專利名稱：歧管設(shè)計和多路微通道裝置中的流動控制的制作方法
簡介近年來，許多工業(yè)和學(xué)術(shù)研究對于開發(fā)化學(xué)加工用的微型設(shè)備表現(xiàn)出了極大的興趣。Gavrilidis等人目前已經(jīng)評價了微型反應(yīng)器，參見《微設(shè)計反應(yīng)器的技術(shù)和應(yīng)用》Trans.IchemE，第80卷，A部分，第3-30頁(2002年1月)，它包含236個引文。微型化學(xué)處理器的特征是流體通道尺寸約為5毫米或更少，它能提供獨特的優(yōu)點，這是因為它具有短的熱量和質(zhì)量傳遞距離，并且在某些情況下，它具有不同的流動特性。盡管這些設(shè)備可提供許多優(yōu)點，但是已經(jīng)這些設(shè)備中新的設(shè)計和不同的流動特性對形成新控制流體的方法和設(shè)計，特別是控制流過歧管以及多個連接通道的流體的方法和設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。具體地，改善熱量和質(zhì)量傳輸?shù)男⊥ǖ劳ǔＬ幱趯恿鲬B(tài)，相比過渡流態(tài)和紊流態(tài)具有較低的流動阻力。層流態(tài)可以在非常高的流速條件下存在，這是因為所述通道具有小的尺寸。因此，大的微通道處理設(shè)備在高的總體流速下可具有較小的壓降，從而由于低的流動阻力對流體分布增加了挑戰(zhàn)。而且，微型設(shè)備可連接到大的管道上，以引入或移除流體。在大管道中的流體通常處理紊流態(tài)或過渡流態(tài)，從而在微設(shè)備中需要流體歧化裝置，以在不同流體狀態(tài)的條件下將流體分布到許多平行微通道中。
最近的專利文獻描述了多種類型的微型設(shè)備和/或制造方法。例如，Wegeng等人在WO01/95237 A2中描述了新型的集成反應(yīng)器，它是通過將許多不同設(shè)計的片層疊在一起制得的。Pence等人在US2002/0080563 A1中描述了具有分支微通道的網(wǎng)狀物的設(shè)備，所述分支微通道可進行熱量傳遞。
Golbig等人在美國專利申請公開2002/0106311中描述了片狀微反應(yīng)器設(shè)計，其中連接通道的寬度是不同的，從而使液體在通道中的停留時間相等?；谠撛O(shè)計的計算結(jié)果(如實施例部分所述)顯示該設(shè)計并不適合從通過所有通道的壓頭得到高度相同的流體。
用于控制小型熱交換器和其它小型裝置中的流體的通道設(shè)計已在美國專利和專利申請?zhí)?,847,211、5,482,680、4,401,155、2002/0043544、4,343,354、6,293,338、4,041,591、5,915,469、6,098,706、4,282,927、2003/0027354、2002/0125001、2002/0187090、6,244,333和5,544,700中進行了描述。
雖然有這些以及其它努力，本領(lǐng)域還是需要一種控制流體的方法和設(shè)備，其中對流體進行控制以得到改進的性能和效率。
發(fā)明概述一方面，本發(fā)明提供一種分離相的方法，所述方法包括使混合物進入微通道中的曲線部分(curve)；其中，在曲線部分之后，所述微通道有分離器板；所述混合物(micture)分離成較稠(denser)相和不稠(less dense)相，其中不同的相位于分離器板的相對側(cè)面上。在一個優(yōu)選實施方式中，流體以基本上平行于重力的方向向下流入所述曲線部分。本發(fā)明也提供了該設(shè)備。
另一方面，本發(fā)明提供一種流體處理器，它包括具有入口的歧管(manifold)；連接通道矩陣(matrix)；位于歧管和連接通道矩陣之間的門(gate)。歧管長度和連接通道矩陣長度相互間呈非零角放置。由門連接的連接通道矩陣具有中軸；且門有偏移，從而使門的開口并不被連接通道矩陣的中軸對分。這一方面的例子如圖24所示。在一些優(yōu)選實施方式中，歧管的長基本與連接通道的長平行。優(yōu)選地，這個方面中，偏移量至少為連接通道矩陣寬度的10％(在一些優(yōu)選實施方式中至少25％)。
如同此處所述的設(shè)備，本發(fā)明還提供一種加工流體的方法，所述方法包括使至少一種流體流經(jīng)所述設(shè)備。如附圖所示，歧管和連接通道矩陣可以是共平面的，真正基本上共平面的配置在本發(fā)明的許多方面中都是常規(guī)的，而且可以理解為，共平面的配置在本發(fā)明的許多方面中是優(yōu)選的。也應(yīng)理解，本發(fā)明也擬包括此處描述的各種方面和特征的組合。例如，在一些優(yōu)選實施方式中，將上述談到的門的偏移與下述各種連接通道壁延伸部分的不一致相結(jié)合。應(yīng)進一步理解的是，本發(fā)明旨在包括所描述的個別特征的多重組合，但不限于所示的組合或以下描述的組合。
另一方面，又如圖24所示，本發(fā)明提供一種流體處理器，它包含具有入口的歧管；及連接通道矩陣。歧管長度和連接通道矩陣長度相互呈非零角放置。該連接通道矩陣包括多個通道壁，且通道壁還從所述入口進一步延伸至所述歧管中。在一些優(yōu)選實施方式中歧管的長度基本垂直于連接通道的長度；和/或，偏移至少為連接通道矩陣寬度的10％(在一些優(yōu)選實施方式中至少為25％)。
另一方面，本發(fā)明提供一種使流體流經(jīng)微通道設(shè)備的歧管的方法，所述方法包括使第一流體流經(jīng)第一方向中的第一通道；使第一流體的一部分經(jīng)過孔流入第二通道；使第一流體的一部分流經(jīng)第二通道；其中第二通道以相對第一方向為非零角的角度延伸，其中流經(jīng)孔的流體具有第一方向上的正動量矢量；其中第二通道包括微通道且包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第一和第二亞通道；其中第二通道具有基本平行于通過第二通道的凈流動的軸；且其中孔具有中點，相對第一方向，所述中點位于軸的上游。優(yōu)選地，在該方法中，第一和第二亞通道中的流體比所述軸經(jīng)過所述中點時的情況更均勻?？蛇M行此方法的優(yōu)選結(jié)構(gòu)如圖24所示。
另一方面，本發(fā)明提供一種使流體流經(jīng)微通道設(shè)備的歧管的方法，所述方法包括使第一流體流經(jīng)第一方向中的第一通道；使第一流體的一部分經(jīng)過孔流入第二通道；使第一流體的一部分流經(jīng)第二通道。該第二通道包括微通道以及包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第一和第二亞通道。所示第一和第二亞通道包括阻流物，所述阻流物有助于使通過亞通道的流體均勻。如圖25b所示為適用于進行本方法的適合的結(jié)構(gòu)。此處所述的所有方法中，本發(fā)明還包括進行本方法的設(shè)備。在一些優(yōu)選實施方式中，該第二通道以相對第一方向為非零角的角度延伸。其它實施例中，該方法可以在具有框架或條帶的層狀裝置；和/或具有阻流物(如泡沫材料)的層狀裝置；和/或在沒有流體直流通道的層狀裝置；和/或在沿著分隔壁長度的方向上分隔壁在下游是不連續(xù)的層狀裝置中進行。須理解，在本發(fā)明其它方面上，在一些優(yōu)選實施方式中，所示歧管和連接通道基本上是共平面的。
另一方面，本發(fā)明提供了微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括至少2根由壁分隔的微通道；和從壁上伸出并至少進入至少一根微通道中的撓性材料，見圖33?！鍝闲浴迨侵府斄黧w流經(jīng)微通道時材料彎曲。在一個實施方式中，所述材料通過壁延伸至第二微通道中。
另一方面，本發(fā)明提供了微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括沿第一方向延伸的第一通道和沿第二方向延伸第二通道。在該設(shè)備中，第一方向和第二方向基本為共平面的，并互相間以非零角延伸，第二通道包括微通道，第二通道包括第一開口部分和包括至少一個分隔壁的第二部分，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第一和第二亞通道。第一開口部分為流體提供一定的長度，使其在進入第二部分前沿(across)流體更均勻地分布?！彘_口″意味著無亞通道。圖25a中有一示例。本發(fā)明還包括在該設(shè)備中處理流體的方法，其中混合優(yōu)選發(fā)生在第一部分。在優(yōu)選的實施方式中，L2/D大于10，其中D為水力學(xué)直徑。在優(yōu)選實施方式中，該亞通道為連接通道，其中進行單元操作。
另一方面，本發(fā)明提供了微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括具有第一開口部分和第二部分的第一通道；所述第二部分包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二部分至少分隔成第一和第二亞通道；所述第一通道沿第一方向延伸；連接到第一亞通道的第二通道；其中第二通道基本與第一通道共平面，且沿第二方向延伸；其中第二方向相對第一方向成非零角；其中第二通道包括微通道，并包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第三和第四亞通道；連接到第二亞通道的第三通道；其中第三通道與第一通道基本共平面，并沿第三方向延伸；其中第三方向基本平行于第二方向；其中第三通道包括微通道，并包括至少一個分隔壁，它將第三通道至少分隔成第五和第六亞通道。在圖3E有一示例。為了達到此目的，通過分隔通道形成亞通道，例如用鰭狀物(fin)，但亞通道并不是通道，如由T形接頭形成的通道，它在空間上是基本分離的。
另一方面，本發(fā)明提供包括亞歧管的微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括具有至少一個分隔壁的第一通道，所述分隔壁將第一通道至少分隔成第一和第二亞通道；第一通道沿第一方向延伸；連接到第一亞通道的第二通道；其中第二通道與第一通道基本上是共平面的，并沿第二方向延伸；其中第二方向相對第一方向成非零角；其中第二通道包括微通道，且包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第三和第四亞通道；連接到第二亞通道的第三通道；其中第三通道基本同第一通道共平面，并沿第三方向延伸；其中第三方向與第二方向平行；其中第三通道包括微通道，且包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第三通道至少分隔成第五和第六亞通道；其中第一亞通道具有第一長度和第一寬度，且第二亞通道具有第二長度和第二寬度；而第二長度長于第一長度。在一個優(yōu)選實施例中，第一通道包括沒有通道壁的第一部分和包括至少一個分隔壁的第二部分，所述分隔壁將第一通道至少分隔成第一和第二亞通道，且第二寬度寬于第一寬度。一些優(yōu)選實施方式包括門。在另一個實施方式中，第四通道連接到第二亞通道；其中第四通道基本與第一通道共平面，并沿第四方向延伸；其中第四方向相對第一方向呈非零角；其中第四通道包括微通道，并包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第七和第八亞通道；其中第四方向與第二方向平行；且其中第四通道具有比第二長度更長的第四長度。
另一方面，本發(fā)明提供包括門結(jié)構(gòu)的微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括沿第一方向延伸的第一通道；沿第二方向延伸的第二通道；沿第二方向延伸的第三通道；沿第二方向延伸的第四通道；沿第二方向延伸的第五通道。第一和第二方向基本上是共平面的。第二和第三通道相鄰且平行。第一通道與第二或第三通道是不平行的。第一通道通過第一門連接到第二通道和第三通道。第三通道位于第一方向上較第二通道更遠的位置。第三通道包括微通道。第二通道包括微通道。第二通道具有第一橫截面積的開口，而第三通道具有第二橫截面積的開口。第一門的橫截面積小于第一和第二橫截面積以及它們之間的壁橫截面積之和。第四和第五通道相鄰并平行。第一通道通過第二門連接至第四通道和第五通道。第四和第五通道位于第一方向上較第三通道更遠的位置。第四通道包括微通道；其中第五通道包括微通道。第四通道具有第三橫截面積的開口，第五通道具有第四橫截面積的開口。第二門的橫截面積小于第三和第四橫截面積以及它們之間的壁橫截面積之和；且第一門的橫截面積與第二門的橫截面積不同。在一優(yōu)選的實施方式中，第一門的橫截面積是由第一門連接的連接微通道總橫截面積的2-98％。在另一個實施方式中，該設(shè)備為層狀的，且第一門包括具有四通管(cross-bar)的板。
另一方面，本發(fā)明提供微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括沿第一方向延伸的第一通道；沿第二方向延伸的第二通道；第三方向延伸的第三通道沿。第一、第二和第三方向基本上是共平面的。第二和第三方向平行。第二通道連接到第一通道，且第一和第二方向沿相互呈非零角的方向延伸。第三通道連接到第一通道，且第一和第三方向沿相互呈非零角的方向延伸。第三通道位于第一方向中相對第二通道更遠的位置上。第三通道包括微通道。第二通道具有第一橫截面積的開口，且第三通道具有第二橫截面積的開口。相比第二寬度，第一橫截面積是不同的橫截面積，至少一個開口橫截面積小于它連接至歧管的連接通道。這一方面是″門″結(jié)構(gòu)的例子。在優(yōu)選的實施方式中，第二和第三通道具有鄰近第一通道的開口的開口。在另一個實施方式中，第二和第三通道為被通道壁分隔的鄰近通道。在另一個實施方式中，第二門位于第二和第三通道中。在優(yōu)選實施方式中，門的開口區(qū)域小于門所開通道的開口區(qū)域；然而，一些例子中該區(qū)域可以是更大的，例如，通過蝕刻壁。
應(yīng)理解的是，任何設(shè)備、系統(tǒng)或方法都可由本文后面所述的公式或質(zhì)量因素定義其特征。
另一方面，本發(fā)明提供一種層疊設(shè)備，所述設(shè)備包括第一層，所述第一層包括終止于第一四通管的微通道；第二層，所述第二層包括終止于第二四通管的微通道；其中第一四通管限定了M2M歧管的一邊的至少一部分；其中第二四通管突入M2M歧管內(nèi)；且其中第二層中的微通道和歧管之間的界面通過第一和第二四通管之間的開口縫隙形成。圖3D示一例子。優(yōu)選第一層鄰近第二層。同時，在優(yōu)選的實施方式中，所述設(shè)備包括第一和第二層中對齊的微通道。在另一個實施方式中，層疊設(shè)備還包括第一層中的第二組微通道，所述微通道終止于第三四通管中；和第二層中的第二組微通道，它結(jié)束于第四四通管中；其中第三四通管限定了M2M歧管一邊的至少一部分；其中第四四通管突入M2M歧管中，其中第四層中微通道和歧管之間的第二界面由第三和第四四通管之間的開口縫隙形成；其中第三和第四四通管間的開口縫隙小于第一和第二四通管間的開口縫隙?？p隙尺寸之間的差別使系統(tǒng)設(shè)計成能控制流過微通道的流體(即類似于門功能)；例如，使流體相比縫隙相等的情況更均勻。當然提到包括大歧管(macromanifold)的系統(tǒng)，所述大歧管它連接到至少兩個層疊裝置上，也提到進行單元操作的方法，所述單元操作包括使流體流入歧管且通過微通道。
另一方面，本發(fā)明提供分配來自歧管通過連接通道矩陣的流體的方法，所述方法包括使流體流過歧管入口并進入具有以下特征的歧管歧管高度(hm2m)為2mm或更少；歧管的長度(Lm2m)為7.5cm或更大；可選矯直通道部分的長度(L2)除以Lm2m小于6；使流體以至少0.05為的動量(Mo)流入歧管；保持DPR2比值為2或更大或保持DPR3比值為0.9或更少；并將來自歧管的流體分配入至少2根連接至歧管的通道中，其質(zhì)量指數(shù)因子為連接通道面積的函數(shù)，等于或小于Q(Ra)，其中Q(Ra)＝0.0008135Ra6-0.03114Ra5+0.4519Ra4-3.12Ra3+11.22Ra2-23.9Ra+39.09優(yōu)選Ra等于或小于12，或小于3。在一些實施方式中，保持通過歧管的流體流速，以使量{|0.058+0.0023(ln Re)2(D)|/LM2M}小于0.01。在一些實施方式中，F(xiàn)A小于0.01另一方面，本發(fā)明提供分配來自歧管通過連接通道矩陣的流體的方法，所述方法包括使流體流入具有下述特征的歧管歧管的高度為2mm或更少；可選矯直通道部分的長度(L2)除以LM2M小于6；FA值小于0.01
FA=
