具有主通道和辅通道的反应器的制作方法

专利名称：：具有主通道和辅通道的反应器的制作方法
技术领域：
：本发明属于催化反应器的领域。
背景技术：
：催化反应器是已知的，其包括入口、出口、反应室和整体结构。整体结构置于反应室内，而催化材料涂覆在该整体结构上。图1为现有技术反应器100的剖视图。可在授予MichaelFoster的美国专利5,330,728的图3中找到示例。反应器包括整体的主通道壁102及反应室壁104。主通道壁彼此平行且与反应器的壁平行。主通道壁形成了主通道103。主通道壁形成了整体结构，其中各主通道都具有方形的横截面。主通道壁涂覆有催化剂。在工作时，使得反应流体110流入到主通道内、与主通道壁上的催化剂>^应、然后离开。如下文所采用的，除非特别地指出或通过文字指出，双线箭头指代流体流。此现有技术的一个缺点在于没有设置用于混合进入到不同的主通道中的流体的装置。从而，如果一个通道中得到高速流体流122，所述流体将停留很短的时间，因而与流体的平均水平相比其与催化剂的反应较少。类似地，如果一个通道中得到低速流体流124，则与流体的平均水平相比其与催化剂的反应较多。从而，反应器的尺寸需要较大以补偿流经不同通道的流体流之间的差异。此现有技术的另一个缺点在于当通过主通道时，流体常常形成层流。从而，与在主通道壁附近通过的流体154相比，通过主通道中心的流体150的速度较高、停留时间较短。从而，反应器的尺寸需要较大以补偿在主通道壁附近和在主通道中心处的层流的不同流体停留时间。此外，此现有技术没有从整体结构的中心到反应器壁处的对流传热装置。图2为另一现有技术反应器设计200的剖视图。在授予WilliamPfefferle的美国专利5,051,241的图2中示出了此现有4支术的一个示例。该反应器包括主通道壁202和反应器壁204。主通道壁彼此平行并横向于反应器壁。主通道壁形成了主通道203。所有主通道的两端由反应器壁封住。在主通道壁中i殳置有辅通道206，以^f吏得进入流体206可以从其经过。主通道壁可以是编织的金属丝网格，而辅通道为所述网格中的开口。在形成金属丝网格的金属丝的壁上置有催化剂。从而，催化剂涂覆主通道壁和辅通道壁。此现有技术的一个缺点在于当流体从一个主通道壁前进到下一个主通道壁时，压力下降较大。
发明内容提供
发明内容以指导对本发明的理解。不需要描述在本文中所公开的本发明的所有实施方式或所有类型。本发明涉及一种装置，其用于使流体在催化剂基片上进行反应，其中，主通道与反应器壁之间形成一个角度，从而使至少一个主通道在其入口或出口处是开口的且在其相对端处是封住的。辅通道穿透主通道的壁，从而使流体可以进入或流出至少一个其入口或出口被封住的主通道。图1为现有技术一个示例的剖视图。图2为现有技术另一个示例的剖视图。图3为依据本发明的反应器的一个实施方式的剖视图。图4为本发明一个可选实施方式的剖视图。图5为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图6为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图7为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图8为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图9为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图10为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图11为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图12为本发明另一个可选实施方式的剖^L图。图13为本发明另一个可选实施方式的剖视图。图14为辅通道的示意图。图15为几个可选辅通道的示意图。图16为本发明的局部剖视图，其示出了主通道和辅通道。图17为本发明一个实施方式的局部立体剖视图，其包括具有截头圆锥体形波紋状层的整体构件。图18为本发明一个实施方式的局部立体剖视图，其包括带有成一角度倾斜的波紋的径向层的整体构件。图19为本发明一个实施方式的立体图，其包括受限制的、但没有被封住的主通道。图20为图18中整体构件的构造技术的俯视图。图21为图20中的波紋状片层的形成技术的俯视图。图22为整体构件的一部分的纵向截面图，其示出流体通过辅通道的;危动。图23为图20中使用的波紋状片层的俯视图。具体实施例方式下面的详细描述公开了本发明的不同示例实施方式和特征。这些示例实施方式和特征并不用于限制的目的。图3示出本发明实施方式300的纵向截面图。实施方式300包括反应器壁304和整体的催化剂载体301。整体的催化剂载体包括主通道壁302，所述主通道壁形成主通道306。主通道壁相对于反应器壁以角度312倾斜，该角度312大于0。并小于90°，从而使得至少一个主通道307的一端由反应器壁304封住。至少一个主通道307的另一端是开口的。其它例如塞件的传统装置可用于封住主通道的端部。