CN102811941B - 用于优化和控制高放热和高吸热反应/过程的微纤维介质 - Google Patents

用于优化和控制高放热和高吸热反应/过程的微纤维介质 Download PDF

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Abstract

一种用微米尺寸高传导性纤维制成的微纤维介质填充的容器，所述纤维能够(并且可用于)固定各种反应性材料，包括催化剂、吸附剂、电催化剂和其它化学反应性固体。对于一系列高吸热或放热化学反应、吸附、分离过程、混合操作和传热应用，所述容器能够实现精细温度控制和均匀温度分布。

Description

用于优化和控制高放热和高吸热反应 / 过程的微纤维介质
美国政府在本发明中拥有已付清许可(paid-up license)，和在有限情况下要求专利所有者以合理条件许可他人的权利，所述条件由美国海军研究所授予的合同号N00014-07-M-0393的条款提供。
相关申请交叉引用
本申请根据35 U.S.C. §119(e)要求2009年11月6日提交的美国临时专利申请序列号61/258,741(题为"MICROFIBROUS ENTRAPPED CATALYSTS FOR OPTIMIZING AND CONTROLLING HIGHLY EXOTHERMIC AND HIGHLY ENDOTHERMIC REACTIONS (用于优化和控制高放热和高吸热反应的微纤维夹带的催化剂)")的优先权。该临时专利申请(序列号61/258,741，2009年11月6日提交，题为"MICROFIBROUS ENTRAPPED CATALYSTS FOR OPTIMIZING AND CONTROLLING HIGHLY EXOTHERMIC AND HIGHLY ENDOTHERMIC REACTIONS(用于优化和控制高放热和高吸热反应的微纤维夹带的催化剂)")也出于所有目的全文通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明涉及一种填充的容器，它能够用于进行利用精细温度控制的高放热或高吸热化学反应或过程。本发明涉及用填充的容器进行本文所述反应和过程的方法。
背景技术
诸如费-托、从合成气生成甲醇、乙烯氧化、马来酸酐、邻苯二甲酸酐、甲醛、丙烯腈、丙烯酸、1,2-二氯乙烷、氯乙烯、空气压缩、浓酸稀释、蒸气冷凝等的放热反应和过程为强放热性。诸如蒸汽甲烷重整和蒸发等的吸热反应和过程为强吸热性。为了改进产物选择性、催化剂寿命和操作安全性，需要来/往反应区域的有效传热。公知的反应器，管-壳结构中的多管反应器，已用于高放热或高吸热反应。对管-壳热交换器也是类似的，如欧洲专利号0,308,034中所示。它由其中填充催化剂颗粒的许多细管(通常小于2英寸)组成。这些管由冷却流体围绕，冷却流体通过类似热交换器的反应器的壳侧。由于细管的高面积/体积比，能够达到有效热交换。然而，此设计面临严重的按比例放大问题。在较大比例，需要更多细管。增大的部件数使此类反应器的制造非常困难和昂贵，尤其在大规模。
有一些反应器设计允许加热或冷却通过管侧的流体，并且在壳和管之间的空间内填充催化剂颗粒。这些设计能够简单解决多管反应器的按比例放大问题，然而，以热交换效率为代价。在此设计系列中，已用不同类型的管的几何形状来提高热交换效率，如以前的专利GB 2,204,055、US 4,224,983、US 5,080,872所示，为了更好的热交换性能，也选择不同的流向。
这些反应器设计，无论它们看来多么不同，共有一个共同的结构特征：反应区域和热交换区域由管壁分离。因此，可将这些反应器分类为具有外部热交换的反应器。
为了改善床内热交换，已开发了几种新的催化剂/反应器结构设计。第一种方法是洗涂的单块催化剂结构，包括金属蜂窝结构(US 3,849,076; 4,101,287; 4,300,956; 6,869,578)、金属单块挤出结构(US 6,881,703; 7,608,344)和金属微通道反应器(US 7,084,180; 7,226,574; 7,294,734)。这种方法在单块结构的内壁上洗涂催化剂薄层。由热导材料(主要是金属或金属合金)制成的这些结构来/往反应区域快速传热。一些催化剂结构具有允许在其外表面上传热的厚通道壁。例如，通过挤出铜粉，然后通过在还原环境下烧结或退火来形成结构而制造催化剂结构(US 7,608,344)。铜形成提供很高热导率(例如，200W/K-m)的连续相，所述热导率等于本体铜热导率和铜体积分数的乘积(G. Groppi和E. Tronconi)。铜蜂窝结构将热量从通道壁内洗涂的催化剂以有效方式传到外蜂窝表面。其它单块或通道结构(US 3,849,076; 4,101,287; 4,300,956; 6,869,578, 7,084,180; 7,226,574; 7,294,734)具有薄通道壁和小通道尺寸(通常几毫米或更小)。在这些情况下，一些通道具有热流体和冷流体通过相互相邻或交叉的不同通道，这些通道用薄壁分离流体并传热。此设计使传热距离(阻力)最小化，并以反应器复杂性和可靠性为代价提供优良的传热性能。总而言之，洗涂的单块结构通过减小传热阻力和增加热交换面积而显著改善传热。然而，这种洗涂的单块方法由于洗涂的性质而只允许催化剂薄膜负载在反应器通道内。典型的催化剂体积负载远小于3体积%；具有小通道尺寸(例如，小于1mm)的一些单块结构能够达到3-8体积%的催化剂负载。另外，传质只通过径向分子扩散发生，这远慢于在体积气体扩散占优势的典型填充床中的传质。有限的催化剂负载和低传质速率导致慢反应动力学。