2DLM2M<0.01]]>保持DPR2比值為2或更大，或保持DPR3比值為0.9或更少；將來自歧管的流體分配入至少2根通道中，所述通道連接到歧管，作為連接通道面積函數(shù)的質(zhì)量指數(shù)因子Q2等于或小于連接通道面積比值Ra和DPR1的Qc函數(shù)的85％；其中Qc(Ra，DPR1)＝E1+E2+E4+E6+E8+E10+E12，其中E1=112.9+1.261DPR11+0.3078DPR1+0.003535DPR12[(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(1-2)(1-4)(1-6)(1-8)(1-10)(1-12)]]]>E2=91.73-1.571DPR1+0.01701DPR121+0.2038DPR1+0.00193DPR12[(Ra-1)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(2-1)(2-4)(2-6)(2-8)(2-10)(2-12)]]]>E4=24.27-4.943DPR1+0.3982DPR121-0.2395DPR1+0.03442DPR12-0.000006657DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(4-1)(4-2)(4-6)(4-8)(4-10)(4-12)]]]>E6=29.23-2.731DPR1+0.09734DPR121-0.1124DPR1+0.005045DPR12[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(6-1)(6-2)(6-4)(6-8)(6-10)(6-12)]]]>E8=25.98+11.26DPR1+0.02201DPR12+0.5231DPR131-0.8557DPR1+0.0088DPR12+0.02049DPR13-0.000002866DPR14]]>×[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-10)(Ra-12)(8-1)(8-2)(8-4)(8-6)(8-10)(8-12)]]]>E10=20.75-3.371DPR1+0.9026DPR12+0.01277DPR131-0.1514DPR1+0.03173DPR12-0.0003673DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-12)(10-1)(10-2)(10-4)(10-6)(10-8)(10-12)]]]>E12=51.67+18.94DPR1+21.57DPR12+21.57DPR131+1.183DPR1+0.5513DPR12-0.00004359DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(12-1)(12-2)(12-4)(12-6)(12-8)(12-10)]]]>且其中Ra范圍在1至12，且DPR1大于0且小于300。優(yōu)選地，如果DPR1＜1，那么Q2≤18％；如果1≤DPR1＜3，那么Q2≤16.5％；如果3≤DPR1＜5，那么Q2≤15％；如果5≤DPR1＜10，那么Q2≤10％；如果10≤DPR1＜15，那么Q2≤7％；如果15≤DPR1＜20，那么Q2≤6％；如果20≤DPR1＜30，那么Q2≤4％；如果30≤DPR1＜50，那么Q2≤3％；如果50≤DPR1＜100，那么Q2≤2％；如果100≤DPR1＜200，那么Q2≤1％。在優(yōu)選實施方式中，流體以至少為0.05的動量(Mo)流過歧管。
另一方面，本發(fā)明提供一種百葉窗式流體處理設(shè)備，所述設(shè)備包括通向室的入口，位于室內(nèi)的百葉結(jié)構(gòu)(louver)，以及該室的出口。該百葉結(jié)構(gòu)為可移動的導(dǎo)流器(flow director)。舉例圖示于圖34B。優(yōu)選地，室內(nèi)的至少2個百葉結(jié)構(gòu)連接起來以同時轉(zhuǎn)動。其它任選方式(option)包括至少3個共平面的入口；還包括相鄰該室堆疊的第二室，其中第一室包括熱交換器。在包括2個室加工的一個優(yōu)選實施方式中，流體基本垂直流過熱交換器，所述熱交換器偏向第二(反應(yīng))室的前部。在一些實施方式中，室的高度為5微米或更少。
另一方面，本發(fā)明提供一種流體處理設(shè)備，所述設(shè)備包括歧管；連接通道矩陣；位于歧管和矩陣之間的可移動孔板(orifice plate)，其中可移動孔板具有不同尺寸的孔，所述孔與連接通道矩陣中的通道對齊。圖39示一實例。在一優(yōu)選的實施方式中，可移動孔板用螺絲釘固定。在一些實施方式中，可移動的板具有孔，它們的尺寸沿板長度單調(diào)增加。在其它許多方面中，在一些優(yōu)選實施方式中，連接通道矩陣中的通道具有相同的橫截面積。本發(fā)明還提供一種改進流體處理設(shè)備的方法，所述方法包括移動上述設(shè)備中可移動孔板的位置。
另一方面，本發(fā)明提供分配來自歧管通過連接通道矩陣的流體的方法，所述方法包括使流體流經(jīng)歧管并流入連接通道矩陣，其中連接通道矩陣包括具有不同橫截面積的微通道重復(fù)單元，其中歧管的入口位于連接通道矩陣的一邊，因此流經(jīng)歧管的流體以非零角在連接通道矩陣中流動；其中在2個或更多重復(fù)單元中的連接通道在貫穿歧管長度的方向上的橫截面積并不變化；其中流體以至少為0.05的動量流入歧管；通過Q2至少為30％、優(yōu)選Q2少于25％、且更優(yōu)選小于10％的連接通道矩陣進行分布?！逯貜?fù)單元″為一組共平面的具有不同橫截面積的重復(fù)相鄰?fù)ǖ?。例如，第一通道的橫截面積為1微米2，相鄰的第二通道的橫截面積為2微米2，接著鄰近的第三通道的橫截面積為3微米2；該序列重復(fù)3次1∶2∶3/1∶2∶3/1∶2∶3，這就是三個重復(fù)單元。在一些實施方式中，歧管基本垂直于連接通道。
該方法另一方面中，本發(fā)明提供一種分配從歧管通過連接通道矩陣的流體的方法，所述方法包括使流體通過歧管入口并流入歧管，從而流體以第一流態(tài)流過歧管的第一部分，并以第二流態(tài)流過歧管的第二部分；其中歧管的高度(hm2m)為2mm或更小，任選矯直通道部分的長度(L2)除以Lm2m小于6。在這種方法里，DPR2比值保持在2或更大或者DPR3比值保持在0.9或更少。在該方法中，來自歧管的流體分配入至少2個連接通道內(nèi)，所述連接通道連接至歧管，其質(zhì)量指數(shù)因子作為連接通道區(qū)域的函數(shù)，等于或小于Q(Ra)，其中Q(Ra)＝0.0008135Ra6-0.03114Ra5+0.4519Ra4-3.12Ra3+11.22Ra2-23.9Ra+39.09在一優(yōu)選的實施方式中，第一流態(tài)是紊流態(tài)，而第二流態(tài)是過渡態(tài)。優(yōu)選地，Ra等于或小于12。在一些實施方式中，液體流經(jīng)大歧管，然后流經(jīng)歧管入口。
另一方面，本發(fā)明提供一種使流體流過微通道設(shè)備的歧管的方法，所述方法包括使第一流體流入歧管，然后通過第一方向中的第一通道；使第一流體的一部分流入第二通道；并使第一流體的一部分流經(jīng)第二通道。在這一方法中，第二通道相對第一方向成非零角延伸；第二通道包括微通道且包括至少一個分隔壁，所述分隔壁將第二通道至少分隔成第一和第二亞通道；第一層和歧管各自基本上是平面狀的；其中歧管基本包含于第一層內(nèi)，其中第一層和歧管基本呈共平面，第一通道位于第一層，通過第一通道的流體基本平行于第一層平面；第一通道和歧管高度大約相同；第二層基本是平面狀的；第二通道位于第二層內(nèi)，且通過第二通道的流體基本平行于第二層的平面；第一層和第二層基本平行，非零角指在第二層內(nèi)的角度。圖26a示可進行本方法的結(jié)構(gòu)實施方式。在優(yōu)選的實施方式中，第二層鄰近(即無中間層)第一層，且來自第一層的流體僅流入第二層。在另一個優(yōu)選實施方式中，具有開口的板位于第一和第二層之間，來自第一層的流體經(jīng)開口流入第二層。在另一個優(yōu)選實施方式中，第一層包括多個鄰近的平行微通道，所述微通道由通道壁分隔；第二層包括多個相鄰的平行微通道，所述微通道由連續(xù)的通道壁分隔，其中連續(xù)通道壁橫跨第一層內(nèi)多個相鄰平行微通道的寬度。第二層可由含槽的板制得。在另一個實施方式中，第一層包括多個相鄰的平行微通道，所述微通道被通道壁分隔；第二層包含多個相鄰的平行微通道，所述微通道被連續(xù)通道壁分隔；流體的一部分通過第一層進入第二層，其中它再分配進入第一層的微通道。在另一個優(yōu)選實施方式中，第二層的存在傾向于將經(jīng)過第一層內(nèi)多個相鄰平行微通道的流體均勻分配，這意味著相比沒有的情況下Q更低；(如與其它方法的任一個一樣，Q可以是此處描述的優(yōu)選Q的任一個。在本方法另一個實施方式中，多個相鄰的平行微通道包括一個四通管，它迫使流體進入第二層；除了接觸第一層，第二層并沒有任何入口或出口(舉例圖示于圖27中)。與其它方法一起，本發(fā)明包括該方法的設(shè)備。
另一方面，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)(以及使用該系統(tǒng)的相應(yīng)方法)，其中大歧管連接2個或更多個微裝置，其中每個微裝置具有此處所述的M2M?！宕笃绻堋迨沁B接至少2個更小歧管的歧管。例如，大歧管可以是連接2個或更多位于微通道設(shè)備內(nèi)的M2M歧管的管(在微通道裝置外)。這些系統(tǒng)可包括例如連接2個或更多M2M區(qū)域的裝置，然后連接每個裝置中的2個或更多的亞歧管，然后任選地連接來自每個亞歧管的2個或更多連接通道的一個大管或?qū)Ч?。系統(tǒng)的另一個例子包括例如連接2個或更多M2M區(qū)域內(nèi)的裝置，然后連接兩個或更多亞歧管，最后連接2個或更多連接通道的大管或?qū)Ч?，或者包括一種裝置，所述裝置包括連接2個或更多亞歧管，然后連接2個或更多連接通道，然后連接鰭狀物結(jié)構(gòu)構(gòu)成的連接通道內(nèi)的亞通道的M2M。
另一方面，本發(fā)明提供一種使流體通過微通道流體處理設(shè)備的歧管的方法，所述方法包括使第一流體流經(jīng)第一入口進入第一歧管區(qū)域；使第二流體流經(jīng)第二入口流入第二歧管區(qū)域，其中壁位于第一和第二歧管區(qū)域之間，其中壁包括開口，能使歧管內(nèi)的第一和第二流體混合；其中，歧管鄰近連接通道矩陣；通過在歧管中混合第一和第二流體，形成混合流體；其中混合流體流入連接通道矩陣。其例子示于圖28。
另一方面，(見圖29和30)本發(fā)明提供一種微通道流體處理設(shè)備，所述設(shè)備包括連接至連接通道矩陣的歧管；所述歧管和連接通道矩陣是共平面的；還包含導(dǎo)流功能元件，所述導(dǎo)流功能元件包括傾斜歧管；或連接歧管和連接通道矩陣的呈一定角度的接頭(angled connection)。若有呈一定角度的接頭，則呈一定角度的接頭包括相對歧管中軸成10至80度，或100至170度的角度。在優(yōu)選的實施方式中，連接歧管和連接通道矩陣的呈一定角度的接頭相對歧管中軸，在歧管前半長度中的角度范圍在10至80度，后半長度中的角度范圍在100至170度。當歧管為傾斜的時候，優(yōu)選實施例中有傾斜的歧管，從而歧管容積隨離開歧管入口的長度增加而減小。在一些實施方式中，這些功能元件蝕刻至基材中。
另一方面，本發(fā)明提供一種微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括歧管；連接通道矩陣；位于歧管內(nèi)的至少3塊孔板，從而使流經(jīng)整個歧管的流體能流過所有所述至少3塊孔板。在該裝置中，至少3塊孔板具有橫截面積不同的孔；所述孔板將歧管分為區(qū)段，其中每個區(qū)段連接到至少一個連接通道矩陣中的連接通道。舉例圖示于圖38。在一優(yōu)選的實施方式中，3塊板中的孔面積隨著沿歧管向下的長度增加而減小。在另一實施方式中，每區(qū)段(segment)至少有3根連接通道。其它優(yōu)選實施方式包含格柵(grate)和/或門。
對于任何設(shè)備和方式來說，連接通道和/或歧管的高度優(yōu)選在20μm-5mm范圍，更優(yōu)選2mm或更少。分隔通道的壁或歧管壁的厚度優(yōu)選范圍在20μm-5mm，更優(yōu)選2mm或更少。連接通道的長度優(yōu)選為1cm-10m。在堆疊的設(shè)備中，層間的卷材(web)厚度優(yōu)選是片材的厚度(換句話說，在一些優(yōu)選實施方式中，設(shè)備通過在片材上切割功能元件來制得，而不是通過蝕刻來制得)。在所有方面中，這些功能元件僅僅是說明性的，并沒有限制本發(fā)明的所有方面。在許多優(yōu)選實施方式中，所述連接通道基本上平行于所述通道連接的歧管上。
依照本發(fā)明的方法，所需的流體分布可在微裝置內(nèi)得到，所述微裝置包括許多連接通道，所述連接通道由歧管供料(或者單根連接通道由非常高的連接通道縱橫比歧管供料)；即使在高的動量條件下，這些所需的流體分布也能得到。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，動量數(shù)Mo優(yōu)選為至少0.1，更優(yōu)選至少0.2，在一些實施方式中，至少為0.5，在一些實施方式中至少為5。在一些優(yōu)選實施方式中，歧管的M2M歧管縱橫比(以下進行定義)為至少10，或至少20，或50，或至少100，且在一些實施方式中為30-1000。在一些優(yōu)選實施方式中，F(xiàn)A(定義如下)為0.01或更少，更優(yōu)選的是少于0.001。在一些發(fā)明方法中，流經(jīng)大多數(shù)(以體積流量計)的連接通道的流體的雷諾(Reynolds)數(shù)為10,000或更少，5000或更少，2000或更少，1000或更少，而在一些實施方式中，其范圍在500-5000。在一些優(yōu)選實施方式中，至少2根通道，更優(yōu)選至少5根通道，在一些實施方式中至少10根或至少100根；或者在一些實施方式中，5-500根連接通道用于單M2M歧管。許多優(yōu)選實施方式中，流體經(jīng)控制均勻分布于多個連接通道內(nèi)，其中Q因子(如下述)為30％或更少，更優(yōu)選20％或更少，而在一些實施方式中，在0.1-15％范圍內(nèi)。
本文所述的許多發(fā)明有一些例子，例如流體從上游歧管(header)流到歧管連接處以及連接通道，但并不限制其用于上游歧管。如果本發(fā)明對于從歧管界面流向連接通道的描述用于歧管和單連接通道界面的流體，除非明確說明，則它可用于下游歧管(footer)類似和相反流動方向。
在一些優(yōu)選實施方式中，層疊設(shè)備是化學(xué)反應(yīng)器，所述化學(xué)反應(yīng)器能處理流體。本發(fā)明也包括具有許多本文所述任意結(jié)構(gòu)元件或設(shè)計的設(shè)備。例如，本發(fā)明包括具有交替放置的放熱反應(yīng)通道與冷卻劑和/或吸熱反應(yīng)通道的設(shè)備；以及具有反應(yīng)通道中的一個或多個流體改進裝置和/或由相互間成直角的子配件構(gòu)成的設(shè)備。在優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明的各方面可結(jié)合起來；例如，可選擇本發(fā)明所述的任意催化劑加入到本文所述層壓設(shè)計的反應(yīng)通道中。
對于本文所述制造設(shè)備的方法，本發(fā)明也包括由所述方法制得的層疊設(shè)備。本發(fā)明也包括使用本文所述任意設(shè)備、結(jié)構(gòu)功能元件、設(shè)計和系統(tǒng)進行單元操作的方法。
本文所述制造技術(shù)可應(yīng)用到所有化學(xué)單元操作設(shè)備中，包括化學(xué)反應(yīng)器、燃燒器、分離器、熱交換器、蒸發(fā)器、蒸餾器、以及混合器。所述應(yīng)用可包括氣相和液相加工以及上述兩相的結(jié)合。液體流體處理也可包括在連續(xù)液體流體中形成懸浮固體，例如形成乳液。
本文所述的任意制品都可有多層以及重復(fù)的多組層(重復(fù)單元)。例如，層壓物中有2、10、50或更多重復(fù)單元。該層的多重性或“累加(numbering up)”使微通道層疊設(shè)備的容量增加。
本發(fā)明的各種實施方式可具有這樣的優(yōu)點低成本、在多通道排列中更均勻的流體分布、更低的歧管壓降、或增加的熱交換。
縮寫如標準的專利術(shù)語所述，“包括”表示“包含”，這些術(shù)語都不排除存在其它或多種組分。例如，當設(shè)備包括薄層、片材等時，應(yīng)理解本發(fā)明的設(shè)備可包括多層薄層和片材等。
所述“通道的軸”是通過通道橫截面中心的線，其延伸穿過通道。
“結(jié)合”表示附著和粘附，并包括擴散結(jié)合、粘結(jié)、銅焊和焊接。
凸起(bump)是障礙物或通道壁粗糙度提高的區(qū)域，在通常操作條件下它能降低流過通道的質(zhì)量流速。
