具有主通道和輔通道的反應器的制作方法

專利名稱：：具有主通道和輔通道的反應器的制作方法
技術領域：
：本發明屬于催化反應器的領域。
背景技術：
：催化反應器是已知的，其包括入口、出口、反應室和整體結構。整體結構置于反應室內，而催化材料涂覆在該整體結構上。圖1為現有技術反應器100的剖視圖。可在授予MichaelFoster的美國專利5,330,728的圖3中找到示例。反應器包括整體的主通道壁102及反應室壁104。主通道壁彼此平行且與反應器的壁平行。主通道壁形成了主通道103。主通道壁形成了整體結構，其中各主通道都具有方形的橫截面。主通道壁涂覆有催化劑。在工作時，使得反應流體110流入到主通道內、與主通道壁上的催化劑>^應、然后離開。如下文所采用的，除非特別地指出或通過文字指出，雙線箭頭指代流體流。此現有技術的一個缺點在于沒有設置用于混合進入到不同的主通道中的流體的裝置。從而，如果一個通道中得到高速流體流122，所述流體將停留很短的時間，因而與流體的平均水平相比其與催化劑的反應較少。類似地，如果一個通道中得到低速流體流124，則與流體的平均水平相比其與催化劑的反應較多。從而，反應器的尺寸需要較大以補償流經不同通道的流體流之間的差異。此現有技術的另一個缺點在于當通過主通道時，流體常常形成層流。從而，與在主通道壁附近通過的流體154相比，通過主通道中心的流體150的速度較高、停留時間較短。從而，反應器的尺寸需要較大以補償在主通道壁附近和在主通道中心處的層流的不同流體停留時間。此外，此現有技術沒有從整體結構的中心到反應器壁處的對流傳熱裝置。圖2為另一現有技術反應器設計200的剖視圖。在授予WilliamPfefferle的美國專利5,051,241的圖2中示出了此現有4支術的一個示例。該反應器包括主通道壁202和反應器壁204。主通道壁彼此平行并橫向于反應器壁。主通道壁形成了主通道203。所有主通道的兩端由反應器壁封住。在主通道壁中i殳置有輔通道206，以^f吏得進入流體206可以從其經過。主通道壁可以是編織的金屬絲網格，而輔通道為所述網格中的開口。在形成金屬絲網格的金屬絲的壁上置有催化劑。從而，催化劑涂覆主通道壁和輔通道壁。此現有技術的一個缺點在于當流體從一個主通道壁前進到下一個主通道壁時，壓力下降較大。
發明內容提供
發明內容以指導對本發明的理解。不需要描述在本文中所公開的本發明的所有實施方式或所有類型。本發明涉及一種裝置，其用于使流體在催化劑基片上進行反應，其中，主通道與反應器壁之間形成一個角度，從而使至少一個主通道在其入口或出口處是開口的且在其相對端處是封住的。輔通道穿透主通道的壁，從而使流體可以進入或流出至少一個其入口或出口被封住的主通道。圖1為現有技術一個示例的剖視圖。圖2為現有技術另一個示例的剖視圖。圖3為依據本發明的反應器的一個實施方式的剖視圖。圖4為本發明一個可選實施方式的剖視圖。圖5為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖6為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖7為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖8為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖9為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖10為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖11為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖12為本發明另一個可選實施方式的剖^L圖。圖13為本發明另一個可選實施方式的剖視圖。圖14為輔通道的示意圖。圖15為幾個可選輔通道的示意圖。圖16為本發明的局部剖視圖，其示出了主通道和輔通道。圖17為本發明一個實施方式的局部立體剖視圖，其包括具有截頭圓錐體形波紋狀層的整體構件。圖18為本發明一個實施方式的局部立體剖視圖，其包括帶有成一角度傾斜的波紋的徑向層的整體構件。圖19為本發明一個實施方式的立體圖，其包括受限制的、但沒有被封住的主通道。圖20為圖18中整體構件的構造技術的俯視圖。圖21為圖20中的波紋狀片層的形成技術的俯視圖。圖22為整體構件的一部分的縱向截面圖，其示出流體通過輔通道的;危動。圖23為圖20中使用的波紋狀片層的俯視圖。具體實施例方式下面的詳細描述公開了本發明的不同示例實施方式和特征。這些示例實施方式和特征并不用于限制的目的。圖3示出本發明實施方式300的縱向截面圖。實施方式300包括反應器壁304和整體的催化劑載體301。整體的催化劑載體包括主通道壁302，所述主通道壁形成主通道306。主通道壁相對于反應器壁以角度312傾斜，該角度312大于0。并小于90°，從而使得至少一個主通道307的一端由反應器壁304封住。至少一個主通道307的另一端是開口的。