另一种方法为了快速传热使用具有夹带的催化剂的金属微纤维介质。此类介质首先在1992由Tatarchuk开发(US.5,080,963、5,096,663)。该介质具有良好的电导率，并开发成为超级电容器和燃料电池的电极材料。由于相似性，材料的热导率应可预测。自1994年以来，该介质已经过修饰用于催化方法(US 5,102,745、5,304,330、6231792、7,501,012)和吸附方法。在2001年，为了快速传热提出了一种具有平行于流向的折叠微纤维介质片的新反应器设计。由于平行流型，这种设计也有慢径向分子扩散限制的问题。另外，多孔介质只占可忽略量的反应器体积。考虑此微纤维介质中催化剂的低体积分数，反应器中的总催化剂负载极低。折叠结构只有几个边缘与用于传热的反应器壁接触。这意味着有效热交换面积很受限制。这些缺点使该设计与单块方法相比竞争力小得多。
发明内容
一种由微米尺寸高传导性纤维制成的微纤维介质是具有增强的床内传热特征的通用催化剂载体，所述介质能够在内部夹带各种催化剂材料，并形成微纤维夹带的催化剂。吸附剂或电催化剂能够代替催化剂夹带在微纤维介质内。由于使用由铜、银、铝、镍等制成的高传导性微米尺寸金属纤维和改进的壁接触，微纤维夹带的催化剂显示与传统填充床相比高达超过45倍的热导率和高达超过10倍的传热系数。由于微纤维介质夹带细催化剂颗粒，微纤维夹带的催化剂在比传统填充床低得多的催化剂负载显示类似反应速率。通过改变活性夹带的催化剂，微纤维介质能够应用于不同的高放热和高吸热反应/过程，和利用精细温度控制或均匀温度分布的反应/过程。
附图说明
图1说明根据一些实施方案的微纤维介质和微纤维夹带的催化剂的相片。
图2说明根据一些实施方案的微纤维介质组合件的实例的图解。
图3说明根据一些实施方案的效率因数对催化剂颗粒半径的曲线图。
图4说明根据一些实施方案在不同的金属纤维体积分数对由不锈钢制成的微纤维介质测量的热导率的曲线图。
图5说明根据一些实施方案用金属微纤维夹带的催化剂检验热导率提高的试验设备的图解。
图6说明根据一些实施方案用微纤维夹带的催化剂提高热导率的瞬时性能的曲线图。
图7说明根据一些实施方案在瞬时试验中的测量的有效热导率的曲线图。
图8说明根据一些实施方案在稳态试验测量有效热导率的曲线图。
具体实施方式
本发明集中在提高床内热交换效率，并保持高催化剂、吸附剂或电催化剂负载。在一些方面，将催化剂、吸附剂和电催化剂全部统称为热促进剂。虽然在本文中一般描述催化剂，但在一些实施方案中在催化剂之外或代替催化剂使用吸附剂和/或电催化剂。本发明利用高热导率的微米尺寸纤维制成的微纤维介质来传热。介质在物理压缩下插入反应区域。由于压缩及其柔韧性，介质充分接触反应器内壁，并将整个反应器内壁用于热交换。更重要的是，在放热反应的情况下，其中夹带催化材料的高传导性金属制成的金属微纤维网络提供从催化剂颗粒向反应器壁传热的快速通道。流体垂直或接近垂直地通过微纤维介质。此流向能够由于体积扩散得到加速的传热和传质。因此，此催化剂结构能够提供提高的传质速率、高活性催化剂负载、大热交换面积和低传热阻力。
可将本发明称为具有优化的床内热交换的反应器。为了最终的热交换性能，本发明能够与具有外部热交换的反应器组合。在本发明中，在微纤维网络内夹带的催化剂颗粒上进行高放热或高吸热反应，或者在金属纤维的表面上进行反应。微纤维夹带的催化剂负载在用于高放热和高吸热反应的反应器中。微纤维夹带的催化剂为柔性，它们能够匹配反应器的形状，并与金属反应器壁非常充分地接触。另外，金属纤维一般由高热导金属制成，例如银、锌、铜、铝和其它金属。因此，金属纤维作为桥将从发生反应的催化剂颗粒产生的热传递到冷反应器壁用于高放热反应，并将热量从热反应器壁传递到催化剂颗粒或金属纤维用于高吸热反应。本发明也可用于需要精细温度控制或均匀温度分布的过程。由于使用高传导性金属，微纤维介质具有接近等温线的温度分布，如以下实施例中所示。
本发明能够与具有改进的外部热交换的目前的反应器一起用于最佳的热交换性能。微纤维夹带的催化剂可负载在管侧或壳侧。如果在管侧，微纤维夹带的催化剂介质就能够以盘、棒或另一种形式负载在管中。由于显著提高的热交换率，管直径可比在传统多管反应器中的那些管直径大得多。因此，部件数能够显著减少，大规模制造反应器比传统多管反应器方法便宜且容易得多。类似地，金属微纤维夹带的催化剂也能够以盘、粒料、棒和其它形式负载在壳侧。
为了保持微纤维介质之间的优化接触并帮助装入反应器/从反应器卸出，发明了微纤维介质组合件。它包括承载结构(例如，板和筛)和之间的微纤维介质。承载结构将很多微小的微纤维介质件整合成容易填充或卸出的单一制品。结构保持并压缩介质，使它均匀地分布并压缩在反应器内，并很好地附着到反应器壁。在一些情况下，承载的结构也帮助分散，甚至由于压降而在整个微纤维介质床上受力。
本发明的一个目的是提供来/往气体或液体流的优良传热。为了这一目的，用高传导性金属纤维制备微纤维夹带的催化剂。这些纤维由具有高热导率的金属或金属合金制成，例如铜、银、铝、镍及其合金。对于涉及腐蚀的特别条件，使用具有较低热导率的特殊金属或金属合金(例如，不锈钢)的微米尺寸纤维。纤维体积内容物能够经过适应来取得最佳传热性能及催化活性、微纤维结构整体性、压降和其它特征。
微纤维介质由纤维形成，这些纤维一般具有至少1微米的直径，纤维直径一般不超过32微米，不过可使用更小或更大的直径。典型的纤维体积分数为1~10体积%。也可达到更高的体积分数，以促进特殊情况的传热。
