JP7146798B2 - 段階的多孔性構造体を備える流体の通過流のためのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、流体が通過して流れ、熱伝達が流体との間で起こるデバイスに関する。非限定的な用途は、熱交換器および化学反応器である。

フィッシャー－トロプシュ合成（ＦＴＳ）、メタン水蒸気改質、メタン生成、メタノール合成、および燃焼反応などの発熱反応および吸熱反応は、有用な化学物質の生産にとって重要な反応である。これまで、触媒反応が、従来の触媒物質と共に、固定床反応器および流動床反応器において幅広く研究されてきた。充填床反応器は、最も一般的に使用される反応器の種類である。充填床反応器の主な欠点は、触媒床におけるホットスポットの形成、および、熱管理の問題（熱伝達の限界など）である。ホットスポットは、焼結および炭素堆積をもたらし、これらは活性部位の量における低下をもたらす。前述の限界に加えて、圧力損失および物質伝達は、効率的な反応についての限界パラメータである。

近年、構造化された触媒反応器は、前述の限界（主に、温度の規制の限界、不十分な温度制御による規模拡大の限界、触媒の失活、および圧力損失）を克服することに大きな興味が引かれている。その例のうちの１つは、より良好な熱伝達特性のため、付加製造によって作られる金属のモノリスなど、金属に基づいて構造化された触媒の使用である。これらの材料は、触媒を含む様々な反応物質が不動とさせられるミクロンの大きさとされた高度に伝導性の繊維から作られる。マイクロファイバ材料は、温度制御を可能にし、高度な吸熱／発熱の化学反応の範囲のために均一な温度プロフィールを提供する。構造化されたモノリスの１つの利点は、気孔率および細孔の大きさの分配が制御され得ることである。これは、固有の大きい細孔の大きさの分配を有する充填床または発泡材料などとは対照的である。

３Ｄ粉末印刷から高度に多孔性の三次元（３Ｄ）のセラミック物品を作ることが、２０１１年６月２日のＢｅａｌｌらへの米国特許出願公開第２０１１／０１２９６４０号から知られている。物品は、約４８％～６７％の見掛けの気孔率を有することができ、流れの用途に使用することができる。３Ｄ物品は、壁（例えば、固体、多孔性、または外被で覆われる）と、周辺におけるより大きいセルから中心近くのより小さいセルへと減少する段階的または漸進的とされた寸法を有する多孔性格子間隔を例えば有し得るマクロ気孔率を有するハニカム状の内部とを有して構築でき、これは、周辺での圧力損失に対抗するために径方向のプロフィールを作り出すことができる。この文献は、このような段階的とされた構造が流頭を均一化または均等化し、このような流れの用途における触媒または径方向の灰の分配の向上した利用をもたらすために使用することできることを記載している。

米国特許出願公開第２０１１／０１２９６４０号 ＷＯ２００９／０２７５２５ ＰＣＴ／ＥＰ２０１６／０７３４４３

大きな表面積、大きなマクロ気孔率、向上した熱および物質の伝達は、発熱および／または吸熱の過程のための効率的な反応器を設計するために重要である。しかしながら、上記の反応器は、反応器におけるホットスポット形成および触媒の失活に関する問題を解決していない。同じ理由が熱交換器にも当てはまり、所与の体積ついての熱伝達は最大化されるべきである。

本発明の一目的は、伝導性の熱交換が起こる流体流れデバイスにおける単位体積当たりの熱伝達を最大化することである。本発明の一目的は、このような流体流れデバイスにおいて熱伝達の効率を向上させることである。

また、本発明の一目的は、特に化学反応器において、ホットスポット形成および／または触媒の失活に関する問題に対処することである。

したがって、本発明の第１の態様によれば、添付の特許請求の範囲において提示されているようなデバイスが提供される。本デバイスは、壁と、流体入口と、流体出口とを備える容器を備える。本デバイスは、容器において流体入口と流体出口との間に配置される多孔性構造体をさらに備える。多孔性構造体は、相互に連結された細孔を備える。したがって、流体入口および流体出口は、多孔性構造体を通る全体的な流れ方向を定める。多孔性構造体は、有利には、壁に（熱的に）結合される。これは、多孔性構造体と壁との間に熱伝導を有利に提供する。さらなる手段が、壁と、例えば外部にあるさらなる媒体との間での熱伝達のために提供されてもよい。壁は、固体の壁とすることができ、この固体の壁は、有利には非多孔性であり、および／または、有利には流体に対して不浸透性である。あるいは、壁は多孔性とすることができる。