其它例如塞件的傳統裝置可用于封住主通道的端部。主通道壁包括輔通道308。所述輔通道使得進入到整體構件內的流體310的至少一部分350可從一個主通道流往相鄰的主通道。催化劑涂覆在輔通道的壁上。從而，整體構件中的很大一部分的反應發生在輔通道內。主通道壁也可涂覆有催化劑。適當的進入流體包括來自于內燃機的廢氣。適當的催化劑包括貴金屬催化劑，其包括鉑族金屬。用于整體構件的適當材料包括例如氧化鋁或堇青石等的陶瓷以及例如不銹鋼等的金屬。適當的進入流體還可包括天然氣和水的混合物，其用于通過蒸汽轉化而產生氫氣。已知的催化劑、構造材料、工作溫度和壓力可用于蒸汽轉化中。在不拘泥于此解釋的同時，認為當從主通道壁的一側到主通道壁的另一側存在有壓差時，由位于主通道壁內的輔通道連接的主通道的組合使得進入到整體構件內的流體310的至少一部分350優先地從一個主通道流往相鄰的主通道。流體的這個橫向流動擾亂了沿著主通道壁的邊界層，從而有助于增加固體-流體之間的反應且在主通道內形成充分混合的流體。這個混合有助于確保均勻地分配流體在反應器內的停留時間，從而增加反應器的效率。流體從輔通道噴射沖擊到反應器壁上增加了在反應器壁處的傳熱。當充分混合的流體經過相對較短的輔通道時，由于缺少邊界層，其中與催化劑的反應速度較高。輔通道本質上起到了塞流反應器的作用。當進入流體優先地從一充分混合的主通道流到另一通道時，在相應的輔通道內與催化劑的反應更為有效。此系統起到了一系列交替的塞流反應器和充分攪拌反應器的作用。通過使主通道的至少一些端部保持開口，流經過反應器的流體的壓降保持最小。通過將流體優先地導向反應器壁或從反應器壁導走，增加了壁處的傳熱。此較高的傳熱有助于使吸熱反應保持較高的溫度以及使放熱反應保持較低的溫度。反應器中更為一致的溫度增加了催化選擇性。可選實施方式圖4示出可選實施方式400的橫向截面圖。至少一個主通道406在反應器的入口402和反應器的出口404都是開口的。圖5示出可選實施方式500的橫向截面圖。至少一個主通道506在反應器的入口502或反應器的出口504開口。另外地，至少一個主通道508在兩端處都是封住的。圖6示出可選實施方式600的橫向截面圖。至少一個主通道606與反應器壁的至少一部分604成一大于0°且小于90°的角度。圖7示出可選實施方式700的橫向截面圖。至少一個主通道706由反應器壁的一部分702封住，該部分702與主通道壁704成一角度。該角度可以是90。。圖8示出可選實施方式800的橫向截面圖。至少是整體構件的入口表面802或出口表面806與反應器壁的一部分804成一不等于90度的角度。圖9示出可選實施方式900的橫向截面圖。所有的主通道902在它們的入口和出口處都是開口的，并且，主通道902與反應器壁904并不平4亍、且不與入口面912或出口面914垂直。圖10示出可選實施方式1000的橫向截面圖。反應器壁的一部分1002與反應器壁的另一部分1004并不平行。圖11示出可選實施方式1100的橫向截面圖。反應器壁1102是錐形的。圖12示出可選實施方式1200的橫向截面圖。主通道1206平行于反應器壁1204。整體構件的面1202與反應器壁1204和反應器軸線1210之間的角度不等于90度。反應器軸線1210與至少一個主通道的軸線1212平行。反應器的軸線可與所有的主通道的軸線平行。圖13示出可選實施方式1300的橫向截面圖。所有主通道1302的兩端都由反應器壁1304封住。反應器壁1304與主通道壁并不垂直并且其中有一個彎曲。輔通道圖14示出了輔通道的實施方式1400。圖14A示出輔通道的俯視圖。圖14B示出輔通道的截面圖。參見圖14A,輔通道為一位于主通道壁1408中的圓筒形的孔，孔的最大寬度為W。孔的內側涂覆有催化劑1406。部分的主通道壁也可涂覆有催化劑。參見圖14B，孔的長度T等于主通道壁的厚度。優選地，孔的寬度W小于或等于主通道壁1408的厚度T的兩倍。由此，孔的形成將導致主通道壁面積與輔通道壁表面相加所得的表面積凈增加。如果主通道壁與輔通道壁都涂覆有催化劑，則添加寬度W小于或等于主通道壁的厚度Th的兩倍的孔將導致更多的整體構件每單位體積的催化劑表面積。孔可以是筆直地、與壁成角度地、或者曲折形狀地通過所述的壁。如在本文所采用的，我們將輔通道的曲折度定義為孔的長度與主通道的厚度之間的比。與主通道壁垂直的筆直孔的曲折度為1。燒結金屬或陶瓷粉末或多孔泡沫的孔隙率可以是5或更多。適當的曲折度是小于2。低的曲折度是優選的，因為其使得流經輔通道的流體的壓降最小化。此外，較短的孔使得形成邊界層的長度減少，從而將更多的質量和熱量傳遞到整體構件上或從整體構件傳遞更多的質量和熱量，進而與催化劑的反應速度更高。圖15示出輔通道的可選設計。圖15A示出鉆穿主通道壁的孔的俯視圖1502和橫截面視圖1504。孔可由傳統方式制造，包括機械鉆孔、蝕刻和激光鉆孔。圖15B示出沖穿主通道壁的孔的俯視圖1512和橫截面視圖1514。沖孔操作在孔的周圍形成有毛口1516。毛口是有利的，因為對于給定的孔直徑而言其形成了更大的輔通道表面積。圖15C示出位于主通道壁中的切口的俯視圖1522和橫截面視圖1524。切口可由例如沖壓的傳統方式制造。