活性催化材料可以为催化剂颗粒或由特殊金属制成的微纤维网络或在微纤维网络上的涂层。催化剂颗粒为细粒、粒料、挤出物、环、其组合或其它形式。典型的粒径为10微米至300微米(0.3毫米)，不过也可使用更小或更大的颗粒。典型的颗粒体积分数为0~20体积%。然而，也可使用更高的颗粒体积分数。
应了解，微纤维夹带的催化剂可包含一种类型的纤维，或者可包含两种或更多种不同纤维，并且金属纤维可具有单一直径，或者可具有不同直径。另外，纤维可用催化剂薄膜涂布，由此，除了具有在网眼载体的间隙中保持的催化剂纤维或颗粒外，网眼载体也用催化剂涂布。
本发明的一个目的是提供相当于(如果不大于的话)由粒料或挤出物制成的传统填充床的反应速率的反应速率。在本发明中，在金属微纤维网络中夹带小的催化剂颗粒(10~300微米)。这些颗粒太小，以致于不能在传统填充床中填充。由于在小粒径达到的高外表面积和最小限度的孔隙扩散，微纤维夹带的催化剂可达到略大于传统填充床的体积反应速率，如以下实施例中所示。
本发明提供夹带用于不同反应的各种催化剂的通用平台。本发明的一个目的是提供一种微纤维承载结构，所述微纤维承载结构用于保持和夹带对预定反应剂具有化学反应性的颗粒或纤维材料。微纤维夹带的催化剂能够最初通过生产具有在其间隙中保持的催化剂载体的微纤维介质，随后用适合的催化剂浸渍保持的载体来形成。或者，微纤维介质可用在微纤维网络中承载或未承载的催化剂颗粒来生产。另外，也可如下生产微纤维夹带的催化剂，其中保持在其中的颗粒为催化剂前体，随后使该前体转化成活性催化剂。作为另一个供选实例，可首先形成微纤维夹带的催化剂，在形成网络后，催化剂或催化剂前体插入微纤维网络的间隙中。
在其间隙中保持颗粒或纤维的微纤维夹带的催化剂优选通过美国专利5,304,330、5,080,963、5,102,745或5,096,663和美国专利申请20020068026和20050169820中所述类型的程序生产，所述专利全部通过引用结合到本文中。可用传统高速和低成本造纸设备和技术制备复合材料。在此方法中，可使多种组合物和合金中的微米尺寸直径金属、聚合物、玻璃、陶瓷或其它纤维在含水悬浮体(连同任选的粘合剂，如果需要)中浆化，并且可使用纤维素纤维和其它选择的反应剂或承载颗粒，比如但不限于氧化铝承载颗粒。然后可用湿法成网方法使所得混合物流延成预成形片，并干燥产生预成形材料片。在此制备中使用水溶性粘合剂时，干燥可足以使纤维在其接合点熔合，但在利用纤维素的那些预成形物的情况下，可用在O2流中在约500℃随后预氧化一般约1小时以去除大多数纤维素。随后在升高的温度(700~900℃，取决于纤维类型)下在H2流中烧结预成形物一般约30分钟允许去除其余的纤维素粘合剂/成孔剂，并将选择的承载颗粒夹带在金属、玻璃或陶瓷纤维的烧结物锁定网络内。
图1显示用于高放热和高吸热反应的由铜制成的一种类型的微纤维介质。图2描述有利于填充和卸出的微纤维介质的组合件的实例。
图3描绘用于费-托合成的在微纤维网络中使用小颗粒的反应性。费-托合成(FTS)的反应由孔隙扩散控制。100-200微米尺寸的小颗粒显示约1的效率因数。广泛用于FTS的3/16"挤出物的效率因数为约0.2。考虑微纤维夹带的催化剂的催化剂分数为约0.15，且催化剂颗粒体积分数为约0.6，填充床中的催化剂负载是微纤维夹带的催化剂中的催化剂负载的4倍高。因此，微纤维夹带的催化剂中的反应速率是典型的填充床中的1.25倍高。类似地，如果反应受外传质控制，由于大的外表面积和快的外传质速率，微纤维夹带的催化剂提供比典型的填充床更高的反应速率。这些结果表明，使用微纤维夹带的催化剂不会损害反应速率，即使微纤维夹带的催化剂中的活性催化剂体积负载仅为典型的填充床的1/4。这是由于使用具有高外表面积和高效率因素的小尺寸颗粒。
图4说明具有不同微纤维体积分数的几种不锈钢微纤维介质的测量的热导率。结果表明，微纤维介质的热导率等于本体不锈钢的热导率和不锈钢纤维的体积分数的乘积。结果表明，含有微纤维和催化剂颗粒的微纤维夹带的催化剂的热导率能够用体积加权平均值计算。
图5说明试验检验使用微纤维夹带的催化剂的热导率提高的试验设备。它主要包括不锈钢管和水浴。管具有1.4英寸内径，长度为8英寸。在管内，试验材料的固定床负载于管的中心。在固定床内包埋数个细热电偶。将管的两端紧紧密封，防止水接触试验材料。只有N2流能够进入管。将水浴保持在~92℃。
比较由A12O3颗粒(60-80目)制成的填充床和铜微纤维夹带的A12O3(60-80目)的层在稳态和瞬态两者的传热性能。填充床为2英寸长，并且具有10.8J/K英寸床的热容量。微纤维夹带的催化剂含有5体积%铜纤维和20%氧化铝。微纤维夹带的催化剂层也为2英寸长，且其热容量为10.9J/K英寸床。两个固定床具有几乎相同的热容量，因此，在试验期间温度变化的所有差异是由于其热导率差异。也评价由铜粉末(60-80目)和A12O3颗粒的混合物制成的其它填充床和由Ni纤维和不锈钢纤维制成的微纤维介质床。
用此试验设备进行两组试验。对瞬态评价进行第一组试验。在试验期间，在时间0将试管浸入水浴，每分钟记录由点"1"的热电偶读取的温度。填充床和微纤维床的温度时间分布显示于图6中。显然，铜微纤维夹带的催化剂在约2分钟内达到90℃。然而，填充床花费大于18分钟达到相同温度。由于两个床具有几乎相同的热容量，因此，显著差异表明铜微纤维夹带的催化剂具有比氧化铝填充床高得多的热导率。这些固定床的估计的有效热导率显示于图7中。铜微纤维介质显示~10W/K-m的热导率，这是由颗粒制成的填充床(包括由铜粉末制成的填充床)的47倍高。由不锈钢纤维制成的介质(它具有比铜纤维低得多的热导率)也显示填充床17倍高的热导率。
