CN114390946A - 将填充部件插入反应装置中的夹具 - Google Patents

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CN114390946A CN201980100389.8A CN201980100389A CN114390946A CN 114390946 A CN114390946 A CN 114390946A CN 201980100389 A CN201980100389 A CN 201980100389A CN 114390946 A CN114390946 A CN 114390946A
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Abstract

一种夹具(60)，用于将填充部件(催化剂(50)、传热促进体(55))插入于在一个方向延伸的反应装置(1)的流路(第一流路(11)、第二流路(21))中或用于从流路拔出填充部件，其具备：一对带部(61、61)，其具有比流路长的长度，相互平行地延伸；以及多个连结部(62)，其具有一对带部(61、61)在其间夹持填充部件的长度，在一对带部(61、61)的延伸方向上排列并且连结一对带部(61、61)。

Description

将填充部件插入反应装置中的夹具
技术领域
本公开涉及用于进行设置于反应装置的流路的催化剂等的填充部件的插入、拔出的夹具。
背景技术
热交换型的反应装置通过利用热介质加热或冷却含有反应原料的反应流体，进行(促进)反应流体的反应。这样的反应装置例如具备热交换部，该热交换部具有使反应流体流通的反应流路和使热介质流通的热介质流路。在反应流路内，有时为了促进反应而设置催化剂。作为设置催化剂的方法，有将粉体、颗粒的填充、壁面负载等直接设置在反应流路内的方法、使负载有催化剂的结构体插入反应流路内的方法。
若在将反应场的体积保持为恒定的基础上减小反应流路的截面积(流路截面)，则每单位体积的反应流体与催化剂的接触面积(比表面积)提高。因此，能够提高传热效率，提高反应速度、收率。专利文献1公开了一种旨在使流路截面变小的同时，简化流路内的催化剂的更换作业的反应装置。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本特开2007-237044号公报
发明内容
[发明所要解决的课题]
在反应流路中设置有催化剂的反应装置中，通过长时间的运转，催化剂容易固着于反应流路的内表面。特别是在催化反应在高温下进行的情况、伴有发热的情况下，由于反应流路的材质、催化剂的相互扩散，催化剂的固着被促进。若催化剂固着于反应流路，则催化剂的拔出变得困难。特别是，在被称为压实器或微反应器的反应装置中，反应流路的截面积为数mm2～数十mm2左右，因此反应流路的内表面相对于催化剂的尺寸的接触面积比较大。因此，在这样的反应装置中，固着的催化剂的拔出变得更加困难。另外，在这样的装置中，反应流路的数量高达数百至数千，因此，也需要顺利地进行催化剂的向反应流路中的插入。
因此，本公开的目的在于提供一种容易进行设置于反应装置的流路的催化剂等的填充部件的插入、拔出的夹具。
[用于解决课题的手段]
本公开的一个方式是一种夹具，用于将填充部件插入于在一个方向上延伸的反应装置的流路中，或者从所述流路中拔出所述填充部件。本发明的夹具的要旨在于，具备：一对带部，其具有比所述流路长的长度，相互平行地延伸；以及多个连结部，其具有所述一对带部在其间夹持所述填充部件的长度，在所述一对带部的延伸方向上排列，并且连结所述一对带部。
各所述带部也可以包括设置为所述延伸方向上的一端的前端部和设置为所述延伸方向上的另一端的基端部。上述前端部也可以以接近对方的带部的方式倾斜。所述多个连结部可以包括：多个第一连结部，其位于所述前端部侧，在所述一对带部的所述延伸方向上隔开比所述填充部件长的间隔而设置；以及至少一个第二连结部，其位于比所述多个第一连结部更靠所述基端部侧。各所述第一连结部也可以与各带部的宽度方向上的中央连接。各所述第二连结部也可以在各带部的宽度方向上与从中央偏离的位置连接。所述至少一个第二连结部中的至少一个在所述一对带部中可以位于从所述流路露出的部分。所述一对带部和所述多个第一连结部可以形成开口在与所述一对带部延伸的平面正交的方向上的框。所述框的开口面积可以大于面向所述框的所述填充部件的截面积。上述流路可以是使反应流体流通的反应流路，上述填充部件可以是催化剂。
