生产颗粒的方法、颗粒、催化剂装料和静态混合器与流程

本发明涉及一种生产颗粒的方法、颗粒、催化剂装料和具有多个颗粒的静态混合器。

背景技术：

生产陶瓷颗粒的方法通常是已知的。例如，首先通过挤出生产线料，随后将其切割以获得单独的颗粒。这种颗粒可以用作催化剂。还已知整体式催化剂包括陶瓷、金属泡沫、网络或所谓的蜂窝结构。

金属泡沫可以例如如wo2016/020053a1中所述的生产。在这方面，聚氨酯泡沫首先用金属镀锌。随后通过热解除去聚氨酯泡沫，从而获得金属泡沫材料。该金属泡沫材料可以通过随后的烧结最终转化为金属泡沫。在烧结之前，还可以将金属粉末施加到金属泡沫材料上，然后可以例如在与金属泡沫材料一起烧结时形成金属泡沫形式的合金。

催化剂装料对反应器内的流体动力学具有决定性影响，因此对传热和传质以及压力损失具有决定性影响。因此，例如更致密的催化剂床导致压力损失增加。同时，由于致密填充的催化剂装料产生大量湍流，这伴随着改进的对流传热，因此在更致密的催化剂床中传质可以特别好。

传热是决定性的参数，其对于吸热反应和放热反应都必须进行优化，并且显著影响反应器的供热和除热性能。根据化学反应器中的温度范围，通过传导、对流或辐射来限制传热。存在通过辐射的传热的贡献随着温度增加而增加的效果的趋势。受辐射引起的传热所限制的方法的示例是基于极端吸热反应，如蒸汽重整的方法。这些方法的挑战是将足够的热能引入到反应器中以引发化学反应。典型的反应温度高于900℃。在低于800℃的温度下，传热通常受到对流的限制。对流高度依赖于流体动力学，并且在湍流中被促进。反应器中湍流的典型参数是雷诺数。

为了参与多孔材料中的化学反应，流体必须移动到多孔材料的催化活性中心。在多孔材料中向这种催化活性中心的传质主要取决于流体渗透到多孔材料中的部分有多大，或者这种流体流过多孔材料而没有渗透到孔中有多少。

化学过程成本的最重要参数之一是压力损失。压力损失越高，将流体输送通过反应器所需的努力就越高。因此，反应器的操作成本也随着其压力损失的增加而增加。然而，一定的压力损失对于在反应器中产生所需的湍流是必不可少的。

应当理解的是，上述关于流体动力学的考虑因素也相应地适用于静态混合器，例如吸收塔或蒸馏塔中的静态混合器。

技术实现要素：

本发明的基本目的是提供一种方法，根据该方法可以生产颗粒，通过该颗粒可以以目标方式优化和设定反应器或塔中的流体动力学，从而可以优化反应器或塔中的传热和传质以及压力损失。

提供一种具有权利要求1的特征的方法以满足该目的。

根据本发明的生产颗粒的方法，特别是用于催化剂和/或静态混合器，包括切割以将至少一层金属泡沫材料成形和/或将至少一层金属泡沫材料成形为颗粒形式。

根据本发明的方法允许经济且可控地生产具有不同形状的颗粒。相对于由该方法所提供的颗粒的几何形状和尺寸的设计自由度允许催化剂床层和/或静态混合器的不同填料具有适应的流体动力学，从而可以优化反应器中的传热和传质以及压力损失。

从从属权利要求、说明书和附图中可以看出本发明的有利实施例。

根据一个实施例，金属泡沫材料被烧结，例如以将包含不同金属的金属泡沫材料转化为金属合金泡沫。烧结可以例如在500℃至1200℃的温度下在氧化或还原气氛中进行。因此，可以获得不同的合金，这些合金可以具有用于计划的颗粒使用目的的优化性能。

通过烧结另外增加了颗粒的稳定性，由此可以实现由陶瓷材料构成的颗粒所不可能的颗粒形状。颗粒的高稳定性另外允许催化剂床的非常快速和有效的填料；此外，可以实现更高的填料密度。这同样相应地适用于由单个颗粒设置的静态混合器。

根据该方法的变型，通过在烧结前切割以成形和/或成形来进行成形为颗粒。然而，替代地，同样可能仅在烧结后进行切割以成形和/或成形的步骤。这些步骤的最佳顺序最终取决于所需的颗粒形状。