歧管的容量Cman由歧管每單位體積加工的質(zhì)量計算Cman=mmanVman---(1)]]>式中，mman[千克/秒]＝歧管的質(zhì)量流速Vman[m3]＝歧管的總體積歧管通道；內(nèi)部分布功能元件，例如亞歧管和門，格柵和其它歧管連接通道，包括它們的包容壁；歧管的外部包容壁，包括歧管通道之間的間隔，它們并不用于其它歧管或加工通道。歧管的總體積不包括直接位于歧管通道上方或下方的層中的通道壁。M2M歧管中的外部包容壁體積包括將歧管從微通道設(shè)備的必需設(shè)備周圍(perimeter)分離出來的體積，這出現(xiàn)在整個設(shè)備的周圍。它包括分隔不規(guī)則分布歧管的通道的壁體積，其它連接通道并不使用所述不規(guī)則歧管。
對于在堆疊墊片(shim)結(jié)構(gòu)體中具有M2M歧管的微通道設(shè)備來說，M2M歧管增加了設(shè)備的總體積，所以需要使歧管的容量最大。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，M2M分配了1kg/m3/s，優(yōu)選10kg/m3/s，在一些優(yōu)選實施方式中，它分配了30-150kg/m3/s。
本文所述歧管和連接通道之間的接頭(即M2M分配結(jié)構(gòu)體)的厚度(即高度)優(yōu)選為20微米-5毫米，更優(yōu)選為2毫米或更少，寬度優(yōu)選為100微米-5厘米，在一些優(yōu)選實施方式中，寬度大于250微米且小于1毫米。連接通道的長度的下限為0，上限為1米，在一些優(yōu)選實施方式中，范圍為2毫米到10厘米。
通道的橫截面是垂直于通道的軸的橫截平面。這排除了壁的橫截面以及任何在壁上施加的涂層(催化劑、粘結(jié)劑、金屬保護劑)。層通常包括多根通道，所述通道由通道壁分隔。所述通道的橫截面積包括由催化劑(如果有的話)占據(jù)的面積。
通道由連續(xù)或包含縫隙的通道壁限定。穿過整體泡沫或氈的互連通路不是連接通道(經(jīng)過泡沫等可分布在通道中)。
“連接通道”是連接到歧管上的通道。通常，單元操作發(fā)生在連接通道中。連接通道具有入口橫截平面和出口橫截平面。雖然一些單元操作或部分單元操作可發(fā)生在歧管中，但是在優(yōu)選的實施方式中，大于70％(在一些實施方式中至少95％的單元操作發(fā)生在連接通道中?！斑B接通道矩陣”是一組相鄰、基本上平行的連接通道。在優(yōu)選的實施方式中，所述連接通道壁是直的。
“接頭與歧管橫截面積比”是歧管連接處(例如門或格柵)的開口面積的橫截面積與歧管在緊接接頭上游(例如上游歧管)的位置或緊接接頭下游(例如下游歧管)的位置處的橫截面積(垂直于中心軸)之比。
連接通道壓降(ΔPCCdp)是連接通道入口橫截平面中心與入口橫截平面中心的壓力差。在一些優(yōu)選實施方式中，連接通道是直的，且在該方向或?qū)挾壬匣旧蠜]有變化。多個連接通道系統(tǒng)的連接通道壓降是每個單獨連接通道壓降的算術(shù)平均值。即，經(jīng)過每個通道的壓降之和除以通道數(shù)。例如，壓降是未調(diào)整的；但是，在權(quán)利要求中，壓力基于通道進行限定，所述通道包括通過連接通道的95％凈流體，如果流過這些通道的的流體并需要占凈流體的95％的話，流量較低的通道并不計算在內(nèi)。
FA無量度值是區(qū)分歧管中蠕動流體和高動量流體的方式FA=
2DLM2M<0.01---(2)]]>其中Re是歧管的雷諾數(shù)，D是歧管的水力學(xué)直徑，LM2M是歧管區(qū)域長度。FA的上游歧管雷諾數(shù)和水力學(xué)直徑由通道軸上最接近上游歧管入口(與歧管中的入口最接近的連接通道有關(guān))的壁平面連接所述通道軸的位置限定上游歧管。FA的下游歧管雷諾數(shù)和水力學(xué)直徑由最接近下游歧管出口(與最接近下游歧管出口的連接通道有關(guān))的壁平面連接所述通道軸的位置限定下游歧管下游歧管。FA應(yīng)低于0.01，在有些優(yōu)選實施方式中，應(yīng)小于0.001。
“阻流物”是凸起、格柵或多孔體。阻流物并不是簡單的直通道，也不是在通道起始位置上的門。
“下游歧管”是安排從連接通道移走流體的歧管。
“門”包括歧管和2個或多個連接通道之間的界面。門的體積不為零。門通過改變進入連接通道的入口的橫截面積控制流體進入多個連接通道。門與簡單的孔不同，因為流過門的流體在流經(jīng)門時在歧管中的流動方向以及連接通道中的流動方向上都有正動量。相反地，流過孔的流體中，大于75％的正動量矢量在孔的軸的方向上。流過門的流體的橫截面積之比通常為由門控制的連接通道橫截面積(包括由門控制的連接通道之間壁的橫截面積)的2-98％(在一些實施方式中，為5-52％)。使用兩個或多個門可使歧管界面的橫截面積用作調(diào)整(tailor)歧管轉(zhuǎn)向損耗的方法，從而在門之間得到相等的流速。這些門轉(zhuǎn)向損耗可用來補償歧管壓力曲線的變化，所述變化由摩擦壓力損失和動量補償造成，它們都對歧管的壓力曲線造成影響。橫截面積中的最大變化除以最小面積(用Ra數(shù)表示)優(yōu)選小于8，更優(yōu)選小于6，在最優(yōu)選的實施方式中，小于4。
在優(yōu)選的墊片結(jié)構(gòu)體(如圖3E和3F所示)中，門包括2個或多個相鄰墊片，它具有在其相應(yīng)末端連接的通道壁32′。這些末端壁連接34′固定通道壁的位置，這樣所述末端在制造和處理過程中就不會移動。至少一片墊片具有末端壁連接，連續(xù)橫跨門的兩個或多個連接通道和壁的寬度，以形成歧管34′的周邊。該墊片中的末端壁連接形成了用于歧管36和兩個或多個連接通道35′之間的流體的阻隔物(barrier)。所述的墊片也具有處于連接通道和末端壁連接之間的中間壁連接37′。在堆疊方向從壁37′延伸的平面是連接通道平面出口或入口。中間壁連接用作阻隔物，以阻擋門的兩根或多根連接通道之間的流體，在門的兩根或多根連接通道之間留下開口體積，從而在連接38′中進行流體分配。當其對歧管周邊進行分界(interface)時，至少一片其它墊片(“門敞開”墊片)具有末端壁連接42′，所述末端壁連接僅僅部分連續(xù)橫跨門的兩根或多根連接通道和壁的寬度。末端壁通道有一個連續(xù)部分44′，所述末端壁通道從歧管周邊偏移，從歧管36′盡可能遠地延伸以使流體經(jīng)過由連續(xù)末端壁連接形成阻隔物。壁44′和34′形成歧管和連接通道之間的連接46′。在堆疊方向中從壁34′延伸的平面是歧管界面平面。在“門敞開”墊片中的2根或多根連接通道使流體連接46′進入連接通道。
在一些優(yōu)選實施方式中，連接通道排列在相鄰的墊片中排列(例如圖3E的區(qū)域47′中)。
“門”是歧管和單根通道之間的連接。格柵具有非零的連接體積。在墊片結(jié)構(gòu)體(圖3D所示)中，當?shù)谝粔|片中的四通管與相鄰第二墊片中的四通管不對齊，從而流體在第一墊片的四通管之上且在第二墊片中的四通管之下流動時，形成格柵。
“壓頭(head)”指通道流體的動態(tài)壓頭，它由下面的方程式定義EMI17.1 其中ρ[kg/m3]＝流體的密度G[kg/m2/s]＝流體的質(zhì)量通量速率U[m/s]＝流體的比速率壓頭在感興趣的位置進行限定。
“上游歧管”是裝配成將流體輸送到連接通道的歧管。
“高度”是垂直于長度的方向。在層疊設(shè)備中，高度是堆疊方向。也可參見

圖1A。
通道的“水力學(xué)直徑”定義為通道橫截面積的四倍除以通道潤濕周邊的長度。
“L-歧管”描述了下述的歧管設(shè)計，其中進入一個歧管的流動方向垂直于連接通道的軸，而相對歧管中的流動方向平行于連接通道的軸。例如，上游歧管L-歧管的歧管流體垂直于連接通道的軸，而下游歧管的流體沿連接通道的軸方向到達設(shè)備的外部。流體從歧管入口進行“L”轉(zhuǎn)彎，通過連接通道達到設(shè)備的外部。當兩根L-歧管一起為連接通道矩陣服務(wù)時，如果上游歧管的入口位于歧管的兩端或者下游歧管的出口從歧管的兩端出去，那么歧管就是所謂的“T-歧管”。
“層疊設(shè)備”是由薄層制得的設(shè)備，所述薄層能對流過所述設(shè)備的工藝物流進行單元操作。
“長度”指通道(或歧管)軸向(該方向也是流動方向)上的距離。
“M2M歧管”定義為大到小的歧管，即分配流體到一根或多根連接微通道或者分配來自一根或多根連接微通道的流體的微通道歧管。M2M歧管接著將流體帶到另一根橫截面積更大的輸送源或者攜帶來自另一根橫截面積更大的輸送源，也稱為大歧管。大歧管可例如是管道、導(dǎo)管或開口蓄水池。
“大歧管”是將多個微裝置連接到單個入口或出口的管道、試管、或?qū)Ч?。在大歧管中的流體處于過渡態(tài)或紊流態(tài)。每個微裝置還包括用于將流體分配到多個平行微通道(即連接通道矩陣)中的歧管。
“歧管”是將流體分配到2根或多根連接通道或分配到縱橫比非常大(縱橫比≥30∶1)的單根連接通道中的體積?？v橫比定義為通道的寬度(經(jīng)過所述體積的流動方向)比上其在堆疊方向上的高度。上游歧管的進口或入口平面定義為如下平面，在該平面中標記了上游歧管幾何形態(tài)與上游通道的明顯不同。上游歧管包括入口平面和LM2M上游歧管開始點之間的任意體積。下游歧管的出口或排出口平面定義為如下平面，在該平面中標記了下游歧管通道與下游通道的明顯不同。歧管幾何形態(tài)的明顯不同表現(xiàn)為流動方向和/或質(zhì)量通路速率的明顯不同。如果亞歧管不會造成流動方向和/或質(zhì)量通量速率的明顯不同，那么歧管可包括亞歧管。下游歧管包括LM2M下游歧管端點和出口平面之間的任意體積。例如，微通道上游歧管歧的進口平面是這樣的平面，其中微通道上游歧管與較大的輸送上游歧管(例如管或?qū)Ч?形成界面，所述較大的輸送上游歧管通過焊接凸緣或其它連接方法連接到微通道設(shè)備上。同樣地，上游歧管開始于如下的平面，在該平面上浴盆狀、非微通道上游歧管連接微通道上游歧管空間。在大部分情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可容易認出為一組連接通道服務(wù)的歧管邊界。
“歧管連接處”是歧管和一根或多根連接通道之間的平面。歧管連接處平面可具有與其結(jié)合用于單根連接通道的體積，如果通過門連接到兩根或多根通道上，則必需具有一定體積。
“歧管長度”(LM2M)是歧管在其連接通道之上的長度。對于上游歧管來說，LM2M是下述位置之間的距離，即最接近上游歧管入口(與最接近上游歧管入口的連接通道相關(guān))的壁平面連接歧管通道軸的位置(“LM2M上游歧管開始點”)以及離上游歧管入口最遠(與離上游歧管入口最遠的連接通道相關(guān))的壁平面連接歧管通道軸的位置(“LM2M上游歧管末端點”)。對于上游T-歧管和上游U-歧管，如果通道具有恒定橫截面積且LM2M上游歧管末端點位于兩側(cè)的歧管通道軸線交叉點(cross)，假定歧管兩側(cè)之間對稱，那么LM2M上游歧管末端點是兩個相對的LM2M上游歧管開始點之間的直線的中點。對于下游歧管，LM2M是以下位置間的距離，即離下游歧管出口最遠(與離下游歧管出口最遠的連接通道相關(guān))的壁平面連接通道軸的位置(LM2M下游歧管開始點)以及最接近下游歧管出口(與最接近下游歧管出口的通道相關(guān))的壁平面連接通道軸的位置(LM2M下游歧管端點)。對于上游T-歧管和上游U-歧管，如果通道具有恒定橫截面積且LM2M上游歧管末端點位于兩側(cè)的歧管通道軸線交叉點(cross)，假定歧管兩側(cè)之間對稱，LM2M上游歧管末端點是兩個相對的LM2M上游歧管開始點之間的直線的中點。LM2M的例子參見圖1A。
對于上游歧管，“歧管壓降”(ΔP歧管)是上游歧管入口平面的面積平均中心壓力的算術(shù)平均值(如果只有一個上游歧管入口，只有一個入口平面)以及每根連接通道入口平面中心壓力的算術(shù)平均值之間的靜壓差。上游歧管壓降基于上游歧管入口平面(它包括流過連接通道的95％凈流體)，如果流過這些上游歧管入口平面的流體不需要占流過連接通道的凈流體的95％，具有最低流體的上游歧管入口平面不計算在算術(shù)平均值內(nèi)。上游(或下游)歧管壓降也僅基于連接通道入口(或出口)平面中心壓力(它包括流過連接通道的95％凈流體，如果流過這些連接通道的流體不需要占流過連接通道的凈流體的95％，具有最低流體的連接通道入口(或出口)平面不計算在算術(shù)平均值中。對于下游歧管，所述歧管壓降是每根連接通道出口平面中心壓力的算術(shù)平均值與下游歧管出口平面的面積平均中心壓力的算術(shù)平均值(在這種情況下，只有一個上游歧管出口，且只有一個出口平面)之間的靜壓差。下游歧管壓降基于下游歧管出口平面(它包括流過連接通道的95％凈流體，如果流過這些出口平面的流體不需要占流過連接通道的95％凈流體，那么具有最低流體的下游歧管出口平面不計算在算術(shù)平均值內(nèi)。
對于上游歧管，“歧管到界面的壓降”(ΔPM21)是“界面處的上游歧管壓力”的點與連接通道入口平面的中心或連接通道平面(連接到歧管連接處)的算術(shù)平均值之間的靜壓差，在所述點的位置上，上游歧管通道軸穿過一平面，該平面兩等分經(jīng)過歧管連接通道軸的歧管連接寬度，該平面沿堆疊方向經(jīng)過歧管連接通道的底部和頂部。對于下游歧管，歧管到界面的壓力(即“在界面處的下游歧管壓力”)定義為連接通道出口平面中心壓力的算術(shù)平均值和下述點之間的壓力差的絕對值，在該點上，下游歧管通道軸穿過一平面，該平面兩等分經(jīng)過歧管連接處軸的歧管連接處寬度，該平面沿高度方向(對于層疊設(shè)備來說就是堆疊方向)經(jīng)過歧管連接通道的底部和頂部。歧管連接處的例子包括格柵、門或孔。如果歧管連接處是連接處和歧管之間的平面的話，歧管連接處可僅僅是連接通道的入口或出口。
質(zhì)量通量速率G是通道軸向上每單位通道橫截面積的質(zhì)量流量。
“微通道”的至少一個內(nèi)部尺寸為5毫米。微通道具有高度、寬度和長度。高度和/或?qū)挾葍?yōu)選約為5毫米或更少，更優(yōu)選2毫米或更少。長度通常較長。優(yōu)選地，長度大于1厘米，更優(yōu)選為1厘米到5米。微通道的橫截面可沿著其長度變化，但是微通道不僅僅是孔(如入口孔)。
歧管壓頭與摩擦損耗之比Mo由下述方程式定義Mo=12ρ[G2-0]4fLM2MDG22ρ={4fLM2MD}-1---(4)]]>其中，D[m]＝在M2M參考點的歧管水力學(xué)直徑f[無量度]＝M2M參考點的通風(fēng)(Fanning)摩擦系數(shù)G[kg/m2/s]＝在M2M參考點的質(zhì)量通量速率在Mo中，上游歧管參考點的雷諾數(shù)和水力學(xué)直徑定義為在下述通道軸的位置上，在該位置上，最接近上游歧管入口(與最接近歧管中的入口的連接通道相關(guān))的壁平面連接通道軸。在Mo中，下游歧管雷諾數(shù)和水力學(xué)直徑定義為在下述位置中的參考點上，該位置上，最接近下游歧管出口(與最接近下游歧管出口的連接通道相關(guān))的壁平面連接通道軸。
模塊艙(module)是大容量的微通道設(shè)備，它由多層重復(fù)單元組合制成。
“敞開通道”是至少0.05毫米的縫隙，它延伸完全穿過微通道，這樣流體可流過具有低壓降的微通道。
“壓降比#1”(PDR1)定義為連接通道壓降與歧管的相應(yīng)壓頭(對于上游歧管來說是LM2M上游歧管開始點，對于下游歧管來說是LM2M下游歧管端點)的比值DPR1=ΔPCCdPh=ΔPCCdPG22ρ---(5)]]>如果歧管具有多于一根的亞歧管，那么壓頭基于各根亞歧管的G和ρ值的算術(shù)平均值(數(shù)均平均值)。
“壓降比#2”(PDR2)定義為連接通道壓降與歧管壓降的比值
如果歧管具有多于一根的亞歧管，那么歧管壓降基于亞歧管值的數(shù)均平均值。“壓降比#3”(DPR3)定義為歧管到界面的壓降與歧管壓降之比 在優(yōu)選實施方式中，歧管的DPR3的算術(shù)平均值小于0.9，基于包括流過連接通道的95％流體的歧管連接處，如果流過這些通道的流體不需要占流過連接通道的凈流體的95％，那么最低流體的歧管連接處并計算在內(nèi)。更優(yōu)選的實施方式的DPR3值基于相同的標準小于0.75，更優(yōu)選小于0.50，還要更優(yōu)選為0.25，最優(yōu)選小于0.10。
“處理通道體積”是處理(即連接)通道的內(nèi)體積。該體積包括催化劑的體積(如果存在的話)以及開口流動體積(如果存在的話)。該體積不包括通道壁。例如，包括2cm×2cm×0.1cm催化劑以及剛好與催化劑相鄰的2cm×2cm×0.2cm開口流動體積的反應(yīng)室的總體積為1.2cm3。
