三維成型件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種流體可沿至少一個流動方向流動通過的成型件。此外，本發(fā)明涉及一種這樣的成型件的制造方法，以及所述成型件的用途。具體地說，本發(fā)明涉及一種成型件及其制造方法，以及根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分所述的成型件的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]各種類型的流體流在眾多化學(xué)工程處理中發(fā)揮重要作用。例如，流動的流體本身可以是處理中所處理的介質(zhì)，或流體用于保持所處理的介質(zhì)的溫度，或者用于輸送例如所處理的介質(zhì)。在流動介質(zhì)中可發(fā)生反應(yīng)。例如，在介質(zhì)中可以發(fā)生或造成相變。液滴可以分裂或合并入多相流體中。流體可以混合或分離。固體可以沉淀等。
[0003]這些流體處理的共同特點(diǎn)在于，工廠必須在流量控制方面進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到良好程度的處理效率。這里，根據(jù)應(yīng)用，已證明各種概念是有效的。
[0004]自20世紀(jì)70年代初起，對于由流體主導(dǎo)的各種主要連續(xù)處理，在化學(xué)工程中已采用靜態(tài)混合器。這里，對于在較低至中等雷諾茲數(shù)范圍中的應(yīng)用，具有以交錯的方式形成的板條的混合器類型(CH642564)是特別成功的。在實(shí)踐中用作安裝在管道中的混合元件。這里，直徑為幾毫米至幾百毫米并具有穿過管直徑的4至8個板條的產(chǎn)品是市售可得的。所述靜態(tài)混合器的區(qū)別在于，甚至在多種形式的混合任務(wù)的情況下、甚至在待混合的流體的粘度是非常多變的情況下、或者在很慢的蠕動流體的情況下，它也可以可靠地發(fā)揮作用。而且，該混合器也可以用于分散兩種不互溶的液體或液體中的氣體。此外，通過在管道中采用該類型的混合元件，可以提高管與流動介質(zhì)之間的熱傳遞。由于尤其在用于高粘性介質(zhì)的熱交換器中采用該類型的混合元件，該效果是在層流雷諾茲數(shù)的范圍內(nèi)特別開發(fā)的。另一應(yīng)用領(lǐng)域是具有平行運(yùn)行的競爭反應(yīng)的化學(xué)處理，在所述化學(xué)處理中，在流動穿過管狀反應(yīng)器的流體中實(shí)現(xiàn)盡可能緊湊的停留時間譜。這里，停留時間譜可以通過在管道中安裝靜態(tài)混合元件得以大幅改進(jìn)。
[0005]微混合器和微反應(yīng)器已被開發(fā)以及也在實(shí)踐中應(yīng)用了多年。微混合器和微反應(yīng)器應(yīng)理解為具有尺寸小于I毫米的管道和混合結(jié)構(gòu)的靜態(tài)混合器。存在非常多的不同微混合器和微反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)通常已適于用于該類型的小結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)技術(shù)?；谄湫〉某叽?，其特征在于非常高的表面-體積比以及由此允許良好的溫度控制。此外，使用非常小的混合器和混合管道，也可實(shí)現(xiàn)非常短的混合時間。微反應(yīng)器和微混合器尤其具有如下優(yōu)點(diǎn)，必須處理非常小的生產(chǎn)批量、必須以有效的方式耗散非常多的反應(yīng)熱量、或處理非常危險(xiǎn)的材料，因此小尺寸和所伴隨的在反應(yīng)器中的小生產(chǎn)量代表安全的特征。然而，將實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的規(guī)模擴(kuò)大到中試工廠或甚至工業(yè)生產(chǎn)工廠在實(shí)踐中表現(xiàn)出問題。