切口的特征在于最大寬度W1526和液力直徑(121528。如在本文中所采用的，開口的液力直徑等于開口的開口面積除以開口周長后的4倍。圖15C和15D中的虛線圓示出液力直徑與所示開口相等的圓形孔的大小。虛線圓并不構成本發明的一個部分。圖15D示出位于主通道壁中的十字孔的俯視圖1532和橫截面視圖1534。十字孔可由例如沖孔等的傳統方式形成。十字孔的特征在于最大寬度W1536和液力直徑d21538。圖16示出反應器、主通道和置于主通道壁中的輔通道之間的關系的一般細節。蜂窩狀整體構件1600置于反應器1604內。反應器的截面是圓筒形的。整體構件包括主通道1606。僅示出了一個主通道。其它的主通道與所示主通道相鄰并與之平行設置。主通道充滿反應器的橫截面。主通道1606具有一軸線1610。該軸線相對于反應器的軸線1612成一角度6。示于圖16中的主通道以局部剖^L的方式示出，以顯示終止于主通道內側的輔通道。反應器設計標準對于外部尺寸給定的反應器而言，本發明所提供的設計獲得了最小的反應器壓降、或者在較高的反應器壓降時獲得了改善的混合與傳熱。為了獲得低反應器壓降，發現通過以下表達式給出了適當的設計6=arctan其中6為主通道軸線相對于反應器軸線的傾斜角。P為由輔通道穿孔的主通道壁的比例。GSA為在主通道壁未穿孔情況下的主通道壁的表面積。山為主通道的液力直徑。d2為輔通道的液力直徑。其中Id為常數，其范圍在0.2到20之間。K^的范圍優選地在0.5到IO之間。更優選地，Id約等于2。T為輔通道的曲折度。T為主通道壁的厚度。為了增強流體和反應器壁之間的傳熱，發現通過以下表達式給出了適當的設計標準P=arctan-其中K2為常數，其范圍在0.01到1.5之間。優選地，K2的范圍在0.05到0.5之間。更優選地，K2約等于0.2。表i示出了用這些表達式來計算e。在表格中給出了示例l和示例5的數據。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>示例1示例反應器包括一蒸汽轉化催化反應器，其包括一上部整體構件和一下部整體構件。每個整體構件都與圖17所示的整體構件類似地設計，但是沒有中心柱1720或間隔件1726。參見下文的示例2以得到圖17中整體構件的更為詳細的描述。整體構件由金屬絲布構成。所述金屬絲由不銹鋼或其它適于蒸汽轉化應用的材料制造。幾塊金屬絲布以正弦式樣形成波紋狀。平滑和波紋狀的涂層金屬絲布交替地鋪設，并形成與圖17中所示類似的、朝反應器出口會聚的截頭錐。平滑錐從它們的頂點延伸到反應器壁。波紋狀錐從反應器壁延伸到與反應器軸線間隔約5亳米的距離處并且修整成與反應器壁齊平。錐的頂點指向反應器的出口。反應器壁是一個橫截面呈圓形的管。其材料為已知適合于蒸汽轉化應用的高溫金屬合金。反應器的內直徑為100毫米、外直徑為120亳米而長度為12米。上部整體構件采用直徑為230微米的金屬絲。金屬絲布的經線與綷線之間的間距都是每厘米28線。適合于蒸汽轉化的催化劑通過熱噴涂施加到金屬絲布上，使得在與金屬絲布表面平行的金屬絲側上的涂層厚度大約為50微米，而在與所述絲布表面垂直的金屬絲側上的涂層厚度小于5微米。大約14%的絲布表面是開口的。絲布厚度及輔通道長度考慮為大約是330微米。輔通道的液力直徑大約為134微米。上部整體構件設計成提供1500m2/m3的主通道和輔通道二者的總表面面積。選擇6，使得經過蒸汽轉化裝置頂部的壓降最小。上部整體構件的波紋形狀是正弦的，峰谷之間的高度差為4.5毫米且波長為4.5毫米。主通道的液力直徑為5.4亳米。主通道的GSA大約為734m2/m3。采用等于2的Id值、等于l的曲折度，截頭錐與反應器軸線之間的角度6為25°。下部整體構件設計成通過增加沿輔通道的流體速度以及將來自于輔通道的射流導向反應器壁來對反應器壁提供噴射沖擊冷卻。主通道和輔通道的總表面面積i殳計成370m2/m3。下整體構件采用直徑為3.8毫米的金屬絲。金屬絲布的經線與綽線之間的間距都是每厘米1.4線。適合于蒸汽轉化的催化劑通過熱噴涂施加到金屬絲布上，使得在與金屬絲布表面平行的金屬絲側上的涂層厚度大約為100微米，而在與絲布表面垂直的金屬絲側上的涂層厚度小于5微米。大約23%的絲布表面是開口的。絲布厚度及輔通道長度考慮大約是4.0毫米。輔通道的液力直徑大約為3.45亳米。下部整體構件包括正弦波紋狀的片層。波紋的峰谷之間的高度差為10亳米且波長為25亳米。主通道的液力直徑為17.2毫米。主通道的GSA大約為232m2/m3。采用等于0.2的&值、等于1的曲折度，截頭錐與反應器軸線之間的角度6為55°。來自于輔通道并沖擊反應器壁的射流的初始速度為沿主通道流動的流體速度的5倍。初始的射流的液力直徑為3.45亳米，且射流噴出0亳米至10亳米以沖擊在反應器壁上，射流中心與中心之間的間距平均大約為IO亳米。在工作時，反應器壁的外部通過燃燒而加熱。通過添加助燃空氣使氧氣體積為至少35%而增加了傳到壁外部的熱量。燃燒氧化劑的含氧量體積可高達100%。燃料可以是甲烷或其它碳氫化合物。通過產生更高的輻射焰溫度以及使燃燒產物在設置反應器的燃燒室內的停留時間更長，氧化劑相對于空氣的高含氧量增加了傳熱。