CN110650793A - 包括梯变的多孔结构的用于流体通流的装置 - Google Patents

Abstract

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％。

Description

包括梯变的多孔结构的用于流体通流的装置

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。

根据一方面，所述多孔结构包括沿某一方向(称为梯度方向)的孔隙率梯度。所述梯度方向有利地与所述整体流动方向交叉。所述梯度方向有利地位于垂直于所述整体流动方向的平面中。

根据另一方面，所述孔隙率梯度沿所述梯度方向在靠近所述壁的第一位置处的第一孔隙率与相比于所述第一位置远离所述壁的第二位置处的第二孔隙率之间增大。有利地，所述第一孔隙率(体积孔隙率，以百分比表示)与所述第二孔隙率(体积孔隙率，以百分比表示)之间的差值为至少4％、有利地为至少5％、有利地为至少6％，所述第二孔隙率有利地大于所述第一孔隙率。

已经观察到，包括上述类型的多孔结构的装置允许在多孔结构的内部部分与多孔结构的靠近容器壁的周缘部分之间改善传导性热传递。由于所述多孔结构在容器壁附近更密，因此热量可以在多孔结构的内部部分与容器壁之间更好地传递。这有利于沿两个方向的热传递，即，既有利于从流体中排出热量，又有利于将热量添加到流体中。此外，已经观察到，与具有更大的一致的孔隙率的结构相比，这种孔隙率梯度仅较小地影响穿过结构的流动阻力。

应指出的是，上述孔隙率梯度可以与沿其他方向的孔隙率梯度结合以提供改善的结果。举例来说，所述多孔结构可以另外设置沿容器中的流动方向的孔隙率梯度，特别是从入口朝向出口减小的孔隙率的孔隙率梯度。

根据本发明的第二方面，提供了一种如所附权利要求中阐述的上述类型的装置的用途。此类装置可以用作化学反应器，特别是用于如二氧化碳到甲烷的催化转化等的放热反应。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明的各方面，其中，相同的附图标记表示相同的特征，并且在附图中：

图1表示根据本发明的各方面的用于流体通流的装置的纵向截面视图，包括具有流体入口和流体出口的容器、以及包括布置在容器中的多孔结构，流体被配置成流动穿过所述多孔结构；

图2表示可以放置在图1所描绘的容器中的多孔结构的示例；

图3表示用于获得可以放置在容器中的多孔结构的纤维堆叠的替代性方式；

图4以纵向截面视图表示图1的装置，其中描绘了根据本发明的各方面的多孔结构在径向方向上的孔隙率梯度；

图5表示根据本发明的各方面的用于图4的多孔结构的第一纤维部署方案，其中在中心区域的孔隙较大，而朝向周缘的孔隙较小；

图6表示根据图5的方案制成的多孔结构的俯视图，其中纤维层平行于图平面；

图7表示具有与图5中相同的纤维部署方案但具有棱柱形状的多孔结构的俯视图；

图8表示根据本发明的各方面的用于图4的多孔结构的第二纤维部署方案，其中在中心区域的孔隙较大，而朝向周缘的孔隙较小；

图9表示根据图5的方案在纤维部署中限定的单位孔隙单元；

图10表示具有四个相同四分部的截面的多孔结构的俯视图，其中每个四分部具有根据图5的纤维部署方案；

图11表示不同种类的催化剂载体的二氧化碳转化率与温度的关系图；

图12表示放热反应的典型温度沿着布置有催化结构的反应器的轴向方向的变化曲线的图；

图13表示不同的多孔结构在不同流速下的压降实验结果。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明的各方面的装置10的典型设计，所述装置可以是化学(连续流)反应器或热交换器。装置10包括容器11，虽然不必须、但有利地，所述容器除了流体入口12和流体出口13之外是封闭的。流体入口和流体出口的位置不是特别重要。但是，它们的位置限定了从入口12朝向出口13的流体整体流动方向14。容器11可以具有如圆柱形或棱柱形等任何形状。