主通道壁包括辅通道308。所述辅通道使得进入到整体构件内的流体310的至少一部分350可从一个主通道流往相邻的主通道。催化剂涂覆在辅通道的壁上。从而，整体构件中的很大一部分的反应发生在辅通道内。主通道壁也可涂覆有催化剂。适当的进入流体包括来自于内燃机的废气。适当的催化剂包括贵金属催化剂，其包括铂族金属。用于整体构件的适当材料包括例如氧化铝或堇青石等的陶瓷以及例如不锈钢等的金属。适当的进入流体还可包括天然气和水的混合物，其用于通过蒸汽转化而产生氢气。已知的催化剂、构造材料、工作温度和压力可用于蒸汽转化中。在不拘泥于此解释的同时，认为当从主通道壁的一侧到主通道壁的另一侧存在有压差时，由位于主通道壁内的辅通道连接的主通道的组合使得进入到整体构件内的流体310的至少一部分350优先地从一个主通道流往相邻的主通道。流体的这个横向流动扰乱了沿着主通道壁的边界层，从而有助于增加固体-流体之间的反应且在主通道内形成充分混合的流体。这个混合有助于确保均匀地分配流体在反应器内的停留时间，从而增加反应器的效率。流体从辅通道喷射冲击到反应器壁上增加了在反应器壁处的传热。当充分混合的流体经过相对较短的辅通道时，由于缺少边界层，其中与催化剂的反应速度较高。辅通道本质上起到了塞流反应器的作用。当进入流体优先地从一充分混合的主通道流到另一通道时，在相应的辅通道内与催化剂的反应更为有效。此系统起到了一系列交替的塞流反应器和充分搅拌反应器的作用。通过使主通道的至少一些端部保持开口，流经过反应器的流体的压降保持最小。通过将流体优先地导向反应器壁或从反应器壁导走，增加了壁处的传热。此较高的传热有助于使吸热反应保持较高的温度以及使放热反应保持较低的温度。反应器中更为一致的温度增加了催化选择性。可选实施方式图4示出可选实施方式400的横向截面图。至少一个主通道406在反应器的入口402和反应器的出口404都是开口的。图5示出可选实施方式500的横向截面图。至少一个主通道506在反应器的入口502或反应器的出口504开口。另外地，至少一个主通道508在两端处都是封住的。图6示出可选实施方式600的横向截面图。至少一个主通道606与反应器壁的至少一部分604成一大于0°且小于90°的角度。图7示出可选实施方式700的横向截面图。至少一个主通道706由反应器壁的一部分702封住，该部分702与主通道壁704成一角度。该角度可以是90。。图8示出可选实施方式800的横向截面图。至少是整体构件的入口表面802或出口表面806与反应器壁的一部分804成一不等于90度的角度。图9示出可选实施方式900的横向截面图。所有的主通道902在它们的入口和出口处都是开口的，并且，主通道902与反应器壁904并不平4亍、且不与入口面912或出口面914垂直。图10示出可选实施方式1000的横向截面图。反应器壁的一部分1002与反应器壁的另一部分1004并不平行。图11示出可选实施方式1100的横向截面图。反应器壁1102是锥形的。图12示出可选实施方式1200的横向截面图。主通道1206平行于反应器壁1204。整体构件的面1202与反应器壁1204和反应器轴线1210之间的角度不等于90度。反应器轴线1210与至少一个主通道的轴线1212平行。反应器的轴线可与所有的主通道的轴线平行。图13示出可选实施方式1300的横向截面图。所有主通道1302的两端都由反应器壁1304封住。反应器壁1304与主通道壁并不垂直并且其中有一个弯曲。辅通道图14示出了辅通道的实施方式1400。图14A示出辅通道的俯视图。图14B示出辅通道的截面图。参见图14A,辅通道为一位于主通道壁1408中的圆筒形的孔，孔的最大宽度为W。孔的内侧涂覆有催化剂1406。部分的主通道壁也可涂覆有催化剂。参见图14B，孔的长度T等于主通道壁的厚度。优选地，孔的宽度W小于或等于主通道壁1408的厚度T的两倍。由此，孔的形成将导致主通道壁面积与辅通道壁表面相加所得的表面积净增加。如果主通道壁与辅通道壁都涂覆有催化剂，则添加宽度W小于或等于主通道壁的厚度Th的两倍的孔将导致更多的整体构件每单位体积的催化剂表面积。孔可以是笔直地、与壁成角度地、或者曲折形状地通过所述的壁。如在本文所采用的，我们将辅通道的曲折度定义为孔的长度与主通道的厚度之间的比。与主通道壁垂直的笔直孔的曲折度为1。烧结金属或陶瓷粉末或多孔泡沫的孔隙率可以是5或更多。适当的曲折度是小于2。低的曲折度是优选的，因为其使得流经辅通道的流体的压降最小化。此外，较短的孔使得形成边界层的长度减少，从而将更多的质量和热量传递到整体构件上或从整体构件传递更多的质量和热量，进而与催化剂的反应速度更高。图15示出辅通道的可选设计。图15A示出钻穿主通道壁的孔的俯视图1502和横截面视图1504。孔可由传统方式制造，包括机械钻孔、蚀刻和激光钻孔。图15B示出冲穿主通道壁的孔的俯视图1512和横截面视图1514。沖孔操作在孔的周围形成有毛口1516。毛口是有利的，因为对于给定的孔直径而言其形成了更大的辅通道表面积。图15C示出位于主通道壁中的切口的俯视图1522和横截面视图1524。切口可由例如冲压的传统方式制造。