多個反應器可設置在同一個燃燒室內。燃燒室所處的壓力可大于一個大氣壓。示例2圖17示出本發明第二示例1700的縱向和橫向截面圖。該示例為一催化轉化器，其具有入口1750、出口1752、整體基片1760和圓筒形的反應器壁1708。整體基片1760由交替的波紋狀片層1704和平滑片層1702構成。交替的片層可以是交替的嵌套平滑錐與波紋狀錐的形式、或者是相間的平滑螺旋體與波紋狀螺旋體的形式，其與反應器軸線成一傾斜角。波紋狀片層和平滑片層之間的間隙限定了主通道1706。波紋狀片層和平滑片層與轉化器軸線1762成一傾斜角。從而，至少一個主通道1716的一端由反應器壁1708封住。示例1700進一步包括可選的中心柱1720。中心柱1720包括中心桿1724和截頭錐形的隔離件1726。隔離件插入平滑片層之間，以抵抗由流體流動1780所施加的軸向力而支撐整體構件。波紋狀片層不插在間隔件間。平滑片層和波紋狀片層都是穿孔的，以提供輔通道(未示出)。穿孔的形狀是圓的，且直徑的范圍為20到30微米。平滑片層和波紋狀片層由金屬箔形成。所述片層涂覆有催化劑。波紋狀片層的波紋波長隨著與中心桿距離之間的增加而增加。波長增加的比例小于距中心桿距離增加的比例。在一個可選實施方式中，不存在中心桿1720。平滑片層會聚在反應器的軸線處。波紋狀片層在反應器軸線處開口。反應器以進入入口1750或出口1752的流體工作。反應器可包括有緊固在反應器壁上的筐，所述筐用于將整體構件保持在適當的位置上。示例3圖18示出可選示例反應器1800的^t向和縱向截面圖。該反應器包括入口1850、出口1852、圓筒形的反應器壁1808和整體構件1810。整體構件包括交替的平滑片層1802和波紋狀片層1804。為了清晰起見，各加粗地示出了其中一個平滑片層和一個波紋狀片層的一部分。加粗特性不構成本發明的一部分。各層的片層徑向地設置并在中央芯部1806處或附近相遇。所述片層之間的間隙為主通道。在整體構件的中心可存在有一中空的管道1840。將在本發明的"附加特征，，部分對中空管道進行更詳細的描述。主通道相對于反應器壁成一角度傾斜，從而使得至少一些主通道在一端處是封住的而在另一端處是開口的。主通道和反應器壁的軸線1806之間的傾斜角大約為30度。傾斜角的范圍可以在大于0度并小于90度的范圍內。平滑片層和波紋狀片層都穿設有直徑大約為30微米的孔，以形成輔通道(未示出)。主通道壁的開口部分的面積為30%。圖20提供了如何形成此示例中的整體構件的更多細節。在圖20A中，平滑片層2002緊接著波紋狀片層2004放置，并繞彎曲線2006彎曲，同時波紋與彎曲線2006成一傾斜角以形成葉狀組件2000。在圖20B中，第一葉狀組件2012置于第二葉狀組件2014內以形成嵌套的葉狀組件2010。另外的葉狀組件添加到嵌套的葉狀組件內，直至嵌套的葉狀組件被填滿。所有嵌套的組件中的指定側上的波紋是彼此平行的。可在各嵌套的葉狀組件的中心處插入單片不帶穿孔的平滑基片。這分開了反向傾斜的波紋狀片層。該單個不帶穿孔的片層的厚度可大于其它片層的厚度，以加強嵌套的葉狀組件。該單個不帶穿孔的片層的厚度可以比其他片層大以強化嵌套的葉狀組件。該單個不帶穿孔的片層可涂覆有催化劑和催化劑載體材料。然后，幾個嵌套的葉狀組件在彎曲線2006處并排地結合起來而形成整體構件。彎曲線2006沿反應器軸線1806延伸或者在中央空心管道1840附近延伸(圖18)。所有的片層和組件可通過釬焊而彼此結合或結合到反應器上。釬焊材料可在成形及組裝之前涂覆在片層材料上。圖21示出波紋狀片層可如何地形成。圖21A示出首先被折成褶形的片層材料2100。圖21B示出隨后被部分地拉伸到其最后形式的片層材料。圖21C示出最后被完全地拉伸到其最后形式的片層材料。圖23示出與圖21C類似的波紋狀片層2300的俯視圖。所述片層由網狀材料形成，從而形成了許多的輔通道2306。主通道2308的軸線2304相對于彎曲線2302成一角度6。在壁處，主通道的最大寬度為W。輔通道可形成在所述的片層中，且催化劑可于所述片層成形為其平滑或波紋狀的形狀之前設置在輔通道中。催化劑載體的基片涂層可通過浸入到漿液、熱噴涂或其它已知方式來施加。整體構件和反應器壁可由例如不銹鋼等的高溫金屬合金制成。整體構件也可以是擠壓成形的。整體構件可由例如堇青石或氧化鋁等的陶瓷制成。圖22示出主通道相對于反應器軸線的角度如何使得流體單向地通過輔通道。圖22為與反應器1800(圖18)類似的反應器的縱向截面視圖的一'J、部分2200。反應器以平滑片層2212和銳角的波紋狀片層2210構成。總體流動方向為2202。主通道相對于反應器軸線的傾斜至少部分地導致了輔通道流2204從一個主通道2222前進到鄰近的主通道2224。對于僅在輔通道中存在有催化劑的反應器而言，受處理的流體作為輔通道中的塞流與催化劑連續反應并在主通道內混合。從而，反應器可描述成一系列的相繼交替的塞流反應器和充分攪拌的混合器。指定部分的流體所經過的主通道的數量可認為是流體所經過的反應和混合的階段數。示例4圖19為本發明一可選實施方式l卯O的立體視圖。