有利地整体的多孔结构15布置在容器11中，其方式为使得从入口12进入容器的流体在到达出口13之前流动穿过所述多孔结构15。因此，多孔结构15的孔隙是互相连通的。多孔结构15可以完全或部分地填充容器11。在此类配置中，在流体与结构15和容器11的固体材料之间的热传递将主要通过传导进行，对流和辐射的贡献较小。来自这些不同的热传递机理的贡献可以取决于例如结构几何形状和反应温度。因此，多孔结构15有利地与容器11的壁111处于良好的热接触，这可以通过将结构15适当地固定或附接到壁111而获得。因此，多孔结构15有利地固定在容器11中。适当的热传递器件可以集成或附接到容器壁，例如冷却或加热通道112、或加热/冷却翅片(未示出)。

合宜地指出，本发明的各方面不限于上述类型的装置，并且可以设想到其他形状的热交换装置，例如，在用附接有多孔结构的壁来代替容器的情况下，多孔结构在至少三侧、有利地在五侧上敞开以供流体流动。

结构15有利地是高度多孔的，以使穿过容器11的压降最小化。高度多孔的整体结构可以由公知的增材制造技术(诸如三维纤维沉积、三维粉末沉积或类似的固体自由成形制造技术)获得。在最典型的情况下并且参考图2，多孔结构15被构建为层151、152、153等的堆叠，每层由纤维16或细丝的布置形成。这些纤维或细丝可以作为糊状物被从喷嘴挤出(三维纤维沉积就是这种情况)，或者可以从粉末层开始被三维打印，所述粉末层例如可以选择性地被熔化(选择性激光烧结)、或选择性地用粘合剂结合(三维打印)。

三维纤维沉积(3DFD)(也被称为直写成型(direct-writing)或者自动注浆成型(robocasting))包括通过细喷嘴挤出加载有金属颗粒或陶瓷颗粒的、有利地高粘度的糊状物。在这种情况下，所述糊状物包括粉末(诸如金属粉末或陶瓷粉末、或两者的组合)、有机结合剂、可选地流变改性剂以及可选地无机结合剂(诸如胶状结合剂)。通过在x、y和z方向上的计算机控制的移动，逐层构建所述多孔架构。典型地，x和y方向是指层的平面，而z方向是层的堆叠方向(垂直于层的平面的方向)。此过程可能涉及多个喷嘴或单个喷嘴。通过上述过程获得的生坯件可以按一个或两个步骤进行后处理：可选的干燥步骤，然后烧结。烧结可以在真空条件下进行，或者例如在惰性或还原性气氛中进行，以便在金属的情况下避免氧化。烧结之后，获得高度可再现的且周期性的多孔结构。过程变量包括喷嘴开口(纤维厚度或直径)、喷嘴类型(纤维形状)、纤维间距离(孔隙尺寸)以及层的堆叠(架构)。可以控制纤维的微孔隙率和表面粗糙度。用于三维纤维沉积的设备典型地包括具有喷嘴的糊状物贮存器，所述糊状物贮存器安装在具有三轴或更多轴的数字控制式装置上，例如，XYZ工作台或CNC机床。设备上可以安装多个喷嘴，以加快相似件的生产。

相继各层的纤维16有利地沿彼此横向的方向延伸，并且同一层内的纤维有利地间隔开。由此可以获得高度多孔的结构。有利地、但不必须地，各纤维以有序的方式布置。举例来说，同一层内的纤维16可以是平行的、在圆中同心、从共同的中心径向延伸或者成螺旋形地延伸。

有利的多孔结构15可以包括从结构的一端(例如，入口端154)延伸到结构的相对端(例如，出口端155)的纵向通道。这些纵向通道可以是直的或曲折的。可以通过使在纤维相互平行的那些层中的纤维错开来限定曲折度，如例如在图3中所示。纵向通道的尺寸、部署和互相连通性在很大程度上限定了穿过多孔结构的通量和压降。

图2的结构通过由两个相继的层构成的重复的样式形成。一层中的各纤维垂直于另一层中的各纤维。在构建方向上重复所述样式，而不使各纤维错开，即，相应的纤维在构建方向(竖直方向)上对齐。图3的结构通过由四个相继的层构成的重复样式形成。相继层的纤维彼此垂直，并且同一层内的纤维彼此平行。与图2的样式不同，在具有相互平行的纤维的那些层中纤维是错开的。即，层34的纤维相对于层32的纤维错开。层31的纤维和层33的纤维可以错开或可不错开。合宜地指出，通过改变错开的距离可以获得更多的结构。