[发明的效果]
根据本公开，能够提供一种容易进行设置于反应装置的流路的催化剂等的填充部件的插入、拔出的夹具。
附图说明
图1是表示一实施方式的反应装置的侧视图。
图2是图1中的A-A线剖视图。
图3是图1中的B-B线剖视图。
图4是表示一实施方式的热交换部的一部分的立体剖视图。
图5是表示一实施方式的催化剂的一个例子的立体图。
图6是表示一实施方式的导热促进体的一个例子的立体图。
图7(a)是一实施方式的夹具的俯视图，图7(b)是图7(a)所示的夹具的侧视图。
图8是表示夹具向流路的插入及之后的状态的图。
图9(a)～图9(f)是表示连结部的多个例示性的实施方式的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。另外，在各图中共用的部分标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
图1是表示本实施方式的反应装置(催化反应器)1的侧视图。图2是图1中的A-A线剖视图。图3是图1中的B-B线剖视图。图4是表示本实施方式的热交换部2的一部分的立体剖视图。
反应装置1通过包含反应原料的反应流体与热介质之间的热交换对反应流体进行加热或冷却，从而进行(促进)反应流体的反应。反应装置1具备热交换部2。热交换部2具备第一热传导体10、第二热传导体20和盖板30。第一热传导体10、第二热传导体20以及盖板30是由具有耐热性的热传导性材料形成的平板状部件，具有能够承受反应流体R流通时产生的高内压的充分的厚度。
第一热传导体10具有使反应流体流通的流路(以下称为第一流路)11。另一方面，第二热传导体20具有使热介质流通的流路(以下，称为第二流路)21。第一热传导体10和第二热传导体20交替层叠，在其最上部设置盖板30。
通过上述的层叠，第一流路11和第二流路21经由第一隔壁13或第二隔壁23相互相邻(参照图4)。换言之，第一流路11和第二流路21在第一热传导体10和第二热传导体20的层叠方向上以不接触的状态相邻。
热交换部2具有反应流体和热介质在彼此相反的方向上流动的相向流型的构造。在第一流路11上以能够装卸的方式设置有作为填充部件的催化剂50(参照图5)。同样地，在第二流路21上以能够装卸的方式设置有作为填充部件的传热促进体55(参照图6)。另外，在它们的设置和拆卸中，使用反应装置1用的夹具60(参照图7)。另外，导热促进体55也可以不根据反应装置1的规格而设置。
热交换部2由第一热传导体10和第二热传导体20的至少一组构成。另外，为了提高热交换的性能，也可以增加各导热体的数量。考虑热交换部2的设计条件、导热效率等设定形成于各导热体的流路的数。进而，为了抑制由来自热交换部2的散热引起的热损失，壳体或绝热材料也可以覆盖热交换部2的周围。
作为层叠体的热交换部2的两端由固定部件32、33保持。在固定部件32上安装有反应流体导入部34。反应流体导入部34是呈凹状弯曲的盖体，在其与热交换部2之间形成空间S1。在空间S1开口有多个第一流路11的第一导入口12(参照图2)。换言之，第一导入口12在面向反应流体导入部34的热交换部2的侧面(端面)2a开口。反应流体导入部34具有用于导入反应流体R的第一导入管36。反应流体R经由第一导入管36流入各第一流路11。
反应流体导入部34以能够装卸或可开闭的方式设置于固定部件32。通过该装卸等，例如，作业人员能够进行催化剂50相对于第一流路11的插入、拔出。
生成物排出部41是具有1个开放面的箱状部件。生成物排出部41以该开放面与第一热传导体10的第一排出口18对准的方式设置于热交换部2。另外，生成物排出部41具有第一排出管42。第一排出管42排出包含来自反应流体R的生成物的反应气体P。