實施方式1900包括交替分層的漸縮波紋狀片層1910和平滑片層1912。主通道由所述片層之間的間隙形成。通過在平滑片層1912和波紋狀片層1910二者上穿孔形成輔通道(未示出)。也可通過僅在波紋狀片層或僅在平滑片層穿孔來形成輔通道。為了清晰起見，在圖19中僅示出了一個波紋狀片層和一個平滑片層。在此實施方式中，由于一些主通道的相對大的入口1902和這些通道的相對小的出口l卯4而導致了流經輔通道的流動。因此，所述主通道的橫截面面積單調地減少。鄰近于具有大入口及小出口的主通道的主通道的對應的相對小的入口l卯6和大出口l卯8進一步促進了流經輔通道的流動。因此，這些主通道的橫截面單調地增加。為了使此實施方式有效，主通道不需要有一端完全封住。在實施方式1900中，主通道的會聚端部被封住，本發明可用作顆粒捕獲器，例如用于對柴油發動機廢氣進行后處理的催化轉化器中。該端部可由多孔或無孔材料封住，或者通過主通道會聚到橫截面面積為零而封住。示例5依據圖18中所示的實施方式形成了一個催化轉化器。該催化轉化器適于處理含有CO、碳氫化合物和NOX的內燃機廢氣。內燃機可以為車輛提供動力。主通道壁包括金屬絲布，該金屬絲布由直徑為51微米的不銹鋼金屬絲組成，其經線和絆線的間隔均為每厘米130線。催化劑和相應的載體適合對內燃機廢氣進行后處理。催化劑載體通過熱噴涂施加到金屬絲布上，從而使得在與絲布表面平行的金屬絲側上的涂層厚度大約為15微米，而在與絲布表面垂直的金屬絲側上的涂層厚度小于5微米。12%的布表面是開口的。布厚度及輔通道長度認為大約是81微米。輔通道的液力直徑大約為27微米。幾塊金屬絲布以正弦式樣形成波紋狀。平滑和波紋狀的涂覆金屬絲布交替地鋪設，并形成6個嵌套的葉狀組件，其中每個嵌套的葉狀組件圍起了60°的角度。反應器壁為截面呈圓形的管，其內直徑為125毫米，長度為125毫米。反應器設計成提供3700m2/m3的主通道和輔通道二者的總表面積，同時壓降最小。在反應器壁處，波紋的峰谷之間的最大高度差為2毫米，而在反應器壁處，波紋的波長為2毫米。不帶有輔通道的主通道的GSA大約為1650m2/m3，而平均的主通道液力直徑大約為2.4亳米。釆用等于2的Kl值、等于1的曲折度，波紋與反應器軸線之間的角度為23°。形成有六個嵌套的葉狀組件，在它們的中央處每個都有單個實心的片層。該單個實心的片層的厚度為80微米，其催化劑栽體的涂層厚度為15孩￡米。嵌套葉狀組件的相鄰側具有平行的主通道。六個嵌套的組件繞一共同的彎曲線并排地結合以形成一個整體構件。整體構件略微地彎曲或旋轉以壓縮地配合在轉化器壁內。該整體構件充滿反應器的橫截面。反應器橫截面面積開口的那一部分面積(在本文中稱為"開口面面積，，或OFA)大約為95%。被細分的貴金屬催化劑通過傳統方式沉積在催化劑載體上。來自于內燃機的廢氣通過反應器。廢氣中的碳氫化合物、NOX和CO轉化成二氧化碳、氮氣或水。示例6設計一個與上述示例5的反應器類似的反應器，但是其中在80微米厚的實心片層中沖孔以形成輔通道。孔的端部具有IO微米長的毛口。示例7示例5的反應器與機動車輛排氣裝置中的旁通閥結合起來。旁通閥將輸入的氣體轉向使之通過旁通管而抵達整體構件的中部。當整體構件入口中的溫度達到特定的最大閾值時，啟動旁通功能而使得流體繞過整體構件的初始部分。可選地，可在機動車輛開動后的一預定時間段之后啟動旁通功能。例如換熱器等的冷卻裝置可設置在旁通管內，以在廢氣進入整體構件的中部之前對其進行冷卻。由此，整體構件的溫度保持在一特定的閾值(例如催化劑或其基片層的燒結溫度)之下。可設計類似反應器和旁通管的組合，其中反應器寬度與反應器長度之間的比小于或等于1。反應器可包括至少一個包括有催化劑的其它結構，其中旁通管在整體構件和所述至少一個其它結構之間引導氣體。該結構可以是依據本發明的整體構件。該結構也可以是催化劑顆粒的容器。所述結構可以是例如在授予Pfefferle的US5,051,241中所描述的微塊，該文獻在此引入以作為參考。反應器可結合有旁通閥和旁通管以繞過所述微塊而使流體直接地流經本發明的整體構件。示例8構建依據示例5的反應器，不同之處在于整體構件上沒有催化劑。該反應器用于對在其中流動的流體進行有效和均勻的加熱。可選地，反應器內的流體的溫度高于環境溫度，從而，反應器用于冷卻流體。附加特征本發明可以幾種方式進行改進以產生有益的效果。在一個實施方式中，輔通道可不均勻地分布在主通道的壁上，從而使得處理流體的流可在不同位置處被導向反應器壁或從反應器壁導離。例如，在單排多管的蒸汽轉化器中，反應器管的一些側面對著燃燒源而由此比其它側具有更高的熱通量。與傾斜的主通道相結合的輔通道可設計成將所述流更多地導引到具有高熱通量的反應器側而不是其它側。從而，與其它側相比，可使得在反應器高熱通量側處的對流熱交換系數相對較高。在其它實施方式中，主通道和輔通道的結合可如此地設計處理流體在轉換器內沿螺旋形或其它期望路徑流動。可調節輔通道的分布，從而使得處理流體交替地流向反應器壁或從反應器壁流走。例如，除非另外地指出，參見圖17，波紋狀片層1704或平滑片層1702中至少一個的第一系列可具有相對較低的流阻，例如在反應器壁1708附近輔通道的密度較大。