第二组试验评价两种床在稳态的性能。在试验期间，将负载了固定床的管浸入水浴。使18 SLPM的N2流通过反应器。由不同的热电偶读取的温度在约30分钟内达到稳态。然后每30分钟记录温度经2小时。在固定床的中线的温度显示于图8中。显然，气体温度从入口的40℃很快升高到微纤维床中心点(x/L=0.5)接近80℃的水浴温度。在Al2O3填充床的情况下，温度升高仅4℃。微纤维夹带的催化剂的温度增加为填充床的10倍高。这表明金属微纤维夹带的催化剂具有高传热系数，以将热量从反应器壁传向流经反应器的流。微纤维夹带的催化剂的平均传热系数为填充床的约10倍高。这将显著有益于高吸热反应，其中需要将大量热量传入床，尤其是中心，以维持反应。微纤维夹带的催化剂也有益于高放热反应，其中需要从床去除大量热量，尤其是中心，以保持反应在控制下。
在¾"不锈钢反应器(15mm id)中，对由Co/A12O3催化剂制成的填充床和夹带了相同催化剂的微纤维介质评价费-托合成。试验条件列于表1中。两个床具有15.7cc体积，并且含有2.5g催化剂(20体积%催化剂负载)。填充床由A12O3颗粒稀释。中线温度分布由多点热电偶测量，并显示于表2中。填充床试验在225℃进行，并且达到0.54的CO转化率。为了保持相同转化率，微纤维介质床的反应器壁温度必须保持在235℃。填充床的中线温度为微纤维介质床温度的3-6倍高。微纤维介质床达到2.1℃的最高温度梯度。如果考虑通过热电偶的传热，填充床内的实际温度梯度高于测量结果。对于具有较大直径(即2")的FTS反应器，根据保守估计，温度梯度在填充床中高于30℃，在微纤维介质床中为10℃。在微纤维床中均匀的温度分布对期望的产物提供改进的选择性。如果容许30℃，则微纤维床就能够为较大直径，因此显著减少达到相同生产能力所需的管数。另外，微纤维介质床只利用典型的填充床中负载的¼催化剂，如之前所讨论的。因此，由于较低部件数和较少催化剂负载，反应器建造成本显著减少。
表1. 沿着FTS反应器的温度分布，单程转化率0.54。
填充床 铜MFEC
流速/h-1 830.4 830.4
壁T/℃ 225 235
转化率 0.543 0.538
表2. FTS反应器内的温度分布
为了利用微纤维介质，在期望的设备中使用微纤维介质，所述设备如用于吸附过程的容器、用于催化反应过程的容器、高效热交换器中的组件、散热器或相变热调节器、电化学反应器的部件或静态混合器。根据设备相应使用微纤维介质。对这些设备常见的是改善的热导率和传热。
在操作中，微纤维介质增强床内传热特征。由于使用高传导性微米尺寸金属纤维和改进的壁接触，微纤维夹带的催化剂具有比传统填充床高得多的热导率和高得多的传热系数。由于微纤维介质夹带细催化剂颗粒，微纤维夹带的催化剂在比传统填充床低得多的催化剂负载下具有类似反应速率。通过改变活性夹带的催化剂，微纤维介质能够应用于不同的高放热和高吸热反应/过程和利用精细温度控制或均匀温度分布的反应/过程。
在此描述本发明的一些实施方案。
在一些实施方案中，内部填料增加外部输入或输出容器。填料促进传热。填料促进导电。填料可延展，以促进对本身和对容器内壁的良好内部接触。容器密封。容器为流通设计，或者定期打开，关闭，或者流在流速或流向上可变。容器为管形、长方形、圆锥形或者一些其它横截面种类或形状因数。容器用作用于吸附过程的容器。容器用作用于催化反应过程的容器。容器用作高效热交换器中的组件。容器用作散热器或相变热调节器。容器为电化学反应器的部分。容器用作静态混合器。填料包括高热导率纤维。填料包括具有高电导率的纤维。纤维用于固定吸附剂。纤维用于固定催化剂。纤维用于固定电催化剂。纤维用于渗透相变介质。纤维在其接合点熔合，以促进传热或导电。选择纤维和固定相的尺寸，以使压降最小化。选择纤维和固定相的尺寸，以促进高水平体积反应性。选择纤维直径和组成，以促进在容器内壁的高水平传热。选择纤维直径和组成，以促进在容器内壁高水平导电和低接触电阻。选择填料取向，以促进在具体方向的传热或导电。传导辅助物和固定相的体积分数可在宽范围内调节。纤维具有不同直径。填料和夹带相在空间上分级。优化纤维和固定相的直径、体积负载和组成，以提高单位压降的反应和/或吸附的速率。优化纤维和固定相的直径、体积负载和组成，以使在指定水平的体积反应性下在反应和/或吸附容器内的容器内温度梯度最小化。优化纤维和固定相的直径，以提高单位电阻的电化学反应速率。优化纤维和固定相的直径、体积负载和组成，以使在指定水平的体积反应性下的容器内电阻最小化。与填料接触的容器中的介质为气体。与填料接触的容器中的介质为液体。与填料接触的容器中的介质为液体和气体的双相混合物。与填料接触的容器中的介质经历相变。发生的过程放热或吸热。在容器中发生的过程的速率取决于温度。在容器中发生的过程的选择性取决于温度。内部填料帮助去除与吸附、解吸或稳态催化或电化学反应相关的放热量或吸热量。填料帮助去热，并减小与非稳态多相反应相关的热偏移，所述反应如催化剂再生、煅烧、氧化和自还原。填料内雷诺数低，并且在非湍流的状态内。填料内雷诺数高，并且在湍流的状态内。催化剂、吸附剂或电催化剂的体积分数高于在填充床或单块设计的固定床反应器能达到的体积分数。反应水平和传热类似于流化床反应器，但没有回混存在。固定的固体反应性相的位置不取决于重力取向或流体速度相对于颗粒曳力。选择纤维的体积分数和直径，以夹带所选粒径的固体。容器允许每次通过或每次循环具有较高水平的化学转化率。容器允许每次通过具有较高水平的化学转化率，在内部填料内可能的温度梯度最低。填料堆叠或层叠于组装设备上，以帮助容器的填充、卸出或维护。中间惰性机械层用于以所选的体积分数和机械载荷保持可延展填料。填料层以特定次序堆叠，以促进过程整合和过程强化。选择层内分布和切割模式，以促进内部填料内的流体接触、混合和规定的流体移动。