在固定部件33上安装有热介质导入部35。热介质导入部35与反应流体导入部34同样地为弯曲成凹状的盖体，在其与热交换部2之间形成空间S2。在空间S2开口有多个第二流路21的第二导入口22。换言之，第二导入口22在面向热介质导入部35的热交换部2的侧面(端面)2b开口。热介质导入部35具有导入热介质M的第二导入管37。热介质M经由第二导入管37流入各第二流路21。
热介质导入部35以能够装卸或可开闭的方式设置于固定部件33。通过该装卸等，例如，作业者能够进行导热促进体55相对于第二流路21的插入、拔出。
热介质排出部43与生成物排出部41同样，也是具有1个开放面的箱状部件。热介质排出部43以该开放面与第二热传导体20的第二排出口28对准的方式设置于热交换部2。另外，热介质排出部43具有第二排出管44。第二排出管44排出在热交换部2中流通的热介质M。
如图2所示，第一热传导体10具有包含反应区域的多个第一流路11。在第一流路11中，将其中间部分作为主要的反应区域。第一流路11接收在后述的第二热传导体20内的第二流路21中流通的热介质的热而使反应流体R反应，生成包含来自反应流体R的生成物的反应气体P。
第一流路11是形成于第一热传导体10的一个面(在本实施方式中为上表面)的槽。该槽具有宽度w1和高度h1的矩形的截面(参照图4)，以长度d1的长度(参照图2)向一个方向延伸。第一流路11从位于固定部件32侧的第一导入口12朝向固定部件33呈直线状延伸。如图2所示，多个第一流路11并列排列。
第一导热体10包括第一隔壁13、2个第一侧壁14、多个第一中间壁15以及第一端壁16。第一侧壁14、第一中间壁15以及第一端壁16设置于第一隔壁13的一个面。第一隔壁13是矩形的壁部，规定第一热传导体10的整体形状。第一侧壁14是设置在第一流路11的延伸方向的两侧的壁部。多个第一中间壁15是位于2个第一侧壁14之间且与各第一侧壁14并列设置的壁部。
第一端壁16是隔着第一流路11设置于与第一导入口12相反的一侧，沿第一流路11的排列方向延伸的壁部。第一端壁16阻止反应气体P向空间S2流入。
第一热传导体10具有沿着第一端壁16延伸的第一连接流路17。第一连接流路17与所有的第一流路11连通，并且与第一排出口18连通。与第一流路11相同，第一连接流路17也是使反应流体R、反应气体P流通的流路，两者没有实质上的差异。
如图3所示，第二热传导体20具有多个第二流路21。第二流路21将热介质M的热供给第一热传导体10。
第二流路21是形成于第二热传导体20的一个面(在本实施方式中为上表面)的槽。该槽具有宽度w1和高度h1的矩形的截面(参照图4)，以长度d1的长度(参照图3)向一个方向延伸。第二流路21从位于固定部件33侧的第二导入口22朝向固定部件32呈直线状延伸。如图3所示，多个第二流路21并列排列。另外，第一流路11以及第二流路21的宽度、高度以及长度可以不同。
第二热传导体20包括第二隔壁23、2个第二侧壁24、多个第二中间壁25以及第二端壁26。第二侧壁24、多个第二中间壁25以及第二端壁26设置于第二隔壁23的一个面。即，它们设置于与相对于第一隔壁13设置第一侧壁14等的面相同的面。第二隔壁23是矩形的壁部，规定第二热传导体20的整体形状。第二侧壁24是设置于第二流路21的延伸方向的两侧的壁部。多个第二中间壁25是位于2个第二侧壁24之间且与各第二侧壁24并列设置的壁部。
第二端壁26是隔着第二流路21而设置于与第二导入口22相反的一侧，并沿第二流路21的排列方向延伸的壁部。第二端壁26阻止热介质M向空间S1流入。
第二热传导体20具有沿着第二端壁26延伸的第二连接流路27。第二连接流路27与所有的第二流路21连通，并且与第二排出口28连通。
热交换部2可以作为液-液型热交换器、气-气型热交换器及气-液型热交换器中的任一种而使用。反应流体和热介质可以是气体和液体中的任一种。另外，本实施方式的反应装置1能够进行由吸热反应、放热反应等各种热反应实现的化学合成。作为这样的由热反应实现的合成，例如有基于式(1)所示的甲烷的水蒸气重整反应、式(2)所示的甲烷的干式重整反应这样的吸热反应、式(3)所示的转化反应、式(4)所示的转亚反应、式(5)所示的费托(Fischer tropsch)合成反应等发热反应实现的合成。需要说明的是，这些反应中的反应流体为气体。