從而，當處理流體沖擊在所述的第一至少一個平滑片層或波紋狀片層上時，反應器中較大比例的處理流體將在反應器壁附近流動。類似地，波紋狀片層1704或平滑片層1702中至少一個的第二系列可具有相對較低的流阻，例如在轉換器軸線1762附近輔通道的密度較大。從而，當處理流體沖擊在所述的第二至少一個平滑片層或波紋狀片層上時，反應器中較大比例的處理流體將在轉換器軸線附近流動。通過交替設置所述第一和第二系列的片層，可使得處理流體交替地在反應器壁附近和反應室軸線附近流動。此流動形式極大地增加了與反應器壁的傳熱。通過調節輔通道在反應室軸線或反應器壁處的密集度與輔通道在主通道其余部分處的密集度之間的相互關系，設計者可以對期望的高傳熱(輔通道在反應器壁或反應室軸線處的高密集度)及低壓降(輔通道沿主通道的密集度是均勻的)的組合進行調節。在一個極端中，僅在反應器壁或反應室軸線附近才存在輔通道。在另一個極端中，輔通道沿主通道均勻地分布。通過改變輔通道的直徑，可以獲得類似的效果。在一個可選實施方式中，在整體構件上的催化活性涂層的厚度可最為當地的反應速度的函數而改變。例如，本發明可用作蒸汽轉化器中的反應器。作為多孔載體結構上的細分材料，催化劑至少施加到輔通道壁上。位于蒸汽轉化反應器入口處的流體的溫度相對較低，從而使得活性催化劑的活性和表面積限制了整體反應動力性。在這種情形下，催化活性材料在其載體結構孔隙中的更深處參與所期望的反應。因此，在反應器入口附近，優選地，在整體構件上施加更深的、50到300微米的催化劑載體材料。在所述反應器中的下游位置中，溫度較高，使得在催化劑載體結構外表面上的催化劑活性更大，從而可作為反應器中的熱剖面的函數施加較薄的、10到IOO微米的催化劑涂層。類似地，在溫度較高的反應器壁處的涂層厚度可較薄。在反應器軸線附近可施加較厚的涂層。在另一可選實施方式中，催化劑載體材料中的導熱率以及沿施加有催化劑載體材料的基片的長度方向的導熱率可獨立地變動。在具有高導熱率且具有從轉化器壁到轉化器軸線的直接熱傳導途徑的相對厚的基片層上涂覆具有低導熱率的相對薄的催化劑載體材料，使得在催化劑壁和轉化器內部之間更好地傳熱。對于根據本發明的用于處理內燃機廢氣的反應器而言，此構造有助于使反應器中的溫度更為均勻，使得在反應器軸線處的過熱最小化。對于依據本發明的用于蒸汽轉化的反應器而言，熱量從反應器壁傳遞到反應器的較為中間的部分阻止了碳氫化合物的局部過熱，該局部過熱會析出碳。碳會堵塞住催化劑。相反地，在具有低導熱率的相對薄的基片層上涂覆導熱率阻抗相對較高的催化劑載體材料，使得在反應器壁和較接近反應器壁的處理流體之間更好地局部傳熱。在另一個可選實施方式中，可以調節主通道與反應器軸線之間的角度以改變在反應器壁和整體構件內部之間的輻射傳熱的視角因數。如果視角因數大，例如由于一相對較大的角度，則改進了通過輻射向整體構件內部傳熱。在另一個可選實施方式中，依據本發明設計的反應器可包括一中空的柱，其將相對而言未反應的流體輸送到整體構件的內部。該中空柱還可設計為使得反應過的流體從整體構件的內部移除。例如，除非另外地指出，參見圖18，在一個與反應器1800類似的反應器中設計有一另外的中心管道1840。此管道與反應器的軸線1806相一致。該反應器用于蒸汽轉化。管道將至少一部分的包括碳氫化合物的進入流體沿著催化轉化器的長度輸送到一個或多個指定的位置，從而使得該部分的進入流體不直接地暴露于溫度相對較高的反應器壁。通過阻止一部分的碳氫化合物暴露于加熱的管壁，剩余進入流體中的蒸汽與碳的比更高，且可獲得更高的通過管壁的熱通量而碳不會析出。通過在整體構件的下游中引入受阻的碳氫化合物，可總體上獲得期望的高的碳與蒸汽的比。這使得生產量提高、而蒸汽輸出降低。中心管道可通過位于該中心管道中的側孔將進入流體分布到周圍的整體構件內。進入流體與位于整體構件中的蒸汽反應，這增加了在所述反應器下游部分上的熱負荷。通過使一部分的碳氫化合物在反應器入口處的不接觸整體構件，反應器入口處的熱負荷較低、且從入口到出口的熱剖面更為均勻，適于獲得最佳的工作溫度。此外，與輸送過散布的催化劑表面相比，由中心管道輸送的進入流體所受到的壓降較小，節約了壓縮能。通過中心管道導引的進入流體的溫度可低于整體構件。管道還可使其輸送的流體與整體構件熱隔絕，幫助保持住進入流體的低溫以有助于調平反應器上的熱負荷及保持均勻的溫度分布。可采用中心管道以從處理流體中去除氫，從而使得碳氫化合物可更完全地轉化成氬。中心管道可包括一氬滲透膜一一例如鈀或賴。在另一可選實施方式中，依據本發明包括有交替的平滑及波紋狀片層的反應器中的片層可以具有不同的厚度。例如，平滑片層可制成比波紋狀片層更厚或更堅固。本發明可用作混合器或乳化器。本發明的進入流體可為液體及氣體的混合物、或者是不混溶液體的混合物。如果依據本發明的整體構件將被插入到具有不平整的或不規則表面的管道構件中時以及如果希望輻射傳熱時，主通道壁可在鄰近該管道構件的部分中切開，從而使整體構件可變形成管道的形狀，從而實現良好的輻射傳熱。本發明的整體構件可壓縮在一壓縮套筒內，以將該整體構件安裝或改造在管內。