根据一方面，在多孔结构15中提供孔隙率梯度。即，沿着某一方向(称为梯度方向)，孔隙率发生改变、并且因此结构15的密度也发生改变。梯度方向有利地位于横向于流动方向14的平面中，例如垂直于或倾斜于流动方向的平面中。参考图4，在结构15中应用了在与流动方向14正交的方向17上的孔隙率梯度。方向17可以是径向方向。举例来说，结构15的中心区域156设置有孔隙率P1。结构15的周缘区域158设置有可与孔隙率P1不同的孔隙率P3。区域156和158之间的中间区域157可以设置有孔隙率P2，其中孔隙率P2与孔隙率P1和孔隙率P3不同。根据一方面，孔隙率沿着方向17从中心区域156中的较高孔隙率P1(因此从结构15的较低密度)改变到周缘区域158中的较低孔隙率P3(因此到结构15的较高密度)。有利地，孔隙率梯度是孔隙率朝向结构15的周缘减小的梯度。换句话说，P1>P2>P3。

已经观察到，朝向多孔结构15的周缘减小孔隙率改善了多孔结构的中心区域与容器壁111之间的热传递。由此，例如由于放热反应、在中心区域中产生的热量可以被更好地消散，从而导致中心区域中的温度降低，因而避免催化剂失活。同样地，在朝向流动穿过多孔结构15的流体进行热传递的情况下，周缘区域的减小的孔隙率和因而增加的密度将允许朝向中心区域的增加高的热通量。因此，所述优点不仅适用于化学反应器，而且主要适用于在流体与装置(例如热交换器)之间传递热量的所有装置。

增材制造技术允许容易且有效地制作具有期望的孔隙率梯度的整体结构。对于由纤维的布置构建而成的多孔结构，获得孔隙率梯度的最简单方式是改变一些或所有层内的各(平行的)纤维之间的间距。图5中示出了一个示例，示出了从与各层正交的方向观察的纤维的部署。在图5中，同一层内的纤维彼此平行设置，并且相继层的纤维51和52彼此正交。可以观察到，在每一层中，相邻纤维之间的间距从结构的中心朝向周缘(即在正交于纤维的纵向轴线的方向上)减小。这种纤维部署的示例在图6中示出为圆柱形结构、在图7中示出为棱柱形结构。还可以考虑在两个或更多个交替层中的仅一个层中的相邻纤维之间的间距改变的替代方案，例如，参考图5，可以设想到以如图所示的改变的(梯变的)间距来布置纤维51，而布置在交替层中并且与纤维51交叉延伸的纤维52将以恒定的间距布置。

在以上附图中，可以观察到，孔隙具有沿着从内部区域朝向周缘的方向减小的尺寸。在这方面，孔隙可以被视为由纤维在所有侧界定的单元，如图9所示。

替代地或附加地，可以通过纤维(例如螺旋形纤维、锯齿形纤维等)的适当部署方式来获得孔隙率梯度。图8示出了纤维布置的一个示例，其中纤维81成螺旋形地设置在一个层中。在相继层中，纤维82可以彼此平行地设置，或者根据任何其他有序的部署来设置。根据本发明的一个方面，螺旋形纤维81具有在相邻螺旋圈之间的、朝向结构的周缘减小的间距。同样在这些纤维部署下，在结构的内部区域中将存在较大的孔隙，而朝向周缘将存在较小的孔隙。

图10示出了根据本发明的各方面的、纤维的又一种可能的布置。在此，所述多孔结构的截面划分成四个四分部101-104，并且图5的方案应用于这四个四分部中的每一个四分部。因此，本发明的各方面还设想到一种孔隙率梯度，其中，孔隙率从结构的任何适当的内部区域朝向周缘减小。

根据本发明的各方面，沿梯度方向的孔隙率(以百分比表示)的差值(即，变化)为至少4％、有利地为至少5％、有利地为至少6％、有利地为至少8％、有利地为至少10％。换句话说，假设孔隙率在沿梯度方向的第一位置处为P1(％)，并且在第二位置处为P2(％)，则孔隙率的差值ΔΡ(％)＝P1-P2。所述梯度可以从靠近壁的在40％与85％之间、有利地在50％与75％之间的孔隙率改变到在远离壁的位置处的在45％与90％之间、有利地在55％与80％之间的孔隙率。