设备结构用于安装不同的传感器，如热电偶、化学传感器、流量传感器、压力传感器和其它传感器。传感器的输出用于控制过程，以提高经济性、安全性、环境适应性和每单位体积、质量或能量的过程生产量。设备在共同的集管内包括多个容器，并且类似于“管”和壳热交换器操作。容器不为管形，但遵照指定的形状因数。热量以并流方式传输。热量以逆流方式传输。通过使各容器更大，且仍由于提高的介质传导率而保持足够的热控制，可减少单个容器数(在恒定的夹带介质体积下)。单个容器不位于共同的集管内，而是单独操作。由于它们可由较大体积制成，并且在固定水平的化学处理生产量下仍提供足够的传热性质，容器数显著减少。容器在轴向流动方向较短，因为传热更有效，并且温度敏感的平衡受限的反应发生至较大和较期望的程度。催化剂、电催化剂或吸附剂的性能属性和组成以不明显的方式具体选择，以利用对于过程和容器的集合网络特定的增强的传输性质和介质内操作温度。
在一些实施方案中，用于高放热和高吸热反应/过程的微纤维反应器包含用高热导微米尺寸纤维制成的微纤维介质或由微纤维介质制成的组合件填充的反应管。流体垂直或接近垂直地通过反应器内的微纤维介质。热导微纤维介质将热量从流体传到反应器壁用于放热反应/过程，并从反应器壁传到流体用于吸热反应/过程。反应管由金属和其它热导材料制成，所述材料可以为但不限于金属、金属合金、C、Si、SiC。微纤维介质包含约1~25体积%微米尺寸纤维和0~60体积%催化剂或吸附剂/吸着剂材料。微米尺寸纤维为由具有高热导率的金属制成的纤维。这些金属可以为但不限于银、铜、铝、镍、铁、钛、铬和这些金属的金属合金。微米尺寸纤维为由具有高热导率的非金属材料制成的纤维。这些材料可以为但不限于C、Si和SiC。微米尺寸纤维的平均直径为约1~30微米，不过也可使用具有更大直径的纤维。催化材料为夹带的催化剂颗粒、微米尺寸纤维上的活性涂层和/或金属纤维本身的活性表面区域。吸附剂/吸着剂材料为夹带的吸附剂/吸着剂颗粒、微米尺寸纤维上的活性涂层和/或金属纤维本身。催化剂颗粒和吸附剂/吸着剂颗粒的平均直径为10~300微米，不过也可使用更小或更大的颗粒。催化剂颗粒和吸附剂/吸着剂颗粒为粉末、细粒、粒料、挤出物、环或其组合形式。在轴向流动方向的反应器中，微纤维介质为圆盘的堆叠的形式，在径向流动方向的反应器中为卷的形式，以便流动方向垂直或接近垂直于微纤维夹带的催化剂层。也可使用其它形状，如球、繁琐的粒料(fussy pellet)和其它复杂三维结构或其各种组合。微纤维介质的组合件包括不同形状和承载结构中的微纤维介质。承载结构保持和压缩微纤维介质，以附着到反应器壁，并帮助将微纤维介质装入反应器和从反应器卸出介质，尤其在反应器长时。对于高放热和高吸热反应/过程和需要精细温度控制和均匀温度分布的反应/过程，用微纤维夹带的催化剂填充的反应器提供改进的传热方式。微纤维夹带的催化剂将热量(产生或消耗的)从反应/催化剂区域传到外壁(例如，在管式反应器中)，在此用其它传热流体或措施去除/加入所需的热量，以便为高选择性和/或高体积反应性应用保持最佳反应器温度和温度分布。微纤维夹带的催化剂往/来发生吸热/放热反应的反应区域传热。放热反应/过程包括但不限于用于烃的费-托合成、甲烷化、甲醇生成和使用一氧化碳和氢的其它醇合成、气-液(GTL)、煤-液(CTL)过程、生物质-液(BTL)过程、烃部分氧化反应、氨合成、吸附、空气压缩等。吸热反应/过程包括但不限于蒸汽重整和氨分解、反应器冷却等。反应/过程包括均相和多相反应/过程两者。流体可以为气态和/或液态。在结构化催化剂材料中，催化剂或金属纤维或两者的体积负载跨过横截面或其它限定坐标系而空间分级，以最佳调节相对于催化剂表面的热量产生/去除的通过纤维的传热。其中选择纤维硬度、介质压缩性、纤维直径或其它物理方式来增加纤维数的结构化催化剂接触反应器的内壁，从而增加临界内壁传热系数。在多相反应性结构中，催化剂由化学吸着剂或吸收剂代替，吸着剂或吸收剂也用于吸热或放热化学分离过程。在反应过程期间消耗或产生的金属纤维夹带的化学反应剂容纳在传导性金属纤维基质内，以在化学反应过程期间达到适合和期望的温度。在通用反应器设计过程和反应器中，热量产生/去除材料和反应之比相对于传导性金属纤维的包含和分布而平衡，以更好地优化和改进过程的一般性能。在反应器设计过程中，优化的目标可包括以下一项或多项：最低年化操作成本、最高单程转化率、对期望产物的最大选择性、对不期望产物的最小选择性、最小和/或最轻反应器、用于反应器性能本身以及其它所需分离、循环流、产物规格等两者驱动的更复杂工艺流程图的最小和最轻设备平衡(包括其它工艺装置和装置操作的总和)。在结构化反应性材料中，单独反应器管数可显著减少，因为存在传导性纤维，可使它们直径更大(并且仍保持适当温度控制)。在结构化材料中，金属纤维由其它高热导率纤维代替，所述纤维包括：多晶金刚石、石墨、金刚石涂覆的纤维、碳化硅、蓝宝石和其它聚合物、无机物或复合物及其涂层。改进的化学反应过程控制的一般化方法通过一个或多个温度传感器或化学反应剂/产物组成传感器来完成，所述传感器嵌入反应性结构并且可用优化的反馈过程控制以达到和实现不同的过程优化目标。