[0006]在通過多相催化作用進(jìn)行反應(yīng)的工業(yè)反應(yīng)器中，通常采用不同散堆填料的散堆料床。散堆填料的示例為由金屬或其它材料制成的擠出的團(tuán)?；虿欢ㄐ尾考?。這里，這些團(tuán)粒要么直接由基本物質(zhì)構(gòu)成，所述基本物質(zhì)包含所需量的所設(shè)計(jì)的反應(yīng)所需的催化劑，要么它們通過各種方法與包含所需催化劑的層密切接觸。通過散堆填料的尺寸及其形狀，可以同時影響流動穿過反應(yīng)器的流體的流動阻力以及對流交換和混合。在管狀反應(yīng)器中采用該類型的散堆填料也導(dǎo)致緊湊的停留時間譜，這在某些反應(yīng)的情況下是優(yōu)點(diǎn)。由于散堆填料的疏松填料，熱傳遞受限于熱傳導(dǎo)，這是在實(shí)踐中的熱傳遞主要是分別通過在反應(yīng)器中的流體的對流交換或混合來確定的原因。該類型的系統(tǒng)在實(shí)踐中被成功地用于大型工業(yè)反應(yīng)器。大型工業(yè)反應(yīng)器的構(gòu)思通常受限于在反應(yīng)器中的散熱和混合。在某些情況下在該類型的反應(yīng)中的壓力損失是非常高的，使得泵的性能導(dǎo)致處理成本的相關(guān)比例。
[0007]自20世紀(jì)90年代以來，已經(jīng)開發(fā)出了各種由諸如金屬、金屬合金或陶瓷等等的各種材料制造泡沫結(jié)構(gòu)的方法。一方面，在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是金屬泡沫的應(yīng)用領(lǐng)域?；趭A層結(jié)構(gòu)中采用的金屬泡沫，可以在低重量情況下實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、剛性以及在碰撞的情況下通過變形吸收能量的勢能。其它重要的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)于現(xiàn)代電池和燃料電池。另一方面，具有特定性能的流體通過系統(tǒng)可通過開孔泡沫來生產(chǎn)。取決于孔尺寸以及死體積的比例，泡沫具有非常良好的熱傳導(dǎo)性能。以這種方式，可以實(shí)現(xiàn)熱交換以及具有高的冷卻或加熱性能的反應(yīng)器。然而，金屬泡沫的熱導(dǎo)率也取決于板條的結(jié)構(gòu)。一些開孔金屬泡沫的制造方法制造具有中空板條的泡沫，其中所述板條僅由薄殼構(gòu)成。與具有連續(xù)金屬板條的結(jié)構(gòu)相比，這降低了熱導(dǎo)率。在散堆填料和也采用靜態(tài)混合器的情況下，停留時間譜在填充有金屬泡沫的管狀反應(yīng)器中變得相當(dāng)更緊湊，這在某些反應(yīng)的情況下是優(yōu)勢(us 2012/0080113A1)。然而，在金屬泡沫中橫向于主流體的對流流體交換也不是非常良好的，并在更小的孔徑的情況下在相同的流體中變得更差。此外，基于金屬泡沫中的孔的隨機(jī)布置，不能排除的是在泡沫的內(nèi)部存在局部死區(qū)，或個別孔的尺寸顯著偏離平均值。
[0008]綜上所述，因此，液體或氣體介質(zhì)或具有液體、氣體和固體組分的多相流體在不同的化學(xué)工程處理中連續(xù)地進(jìn)行處理，因?yàn)閷⑶罢哂帽幂斔屯ㄟ^管式反應(yīng)器或具有成型件的管線。可以通過巧妙地選擇成型件的幾何形狀來保證以特別有效的方式發(fā)生這些化學(xué)工程處理。這里，重要的是，成型件可以同等地構(gòu)思和用于在實(shí)驗(yàn)室和中試工廠中的非常小的生產(chǎn)批量，以及用于大型工業(yè)生產(chǎn)工廠，并且可以以簡單的方式經(jīng)由中試工廠將實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模擴(kuò)大到大規(guī)模的工業(yè)工廠。當(dāng)然，同時也決定了該類型的成型件可以通過高效的生產(chǎn)方法經(jīng)濟(jì)地制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于，實(shí)現(xiàn)與開頭所述的技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)的成型件，其可以以高成本效益的方式來制造，并且可以以多種方式使用，所述成型件是特別高效的。具體來說，提供一種高成本效益的且高效的制造根據(jù)本發(fā)明的成型件的方法。此外，提供一種根據(jù)本發(fā)明的成型件的特別高效的用途。
[0010]通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分實(shí)現(xiàn)所述目的。
