
На фиг.14 показаны монолитные структуры внутри сосуда высокого давления или реакторного сосуда. В этой системе флюид 2 подают и выводят в одном и том же положении (месте) через стенку сосуда высокого давления. Эта система может быть использована, например, когда флюид 2 поступает от компрессора, а флюид 2' направляют к турбине. Флюидом 2 может быть воздух, а флюидом 2' может быть обедненный кислородом нагретый воздух. Монолитами могут быть керамические снабжающие кислородом мембраны, а флюидом 1 может быть пермеат, который получает кислород из воздуха. Во флюид 1 производят впрыск топлива и осуществляют процесс горения с поглощением кислорода и выработкой теплоты. В такой системе обедненный кислородом флюид 1 (после сгорания) может быть возвращен в монолиты, стенки которых образованы в виде переносящей кислород мембраны. Флюид 1 нагревается за счет сгорания, и теплота передается от флюида 1 содержащему кислород флюиду 2. При заданном уровне температуры мембрана в стенке монолита переносит кислород во флюид 1. Избыток массы, вызванный впрыском топлива и кислорода, может быть выведен в виде стравливаемого газа через монолит на левой стороне (фиг.14) коллекторной трубы. Монолит на левой стороне может быть затем использован как чистый теплообменник, нагревающий воздух и охлаждающий стравливаемый газ. Если флюид 1 содержит водяной пар и диоксид углерода, то такое конструктивное или системное решение может быть использовано для выработки электроэнергии за счет газа, с обработкой СО2. При этом может быть создана энергетическая установка с нулевым выбросом диоксида углерода, если CO2 направлять на постоянное хранение.
На фиг.15 показано поперечное сечение реактора, показанного на фиг.14. На фиг.15 показана технологическая схема, в которой направление потока показано стрелками. Можно видеть, что поступающий флюид 2 протекает через проходы вблизи от внутренней стенки в нижнюю часть реактора, где он входит в нижние коллекторные головки комплектов монолита. Флюид 1 течет в противотоке с флюидом 2 в циркуляционной петле. Для систем с нулевым выделением газа флюидом 2 является воздух и монолиты представляют собой керамические кислородные мембраны. Компонентом флюида 1 может быть водяной пар и диоксид углерода, причем флюид 1 получает затем кислород из воздуха. Затем в него добавляют топливо для горения, такое как природный газ, и флюид 1 может быть возвращен в монолиты, чтобы получать кислород (поток приводит в движение разность парциального давления кислорода) и нагревать флюид 2 и флюид 2', выходящий к турбине электростанции. Для обеспечения баланса массы флюида 1 в циркуляционной петле производят стравливание. Таким образом, левый на фиг.15 комплект монолита функционирует в качестве простого теплообменника. Впрыск топлива может быть выполнен при помощи топливного эжектора, чтобы обеспечить циркуляцию флюида 1.
На фиг.16 показана концепция реактора для комбинированного производства кислорода и электрической энергии, в котором монолиты выполнены в виде транспортирующих кислород мембран. Это служит иллюстрацией гибкости настоящего изобретения, которое может быть использовано в различных системах обработки.
Необходимы всего лишь незначительные модификации концепции реактора, показанного на фиг.14 и 15, чтобы его можно было использовать для комбинированного производства кислорода и электроэнергии. Флюидом 2 может быть сжатый воздух, который нагревают на дне реактора при помощи газовых горелок. Таким образом, используют часть содержащегося в воздухе кислорода для нагревания воздуха до температуры, желательной для керамических транспортирующих кислород мембран. Флюид 1 должен иметь более низкое парциальное давление кислорода, чем флюид 2. Более низкое парциальное давление кислорода гарантирует, что кислород будет транспортироваться от флюида 2 к флюиду 1 через мембрану. Можно также использовать вакуум вместо флюида 1, чтобы выталкивать кислород на стороне пермеата мембраны. Это позволяет непосредственно получать чистый кислород, который может быть сжат до давления транспортирования или хранения.