壓縮套筒的材料可在使用中揮發，使得整體構件可以膨脹而與反應器壁相符合。壓縮套筒還可由釬焊材料制成，其可涂覆有熔劑材料。如果在套筒的外表面上使用了熔劑材料，套筒可以是穿孔的片層、網、網格、粉末金屬或者其它可透過的表面。在應用前，加熱反應器以熔化釬焊材料，從而將整體構件附接到反應器壁上。當反應器軸線與主通道之間的角度增加時，對于如上所述被壓縮的整體構件而言，主通道將越發地起到承載梁的作用，以使得整體構件壓緊在反應器壁上。當反應器在制造、儲存和應用過程中暴露于預期溫度下時，整體構件的壓縮不應當超過基片層的屈服強度或蠕變強度。從而，具體參照其實施方式對本發明進行了描述，明顯地，可對其進行各種變化和改進，而不偏離在所附權利要求中所限定的本發明的精神與范疇。權利要求1.一種反應器，包括入口；出口；反應器軸線；繞該反應器軸線設置的反應器壁；以及整體構件，所述整體構件具有多個主通道，所述多個主通道非環形地徑向布設或螺旋狀地布設，所述多個主通道相對于所述反應器壁和反應器軸線中的至少其一傾斜。2.如權利要求l所述的反應器，其中所述整體構件進一步包括多個與所述多個主通道流體耦連并在所述多個主通道之間提供流體連通的輔通道。3.如權利要求2所述的反應器，其中所述多個主通道由主通道壁限定，且其中所述多個輔通道由輔通道壁限定，其包括貫穿所述主通道壁的穿孔，從而流體耦連所述多個主通道中的相鄰主通道。4.如權利要求3所述的反應器，其中所述主通道壁包括帶孔的金屬絲布，且其中所述金屬絲布的孔形成所述輔通道。5.如權利要求3所述的^JL器，進一步包括M口延伸A^應器內、且將入口流體耦連到M器內部區域的管道。6.如權利要求5所述的反應器，其中通過所述管道將反應物供應到反應器內部區域中。7.如權利要求3所述的^JL器，進一步包括從出口延伸AJl應器內、且將出口流體耦連到^JL器內部區域的管道。8.如權利要求7所述的反應器，其中由反應器產生的處理流體通過所述管道M應器移除。9.如權利要求8所述的反應器，其中所述管道由包括氫滲透膜的壁限定，其中所1￡>^應器用于催化蒸汽轉化，且其中在催化蒸汽轉化過程中產生的氬通過所述管il^應器移除，10.如權利要求3所述的反應器，進一步包括沉積在所述主通道壁和輔通道壁中的至少其一上的催化劑。11.如權利要求10所述的反應器，其中所述反應器用于催化蒸汽轉化或處理來自于內燃機的廢氣。12.如權利要求l所述的反應器，進一步包括沉積在所述主通道壁的表面上的催化劑。13.如權利要求12所述的反應器，其中所述反應器用于催化蒸汽轉化或處理來自于內燃機的廢氣。14.如權利要求13所述的反應器，其中所述反應器用作催化蒸汽轉化反應器，通過燃燒燃料和氧化劑而外部加熱該催化蒸汽轉化反應器，其中所述氣化劑包括氣氣體積濃度至少為35%的空氣。15.如權利要求13所述的反應器，其中當所述反應器用作催化蒸汽轉化反應器時，通過燃燒燃料和氣化劑而外部加熱該催化蒸汽轉化反應器，其中所述燃燒在大于一個大氣壓的壓力下進行。16.如權利要求l所述的反應器，其中所述反應器用作或用于換熱器、混合器或乳化器。17.如權利要求l所述的反應器，其中所述多個主通道包括有相對于反應器軸線成一傾斜角度傾斜的片層。18.如權利要求l所述的反應器，其中所述多個主通道包括波故狀和非波紋狀的片層，其中所述波紋狀片層的波紋相對于反應器軸線成一傾斜角度傾斜。19.一種反應器，包括入口；出口；反應器軸線；繞該反應器軸線i殳置的反應器壁；以及整體構件，所述a構件具有多個主通道和多個輔通道，所述多個輔通道與多個主通道流體地耦連并在多個主通道之間提供流體連通；其中，沿從所述反應器入口到出口的方向，所述多個主通道中的至少一部分通道的橫截面面積增加，而與所述多個主通道中的所述至少一部分通道相鄰的其它通道的橫截面面積減少。20.如權利要求19所述的反應器，其中所述多個主通道由主通道壁限定，且其中所述多個輔通道由輔通道壁限定，其包括貫穿所述主通道壁的穿孔，從而流體耦連所述多個主通道中的相鄰主通道。21.如權利要求19所述的反應器，進一步包括沉積在所述主或輔通道中至少其一上的催化劑。22.如權利要求21所述的反應器，其中所述主通道壁包括帶穿孔的金屬絲布，且其中所述金屬絲布的穿孔形成所述輔通道。23.如權利要求19所述的反應器，其中所述多個主通道中的每一個都具有入口及出口，且其中橫截面面積沿反應器入口到出口方向減少的主通道的那至少一部分通道中的每一個通道在其出口處都是封住的，而橫截面面積沿反應器入口到出口方向增加的主通道的那至少一部分通道在其入口處是封住的。24.如權利要求23所述的反應器，其中所述反應器用于截獲存在于從入口運動到出口的流體中的顆粒。25.如權利要求23所述的反應器，其中所述反應器用于對來自于內燃機的廢氣的催化處理之一。26.如權利要求19所述的反應器，其中所述反應器用作或用于混合器或乳化器。27.—種形成反應器的方法，該反應器包括入口、出口、反應器軸線、繞該反應器軸線設置的反應器壁以及具有多個主通道的*構件，所述方法包括設置所述多個主通道，使得其為非環形徑向布設及螺旋狀布設中的一種；以及如果所述多個主通道非環形地徑向布設，則設置所述多個主通道，使得其相對于所^A應器軸線和反應器壁中的至少一個傾斜。