[0011]本發(fā)明的一個方面涉及一種流體可沿至少一個流動方向流動通過的成型件。成型件包括多個相互平行的連續(xù)層。每一層包括空隙和面向后面或前面的層的至少一個結(jié)合區(qū)域。一個層的每個空隙與后面或前面的層的空隙的至少一個區(qū)域重疊。因此，各層共同形成在成型件中的階梯狀板條。成型件包括至少兩個這樣的板條。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的成型件可以以特別有效的方式進(jìn)行例如由流體主導(dǎo)的化學(xué)工程處理?；谄鋬?nèi)部幾何形狀，所述成型件可以包括待處理的流體流動通過的連接孔系統(tǒng)。以這種方式，可以有效地避免流體被截留在其中的死區(qū)。使用根據(jù)本發(fā)明的成型件，在流動通過內(nèi)部期間、甚至在流動管道的尺寸非常小的情況下，可以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)的大規(guī)模的橫向混合。根據(jù)本發(fā)明的成型件的幾何形狀使得可以實(shí)現(xiàn)大的表面-體積比，例如對于熱傳輸或?qū)τ诶缬糜诙嘞啻呋饔玫耐扛蚕到y(tǒng)，這是另一優(yōu)點(diǎn)。
[0013]通過根據(jù)本發(fā)明的階梯狀板條，可以實(shí)現(xiàn)板條和流經(jīng)其的流體之間的高的熱傳遞，以及根據(jù)所使用的材料，也可以實(shí)現(xiàn)成型件內(nèi)部中的高的熱傳導(dǎo)。基于板條的階梯狀，也增加了板條的特定表面，其對于熱傳遞以及對于多相催化反應(yīng)可以是優(yōu)點(diǎn)。此外，階梯狀板條的特別構(gòu)思的形狀可以產(chǎn)生流體的橫向于主流體的加強(qiáng)的混合。在非常小的局部雷諾茲數(shù)的情況下也可以發(fā)生該混合，在其中，例如，基于隨機(jī)孔系統(tǒng)、像開孔金屬泡沫中存在的那些隨機(jī)孔系統(tǒng)，流體僅表現(xiàn)出非常有限的橫向于主流體的混合行為。
[0014]當(dāng)層之間存在至少物理接觸時，存在本發(fā)明的意義上的結(jié)合區(qū)域。該接觸的范圍可以從僅在邊緣側(cè)接觸直到在材料上重疊。然而，結(jié)合區(qū)域、或表面積重疊的比例分別優(yōu)選為相互面向的層表面的5 %至95 %、特別是5 %至50 %。以相同的方式，空隙可視為層的一種類型的“陰像”，其中在不同情況下后面的層的空隙與前面的空隙重疊至與相應(yīng)層共享面向后面的層的一側(cè)上的結(jié)合區(qū)域相同的程度。
[0015]所述至少一個流動方向可以是通過成型件的所有流體的總和，也就是說，成型件可以設(shè)計(jì)成使得其包括至少一個入口開口和至少一個出口開口。在這種情況下，穿過成型件的流動方向?qū)⑹菑闹辽僖粋€入口開口到至少一個出口開口的軸線中的矢量。其間，成型件可以包括流動方向的任意量的偏斜，這些偏斜特別是由板條的設(shè)計(jì)引起的。結(jié)合區(qū)域在材料上是一體的。
[0016]本發(fā)明的意義上的成型件的層應(yīng)理解為是以相同的平面坐標(biāo)穿過所述成型件的一組主體。層可包含一系列的排。在該上下文中，連續(xù)的層也應(yīng)理解為與所述平面坐標(biāo)物理接觸并與之平行的層。
[0017]本發(fā)明的意義上的流體可以設(shè)想是具有流體特性的任何物質(zhì)或物質(zhì)的混合物，也就是說其不抗任何特別是任意慢剪。在這個意義上，具體來說，術(shù)語流體包括可顯示流動特性的氣體、流體、以及固體或其混合物。
[0018]在本申請的意義上的多個是指至少兩個的數(shù)目。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的成型件的層可以具有取決于所需的應(yīng)用的層厚度。以示意性的方式，層厚度的范圍可以是從20-30微米到高達(dá)10毫米。100至900微米的層厚度是特別優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明的成型件的外部尺寸可以是I毫米至2000毫米，特別是4至500毫米，特別是100至300毫米，特別是約50毫米，同樣取決于應(yīng)用。
[0020]在具體實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的成型件可以設(shè)計(jì)成使得其可以以最小量的不同的連續(xù)的二維結(jié)構(gòu)、即層一一具有上述功能特性的三維結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的成型件可沿三個軸——X軸、Y軸和Z軸延伸。這些坐標(biāo)軸中的一個可以對應(yīng)于通過成型件的流動方向的和。在一個具體實(shí)施例中，在由兩個坐標(biāo)軸形成的平面坐標(biāo)中、例如X軸和Y軸以及Z軸中的整個坐標(biāo)的一小部分，形成各個層。Z軸中的整個坐標(biāo)的該一小部分隨后形成層的厚度。
[0022]