一態様によれば、多孔性構造体は、勾配方向と称される方向に沿って気孔率勾配を備える。勾配方向は、有利には、全体的な流れ方向に対して交差する。勾配方向は、有利には、全体的な流れ方向に対して垂直な平面にある。

別の態様によれば、気孔率勾配は、壁に近接した第１の場所における第１の気孔率と、第１の場所と比較して壁から離れた第２の場所における第２の気孔率との間で、勾配方向に沿って発達する。有利には、第１の気孔率（百分率で表された体積気孔率）と第２の気孔率（百分率で表された体積気孔率）との間の差は、少なくとも４％であり、有利には少なくとも５％であり、有利には少なくとも６％であり、有利には第２の気孔率は第１の気孔率より大きい。

上記の種類の多孔性構造体を含むデバイスが、多孔性構造体の内側部分と、容器の壁に近い多孔性構造体の周辺部分との間に向上した伝導性の熱伝達を可能にすることが、観察されている。熱が、容器の壁に近接してより高密度の多孔性構造体のため、多孔性構造体の内側部分と容器の壁との間でより良好に伝達され得る。これは、両方向において、つまり、熱を流体から排出するためと熱を流体に加えるためとの両方において、熱伝達にとって有益である。さらに、このような気孔率勾配が、より大きい一様な気孔率を有する構造体と比較して、構造体を通じての流れ抵抗に些細な形のみで影響を与えることが、観察されている。

上記の気孔率勾配が、向上した結果を提供するために、他の方向に沿っての気孔率勾配と組み合わされてもよいことは、留意されるべきである。例として、多孔性構造体には、具体的には、入口から出口に向かって減少する気孔率を有するものといった、容器における流れの方向に沿っての気孔率勾配が追加的に提供されてもよい。

本発明の第２の態様によれば、添付の特許請求の範囲において提示されているような上記の種類のデバイスの使用が提供される。このようなデバイスは、具体的には、メタンへの二酸化炭素の触媒変換などの発熱反応のために、化学反応器として使用することができる。

ここで、本発明の態様が、同じ参照符号が同じ特徴を図示している添付の図面を参照して、より詳細に記載される。

容器が流体入口と流体出口とを有し、流体が通って流れるように構成される多孔性構造体が容器に配置されている、本発明の態様による流体の通過流のためのデバイスの長手方向の断面図である。 図１において示された容器に置かれ得る多孔性構造体の例を示す図である。 容器に置かれ得る多孔性構造体を得るために繊維を積み重ねる代替の手法を示す図である。 本発明の態様による径方向における多孔性構造体の気孔率勾配が示されている、図１のデバイスの長手方向の断面図である。 より大きい細孔が中心領域にあり、より小さい細孔が周辺に向かっている、本発明の態様による図４の多孔性構造体のための第１の繊維配列スキームを示す図である。 繊維層が図の平面と平行である、図５のスキームに従って作られた多孔性構造体の上面図である。 図５と同じ繊維配列スキームによるが、角柱の形を有する多孔性構造体の上面図である。 より大きい細孔が中心領域にあり、より小さい細孔が周辺に向かっている、本発明の態様による図４の多孔性構造体のための第２の繊維配列スキームを示す図である。 図５のスキームに従った繊維配列において定められているような単位細孔セルを示す図である。 図５の繊維配列スキームに従った繊維配列スキームを各々の四分円が有する、４つの同一の四分円を伴う断面を有する多孔性構造体の上面図である。 異なる種類の触媒担体についての温度に対する二酸化炭素変換のグラフである。 触媒構造体が配置されている反応器の軸方向に沿った発熱反応の典型的な温度プロフィールのグラフである。 異なる流れ速度における異なる多孔性構造体の圧力損失の実験結果の図である。

図１は、化学（連続流れ）反応器または熱交換器であり得る、本発明の態様によるデバイス１０の典型的な設計を示している。デバイス１０は容器１１を備え、容器１１は、有利には、流体入口１２および流体出口１３を除いて、必ずではないが閉じられている。流体入口および流体出口の位置は特に重要ではない。しかしながら、それらの位置は、入口１２から出口１３に向かう全体の流体流れの方向１４を定める。容器１１は、円筒または角柱など、任意の形を有し得る。