切口的特征在于最大宽度W1526和液力直径(121528。如在本文中所采用的，开口的液力直径等于开口的开口面积除以开口周长后的4倍。图15C和15D中的虚线圆示出液力直径与所示开口相等的圆形孔的大小。虚线圆并不构成本发明的一个部分。图15D示出位于主通道壁中的十字孔的俯视图1532和横截面视图1534。十字孔可由例如冲孔等的传统方式形成。十字孔的特征在于最大宽度W1536和液力直径d21538。图16示出反应器、主通道和置于主通道壁中的辅通道之间的关系的一般细节。蜂窝状整体构件1600置于反应器1604内。反应器的截面是圆筒形的。整体构件包括主通道1606。仅示出了一个主通道。其它的主通道与所示主通道相邻并与之平行设置。主通道充满反应器的横截面。主通道1606具有一轴线1610。该轴线相对于反应器的轴线1612成一角度6。示于图16中的主通道以局部剖^L的方式示出，以显示终止于主通道内侧的辅通道。反应器设计标准对于外部尺寸给定的反应器而言，本发明所提供的设计获得了最小的反应器压降、或者在较高的反应器压降时获得了改善的混合与传热。为了获得低反应器压降，发现通过以下表达式给出了适当的设计6=arctan其中6为主通道轴线相对于反应器轴线的倾斜角。P为由辅通道穿孔的主通道壁的比例。GSA为在主通道壁未穿孔情况下的主通道壁的表面积。山为主通道的液力直径。d2为辅通道的液力直径。其中Id为常数，其范围在0.2到20之间。K^的范围优选地在0.5到IO之间。更优选地，Id约等于2。T为辅通道的曲折度。T为主通道壁的厚度。为了增强流体和反应器壁之间的传热，发现通过以下表达式给出了适当的设计标准P=arctan-其中K2为常数，其范围在0.01到1.5之间。优选地，K2的范围在0.05到0.5之间。更优选地，K2约等于0.2。表i示出了用这些表达式来计算e。在表格中给出了示例l和示例5的数据。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>示例1示例反应器包括一蒸汽转化催化反应器，其包括一上部整体构件和一下部整体构件。每个整体构件都与图17所示的整体构件类似地设计，但是没有中心柱1720或间隔件1726。参见下文的示例2以得到图17中整体构件的更为详细的描述。整体构件由金属丝布构成。所述金属丝由不锈钢或其它适于蒸汽转化应用的材料制造。几块金属丝布以正弦式样形成波紋状。平滑和波紋状的涂层金属丝布交替地铺设，并形成与图17中所示类似的、朝反应器出口会聚的截头锥。平滑锥从它们的顶点延伸到反应器壁。波紋状锥从反应器壁延伸到与反应器轴线间隔约5亳米的距离处并且修整成与反应器壁齐平。锥的顶点指向反应器的出口。反应器壁是一个横截面呈圆形的管。其材料为已知适合于蒸汽转化应用的高温金属合金。反应器的内直径为100毫米、外直径为120亳米而长度为12米。上部整体构件采用直径为230微米的金属丝。金属丝布的经线与綷线之间的间距都是每厘米28线。适合于蒸汽转化的催化剂通过热喷涂施加到金属丝布上，使得在与金属丝布表面平行的金属丝侧上的涂层厚度大约为50微米，而在与所述丝布表面垂直的金属丝侧上的涂层厚度小于5微米。大约14%的丝布表面是开口的。丝布厚度及辅通道长度考虑为大约是330微米。辅通道的液力直径大约为134微米。上部整体构件设计成提供1500m2/m3的主通道和辅通道二者的总表面面积。选择6，使得经过蒸汽转化装置顶部的压降最小。上部整体构件的波紋形状是正弦的，峰谷之间的高度差为4.5毫米且波长为4.5毫米。主通道的液力直径为5.4亳米。主通道的GSA大约为734m2/m3。采用等于2的Id值、等于l的曲折度，截头锥与反应器轴线之间的角度6为25°。下部整体构件设计成通过增加沿辅通道的流体速度以及将来自于辅通道的射流导向反应器壁来对反应器壁提供喷射冲击冷却。主通道和辅通道的总表面面积i殳计成370m2/m3。下整体构件采用直径为3.8毫米的金属丝。金属丝布的经线与绰线之间的间距都是每厘米1.4线。适合于蒸汽转化的催化剂通过热喷涂施加到金属丝布上，使得在与金属丝布表面平行的金属丝侧上的涂层厚度大约为100微米，而在与丝布表面垂直的金属丝侧上的涂层厚度小于5微米。大约23%的丝布表面是开口的。丝布厚度及辅通道长度考虑大约是4.0毫米。辅通道的液力直径大约为3.45亳米。下部整体构件包括正弦波紋状的片层。波紋的峰谷之间的高度差为10亳米且波长为25亳米。主通道的液力直径为17.2毫米。主通道的GSA大约为232m2/m3。采用等于0.2的&值、等于1的曲折度，截头锥与反应器轴线之间的角度6为55°。来自于辅通道并冲击反应器壁的射流的初始速度为沿主通道流动的流体速度的5倍。初始的射流的液力直径为3.45亳米，且射流喷出0亳米至10亳米以冲击在反应器壁上，射流中心与中心之间的间距平均大约为IO亳米。在工作时，反应器壁的外部通过燃烧而加热。通过添加助燃空气使氧气体积为至少35%而增加了传到壁外部的热量。燃烧氧化剂的含氧量体积可高达100%。燃料可以是甲烷或其它碳氢化合物。通过产生更高的辐射焰温度以及使燃烧产物在设置反应器的燃烧室内的停留时间更长，氧化剂相对于空气的高含氧量增加了传热。