質(zhì)量指數(shù)因子“Q1“是歧管怎樣有效分配流體的量度。它是連接通道流體的最大流速和最小流速之差除以最大流速的比例。對于具有恒定通道尺寸的連接通道系統(tǒng)，通常每通道的質(zhì)量流量相等。這種情況下的方程如下述，并定義為Q1Q1=mmax-mminmmax×100%---(8)]]>其中mmax[kg/s]＝最大連接通道質(zhì)量流速mmin[kg/s]＝最小連接通道質(zhì)量流速當連接通道的尺寸變化時，通道之間的停留時間、接觸時間、速度或質(zhì)量通量速率的變化最小，這樣就能使單元操作達到所需的負荷。在這種情況下，我們定義了質(zhì)量指數(shù)因子Q2Q2=Gmax-GminGmax×100%,]]>其中G是質(zhì)量通量速率。當所有通道具有相同的橫截面積時，Q2的方程簡化為Q1。質(zhì)量指數(shù)因子給出了連接通道流速的范圍，且0％表示非常好的分布，100％表示在至少一個通道中停滯(沒有流體)，超過100％的值表示在至少一根通道中回流(沿與所需流動方向的相反的方向流動)。例如，Q1和Q2是未調(diào)整的，但是在權(quán)利要求中，Q1和Q2基于包括通過連接通道的95％凈流體進行定義，如果流過這些通道的流體不需要占流過這些連接通道的95％凈流體，那么最低流體通道不計算在內(nèi)。
Ra(＝Amax/Amin)是歧管和連接通道之間最大連接和最小連接的橫截面積之比。這些面積可屬于門或格柵。
雷諾數(shù)Re是慣性與粘性力的常用比例，粘性力常見于通道的流體中。其定義是質(zhì)量通量流速(G)乘以水力學(xué)直徑(D)再除以動態(tài)粘度(μ)。
Re=GDμ=ρUDμ---(9)]]>雷諾數(shù)的值描述了流體的的流態(tài)。當流體對雷諾數(shù)的相關(guān)性是通道截面形狀和尺寸的函數(shù)時，下述范圍通常用于通道層流態(tài)Re＜2000-2200過渡態(tài)2000-2200＜Re＜4000-5000紊流態(tài)Re＞4000-5000。
“片“或”墊片“是指基本呈同一平面的板或片材，所述板或片材具有任意寬度和長度，優(yōu)選厚度(最小尺寸)為5毫米或更少，更優(yōu)選0.080英寸(2毫米)或更少，在一些優(yōu)選實施方式中，為50到1000微米。寬度和長度是相互垂直的，并垂直于厚度。在優(yōu)選實施方式中，片材的長度和寬度是放置片材的層壓堆疊物的同延長度和寬度。片材的長度在流動方向中，但是，當流動方向不能確定時，長度是片材的最大尺寸。
“亞通道”是在較大通道中的通道。通道和亞通道由通道壁沿其長度限定。
“亞歧管”是與至少一根其它亞歧管聯(lián)合使用的歧管，從而在一個平面內(nèi)形成一根大歧管。亞歧管通過連續(xù)壁相互分隔。
“厚度”是在堆疊方向中測量。
在“U-歧管”中，上游歧管和下游歧管的流體在相反方向中流動，同時與連接通道的軸成非零角。當兩根U-歧管一起為連接通道矩陣服務(wù)，且上游歧管的兩個開口末端有入口，下游歧管的兩個開口末端有出口，歧管就是所謂的“I-歧管”。
“單元操作”描述化學(xué)反應(yīng)、汽化、壓縮、化學(xué)分離、蒸餾、濃縮、混合、加熱或冷卻。“單元操作”并不僅僅表示流體輸送，盡管輸送通常發(fā)生在這些單元操作中。在一些優(yōu)選實施方式中，單元操作并不僅僅是混合。
在“Z-歧管”中，上游歧管和下游歧管中的流體以相同的方向流動，且與連接通道的軸成非零角。進入歧管系統(tǒng)的流體從設(shè)備的對置側(cè)面離開，在另一側(cè)面流體進入設(shè)備。流體基本上從入口到出口成“Z”方向。
附圖簡述圖1A顯示了三開口歧管，其具有質(zhì)量通量速率(G)、靜壓(P)和恒定的連接通道寬度(Wcc)。
圖1B顯示三開口上游歧管的尺寸。
圖2A圖解了M2M中的靜力壓曲線圖，它基于Z-歧管的紊流管轉(zhuǎn)向損耗和動量補償系數(shù)。通道#1是上游歧管見到的第一根通道；#19是下游歧管見到的最后一根通道。菱形表示上游歧管的壓力，方形表示下游歧管的壓降。
圖2B圖解了在連接與歧管橫截面積之比為0.09、幾個M2M上游歧管質(zhì)量流速比(MFR)、連接通道的下游和上游質(zhì)量流速之比的條件下測得的M2M上游歧管動量補償系數(shù)。
圖2C圖解了在連接與歧管橫截面積之比為0.09的條件下根據(jù)實驗得到M2M上游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)對通道質(zhì)量流速(連接通道對歧管連接通道上游)的關(guān)系圖。也畫出了常規(guī)紊流環(huán)狀管中的上游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)(對于相同的連接與歧管橫截面積之比為實線)。
圖2D圖解了在常規(guī)管道和M2M歧管中連接與歧管橫截面積之比為0.09的條件下負的下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)。
圖3A圖解了用于Z-歧管系統(tǒng)的一組亞歧管。
圖3B圖解了包括兩根亞歧管的L-歧管系統(tǒng)。
圖3C圖解了堆疊墊片系統(tǒng)的格柵的例子，所述堆疊墊片系統(tǒng)延伸穿過M2M歧管通道的寬度。
圖3D圖解了一種格柵設(shè)計，在該設(shè)計中，格柵拉入歧管中。
圖3E圖解了一種“門”設(shè)計，所述門設(shè)計由上門墊片和下通道墊片形成。該灰色(上)墊片與M2M歧管形成了開口，下“圖片框”墊片形成平面以分布到連接通道中，四個例子列在附圖中顯示每一個門。
圖3F圖解了圖3E中的“門”設(shè)計，其中墊片顛倒穿過主中心平面。
圖3G圖解了流動方向中的閘門的橫截面積的減小。
圖4-22圖解了進行裝配到結(jié)構(gòu)化和整合燃燒反應(yīng)器上的墊片設(shè)計。
圖23圖解了用來分離相的歧管。
圖24圖解了具有門的歧管，所述門降低歧管流動方向上的通道寬度以得到更均勻的流體分布。
圖25a圖解了具有門和亞歧管區(qū)域的設(shè)計。
圖25b圖解了具有校直區(qū)域的歧管。
圖25c是圖25b所示層疊物的分解圖。
圖26a、26b和27圖示了通道中的流體凸起，所述通道由墊片結(jié)構(gòu)體形成。
圖28圖解了一個具有用于混合的開口的交叉流動(cross flow)歧管。
圖29圖解了一個傾斜歧管。
圖30概要地圖解了歧管和一組連接通道之間的呈一定角度的開口。
圖31圖解了具有偏移區(qū)域以進行通道間混合的通道設(shè)計。
圖32圖解了一種門設(shè)計，其中多孔體提供了均勻流體。
圖33圖解了柔性的壁突出，它改變通過通道的流體。
圖34A概要地圖解了連接到兩個微裝置上的大歧管。
圖34B圖解了具有匯集下游歧管的非分歧的上游歧管，且多個入口和出口平行于流動方向。百葉結(jié)構(gòu)體可用來對流體進行導(dǎo)向。
圖35圖解了通過流體分配板進行重新分配的中央流體。
圖36圖解了高壓汽化器的分解圖，所述高壓汽化器具有中央供料入口、第一和第二板以及位于正交墊片中的二維通道陣列。用中央放置出口管在通道陣列的相對一側(cè)收集流體，直接與入口管入口相對。
圖37圖解了具有未對齊排列的孔板的歧管設(shè)計。
圖38為設(shè)備的截面頂視圖，其中上游歧管包括孔板。
圖39A和39B圖示了使用可移動分配板的錯流反應(yīng)器。
圖40圖示根據(jù)對比例1用10-06kg/s的空氣進行分析得到的連接通道中的通道質(zhì)量通量速率。
圖41圖示根據(jù)對比例1用10-06kg/s的空氣，在室溫和壓力下，在流動并包括所有動量條件的條件下進行分析得到的連接通道中的通道質(zhì)量通量速率。
圖42圖示根據(jù)對比例1用10-06kg/s的水，在室溫條件下，在流動并包括所有動量條件的條件下進行分析得到的連接通道中的通道質(zhì)量通量速率。
圖43圖示根據(jù)對比例1用10-06kg/s的水在上游歧管和下游歧管的寬度更寬的條件下，在流動并包括所有動量條件的條件下進行分析得到的連接通道中的通道質(zhì)量通量速率。
圖44圖示根據(jù)對比例1用10-05kg/s(圖43中的數(shù)值×10)在上游歧管和下游歧管寬度更寬的條件下，在流動并包括所有動量條件的條件下進行分析得到的連接通道中的通道質(zhì)量通量速率。
圖45圖解了所示上游歧管的空氣M2M歧管中以及門設(shè)計中的靜態(tài)表壓對實施例2中燃料門數(shù)目的關(guān)系圖。空氣門數(shù)目1對應(yīng)于空氣亞歧管1、門1，而燃料門數(shù)目18對應(yīng)于亞歧管6和門3。
圖46描述了所示上游歧管的燃料M2M歧管中以及門中的靜態(tài)表壓對實施例2中燃料門數(shù)目的關(guān)系圖?？諝忾T數(shù)目1對應(yīng)于空氣亞歧管1、門1，而燃料門數(shù)目18對應(yīng)于亞歧管6和門3。
圖47描述了所示空氣和燃料通道中的通道質(zhì)量流速對實施例2中的燃料通道數(shù)目的關(guān)系圖。燃料通道1是亞歧管1的通道1，而燃料通道72是亞歧管6的通道12。
圖48描述了所示實施例3的空氣歧管測試件的質(zhì)量流量分布對通道數(shù)目的關(guān)系圖。通道1最接近歧管入口，而通道12最遠。
圖49是作為通道位置離開亞歧管進口的距離的函數(shù)的靜壓圖。
圖50圖解了實施例4中2.00″寬M2M通道的通道流體分布，M＝0.160″，L＝0.120″，且B＝0.5。
圖51圖解了所示最小質(zhì)量指數(shù)因子對連接通道到歧管的壓降比(PDR2)，其在實施例5中解釋。
圖52圖解了所示最小質(zhì)量指數(shù)因子對連接通道到歧管的壓降比(PDR1)，其在實施例5中解釋。
發(fā)明詳述平面中的流體分布歧管流體動力學(xué)的討論本部分描述了對歧管設(shè)計很重要的歧管物理學(xué)，開始介紹M2M歧管與較大尺寸歧管系統(tǒng)有何不同。下面部分將用實驗方法介紹得到的本發(fā)明M2M參數(shù)。Fried和Idelchilk在“流體阻力工程設(shè)計指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年以及Idelchik Dekker在“工業(yè)設(shè)備的流體動力學(xué)流體分布設(shè)計方法”，Hemisphere Publishing Corporation，1991年中已經(jīng)提到了設(shè)計常規(guī)尺寸管道和導(dǎo)管歧管的方法，所述管道和導(dǎo)管歧管的大橫截面積連接。這些導(dǎo)管的特征是歧管和連接通道具有大的水力學(xué)直徑。由于水力學(xué)直徑較大，即使小的比速度或質(zhì)量通量速率都會產(chǎn)生紊流態(tài)雷諾數(shù)，該數(shù)控制摩擦損耗和其它歧管物理性能。在M2M歧管中，歧管通道構(gòu)造在設(shè)備的層中，所以它們的水力學(xué)直徑通常與連接通道屬于相同的數(shù)量級，遠小于許多常規(guī)管道或?qū)Ч芑绻芟到y(tǒng)。由于M2M歧管具有小水力學(xué)直徑，相當大的比速度或質(zhì)量通量速率可具有過渡態(tài)、甚至層流態(tài)特性，所述特征能以與完全紊流態(tài)歧管不同的方式影響流體分布。
在大管道和導(dǎo)管歧管中，相比連接通道，輸送歧管的相對橫截面積通常受到輸送歧管尺寸的限制。當輸送歧管的水力學(xué)直徑改變尺寸以降低系統(tǒng)的壓降時，其橫截面積通常大于與連接通道的界面，從而更容易地制造連接(焊接、連接或裝凸緣)。因此，對于大部分情況，連接通道與輸送歧管的界面的連接對歧管的橫截面積之比等于或小于1。對于M2M歧管，從歧管到連接通道的連接處用與連接通道相同的方法制造，所以連接通道開口到輸送歧管的制造尺寸限制沒有了。平面內(nèi)制造方法可獲得面積大于歧管的一個或多個連接通道，且其連接到歧管的橫截面積之比可大于一。
對于較大的管道和導(dǎo)管歧管，直接鄰近連接通道界面的歧管長度內(nèi)的摩擦損耗效應(yīng)通?？珊雎?，因為長度/水力學(xué)直徑的數(shù)量級為一(L/D～1)。由于L/D之比較小，僅對稍后討論的那個區(qū)域中的動量補償有用。如前一段所述，鄰近連接通道界面的M2M歧管的長度可以是大的，這是因為通道的幾何形狀使長徑比遠大于一，因此并不能總是假設(shè)摩擦損耗可忽略。
為了設(shè)計用于一組連接通道的歧管，通常使用一維系數(shù)來盡可能描述復(fù)雜三維流體阻力，這種分析可使用與Fried和Idelchik所用相似的方程。使用一維系數(shù)使設(shè)計者可用與電路分析相似的方法解決局部動量平衡和質(zhì)量連續(xù)性，當評價用于流體分布的設(shè)計變化時是很用的。通過使用一維系數(shù)，大部分流體分布不均勻的因素都能得到確認，歧管物理性質(zhì)可以本專利下述的方式得到補償。為了使用電路分析(circuit analysis)進行設(shè)計，定義了需要解決的典型方程。本說明書進而使用圖1所示的三連接通道的情況進行描述。通道有三個歧管連接區(qū)域，其中橫截面積是Ac，j〔m2〕。連接通道橫截面積是Acc，〔m2〕。局部質(zhì)量通量速率G〔kg/m2/s〕和局部、絕對靜態(tài)壓力P〔Pa〕如所示。Ac，i〔m2〕(可以是門或其它任意孔設(shè)計)可與通道面積(Acc，〔m2〕)相同或不同。如圖1A和1B所示，歧管中的橫截面積在流動方向上會隨寬度變化發(fā)生變化。
在本發(fā)明的許多實施方式中，分布優(yōu)選是均勻的，或幾乎在所有連接通道中都是均勻的。但是，應(yīng)注意到少量流體的不均勻分布是可接受的，對于設(shè)備整體性能的影響并不顯著。在一些實施方式中，可接受的流體不均勻分布的數(shù)量等于質(zhì)量指數(shù)因子的5％、10％或最高達30％。均勻化表示保持下述條件中的一種恒定質(zhì)量流速，m〔kg/s〕作為設(shè)計基礎(chǔ)，所有通道具有相同的橫截面積，Acc〔m2〕。這使Q1值為零。這是圖1A和1B中通道的基礎(chǔ)。
恒定質(zhì)量通量速率G針對連接通道具有不同通道橫截面積，但總接觸時間相同的情況。這使Q2值為零。
當所有的橫截面積相等時，恒定質(zhì)量通量速率簡化為恒定質(zhì)量流速。
對于歧管和連接通道的設(shè)計，可用一組方程來確定質(zhì)量通量流速和壓力。
在圖1A和1B中，從連接通道i的入口到出口的動量平衡是ΔPcc,i=Pi,c-Pi,o=rccGc,i22ρ---(10)]]>其中rcc[-]＝連接通道流體阻力Gc，i[kg/m2/s]＝連接通道i的質(zhì)量通量速率，基于Acc。
Pi，c[Pa]＝上游歧管連接處平面中心的壓力Pi，o[Pa]＝下游歧管連接處平面中心的壓力ΔPcc，i[Pa]＝連接通道i的壓力差ρ[kg/m3]＝流體密度。
表示一些流動阻力條件的阻力函數(shù)可用來代替一系列用于連接通道的單獨動量平衡，例如摩擦損耗、橫截面積變化和其它損失。阻力可以是質(zhì)量通量速率、幾何形態(tài)、摩爾組成變化和溫度變化等的函數(shù)?？墒褂米枇蛞幌盗袉为殑恿科胶?，且阻力在這里使用可簡化系統(tǒng)。阻力函數(shù)可如下得到將一定流速范圍內(nèi)的連接通道壓降加起來，每個壓降除以相應(yīng)的壓頭值(head value)(Gc，i2/2/ρ)，然后通過所述壓頭值相關(guān)聯(lián)。
為了在連接通道中產(chǎn)生壓降，所述壓降不得不根據(jù)已知關(guān)系或者實驗室估計進行計算。對于連接通道筆直部分的摩擦壓力損失可使用通風(fēng)摩擦因子進行計算。
通風(fēng)摩擦因子的來源和它們的使用方法包括適用于寬范圍通道幾何形狀的Rohsenow等人編寫“熱傳遞手冊”第3版，McGraw Hill出版，1998年和用于層流態(tài)流體的Shah和London編寫的“導(dǎo)管中的層流態(tài)流體強制對流”增刊1，熱傳遞中的前言，Academic Press，紐約，1978年。對于通風(fēng)摩擦，應(yīng)關(guān)注使用適當?shù)膶恿鲬B(tài)流體的雷諾數(shù)、通道幾何因子(例如縱橫比)和無水力學(xué)直徑的長度(x+＝L/D/Re，其中L是部分的長度，D是通道的水力學(xué)直徑，Re是通道的雷諾數(shù)。如果所考慮的連接通道來說不能得到摩擦因子，那么實驗值可從裝有壓力栓(pressuretap)的所得通道中得到，所述壓力栓放在充分開發(fā)的流體區(qū)域中。如果連接通道由于橫截面的突然變化或平面中的變化產(chǎn)生了壓降，那么Fried和Idelchik“流體阻力工程設(shè)計指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年已經(jīng)提出了很多方程和參考文獻。
為了設(shè)定理想分布，解出Gc，j，然后得Gc,i=Gc,perf=2ρΔPcc,ircc---(11)]]>Gc，perf[kg/m2/s]＝連接通道理想的質(zhì)量通量速率，即設(shè)計要點。
如果流體是不可壓縮的，那么流體密度是連接通道條件的平均值。
如果流體是理想氣體且連接通道壓降小于入口壓力的10％，那么密度可通過局部平均壓力、溫度和氣體的摩爾量如下估算得到Gc,i=Gc,perf=Pi,c2-Pi,o2rcc(MweRTo)---(12)]]>其中我們使用各參數(shù)的方程組來描述連接通道條件的變化MWe[kg/gm-mole]＝連接通道中氣體的平均摩爾分數(shù)R[J/gm-mole/K]＝氣體常數(shù)Te[K]＝平均氣體溫度下述六個因素表征所述系統(tǒng)1.出口壓力曲線，i的Pi，o從1到N總通道2.下述的一種a.大歧管的入口壓力，Pmacrob.或M2M歧管的入口壓力，Pinc.或歧管入口質(zhì)量通量速率G13.連接通道幾何特征(高度、寬度、長度)4.連接通道條件(溫度、摩爾分數(shù)、加入/損失流體5.歧管幾何形狀