有利には一体の多孔性構造体１５が、入口１２から容器に入る流体が出口１３に到達する前に多孔性構造体１５を通って流れるような方法で容器１１の内側に配置される。そのため、多孔性構造体１５の細孔は相互に連結されている。多孔性構造体１５は容器１１を完全または部分的に満たしてもよい。このような構成では、流体と構造体１５の固体材料および容器１１との間の熱伝達が、対流および放射からの寄与はそれほど重要でなく、伝導によって主に行われることになる。熱伝達のこれらの異なる機構からの寄与は、例えば構造的な形状および反応温度に依存する可能性がある。そのため、多孔性構造体１５は、容器１１の壁１１１との良好な熱接触において有利であり、その熱接触は、壁１１１への構造体１５の適切な固定または付着によって得ることができる。そのため、多孔性構造体１５は容器１１において有利に不動とされている。冷却または加熱の通路１１２、または加熱／冷却フィン（図示せず）など、適切な熱伝達手段が容器の壁に一体化または付着されてもよい。

本発明の態様が上記の種類のデバイスに限定されないことに留意することは都合がよく、例えば、多孔性構造体が付着される壁によって容器が置き換えられ、多孔性構造体が少なくとも３つ、有利には５つの側面において流体流れのために開放している他の形の熱交換デバイスが、企図されてもよい。

構造体１５は、有利には、容器１１を通じての圧力損失を最小限にするために、高度に多孔性である。一体の高度な多孔性構造体は、三次元繊維堆積、三次元粉末堆積、または同様の固体自由造形技術など、よく知られている付加製造技術によって得ることができる。ほとんどの典型的な場合では、図２を参照すると、多孔性構造体１５は層１５１、１５２、１５３などの積み重ねとして積み上げられ、各々の層は繊維１６またはフィラメントの配置から形成される。これらの繊維またはフィラメントは、３－Ｄ繊維堆積での場合として、ノズルからペーストとして押し出され得る、または、例えば選択的に融解させられ得る（選択的レーザー焼結）か、もしくは接着剤で選択的に結合され得る粉末層から始まって、３－Ｄ印刷され得る（３－Ｄ印刷）。

３Ｄ繊維堆積（３ＤＦＤ： ３Ｄ Ｆｉｂｒｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ダイレクトライティングまたはロボキャスティングとも呼ばれる）は、金属またはセラミックの粒子が加えられた有利には非常に粘性のペーストの細いノズルを通じての押し出しを含む。この場合、ペーストは、金属粉末もしくはセラミック粉末、または金属粉末とセラミック粉末との組み合わせ、有機結合剤、任意選択でのレオロジー改質剤、および、コロイド状結合剤などの任意選択での無機結合剤などの粉末を含む。ｘ方向、ｙ方向、およびｚ方向におけるコンピュータ制御された移動によって、多孔性構造体が層ごとに積み上げられる。ｘ方向およびｙ方向は典型的には層の平面を言及しており、ｚ方向は層の積み重ねの方向（層の平面における垂直）である。この処理は、複数のノズルまたは単一のノズルを伴う可能性がある。上記の処理によって得られる未加工部が、１つまたは２つのステップ、つまり、任意選択の乾燥ステップと、続く焼結とにおいて後処理され得る。焼結は、例えば金属の場合における酸化を回避するために、真空条件の下で、または、不活性もしくは還元の雰囲気において、実行され得る。焼結の後、高度に再現可能で周期的な多孔性構造体が得られる。プロセス変量には、ノズル開口（繊維の太さまたは直径）、ノズルの種類（繊維の形）、繊維間距離（細孔の大きさ）、および層の積み重ね（構造体）が含まれる。繊維の微孔構造および表面粗さは制御され得る。３ＤＦＤのための機器は、例えばＸＹＺテーブルまたはＣＮＣ機械といった３つ以上の軸の数値制御で装置に搭載される、ノズルを伴うペースト貯留部を典型的には備える。複数のノズルが、同様の部品の生産を加速させるために機器に搭載され得る。

連続した層の繊維１６は、有利には相互に横断方向に沿って延び、同じ層内の繊維は、有利には離間される。結果として、高度に多孔性の構造体を得ることができる。繊維は、有利には、必ずではないが秩序ある様態で配置される。例として、同じ層内の繊維１６は、平行とできるか、円において同心とできるか、共通の中心から径方向に延びることができるか、または、螺旋状とできる。