可以基于图9中所示出和限定的单位孔隙单元90的几何形状来确定局部孔隙率。堆叠系数c是指相继层的纤维之间的互相穿入深度。例如在构建三维纤维沉积结构期间，但与其他增材制造工艺类似地，通过在前一层顶面开始新的层时增加小于纤维直径的量的(竖直的)构建高度来获得堆叠系数。纤维直径可以通过材料的截面的光学显微镜或扫描电子显微镜成像来确定，并且主要由三维纤维沉积设备的喷嘴直径、打印条件以及烧结时的收缩率确定。堆叠系数c可能受到糊状物成分(例如粘度)、纤维厚度、纤维间距离以及如温度和湿度等打印条件的影响。堆叠系数对纤维的机械强度和热导率有很大影响，而且还影响大孔隙率和大孔隙的互相连通性。在下面给出的示例中，c～0.068mm是借助于扫描电子显微镜成像测量的。进一步，a＝M-n是纤维直径(mm)，n是纤维间距离(mm)，且M是两根纤维之间的轴线中心间距(mm)。单元的大孔隙率(P，％)可以如下计算，其中SSA是比表面积(SSA，mm²/mm³)，S_c是两根相连的纤维的表面积的损失(mm²)，S_f是两根纤维的表面积(mm²)，V_单元是单位单元体积(mm³)，并且V_纤维是纤维体积(mm³)：

S_f＝πMa(mm²)

V_单元＝2(a-c)M²(mm³)

其中V_c是具有相同纤维直径a的两根纤维的相交部的体积。

V_c取决于堆叠系数c。堆叠系数c可以处于0≤c≤a的范围内。当c＝a时，V_c是“牟合方盖(Steinmetz solid)”。因此，

当c为0<c<a时，可以采用圆锥体积来简化V_c的计算，其是真实的椭圆锥体积的近似值。假设圆锥体积：

V_c＝2V_圆锥

本说明书中对孔隙率的提及涉及大孔隙率(macroporosity)，例如纤维之间的孔隙率，而忽略纤维的孔隙率或纤维内的孔隙率。有利地，大孔隙具有直径为至少10μm的孔隙尺寸，有利地为至少25μm的孔隙尺寸、有利地为至少50μm、有利地为至少100μm的孔隙尺寸。根据本发明的各方面的结构中的绝对(大)孔隙率值不受到特别限制。有利值在40％与90％孔隙率之间、有利地在50％与80％之间。根据本发明方面的多孔结构的平均(大)孔隙率值有利地在50％与80％之间、有利地在55％与75％之间。

在根据本发明的各方面的多孔结构中，纤维的直径a有利地在20μm与20mm之间的范围内、有利地在40μm与10mm之间的范围内、有利地在60μm与5mm之间的范围内，其中，有利值是80μm、100μm、200μm、400μm、600μm、800μm、1mm、2mm。所述结构的同一层内的所有纤维典型地具有相同的直径，并且纤维直径在所述结构的所有层中可以是相同的。例如在同一层内，纤维间距离n可以在0μm与50mm之间变化，有利地在10μm与25mm之间变化、有利地在25μm与10mm之间变化、有利地在50μm与5mm之间变化、有利地在100μm与2.5mm之间变化，有利地小于或等于1.5mm、或者小于或等于1mm。纤维间距典型地在一个层内变化，以获得孔隙率梯度。堆叠系数c可以在0与纤维直径a之间变化，有利地0.01a≤c≤0.99a，有利地0.02a≤c≤0.90a，有利地0.03a≤c≤0.50a，有利地0.05a≤c≤0.20a。有利地，比率c/a为至少0.075、至少0.1、至少0.125、至少0.15。堆叠系数典型地在一个层内是恒定的，并且可以在各层之间变化。

在图6和图7中，指明了局部孔隙率的值。在这两个图中，在层的平面中存在径向孔隙率梯度。在中心与周缘之间的孔隙率变化达到8％。

合宜地指出，纤维本身可以包括微孔隙率(microporosity)，例如孔隙尺寸小于如上所指明的大孔隙尺寸的孔隙率。微孔隙纤维可以通过例如在2009年3月5日的WO2009/027525中描述的使纤维经受相转化过程而获得。微孔隙纤维可以是有利的，这是因为如催化涂层等涂层在所述纤维上有更好的粘附性。(微孔隙)纤维另外是实心纤维，即，这些纤维有利地不是中空的。

