更確切地，本發(fā)明涉及在工業(yè)工藝中使用的毫米結構化的(millistructured)交換器-反應器和交換器，這些工業(yè)工藝要求此種裝置在以下條件下運行：

(i)-高溫/高壓對，

(ii)-最小的壓降，以及

(iii)-使該工藝被加強的條件，例如使用催化交換器-反應器用于生產合成氣或者使用緊湊板式熱交換器用于預熱在氧燃燒工藝的背景下使用的氧氣。

毫米結構化的反應器-交換器是其中物質和熱量的交換通過通道的幾何結構被加強的化學反應器，這些通道的特征尺寸，如水力直徑，是一毫米的量級。構成這些毫米結構化的反應器-交換器的幾何結構的通道總體上被蝕刻到板上，這些板彼此組裝并且這些板中的每一個構成該裝置的一級。構成同一個板的多個通道總體上彼此連接并且安排通路以便使所采用的流體(氣相或液相)從一個板轉移至另一個上。

毫米結構化的反應器-交換器通過分配器或分配區(qū)進料有試劑，該分配器或分配區(qū)的作用之一是確保這些試劑均勻分配至所有通道中。通過收集器收集在該毫米結構化的反應器-交換器中進行的反應的產物，該收集器使該產物被攜帶出該裝置。

在下文中以下定義應該應用：

(i)-“級”：定位在同一水平上并且其中發(fā)生化學反應或熱交換的通道的集合，

(ii)-“壁”：將安排在同一級上的兩個連貫通道分隔的隔離物，

(iii)-“分配器”或“分配區(qū)”：連接至一組通道上并且安排在同一級上并且其中使從該反應器-交換器外部傳送的試劑朝向一組通道流通的體積，并且

(iv)-“收集器”：連接至一組通道上并且安排在同一級上并且其中從該組通道攜帶的反應產物朝向該反應器-交換器外部流通的體積。

構成該反應器-交換器的通道中的一些可以填充有固體形狀，例如泡沫，目的在于改進交換，和/或填充有呈固體形式或呈沉積物的形式的催化劑，該沉積物覆蓋這些通道以及這些通道可能填充有的元件的壁，如這些泡沫的壁。

通過類似于毫米結構化的反應器-交換器，毫米結構化的交換器是其特征與毫米結構化的反應器-交換器的那些類似的交換器，并且對于該交換器再次發(fā)現(xiàn)在上文中定義的元件如(i)“級”、(ii)“壁”、(iii)“分配器”或“分配區(qū)”以及(，iv)“收集器”。這些毫米結構化的交換器的通道同樣可以填充有固體形式如泡沫，目的在于改進熱交換。

此種裝置的熱整合可以是使得可能優(yōu)化在不同溫度下的流通通過該裝置的流體之間的熱交換(由于這些流體在若干級上的空間分配以及若干分配器和收集器的使用)的廣泛優(yōu)化的主題。例如，提議用于在玻璃爐中預熱氧氣的毫米結構化的交換器是由多個毫米級通路構成的，這些通路安排在不同級上并且是使用彼此連接的通道形成的。這些通道可以通過一個或多個分配器供應有熱流體(例如在大約700℃與950℃之間的溫度下)。通過一個或多個收集器將冷卻和加熱的流體傳送到該裝置外部。

為了充分利用毫米結構化的反應器-交換器或毫米結構化的交換器在目標工業(yè)工藝中的使用，此種設備需要具有以下特性：

-它需要能夠在高的、總體上大于或等于大約12.10⁸Pa.℃(12 000巴.℃)的量級的“壓力×溫度”乘積(對應于大于或等于600℃的溫度以及大于20.10⁵Pa(20巴)下的壓力)下運行；

-它們需要特征為小于或等于大約40 000m²/m³并且大于或等于大約4000m²/m³的表面積與體積比以便允許在壁上的現(xiàn)象并且特別是熱傳遞的加強；

-它們需要允許在熱流體的入口與冷卻或溫暖的流體的出口之間小于5℃的接近溫度；并且

-它們需要引起在輸送同一流體的通道的網絡的分配器與收集器之間小于10⁴Pa(100毫巴)的壓降。

若干設備制造商提供了毫米結構化的反應器-交換器和交換器。這些件裝置中的大多數(shù)是由板構成的，這些板由通過噴蝕獲得的通道組成。這種制造方法導致產生通道，這些通道的截面具有接近半圓形形狀的形狀并且這些通道的尺寸由于機加工工藝本身從一個制造批次到另一個是近似的并且不是精確地可重復的。確切地，在蝕刻操作過程中，所使用的浴變得被從這些板去除的金屬顆粒污染并且盡管將該浴再生，但是由于操作成本的原因，當大流水線生產制造板時不可能維持相同的效率。在下文中“半圓形截面”將被理解為意指通道的截面，該通道的特性受制于在上文中描述的并且由制造方法(如化學蝕刻和模壓)引起的尺寸限制。