金属泡沫优选为开孔金属泡沫。因此，诸如气态反应物的流体可以穿透整个颗粒并参与颗粒内的反应。根据优选实施例，金属泡沫包含催化活性材料，其可以催化非均相反应并且特别适合于转化气态反应物。

金属泡沫优选包含元素ni、fe、cr、al、nb、ta、ti、mo、co、b、zr、mn、si、la、w、cu、ag、au、pd、pt、zn、sn、bi、ce和/或mg中的至少一种。金属泡沫特别优选包含元素ni、fe、cr和/或al中的至少一种，非常特别优选包含元素ni和/或al中的至少一种。多个这些元素可以一起形成作为合金的金属泡沫的组分，或者可以作为颗粒存在于金属泡沫上。

金属泡沫优选具有孔，该孔具有以单模态或多模态的方式分布的直径，特别是以双模态方式。根据特别优选的实施例，孔以多模态的方式分布并且空间上布置在颗粒内，使得孔在颗粒的第一区域中存在，该颗粒的第一区域的直径大于在空间上与其分离的颗粒的第二区域的直径。具有不同直径的孔可用于影响颗粒内反应物和产物的停留时间。湍流的形成也可以受到在其尺寸，类型或几何形状方面不同的孔的影响，由此可以影响传热和传质。

根据本发明方法的特别优选的进一步进展，提供至少两层的不同金属泡沫材料。金属泡沫材料的层尤其也被认为是不同的，其在包含在其中的孔的取向方面不同，该孔包括不同的材料，其在其厚度方面不同和/或具有不同的透气性。特别优选的是，至少两个不同的层在其孔隙率、孔径、材料组成和/或透气性方面不同。颗粒的流体动力学特性可以通过使用不同的层以目标方式设置，因此可以通过具有有多个这种颗粒的催化剂的反应器中或者具有由多个这种颗粒构成的静态混合器的吸收塔或蒸馏塔中的传热和传质以及压力损失来设置。

两层金属泡沫材料例如可以通过压制和/或通过焊接膜焊接而彼此连接。压制允许连接层而不使用可能在使用所得颗粒作为催化剂装料和/或作为静态混合器时可能是破坏性的附加材料。焊接膜的使用者使得可以以目标方式将焊料化合物插入到颗粒中，由此可以控制化合物，例如颗粒内的流体动力学。

例如，通过激光切割、水射流切割、电火花腐蚀、机械加工，特别是锯切、钻削、车削或研磨、受控破碎、扭转、卷绕、压制、折叠、热处理，特别是用弧焊接、分离焊接、或用焊灯处理、化学处理，特别是浸出或分离，来进行至少一层的金属泡沫材料的切割以成形和/或成形。

颗粒的体积优选为0.5mm³至30cm³，特别优选为0.8mm³至15cm³，非常特别优选为2cm³至10cm³。对于体积小于0.5mm³的颗粒，存在它们通过反应物流而从反应器中带出，特别是在用作非均相反应的催化剂时的风险。体积小于0.5mm³的颗粒附加地在反应器中仅产生少量湍流，因此对对流传热和传质几乎没有贡献。相反，使用体积大于30cm³的颗粒的催化剂装料工艺形成空的空间，这对于对流供热和除热是不利的，并且特别地导致不希望的热点并且降低了高度放热反应的工艺稳定性。另一方面，空的空间可以在大于800℃的温度下通过辐射促进供热和除热。因此，通过有针对性的影响空的空间的大小或数量，可以针对所有工艺条件优化供热和除热。

金属泡沫材料优选具有直径为10μm至10,000μm，优选为50μm至3000μm，非常特别优选为100μm至1500μm的孔。直径小于10μm的孔会导致传质性能的劣化。使用孔径为10μm或以上的金属泡沫材料可以实现更好的传热性能和传质性能。然而，对于直径大于10,000μm的孔，由于金属泡沫提供的催化活性表面与孔的内部体积之比降低，具有这种颗粒作为催化剂装料的反应器的效率降低。