在一些实施方案中，对于放热(或吸热)反应/过程，促进从容器外部传出(或传入)的内部填料包含由高热导微米尺寸纤维制成的微纤维介质或由微纤维介质制成的组合件制成。流体垂直或接近垂直地通过容器内的内部填料。填料促进传热。填料促进导电。填料可延展，以促进对本身和对容器内壁的良好内部接触。容器密封。容器为流通设计，或者定期打开，关闭，或者流在流速或流向上可变。容器为管形、长方形、圆锥形或者一些其它横截面种类或形状因数。容器作为用于吸附过程的容器。容器作为用于催化反应过程的容器。容器作为高效热交换器中的组件。容器作为散热器或相变热调节器。容器为电化学反应器的部分。容器作为静态混合器。容器由金属和其它热导材料制成，这些材料可以为但不限于金属、金属合金、C、Si、SiC和其它陶瓷。微纤维介质包含约1~25体积%微米尺寸纤维和0~60体积%催化剂或吸附剂/吸着剂材料作为固定相。填料和夹带相在空间上分级。微米尺寸纤维为由具有高热导率的金属制成的纤维。这些金属可以为但不限于银、铜、铝、镍、铁、钛、铬和这些金属的金属合金。纤维由具有高热导率的非金属材料制成。这些材料可以为但不限于C、Si、SiC、氮化铝和氮化硼。微米尺寸纤维为具有高电导率的纤维。微米尺寸纤维的平均直径为约1~30微米，不过也可使用具有更大直径的纤维。微米尺寸纤维具有不同直径。纤维在其接合点熔合，以促进传热或导电。催化材料包括夹带的催化剂颗粒、微米尺寸纤维上的活性涂层和/或金属纤维本身的活性表面区域。吸附剂/吸着剂材料包括夹带的吸附剂/吸着剂颗粒、微米尺寸纤维上的活性涂层和/或金属纤维本身。催化剂颗粒和吸附剂/吸着剂颗粒的平均直径为10~300微米，不过也可使用更小或更大的颗粒。催化剂颗粒和吸附剂/吸着剂颗粒为粉末、细粒、粒料、挤出物、环或其组合形式。纤维用于固定吸附剂。纤维用于固定催化剂。纤维用于固定电催化剂。纤维用于渗透相变介质。纤维和微纤维介质用于通过传导在流体和容器壁之间传热。纤维和微纤维介质用于促进流体和容器壁之间的传热。选择纤维和固定相的尺寸，以使压降最小化。选择纤维和固定相的尺寸，以促进高水平体积反应性。选择纤维直径和组成，以促进在容器内壁的高水平传热。选择纤维直径和组成，以促进在容器内壁高水平导电和低接触电阻。选择填料取向，以促进在具体方向的传热或导电。传导辅助物和固定相的体积分数可在宽范围内调节。优化纤维和固定相的直径、体积分数和组成，以提高单位压降的反应和/或吸附的速率。优化纤维和固定相的直径、体积负载和组成，以使在指定水平的体积反应性下在反应和/或吸附容器内的容器内温度梯度最小化。优化纤维和固定相的直径，以提高单位电阻的电化学反应速率。优化纤维和固定相的直径、体积负载和组成，以使在指定水平的体积反应性下的容器内电阻最小化。在轴向流动方向的反应器中，微纤维介质为圆盘的堆叠的形式，在径向流动方向的反应器中为卷的形式，以便流体流动方向垂直或接近垂直于微纤维夹带的催化剂层。也可使用其它形状，如球、繁琐的粒料和其它复杂三维结构或其各种组合。内部填料组合件包括堆叠或层叠于承载结构上的权利要求11所述的不同形状的微纤维介质。承载结构保持和压缩微纤维介质，以附着到反应器壁，并帮助反应器的装入、卸出或维护，尤其在容器长时。在内部填料组合件中，中间惰性机械层用于以所选的体积分数和机械载荷保持可延展填料。在内部填料组合件中，填料层以特定次序堆叠，以促进过程整合和过程强化。在内部机械填料层中，选择层内分布和切割模式，以促进内部填料内的流体接触、混合和规定的流体移动。设备结构用于安装不同的传感器，如热电偶、化学传感器、流量传感器、压力传感器和其它传感器。传感器的输出用于控制过程，以提高经济性、安全性、环境适应性和每单位体积、质量或能量输入的过程生产量。对于高放热和高吸热反应/过程和需要精细温度控制和均匀温度分布的反应/过程，用微纤维夹带的催化剂填充的反应器提供改进的传热方式。微纤维夹带的催化剂将热量(产生或消耗的)从反应/催化剂区域传到外壁(例如，在管式反应器中)，在此用其它传热流体或措施去除/加入所需的热量，以便为高选择性和/或高体积反应性应用保持最佳反应器温度和温度分布。微纤维夹带的催化剂往/来发生吸热/放热反应的反应区域传热。在容器中发生的过程的速率取决于温度。在容器中发生的过程的选择性取决于温度。内部填料帮助去除与吸附、解吸或稳态催化或电化学反应相关的放热量或吸热量。填料帮助去热，并减小与非稳态多相反应相关的热偏移，所述反应如催化剂再生、煅烧、氧化和自还原。放热反应/过程包括但不限于用于烃的费-托合成、甲烷化、甲醇生成和使用一氧化碳和氢的其它醇合成、气-液(GTL)、煤-液(CTL)过程、生物质-液(BTL)过程、烃部分氧化反应、氨合成、吸附、空气压缩等。吸热反应/过程包括但不限于蒸汽重整和氨分解、反应器冷却等。反应/过程包括均相和多相反应/过程两者。流体可以为气体、蒸气、液体、等离子体、经历相变的相和上述相的多相混合物。在结构化催化剂材料中，催化剂或金属纤维或两者的体积负载跨过横截面或其它限定坐标系而空间分级，以最佳调节相对于催化剂表面的热量产生/去除的通过纤维的传热。其中选择纤维硬度、介质压缩性、纤维直径或其它物理方式来增加纤维数的结构化催化剂接触反应器的内壁，从而增加临界内壁传热系数。在多相反应性结构中，催化剂由化学吸着剂或吸收剂代替，吸着剂或吸收剂也用于吸热或放热化学分离过程。在反应过程期间消耗或产生的金属纤维夹带的化学反应剂容纳在传导性金属纤维基质内，以在化学反应过程期间达到适合和期望的温度。在通用反应器设计过程和反应器中，热量产生/去除材料和反应之比相对于传导性金属纤维的包含和分布而平衡，以更好地优化和改进过程的一般性能。在反应器设计过程中，优化的目标可包括以下一项或多项：最低年化操作成本、最高单程转化率、对期望产物的最大选择性、对不期望产物的最小选择性、最小和/或最轻反应器、用于反应器性能本身以及其它所需分离、循环流、产物规格等两者驱动的更复杂工艺流程图的最小和最轻设备平衡(包括其它工艺装置和装置操作的总和)。在结构化反应性材料中，单独反应器管数可显著减少，因为存在传导性纤维，可使它们直径更大(并且仍保持适当温度控制)。