CH4+H2O→3H2+CO...(1)
CH4+CO2→2H2+2CO...(2)
CO+H2O→CO2+H2...(3)
CO+3H2→CH4+H2O...(4)
(2n+1)H2+nCO→CnH2n+2+nH2O...(5)
热介质优选不腐蚀反应装置1的构成原材料的物质。在使用加热气体作为热介质的情况下，能够使用燃烧气体、加热空气等气体状物质。热介质例如也可以是水、油等液状物质。
图5是表示本实施方式的催化剂50的一个例子的立体图。催化剂50设置于第一流路11，促进反应流体中的反应。如图5所示，催化剂50具有规定整体形状的基材51和形成(担载)于基材51的表面的催化剂层52。基材51具有高度h2、宽度w2及进深d2的箱体状的外形，以收纳于第一流路11。另外，基材51具有确保与反应流体的大的接触面积的形状。因此，如图5所示，基材51例如由形成箱体状的外形的波纹板构成。另外，基材51不限于波纹板，也可以是具有沿着反应流路形成的多个贯通路的多孔质体等构造体。
催化剂层52包含对促进化学反应的进行有效的活性金属作为主要成分。作为活性金属，例如可举出Ni(镍)、Co(钴)、Fe(铁)、Pt(铂)、Ru(钌)、Rh(铑)、Pd(钯)等，可以使用1种，或者只要对反应进程有效，也可以将多种组合使用。
基材51具有耐热性，由能够担载催化剂的材料形成。作为这样的材料，有以Fe(铁)、Cr(铬)、Al(铝)、Y(钇)、Co(钴)、Ni(镍)、Mg(镁)、Ti(钛)、Mo(钼)、W(钨)、Nb(铌)、Ta(钽)等金属中的1种或多种为主要成分的耐热合金。例如，也可以对Fecloy(注册商标)等耐热合金制的薄板状结构件进行成形加工而构成催化剂50。
图6是表示本实施方式的导热促进体55的一个例子的立体图。导热促进体55设置于第二流路21，促进热介质与第二导热体20之间的导热。如图6所示，导热促进体55具有与催化剂50相同尺寸的外形，以收纳于第二流路21。即，导热促进体55具有高度h2、宽度w2以及进深d2的箱体状的外形。另外，导热促进体55具有使热介质与第二导热体20之间的接触面积增加的形状。因此，如图6所示，导热促进体55例如由形成箱体状的外形的波纹板构成。需要说明的是，与催化剂50的基材51同样地，导热促进体55不限于波纹板，也可以是具有沿着热介质流路形成的多个贯通路的多孔质体等构造体。导热促进体55由铝、铜、不锈钢、铁类镀覆钢等导热性材料形成。
接着，对夹具60进行说明。
图7(a)是本实施方式的夹具60的俯视图，图7(b)是图7(a)所示的夹具60的侧视图。图8是表示夹具60向流路的插入及其之后的状态的图。夹具60是用于将填充部件插入反应装置1的流路中、或者从该流路拔出该填充部件的工具。流路是指上述第一流路11或第二流路21。另外，填充部件是指上述的催化剂50或导热促进体55。
以下，列举夹具60针对催化剂50的插入、拔出被设计的例子进行说明。即，该例子的夹具60夹持(保持)多个催化剂50(参照图8)。但是，在被夹持的填充部件是导热促进体55的情况下，在以下的说明中，将与催化剂50有关的部件替换为与导热促进体55有关的部件即可。例如，将催化剂50替换为传热促进体55，将第一流路11替换为第二流路21即可。
如图7所示，夹具60具备相互平行地延伸的一对带部61、61和在一对带部61、61的延伸方向上排列并且连结一对带部61、61的多个连结部62。带部61、61是长条形，宽度窄、且厚度薄的平板状部件。带部61、61由韧性、耐热性和耐腐蚀性优异的材料形成。这样的材料例如是镍基合金等的超合金。
如图2和图4所示，第一流路11是长度d1、宽度w1、高度h1的细长的棱柱状空间。如图8所示，夹具60与多个催化剂50一起设置在该第一流路11内。因此，夹具60具有比宽度w1小的外宽w3和比高度h1低的高度h3。但是，夹具60具有比长度d1长的长度L。长度L例如设定为1m。长度L相对于长度d1的剩余长度是任意的。例如，考虑插入时及拔出时的作业性，设定在数mm～数十mm的范围内。