6.歧管條件(溫度)對于圖1A所示的上述信息和三通道(N＝3)系統(tǒng)，對于上游歧管系統(tǒng)有17(6N-1)未知的情況·6(2N)上游歧管壓力(P1，A、P1，B、P2，A、P2，B、P3，A、P3，B)·3(N)連接通道入口壓力(P1，c、P2，c、P3，c)·3(N)在連接處入口的上游歧管M2M歧管質(zhì)量通量速率(G1，A、G2，A、G3，A)·2(N-1)在連接處出口的上游歧管M2M歧管質(zhì)量通量速率(G1，B、G2，B)·3(N)連接通道質(zhì)量通量速率(Gc，1、Gc，2、Gc，3)在歧管中，壓力A和B的確切位置定義如下對于上游歧管，歧管連接處i的位置A定義為歧管通道軸和一平面的交叉點，所述平面由最接近上游歧管入口的歧管連接處i的壁形成。在歧管界面i上，上游歧管位置B定義為歧管通道軸和一平面的交叉點，所述平面由離上游歧管入口最遠的歧管連接處的壁形成。
對于下游歧管，在歧管連接處i的位置A定義為歧管通道軸和一平面的交叉點，所述平面由離下游歧管出口最遠的歧管連接處的壁形成。對于下游歧管來說，在歧管連接處i的位置B定義為歧管通道軸和一平面的交叉點，所述平面由最接近下游歧管出口的歧管連接處的壁形成。由歧管連接處的壁“形成‘的平面是這樣的平面，它垂直于歧管的中心軸，與歧管連接處的邊緣交叉。
在M2M歧管上游歧管的最后質(zhì)量通量速率是零，因為所述歧管終止了。
G3，B＝0(13)6N-1未知情況與下述6N-1方程有關(guān)·連接通道i(全部為N)的動量平衡，來自方程(9)，·連接通道i和歧管(全部為N)之間的動量平衡，也稱為“轉(zhuǎn)向損耗”，歧管和歧管界面之間的流動阻力(也可以是門或格柵)[Pi,A-Pi,B2]-Pi,C=ζ(GccAc,iGi,AAM,A,i,Ac,iAM,A,i)Gi,A22ρMc,i---(14)]]>其中Ac，i[m2]＝在歧管界面上，連接通道i的橫截面積(不一定是連接通道的面積)AM，A，i[m2]＝在連接通道i上的歧管橫截面積
ζ[無量度]＝從M2M歧管到連接通道的轉(zhuǎn)向損耗函數(shù)ρMc，i[kg/m2]＝歧管和連接通道i之間的平均流體密度。
轉(zhuǎn)向損耗可認為是連接通道總壓降的一部分，并且對于流體分布具有明顯的作用。轉(zhuǎn)向損耗的值對于上游歧管來說是正的，對于下游歧管來說可能是正的或負的，從而對于前者產(chǎn)生壓降，而對于后者，凈靜壓增加。如果歧管幾何形狀和歧管連接處幾何形狀對轉(zhuǎn)向損耗起作用是很好理解的話，例如大管道，你們可利用Fried和Idelchik“流體阻力工程設(shè)計指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年中所述的轉(zhuǎn)向損耗相關(guān)性。如果那不是可選的，那么得到特定歧管幾何形狀的轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)ζ的另一種方法可由實驗壓力、上游質(zhì)量通量速率、平均密度和使用方程(14)求解得到。在界面處的上游歧管壓力可用來代替方程(14)中的Pi，A和Pi，B的平均值，因為它表示歧管中穿過歧管連接處界面的平均壓力。
·連接通道i和歧管(總共N)的質(zhì)量連續(xù)方程AM，A，iGi，A-AM，B，iGi，B＝AccGc，i(15)其中AM，Bi[m2]＝歧管在連接通道i處、連接通道下游的橫截面積·連接通道i和i+1(總共N-1)之間的質(zhì)量連續(xù)性AM，A，i+1Gi+1，A＝AM，B，iGi，B(16)·在連接通道i中的歧管動量平衡，它包括摩擦損耗和動量補償條件(總共N)Pi,A-Pi,B=kM(GM,B,iGi,BAM,A,iGi,A,Re(Gi,A+Gi,B2))[Gi,B2-Gi,A2]1ρM,i]]>+4f(Re(Gi,A+Gi,B2))Li,cDi[Gi,A+Gi,B2]212ρM,i]]>(17)其中Di[m]＝歧管在連接處i的水力學(xué)直徑f[無量度]＝歧管的通風(fēng)摩擦因子kM[無量度]＝動量補償因子Li，c[m]＝在連接通道i處歧管中的連接通道開口長度ρM，i[kg/m2]＝在連接通道i處歧管中的流體平均密度動量補償系數(shù)kM在上游歧管中是正值，如果該作用強于摩擦損耗的話，這可使穿過歧管連接處的靜壓增加?；谏嫌魏拖掠沃档钠骄|(zhì)量通量速率可用于該分析。動量補償效應(yīng)可明顯改變上游歧管和下游歧管中的壓力分布。如果歧管幾何形狀和歧管連接處幾何形狀對動量補償系數(shù)kM的影響是很好理解的，例如大的管道，那么你可使用Pigford等人“管道網(wǎng)中的流體分布”INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第22卷，INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第463-471頁，1983年中所述的轉(zhuǎn)向損耗相關(guān)性。如果這不是可選的，那么得到特定歧管幾何形狀的動量補償系數(shù)的另一種方法是由實驗壓力、上游和下游質(zhì)量通量速率、平均歧管密度和使用方程(17)對kM求解得到。
·連接通道i(總共N)的歧管動量平衡Pi,B-Pi+1,A=4f(Re(Gi,A+Gi-1,B2))Ln,iDn,i(Gi,A+Gi-1,B2)22ρn,i---(18)]]>其中Du，i[m]＝在連接通道i之前的歧管上游部分的平均水力學(xué)直徑Li，c[m]＝在連接通道i處歧管中的連接通道開口長度ρu，i[kg/m3]＝連接通道i上游處歧管中的流體平均密度因此，對于6N-1未知情況有6N-1個方程。這些非線性公式可使用許多求解策略同時求解。如果歧管中歧管通道的寬度是恒定的，那么方程可簡化。請注意，對于氣體，局部平均密度是局部壓力的函數(shù)。
對于下游歧管可寫出相似的一組6N-1方程。歧管流動方向是從A到B。下游歧管Gi，A值是零，這是因為在第一歧管連接處之前沒有流體。在方程(14)中，歧管連接處到歧管的壓降可隨著基于Gi，B的頭項(head term)質(zhì)量通量改變方程(14)右手邊的符號(sign)。在(14)中，下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)的值也取決于Gi，B。在界面處的下游歧管壓力可用來代替方程(14)的下游歧管版本(version)中的Pi，A和Pi，B的平均值，這是因為它可表示歧管中穿過歧管連接處界面的平均壓力。方程(15)的連續(xù)性方程的右手側(cè)符號可變成負的，而(16)中的連續(xù)性方程可以是相同的。方程(17)的形式是相同的，從而也會由于結(jié)合的摩擦和動量補償損耗造成凈靜壓升高。方程(17)的改變僅僅是 之比倒過來，所以下游歧管質(zhì)量流速對于下游歧管來說是正確的。方程(18)中止(stay)，就象對于下游歧管一樣。
對于下游Z-歧管和下游L-歧管，歧管連接處i的數(shù)量級增加與上游歧管中的方向一致。G的方向可與U-歧管的上游歧管方向相反。這意味著歧管界面編碼方法與上游歧管的方向相反。
M2M歧管物理性質(zhì)流體流動發(fā)生在阻力較小的通路中，以離開歧管。相比下一部分所述的歧管物理性質(zhì)，如果連接通道在設(shè)計流速下具有大的壓降，那么連接通道中的流體分布大部分是相等的，且富有經(jīng)驗的歧管設(shè)計并不是必需的。相比歧管壓降，如果連接通道在設(shè)計流速的壓降較低，然后根據(jù)上游歧管和下游歧管壓力分布，那么就有可能產(chǎn)生較差的流體分布。歧管物理性質(zhì)對連接通道壓降必需得到平衡，以得到對于給定歧管必需的連接通道流體分布。
對低的相對流速，摩擦損耗控制歧管中的靜壓分布，因為小的壓頭值不會提高轉(zhuǎn)向損耗或動量補償靜壓變化。這些情況的例子包括具有較長接觸時間的實驗室-芯片(lab-on-a-chip)分析設(shè)備和反應(yīng)。為了將流體分配到微秒接觸時間反應(yīng)器和快速液相反應(yīng)中，即使在低雷諾數(shù)的情況下，歧管可具有非常高的質(zhì)量通量速率或速度。這些大的壓頭值可不僅提高摩擦損耗而且提高充分的轉(zhuǎn)動和動量補償靜壓變化。后面的兩個壓力變化可明顯影響歧管中的流體分布。
動量補償指基于從連接通道離開歧管和進入歧管的流體的歧管靜壓變化。流體每次離開上游歧管進入連接通道時動量補償都會提高上游歧管的靜壓，且可能的是與動量補償有關(guān)的靜壓升高大于連接處的摩擦損耗。靜壓的升高可認為是將流體“推”入連接通道的方法。動量補償可降低下游歧管中的靜壓，且靜壓中的損失可加速連接通道中的流體在歧管流動方向上流動。動量補償和摩擦損耗的結(jié)合可極大地降低M2M下游歧管流動方向上的下游歧管靜壓。
動量補償是質(zhì)量流速比、剛好分配點上游和剛好下游的歧管流速之比以及歧管中流體的流態(tài)的函數(shù)。質(zhì)量流速比為0到1，且質(zhì)量流速比是上游歧管下游對上游質(zhì)量流速之比；以及對下游歧管，是上游對下游質(zhì)量流速之比。具有足夠高的壓頭的微通道M2M歧管的動量補償靜壓升高足夠大，以增加上游歧管中的靜壓，而不管摩擦靜壓損失，從而提高靜壓驅(qū)動力，使流體在連接通道流動方向中流動。靜壓升高的例子如圖2A所示，其中基于紊流管轉(zhuǎn)向損耗和動量補償系數(shù)計算大M2MZ-歧管系統(tǒng)中上游歧管或下游歧管的靜壓升高。通道1是與上游歧管交叉的第一連接通道，而通道19是與下游歧管交叉的最后連接通道。下游歧管中的動量補償效果隨著通道數(shù)的增加提高靜壓(流動方向)，而不管摩擦損耗，而在下游歧管中結(jié)合的摩擦和動量補償損耗隨著通道數(shù)增加壓低靜壓。所得壓力分布將更多流體輸送到更高數(shù)目的通道中，這是因為連接通道流動阻力相同的情況下壓力差驅(qū)動力更大。
微通道上游歧管動量補償系數(shù)對局部平均雷諾數(shù)的實驗數(shù)據(jù)常見圖2B。實心形狀描述了不同的歧管質(zhì)量流速比(下游比上游)。上游歧管質(zhì)量流速比為零表示上游歧管中的最后一根通道，而二分之一表示次于最后一根通道，假定兩根連接通道中的質(zhì)量流速相等。當通道數(shù)字從上游歧管的端部增加時，比值也增加，最大到接近1的值。如所述，轉(zhuǎn)向損耗與雷諾數(shù)相關(guān)，就象上游歧管處于層流態(tài)(Re＜2200)或過渡態(tài)(2200＜Re＜4000-5000)時看到的。對于許多曲線，M2M上游歧管動量補償系數(shù)變化可在從層流態(tài)轉(zhuǎn)變到過渡態(tài)過程中看到。M2M上游歧管動量補償系數(shù)值與Pigford等人“管道網(wǎng)中的流體分布”，INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第22卷，INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第463-471頁，1983年所述管道中看到的數(shù)量級相同或更高(0.4-0.7的值)。這些M2M上游歧管動量補償值在實驗室中可提高上游歧管靜壓，即使入口雷諾數(shù)低于1000。
平均上游歧管雷諾數(shù)用作M2M動力補償系數(shù)的基準，因為該系數(shù)得自從連接通道開始處到出口的實驗室靜壓減去摩擦壓降的變化，它基于平均雷諾數(shù)。當連接通道開口在M2M歧管的流動方向上非常長，且間隔相互靠近，如前述部分所述，歧管中的壓力可稍微變化。
上游歧管中的雷諾數(shù)可在M2M歧管中稍微變化，這是因為其水力學(xué)直徑較小且為快速反應(yīng)供料所需的質(zhì)量通量速率較大，熱交換器的效果較高且由微通道結(jié)構(gòu)體輔助的其它單元操作。一些優(yōu)選實施方式具有50毫秒或更少的可操作接觸時間(通過連接通道的接觸時間)，并且一些實施方式的接觸時間為10毫秒或更少。優(yōu)選實施方式中的雷諾數(shù)沿著M2M歧管從紊流態(tài)流體變化到過渡態(tài)流體，再變化到層流態(tài)流體；在其它優(yōu)選實施方式中，它可從過渡態(tài)流體變成層流態(tài)流體。在其它優(yōu)選實施方式中，它可從過渡態(tài)流體變到紊流態(tài)流體。對于流態(tài)發(fā)生變化的M2M歧管，摩擦損耗和M2M動量補償損耗(后者常見圖2B)會隨之發(fā)生變化。流態(tài)變化影響M2M歧管中的壓力分布，并且可形成較差的流體分布。
轉(zhuǎn)向損耗定義為連接通道用來將流體輸送到歧管以及從歧管輸送到連接通道所需的靜壓變化。轉(zhuǎn)向損耗是以下因素的函數(shù)
1.連接通道界面比歧管界面的橫截面積之比；2.連接通道的質(zhì)量流速與連接處、上游或下游中最高歧管質(zhì)量流速的局部比值；以及3.歧管截面的形狀。對于矩形截面，所述形狀用歧管縱橫比來量化。
當歧管和連接通道界面的橫截面積是恒定值時，最接近上游歧管入口的連接通道的上游歧管轉(zhuǎn)向損耗可高于較遠的下游連接通道。轉(zhuǎn)向損耗隨著歧管中的位置而發(fā)生變化，這基于歧管壓頭的變化壓頭值在上游歧管流動方向上下降，所以使一部分轉(zhuǎn)向并不需要太大的能量強度。
圖2C描述了所示M2M上游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)對格柵界面比上剛好格柵界面上游的歧管的連接通道與上游M2M上游歧管質(zhì)量流速比，所述M2M上游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)在格柵界面與歧管面積比為0.09的微通道M2M上游歧管中測得。圖2C的實線也描述了對于大尺寸歧管的轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)，它來自Fried和Tdelchilc的“流動阻力工程設(shè)計指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年。通常，微通道M2M(大到微)轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)與Fried和Tdelchilc轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)相似隨著連接處與歧管橫截面積之比的下降，所述值上升。這暗示需要更大的壓降值將歧管流體轉(zhuǎn)向到更小的連接通道開口中。隨著連接通道與上游M2M上游歧管質(zhì)量流速比的增加，轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)也相應(yīng)增加(或者，隨著歧管向下的位置增加，0對應(yīng)于第一通道，1對應(yīng)于最后一根通道。但是，如果連接處與歧管橫截面積之比恒定的話，對于上游歧管中的第一通道來說，基于格柵界面的上游歧管上游的產(chǎn)品和轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)的轉(zhuǎn)向損耗高于最后一根通道。這是因為轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)值隨著連接通道與上游M2M上游歧管質(zhì)量流速比接近1(即上游歧管末端)而產(chǎn)生的增加與歧管上游歧管隨著歧管質(zhì)量流速的損耗而下降的數(shù)值不一樣大。
圖2C中的微通道轉(zhuǎn)向損耗是2-5的因子，它高于紊流管的值，從而使轉(zhuǎn)向損耗甚至高于連接通道與上游M2M上游歧管質(zhì)量流速比大于0.2的管道。M2M歧管的歧管縱橫比(矩形的最大側(cè)邊比上最小側(cè)邊)使上游歧管轉(zhuǎn)向損耗較高。M2M歧管通道高度受到堆積的限制，這是因為重復(fù)層之間通常有高度的限制值。對于通道寬度的限制，M2M歧管可提高其寬度，以提供流動用的總歧管橫截面積。通過提高流動用歧管的橫截面積，可降低摩擦損耗和動量補償靜壓變化。通過提高橫截面積，也可降低局部歧管的壓頭。由于M2M歧管通道縱橫比增加，所以從歧管到連接通道的流動轉(zhuǎn)向可提高來自上下通道壁的剪切應(yīng)力。這些壁的剪切應(yīng)力可隨著M2M歧管縱橫比的提高而增加轉(zhuǎn)向損耗壓降，其中環(huán)狀管和幾乎矩形的橫截面導(dǎo)管的該效應(yīng)更小。例如，在圖2C的M2M轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)條件下，M2M歧管通道縱橫比約為16∶1。
