包括梯变的多孔结构的用于流体通流的装置制造方法及图纸

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％。

Devices for fluid flow including ladder like porous structures

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括梯变的多孔结构的用于流体通流的装置
本专利技术涉及装置，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。
技术介绍
放热和吸热反应(诸如费托合成(Fischer-Tropschsynthesis，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US2011/0129640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(ashdistribution)。
技术实现思路
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。本专利技术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。本专利技术的目的是提高在此类流体流动装置中的热传递的效率。本专利技术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。根据本专利技术的第一方面，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。根据本专利技术的第二方面，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专利技术的各方面，其中，相同的附图标记表示相同的特征，并且在附图中：图1表示根据本专利技术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，其中描绘了根据本专利技术的各方面的多孔结构在径向方向上的孔隙率梯度；图5表示根据本专利技术的各方面的用于图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表示根据本专利技术的各方面的用于图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描绘了根据本专利技术的各方面的装置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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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/n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，/n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％。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170329 EP 17163707.71.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·普罗塔索娃，F·司纳科，S·达纳奇，A·本加尔，P·鲍伦斯，
申请(专利权)人：佛兰芒技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：比利时;BE