多个反应器可设置在同一个燃烧室内。燃烧室所处的压力可大于一个大气压。示例2图17示出本发明第二示例1700的纵向和横向截面图。该示例为一催化转化器，其具有入口1750、出口1752、整体基片1760和圆筒形的反应器壁1708。整体基片1760由交替的波紋状片层1704和平滑片层1702构成。交替的片层可以是交替的嵌套平滑锥与波紋状锥的形式、或者是相间的平滑螺旋体与波紋状螺旋体的形式，其与反应器轴线成一倾斜角。波紋状片层和平滑片层之间的间隙限定了主通道1706。波紋状片层和平滑片层与转化器轴线1762成一倾斜角。从而，至少一个主通道1716的一端由反应器壁1708封住。示例1700进一步包括可选的中心柱1720。中心柱1720包括中心杆1724和截头锥形的隔离件1726。隔离件插入平滑片层之间，以抵抗由流体流动1780所施加的轴向力而支撑整体构件。波紋状片层不插在间隔件间。平滑片层和波紋状片层都是穿孔的，以提供辅通道(未示出)。穿孔的形状是圆的，且直径的范围为20到30微米。平滑片层和波紋状片层由金属箔形成。所述片层涂覆有催化剂。波紋状片层的波紋波长随着与中心杆距离之间的增加而增加。波长增加的比例小于距中心杆距离增加的比例。在一个可选实施方式中，不存在中心杆1720。平滑片层会聚在反应器的轴线处。波紋状片层在反应器轴线处开口。反应器以进入入口1750或出口1752的流体工作。反应器可包括有紧固在反应器壁上的筐，所述筐用于将整体构件保持在适当的位置上。示例3图18示出可选示例反应器1800的^t向和纵向截面图。该反应器包括入口1850、出口1852、圆筒形的反应器壁1808和整体构件1810。整体构件包括交替的平滑片层1802和波紋状片层1804。为了清晰起见，各加粗地示出了其中一个平滑片层和一个波紋状片层的一部分。加粗特性不构成本发明的一部分。各层的片层径向地设置并在中央芯部1806处或附近相遇。所述片层之间的间隙为主通道。在整体构件的中心可存在有一中空的管道1840。将在本发明的"附加特征，，部分对中空管道进行更详细的描述。主通道相对于反应器壁成一角度倾斜，从而使得至少一些主通道在一端处是封住的而在另一端处是开口的。主通道和反应器壁的轴线1806之间的倾斜角大约为30度。倾斜角的范围可以在大于0度并小于90度的范围内。平滑片层和波紋状片层都穿设有直径大约为30微米的孔，以形成辅通道(未示出)。主通道壁的开口部分的面积为30%。图20提供了如何形成此示例中的整体构件的更多细节。在图20A中，平滑片层2002紧接着波紋状片层2004放置，并绕弯曲线2006弯曲，同时波紋与弯曲线2006成一倾斜角以形成叶状组件2000。在图20B中，第一叶状组件2012置于第二叶状组件2014内以形成嵌套的叶状组件2010。另外的叶状组件添加到嵌套的叶状组件内，直至嵌套的叶状组件被填满。所有嵌套的组件中的指定侧上的波紋是彼此平行的。可在各嵌套的叶状组件的中心处插入单片不带穿孔的平滑基片。这分开了反向倾斜的波紋状片层。该单个不带穿孔的片层的厚度可大于其它片层的厚度，以加强嵌套的叶状组件。该单个不带穿孔的片层的厚度可以比其他片层大以强化嵌套的叶状组件。该单个不带穿孔的片层可涂覆有催化剂和催化剂载体材料。然后，几个嵌套的叶状组件在弯曲线2006处并排地结合起来而形成整体构件。弯曲线2006沿反应器轴线1806延伸或者在中央空心管道1840附近延伸(图18)。所有的片层和组件可通过钎焊而彼此结合或结合到反应器上。钎焊材料可在成形及组装之前涂覆在片层材料上。图21示出波紋状片层可如何地形成。图21A示出首先被折成褶形的片层材料2100。图21B示出随后被部分地拉伸到其最后形式的片层材料。图21C示出最后被完全地拉伸到其最后形式的片层材料。图23示出与图21C类似的波紋状片层2300的俯视图。所述片层由网状材料形成，从而形成了许多的辅通道2306。主通道2308的轴线2304相对于弯曲线2302成一角度6。在壁处，主通道的最大宽度为W。辅通道可形成在所述的片层中，且催化剂可于所述片层成形为其平滑或波紋状的形状之前设置在辅通道中。催化剂载体的基片涂层可通过浸入到浆液、热喷涂或其它已知方式来施加。整体构件和反应器壁可由例如不锈钢等的高温金属合金制成。整体构件也可以是挤压成形的。整体构件可由例如堇青石或氧化铝等的陶瓷制成。图22示出主通道相对于反应器轴线的角度如何使得流体单向地通过辅通道。图22为与反应器1800(图18)类似的反应器的纵向截面视图的一'J、部分2200。反应器以平滑片层2212和锐角的波紋状片层2210构成。总体流动方向为2202。主通道相对于反应器轴线的倾斜至少部分地导致了辅通道流2204从一个主通道2222前进到邻近的主通道2224。对于仅在辅通道中存在有催化剂的反应器而言，受处理的流体作为辅通道中的塞流与催化剂连续反应并在主通道内混合。从而，反应器可描述成一系列的相继交替的塞流反应器和充分搅拌的混合器。指定部分的流体所经过的主通道的数量可认为是流体所经过的反应和混合的阶段数。示例4图19为本发明一可选实施方式l卯O的立体视图。实施方式1900包括交替分层的渐缩波紋状片层1910和平滑片层1912。