對于下游歧管轉(zhuǎn)向損耗，還有更有趣的現(xiàn)象。圖2D描述了所示下游歧管的實驗室M2M下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)的負值對連接通道與在下游歧管連接的連接處、下游中最高歧管流速的局部連接通道/上游M2M上游歧管質(zhì)量流速比。在圖2D中，M2M下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)在下述條件下測得連接通道界面與歧管面積之比為0.09且M2M歧管縱橫比為16∶1，根據(jù)Fried和Tdelchik“流動阻力工程設(shè)計指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年所述相同的連接/歧管橫截面積之比，畫出大歧管數(shù)。導(dǎo)管歧管的負下游歧管轉(zhuǎn)動系數(shù)(來自Fried和Idelchik)描述了下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)隨著連接通道/上游上游歧管質(zhì)量流速比的增加而單調(diào)增加。在圖2D中，兩種情況下的負下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)表示這些系數(shù)是負值，所以當下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)通過連接通道的歧管上游歧管下游成倍增加(multiple)時，從連接通道出口到歧管的靜壓就會出現(xiàn)凈升高。該靜壓升高在某種程度了補償了靜壓上游歧管轉(zhuǎn)向損耗。M2M歧管縱橫比為16∶1時的下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)是兩種或三種小于Fried和Idelchik下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)中的一種因素。M2M歧管縱橫比可能對下游歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)之差有非常強烈的貢獻，同時相比Freid和Idelchik中的大歧管系統(tǒng)，壁剪切應(yīng)力會降低凈靜壓的升高。
總得來說，實驗室M2M歧管動量補償和M2M歧管轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)的值與大歧管和導(dǎo)管系統(tǒng)中所報道的值有較大的差別，這主要是因為大M2M歧管縱橫比的歧管通道起作用。這些大M2M歧管縱橫比需要降低M2M歧管中的速度，然后降低傳動摩擦、轉(zhuǎn)向和動量效應(yīng)的局部壓頭值。為了避免制造比上述值更大且結(jié)合有轉(zhuǎn)向損耗的大M2M歧管縱橫比，寬M2M通道可分成幾根寬度更小的小歧管，它能將流體分配到總連接微通道的一小部分中。這些小歧管稱作亞歧管。如果動量補償系數(shù)和轉(zhuǎn)向損耗系數(shù)對于給定M2M歧管中的M2M歧管縱橫比來說是很好理解的，那么可調(diào)整歧管和連接通道橫截面積來調(diào)整轉(zhuǎn)向損耗，以補償其它歧管由于摩擦損耗產(chǎn)生的靜壓變化和動量補償靜壓變化。通過用與驅(qū)動流體均勻流過連接通道(不管歧管壓力分布中的其它變化)相同的方法調(diào)整轉(zhuǎn)向損耗，可使每根連接通道中的流體分布均勻。為了控制轉(zhuǎn)向損耗，可用本發(fā)明截面可變的格柵和門。除了M2M歧管中用于控制流體分布其它新方法，在下一部分還討論亞歧管、格柵和門。
M2M分布層進入微裝置的M2M的流體通常途經(jīng)大型管、管道或?qū)Ч堋Ｃ扛笮凸芑驅(qū)Ч苓€可連接平行操作的多個微裝置。流體分布發(fā)生在多層中。一根大的管或?qū)Ч軐⒘黧w計量流到1個或2個或更多微裝置。一旦流體進入微裝置，它可經(jīng)再分離進入亞歧管。每個亞歧管用于將流體分配入至少2根或更多連接通道。然后可將流體在連接通道內(nèi)再分配入亞通道。例如可通過使用鰭狀物(粘結(jié)之前或之后插入)或其集成物(例如那些由層壓物或墊片形成的)形成亞通道。一根微通道中的流體可分入至少2根亞通道，在一些實施方式中，分入10-100根亞通道。
微-大歧管中改善的分配和上節(jié)討論的一致，當連接通道與歧管的橫截面比率變小，M2M歧管縱橫比較高時，歧管內(nèi)轉(zhuǎn)向壓力損耗的效應(yīng)對上游歧管內(nèi)的第一通道或下游歧管內(nèi)的最后一個通道來說變得劇烈。如果一根M2M歧管將液流分配入大量的連接微通道中，則可增加歧管寬度來降低質(zhì)量通量速率，從而足以避免大的轉(zhuǎn)向損耗。而這反過來降低了連接和歧管橫截面之比，并增加了M2M歧管縱橫比，從而提高了轉(zhuǎn)向損耗。該轉(zhuǎn)向損耗疊加到總體連接通道壓降(包括摩擦的和其它的損失)上，并可導(dǎo)致較差的流體分布。這可見于微通道過程技術(shù)(MPT)設(shè)備中，其中較大的流可經(jīng)長途分配至個別微通道中。
將更大的M2M歧管分裂成更小的平行M2M歧管的級聯(lián)層，每根M2M歧管為2根或多根連接微通道供料，或一根大M2M歧管縱橫比的連接微通道可改善流體分布。一根歧管可用壁分成獨立歧管，每根亞歧管處理總流體的一部分。該變化增加了連接與歧管橫截面積之比，并降低了橫截面的M2M歧管縱橫比，使轉(zhuǎn)向損耗更低。圖3A示M2MZ-歧管分為2根獨立的M2M亞歧管312，314。該亞歧管除了長度LM2M的分配區(qū)域之外還包括長度。該增加的長度可用來調(diào)整亞歧管的壓降。
大歧管和連接通道分配部分之間的亞歧管部分的寬度可進行改變，從而影響亞歧管的流動阻力。圖3B描述了一種L-歧管的亞歧管設(shè)計，它具有2根亞歧管和等流阻的連接通道。具有較長上游流徑的亞歧管寬度w2要比具有較短上游流徑的亞歧管通路w1寬。上游寬度中的差別可降低較長流徑亞歧管的流動阻力并提高較短流徑亞歧管的流動阻力，從而兩根亞歧管都能計量相同數(shù)量的總流體。對于該L-歧管的亞歧管寬度設(shè)計的相似方法可用于U-歧管，它在多根亞歧管中具有相同問題的壓降，所述亞歧管增加了在包括不同長度上游歧管和下游歧管的亞歧管之間的總流體阻力匹配阻力。其它好處是分隔亞歧管的壁可用作機械支撐的梁，以處理在堆疊方向上直接施加在壁墊片上下的負載。
通道壁通常需要一些材料以將末端保持在一起，保持在一起的方式可避免形成長和懸掛功能元件，所述功能元件會在制造和/或操作過程中移動位置。圖3C描述了以下一個例子，其中其微通道終止于四通管37中的一片或多片墊片垂直于通道軸，在微通道的末端給出信號。在該例子中，四通管37形成限定歧管370一側(cè)的格柵。由四通管37和相鄰?fù)ǖ乐械拈_口空間形成的平面是連接通道平面出口或入口。該連接通道平面設(shè)計與Golbig等人所述的設(shè)計以及實施例1所討論的設(shè)計類似，不同的是Golbig′s中的連接通道位于37下的平面內(nèi)，且不延伸到37的平面內(nèi)。
圖3D描述一個實例。在該實例中，每根四通管的39(上墊片)、38(下墊片)形成了格柵的一部分。由墊片通道末端中的差別形成的開口36為微通道35和M2M歧管之間的流體流動形成了界面。
在一些實施方式中，更好具有更多的M2M區(qū)域進行流動，以降低M2M質(zhì)量通量速率，從而可降低動量補償靜壓變化、轉(zhuǎn)向和摩擦損耗。圖3D描述了單一亞歧管的“格柵”概念。對于上游歧管384，流體在M2M中流動，并轉(zhuǎn)向進入以及越過伸開的“格柵”38，進入由下墊片38和上墊片39形成界面通道36，上墊片標記了微通道的末端。流體然后離開界面，進入微通道35。流體分布可通過改變“格柵”伸出進入歧管越過M2M歧管長度的程度來進行調(diào)節(jié)，也可通過改變四通管33下面的開口36的寬度進行調(diào)節(jié)。圖3D中的設(shè)計在流體分布測試裝置進行測試。
“門‘將M2M歧管連接到2根或多根連接微通道上。門功能元件有助于在比常規(guī)孔更低的壓降下分布流體，這可通過使所有流體具有均勻的大的突然膨脹和收縮壓降得到流體分布。該門使用轉(zhuǎn)向損耗來計量輸送到連接通道、連接通道組或亞歧管的流體，并且通過改變門橫截面積來完成上述操作。調(diào)整該轉(zhuǎn)向損耗使門可補償歧管壓力分布中的變化，這樣連接通道的壓降就是相等的。門也可使用摩擦損耗、膨脹和其它分布功能元件來加入反壓力。通過改變門的橫截面積，可從較大歧管層疊(cascade)中的亞歧管中增加反壓力或出去反壓力，從而控制總的歧管流動阻力。
在L-歧管中，通過將流體壓過連接通道入口中的窄開口，連接通道中的孔門31使分布變得平滑。圖3E和3F描述了門的一個實例，其中灰色墊片中的開口使流過壁的流體流入，所述壁由2片或多片墊片的堆疊形成。該“門”是“門”設(shè)計的延伸，它把末端帶到墊片幾何形狀中的連接微通道，并從M2M歧管通向微通道。
門和格柵使用轉(zhuǎn)向損耗來使連接通道界面上的靜壓分布均勻化，但是它們的作用方式與孔是不同的?？资褂煤愣ǖ男∑绻苓B接橫截面積，以使各個連接具有大的流動阻力，且在形成更高總體壓降時產(chǎn)生高的操作成本。本發(fā)明所述的門和格柵使用了2個或多個橫截面積變化的開口，以使用自然發(fā)生的轉(zhuǎn)向損耗來克服由于歧管物理性質(zhì)造成的歧管靜壓分布。在實施例3中，流動方向中的門開口的尺寸減小，以補償?shù)谝婚_口的較大轉(zhuǎn)向損耗，以及在最后兩個門處升高的靜壓驅(qū)動力(由動量補償產(chǎn)生)。這些門尺寸有助于控制流體，沒有產(chǎn)生與孔流體阻力相關(guān)的大壓降。對于門和格柵，DPR2的優(yōu)選值大于2，更優(yōu)選大于5，在一些優(yōu)選實施方式中，它大于10，在一些實施方式中，它是5-30。比值越高，操作成本越低，所述操作成本是由歧管中的壓降產(chǎn)生的。
降低上游歧管流動方向(常見圖3G)中的門的橫截面積可改善分布，這是因為(1)第一開口處的大的門寬度可補償歧管中第一界面處可看到的較大的相對轉(zhuǎn)向損耗D；以及(2)對于第一門的門下游，降低門尺寸和提高轉(zhuǎn)向損耗的不利結(jié)果可抵消沿歧管長度向下的靜壓增加，該靜壓增加由歧管動量補償造成。
流動態(tài)歧管流體的相對動量在歧管物理性質(zhì)中起重要作用。對于具有較大壓頭值的M2M歧管，動量補償和轉(zhuǎn)向損耗是更顯著的，并且對于流體分布比歧管摩擦損耗具有更大的影響。但是，如果歧管流體沒有大的壓頭值，那么摩擦損耗就是主要的影響，使用補償高動量現(xiàn)象的歧管功能元件使它們的效力受到了損失。如前所述，微通道M2M歧管可在低雷諾數(shù)條件下得到大的壓頭值，這是因為它們較小的水力學(xué)直徑補償了大速度和質(zhì)量通量速率。這些大的壓頭值可發(fā)生在層流態(tài)中，層流態(tài)的雷諾數(shù)遠低于過渡態(tài)和紊流態(tài)的雷諾數(shù)。對于大管道和導(dǎo)管歧管系統(tǒng)，相同的壓頭值處于紊流態(tài)中，這是因為它們本身具有的較大水力學(xué)直徑。
進入大歧管的流體流態(tài)通常是紊流態(tài)或過渡態(tài)。然后，流體在微裝置的歧管中進行其它流態(tài)變化，從紊流態(tài)變到過渡態(tài)，變到層流態(tài)?；蛘?，流體可只進行一次流態(tài)變化，從紊流態(tài)變到過渡態(tài)，或從過渡態(tài)變到層流態(tài)。
作為測定M2M歧管是否具有大壓頭值的方法，我們可使用比值Mo
Mo=12ρ[G2-0]4fLM2MDG22ρ={4fLM2MD}-1---(19)]]>其中D[m]＝在M2M處的歧管水力學(xué)直徑f[無量度]＝M2M的通風(fēng)摩擦因素。對于通道來說，各種通道幾何形狀的通風(fēng)摩擦因素的來源可常見Rohsenow等人的“熱傳遞手冊”，第三版，McGraw Hill，1998年。對于通風(fēng)摩擦因素，可關(guān)注使用合適雷諾數(shù)、通道幾何形狀因素(例如縱橫比)和水力學(xué)無量度長度(x+＝LM2M/D/層流態(tài)的Re)。
G[kg/m2/s]＝在M2M處的質(zhì)量通量速率Re[無量度]＝在M2M處的雷諾數(shù)比值Mo(參見方程18)比較了最大的M2M歧管壓頭值、轉(zhuǎn)向損耗和動量補償靜壓變化的驅(qū)動力與摩擦損耗，所述歧管可審查最大的M2M歧管上游歧管是否施加到全部歧管長度LM2M上。小的Mo值表示M2M作用相比摩擦損耗是小的，這忽略了亞歧管對控制流體的一些作用以及格柵和門對控制流體的所有作用。如果Mo值大于一些小比值，例如Mo＞0.05，那么壓頭驅(qū)動轉(zhuǎn)向損耗和動量補償條件對于流體分布有作用。當Mo大于0.05時，控制轉(zhuǎn)向損耗和歧管靜壓分布的亞歧管、格柵、門和其它結(jié)構(gòu)體可改善M2M歧管流體分布。當Mo小于0.05時，歧管摩擦損耗控制流體分布。
Mo數(shù)的一個替代是FA數(shù)。FA數(shù)的目的是避免分布在短歧管長度中的層流蠕動流體。FA表達式是流速/流態(tài)(或雷諾數(shù))、歧管水力學(xué)直徑和歧管長度的函數(shù)。以下是FA數(shù)的表達式FA=
2DLM2M<0.01]]>其中水力學(xué)直徑D的單位是英寸，歧管長度LM2M的單位是英寸，雷諾數(shù)的定義與Mo中相同。
在優(yōu)選實施方式中，F(xiàn)A＜0.01。例如，如果歧管的水力學(xué)直徑是0.080″(0.20厘米)，那么下表給出了當FA＜0.01時對于亞歧管長度的要求。
這表示當Re＝10且D＝0.08″(0.20厘米)時，亞歧管長度＞0.04″(0.10厘米)的任何歧管設(shè)計的FA都＜0.01。
五流體、整合燃燒器和重整裝置的構(gòu)造基于微通道的模塊設(shè)計成進行甲烷流體重整，其中熱量由空氣和燃料燃燒供應(yīng)。所述燃燒和重整反應(yīng)在相同的設(shè)備中進行，所述設(shè)備具有三個區(qū)域歧管歧管區(qū)域?qū)⒘黧w分配入通道中。有五股流體需要歧化。這些流體是燃料、空氣、廢氣、試劑和產(chǎn)物。燃料和空氣進入設(shè)備，并作為廢氣離開。試劑進入，進行處理并作為產(chǎn)物離開。
熱交換器離開設(shè)備的廢氣和產(chǎn)物處于高溫狀態(tài)。熱交換器使熱量從廢氣和產(chǎn)物流返回到燃料、空氣和試劑流中。該返回有助于使在反應(yīng)器中進行化學(xué)反應(yīng)的流體具有所需的溫度。
反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)實際上是反應(yīng)器加上熱交換器。大部分化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在反應(yīng)區(qū)中。發(fā)生在設(shè)備中的反應(yīng)是燃料通道的燃燒(催化且均相的)，試劑通道中的甲烷流體催化重整反應(yīng)。在任選的實施方式中，燃料或加工原料的一些預(yù)重整可發(fā)生在涂覆催化劑的熱交換器部分中。
燃料通道涂有不同類型的催化劑，所述催化劑可促進低溫燃燒(非均相燃燒)。燃燒熱通過壁傳遞到反應(yīng)通道中。該熱量驅(qū)動流體重整反應(yīng)。
燃燒模塊的M2M歧管設(shè)計成將燃燒反應(yīng)流體(如天然氣、氫氣、一氧化碳等燃料，其中燃料側(cè)有或沒有空氣，空氣側(cè)有或沒有空氣)分布于燃燒通道陣列中，這樣它們就能在模塊的連接微通道中混合?？諝夂腿剂蠌哪K的相反方向進入，在燃燒部分混合，且混合的廢氣在向下移動到返回微通道之前進行U-轉(zhuǎn)彎，離開模塊的末端，形成兩股流體用的上游L-歧管。
由于每根M2M歧管為多根獨立的毫秒接觸時間的微通道反應(yīng)器(在該實例中為72)供料，但是可從幾到幾千)，因此不得不分配具有高動態(tài)壓力(G2/(2ρ)＝ρU2/2)值的大流速。總的組合M2M和通道壓降是重要的，并且在每根通道中使空氣和燃料充分分配是特別重要的，因為這需要混合幾乎為化學(xué)計量量的燃料和氧化劑(空氣)的混合物。對于該系統(tǒng)，得到均勻的流體分布的方法由于許多制造方法和大歧管的約束而變得復(fù)雜。所得設(shè)計包括一些創(chuàng)新，例如多(在所述實例中為六)根亞歧管，其中每根亞歧管對應(yīng)多根(12根)通道；以及每根亞歧管對應(yīng)多個(3個)門，其中每個門對應(yīng)多根(4根)下游連接通道。