在结构化材料中，金属纤维由其它高热导率纤维代替，所述纤维包括：多晶金刚石、石墨、金刚石涂覆的纤维、碳化硅、蓝宝石和其它聚合物、无机物或复合物及其涂层。改进的化学反应过程控制的一般化方法通过一个或多个温度传感器或化学反应剂/产物组成传感器来完成，所述传感器嵌入反应性结构并且可用优化的反馈过程控制以达到和实现不同的过程优化目标。填料内雷诺数低(小于20)，并且在非湍流的状态内。填料内雷诺数高(大于1500)，并且在湍流的状态内。催化剂、吸附剂或电催化剂的体积分数高于在填充床或单块设计的固定床反应器能达到的体积分数。反应水平和传热类似于流化床反应器，但没有回混存在。固定的固体反应性相的位置不取决于重力取向或流体速度相对于颗粒曳力。选择纤维的体积分数和直径，以夹带所选粒径的固体。容器允许每次通过或每次循环具有较高水平的化学转化率。容器允许每次通过具有较高水平的化学转化率，在内部填料内可能的温度梯度最低。填料堆叠或层叠于组装设备上，以帮助容器的填充、卸出或维护。中间惰性机械层用于以所选的体积分数和机械载荷保持可延展填料。填料层以特定次序堆叠，以促进过程整合和过程强化。选择层内分布和切割模式，以促进内部填料内的流体接触、混合和规定的流体移动。设备结构用于安装不同的传感器，如热电偶、化学传感器、流量传感器、压力传感器和其它传感器。传感器的输出用于控制过程，以提高经济性、安全性、环境适应性和每单位体积、质量或能量的过程生产量。
在一些实施方案中，设备在共同的集管内包含多个容器，并且类似于“管”和壳热交换器操作。容器不为管形，但遵照指定的形状因数。热量以并流方式传输。热量以逆流方式传输。通过使各容器更大，且仍由于提高的介质热导率而保持足够的热控制，可减少单个容器数(在恒定的夹带介质体积下)。单个容器不位于共同的集管内，而是单独操作。由于它们可由较大体积制成，并且在固定水平的化学处理生产量下仍提供足够的传热性质，容器数显著减少。容器在轴向流动方向较短，因为传热更有效，并且温度敏感的平衡受限的反应发生至较大和较期望的程度。催化剂、电催化剂或吸附剂的性能属性和组成以不明显的方式具体选择，以利用对于过程和容器的集合网络特定的增强的传输性质和介质内操作温度。
虽然全面描述了催化剂，但吸附剂、电催化剂和/或其它化学反应性材料也可在催化剂之外或代替催化剂使用。
本发明的另外目的和优点在以下详述中阐述，或者由以下详述对本领域普通技术人员显而易见。还应进一步了解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可根据本参考文献在本发明的不同实施方案和用途中对此处具体说明和讨论的特征和材料进行修改和变化。这些变化可包括但不限于用等价的方法、特征和材料代替所示或所讨论的那些，和不同的部件、特征的功能或位置逆转等。
应进一步了解，本发明的不同实施方案以及不同的目前优选的实施方案可包括目前公开的特征、要素或其等价的各种组合或配置(包括未在附图显示或在详述中说明的特征的组合或其配置)。
参考以下说明和附加权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。附图结合到本说明书中并形成本说明书的一部分，说明本发明的实施方案，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
现已根据结合细节的具体实施方案描述了本发明，以帮助了解本发明的结构和操作的原理。本文对具体实施方案及其细节的这些引用不旨在限制附加权利要求的范围。对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在选择用于说明的实施方案中可作出其它各种修改。

Claims (53)

1.一种系统，其包含：
a.容器；
b.内部填料，用于促进热量输入或输出所述容器，所述内部填料包含由热导纤维制成的微纤维介质，其中所述内部填料的取向经配置以促进在具体方向的传热或导电；和
c.在内部填料内含有的微纤维固定的过程和化学反应促进剂，其中微纤维夹带的过程和反应促进剂增加传热和导电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述纤维选自银、锌、铜、铝、镍、铁、钛和铬。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述热导纤维为微米尺寸。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述填料可延展，以促进对容器内壁的内部接触。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器密封。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器为流通设计，定期打开，关闭，或者流在流速或流向上可变。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器为管形、长方形或圆锥形。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器包括用于夹带的吸附剂的容器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器包括用于夹带的催化剂的容器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器用作高效热交换器中的组件。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器用作散热器或相变热调节器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述容器用作静态混合器。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述纤维包含高电导性。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述纤维配置用于固定吸附剂。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述纤维配置用于固定催化剂。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述纤维配置用于固定电催化剂。