带部61、61向一个方向延伸。该方向相当于第一流路11的延伸方向。带部61、61具有比第一流路11(长度d1)长的长度(参照图8)。带部61、61具有规定夹具60的高度h3的宽度。即，带部61、61的宽度与夹具60的高度h3相等。另外，带部61、61具有设定为小于第一流路11的宽度w1与催化剂50的宽度w2之差的一半的厚度。
连结部62是在与一对带部61、61的延伸方向交叉的方向上延伸的棒状部件。连结部62为了抑制与反应流体的流动的干涉，将夹具60的截面的尺寸设定为比高度h3充分小的值。另外，连结部62具有一对带部61、61在其间夹持催化剂50的长度。该长度与夹具60的内宽度w4(即，一对带部61、61的彼此的对置面之间的距离)相等。各连结部62具有相同的长度，因此夹具60具有梯子那样的外观。另外，连结部62由与带部61、61相同的材料形成。
一对带部61、61在其间夹持催化剂50。各连结部62散布在夹具60的延伸方向上，将夹具60的内宽w4维持在允许的带部61、61的挠曲的范围内。因此，如图8所示，夹具60能够将沿延伸方向排列的多个催化剂50一并夹持(保持)。
在一并夹持多个催化剂50的状态下，夹具60被插入到第一流路11内的期望的位置。换言之，容易将多个催化剂50插入第一流路11。另外，通过该插入，夹具60的一部分位于第一流路11内，并且多个催化剂50排列于第一流路内的适当的位置。即，能够相对于1个第一流路11将多个催化剂50一并设置于适当的位置。另外，仅通过将夹具60从第一流路11拉出，也能够将多个催化剂50从第一流路11一并拔出。
如图7(a)所示，各带部61包括作为延伸方向上的一端而设置的前端部61a和作为延伸方向上的另一端而设置的基端部61b。前端部61a也可以以接近对方的带部61、61的方式倾斜。即，夹具60的前端也可以具有由前端部61a的倾斜形成的锥形形状。如图8所示，夹具60在将前端部61a朝向第一流路11的第一导入口12的状态下插入第一流路11。前端部61a的倾斜抑制夹具60与第一流路11的过度的摩擦、不需要的碰撞(抵接)，辅助夹具60的插入。
如图7(a)所示，多个连结部62包括多个第一连结部63和至少一个第二连结部64。第一连结部63位于带部61、61的前端部61a侧(夹具60的前端侧)。第二连结部64位于比第一连结部63靠带部61、61的基端部61b侧(夹具60的基端侧)的位置。
第一连结部63也可以在一对带部61、61的延伸方向上隔开间隔d3地设置。间隔d3比催化剂50的进深d2稍长。在该情况下，一对带部61、61和多个第一连结部63形成在与一对带部61、61延伸的平面正交的方向上开口的框65。即，若将第一流路11(第二流路21)的排列方向设为X方向，将第一流路11(第二流路21)的延伸方向(长度方向)设为Y方向，将第一热传导体10与第二热传导体20的层叠方向设为Z方向(参照图4及图7)，则框65位于XY平面，且沿Z方向开口。
框65的开口面积大于面向框65的催化剂50的截面积。即，催化剂50收纳在该框65内，并且被一对带部61、61夹持。因此，在催化剂50的插入时，催化剂50被第一连结部63按压并在第一流路11内移动。另一方面，催化剂50不能从框65朝向X方向和Y方向脱离。因此，能够容易且准确地一并执行多个催化剂50的定位。另外，在催化剂50的拔出时，催化剂50与第一连结部63抵接。因此，能够可靠地将所有的催化剂50一并拔出。
如上所述，框65的开口面积大于面向框65的催化剂50的截面积。即，在第二隔壁23(参照图3)与催化剂50之间，本实施方式的夹具60不具有与热介质和催化剂50之间的热的流动发生干扰的结构。因此，能够抑制由保持催化剂50的结构引起的热介质与催化剂50之间的热阻的增大。
第一连结部63也可以与各带部61、61的宽度方向上的中央连接。由此，第一连结部63与催化剂50可靠地抵接。因此，将反应流体引起的位置偏移停留在框65内，能够防止从第一流路11脱离。另外，在插入和拔出时，能够使催化剂50可靠地移动。
第二连结部64也可以连接于在各带部61、61的宽度方向上从中央偏离的位置。例如如图7(b)所示，第二连结部64也可以与各带部61、61的宽度方向上的端部(缘部)连接。由此，能够维持一对带部61、61的形状，并且能够降低第二连结部64对热介质的流动的干扰。