颗粒的孔隙率优选大于或等于70％，特别优选大于或等于80％，非常特别优选大于或等于85％。因此，它们是高度多孔材料的颗粒。这里的孔隙率表示颗粒中孔的体积与颗粒的总体积的商。已经发现，当这种颗粒用于催化剂床中时，孔隙率小于70％对传质和压力损失具有负面影响。这里，孔隙率通过参考颗粒的横截面的图像分析来确定。为此目的制备颗粒的横截面并拍摄其图像。为了确定孔隙率，将具有和不具有材料的图像表面，即材料区域和孔区域彼此关联。例如，50％的孔隙率是指在拍摄图像中具有和不具有材料的表面具有相同的尺寸。在拍摄的图像中，不具有材料的表面的比例越高，颗粒的孔隙率就越高。

应当理解的是，由于颗粒的适当形式，由此设置的静态混合器也可以理想地适应其各自的应用，例如在吸收塔或蒸馏塔中。

本发明的另一主题是一种颗粒，其包括至少一层的金属泡沫，并且特别可以根据上述方法之一获得。该颗粒例如可以用于催化剂装料和/或用于静态混合器，例如用于吸收塔或蒸馏塔。

金属泡沫优选为开孔金属泡沫。因此，气态反应物可以穿透整个颗粒并参与颗粒内的反应。根据优选实施例，金属泡沫包含催化活性材料，其可以催化非均相反应并且特别适合于转化气态反应物。

根据第一变型，颗粒包括至少一个外侧凹陷、一个外侧槽和/或金属泡沫层的至少一个缠绕和/或扭转。通过该形状可以以适合于相应应用的方式影响流体动力学，并可优化反应器或塔的传热性能和传质性能。

颗粒的第二变型提供颗粒的至少一个外表面和/或一个内边界表面至少部分地闭合。闭合的外表面被理解为不具有任何孔开口的颗粒的外表面，使得气态反应物不能进入颗粒或通过它们从颗粒中逸出。颗粒的闭合的内边界表面相应地表示颗粒内部的不被孔穿透的表面。这种内边界表面可以例如存在于两层金属泡沫之间，这两层金属泡沫在使用焊接膜的同时彼此连接。这种部分闭合的外表面和/或内边界表面可以有助于流经反应器或塔的气流中的湍流并且可以影响流体动力学，由此最终可以优化反应器或塔的传热特性和传质特性。

根据第三种变型，颗粒包括至少两个不同的金属泡沫层。使用不同的金属泡沫层可以将不同的性能组合在颗粒中，由此反过来可以优化流体动力学以及因此传热性能和传质性能以及反应器或塔的压力损失。

第一、第二和第三变型彼此不排除，但也可以组合存在，使得在一个变型中，颗粒包括至少一个外侧凹陷、一个外侧槽和/或金属泡沫层的至少一个缠绕和/或扭转，并且该颗粒的至少一个外表面和/或一个内边界表面至少部分地闭合。根据另一变型，颗粒包括至少一个外侧凹陷、一个外侧槽和/或金属泡沫层的至少一个缠绕和/或扭转以及至少两个不同的金属泡沫层，其中颗粒的至少一个外表面和/或一个内边界表面至少部分地闭合。根据另一替代方案，规定该颗粒包括至少一个外侧凹陷、一个外侧槽和/或金属泡沫层的至少一个缠绕和/或扭转以及至少两个不同的金属泡沫层。最后，颗粒可以包括至少两个不同的金属泡沫层，并且颗粒的至少一个外表面和/或一个内边界表面可至少部分地闭合。

颗粒优选包括金属泡沫，该金属泡沫优选包括元素ni、fe、cr、al、nb、ta、ti、mo、co、b、zr、mn、si、la、w、cu、ag、au、pd、pt、zn、sn、bi、ce和/或mg中的至少一种。金属泡沫特别优选包含元素ni、fe、cr和/或al中的至少一种，非常特别优选包含元素ni和/或al中的至少一种。多个这些元素可以形成合金，并且可以构成金属泡沫或总金属泡沫的组成部分。另外，这些元素可以包含在金属泡沫内存在的颗粒中。金属泡沫特别优选地包括镍-铁-铬-铝合金和/或镍-铬-铝合金。镍-铁-铬-铝合金和/或镍铬铝合金可以掺杂其他元素以设置和优化催化活性。