Для обеспечения максимальной выработки электроэнергии кислород, остающийся во флюиде 2 на выпуске мембран, может быть использован для повышения температуры поступающего в турбину воздуха за счет использования газовых горелок, установленных в выпускном трубопроводе, как это показано на фиг.16. Флюидом 1 в принципе может быть любой флюид (и даже воздух при более низких давлениях, чем во флюиде 2, для обеспечения положительной разности парциального давления кислорода), способный транспортировать кислород из мембраны и подходящий для проводимого ниже по течению разделения от кислорода или для прямых применений.
На фиг.17 показана система, которая содержит сборку монолита, пластин с отверстиями и коллекторной головки. В показанной коллекторной головке выпуск (в этом случае для флюида 2) имеет более короткую протяженность и более прямое направление, чем в коллекторной головке, показанной на фиг.2. Разделительные пластины имеют направляющие ребра для флюида 2, которые также служат для механической опоры. Ребра имеют определенную форму, чтобы предотвращать блокирование отверстий и снижать до минимума сопротивление потока для флюида 2. Флюид 1 имеет круговой впуск в коллекторную головку и открытые канавки, где флюид 1 может проходить через пластины с отверстиями и входить в каналы монолита. Отсутствуют ребра или бобышки на стороне флюида 1 разделительной пластины. В показанной на фиг.9 системе используют четыре индивидуальных пластины для перемещения флюидов по сравнению всего только с двумя в системе, показанной на фиг.17. Две пластины в системе фиг.17 обеспечивают такие же функциональные возможности, что и четыре пластины в системе фиг.9. Пластина 1 соответствует пластине 1 фиг.9, а пластина 2 соответствует пластинам 2-4 фиг.9.
На фиг.18 показано детально пространство внутри пластины 2 и пластины 1. Толщина пластины 2 зависит от угла наклона воронки, ведущей в отверстия для флюида 1 и флюида 2 в пластине 1, а также от числа отверстий, ведущих из пластины 1 в каждую собирающую воронку. Как это показано в левой части на фиг.18 в кружке, воронка для флюида 2 производит его сбор из четырех отверстий пластин 1 и, следовательно, из четырех каналов монолита. Как это показано в правой части на фиг.18 в кружке, воронки для флюида 1 производят сбор или распределение для пяти отверстий в пластине 1. За счет симметричного построения можно иметь равное число отверстий для каждой воронки. Тогда каждое пятое отверстие будет распределено по двум воронкам. На фиг.18 показан только принцип построения пластины 2. Следует иметь в виду, что свободно могут быть выбраны любые виды комбинаций между числом отверстий, от которых воронка производит сбор или в которые она производит распределение. Выбранная комбинация зависит от набора параметров, в том числе от падения давления, числа разделительных пластин и расстояния между ними.
Настоящее изобретение позволяет производить улучшение и упрощение работы устройства для массо- и/или теплообмена (разделения) за счет использования компактной монолитной структуры (то есть большой площади поверхности на единицу объема устройства с малыми каналами), низкого сопротивления потока для газов и нагревостойкого керамического материала, который может быть покрыт катализатором. Усовершенствования связаны с использованием монолитов для массо- и/или теплообмена между двумя различными флюидами и с возможностью работы устройства в монолитной структуре, где протекает химическая реакция. Такая комбинация массо- и/или теплообмена и химической реакции в монолитах (при работе устройства) позволяет получать компактные решения, в которых операции транспортирования и разделения упрощены. Одним из применений такого устройства является комбинация эндотермических и экзотермических реакций, например реформинг метана с водяным паром в случае природного газа или других потоков, содержащих углеводороды, в синтез-газ (водород и оксид углерода), при протекании эндотермического реформинга метана с водяным паром в покрытых катализатором каналах и экзотермического горения в смежных каналах. Такие монолитные структуры позволяют создавать весьма компактные установки для реформинга и могут, например, быть использованы для небольшого производства водорода. Однако синтез-газ может быть также дополнительно переработан в различные другие продукты, такие как, например, метанол, аммиак, а также синтетический бензин и дизельное топливо.
Более высокие рабочие температуры, при которых не могут быть использованы металлы (800-900°С и выше), являются благоприятными с точки зрения равновесия или термодинамики для различных химических процессов. Использование в таких процессах керамических монолитов, которые могут быть покрыты катализатором и выдерживают воздействие высоких температур, является весьма выгодным. При этом процесс горения или обработки горячего газа может быть непосредственно объединен с процессом химической реакции.