制造根据本发明的各方面的多孔结构的材料包括金属、陶瓷和复合材料，特别是那些具有良好的热导率的材料。在旨在用作催化载体的多孔结构中，可以例如通过将催化剂与用于挤出纤维的糊状物混合将催化剂加入结构中。合适的材料和催化剂例如在2016年9月30日提交的PCT/EP 2016/073443中进行了描述。其他合适的材料例如在2009年3月5日公开的VITO NV的WO 2009/027525和2011年6月2日公开的Beall等人的US 2011/0129640中进行了描述。

示例1：反应转化率

在通过实验的CO₂甲烷化反应中，将如图6所示的梯变结构(平均(大)孔隙率66％，并且孔隙率根据等式1计算出的从中心的72％的孔隙率到周缘64％变化)与具有一致的(大)孔隙率(分别是70％和74％)的三维纤维沉积整体结构和填充床常规催化剂粉末进行比较。通过激光衍射法测得催化剂粉末具有D₉₀粒径为25μm(即，颗粒的90％体积具有小于或等于25μm的尺寸)。甲烷化或二氧化碳催化转化为甲烷(氢化作用)也称为萨巴捷反应(Sabatier reaction)。这个反应是众所周知的催化高放热过程(ΔΗ_298k＝-165kJ/mol)。具有74％孔隙率的三维纤维沉积结构是通过用直径(相当于纤维直径a)为0.4mm的喷嘴挤压包含不锈钢粉末的纤维、如图2所示以一层内相邻纤维之间1mm的恒定间距n的纤维堆叠而制成。除了n＝0.8mm之外，用与74％结构相同的工艺参数制造具有70％孔隙率的结构。通过浸涂用12wt％的Ni/Al₂O₃催化剂来涂覆不锈钢结构。使用石英管式反应器(直径24mm，长度100mm)，所述反应器装配有K型热电偶，所述热电偶安装在石英管的入口侧和出口侧，以进行连续的温度测量。催化剂填充在反应器的中间，并且用石英棉固定。反应器放置在炉的中间。为了公平地比较具有不同的大孔隙率的样品，用于每个实验使用相同量的催化剂。在进行反应测试之前，在H₂/He(80/20％)的连续流下以100ml/min的总速率和450℃的温度(加热速率10℃/min)在大气压下持续2小时激活催化剂。还原后，在连续的氦气流下将炉的温度调整到反应温度。在大气压下在250℃与450℃之间的温度下进行甲烷化反应。以100ml/min的总速率将二氧化碳和氢气与氦气载气一起连续送入反应器中，其中进料组成为CO₂:H₂:He＝1:4:15。

图11示出了CO₂甲烷化反应的转化率结果。可以看出温度显著影响二氧化碳的转化率。在高于约340℃的温度下，所有三维纤维沉积结构化催化剂均显示出比粉末状催化剂(约66％)更高的转化率(最高达90％)，而在较低的温度下，仅梯变结构显示出提高的CO₂转化率。这可以通过其增加的热传递性能来解释。具有梯变孔隙率的结构化催化剂显示出在350℃下约85％的CO₂转化率，而均匀孔隙率结构化催化剂和粉末状催化剂分别显示出约72％和71％的CO₂转化率。

如图12所示，沿着反应器的轴向方向(流动方向14)的放热反应的典型温度曲线将改变，其中温度从入口端升高到在入口与出口之间的某处的最高温度，然后是温度随轴向距离增大而减小的区域。可以从图11的结果得出的重要结论是，梯变多孔结构将允许入口区中更快的反应。同时，在结构15的内部部分与壁111之间的提高的热导率的区提供更好的排热(在放热反应的情况下)。只要反应未通过有效的排热达到热力学平衡，这就有助于使吉布斯自由能(Gibbs free energy)(ΔG)保持负值。因此，反应器中的最高温度将更低，这是因为已经发生了部分反应。这允许更容易地控制温度保持在这样的温度以下，当高于该温度时催化剂将失活。另一个重要的优点是更有效地利用多孔结构(并因而有效利用催化剂)的体积，使得对于相同体积的催化结构，可以增加流体通流。