有利な多孔性構造体１５は、構造体の一端（例えば、入口端１５４）から構造体の反対の端（例えば、出口端１５５）へと延びる長手方向の通路を備え得る。これらの長手方向の通路は真っ直ぐまたは蛇行であり得る。蛇行は、例えば図３に示されているように、繊維が相互に平行である層において繊維を互い違いにすることで定められ得る。長手方向の通路の大きさ、配列、および相互連結性は、多孔性構造体を通じての流動および圧力損失を広い範囲で定める。

図２の構造体は、２つの連続した層から成る繰り返しパターンによって形成されている。１つの層における繊維は、他の層における繊維に対して垂直である。パターンは、繊維を互い違いにすることなく積み上げ方向において繰り返され、つまり、対応する繊維が積み上げ（鉛直）方向において並べられる。図３の構造体は、４つの連続した層から成る繰り返しパターンによって形成されている。連続した層の繊維は互いに対して垂直であり、同じ層内の繊維は互いと平行である。図２のパターンと異なり、繊維は、相互に平行な繊維を有するそれらの層において互い違いとされている。つまり、層３４の繊維は層３２の繊維に対して互い違いにされている。層３１および３３の繊維は、互い違いにされてもよく、または、互い違いにされなくてもよい。多くのさらなる構造体が、互い違いの距離を変えることによって得ることができることを留意することは、都合がよい。

一態様によれば、気孔率勾配が多孔性構造体１５において提供されている。つまり、勾配方向と称される方向に沿って、気孔率、延いては、構造体１５の密度が、変化するように作られている。勾配方向は、有利には、例えば、流れの方向１４に対して垂直または斜めの平面といった、流れの方向１４に対して横断する平面にある。図４を参照すると、流れの方向１４に対して直交する方向１７における気孔率勾配が、構造体１５では適用されている。方向１７は径方向であり得る。例として、構造体１５の中心領域１５６には気孔率Ｐ１が提供される。構造体１５の周辺領域１５８には、Ｐ１と異なり得る気孔率Ｐ３が提供されている。領域１５６と１５８との間の中間領域１５７には気孔率Ｐ２が提供でき、Ｐ２はＰ１およびＰ３と異なる。一態様によれば、気孔率は、中心領域１５６における構造体１５のより大きい気孔率Ｐ１、したがって、より小さい密度から、周辺領域１５８における構造体１５のより小さい気孔率Ｐ３、したがって、より大きい密度へと、方向１７に沿って変化する。有利には、気孔率勾配は、気孔率が構造体１５の周辺に向かって減少するものである。別の言い方をすれば、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３である。

多孔性構造体１５の周辺に向かって減少する気孔率が多孔性構造体の中心領域と容器の壁１１１との間の熱伝達を向上することが、観察されている。結果として、例えば発熱反応のため、中心領域において発生した熱がより良好に消散でき、中心領域において温度の低下をもたらし、したがって触媒の失活を回避する。同様に、多孔性構造体１５を通って流れる流体に向かっての熱伝達の場合、周辺領域の低減した気孔率、したがって、増加した密度は、中心領域に向かう熱流束の向上を可能にする。そのため、述べられた利点は、化学反応器に当てはまるだけでなく、流体と、例えば熱交換器といったデバイスとの間で、熱が伝達されるすべてのデバイスに主に当てはまる。

付加製造技術は、所望の気孔率勾配を有する一体の構造体を容易に効果的に作ることを可能にする。繊維の配置から現れる積み上げられた多孔性構造体について、気孔率勾配を得る最も容易な方法は、一部または全部の層内において（平行な）繊維同士の間の間隔を変化させることによるものである。一例が図５に示されており、層に対して直交する方向から見たときの繊維の配列を示している。図５では、同じ層内の繊維が互いと平行に配列されており、連続した層の繊維５１と５２とは互いに対して直交している。各々の層において、隣接する繊維同士の間の間隔が、構造体の中心から周辺に向かって、つまり、繊維の長手方向の軸に対して直交する方向において縮小されていることが、観察され得る。このような繊維配列の例は、円筒の構造体については図６に示されており、角柱の構造体については図７に示されている。例えば図５を参照して、隣接する繊維同士の間の間隔が、２つ以上の交互に並ぶ層のうちの１つだけにおいて変化する代替のスキームが企図されてもよく、交互の層に配置され、繊維５１に対して交差して延びる繊維５２が一定の間隔で配置される一方で、繊維５１を示されているような変化する（段階的な）間隔で配置することが企図できる。