Монолитные структуры могут быть также использованы на энергетическом рынке (при производстве электроэнергии), например, для каталитического сжигания природного газа. За счет использования настоящего изобретения можно производить управление диапазоном температур процесса горения, что приводит к снижению выбросов в атмосферу окиси азота (NOx). Следует иметь в виду, что горение или окисление в воздухе или в другой атмосфере, в которой присутствует кислород и азот, всегда приводит к образованию NOx. Этот вредный для окружающей среды газ главным образом образуется в зонах высокой температуры факела горения. За счет использования настоящего изобретения с распределением газового потока в монолите в шахматном порядке каталитическое горение смеси топлива и воздуха будет производить теплоту в "черных" каналах и пассивный охладитель (то есть воздух) в "белых" каналах или активный охладитель, осуществляющий эндотермическую реакцию (то есть реформинг метана с водяным паром) в "белых" каналах. Такая система предотвращает появление пиковых температур и, следовательно, снижает производство NOx. Более того, за счет использования такой системы появляется возможность перемешивания охладителя и рабочего газа в монолите ниже по течению, при наличии коллектора только на впуске (при параллельном потоке), в результате чего получают весьма эффективное перемешивание на выпуске за счет расположения в шахматном порядке небольших каналов в монолите.
Описанная выше система, предотвращающая образование NOx, может быть также использована для предотвращения/снижения нежелательных выбросов других веществ. Таким образом, настоящее изобретение позволяет комбинировать горение (производство теплоты) и теплообмен непосредственно в монолитных структурах через тонкую контактную стенку между двумя флюидами.
1. Способ ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре, их распределения и вывода, причем отверстия каналов рассеяны по всей площади поперечного сечения указанной структуры и указанные каналы имеют общие стенки, отличающийся тем, что один флюид подают через канавку в одном или более зазорах в коллекторной головке, которая герметично прилегает к одной наружной поверхности монолитной структуры, другой флюид подают в туннель в коллекторной головке и затем направляют через канавки в стенке туннеля и вводят в один или более зазоров в коллекторной головке, указанные флюиды распределяют из их соответствующих зазоров в каналы таким образом, что, по меньшей мере, одна стенка канала является общей для указанных флюидов, указанные флюиды собирают в их соответствующих зазорах в коллекторной головке, которая герметично установлена на противоположной стороне указанной структуры, где герметично установлена первая коллекторная головка, флюиды затем соответственно направляют через канавку от одного или более зазоров и канавок в стенке туннеля в упомянутой последней коллекторной головке.
2. Способ ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре, их распределения и вывода, причем отверстия каналов рассеяны по всей площади поперечного сечения указанной структуры и указанные каналы имеют общие стенки, отличающийся тем, что один флюид подают в первый туннель в коллекторной головке и направляют через канавки в стенке первого туннеля и затем в один или более зазоров в коллекторной головке, другой флюид подают во второй туннель в коллекторной головке и направляют через канавки в стенке второго туннеля и затем в один или более других зазоров в коллекторной головке, указанные флюиды распределяют из их соответствующих зазоров в каналы таким образом, что, по меньшей мере, одна стенка канала является общей для указанных флюидов, флюиды собирают в их соответствующих зазорах в коллекторной головке, причем флюиды затем выводят из их соответствующих канавок в стенках туннелей.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что флюиды вводят и выводят через одну и ту же коллекторную головку.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что флюиды распределяют в каналах таким образом, что если один флюид втекает в один канал, то другой флюид втекает во все смежные каналы.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что флюиды распределяют в каналах таким образом, что если один флюид втекает в один канал, то другой флюид втекает во все смежные каналы.
6. Способ по п.4, отличающийся тем, что флюиды из зазоров распределяют в каналах, как на шахматной доске, где один флюид течет в "черных" каналах, а другой флюид течет в "белых" каналах.