非常特别优选地，金属泡沫至少基本上包含镍-铁-铬-铝合金和/或镍-铬-铝合金。这意味着，除了可能掺杂的镍-铁-铬-铝合金和/或镍-铬-铝合金之外，金属泡沫仅包括不可避免的污染物和/或可能在生产中使用的焊接膜的残留物。

根据一个实施例，金属泡沫具有孔，该孔具有以单模态或多模态方式分布的直径，尤其是双模态方式。

颗粒中的孔的直径优选为10μm至10,000μm，优选为50μm至3000mm，非常特别优选为100μm至1500μm。直径小于10μm的孔可以导致压力损失增加并且可以阻碍传热和传质。使用孔径大于100μm的颗粒可以实现相当好的传热性能和传质性能以及降低的压力损失。然而，对于直径大于10,000μm的孔，由于金属泡沫提供的催化活性表面与孔的内部体积之比降低，具有这种颗粒作为催化剂装料的反应器的效率降低。

本发明还涉及根据至少一个上述方面的具有多个颗粒的催化剂装料。

根据本发明的催化剂装料可以例如用于非均相催化反应。这里，非均相催化反应的反应物和产物可以以气态和/或液态形式存在。此外，根据本发明的催化剂装料可用于较长链烃中的天然气的转化、烃的氢化/脱氢，特别是蒸汽重整、氧化反应，特别是部分乙烯氧化。

本发明的另一主题是静态混合器，例如用于吸收塔或蒸馏塔，具有多个上述类型的颗粒。

根据一个实施例，催化剂装料或静态混合器的多个颗粒包括不同的颗粒，特别是在其尺寸、形状、表面、密度、孔隙率和/或其材料方面不同的颗粒。由此可以以合适的方式影响流体动力学并因此影响传热和传质，从而优化反应器的供热和除热性能。

根据另一实施例，不同颗粒均匀地分布在催化剂装料中或静态混合器中。根据另一个实施例，不同颗粒的分布在轴向方向上具有梯度和/或在径向方向上具有梯度。轴向方向指的是从反应器入口或塔入口到反应器出口或塔出口的方向，径向方向指的是横向于轴向方向的方向。根据又一实施例，不同颗粒的分布在轴向方向和/或径向方向上具有离散层。催化剂装料或静态混合器在径向方向上的组成的变化使得可以以目标方式影响到反应器或塔的内部的供热和除热性能，并因此相应地优化反应器或塔。催化剂装料或静态混合器在轴向方向上的组成的变化使得流体动力学能够适应于在轴向方向上变化的反应器流动的组成。

附图说明

下面将参考可能的实施例和附图纯粹通过示例的方式描述本发明。图中显示：

图1是根据本发明的方法的示意图；

图2是根据本发明的颗粒的一个实施例；

图3是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图4是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图5是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图6是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图7是根据本发明的颗粒和成形金属泡沫材料的另一个实施例；

图8是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图9是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图10是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图11是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图12是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图13是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图14是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图15是根据本发明的颗粒的另一个实施例；

图16a是根据本发明的具有三个不同层的颗粒的实施例的横截面图；

图16b是根据本发明的具有三个不同层的颗粒的另一个实施例的横截面图；

图16c是根据本发明的具有两个不同层的颗粒的另一个实施例的横截面图；

图17a是根据本发明的颗粒的一个实施例的示意图；

图17b是根据本发明的颗粒的另一个实施例的示意图；

图18是具有催化剂装料的反应器；

图19是反应器的截面图；

图20是具有催化剂装料的反应器的部分透明视图；

图21a是实施例1至5以及对比例1和2的颗粒的预定量的物质流的压力损失；

图21b是取决于实施例1至5和对比例1和2的质量传输和传质的压力损失；

图22a是三个装有颗粒的反应器的三个出口温度曲线；和

图22b是图21a的反应器的平均传热系数。

具体实施方式

图1示意性地示出了生产诸如如图2至16c中所示的颗粒10的方法步骤。首先，在第一方法步骤s1中，提供层12或彼此堆叠的金属泡沫材料14的多个层12的堆叠，其随后在第二方法步骤s2中粉碎成金属泡沫材料块18，然后在第三方法步骤s3中将其成形为颗粒状金属泡沫坯料16。在第四方法步骤s4中，通过随后的烧结将金属泡沫坯料16进一步加工成成品颗粒10。由此获得的颗粒10具有高机械稳定性，并且如下所述，可以用于生产反应器22的催化剂装料20。然而，根据替代用途，同样可以从颗粒10设置静态混合器，例如用于吸收塔或蒸馏塔的静态混合器。可以理解的是，取决于颗粒10的构造，静态混合器也可以满足催化剂功能，或者相反地，催化剂装料20可以同时用作静态混合器。