另外，提供具有在所述结构的邻近反应器容器壁的周缘区的较高密度的孔隙率梯度将允许增加热量向壁的排放。所得的较低温度将不会不利地影响转化率，这是因为根据本文呈现的各方面的梯变结构允许在这些较低温度下有较高的转化率。

示例2：压降

使用电子微压力计测量通过不同种类的多孔结构的压降Δp随表观速度的函数。研究了三种结构：填充有直径3mm的氧化铝的结构、与示例1中的一种相同的梯变结构、以及具有与示例1中的一种相同的具有74％一致的孔隙率的结构。

将空气用作流动气体，在室温下进行实验。样品(直径20mm，长度20mm)集中在直径21mm的管中。样品用铁氟龙(Teflon)胶带绷带包裹，以防止旁路流动。管的入口覆盖有玻璃棉，以使流动均匀。在样品的顶部和底部处的具有4mm直径的两个孔连接到微压力计。压力计的精度为±0.05Pa。入口流率由质量流量控制器控制。空气表观速度的范围是在0.1m/s与2.7m/s之间。

图13示出了不同速度下的压降实验结果。观察到的是，压降随着样品的(大)孔隙率的降低而增加。尽管平均(大)孔隙率相比于均匀的74％(大)孔隙率较低，但是梯变孔隙率样品显示出显著的低压降。

Claims (17)

1.一种用于流体通流的装置(10)，所述用于流体通流的装置包括：

容器(11)，所述容器包括壁(111)、流体入口(12)以及流体出口(13)，其中所述流体入口和所述流体出口限定整体流动方向(14)，以及

具有互相连通的孔隙的多孔结构(15)，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，其中，所述多孔结构联接到所述壁(111)以在所述多孔结构与所述壁之间提供热传导，并且其中，所述多孔结构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，

其特征在于，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)与在第二位置(156)处的第二孔隙率(P1)之间增大，所述第二位置相对于所述第一位置而言远离所述壁，并且所述第二孔隙率大于所述第一孔隙率，在所述第二孔隙率与所述第一孔隙率之间的差值为至少4％。

2.如权利要求1所述的用于流体通流的装置，其中，所述第一方向在垂直于所述整体流动方向的平面中延伸。

3.如权利要求1或2所述的用于流体通流的装置，其中，所述第二孔隙率与所述第一孔隙率之间的差值为至少6％。

4.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述多孔结构沿所述整体流动方向具有一致的孔隙率。

5.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述多孔结构具有在50％与80％之间的平均孔隙率。

6.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述第一孔隙率在40％与85％之间，并且所述第二孔隙率在45％与90％之间。

7.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述多孔结构包括沿所述整体流动方向的第二孔隙率梯度。

8.如权利要求7所述的用于流体通流的装置，其中，所述第二孔隙率梯度包括从所述流体入口(12)朝向所述流体出口(13)减小的孔隙率。

9.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述多孔结构包括附接至彼此的纤维(16)的布置，其中所述纤维被布置在平行层(151，152，153)中，所述层是堆叠的。

10.如权利要求9所述的用于流体通流的装置，其中，所述纤维具有在20μm与20mm之间的直径。

11.如权利要求9或10所述的用于流体通流的装置，其中，相继层的纤维互相穿入，其中，所述相继层的纤维之间的穿入深度(c)与所述纤维的直径(a)之间的比率在0.1与0.5之间。

12.如权利要求9至11中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，同一层的相邻纤维之间的间距(n)在10μm与50mm之间。

13.如权利要求12所述的用于流体通流的装置，其中，至少一个层中的纤维之间的间距在所述第一位置与所述第二位置之间变化，以获得所述孔隙率梯度。

14.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述用于流体通流的装置是热交换器。

15.如前述权利要求中任一项所述的用于流体通流的装置，其中，所述用于流体通流的装置是化学反应器。

16.如权利要求15所述的用于流体通流的装置，其中，所述多孔结构包括催化剂。

17.一种如权利要求15或16所述的用于流体通流的装置的用途，其中，所述用于流体通流的装置用于将二氧化碳转化为甲烷。

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