上記の図では、細孔が、内側領域から周辺に向かう方向に沿って縮小する大きさを有することが、観察され得る。この点において、細孔は、図９に示されているように、繊維によってすべての側において画定されたセルとして見なすことができる。

代替または追加で、気孔率勾配は、例えば、螺旋状の繊維、ジグザグの繊維など、繊維の適切な配列の手法を通じて得ることができる。図８は、繊維８１が１つの層において螺旋状に配列されている繊維配置の一例を示している。連続した層では、繊維８２は、互いと平行に、または、任意の他の指名された配列に従って、配列できる。本発明の一態様によれば、螺旋状の繊維８１は、構造体の周辺に向かって、隣接する螺旋の周回同士の間に縮小していく間隔を有する。同じくこれらの繊維配列であれば、構造体の内側領域においてより大きい細孔があり、周辺に向かってより小さい細孔がある。

本発明の態様による繊維のまた別の可能な配置は、図１０に示されている。ここでは、多孔性構造体の断面は、４つの四分円１０１～１０４に分割されており、図５のスキームが４つの四分円の各々に適用されている。そのため、本発明の態様は、構造体の任意の適切な内側領域から周辺に向かって減少する気孔率を有する気孔率勾配も企図している。

本発明の態様によれば、勾配方向に沿っての気孔率（百分率として表される）における差（つまり、変化）は、少なくとも４％であり、有利には少なくとも５％であり、有利には少なくとも６％であり、有利には少なくとも８％であり、有利には少なくとも１０％である。別の言い方をすれば、勾配方向に沿う第１の場所において気孔率がＰ１（％）であり、第２の場所においてＰ２（％）であると仮定して、気孔率における差はΔＰ（％）＝Ｐ１－Ｐ２である。勾配は、壁の近くで有利には５０％から７５％の間である４０％から８５％の間の気孔率から、壁から離れた場所で有利には５５％から８０％の間である４５％から９０％の間の気孔率まで展開し得る。

局所的な気孔率は、図９に示されて定められたような単位細孔セル９０の形状に基づいて決定され得る。積み重ね因数ｃは、連続した層の繊維同士の間の相互に侵入した深さを指している。積み重ね因数は、例えば３ＤＦＤ構造体の積み上げの間に得られるが、先の層の上において新たな層を開始するとき、繊維直径より小さい量で（鉛直方向の）積み上げ高さを増加させることで他の付加製造処理と類似している。繊維直径は、材料の断面の光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡の撮像によって決定でき、３ＤＦＤ装置のノズル直径、印刷条件、および焼結における収縮によって主に決定される。積み重ね因数ｃは、ペーストの組成（例えば、粘度）、繊維の太さ、繊維間の距離、および、温度や湿度といった印刷条件によって影響され得る。積み重ね因数は、機械的な強度、および、繊維を通じた熱伝導性に強い影響力を有するが、マクロ孔のマクロ気孔率および相互連結性にも影響する。以下に提示されている実施例では、ｃ約０．０６８ｍｍが走査型電子顕微鏡の撮像を用いて測定された。さらに、ａ＝Ｍ－ｎが繊維直径（ｍｍ）であり、ｎは繊維間距離（ｍｍ）であり、Ｍは２つの繊維間の軸方向中心間隔（ｍｍ）である。セルのマクロ気孔率（Ｐ、％）は次のように計算でき、ＳＳＡは比表面積（ＳＳＡ、ｍｍ^２／ｍｍ^３）であり、Ｓ_ｃは２つの連結された繊維の表面積の目減り（ｍｍ^２）であり、Ｓｆは２つの繊維の表面積（ｍｍ^２）であり、Ｖ_ｃｅｌｌは単位セルの体積（ｍｍ^３）であり、Ｖ_{ｆｉｂｒｅ}は繊維の体積（ｍｍ^３）である。

Ｖ_ｃは同じ繊維直径ａを有する２つの繊維の共通部分の体積である。

Ｖ_ｃは積み重ね因数ｃに依存する。積み重ね因数ｃは０≦ｃ≦ａの範囲にあり得る。ｃ＝ａである一方で、Ｖ_ｃは「シュタインメッツ立体（Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚ ｓｏｌｉｄ）」である。そのため、