为了由金属泡沫材料14形成颗粒状金属泡沫坯料16，可以使用不同的技术，例如，激光切割、水射流切割、电火花腐蚀、机械加工，特别是锯切、钻削、车削或研磨、受控破碎、扭转、缠绕、卷绕、压制、折叠、热处理，特别是用弧焊接、分离焊接、或用焊灯处理、化学处理，特别是浸出或分离。

在生产具有如图7的中间所示的螺旋形状的颗粒状金属泡沫坯料16以形成第一形状并随后粉碎金属泡沫材料14中也是有利地。取决于颗粒10所需的形状，通常有利的是，以相反的顺序进行第二方法步骤s2和第三方法步骤s3，即，首先在金属泡沫材料14中折叠、卷绕、扭转和/或压制，随后将其切割以获得所需尺寸的颗粒状金属泡沫坯料16。然后，颗粒状金属泡沫坯料16通过烧结成为金属泡沫24的颗粒10(方法步骤s4)。

根据替代实施例，还可以想到在方法步骤s2和s3之前执行方法步骤s4。通过该替代方案，金属泡沫材料14的层12因此首先被烧结并随后如上所述被粉碎并成形为成品颗粒10。

图2中所示的由具有开口孔26的金属泡沫24构成的颗粒10具有近似圆柱形的基部形状，并且在其端面的中心区域中具有凹陷28，该凹陷28由金属泡沫材料14的压入产生。可以想到，在图2中不可见并且同样相对设置的颗粒10的端面也具有凹陷28。替代地，凹陷28也可以构造为沿轴向延伸穿过整个颗粒10的凹陷，由此颗粒10被赋予拉西环的形状。图2的颗粒10具有金属泡沫24的多个层12的金属泡沫24，其彼此层叠并且彼此连接。单个层12的连接可以例如通过压制或借助于焊接膜30的焊接来进行。颗粒10的外表面32具有多个周边槽34。槽34可以影响流体动力学，因为它们使流过反应器22的反应物流36偏转(参见图18和20)并在其中产生湍流。另外，槽34增加了颗粒10的外表面32，使得反应物流36可以更容易地渗透到开孔金属泡沫24中，由此改善了传质性能。图2的颗粒10由于其致密形状而具有高密度，这对传热性能具有有利的影响。

图3中所示的颗粒10是通过金属泡沫材料14的层12的多次折叠而生产的，并且具有六个突起38和六个凹陷40，它们彼此平行地延伸并且在颗粒10的长度上轴向延伸。图4中所示的具有四个突起38和四个凹陷40的金属泡沫24的颗粒10可以以类似的方式生产。在中心区域，图3和图4中所示的两个颗粒10各自具有轴向延伸穿过整个颗粒10的自由通道。通过折叠在这些颗粒10中生产的突起38和凹陷40可以引起反应物流中的湍流，并且因此与没有突起38和凹陷40的颗粒10相比可以改善相应催化剂床的传热性能。这里居中布置的通道实现压力损失的减小。

在图5中所示的多层颗粒10中表示七个凹陷40，在图6中所示的颗粒10中表示十二个凹陷40，其通过弯曲金属泡沫材料14的各个层12而获得并轴向延伸。与具有没有这些凹陷40的颗粒10的催化剂床相比，这些凹陷40引起湍流并因此改善相应催化剂床的热传输性能。

图3至6中所示的所有颗粒10都具有致密的结构，使得通过具有这种颗粒10的催化剂床的统计填料可以实现高密度，这反过来有利于传热性能和传质性能，并且可以产生高度的湍流。

也可以首先卷起金属泡沫材料14的一个或多个层12，如图7中左侧所示，然后烧结它们，并随后将它们切割成盘。由此可以获得螺旋颗粒10，如图7中右侧所示。这里通过卷起的金属泡沫材料14的烧结来确保金属泡沫材料14在切割时不会再次展开。

