[发明专利]用于加工和调节被运送通过装置的材料的装置

说明书

本发明涉及一种装置，用于处理被运送通过该装置的材料，所述装置包括至少一个由固体(例如金属)结构构成的多孔元件，从而允许所述材料通过所述多孔元件的交叉流动。

根据本发明的装置可用作被运送通过该装置的流体或流化材料的混合器或热交换器。该装置还可用于在均相或非均相条件下实施化学反应。

具体地，根据本发明的装置包括具有器壁(优选圆筒形器壁)以及至少一个入口端和至少一个出口端的管子，其中在所述管子中布置至少一个由固体泡沫结构组成的多孔元件，其中所述多孔元件包括多个彼此连接并且形成互联网络的空洞，并且其中所述至少一个元件和所述器壁以一件式制造。

所述装置和所述至少一个多孔元件可以通过选择性激光烧结(SLS，例如在美国专利5639070、美国专利5732323和美国专利6676892中描述的方法)或通过电子束熔融(EBM)以一件式制造。

EBM工艺具有一些下述优点：

·没有热处理

·可得到比SLS更光滑的表面

·比SLS快2-3倍

可以通过本发明的这种方法使用的材料是不锈钢、钛Ti6Al4V、钛Ti6Al4V ELI、钛2级、钴-铬、ASTM F75。可以根据本发明通过EBM方法使用的其他材料是钛铝化物(Titanium aluminide)、因康镍合金(Inconel，625&718)、不锈钢(例如17-4)、工具钢(例如H 13)、铝(例如6061)、硬金属(例如NiWC)、铜(例如GRCop-84)、铍(例如AlBeMet)、无定形金属、铌。

在本发明的优选实施方式中，至少一个多孔元件的孔隙率ε＞0.5，优选介于0.6和0.95之间，更优选介于0.8和0.95之间。多孔元件的孔隙率表示材料中空隙空间的分数。其由比率V_V/V_T定义，其中V_V是空隙空间的体积，V_T是多孔元件在装置中所占据的总体积。

根据装置的另一实施方式中，所述至少一个多孔元件中的空洞基本上是球形的，并且具有0.5至20mm、优选1至10mm、更优选1.5至5mm的平均当量直径。

限定所述球形空洞的表面积的外壳还包括多个互联孔，这些互联孔允许材料交叉流动。所述孔的平均当量直径在0.01至5mm的范围内，优选在0.1至5mm的范围内，更优选在0.1至2mm的范围内。

在本发明的特定实施方式中，外壳被制造成包含平滑的、或粗糙的、或部分光滑部分粗糙的表面。

根据装置的物理性质，所述管子和所述至少一个多孔元件被设计成，在管状管中流动的雷诺数Re在1至100000的范围内。雷诺数Re是无因次数值，其表示惯性力和粘性力的比值的量度，因而量化了对于特定流动条件而言这两种类型的作用力的相对重要性。

在本发明的另一优选实施方式中，优选地圆筒形器壁和至少一个多孔元件由如下金属或金属合金制成，所述金属选自由铁、钛、锆、铪、钒、铂、铌、稀土和钽组成的组，所述金属合金由这些金属中的至少一种制成，其结构中可以包含其它额外元素，如碳、硅或其他微量元素。

在本发明的另一优选实施方式中，优选地圆筒形器壁和至少一个多孔元件由陶瓷材料制成。陶瓷材料的实例是氧化铝、氧化硅、氧化锆(IV)、堇青石(cordierite)、滑石和/或碳和/或碳化硅。

在优选的实例中，该装置被设计用作混合器或热交换器或者用于连续处理单相和多相化学反应，例如快速反应、放热反应、混合敏感反应或温度敏感反应。该装置提供各种反应物的快速混合和极度增强的热传递。将多孔结构固定连接到反应器的器壁对于保证良好的热传递和非常高的机械稳定性是较重要的。这使得允许高温和高压过程。多孔元件的结构还对轴向分散(反应器中的保留时间分布)具有很强的影响，其是化学工厂规模化的重要参数。

对于通常用在化学工厂中的传统间歇反应器而言，可以通过搅拌器的旋转速度来控制能量消散。对于连续系统而言，仅可以改变与保留时间及其分布直接相连的流速。这种相关性与间歇反应器相比是劣势，但是这可以根据通过计算机流体动力学(CFD)辅助设计并且通过例如上述SLS方法制造的多孔元件的清楚定义的几何形状来进行处理。

有机分子中的官能团的氢化是快速多相放热反应的实例。这样的反应是可用于有机合成的环保方面可接受的反应路线中的一部分。例如，前躯体(即维生素A和维生素E的中间体)通过三种主要形式的反应来制备。其中的一种是催化选择性氢化，是一种多相(即三相)反应，其中的反应混化合物包含液相、未溶解的固体催化相和气相。