28.—種形成反應器的方法，該反應器包括入口、出口、反應器軸線、繞該反應器軸線設置的>^應器壁以及具有多個主通道和多個輔通道的^構件，所述方法包括流體耦連所述多個輔通道與所述多個主通道；在所述多個主通道之間提供流體連通；構造所述多個主通道，使得沿從所it^應器入口到出口的方向所述多個主通道中的至少一部分通道的橫截面面積減少；以及構造所述多個主通道，使得沿從所述反應器入口到出口的方向與所迷多個主通道中的所述至少一部分通道相鄰的其它通道的橫截面面積增加。29.—種用于M器中的B構件，所述B構件包括入口、出口、軸線以及多個主通道，所述多個主通道非環形地徑向布設或螺旋狀地布設，所述主通道相對于反應器壁和反應器軸線中的至少其一傾斜。30.如權利要求29所述的R構件，進一步包括多個與所述多個主通道流體耦連并在所述多個主通道之間提供流體連通的輔通道。31.如權利要求30所述的B構件，其中所述多個主通道由主通道壁限定，且其中所述多個輔通道由輔通道壁限定，其包括貫穿所述主通道壁的穿孔，從而流體耦連所述多個主通道中的相鄰主通道。32.如權利要求31所述的4H^構件，其中所述主通道壁包括帶孔的金屬絲布，且其中所述金屬絲布的孔形成所述輔通道。33.如權利要求31所述的整體構件，進一步包括沉積在所述主通道壁和輔通道壁中的至少其一上的催化劑。34.如權利要求29所述的整體構件，進一步包括從入口延伸入該^H^構件內、且將入口流體耦連到該整體構件內部區域的管道。35.如權利要求34所述的R構件，其中通過所述管道將反應物供應到所述4N^構件的內部區域中。36.如權利要求31所述的^H^構件，進一步包括從出口延伸AX^器內、且將出口流體耦連到^L器內部區域的管道.37.如權利要求36所述的4H^構件，其中由該整體構件產生的處理流體通過所述管道從整體構件移除。38.如權利要求37所述的整體構件，其中所述管道由包括氫滲透膜的壁限定，其中所述整體構件用于催化蒸汽轉化，且其中在催化蒸汽轉化過程中產生的氬通過所述管ii^該0構件移除。39.如權利要求29所述的整體構件，進一步包括沉積在所述主通道壁的表面上的催化劑。40.如權利要求29所述的整體構件，其中所述多個主通道包括有相對于^JI器軸線成一傾斜角度傾斜的片層。41.如權利要求29所述的整體構件，其中所述多個主通道包括波紋狀和非波故狀的片層，其中所述波紋狀片層的波紋相對于該整體構件的軸線成一傾斜角度傾斜。42.—種用于^L器中的g構件，所述^^構件具有入口、出口以及用于所述反應器中的軸線，所述g構件包括多個主通道和多個輔通道，所述多個輔通道與多個主通道流體地耦連并在多個主通道之間提供流體連通；其中，沿從所iiJl應器入口到出口的方向，所述多個主通道中的至少一部分通道的橫截面面積增加，而與所述多個主通道中的所述至少一部分通道相鄰的其它通道的橫截面面積減少。43.如權利要求42所述的整體構件，其中所述多個主通道由主通道壁限定，且其中所述多個輔通道由輔通道壁限定，其包括貫穿所述主通道壁的穿孔，從而流體耦連所述多個主通道中的相鄰主通道。44.如權利要求42所述的B構件，進一步包括沉積在所述主通道壁和輔通道壁中的至少其一上的催化劑。45.如權利要求44所迷的ft^構件，其中所速主通道壁包括帶孔的全屬絲布，且其中所述金屬絲布的孔形成所述輔通道。46.如權利要求42所述的^H^構件，其中所述多個主通道中的每一個都具有入口和出口，且其中橫截面面積沿反應器入口到出口方向減少的主通道的那至少一部分通道中的每一個通道在其出口處都是封住的，而橫截面面積沿反應器入口到出口方向增加的主通道的那至少一部分通道在其入口處是封住的。47.—種形成整體構件的方法，該整體構件具有入口、出口以及用于反應器中的軸線，所述反應器具有繞該軸線設置的壁，所述方法包括在所述整體構件中提供多個主通道；設置所述多個主通道，使其非環形地徑向布^殳或螺旋狀地布設；以及如果所述多個主通道非環形地徑向布設，則設置所述多個主通道，使得在結合入所述反應器中時相對于所述反應器軸線和反應器壁中的至少一個傾斜。48.—種形成B構件的方法，該務本構件具有入口、出口以及用于^JL器中的軸線，所iC^應器具有繞該軸線設置的壁，所述方法包括在所述整體構件中提供多個主通道和多個輔通道；流體耦連所述多個輔通道與所述多個主通道；在所述多個主通道之間提供流體連通；構造所述多個主通道，使得在該^構件結合入所述反應器中時沿從所述反應器入口到出口的方向所述多個主通道中的至少一部分通道的橫截面面積減少；以及構造所述多個主通道，使得在該B構件結合入所述反應器中時沿從所述反應器入口到出口的方向與所述多個主通道中的所述至少一部分通it^目鄰的其它通道的橫截面面積增加。全文摘要一種改進的反應器，其包括由輔通道相連的主通道。主通道和輔通道的朝向和尺寸使得流體流經所述的主通道和輔通道。催化劑可涂覆在輔通道的內側上。文檔編號B01J35/02GK101432075SQ200580022830公開日2009年5月13日申請日期2005年6月16日優先權日2004年7月7日發明者喬納森·杰伊·范斯坦申請人:喬納森·杰伊·范斯坦