盡管這種通道制造方法從經濟觀點來看不是有吸引力的，可想到的是通過傳統(tǒng)的機加工方法制造構成這些板的通道。在此情況下，這些通道的截面將不是半圓形類型的，而是將是矩形的，于是這些被稱為具有“矩形截面”。

通過類推，這些制造方法還可以用于制造分配區(qū)或收集器，由此賦予它們與通道的幾何優(yōu)先級類似的幾何優(yōu)先級，如：

(i)-在通過化學蝕刻或模壓制造的情況下產生在通道的底部與其壁之間的半徑以及產生從一個制造批次到另一個制造批次的不可重復的尺寸，或者可替代地

(ii)-在使用傳統(tǒng)的機加工方法制造的情況下產生直角。

如此獲得的由半圓形截面或涉及直角的截面的通道構成的板總體上通過擴散結合或通過擴散釬焊彼此組裝。

半圓形或矩形截面的這些件裝置的大小確定依賴于應用ASME(美國機械工程師學會(American Society of Mechanical Engineers))第VIII節(jié)部分1附錄13.9(section VIII div.1 appendix 13.9)，其并入了由蝕刻板構成的毫米結構化的交換器和/或反應器-交換器的機械設計。為了獲得所希望的機械完整性而有待限定的值在圖1中指出。分配區(qū)和收集器的尺寸是由有限元計算確定的，因為ASME規(guī)范不為這些區(qū)提供分析的尺寸標注。

一旦這些尺寸已經確立，通過這種方法限定的設計的調整驗證要求根據ASME UG 101的爆裂試驗。例如，對于通過擴散釬焊組裝的并且由因科鎳(inconel)(HR 120)合金制成的在25巴下并且在900℃下運行的反應器-交換器的預期的爆裂值在環(huán)境溫度下具有3500巴的量級。這是高度不利的，因為這個試驗要求該反應器過度設計建造(over-engineered)以便符合該爆裂試驗，該反應器因此損失緊湊性以及就熱傳遞而言的效率(由于通道壁厚度的增加)。

目前，這些毫米結構化的反應器-交換器和/或交換器的制造根據圖2中描述的七個步驟進行。在這些步驟中，四個是關鍵性的，因為它們可能導致不符合的問題，其唯一可能的結果是該交換器或反應器-交換器的報廢，或者如果這種不符合是足夠早期地在制造此設備的生產線上檢測到，構成壓力設備的板的報廢。

這四個步驟是：

-化學蝕刻通道，

-通過擴散釬焊或擴散結合組裝經蝕刻的板，

-將連接頭焊接到分配區(qū)和收集器上，在這些連接頭上焊接管供應或去除流體，以及最后

-在經受引起可能使該設備的表面光潔度降級的現(xiàn)象的用途的反應器-交換器或交換器的情況下，施加保護涂層和/或催化劑層的操作。

無論什么機加工方法用于制造毫米結構化的交換器或反應器-交換器，所獲得的通道是半圓形的截面(在化學蝕刻情況下(圖3))并且由兩個直角構成的，或者是矩形截面(在傳統(tǒng)的機加工情況下)并且由四個直角構成。這多個角對于獲得在整個截面上均勻的保護涂層是有害的。這是因為，幾何不連續(xù)性的現(xiàn)象(如角落)增加了產生不均勻沉積物的可能性，這將不可避免地導致基體的表面光潔度的降級的現(xiàn)象的開始，該現(xiàn)象旨在被避免，例如像腐蝕、碳化或氮化的現(xiàn)象。通過化學蝕刻或傳統(tǒng)的機加工技術獲得的有角的通道截面不允許優(yōu)化此種組裝的機械完整性。確切地，用于設計建造此類截面的尺寸以便經受壓力的計算具有增加這些通道的壁厚度和底部厚度的作用，該設備因此損失其緊湊性并且還損失就熱傳遞而言的效率。