である。ｃが０＜ｃ＜ａである一方で、円錐体積が、実質的な楕円錐の体積の近似値であるＶ_ｃの計算を単純化するために仮定されてもよい。円錐体積を仮定すると、

である。

本記述における気孔率への言及は、例えば、繊維の気孔率または繊維内の気孔率に無関係の繊維同士の間の気孔率といった、マクロ気孔率に関する。有利には、マクロ孔は、直径において、少なくとも１０μｍの細孔の大きさを有し、有利には少なくとも２５μｍ、有利には少なくとも５０μｍ、有利には少なくとも１００μｍの細孔の大きさを有する。本発明の態様による構造体における絶対（マクロ）気孔率の値は、特に制限はない。有利な値は、４０％から９０％の間の気孔率であり、有利には５０％から８０％の間である。本態様による多孔性構造体の平均（マクロ）気孔率は、有利には５０％から８０％の間であり、有利には５５％から７５％の間である。

本発明の態様による多孔性構造体では、繊維は、２０μｍから２０ｍｍの間、有利には４０μｍから１０ｍｍの間、有利には６０μｍから５ｍｍの間の範囲にある直径を有利に有し、有利な値は、８０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍ、６００μｍ、８００μｍ、１ｍｍ、２ｍｍである。構造体の同じ層内のすべての繊維は典型的には同じ直径を有し、繊維直径は構造体のすべての層において同じであり得る。例えば同じ層内の、繊維間距離ｎは、０μｍから５０ｍｍの間で変わってもよく、有利には１０μｍから２５ｍｍの間であり、有利には２５μｍから１０ｍｍの間であり、有利には５０μｍから５ｍｍの間であり、有利には１００μｍから２．５ｍｍの間であり、有利には１．５ｍｍ以下であり、または、１ｍｍ以下である。繊維間距離は、典型的には、気孔率勾配を得るために１つの層内で変化する。積み重ね因数ｃは、０から繊維直径ａの間で変わってもよく、有利には０．０１ａ≦ｃ≦０．９９ａであり、有利には０．０２ａ≦ｃ≦０．９０ａであり、有利には０．０３ａ≦ｃ≦０．５０ａであり、有利には０．０５ａ≦ｃ≦０．２０ａである。有利には、比率ｃ／ａは、少なくとも０．０７５であり、少なくとも０．１であり、少なくとも０．１２５であり、少なくとも０．１５である。積み重ね因数は、典型的には１つの層内において一定であり、層同士の間で変化してもよい。

図６および図７では、局所的な気孔率の値が指示されている。両方の図で、層の平面において径方向の気孔率勾配がある。中心と周辺との間での気孔率における変化は８％になる。

繊維自体が、例えば、先に指示されているようなマクロ孔の大きさより小さい細孔の大きさでの気孔率といった、微孔構造を備え得る。微孔性の繊維は、例えば２００９年３月５日のＷＯ２００９／０２７５２５に記載されているように、繊維を転相過程に置くことで得ることができる。微孔性の繊維は、触媒被覆などの繊維における被覆のより良好な接着のため、有利であり得る。そうでない場合、（微孔性の）繊維は中実の繊維であり、つまり、有利には中空でない。

本発明の態様による多孔性構造体が作られる材料には、金属、セラミック、および複合材料があり、具体的には、それらの材料は良好な熱伝導性を有する。触媒担体として意図されている多孔性構造体では、触媒は、例えば、繊維を押し出すために使用されるペーストと触媒を混合することで、構造体において埋め込まれてもよい。適切な材料および触媒は、例えば、２０１６年９月３０日に出願されたＰＣＴ／ＥＰ２０１６／０７３４４３に記載されている。他の適切な材料は、例えば、２００９年３月５日のＶＩＴＯ ＮＶへのＷＯ２００９／０２７５２５、および、２０１１年６月２日のＢｅａｌｌらへの米国特許出願公開第２０１１／０１２９６４０号において記載されている。