圖4A是堆疊設(shè)備中的墊片的分解圖。圖4-22是裝配在設(shè)備中的墊片俯視圖。所有墊片的總尺寸為31.47英寸(長)×22.00英寸(寬)。該墊片的長和寬定義如圖4B。墊片的厚度定義在垂直于長度和寬度的方向上。1-28的墊片相互在頂部堆疊，形成設(shè)備的重復(fù)單元。重復(fù)單位的堆疊高度為0.43″。在該設(shè)備中總共有49個重復(fù)單元。所述設(shè)備的總高度是23.1″。對于所有墊片來說，沿著長度的周邊空隙為1.00″，沿著寬度的周邊空隙為1.50″。該標記的周邊金屬并未成為最終設(shè)備的一部分，且其僅能增強金屬擴散粘合性。對于所有墊片的底部和側(cè)面，都形成了矩形槽(slot)。這些槽的目的是在后粘合制造操作(例如插入放電機器)過程中為開口亞歧管提供位置指示。右側(cè)的槽用于燃料流12和試劑流14亞歧管，左側(cè)的槽用于空氣流16和產(chǎn)物流18，底部19的槽用于廢氣流。
墊片中的所有開口通過槽或孔。在所述設(shè)備中，流體通路是槽或孔。通路之間的流體由肋狀物(rib)(位于相同流體的墊片中)或壁墊片(在不同流體之間)分隔。
圖4B描述了壁墊片。墊片的厚度是0.020″。該墊片分隔燃料流和重整反應(yīng)流。該墊片也將燃燒通道中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到流體重整反應(yīng)用的反應(yīng)通道中。
圖5描述了壁墊片。該墊片的厚度為0.020″。該墊片分隔燃料流和試劑流。墊片也將燃燒通道中產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到流體重整反應(yīng)用的試劑通道中。墊片中的槽32可將催化劑載體鰭狀物保持在燃料通道中。
圖6描述了形成燃料流用通路的墊片。墊片的厚度是0.012″。墊片上的槽形成了燃料流用功能元件。燃料從墊片的右端通過6個入口44(指亞歧管)進入。垂直于流動方向的這些亞歧管的寬度從底部開始為0.60″、0.60″、0.55″、0.50″、0.50″和0.40″。所有六根亞歧管都由0.060″的肋狀物隔開。流動方向中的亞歧管長度從底部開始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如圖所示，來自每根亞歧管的流體分配到三根超級通道(super-channel)中。流體流過0.060″的肋狀物從亞歧管進入這些超級通道。在流動方法中，超級通道的長度是0.50″。每根超級通道還將流體分散進入四根通道中。許多薄通道42由0.060″肋狀物隔開，其中第四個肋狀物是0.120″。所有的通道42是0.160″寬。流體經(jīng)過熱交換器區(qū)域46，接受來自廢氣流和產(chǎn)物流的熱量，并進入燃燒區(qū)域48。在燃燒區(qū)域中，燃料與空氣混合，并在燃燒催化劑存在下燃燒。
圖7描述了另一種墊片，它形成了燃料流用的通路，結(jié)合圖6所示墊片的通道。該墊片的厚度為0.025英寸。墊片的縫隙形成燃料流用元件。燃料從墊片的右端通過6進入入口52(稱作亞歧管)。這些亞歧管的寬度垂直于流動方向，從底部開始為0.60″，0.60″，0.55″，0.50″，0.50″和0.40″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物54分隔。在流動方向中，這些亞歧管的長度從底部開始為16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亞歧管具有小開口56(門)，以計量進入通道的流體。每根亞歧管具有3個門?？偣灿?8個門計量進入通道的流體。門在流動方向中的長度為0.060″。門的寬度從右邊開始為0.105″、0.102″、0.094″、0.122″、0.199″、0.103″、0.143″、0.142″、0.127″、0.160″、0.161″、0.145″、0.299″、0.230″、0.152″、0.560″、0.555″和0.550″。通道58由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四根肋狀物都是0.120″。所有的通道都是0.160″寬。所述流體流徑熱交換器區(qū)域57，從廢氣流接受熱量，并進入燃燒區(qū)域59。在燃燒區(qū)域中，燃料與空氣混合，并在燃燒催化劑存在下燃燒。
圖8描述了一種噴射墊片，它用作歧管和熱交換器區(qū)域中的燃料流和空氣流之間的壁墊片。該墊片的厚度為0.010″。在燃燒區(qū)域中，該墊片提供了通路62(稱為孔)，以將空氣混入燃料中。對于每根通道(燃料或空氣)，有18個孔將空氣混入燃料。從底部開始，第一孔是具有直徑為0.012″的半圓末端的矩形槽(slot)。槽的最長長度位于流動方向中。第二孔是側(cè)邊長度為0.012″的等邊三角形，并以與第一孔的距離為0.133″放置。第三和第四孔是0.012″直徑的洞，它們設(shè)置成與第一孔距離0.267″。第五孔再次是與第一孔距離0.386″的三角形槽。第六到第十五孔是直徑為0.012″的圓形洞，并以與第一孔距離0.594″、0.769″、0.969″、1.168″、1.615″、2.112″、2.658″、3.257″、3.257″、3.857″、4.624″設(shè)置。第十六和十七孔是直徑為0.012″的洞，與第一孔距離5.392″設(shè)置。
連續(xù)的0.050″槽64形成在墊片的頂部，以通過廢氣通道輸送燃燒后的燃料(廢氣)。該槽使流體在上游歧管和下游歧管之間的連接通道之間流動。
圖9描述了墊片，它形成空氣流用的通路。墊片的厚度是0.012″。墊片上的槽形成了空氣流用的功能元件。所述空氣從墊片的左端通過6進入入口92(稱為亞歧管)。這些亞歧管的寬度垂直于流動方向，從底部開始為0.60″、0.60″、0.55″、0.50″、0.50″和0.40″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物分隔。在流動方向中，亞歧管的長度從底部開始是16.93″、14.1I″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如附圖所述，來自每根亞歧管的流體分配進入三根超級通道94。所述流體流過0.060″肋狀物96，以從亞歧管進入超級通道。超級通道在流動方向中的長度是0.50″。每根超級通道還將流體分入四根通道中。這些通道由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四根肋狀物是0.120″。所有的通道99是0.160″寬。所述流體流經(jīng)熱交換器區(qū)域，從廢氣和產(chǎn)物流接受熱量，并進入燃燒區(qū)域。在所述燃燒區(qū)域中，空氣通過孔62流入F1(圖4)和F2墊片(圖5)，以燃燒燃料。連續(xù)的0.050″長槽95形成在墊片的頂部，以經(jīng)過所述廢氣通道輸送燃燒的燃料(廢氣)。
圖10描述了另一種墊片，它與圖9所示的墊片結(jié)合形成了空氣流用的通路。墊片的厚度是0.025″。位于墊片上的槽形成了空氣流用的功能元件?？諝鈴膲|片的左端通過6進入入口(稱為亞歧管)。這些亞歧管的寬度垂直于流動方向，從底部開始為0.60″、0.60″、0.55″、0.50″、0.50″和0.40″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物分隔。在流動方向中，所述亞歧管的長度從底部開始為16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亞歧管具有小的開口(門)，以計量進入通道的流體。每根亞歧管具有3個門104?？偣灿?8個門，以計量進入通道的流體。在流動方向中，門的長度為0.060″。門從右邊開始的寬度為0.188″、0.175″、0.172″、0.165″、0.167″、0.167″、0.240″、0.235″、0.232″、0.260″、0.260″、0.260″、0.277″、0.277″、0.277″、0.590″、0.580″和0.588″。所述通道由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四根肋狀物是0.120″。所有通道是0.160″寬。所述流體流經(jīng)熱交換區(qū)域，從廢氣和產(chǎn)物流接收熱量，并進入燃燒區(qū)域。在燃燒區(qū)域中，空氣流過噴射墊片，以與燃料通道中的燃料反應(yīng)。連續(xù)的0.050″長槽106位于墊片的頂部，以經(jīng)過廢氣通道輸送燃燒的燃料(廢氣)。
圖11描述了壁墊片，它隔開空氣流和廢氣流。墊片的厚度是0.010″。在墊片的頂部有槽，燃燒后燃料(廢氣)經(jīng)過這些槽輸送到廢氣通道中。
圖12描述了具有廢氣流通道的墊片。墊片的厚度是0.020″。所述廢氣流從墊片的頂部流到墊片的底部。所有的流體通路寬0.160″，并由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四肋狀物是0.0120″。所述廢氣從墊片頂部的U-轉(zhuǎn)彎進入通路，流經(jīng)與燃料和空氣交換熱量的熱交換區(qū)域，并在底部流出墊片。
圖13描述了具有廢氣流通道的墊片，所述廢氣流通道與圖12中所述的通道成對。所述墊片的厚度是0.020″。所述廢氣流從墊片頂部流到墊片的底部。所有流體通路寬0.160″，并由0.060″肋狀物隔開，不同的是每第四肋狀物是0.0120″。所述廢氣在反應(yīng)區(qū)中的墊片頂部進入，流經(jīng)與燃料和空氣交換熱量的熱交換區(qū)域，并在墊片底部流出。在所述底部，0.060″的肋狀物用作粘合用的載體。
與圖12中的墊片一樣的另一片墊片堆疊在圖13中所示的墊片上。
與圖11中所示墊片一樣的另一片墊片是墊片堆疊物中的下一個，再下一個是與圖10中所示墊片一樣的另一片墊片。再下一個是與圖9中所示墊片一樣的另一片墊片。再下一個是與圖8中所示墊片一樣的另一片墊片。再下一個是與圖7中所示墊片一樣的另一片墊片。再下一個是與圖6中所示墊片一樣的另一片墊片。再下一個是與圖5中所示墊片一樣的另一片墊片。再下一個是與圖4B中所示墊片一樣的另一片墊片。
圖14描述了形成試劑流用通路的墊片。墊片的厚度是0.010″。墊片中的槽形成了試劑流用的通路。所述試劑從墊片右端通過6進入入口142(稱為亞歧管)。這些亞歧管垂直于流動方向的寬度為0.539″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物分隔。在流動方向中，亞歧管的長度從底部開始為16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亞歧管具有小開口144(門)，以計量進入所述通道的流體。每根亞歧管具有3個門?？偣灿?8個門，以計量進入所述通道的流體。所述門在流動方法中的長度是0.060″。門從右邊開始的寬度是0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″和0.173″。所述通道由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四肋狀物是0.120″。所有通道寬0.160″。在相應(yīng)亞歧管的墊片中，流體通路的長度是0.70″。在反應(yīng)區(qū)域中，形成槽146(7.00″長和0.82″寬)。這些槽的目的是保持鰭狀物，所述鰭狀物為流體重整反應(yīng)提供表面積。
圖15描述另一種墊片，它結(jié)合圖15中所示墊片形成試劑流用的通路。墊片的厚度是0.012″。所述試劑從墊片右端通過6進入入口152(稱為亞歧管)。這些亞歧管垂直于流動方法的寬度是0.539″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物分隔。所述亞歧管在流動方向中的長度從底部開始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如附圖所示，所述流體從每根亞歧管分配入三根超級通道中。所述流體流經(jīng)0.060″肋狀物154從亞歧管進入超級通道156中。超級通道在流動方向中的長度是0.539″。每根超級通道還將流體分入四根通道158中。通道由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四肋狀物是0.120″。所有通道寬0.160″。所述流體流經(jīng)熱交換區(qū)域，從產(chǎn)物和廢氣流接收熱量，并進入反應(yīng)區(qū)。在所述反應(yīng)區(qū)中，所述流體重整反應(yīng)在燃燒熱存在下進行。
圖16描述了一種壁墊片，它隔開了所述試劑流和產(chǎn)物流。墊片的厚度是0.010″。連續(xù)的0.050″槽162形成在墊片的頂部，以將試劑通道形成的產(chǎn)物輸送到產(chǎn)物通道中。
圖17描述了所述壁墊片，它隔開了所述試劑流和所述產(chǎn)物流。所述墊片的厚度是0.010″。連續(xù)的0.21″長的槽172形成在墊片的頂部，以將所述試劑通道中形成產(chǎn)物輸送到產(chǎn)物通道中。
圖18描述了產(chǎn)物流用墊片。所述墊片的厚度是0.018″。產(chǎn)物在從墊片頂部到墊片底部的通路流動。通路寬0.160″，并且由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四肋狀物寬0.120″。來自通道的流體接著收集在另一組通路184(稱為亞歧管)中，所述另一組亞歧管垂直于第一組通路移動。這些通路通過0.060″肋狀物與第一組通路隔開，所述肋狀物與圖17和19中所示墊片結(jié)合形成“格柵”。每根亞歧管在垂直于流動方向的方向中的寬度是0.539″。在所述流動方向中，亞歧管從亞歧管底部開始的長度是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。
圖19描述了壁墊片，它隔開了試劑流和產(chǎn)物流。所述墊片的厚度是0.010″。連續(xù)的0.21″長的槽192形成在墊片的頂部，以將試劑通道中形成的產(chǎn)物輸送到所述產(chǎn)物通道中。
圖20描述了壁墊片，它隔開了試劑流和產(chǎn)物流。所述墊片的厚度是0.010″。連續(xù)的0.050″長的槽202形成在墊片的頂部，以將所述試劑通道中形成的產(chǎn)物輸送到所述產(chǎn)物通道中。
圖21描述了墊片，它形成了試劑流用的通路。所述墊片的厚度是0.012″。所述試劑從墊片右端通過6進入入口212(稱為亞歧管)。這些亞歧管垂直于流動方向的寬度是0.539″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物214隔開。在所述流動方向中，所述亞歧管的長度從底部開始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如附圖所示，所述流體從每根亞歧管分配到三根超級通道216中。所述流體經(jīng)過0.060″肋狀物218從亞歧管進入所述超級通道。超級通道在流動方向中的長度是0.539″。每根超級通道還將所述流體分入四根通道219中。通道由0.060″肋狀物分隔，不同的是每第四肋狀物是0.120″。所有通道寬0.160″。所述流體流經(jīng)所述熱交換區(qū)域，從產(chǎn)物和廢氣流接收熱量，并進入反應(yīng)區(qū)域中。在所述反應(yīng)區(qū)域中，所述流體重整反應(yīng)在燃燒熱存在下進行。
圖22描述了墊片的附圖，所述墊片結(jié)合圖21所示墊片形成了試劑流用的流動通道。墊片中的槽形成了試劑流用的通路。所述試劑從墊片右端通過6進入入口(稱為亞歧管)。這些亞歧管垂直于流動方向的寬度是0.539″。所有六根亞歧管由0.060″肋狀物隔開。在所述流動方向中，亞歧管的長度從底部開始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亞歧管具有小開口(稱為孔)，以計量進入通道的流體。每根亞歧管具有3個孔?？偣灿?8個孔，以計量進入通道的流體。所述流體開口在流動方向中的長度是0.060″。所述開口從右邊開始的寬度是0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″和0.173″。所述通道由0.060″肋狀物隔開，不同的是每第四肋狀物是0.120″。所有的通道寬0.160″。在墊片中，流體通路的長度從相應(yīng)的亞歧管開始是0.70″。在所述反應(yīng)區(qū)域中，形成槽(7.00″長和0.82″寬)。這些槽的目的是保持鰭狀物，所述鰭狀物可為流體重整反應(yīng)提供表面積。
歧管和微通道功能元件可以對門和格柵設(shè)置橫截面積限制，優(yōu)選在連接通道的前面，例如，通過穿過壁的洞，來自下表面的凸起，壁突出，及其結(jié)合。諸如圓形凸起的功能元件可通過蝕刻形成。
歧管壁可做成圓形(例如看起來好像跑道。進入歧管的流體可從上或下進入；在許多優(yōu)選實施方式中，在面內(nèi)進入，例如從附著到層疊墊片堆疊物的側(cè)面上的側(cè)面上游歧管進入。歧管壁可以是實心或有縫隙的。
在有些實施方式(參見圖23)中，歧管(在所示情況下，是下游歧管)可用來通過重力和/或離心力分隔微通道設(shè)備中具有不同密度的兩相。