螺旋颗粒10非常致密，这对传热性能和传质性能具有有利的影响。由于传输距离短，这种螺旋颗粒10的传质性能特别地得到改善。通过卷起在颗粒10的内部区域中生产可以减小相应催化剂床的压力损失的轴向通道。具有螺旋颗粒10的催化剂床的统计填料产生特别强烈的湍流。然而，除了螺旋颗粒10的统计填料之外，还可以实现有序填料。因此，可以堆叠螺旋颗粒10以改善催化剂床中的传热和传质，从而在催化剂床中以目标方式产生通道，从而在催化剂床中配置流动分布。

螺旋颗粒10也可以通过扭转或缠绕带状金属泡沫材料14来生产。图8中所示的颗粒10已经通过扭转成螺旋形状而转动。沿颗粒10流动的反应物流36可以通过颗粒10的螺旋形状设置成旋转。这种流体动力学的影响可以用于改善催化剂床的传热性能和传质性能。由于螺旋形状，颗粒10具有相对大的自由体积，这减小了压力损失。通过在催化剂床中螺旋颗粒10的垂直排列，其中颗粒10的纵向轴线与催化剂床中的流动方向平行地对齐，可以以目标方式产生流动分布。通过统计填料可以实现非常湍流的流动。

具有图9和10中所示的形状的颗粒10可以通过缠绕金属泡沫材料带14获得，其中通过在这些颗粒10的内部的缠绕而产生没有金属泡沫24并且减少相应催化剂床中的压力损失的通道。

颗粒10的金属泡沫的不同层12也可以在相反的方向上扭转或缠绕以产生如图11所示的颗粒10。由于不同层12的扭转或缠绕的不同方向，流过颗粒10的反应物流36经历不同方向的偏转，由此可以以目标方式影响流体动力学，例如通过湍流的产生。同样可以利用这种流体动力学的影响来以目标方式优化催化剂床的传热性能和传质性能。

具有图12和13所示的形状的颗粒10可以通过金属泡沫材料14的缠绕来生产。图12中所示的颗粒10可以通过三角形金属泡沫材料14的卷绕来生产。金属泡沫材料带14的卷绕可以用于提供具有图13中所示的几乎棒状形状的颗粒10，其具有不含金属泡沫24的轴向通道，并且通过在图13中所示的颗粒内部的卷绕而生产的相应催化剂床中的压力损失减小。

图7至13的颗粒10各自在其外表面32处具有结构，该结构是由于扭转或缠绕而引起的，并且适于引导并使流过其的反应物流36旋转。因此，可以使用这种颗粒以目标方式在反应物流36中产生湍流。取决于扭转或缠绕的类型，可以生产不同的外表面32，使得可以获得根据使用目的而定制的颗粒10。在某些情况下，可能希望在反应物流36中产生较少的湍流。为此目的可能是有利的，例如，使用图13中所示的具有相对光滑的外表面32的几乎棒形的颗粒10。可以实现更平滑的外表面32，因为使用诸如如图14所示的棒状或圆柱形颗粒10。图9至14中所示的颗粒10非常致密，这对于传热特别有利。

可以获得非常密实填料的催化剂床层，并且可以通过图9、10、13和14中所示的颗粒10的垂直填料在催化剂床中以目标方式产生流动分布，这对传热性能特别有利。通过这些颗粒的统计填料可以产生湍流，这有利于传热和传质。

图15中所示的颗粒10具有开口中空圆柱体的形状，其具有180°的开口角度α和护套壁44中的轴向开口42。在1°至359°的范围内的不同开口角度也是可能的。0°的开口角度α对应于中空圆柱体。可以例如通过卷绕金属泡沫材料14来生产开口中空圆柱体形式的颗粒10。设置在护套壁44中的开口42允许反应物流36渗透到中空圆柱形颗粒10的内护套表面46中。因此，图15中所示的颗粒10可以以与管道类似的方式引导反应物流36，由此可以实现非常小的压力损失。然而，图15中未示出的凹陷40和/或槽34可以设置在开口中空圆柱体的外护套表面48和/或内护套表面46处，以进一步影响流体动力学。在催化剂床中流动分布的目标生成同样可以通过具有图15中所示的颗粒10的催化剂床的有序填料来实现。