主通道由所述片层之间的间隙形成。通过在平滑片层1912和波紋状片层1910二者上穿孔形成辅通道(未示出)。也可通过仅在波紋状片层或仅在平滑片层穿孔来形成辅通道。为了清晰起见，在图19中仅示出了一个波紋状片层和一个平滑片层。在此实施方式中，由于一些主通道的相对大的入口1902和这些通道的相对小的出口l卯4而导致了流经辅通道的流动。因此，所述主通道的横截面面积单调地减少。邻近于具有大入口及小出口的主通道的主通道的对应的相对小的入口l卯6和大出口l卯8进一步促进了流经辅通道的流动。因此，这些主通道的横截面单调地增加。为了使此实施方式有效，主通道不需要有一端完全封住。在实施方式1900中，主通道的会聚端部被封住，本发明可用作颗粒捕获器，例如用于对柴油发动机废气进行后处理的催化转化器中。该端部可由多孔或无孔材料封住，或者通过主通道会聚到横截面面积为零而封住。示例5依据图18中所示的实施方式形成了一个催化转化器。该催化转化器适于处理含有CO、碳氢化合物和NOX的内燃机废气。内燃机可以为车辆提供动力。主通道壁包括金属丝布，该金属丝布由直径为51微米的不锈钢金属丝组成，其经线和绊线的间隔均为每厘米130线。催化剂和相应的载体适合对内燃机废气进行后处理。催化剂载体通过热喷涂施加到金属丝布上，从而使得在与丝布表面平行的金属丝侧上的涂层厚度大约为15微米，而在与丝布表面垂直的金属丝侧上的涂层厚度小于5微米。12%的布表面是开口的。布厚度及辅通道长度认为大约是81微米。辅通道的液力直径大约为27微米。几块金属丝布以正弦式样形成波紋状。平滑和波紋状的涂覆金属丝布交替地铺设，并形成6个嵌套的叶状组件，其中每个嵌套的叶状组件围起了60°的角度。反应器壁为截面呈圆形的管，其内直径为125毫米，长度为125毫米。反应器设计成提供3700m2/m3的主通道和辅通道二者的总表面积，同时压降最小。在反应器壁处，波紋的峰谷之间的最大高度差为2毫米，而在反应器壁处，波紋的波长为2毫米。不带有辅通道的主通道的GSA大约为1650m2/m3，而平均的主通道液力直径大约为2.4亳米。釆用等于2的Kl值、等于1的曲折度，波紋与反应器轴线之间的角度为23°。形成有六个嵌套的叶状组件，在它们的中央处每个都有单个实心的片层。该单个实心的片层的厚度为80微米，其催化剂栽体的涂层厚度为15孩￡米。嵌套叶状组件的相邻侧具有平行的主通道。六个嵌套的组件绕一共同的弯曲线并排地结合以形成一个整体构件。整体构件略微地弯曲或旋转以压缩地配合在转化器壁内。该整体构件充满反应器的横截面。反应器横截面面积开口的那一部分面积(在本文中称为"开口面面积，，或OFA)大约为95%。被细分的贵金属催化剂通过传统方式沉积在催化剂载体上。来自于内燃机的废气通过反应器。废气中的碳氢化合物、NOX和CO转化成二氧化碳、氮气或水。示例6设计一个与上述示例5的反应器类似的反应器，但是其中在80微米厚的实心片层中冲孔以形成辅通道。孔的端部具有IO微米长的毛口。示例7示例5的反应器与机动车辆排气装置中的旁通阀结合起来。旁通阀将输入的气体转向使之通过旁通管而抵达整体构件的中部。当整体构件入口中的温度达到特定的最大阈值时，启动旁通功能而使得流体绕过整体构件的初始部分。可选地，可在机动车辆开动后的一预定时间段之后启动旁通功能。例如换热器等的冷却装置可设置在旁通管内，以在废气进入整体构件的中部之前对其进行冷却。由此，整体构件的温度保持在一特定的阈值(例如催化剂或其基片层的烧结温度)之下。可设计类似反应器和旁通管的组合，其中反应器宽度与反应器长度之间的比小于或等于1。反应器可包括至少一个包括有催化剂的其它结构，其中旁通管在整体构件和所述至少一个其它结构之间引导气体。该结构可以是依据本发明的整体构件。该结构也可以是催化剂颗粒的容器。所述结构可以是例如在授予Pfefferle的US5,051,241中所描述的微块，该文献在此引入以作为参考。反应器可结合有旁通阀和旁通管以绕过所述微块而使流体直接地流经本发明的整体构件。示例8构建依据示例5的反应器，不同之处在于整体构件上没有催化剂。该反应器用于对在其中流动的流体进行有效和均匀的加热。可选地，反应器内的流体的温度高于环境温度，从而，反应器用于冷却流体。附加特征本发明可以几种方式进行改进以产生有益的效果。在一个实施方式中，辅通道可不均匀地分布在主通道的壁上，从而使得处理流体的流可在不同位置处被导向反应器壁或从反应器壁导离。例如，在单排多管的蒸汽转化器中，反应器管的一些侧面对着燃烧源而由此比其它侧具有更高的热通量。与倾斜的主通道相结合的辅通道可设计成将所述流更多地导引到具有高热通量的反应器侧而不是其它侧。从而，与其它侧相比，可使得在反应器高热通量侧处的对流热交换系数相对较高。在其它实施方式中，主通道和辅通道的结合可如此地设计处理流体在转换器内沿螺旋形或其它期望路径流动。可调节辅通道的分布，从而使得处理流体交替地流向反应器壁或从反应器壁流走。例如，除非另外地指出，参见图17，波紋状片层1704或平滑片层1702中至少一个的第一系列可具有相对较低的流阻，例如在反应器壁1708附近辅通道的密度较大。