反応変換
図６に示された段階的な構造体（平均（マクロ）気孔率６６％で、式１から計算されるように、中心における７２％から周辺における６４％までの気孔率変化）が、ＣＯ_２メタン化反応において、均一の（マクロ）気孔率と充填床の従来の触媒粉末とを伴う３ＤＦＤ一体構造体（それぞれ７０％および７４％）と実験的に比較された。触媒粉末は、レーザー回折法によって測定されるＤ_９０粒径＝２５μｍ（つまり、２５μｍ以下の大きさを有する粒子の体積で９０％）を有する。メタンへの二酸化炭素のメタン化または触媒変換（水素化）は、サバチエ反応とも呼ばれる。この反応は、よく知られている触媒の高度に発熱の処理（ΔＨ_２９８Ｋ＝－１６５ｋＪ／ｍｏｌ）である。７４％の気孔率を有する３ＤＦＤ構造体は、ステンレス鋼粉末を含む繊維を０．４ｍｍの直径のノズル（繊維直径ａに等しい）で押し出し、層内の隣接する繊維同士の間に１ｍｍの一定の間隔ｎを有する図２にあるような繊維を積み重ねることによって製造された。７０％の気孔率を有する構造体は、ｎ＝０．８ｍｍを除いて、７４％の構造体と同じ処理パラメータで製造された。ステンレス鋼構造体は、浸漬被覆によって１２ｗｔ％のＮｉ／Ａｌ_２Ｏ_３で被覆された。石英管型反応器（直径２４ｍｍ、長さ１００ｍｍ）が使用され、連続した温度測定のために石英管の入口側および出口側に設置されたＫ型熱電対が搭載された。触媒は、反応器の真ん中に充填され、石英ウールで固定された。反応器は炉の真ん中に置かれた。異なるマクロ気孔率を有する試料の公平な比較を行うために、同じ量の触媒が各々の実験に対して使用された。反応試験の前に、触媒が、１００ｍｌ／ｍｉｎの全速度および４５０℃の温度（１０℃／ｍｉｎの加熱速度）において、大気圧の下で２時間にわたってＨ_２／Ｈｅ（８０／２０％）の連続流れの下で活性化された。還元の後、炉の温度がヘリウムの連続流れの下で反応温度まで調節された。メタン化反応が、大気圧の下で２５０℃から４５０℃の間の温度で実施された。二酸化炭素および水素が、ヘリウム搬送ガスと共に、Ｃ０_２：Ｈ_２：Ｈｅ＝１：４：１５の送り込み組成において、１００ｍｌ／ｍｉｎの全速度で反応器に連続的に送り込まれた。

図１１は、ＣＯ_２メタン化反応における変換結果を示している。温度が二酸化炭素の変換に相当に影響を与えることが分かる。約３４０℃を上回る温度において、すべての３ＤＦＤ構造とされた触媒は、粉末化された触媒（約６６％）の変換より高い変換（最大９０％）を示しており、一方、より低い温度では、段階的な構造体だけが向上したＣＯ_２変換を示した。これは、その増加した熱伝達特性によって説明できる。段階的な気孔率を有する構造化された触媒は、３５０℃において約８５％のＣＯ_２変換を示し、一方、一様な気孔率で構造化された触媒および粉末化された触媒は約７２％および７１％のＣＯ_２変換をそれぞれ示した。

反応器における軸方向（流れの方向１４）に沿っての発熱反応の典型的な温度プロフィールは、図１２に示されているように展開し、入口から温度が上昇し、入口と出口との間のある場所で最高温度まで上昇し、次に、軸方向距離と共に温度が低下する領域となる。図１１の結果から引き出され得る重要な結論は、段階的な多孔性構造体が入口帯域においてより素早い反応を可能にすることである。同時に、構造体１５の内側部分と壁１１１との間での向上した熱伝導性を有する帯域はより良好な熱除去を提供する（発熱反応の場合）。これは、反応が効率的な熱除去を伴う熱力学的平衡を達成しない限り、ギブズの自由エネルギー（ΔＧ）を負に保つのを助ける。結果として、反応器における最高温度は、反応の一部がすでに起こっているため、より低くなる。これは、それを上回ると触媒が不活性化される温度未満に温度をより容易に制御するのを可能にする。別の重要な利点は、より効率的な使用が多孔性構造体（延いては、触媒）の体積から行われ、そのため、流体の通過流が同じ体積の触媒構造に対して増加させることができることである。

また、反応器の容器の壁に隣接する構造体の周辺帯域においてより大きな密度を気孔率勾配に提供することは、壁への熱の排出を増加させることができる。結果として生じるより低い温度は、本明細書で提示された態様による段階的な構造体がこれらのより低い温度でより高い変換を可能にするため、変換の速さに悪影響を与えない。

圧力損失
異なる種類の多孔性構造体を通じての圧力損失Δｐが、電子マイクロマノメータを使用して空塔速度の関数として測定された。３つの構造体、すなわち、３ｍｍの直径のアルミナビーズが充填されたもの、実施例１のものと同一の段階的な構造体、実施例１のものと同一の７４％の均一な気孔率を有する構造体が調べられた。