具有三个或两个不同层12的颗粒10的示意性横截面示于图16a、16b和16c中。不同的层12可以通过用焊接膜30焊接或者通过压制层12而彼此连接，并且可以具有不同的孔26。在中间层12中，图16a的颗粒10有具有较大直径的第一孔52和具有较小直径的第二孔54。第一孔52的直径可以在500μm至10,000μm的范围内，第二孔54的直径可以在10μm至3000μm的范围内。例如，孔52、54的这种分布可以用于影响颗粒10中反应物的停留时间。图16b中所示的颗粒内部的较小孔54可以因此例如增加反应物的停留时间。对于由两个不同的层12制成的颗粒10(图16c)，较大的第一孔52设置在层12中，较小的第二孔54设置在另一层12中。因此，反应物流36优选地从具有第一孔52的一侧进入和离开颗粒10。因此，例如可以改变颗粒10内的停留时间。由于在颗粒10的一侧比在颗粒的另一侧设置较小的孔54，因此在具有较小的孔54的一侧冲击颗粒10时可以引出一些反应物流36，这反过来影响流体动力学，从而可以影响催化剂装料的传热性能和传质性能。

图17a中所示的颗粒10具有闭合的外表面56。这意味着在闭合的外表面56处没有孔20引入颗粒10的内部，使得流动到闭合的外表面56的反应物流36不能渗透到颗粒10中并因此从外表面32反弹。由此可以产生湍流，使得传热性能和传质性能也可以受到颗粒10的外表面32的部分或完全闭合的影响。在图17b中所示的颗粒10中，设置有两个相对设置的外表面56。

闭合的外表面56可以例如通过将焊接膜30施加到颗粒10的外表面32并通过随后加热焊接膜30来生产。还可以在具有通过焊接膜30连接的多个层12的金属泡沫材料14中，在颗粒10中生产内边界表面，该内边界表面可以部分或完全闭合。部分或完全闭合的内边界表面同样影响已渗透到颗粒中的反应物流36。例如，颗粒10内的反应物的停留时间可以变化，或者可以在反应物流36中产生湍流。

由反应物流36流过的反应器22在图18中以透视图示出。在反应器22的内部设置催化剂装料20，该催化剂装料20包括多个颗粒10，并且实际上颗粒10在其尺寸、形状、表面、密度、孔隙率、取向和/或其材料方面不同，其中单个颗粒10未在图18至20中示出。反应器22具体地在轴向方向l上被划分为多个区域58，这些区域在其催化剂装料20方面不同。因此，具有优化反应器20的供热或除热性能的颗粒10的催化剂装料可以例如包括在第一区域60中。在第二区域62中，催化剂装料可以包括颗粒10，其例如在传质性能方面被优化以尽可能完全地转化反应物流36。在图18所示的反应器中，第一区域60和第二区域62沿着反应器22的轴向方向l交替排列，因此形成具有不同组成的离散层。

还可以想到，催化剂装料20沿着反应器22的轴向方向l逐渐变化。这意味着在反应器入口64的区域中设置第一种颗粒10或颗粒10的混合物，其中反应物流36进入反应器22，并且在反应器出口66的区域中设置第二种颗粒10或颗粒10的混合物。第一种颗粒10或颗粒10的混合物沿着反应器的轴向方向l合并到第二种颗粒10或颗粒10的混合物中。由此可以在反应器入口64处提供与反应器出口66处不同的流体动力学环境。

催化剂装料中不同颗粒10的分布可以在径向方向r上均匀地、逐渐地或以离散环的形式发生。在图19中所示的反应器的横截面图中可以认识到，催化剂装料20具有径向内部区域68和径向外部区域70。可以在径向部区域68中设置与径向外部区域70中不同种类的颗粒10或颗粒10的不同混合物。径向内部区域68和径向外部区域之间的过渡可以突然发生，使得催化剂装料在径向方向r上具有离散的环。替代地，在内部区域68和外部区域70之间可以发生逐渐过渡。

图20中示出了反应器的部分透明视图，其催化剂装料20沿轴向方向l逐渐变化并且沿径向方向r突然变化。内部区域68在反应器入口64处从反应器22的中心72延伸至反应器壁74。内部区域68的半径在反应器出口66的方向上沿轴向方向l连续变小，而外部区域70的厚度增加，使得内部区域68具有在反应器22的总长度上观察的锥体形状。