7. Коллекторная головка для ввода двух флюидов в каналы в многоканальной монолитной структуре, их распределения и вывода, причем отверстия каналов рассеяны по всей площади поперечного сечения указанной структуры, и каналы имеют общие стенки, отличающаяся тем, что коллекторная головка содержит, по меньшей мере, три параллельных разделительных пластины, соединенных вместе при помощи прокладок, с образованием зазоров с канавками между пластинами, и торцевые накладные пластины, присоединенные в параллель к разделительным пластинам, причем разделительные пластины и накладные пластины имеют одно отверстие, образующее туннель с канавками, проходящий через соединенные пластины.
8. Коллекторная головка по п.7, отличающаяся тем, что разделительные пластины и накладные пластины имеют, по меньшей мере, одно отверстие, образующее трубчатое пространство (туннель) через соединенные пластины, причем стенка туннеля имеет канавки, сообщающиеся с зазорами.
9. Узел, отличающийся тем, что многоканальный узел содержит монолитную структуру, в которой отверстия каналов распределены по всей площади поперечного сечения указанной структуры, и каналы имеют общие стенки, и коллекторную головку по п.7 или 8, которая герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности указанной структуры.
10. Узел, отличающийся тем, что указанный узел содержит многоканальную монолитную структуру, в которой отверстия каналов распределены по всей площади поперечного сечения указанной структуры, и каналы имеют общие стенки, коллекторную головку по п.7 или 8, которая герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности указанной структуры, и, по меньшей мере, одну пластину с отверстиями, которая герметично установлена между коллекторной головкой и указанной структурой на наружной поверхности, где имеются отверстия каналов.
11. Узел по п.10, отличающийся тем, что указанные отверстия устроены таким образом, что два флюида могут протекать из каналов монолита в зазоры и наоборот.
12. Узел по п.9 или 10, отличающийся тем, что одна или более стенок каналов покрыты одним или более каталитически активными компонентами.
13. Узел по п.9 или 10, отличающийся тем, что отверстия каналов равномерно распределены по всей площади поперечного сечения монолитной структуры в шахматном порядке.
14. Узел по п.9 или 10, отличающийся тем, что указанная структура имеет стенки каналов, ориентированные под углом 45° к наружным стенкам структуры.
15. Узел по п.9 или 10, отличающийся тем, что разделительные пластины герметично соединены с пластиной с отверстиями.
16. Узел по п.9 или 10, отличающийся тем, что разделительные пластины герметично соединены непосредственно со стенками каналов монолита.
17. Узел по п.9 или 10, отличающийся тем, что коллекторная головка герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности структуры монолита, где имеются отверстия каналов.
18. Комплект, отличающийся тем, что он содержит две или более многоканальных монолитных структур, в которых отверстия каналов распределены по всей площади поперечного сечения указанных структур, и каналы имеют общие стенки, по меньшей мере, одну коллекторную головку по п.7 или 8, которая герметично прилегает, по меньшей мере, к одной наружной поверхности указанной структуры, по меньшей мере, одну пластину с отверстиями, которая герметично установлена между коллекторной головкой и указанной структурой на наружной поверхности, где имеются отверстия каналов, и, по меньшей мере, одну соединительную пластину или другое средство соединения между узлами.
19. Батарея узлов или комплектов, отличающаяся тем, что батарея содержит узлы по пп.9-17 или комплекты по п.18, соединенные вместе.
20. Батарея узлов или комплектов, отличающаяся тем, что указанная батарея содержит узлы по пп.9-17 или комплекты по п.18, в которой уплотнительное кольцо и два различных типа (тип А и тип В) торцевых накладных пластин используют для соединения коллекторной головки одного узла или комплекта с коллекторной головкой другого соседнего узла или комплекта.
21. Блок, отличающийся тем, что указанный блок содержит батареи узлов или комплектов по п.19 или 20, которые соединены скобами лицом к лицу.
22. Реактор для массо- и/или теплообмена между двумя флюидами, отличающийся тем, что один или более узлов по пп.9-17, или комплектов по п.18, или батарей узлов, или комплектов по п.19, или блоков по п.21 объединены вместе в указанном реакторе.
23. Способ массо- и/или теплообмена между двумя флюидами, отличающийся тем, что указанные два флюида распределяют через один или более узлов по п.9-17, или комплектов по п.18, или батарей узлов, или комплектов по п.19, или блоков по п.21.