17.根据权利要求1所述的系统，其中传导辅助物和固定相的体积分数在一定范围内调节。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述填料在空间上分级。
19.根据权利要求1所述的系统，其中纤维在其接合点熔合，以促进传热或导电。
20.根据权利要求1所述的系统，其中与填料接触的容器中的介质为液体、气体、液体和气体的双相混合物、液体的多相或液体和气体的多相。
21.根据权利要求1所述的系统，其中与填料接触的容器中的介质经历相变。
22.根据权利要求1所述的系统，其中在容器中发生的过程的选择性取决于温度。
23.根据权利要求1所述的系统，其中所述热导纤维堆叠成层。
24.根据权利要求1所述的系统，其中填料帮助传热，并减小与非稳态多相反应相关的热偏移，所述反应包括催化剂再生、煅烧、氧化和自还原。
25.根据权利要求1所述的系统，其中将填料堆叠或层叠于组装设备上，以帮助容器的填充、卸出或维护。
26.根据权利要求1所述的系统，其中内部填料配置用于安装一个或多个传感器，包括热电偶、化学传感器、流量传感器或压力传感器。
27.一种容器，所述容器含有：
a.由热导纤维制成的微纤维介质；和
b.在微纤维介质内含有的微纤维固定的过程和化学反应促进剂，其中微纤维介质和微纤维夹带的过程和反应促进剂增加传热和导电，且其中所述微纤维介质的取向经配置用于促进在具体方向的传热或导电。
28.根据权利要求27所述的容器，其中所述过程和反应促进剂是催化剂或吸附剂。
29.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维配置用于固定吸附剂。
30.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维配置用于固定催化剂。
31.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维为非金属。
32.根据权利要求27所述的容器，其中所述热导纤维为微米尺寸。
33.根据权利要求27所述的容器，其中所述微纤维介质可延展。
34.根据权利要求27所述的容器，其中流体垂直或接近垂直通过容器内的微纤维介质，并且热导微纤维介质将热从流体传到容器壁用于放热反应/过程，并从容器壁传到流体用于吸热反应/过程。
35.根据权利要求27所述的容器，其中所述微纤维介质配置为由金属、金属合金、碳、硅和碳化硅中的至少一种制成的管。
36.根据权利要求27所述的容器，其中所述微纤维介质包含催化剂。
37.根据权利要求36所述的容器，其中所述微纤维介质包含1-25体积％纤维和0-60体积％催化剂。
38.根据权利要求36所述的容器，其中所述催化剂包含直径10-300微米的颗粒。
39.根据权利要求36所述的容器，其中所述催化剂的形式为挤出物、环或其组合。
40.根据权利要求36所述的容器，其中所述微纤维介质在轴向流动方向的容器中为圆盘的堆叠，在径向流动方向的容器中为卷，以便流动方向垂直或接近垂直于介质的层。
41.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维由具有高热导率的金属制成。
42.根据权利要求41所述的容器，其中所述金属选自银、锌、铜、铝、镍、铁、钛、铬及其金属合金。
43.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维由具有高热导率的非金属材料制成，所述材料选自碳、硅、碳化硅、氮化铝和氮化硼。
44.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维包含1-30微米的直径。
45.根据权利要求27所述的容器，其中所述纤维为选自多晶金刚石、石墨、金刚石涂覆的纤维、碳化硅、蓝宝石和其它聚合物、无机物、复合物及其涂层的热导率纤维。
46.根据权利要求27所述的容器，所述容器还包含与容器耦合的一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器用于对过程进行控制。
47.根据权利要求27所述的容器，其中容器的尺寸由于在径向提高的介质传导性而保持足够的热控制。
48.根据权利要求27所述的容器，其中所述过程和反应促进剂是吸附剂。
49.根据权利要求27所述的容器，其中所述过程和反应促进剂是化学反应性材料。
50.根据权利要求36所述的容器，其中所述催化剂的形式为细粒。
51.根据权利要求36所述的容器，其中所述催化剂的形式为粉末、粒料或其组合。
52.根据权利要求36所述的容器，其中所述催化剂的形式为挤出物。
53.根据权利要求36所述的容器，其中所述催化剂的形式为环。
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