由金属泡沫24和常规陶瓷颗粒构成的颗粒10的比较在表1和表2以及图21a和图21b中示出。

根据本发明的颗粒10的五个实施例列于表1中，其中具有立方体或圆盘几何形状，其各自包含镍-铬-铝合金(nicral)和包含铝酸钙的陶瓷颗粒的两个对比例。

表1

¹具有六个层的立方体，压缩20％

²尺寸与长度×宽度×厚度有关

³具有凹口的圆柱体，最大外径为13mm，长度为17mm，四个相同的圆柱形中空空间，每个圆柱形中空空间都具有弧形端部，内径为3.5mm

⁴中空圆柱体，外径为8mm，长度为8mm，内径为3.0mm

图21a和21b示出了实施例1至5和对比例1和2的颗粒10的压力损失特性。对于图21a中的每个实施例或对比例，以kg/s的设定量的物质流量m以bar为单位输入测量的压力损失δp。图21a示出了压力损失δp与物质流量的设定量m之间存在近似线性关系。在图21b中，δm表示一个实施例或对比例的物质流的最高和最低设定量之间的差，δ(δp)表示在这些物质流的量处分别测量的压力损失之间的差。换句话说，值δ(δp)/δm表示延伸穿过图21a中所示曲线的起点和终点的直线的梯度，并形成对于实施例或对比例的每物质流的量的压力损失的量度。δ(δp)/δm的值越高，压力损失越大，质量传输和传质增加。

参考实施例1至5可以认识到，可以通过根据本发明的方法生产颗粒10，其对压力损失有不同的影响，即颗粒10可以容易地适应其计划使用区域的需求。例如，可以使用孔径的变化来影响压力损失，如参考实施例1和2所示。如参考实施例3和4可以认识到的，使用具有多个层12的颗粒10减少了压力损失并同时改善了传质性能。压力损失和传质都可以通过改变颗粒10的形状而根据颗粒10的使用目的来优化。根据实施例5的盘状颗粒10具有与根据实施例3的颗粒相同的良好的传质性能，但具有增加的压力损失。

图22a示出了三个径向出口温度曲线。为此目的，具有直径为3英寸(7.62cm)的管式反应器22在用不同的颗粒10填料后流过，其中空气在5巴的压力下预加热至900℃作为流体，表面速度为1m/s，其中反应器22各自布置在加热至1000℃的炉中。在反应器出口66处进行不同径向位置处的温度测量。图22a中所示的出口温度曲线是通过将测量的出口温度施加于相关的径向位置而获得的。

使用根据对比例1的陶瓷颗粒获得图22a中由菱形标记的下曲线(表1)。用由金属泡沫24构成的颗粒10获得的两个出口温度曲线由圆(上曲线)或三角形(中曲线)标记，并且各自基于包含镍-铬-铝合金的立方体颗粒。在由圆标记的出口温度曲线中，立方体颗粒10对应于实施例3的颗粒。在由三角形标记的出口温度曲线中，立方体颗粒10对应于实施例1的颗粒。由于使用由金属泡沫24构成的颗粒10而产生的两种出口温度曲线具有比基于使用陶瓷颗粒的出口温度曲线更高的温度。这说明与陶瓷颗粒相比，由金属泡沫构成的颗粒10特别有利于高度吸热反应。

可以从获得的出口温度曲线计算图22b中所示的平均传热系数。填充有陶瓷颗粒的反应器22的传热系数示于图22b的左侧，并且显著低于由根据实施例1和3的颗粒产生的平均传热系数。这表明通过根据由金属泡沫24构成的本发明的颗粒10可以优化反应器的传热。

参考数字表

10颗粒

12层

14金属泡沫材料

16金属泡沫坯料

18金属泡沫材料块

20催化剂装料

22反应器

24金属泡沫

26孔

28凹陷

30焊接膜

32外表面

34槽

36反应物流

38突起

40凹陷

42开口

44护套壁

46内侧

48外护套表面

50内护套表面

52第一孔

54第二孔

56闭合的外表面

58区域

60第一区域

62第二区域

64反应器入口

66反应器出口

68径向内部区域

70径向外部区域

72中心

74反应器壁

l轴向方向

r径向方向

s1第一方法步骤

s2第二方法步骤

s3第三方法步骤

s4第四方法步骤