[发明专利]包括梯变的多孔结构的用于流体通流的装置

说明书

一种流体通流装置(10)，所述流体通流装置包括流体入口(12)和流体出口(13)、以及具有互相连通的孔隙的多孔结构(15)，所述多孔结构布置在所述流体入口与所述流体出口之间。所述流体入口和所述流体出口限定整体流动方向(14)。所述多孔结构联接到壁(111)以在所述多孔结构与所述壁之间提供热传导，并且包括沿与所述整体流动方向交叉的第一方向(17)的孔隙率梯度。所述孔隙率梯度沿所述第一方向在靠近所述壁的第一位置(158)处的第一孔隙率(P3)与远离所述壁的第二位置(156)处的大于所述第一孔隙率的第二孔隙率(P1)之间发展，所述第二孔隙率与所述第一孔隙率之间的差值为至少4％。

技术领域

本发明涉及装置，流体在该装置中通流并且在流体与所述装置之间发生热传递。非限制性应用是热交换器和化学反应器。

背景技术

放热和吸热反应(诸如费托合成(Fischer-Tropsch synthesis，FTS)、甲烷蒸汽重整和干重整、甲烷化、甲醇合成、以及燃烧反应等)是对于生产有价值的化工产品而言重要的反应。迄今为止，已经在具有传统催化材料的固定床反应器和流化床反应器中对催化反应进行了广泛的研究。填充床反应器是最常用的反应器类型。填充床反应器的主要缺点是催化剂床中热点的形成和热管理问题(热传递缺陷等)。热点导致烧结和碳沉积，从而导致活性部位的量减少。除了上述限制之外，压降和传质也是有效反应的限制参数。

近年来，结构化催化反应器因克服了上述缺陷(主要是温度调节缺陷、由于温度控制差、催化剂失活、以及压降而引起的反应放大缺陷)而引起极大的关注。示例之一是由于基于金属的结构化催化剂的更好的热传递性能而使用基于金属的结构化催化剂(诸如通过增材制造制成的金属整料)。这些材料由微米大小的高传导性纤维制成，包括催化剂在内的各种反应性材料被固化在纤维中。微纤维材料实现了温度控制并且为一系列高度吸热/放热的化学反应提供一致的温度分布曲线。结构化整料的一个优点是可以控制孔隙率和孔隙尺寸分布。这与具有固有的大孔隙尺寸分布的例如填充床或泡沫材料形成对照。

从2011年6月2日公开的Beall等人的US 2011/0129640中已知通过三维(3D)粉末打印来制造高度多孔的三维陶瓷制品。所述制品可以具有约48％至67％的表观孔隙率，并且可以用于流动应用。三维制品可以被构造成具有壁(例如，实心的、多孔的或有蒙皮的壁)、大孔隙率的蜂窝状内部(所述内部可以具有例如尺寸梯变或渐变的多孔网格间距，所述尺寸从周缘的较大单元到中心附近的较小单元减小，这可以产生用于与周缘压降起反作用的径向轮廓)。该文件描述了这种梯变结构可以用于使流动前沿平整或均衡，从而在此类流动应用中提高了催化剂的利用率或径向灰分分布(ash distribution)。

发明内容

大表面面积、高的大孔隙率、改善的热传递和传质对于设计用于放热过程和/或吸热过程的有效反应器而言至关重要。然而，上述反应器设计并未解决与反应器中的热点形成和催化剂失活有关的问题。同样的道理适用于热交换器，在热交换器中，用于给定体积的热传递应最大化。

本发明的目的是在流体流动装置中使每单位体积的热传递最大化，在所述流体流动装置中进行传导性热交换。本发明的目的是提高在此类流体流动装置中的热传递的效率。

本发明的另一个目的是解决特别是在化学反应器中与热点形成和/或催化剂失活有关的问题。

根据本发明的第一方面，因此提供了一种如所附权利要求中阐述的装置。所述装置包括容器，所述容器包括壁、流体入口、以及流体出口。所述装置进一步包括多孔结构，所述多孔结构在所述流体入口与所述流体出口之间布置在所述容器中。多孔结构包括互相连通的孔隙。因此，所述流体入口和流体出口限定穿过多孔结构的整体流动方向。所述多孔结构有利地联接(热联接)至壁。这有利地提供了在多孔结构与壁之间的热传导。可以提供另外的器件以便在壁与另外的(例如外部的)介质之间进行热传递。所述壁可以是实心壁，实心壁有利地是无孔的和/或有利地是流体不可渗透的。替代性地，所述壁可以是多孔的。