第二连结部64的至少一个也可以位于在一对带部61、61中从第一流路11露出的部分。即，如图8所示，在将夹具60与催化剂50一起插入到第一流路11内的期望的位置的状态下，第二连结部64的至少一个也可以从第一流路11(热交换部2)向外部露出。露出到外部的第二连结部64与一对带部61、61一起形成由工具(未图示)等把持的手柄部、或者钩挂的钩部。通过用工具等把持或勾挂该部分而将夹具60从第一流路11拉出，能够高效地拔出催化剂50。特别是，当第一流路11的数量增加时，该效果变得显著。
图9(a)～9(f)是表示连结部62(第一连结部63、第二连结部64)的多个例示性的实施方式的图。如图9(a)所示，连结部62也可以由2个带状(棒状)部件66、66构成。在该情况下，各带状部件66具有：主体部66a，其在一对带部61、61之间延伸；以及基部66b，其设置于主体部66a的两端，与主体部66a呈直角且向一个方向延伸。
一个带状部件66以基部66b、66b的前端朝向第一流路11的延伸方向的一侧的状态配置，另一个带状部件66以基部66b、66b的前端朝向第一流路11的延伸方向的另一侧的状态配置。另外，主体部66a、66a相互紧贴。各带状部件66的基部66b通过焊接等固定于对应的带部61、61。另外，如图9(b)所示，也可以在将基部66b配置成与第一流路11的延伸方向正交的状态下，固定带状部件66、66。
如图9(c)所示，连结部62也可以由圆棒等棒状部件构成。在该情况下，棒状部件的各端部通过压入等与形成于各带部61、61的槽部61c嵌合。另外，如图9(d)所示，棒状部件的各端部也可以通过焊接固定于各带部61、61。
如图9(d)所示，连结部62也可以由从一对带部61、61分别分支的2个支部61d、61d构成。在该情况下，2个支部61d、61d在相互重合的状态下被焊接而一体化。另外，如图9(f)所示，支部61d也可以仅设置于一对带部61、61中的一方。在该情况下，从一方的带部分支的支部61d的前端通过焊接等固定于不具有支部61d的另一方的带部。
此外，本公开并不限定于上述的实施方式，而是由权利要求书的记载来表示，还包括与权利要求书的记载等同含义及范围内的所有变更。

Claims (7)

1.一种夹具，用于将填充部件插入于在一个方向上延伸的反应装置的流路中，或者用于将所述填充部件从所述流路中拔出，其特征在于，具备：
一对带部，其具有比所述流路长的长度，相互平行地延伸；以及
多个连结部，其具有所述一对带部在其间夹持所述填充部件的长度，在所述一对带部的延伸方向上排列，并且连结所述一对带部。
2.根据权利要求1所述的夹具，其特征在于，
各所述带部包括：
作为所述延伸方向上的一端而设置的前端部；以及
作为所述延伸方向上的另一端而设置的基端部，
所述前端部以接近对方的带部的方式倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的夹具，其特征在于，
所述多个连结部包括：
多个第一连结部，其位于所述前端部侧，且在所述一对带部的所述延伸方向上隔开比所述填充部件长的间隔而设置；以及
至少一个第二连结部，其位于比所述多个第一连结部更靠所述基端部侧。
4.根据权利要求3所述的夹具，其特征在于，
各所述第一连结部与各带部的宽度方向上的中央连接。
5.根据权利要求3所述的夹具，其特征在于，
各所述第二连结部与在各带部的宽度方向上从中央偏离的位置连接。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的夹具，其特征在于，
所述至少一个第二连结部中的至少一个位于在所述一对带部中从所述流路露出的部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的夹具，其特征在于，
所述流路是使反应流体流通的反应流路，所述填充部件是催化剂。
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