此外，化學蝕刻施加了就幾何形狀而言的限制，使得不可能具有高度大于或等于其寬度的通道，并且這導致對表面積/體積比的限制，導致優(yōu)化限制。

使用擴散結合的蝕刻板的組裝是通過將高單軸向應力(典型地具有2Mpa至5MPa的量級)施加至由一堆蝕刻板構成的基體上獲得并且是通過壓力機在高溫下在持續(xù)若干小時的保持時間期間施加的。這種技術的使用與設備(例如像，在400mm×600mm的體積內容納的設備)的小型物件的制造兼容。超過這些尺寸，必須施加以便維持恒定應力的力變得太大而不能通過高溫壓力機施加。

使用擴散結合工藝的某些制造商通過使用據稱自組裝的組件克服了實現(xiàn)高應力的困難。此技術不允許有效控制施加至該設備上的應力，并且可引起通道變得粉碎。

使用擴散釬焊的蝕刻板的組裝是通過以下方式獲得的：將通過壓力機或者通過自組裝機構在高溫下并且持續(xù)若干小時的保持時間施加的低單軸向應力(典型地具有0.2Mpa的量級)施加在由這些蝕刻板構成的基體上。在這些板的每一個之間，使用不允許保證此施加的完美控制的工業(yè)施加方法施加釬焊的填料金屬。此填料金屬旨在在釬焊操作過程中擴散至該基體內以便產生在這些板之間的機械連接。

此外，在該設備的溫度保持期間，當該設備被制造時，該釬焊金屬的擴散不能被控制，并且這可導致不連續(xù)并且因此具有損害該設備的機械完整性的作用的釬焊接合。舉例而言，根據擴散和釬焊方法制造的并且根據ASME第VIII節(jié)部分1附錄13.9設計建造的由已經生產的HR 120制成的設備在爆裂試驗過程中不能經受840.10⁵Pa(840巴)的壓力的施加。為了克服這種降級，分配區(qū)的壁厚度和幾何結構被適配以便增加在每個板之間的接觸面積。這具有限制表面積/體積比、增加壓降、以及引起在該設備的通道中的差分配的作用。

此外，用于設計建造這種類型的釬焊設備的ASME規(guī)范第VIII節(jié)部分1附錄13.9不允許使用擴散釬焊技術用于使用含有致命氣體(例如像一氧化碳)的流體的設備。因此，通過擴散釬焊組裝的設備不能用于生產合成氣。

通過擴散釬焊制造的設備最終由一堆蝕刻板構成，在這些蝕刻板之間安排釬焊接合。其結果是，在大多數(shù)情況下，在這種設備的面上進行的每個焊接操作導致由該焊接操作影響的熱影響區(qū)中的釬焊接合的破壞。這種現(xiàn)象沿著釬焊接合傳播，并且在大多數(shù)情況下，引起該組件分裂開。為了減輕此問題，有時候建議的是在組裝該釬焊基體的時候添加厚的增強板以便提供用于連接器焊接的框架似的支撐件(不具有釬焊接合)。

從工藝加強觀點來看，蝕刻板彼此組裝的事實意指該設備需要用二維方式設計，這通過強迫這種類型的設備的設計者約束他們自己至分級的方式來分配這些流體限制了在交換器或反應器-交換器內的熱優(yōu)化。

從經濟制造(ecomanufacture)觀點來看，因為所有這些制造步驟通過不同行業(yè)進行，它們總體上是通過位于不同地理位置中的多個不同的分包商進行的。這導致漫長的生產延遲和大量的部件運輸。

本發(fā)明提出克服與現(xiàn)今制造方法關聯(lián)的缺點。

本發(fā)明的解決方案是一種至少包括3級的交換器-反應器或交換器，該交換器-反應器或交換器在每級上具有至少一個促進熱交換的毫米級通道區(qū)和至少一個在該毫米級通道區(qū)上游和/或下游的分配區(qū)，其特征在于，所述交換器-反應器或交換器是在這些不同級之間不具有組裝界面的部件。

視情況而定，根據本發(fā)明的交換器-反應器或交換器可展示以下特征中的一項或多項：

-這些毫米級通道的截面是圓形形狀；

-所述交換器-反應器是催化交換器-反應器并且包括：

-至少第一級，其包括至少一個分配區(qū)以及至少一個毫米級通道區(qū)用于流通在大于700℃的溫度下的氣態(tài)流，使得它供應對于催化反應必要的熱量中的一些；

-至少第二級，其包括至少一個分配區(qū)和至少一個毫米級通道區(qū)用于在被催化劑覆蓋的毫米級通道的縱向方向上流通氣態(tài)流試劑以便引起該氣態(tài)流反應；