空気が流れガスとして使用され、実験は室温で実施された。試料（直径２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ）が２１ｍｍの直径の管において中心に置かれた。試料は、バイパス流を防止するために、テフロン（登録商標）テープ帯で包まれた。管の入口は、一様な流れを得るためにグラスウールで覆われた。試料の上および下における４ｍｍの直径を有する２つの孔が、マイクロマノメータに連結された。マノメータの精度は±０．０５Ｐａであった。入口流量は質量流量制御デバイスによって制御された。空気空塔速度は０．１ｍ／ｓから２．７ｍ／ｓの間の範囲とされた。

図１３は、異なる速度における圧力損失実験結果を示している。圧力損失が試料の（マクロ）気孔率の低下と共に増加することが観察された。段階的な気孔率の試料は、一様な７４％の（マクロ）気孔率を有する試料と比較して、より小さい平均（マクロ）気孔率にも拘らず、非常に小さい圧力損失を示している。

１０ デバイス
１１ 容器
１２ 流体入口
１３ 流体出口
１４ 全体の流体の流れの方向
１５ 多孔性構造体
１６ 繊維
１７ 流れの方向１４に対して直交する方向
３１、３２、３３、３４ 層
５１、５２ 繊維
８１、８２ 繊維
９０ 単位細孔セル
１１１ 壁
１１２ 冷却または加熱の通路
１５１、１５２、１５３ 層
１５４ 入口端
１５５ 出口端
１５６ 中心領域
１５７ 中間領域
１５８ 周辺領域
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 気孔率

Claims (17)

1. 流体の通過流のためのデバイス（１０）であって、
   壁（１１１）、流体入口（１２）および流体出口（１３）を備える容器（１１）であって、前記流体入口および前記流体出口は、全体的な流れ方向（１４）を定める、容器（１１）と、
   前記容器において前記流体入口と前記流体出口との間に配置される相互に連結された細孔を有する一体の多孔性構造体（１５）であって、前記多孔性構造体は、前記多孔性構造体と前記壁との間に熱伝導を提供するために前記壁（１１１）に結合され、前記多孔性構造体は、前記全体的な流れ方向に対して交差する第１の方向（１７）に沿って気孔率勾配を備える、多孔性構造体（１５）と、
   を備えるデバイス（１０）において、
   前記気孔率勾配は、前記壁に近接した第１の場所（１５８）における第１の気孔率（Ｐ３）と、前記第１の場所に対して前記壁から離れた第２の場所（１５６）における、前記第１の気孔率より大きい第２の気孔率（Ｐ１）との間で、前記第１の方向に沿って発達し、前記第２の気孔率と前記第１の気孔率との間の差は、少なくとも４％であることを特徴とするデバイス（１０）。
2. 前記第１の方向は、前記全体的な流れ方向に対して垂直な平面において延びる、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第２の気孔率と前記第１の気孔率との間の差は、少なくとも６％である、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記多孔性構造体は、５０％から８０％の間の平均気孔率を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記第１の気孔率は、４０％から８５％の間であり、前記第２の気孔率は、４５％から９０％の間である、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記多孔性構造体は、前記全体的な流れ方向に沿って均一な気孔率を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記多孔性構造体は、前記全体的な流れ方向に沿って第２の気孔率勾配を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記第２の気孔率勾配は、前記流体入口（１２）から前記流体出口（１３）に向かって減少する気孔率を備える、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記多孔性構造体は、互いに付着させられる繊維（１６）の配置を備え、前記繊維は、平行な層（１５１、１５２、１５３）で配置され、前記層同士は積み重ねられる、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記繊維は、２０μｍから２０ｍｍの間の直径を有する、請求項９に記載のデバイス。
11. 連続した層の繊維が互いに侵入し、前記連続した層の前記繊維の間の侵入深さ（ｃ）と前記繊維の直径（ａ）との間の比率が、０．１から０．５の間である、請求項９または１０に記載のデバイス。
12. 同じ層の隣接する繊維同士の間の間隔（ｎ）が、１０μｍから５０ｍｍの間である、請
    求項９から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
13. 少なくとも１つの層における前記繊維同士の間の前記間隔は、前記気孔率勾配を得るために前記第１の場所と前記第２の場所との間で変化する、請求項１２に記載のデバイス。
14. 熱交換器である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
15. 化学反応器である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイス。
16. 前記多孔性構造体は、触媒を備える、請求項１５に記載のデバイス。
17. メタンへの二酸化炭素の変換のための、請求項１５または１６に記載のデバイスの使用。

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