从而，当处理流体冲击在所述的第一至少一个平滑片层或波紋状片层上时，反应器中较大比例的处理流体将在反应器壁附近流动。类似地，波紋状片层1704或平滑片层1702中至少一个的第二系列可具有相对较低的流阻，例如在转换器轴线1762附近辅通道的密度较大。从而，当处理流体冲击在所述的第二至少一个平滑片层或波紋状片层上时，反应器中较大比例的处理流体将在转换器轴线附近流动。通过交替设置所述第一和第二系列的片层，可使得处理流体交替地在反应器壁附近和反应室轴线附近流动。此流动形式极大地增加了与反应器壁的传热。通过调节辅通道在反应室轴线或反应器壁处的密集度与辅通道在主通道其余部分处的密集度之间的相互关系，设计者可以对期望的高传热(辅通道在反应器壁或反应室轴线处的高密集度)及低压降(辅通道沿主通道的密集度是均匀的)的组合进行调节。在一个极端中，仅在反应器壁或反应室轴线附近才存在辅通道。在另一个极端中，辅通道沿主通道均匀地分布。通过改变辅通道的直径，可以获得类似的效果。在一个可选实施方式中，在整体构件上的催化活性涂层的厚度可最为当地的反应速度的函数而改变。例如，本发明可用作蒸汽转化器中的反应器。作为多孔载体结构上的细分材料，催化剂至少施加到辅通道壁上。位于蒸汽转化反应器入口处的流体的温度相对较低，从而使得活性催化剂的活性和表面积限制了整体反应动力性。在这种情形下，催化活性材料在其载体结构孔隙中的更深处参与所期望的反应。因此，在反应器入口附近，优选地，在整体构件上施加更深的、50到300微米的催化剂载体材料。在所述反应器中的下游位置中，温度较高，使得在催化剂载体结构外表面上的催化剂活性更大，从而可作为反应器中的热剖面的函数施加较薄的、10到IOO微米的催化剂涂层。类似地，在温度较高的反应器壁处的涂层厚度可较薄。在反应器轴线附近可施加较厚的涂层。在另一可选实施方式中，催化剂载体材料中的导热率以及沿施加有催化剂载体材料的基片的长度方向的导热率可独立地变动。在具有高导热率且具有从转化器壁到转化器轴线的直接热传导途径的相对厚的基片层上涂覆具有低导热率的相对薄的催化剂载体材料，使得在催化剂壁和转化器内部之间更好地传热。对于根据本发明的用于处理内燃机废气的反应器而言，此构造有助于使反应器中的温度更为均匀，使得在反应器轴线处的过热最小化。对于依据本发明的用于蒸汽转化的反应器而言，热量从反应器壁传递到反应器的较为中间的部分阻止了碳氢化合物的局部过热，该局部过热会析出碳。碳会堵塞住催化剂。相反地，在具有低导热率的相对薄的基片层上涂覆导热率阻抗相对较高的催化剂载体材料，使得在反应器壁和较接近反应器壁的处理流体之间更好地局部传热。在另一个可选实施方式中，可以调节主通道与反应器轴线之间的角度以改变在反应器壁和整体构件内部之间的辐射传热的视角因数。如果视角因数大，例如由于一相对较大的角度，则改进了通过辐射向整体构件内部传热。在另一个可选实施方式中，依据本发明设计的反应器可包括一中空的柱，其将相对而言未反应的流体输送到整体构件的内部。该中空柱还可设计为使得反应过的流体从整体构件的内部移除。例如，除非另外地指出，参见图18，在一个与反应器1800类似的反应器中设计有一另外的中心管道1840。此管道与反应器的轴线1806相一致。该反应器用于蒸汽转化。管道将至少一部分的包括碳氢化合物的进入流体沿着催化转化器的长度输送到一个或多个指定的位置，从而使得该部分的进入流体不直接地暴露于温度相对较高的反应器壁。通过阻止一部分的碳氢化合物暴露于加热的管壁，剩余进入流体中的蒸汽与碳的比更高，且可获得更高的通过管壁的热通量而碳不会析出。通过在整体构件的下游中引入受阻的碳氢化合物，可总体上获得期望的高的碳与蒸汽的比。这使得生产量提高、而蒸汽输出降低。中心管道可通过位于该中心管道中的侧孔将进入流体分布到周围的整体构件内。进入流体与位于整体构件中的蒸汽反应，这增加了在所述反应器下游部分上的热负荷。通过使一部分的碳氢化合物在反应器入口处的不接触整体构件，反应器入口处的热负荷较低、且从入口到出口的热剖面更为均匀，适于获得最佳的工作温度。此外，与输送过散布的催化剂表面相比，由中心管道输送的进入流体所受到的压降较小，节约了压缩能。通过中心管道导引的进入流体的温度可低于整体构件。管道还可使其输送的流体与整体构件热隔绝，帮助保持住进入流体的低温以有助于调平反应器上的热负荷及保持均匀的温度分布。可采用中心管道以从处理流体中去除氢，从而使得碳氢化合物可更完全地转化成氬。中心管道可包括一氩渗透膜一一例如钯或賴。在另一可选实施方式中，依据本发明包括有交替的平滑及波紋状片层的反应器中的片层可以具有不同的厚度。例如，平滑片层可制成比波紋状片层更厚或更坚固。本发明可用作混合器或乳化器。本发明的进入流体可为液体及气体的混合物、或者是不混溶液体的混合物。如果依据本发明的整体构件将被插入到具有不平整的或不规则表面的管道构件中时以及如果希望辐射传热时，主通道壁可在邻近该管道构件的部分中切开，从而使整体构件可变形成管道的形状，从而实现良好的辐射传热。本发明的整体构件可压缩在一压缩套筒内，以将该整体构件安装或改造在管内。压缩套筒的材料可在使用中挥发，使得整体构件可以膨胀而与反应器壁相符合。压缩套筒还可由钎焊材料制成，其可涂覆有熔剂材料。