-至少第三級，其包括至少一個分配區(qū)和至少一個毫米級通道區(qū)用于流通在第二板上產生的該氣態(tài)流，使得它供應對于催化反應必要的熱量中的一些；在該第二板和該第三板上具有系統(tǒng)，使得所產生的氣態(tài)流可以從該第二板流通至該第三板。

本發(fā)明的另一個主題是增材制造方法用于制造緊湊催化反應器的用途，該緊湊催化反應器至少包括3級、在每級上具有至少一個促進熱交換的毫米級通道區(qū)和至少一個在該毫米級通道區(qū)上游和/或下游的分配區(qū)。

優(yōu)選地，該增材制造方法將允許制造根據本發(fā)明的交換器-反應器或交換器。

等效直徑意指等效水力直徑。

作為優(yōu)先選擇，該增材制造方法使用：

-至少一種微米級金屬粉末作為基材，和/或

-至少激光作為能量源。

確切地，該增材制造方法可以采用微米級金屬粉末，這些粉末通過一種或多種激光熔融以便制造復雜的三維形狀的最終物件。根據用于所希望的形狀和所希望的淀積速率的精度，逐層建立該物件，這些層具有50μm的量級。有待被熔融的金屬可以或作為粉末床或通過噴霧嘴供應。用于局部熔融該粉末的激光是或者YAG、纖維或CO₂激光，并且這些粉末的熔融是在惰性氣體(氬氣、氦氣等)下進行的。本發(fā)明不限于單一增材制造技術而是適用于所有已知技術。

不像傳統(tǒng)的機加工或化學蝕刻技術，該增材制造方法使得可能產生圓柱形截面的通道，這些通道提供了以下優(yōu)點(圖4)：

(i)-經受壓力的更好的能力并且因此允許在通道壁厚度上顯著減小，以及

(ii)-允許使用壓力設備設計規(guī)則，這些設計規(guī)則不要求進行爆裂試驗以便證明該設計的效力，如由ASME規(guī)范的第VIII節(jié)部分1附錄13.9所要求的。

確切地，通過增材制造(使得可能產生圓柱形截面的通道)產生的交換器或反應器-交換器的設計依賴于“通?！钡膲毫υO備設計規(guī)則，這些設計規(guī)則適用于構成該毫米結構化的反應器-交換器或交換器的圓柱形截面的通道、分配器和收集器的尺寸標注。

增材制造技術最終使得可能獲得據稱“固體”的物件，不像組裝技術如擴散釬焊或擴散結合，這些物件在每個蝕刻板之間沒有組裝界面。此特性通過經由構造來消除弱點線的存在并且通過由此消除潛在失效源用以改進裝置的機械完整性。

通過增材制造并且消除擴散釬焊或擴散結合界面獲得固體部件使得可能考慮很多設計可能性，而不約束于被設計為限制潛在組裝缺陷(如在釬焊接合中或者在擴散結合的界面中的不連續(xù)性)的影響的壁幾何結構。

增材制造使得可能產生使用傳統(tǒng)制造方法不可想象的形狀，并且因此用于毫米結構化的反應器-交換器或交換器的連接器的制造可以與該裝置的主體的制造連續(xù)性地完成。然后，這使得可能不必須進行將這些連接器焊接至該主體的操作，由此使得可能消除對該設備的結構整體性的損害源。

在使用增材制造的通道的幾何結構上的控制允許產生圓形截面的通道，除了此形狀隨之帶來的良好的壓力完整性之外，其還使得可能具有對于保護涂層和催化涂層的沉積優(yōu)化的通道形狀，這些涂層因此沿著這些通道的整個長度是均勻的。

通過使用這種增材制造技術，在生產率方面上的增長通過減少制造步驟的數(shù)目也被允許。確切地，使用增材制造產生反應器的步驟從七個下降至四個(圖5)。關鍵性的步驟(可引起完整的裝置或構成該反應器的板報廢的那些)采用增材制造時下降至兩個，在這些關鍵性的步驟中當使用通過組裝化學地蝕刻的板的常規(guī)制造技術時存在四個。因此，留下的僅有步驟是增材制造步驟以及施加涂層和催化劑的步驟。

舉例而言，根據本發(fā)明的反應器-交換器可用于生產合成氣。此外，根據本發(fā)明的交換器可以在氧燃燒工藝中用于預熱氧氣。