增强型微通道或中通道装置及其增材制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种化学处理器，化学处理器被构造来减轻质量、与太阳能聚集器结合工作和/或将多孔插入物容纳在通过增材制造制成的微通道或中通道装置中。还公开通过增材制造来制作包含多孔插入物的化学处理器的方法。作包含多孔插入物的化学处理器的方法。作包含多孔插入物的化学处理器的方法。

【技术实现步骤摘要】
增强型微通道或中通道装置及其增材制造方法
[0001]本申请是中国申请号为201980041007.9、专利技术名称为“增强型微通道或中通道装置及其增材制造方法”的专利技术专利申请(该申请号为201980041007.9的专利技术专利申请为国际专利申请PCT/US2019/038584进入中国国家阶段的申请)的分案申请。
[0002]政府支持的确认
[0003]本专利技术是在以下政府支持下完成的：由美国能源部授予的合同DE
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AC0576RL01830；以及思达科技公司、南加州煤气公司、俄勒冈州立大学与由美国能源部运作的西北太平洋国家实验室之间的合作研发协议(CRADA 387号)。政府享有本专利技术的某些权利。
[0004]相关申请
[0005]本申请要求2018年6月21日提交的美国临时专利申请62/688,217的优先权。


[0006]在其更广泛的方面，本公开涉及增强型化学处理器(优选地微通道或中通道(mesochannel)装置)及其增材制造方法。在更特别的方面，本专利技术涉及与太阳能聚集器相关联的化学处理器。
[0007]引言
[0008]增材制造(AM)是一种通过将粉末材料局部固结成固体来
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装置的新兴方法。尽管受某种工艺约束，但是设计所述装置的结构的灵活性为构建复杂结构提供了新工具。AM最初被开发用于塑料，但是转变成用于金属，并且可被
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的金属的列表继续增长并且当前包括高温合金，所述高温合金包括Inconel和Haynes合金。金属的增材制造称作SLM——选择性激光熔化——或DMLS——直接金属激光烧结。本专利技术聚焦于一种类型的装置，即化学反应器，并且更具体地是位于通过吸热化学反应将太阳能热转化为化学能的太阳能聚集器的焦点处的化学反应器。特定的令人感兴趣的化学反应是蒸汽甲烷重整，其使水H2O和甲烷CH4反应以制成氢气H2、一氧化碳CO和二氧化碳CO2。替代的吸热反应包括逆水煤气变换反应(将H2和CO2转换成H2O和CO)以及烷烃的裂解(脱氢)。
[0009]也可使用AM来制造用于放热反应的反应器，用于诸如水煤气变换反应、来自H2和N2的氨合成、萨巴捷过程反应、甲醇合成和燃烧反应的反应，因为AM可混合适应吸热反应和放热反应两者的反应器主体。
[0010]AM与大多数常规制造工艺之间的关键差别是材料利用率，这在
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方法与
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方法之间存在很大差异。在后者中，固体材料件被机加工以去除材料，从而产生最终零件的结构。诸如铣削或光化学机加工的方法浪费相当一部分起始材料，这与可具有高的材料利用率的挤出拉伸(extrusion drawing)、冲压和压印(coining)方法截然相反。用于AM零件的材料成本与零件的总质量成正比。
[0011]图1示出使用常规的
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机加工与DMLS对每年1000单位下的TRL 6Haynes 230STARS反应器进行设计的制造成本估算之间的比较。这些成本来源于尚未完全验证的自下而上模型，并且随着成本构成变化而及时演变，所以与其说它们是事实，不如说其更具指
导性。尽管每磅DMLS粉末的价格较高，但是DMLS的较低成本较大地由较低的材料成本驱动。高温合金的常规机加工成本也很高。图1示出主题专利技术降低DMLS化学反应器的成本的动机。要解决的第一成本动因是反应器的质量。减轻反应器的质量具有降低粉末成本(材料成本)并且缩短构建时间的双重益处，这增加生产量并且降低每零件加工成本(DMLS机器的摊销的资本成本)。在图1中，材料成本和工具成本一起占制造DMLS成本的63％。
[0012]第二成本动因是与将催化剂结构插入到反应器中相关联的零件和组装步骤的数量。我们之前的反应器设计之一由3块板组成，在将催化剂泡沫结构插入到通道中之后，所述3块板在高温扩散钎焊步骤中单独机加工并且组装在一起。图1中的激光切割和扩散钎焊步骤占制造成本的28％。本专利技术包括用于减少制造步骤的数量、减少零件的数量和/或简化组装过程的方法。
[0013]新的反应器设计存在与性能和寿命相关的其他潜在益处。所述反应器的外壁必须足够厚以支撑内部压力，并且对于相同的热通量，更厚的壁跨壁需要具有更大的温差。对于通过反应器的壁接收热量(诸如来自太阳能聚集器的热量)的吸热反应，较大的温差意指较低的催化剂床温度，以便保持反应器表面温度低于反应器冶金极限。对于诸如蒸汽甲烷重整的吸热反应，较高的反应温度导致较高的平衡转化以及较快的动力学。使反应器壁变薄不仅节省构造材料和使用DMLS的构建时间，还允许催化剂更热，因此催化剂更具活性从而节省催化剂成本并且减小反应器大小。由于温差和结构刚度两者的增加导致较高的热应力，较厚的壁也不利于反应器寿命。此外，DMLS允许在设计能够更好地适应热膨胀的3D结构中的更多灵活性，从而减少内部应力和低周疲劳失效，所述低周疲劳失效与在太阳运行期间结构的每天或更频繁的加热和冷却周期相关联。