如果在套筒的外表面上使用了熔剂材料，套筒可以是穿孔的片层、网、网格、粉末金属或者其它可透过的表面。在应用前，加热反应器以熔化钎焊材料，从而将整体构件附接到反应器壁上。当反应器轴线与主通道之间的角度增加时，对于如上所述被压缩的整体构件而言，主通道将越发地起到承载梁的作用，以使得整体构件压紧在反应器壁上。当反应器在制造、储存和应用过程中暴露于预期温度下时，整体构件的压缩不应当超过基片层的屈服强度或蠕变强度。从而，具体参照其实施方式对本发明进行了描述，明显地，可对其进行各种变化和改进，而不偏离在所附权利要求中所限定的本发明的精神与范畴。权利要求1.一种反应器，包括入口；出口；反应器轴线；绕该反应器轴线设置的反应器壁；以及整体构件，所述整体构件具有多个主通道，所述多个主通道非环形地径向布设或螺旋状地布设，所述多个主通道相对于所述反应器壁和反应器轴线中的至少其一倾斜。2.如权利要求l所述的反应器，其中所述整体构件进一步包括多个与所述多个主通道流体耦连并在所述多个主通道之间提供流体连通的辅通道。3.如权利要求2所述的反应器，其中所述多个主通道由主通道壁限定，且其中所述多个辅通道由辅通道壁限定，其包括贯穿所述主通道壁的穿孔，从而流体耦连所述多个主通道中的相邻主通道。4.如权利要求3所述的反应器，其中所述主通道壁包括带孔的金属丝布，且其中所述金属丝布的孔形成所述辅通道。5.如权利要求3所述的^JL器，进一步包括M口延伸A^应器内、且将入口流体耦连到M器内部区域的管道。6.如权利要求5所述的反应器，其中通过所述管道将反应物供应到反应器内部区域中。7.如权利要求3所述的^JL器，进一步包括从出口延伸AJl应器内、且将出口流体耦连到^JL器内部区域的管道。8.如权利要求7所述的反应器，其中由反应器产生的处理流体通过所述管道M应器移除。9.如权利要求8所述的反应器，其中所述管道由包括氢渗透膜的壁限定，其中所1￡>^应器用于催化蒸汽转化，且其中在催化蒸汽转化过程中产生的氩通过所述管il^应器移除，10.如权利要求3所述的反应器，进一步包括沉积在所述主通道壁和辅通道壁中的至少其一上的催化剂。11.如权利要求10所述的反应器，其中所述反应器用于催化蒸汽转化或处理来自于内燃机的废气。12.如权利要求l所述的反应器，进一步包括沉积在所述主通道壁的表面上的催化剂。13.如权利要求12所述的反应器，其中所述反应器用于催化蒸汽转化或处理来自于内燃机的废气。14.如权利要求13所述的反应器，其中所述反应器用作催化蒸汽转化反应器，通过燃烧燃料和氧化剂而外部加热该催化蒸汽转化反应器，其中所述氣化剂包括氣气体积浓度至少为35%的空气。15.如权利要求13所述的反应器，其中当所述反应器用作催化蒸汽转化反应器时，通过燃烧燃料和氣化剂而外部加热该催化蒸汽转化反应器，其中所述燃烧在大于一个大气压的压力下进行。16.如权利要求l所述的反应器，其中所述反应器用作或用于换热器、混合器或乳化器。17.如权利要求l所述的反应器，其中所述多个主通道包括有相对于反应器轴线成一倾斜角度倾斜的片层。18.如权利要求l所述的反应器，其中所述多个主通道包括波故状和非波紋状的片层，其中所述波紋状片层的波紋相对于反应器轴线成一倾斜角度倾斜。19.一种反应器，包括入口；出口；反应器轴线；绕该反应器轴线i殳置的反应器壁；以及整体构件，所述a构件具有多个主通道和多个辅通道，所述多个辅通道与多个主通道流体地耦连并在多个主通道之间提供流体连通；其中，沿从所述反应器入口到出口的方向，所述多个主通道中的至少一部分通道的橫截面面积增加，而与所述多个主通道中的所述至少一部分通道相邻的其它通道的横截面面积减少。20.如权利要求19所述的反应器，其中所述多个主通道由主通道壁限定，且其中所述多个辅通道由辅通道壁限定，其包括贯穿所述主通道壁的穿孔，从而流体耦连所述多个主通道中的相邻主通道。21.如权利要求19所述的反应器，进一步包括沉积在所述主或辅通道中至少其一上的催化剂。22.如权利要求21所述的反应器，其中所述主通道壁包括带穿孔的金属丝布，且其中所述金属丝布的穿孔形成所述辅通道。23.如权利要求19所述的反应器，其中所述多个主通道中的每一个都具有入口及出口，且其中横截面面积沿反应器入口到出口方向减少的主通道的那至少一部分通道中的每一个通道在其出口处都是封住的，而横截面面积沿反应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处是封住的。24.如权利要求23所述的反应器，其中所述反应器用于截获存在于从入口运动到出口的流体中的颗粒。25.如权利要求23所述的反应器，其中所述反应器用于对来自于内燃机的废气的催化处理之一。26.如权利要求19所述的反应器，其中所述反应器用作或用于混合器或乳化器。27.—种形成反应器的方法，该反应器包括入口、出口、反应器轴线、绕该反应器轴线设置的反应器壁以及具有多个主通道的*构件，所述方法包括设置所述多个主通道，使得其为非环形径向布设及螺旋状布设中的一种；以及如果所述多个主通道非环形地径向布设，则设置所述多个主通道，使得其相对于所^A应器轴线和反应器壁中的至少一个倾斜。28.