技术实现思路

[0014]在第一方面，本专利技术提供了一种太阳能供电设备，其包括：太阳能聚集器，所述太阳能聚集器具有凹形形状；以及圆顶形化学处理器，所述圆顶形化学处理器适于进行单元操作，所述圆顶形化学处理器相对于所述太阳能聚集器设置成使得所述圆顶形化学处理器的凸面面向所述太阳能聚集器的凹面；并且其中所述化学处理器的所述凸面包括一个或多个管，所述一个或多个管用于将流体传递到圆顶的中心区域或从所述圆顶的中心区域传递到所述圆顶的外周区域。在一些优选实施方案中，所述设备可包括以下特征中的一个或任何组合：其中所述圆顶形化学处理器的凸面包括暴露在所述圆顶的表面上的一个或多个管；其中所述圆顶形化学处理器的所述凸面包括一个或多个管，所述一个或多个管包括甲烷重整催化剂或逆水煤气变换催化剂；其中所述圆顶形化学处理器的所述凸面包括提供从所述圆顶的中心区域附近的源进口或源歧管到所述圆顶的周边的径向流体流动的一个或多个管，并且包括提供从所述周边到接收歧管的径向流体流动的多个通道，其中所述接收歧管位于所述圆顶的所述中心区域附近；其中所述一个或多个管包括多孔催化剂插入物，优选地包括甲烷重整催化剂；其中所述一个或多个管包括由无孔导热分隔器隔开的两个部分：第一部分和第二部分，其中所述第一部分包括催化剂，并且其中所述装置的所述周边包括所述分隔器中的开口，使得来自所述第一部分的流能传送到所述第二部分中。
[0015]在另一方面，本专利技术提供了一种化学处理器，其包括一个或多个通道，所述一个或多个通道具有：第一部分，所述第一部分提供从源歧管到所述装置的周边的径向流体流动；
以及第二部分，所述第二部分提供从所述周边到接收歧管的径向流体流动，其中所述源歧管和所述接收歧管位于所述装置的中心区域附近，并且其中所述装置被构造用于单元过程；并且其中每个通道中的所述第一部分和所述第二部分由无孔导热分隔器隔开，其中所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种化学处理器，其包括一个或多个通道，所述一个或多个通道具有：第一部分，所述第一部分提供从源歧管到装置的周边的径向流体流动；以及第二部分，所述第二部分提供从所述周边到接收歧管的径向流体流动，其中所述源歧管和所述接收歧管位于所述装置的中心区域附近，并且其中所述装置被构造用于单元过程；并且其中每个通道中的所述第一部分和所述第二部分由无孔导热分隔器隔开，其中所述第一部分包括催化剂，并且其中所述装置的所述周边包括所述分隔器中在所述装置的所述周边附近的开口，使得来自所述第一部分的流能传送到所述第二部分中。2.一种具有圆形形状的化学处理器，其包括一个或多个管，所述一个或多个管提供从在所述处理器的中心区域附近的源进口或源歧管到所述处理器的周边的径向流体流动，其中所述管或第一多个管暴露在所述装置的表面上，使得所述表面不光滑；其中所述一个或多个管具有圆形、椭圆形或扁圆形的横截面，并且其中所述处理器被构造用于单元过程。3.如权利要求2所述的化学处理器，其特征在于，其包括多个通道，所述多个通道提供从所述周边到接收歧管的径向流体流动，其中所述接收歧管位于所述装置的中心区域附近。4.如权利要求2或3所述的化学处理器，其特征在于，所述管和所述通道的内部尺寸为1cm或更小。5.如权利要求2
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4中任一项所述的处理器，其特征在于，所述一个或多个管、所述多个通道或两者包括在径向延伸时分成两个或更多个通道的分叉通道。6.如权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：巴泰勒纪念研究所，
类型：发明
国别省市：