—种形成反应器的方法，该反应器包括入口、出口、反应器轴线、绕该反应器轴线设置的>^应器壁以及具有多个主通道和多个辅通道的^构件，所述方法包括流体耦连所述多个辅通道与所述多个主通道；在所述多个主通道之间提供流体连通；构造所述多个主通道，使得沿从所it^应器入口到出口的方向所述多个主通道中的至少一部分通道的橫截面面积减少；以及构造所述多个主通道，使得沿从所述反应器入口到出口的方向与所迷多个主通道中的所述至少一部分通道相邻的其它通道的橫截面面积增加。29.—种用于M器中的B构件，所述B构件包括入口、出口、轴线以及多个主通道，所述多个主通道非环形地径向布设或螺旋状地布设，所述主通道相对于反应器壁和反应器轴线中的至少其一倾斜。30.如权利要求29所述的R构件，进一步包括多个与所述多个主通道流体耦连并在所述多个主通道之间提供流体连通的辅通道。31.如权利要求30所述的B构件，其中所述多个主通道由主通道壁限定，且其中所述多个辅通道由辅通道壁限定，其包括贯穿所述主通道壁的穿孔，从而流体耦连所述多个主通道中的相邻主通道。32.如权利要求31所述的4H^构件，其中所述主通道壁包括带孔的金属丝布，且其中所述金属丝布的孔形成所述辅通道。33.如权利要求31所述的整体构件，进一步包括沉积在所述主通道壁和辅通道壁中的至少其一上的催化剂。34.如权利要求29所述的整体构件，进一步包括从入口延伸入该^H^构件内、且将入口流体耦连到该整体构件内部区域的管道。35.如权利要求34所述的R构件，其中通过所述管道将反应物供应到所述4N^构件的内部区域中。36.如权利要求31所述的^H^构件，进一步包括从出口延伸AX^器内、且将出口流体耦连到^L器内部区域的管道.37.如权利要求36所述的4H^构件，其中由该整体构件产生的处理流体通过所述管道从整体构件移除。38.如权利要求37所述的整体构件，其中所述管道由包括氢渗透膜的壁限定，其中所述整体构件用于催化蒸汽转化，且其中在催化蒸汽转化过程中产生的氩通过所述管ii^该0构件移除。39.如权利要求29所述的整体构件，进一步包括沉积在所述主通道壁的表面上的催化剂。40.如权利要求29所述的整体构件，其中所述多个主通道包括有相对于^JI器轴线成一倾斜角度倾斜的片层。41.如权利要求29所述的整体构件，其中所述多个主通道包括波紋状和非波故状的片层，其中所述波紋状片层的波紋相对于该整体构件的轴线成一倾斜角度倾斜。42.—种用于^L器中的g构件，所述^^构件具有入口、出口以及用于所述反应器中的轴线，所述g构件包括多个主通道和多个辅通道，所述多个辅通道与多个主通道流体地耦连并在多个主通道之间提供流体连通；其中，沿从所iiJl应器入口到出口的方向，所述多个主通道中的至少一部分通道的横截面面积增加，而与所述多个主通道中的所述至少一部分通道相邻的其它通道的橫截面面积减少。43.如权利要求42所述的整体构件，其中所述多个主通道由主通道壁限定，且其中所述多个辅通道由辅通道壁限定，其包括贯穿所述主通道壁的穿孔，从而流体耦连所述多个主通道中的相邻主通道。44.如权利要求42所述的B构件，进一步包括沉积在所述主通道壁和辅通道壁中的至少其一上的催化剂。45.如权利要求44所迷的ft^构件，其中所速主通道壁包括带孔的全属丝布，且其中所述金属丝布的孔形成所述辅通道。46.如权利要求42所述的^H^构件，其中所述多个主通道中的每一个都具有入口和出口，且其中橫截面面积沿反应器入口到出口方向减少的主通道的那至少一部分通道中的每一个通道在其出口处都是封住的，而横截面面积沿反应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处是封住的。47.—种形成整体构件的方法，该整体构件具有入口、出口以及用于反应器中的轴线，所述反应器具有绕该轴线设置的壁，所述方法包括在所述整体构件中提供多个主通道；设置所述多个主通道，使其非环形地径向布^殳或螺旋状地布设；以及如果所述多个主通道非环形地径向布设，则设置所述多个主通道，使得在结合入所述反应器中时相对于所述反应器轴线和反应器壁中的至少一个倾斜。48.—种形成B构件的方法，该务本构件具有入口、出口以及用于^JL器中的轴线，所iC^应器具有绕该轴线设置的壁，所述方法包括在所述整体构件中提供多个主通道和多个辅通道；流体耦连所述多个辅通道与所述多个主通道；在所述多个主通道之间提供流体连通；构造所述多个主通道，使得在该^构件结合入所述反应器中时沿从所述反应器入口到出口的方向所述多个主通道中的至少一部分通道的横截面面积减少；以及构造所述多个主通道，使得在该B构件结合入所述反应器中时沿从所述反应器入口到出口的方向与所述多个主通道中的所述至少一部分通it^目邻的其它通道的横截面面积增加。全文摘要一种改进的反应器，其包括由辅通道相连的主通道。主通道和辅通道的朝向和尺寸使得流体流经所述的主通道和辅通道。催化剂可涂覆在辅通道的内侧上。文档编号B01J35/02GK101432075SQ200580022830公开日2009年5月13日申请日期2005年6月16日优先权日2004年7月7日发明者乔纳森·杰伊·范斯坦申请人:乔纳森·杰伊·范斯坦