連接通道之間的壁可以具有相同或不同長度。通道組的門可集中在中點，或與門的連接通道的中心有偏移。圖24描述了具有偏移門和不同長度通道的歧管結(jié)構(gòu)。在所示歧管中，對于處在中點的門來說，流體動量(從連接通道側(cè)面進入的流體)會將最大的流體通過下游通道242壓在右側(cè)上，這是因為引入的流體從左到右流動；但是，位于歧管下游部分的門244(在所示實施方式中，門附著到下游歧管壁246上)封堵了一部分流體?？膳c偏移門一起使用或單獨使用的另一種功能元件是位于下游(相對于進入歧管的流動方向)的較長內(nèi)壁248(不是246)，以限制流體。因此，流體更均勻地分布在連接通道中。在優(yōu)選實施方式中，連接通道組下游部分249中的至少一個內(nèi)通道壁長于上游部分中的通道壁。更優(yōu)選地，在連接通道組下游部分249中的至少兩個(或至少4個)內(nèi)通道壁長于上游部分中的通道壁。還要更優(yōu)選地，連接通道組下游部分249包含至少兩個內(nèi)通道壁243和248，它們逐漸再突出入歧管區(qū)域245中。優(yōu)選地，偏移和連接通道組下游部分249中的至少一個通道壁長于上游部分的通道壁可結(jié)合起來，因為對于流速大于單個功能元件的情況，該結(jié)合可提供更均勻的流體分布(更小的Q1或Q2)。在該實施方式中，“長于”表示所述通道再突出入歧管區(qū)域245中。對于下游歧管也可使用相似的設(shè)計理念。當2根或多根連接通道在歧管連接處結(jié)合時，來自離下游歧管出口最遠的連接通道的流體相比更最近歧管出口的連接通道在歧管流動方向中具有更大的動量矢量。這會降低用于離開歧管連接處的最遠通道的流動阻力，從而平衡離開通道的流體，然后我們可改變圍繞上述通道242的幾何形狀。
圖25a描述了在多個門結(jié)構(gòu)中校直的流體。流體從側(cè)面進入，并且是通過連接通道下游部分的動量偏轉(zhuǎn)流體。門256和258可用來使通道組257和259之間的流體均勻化。流過連接通道254的流體可通過延長歧管區(qū)域長度L2(或在圖25a所示情況下，亞歧管區(qū)域252)來均勻化。優(yōu)選地，在流動方向中，所述區(qū)域的長度L2至少比歧管長度LM2M長三倍(參見圖1A)，在一些實施方式中，比歧管長度LM2M長至少六倍，在一些實施方式中，L2是比歧管長度LM2M長20倍或更少。除非用其它方法進行改正，更短的區(qū)域會使流體偏向，而太長的區(qū)域可不必要地增加成本，且降低性能(例如，增加摩擦)。與本文所述的所有功能元件一樣，該功能元件可與本文所述其它設(shè)計結(jié)合起來。
圖25b描述了具有校直區(qū)域2502和流動凸起(格柵)2504的歧管，所述校直區(qū)域2502和流動凸起1504在連接通道入口2506之前。進入流體2505可從一側(cè)歧管進入，其中流體從上、下或平面內(nèi)進入。圖25c是用來形成歧管/通道結(jié)構(gòu)體的片材的分解圖。
圖26a和26b描述了具有筆直連接通道264的歧管262。所述連接通道被流動凸起266部分封堵。所述流體從歧管進入連接通道，但可通過連接通道之下的交叉連接通道重新分配在通道之間。兩根這樣的交叉連接通道如圖25a所示，由層266形成。該系統(tǒng)的優(yōu)點是266中的交叉連接通道可使流體再分配，歧管設(shè)計不應(yīng)考慮可接受分配，這是因為空間受到限制。
圖26所示結(jié)構(gòu)體的改進版本可以是一種微通道設(shè)備，它包括分布在平面中的平行微通道陣列；其中平行微通道陣列通過入口歧管在一端連接并通過出口歧管在它們的另一端連接；以及至少一根通道，所述通道分布在平行微通道之上或之下，且相對平行微通道成至少20度(優(yōu)選基本上為90度)分布，它分布在入口歧管和出口歧管之間，通過開口連接到陣列中的平行微通道上。該結(jié)構(gòu)體可通過形成穿過第二通道261的壁265和267形成連接來得到。穿過壁265和267的連接可分別連接到入口和出口，這樣通過第二通道就有交叉流體。在一些實施方式(沒有顯示)中，板可隔開第一和第二層，不同的是穿過板的孔或一些孔提供了第一層和第二通道之間的互通。例如，可使用這種構(gòu)造體來混合組分或者用作路徑將涂料從一層加入到下一層。
圖27是另一種設(shè)計的分解圖(也是預(yù)裝圖)，所述設(shè)計具有交替排列中的流動凸起272和274，這樣就沒有經(jīng)過連接通道的筆直流徑。這種結(jié)構(gòu)體形成了廣泛的內(nèi)通道混合。
除了流體分布，歧管也可具有混合功能。圖28描述了具有交叉流體282和284的歧管，它通過分隔壁287中的縫隙285在歧管長度區(qū)域286中混合。該交叉流體混合減少了進入連接通道的動量偏移流體。所述混合可以是單種組分、兩種或多種試劑或兩相。在所示實施方式中，進入流體(in-flow)是共平面的；但是，應(yīng)理解混合或者可通過歧管之上或之下的片材中的孔來完成。
如圖29所示，歧管可傾斜以改變歧管流動方向中的橫截面積，這可改變局部連接通道界面/歧管面積之比和通道M2M歧管縱橫比?！皟A斜”表示歧管高度(不僅僅是寬度)發(fā)生變化。優(yōu)選地，歧管向上傾斜，這樣鄰近連接通道、離下游最遠的通道(即圖29中斜坡的對面)的體積最小。該結(jié)構(gòu)體可通過蝕刻形成。
在一些實施方式中，從歧管到連接通道的門可成角度。這可示意性地描述在圖30中。成角度的開口可通過蝕刻形成。該成角度的流體可加上或減去轉(zhuǎn)向損耗阻力，并可設(shè)計成使流體更均勻地流過連接通道。在本文中，“成角度的”表示門是傾斜的，這樣通過門的中心線相對通過連接通道的中心線形成了2-98度或92-178度的角度，更優(yōu)選在20-80度或100-170度。優(yōu)選地，該設(shè)計如所示至少一根(或者優(yōu)選多根)通道(所述通道位于歧管的上游部分)成角度，以降低轉(zhuǎn)向損耗(促進流動)，同時至少一根(或優(yōu)選多根)通道(所述通道位于歧管的下游部分)成角度以增加轉(zhuǎn)向損耗(阻止流動)。
圖31描述了堆疊連接通道的分解圖(或預(yù)裝圖)，所述連接通道包括進行內(nèi)通道混合的偏移區(qū)域213。在偏移結(jié)構(gòu)中，第一層中的通道壁延伸提供進入第二相鄰層的流體路徑。
降低流體動量作用的另一種選擇是在上游歧管放置阻礙物(baffle)(沒有顯示)。
圖32描述了門的代替形式，其中多孔體放在歧管322和連接通道之間。優(yōu)選地，對于Z-歧管或L-歧管的上游歧管來說，排列多孔體，這樣對于Mo值大于0.05的上游歧管來說，最大流動阻力存在于相對歧管離下游最遠的多孔體324中，而相對較小流動阻力存在于上游多孔體326中。這為歧管中具有最高靜壓值的區(qū)域提供最高流動阻力，它是提高由動量補償產(chǎn)生的靜壓所導(dǎo)致的。對于Mo值大于0.05的U-歧管來說，上游歧管的次序與Z-歧管和L-歧管中所述相反的次序補償下游歧管中的動量補償和摩擦損耗。通常，相對Z-歧管或L-歧管的上游歧管中的流動阻力較小的多孔體來說，優(yōu)選具有較大流動阻力的多孔體位于相對上游歧管的下游。對于U-歧管而言的反轉(zhuǎn)是真的。對于寬度相等的連接通道中的流體分布來說，至少三個多孔體的流動阻力隨著歧管中下游距離的升高而升高。所述多孔體可以是催化性(即反應(yīng)器中)或非催化性的。泡沫材料是多孔體的一個優(yōu)選實例。
圖33描述了一種實施方式，其中流體受穿過通道壁的柔性凸起332的影響。所述柔性凸起可從壁的一側(cè)凸出，或通過通道壁突入兩根相鄰?fù)ǖ馈?br> 多個微裝置3402和3404(每個微裝置具有內(nèi)部微－大歧管)還可用大歧管3405連接在一起(參見圖34A)，以得到任意所需的容量或產(chǎn)量。該歧管的水平可包括連接微裝置間流體的管道或?qū)Ч?。至少一股流體可位于具有連接到每個平行微裝置的入口3407或出口3408的單根管道3406或?qū)Ч苤性谝恍嵤┓绞街?，所有的流體用獨特的管道或?qū)Ч苓B接。在一個實施方式中，一股或多股出口流體3409排到大氣中，例如是燃燒廢氣流的情況下。
連接多個微裝置的管道或?qū)Ч軆?yōu)選包括圍繞每個微裝置的相應(yīng)流體入口或出口的密封。所述密封可通過焊接或襯墊連接來達到。對于具有多個入口或出口的微裝置來說，連接大歧管管道或?qū)Ч芸苫ハ噙B接起來，但是以氣密方式防止交叉流體漏出或連接。作為一個實例，包括一股流體用的入口的內(nèi)管道可包含連接到內(nèi)管道上的外管道，所述外管道圍繞內(nèi)管道(沒有顯示)的一部分周長。多根管道或?qū)Ч芸梢栽摲N方式連接。該方法的優(yōu)點包括降低大歧管的金屬重量，控制沿著管道的熱分布以降低限制材料厚度的應(yīng)力以及降低大歧管系統(tǒng)所需的總體積。
所述大歧管表示第一級的流體分布。流體從單一源進入，并分布到兩個或多個微裝置中。流體進入每個微裝置后，還可進一步任選隔離到多根亞歧管中。來自每根亞歧管的流體還可分配到多個連接通道中。最后，任選實例包括每根微通道中多根亞歧管中的進一步流體分布。每根亞通道的形式可以是微通道中的鰭狀物(或者插入的或整體形成在所述設(shè)備上)或其它流體分配器。對于微裝置的操作來說，可以是三、四或更高級的流體分布，所述微裝置的質(zhì)量指數(shù)因子小于30％，或其Q值是本文所述任意優(yōu)選的值。
二維流體分布當需要將流體分配到二維連接通道陣列(在堆疊方向和連接通道平面內(nèi))中時，通常需要使用用于分配的單根歧管。這些單根歧管可以是大的導(dǎo)管或管道，并且它們通常用于交叉流動用途。對于這些情況，所述摩擦損耗所起的作用更小，因為歧管長度/水力學(xué)直徑變小(L/D～1)。但是，動量驅(qū)動現(xiàn)象(動量補償和轉(zhuǎn)向損耗)是流體分配的主要驅(qū)動力，并且應(yīng)在設(shè)計中作說明。歧管物理性質(zhì)從在一維歧管部分所述的高M2M歧管縱橫比通道條件發(fā)生了改變。對高縱橫比通道來說，轉(zhuǎn)向損耗不明顯是因為大導(dǎo)管的截面是方形周邊或具有管道或半管道周邊。對于這些情況來說，轉(zhuǎn)向損耗相比高縱橫比矩形通道來說具有較低的壁剪切應(yīng)力。下兩個部分描述了改善二維通道陣列中的流體分布的方法。
流體分布的一個問題是通過連接通道矩陣的分配不平均，這是由于流入流體的動量造成的。中心原料入口和中心原料出口可使通道穿過矩陣的中心，例如參見交叉流體熱交換器。參見Lalot等人，“應(yīng)用熱工程”，第19卷，第847-863頁，1999年；Ranganayakulu和Seetharamu，“熱和質(zhì)量傳遞”，第36卷，第247-256頁，2000年)。
而且，與流動方向相切的單個入口可將大塊流體分配到與入口對置的通道中，并且在上游歧管和下游歧管形成大的再循環(huán)區(qū)域，從上游歧管到下游歧管的再循環(huán)以及裝置中的再循環(huán)或停滯區(qū)域。
改善這些問題的設(shè)備如圖34B所示，圖34B是設(shè)備中的通道內(nèi)部的俯視圖，所述設(shè)備具有多個平行于流動方向的入口3406。在所示設(shè)計中，入口流體從亞歧管3402的兩側(cè)導(dǎo)入。如果流體僅從一側(cè)導(dǎo)入，那么大塊流體會通過離主入口最遠的上游歧管入口離開。模擬顯示該安排在消除再循環(huán)區(qū)域、下游歧管到上游歧管的再循環(huán)和設(shè)備中的停滯區(qū)域方面是成功的。對于該選擇來說，基本分配偏向于中心，但是相比其它選擇來說程度極大下降。
圖34B也描述了任選的導(dǎo)流器3404，所述導(dǎo)流器引導(dǎo)流體通過室。這些導(dǎo)流器可以是百葉結(jié)構(gòu)(或槳)，它可集中或單獨選擇以將流體引導(dǎo)到所需的方向。對百葉結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行設(shè)計，其中所有的百葉結(jié)構(gòu)通過相鄰棒(rod)連接在一起，它可使所有百葉結(jié)構(gòu)同時、同向移動或旋轉(zhuǎn)到相同位置。使用百葉結(jié)構(gòu)可提供改變裝置中的流動方向的常規(guī)方法。所述百葉結(jié)構(gòu)可使流體轉(zhuǎn)向，這樣它可偏到左邊、中間和右邊。因此，在一個實例中，所述導(dǎo)流器是可旋轉(zhuǎn)的百葉結(jié)構(gòu)。
在一些優(yōu)選實施方式中，熱交換流體流過具有偏向的熱交換流體的室。與所示熱交換室相鄰(在其上或下)堆疊的是反應(yīng)室(沒有顯示)，其中試劑以相對熱交換流體交叉的關(guān)系流動。如果反應(yīng)速率在反應(yīng)室的前部或后部最大且高反應(yīng)速率部分與流經(jīng)熱交換器的偏向流體匹配，這樣最高流速的熱交換流體與相鄰反應(yīng)室中的最高反應(yīng)速率相鄰的話，該取向是有利的。
流體分配板在一些多通道設(shè)計實施方式中，在低流速下，摩擦損耗可控制流體主要流經(jīng)多通道陣列的中央。解決該問題的一種方法是在多通道陣列之前放置流體分配板。這個概念圖示于圖35中，它描述了流體被壓到分配板3502的周邊上。通常，這可通過帶有孔的板來完成，所述孔優(yōu)選分布在相比中心更接近板周邊的位置。優(yōu)選地，具有二維陣列均勻分布的孔的第二孔板位于第一板之后。所述第一板和第二板的組合(優(yōu)選還與第一板之后的開口再分配區(qū)域(沒有顯示)結(jié)合)可使作用在陣列前表面的壓力均勻化，并且降低了通過多通道陣列的不均勻性。圖36描述了使用第一和第二再分配板3602和3604的多通道設(shè)備的部分分解圖。
具有第一和第二流體分配板的其它設(shè)計的橫截面圖和側(cè)視圖如圖37所示。在該設(shè)計中，第一銳孔板3702具有不同尺寸的門，以控制流體。改變門尺寸可用來使流體均衡化，或者為需要不均勻流體的情況提供不均勻的流體。當使用一塊孔板進行局部流體不均勻分配(在所述區(qū)段(segment)中)時，例如，如果微通道中的摩擦損耗太小(通道太短)或孔中的速度非常高，需要具有許多大孔的第二孔板3704，所述大孔與第一板中的孔位置有偏移(即不對準)，以使流體從單個孔轉(zhuǎn)向，并保證在微通道區(qū)段內(nèi)得到均勻分布(即連接通道矩陣3706)。在一些實施方式中，由于轉(zhuǎn)向損耗有差別，所以在連接通道矩陣的2710部分可得到均勻的流體，所述矩陣直接與歧管3708接觸，無需插入孔板。
在一些實施方式中，包含一個或多個孔的板放在上游歧管中，具體參見圖38。在所示設(shè)備中，具有一個或多個孔的板3802的形狀與上游歧管截面相配，并可安裝(密封或焊接)在上游歧管內(nèi)，以將微通道設(shè)備的上游歧管分隔到幾個區(qū)段中。根據(jù)相應(yīng)微通道組(陣列)所需的流速和壓降對孔尺寸進行設(shè)計，以實現(xiàn)在整個設(shè)備中存在所設(shè)計的逐步分布的流速和壓降。當壓力在區(qū)段之間變化時，微通道中的區(qū)段平均流速在區(qū)段之間是不同的，或者也可以是相同的，以均勻分布流體。在所示設(shè)計中，每個區(qū)段包括六根微通道；然而必需認識到，區(qū)段中可使用任何數(shù)量的通路，例如，在一些優(yōu)選實施方式中，包含2-100根通道，在一些實施方式中為10-50根通道。所示設(shè)計具有孔板，所述孔板的尺寸在流動方向中孔尺寸降低，以補償動量和提供通過連接通道的更均勻的流體。所示板平行于連接通道。通過選擇孔板數(shù)目、孔尺寸或數(shù)目，單個區(qū)段的微通道之間的流速差也可進行設(shè)計，并限制在可接受的范圍內(nèi)。同樣地，可達到逐步的流體分布。作為一個實例，如果所示層是在整體反應(yīng)器中的冷卻劑層，所述整體反應(yīng)器包含成交叉流動關(guān)系的相鄰反應(yīng)器層(沒有顯示)，那么冷卻劑流體富集在剛好鄰近反應(yīng)器層的前部(最熱部分)的區(qū)域中。
孔板可具有均勻分布的相似或相同尺寸的孔、單調(diào)增加或下降的開口面積，或者可設(shè)計成具有任意所需孔分布。例如，圖39A描述了具有洞或槽的孔板，所述洞或槽提高了最大面積，從而降低了它們的長度。通常，歧管和連接通道之間的可移動孔板可用來改變進入連接通道的流速。例如，圖39B所示的板具有任選的螺旋洞392，以用作可移動板。如A-A視圖所示，該孔板可上升或下降以改變流體。所述板可使用螺絲安裝和密封在設(shè)備的上游歧管以及通道入口面之間。當需要改變流體分布曲線時，可通過旋松板和把板移到對應(yīng)于設(shè)計新分布曲線的位置來改變板和通道之間的相對位置。因此，可在相同設(shè)備中得到不同的流體分布曲線以及用于不同條件的最佳流速。
制造設(shè)各形成層疊設(shè)備的片材和帶子可通過下述方法形成常規(guī)加工、線EDM、埋入式(plunge)EDM、激光切割、模塑、模壓、水注、沖壓、蝕刻(例如，化學(xué)、光化學(xué)和等離子蝕刻)及其結(jié)合。為了降低成本，特別適合的是沖壓以切割穿過片材或帶子的孔。任何形狀和形成方法可結(jié)合其它步驟。本發(fā)明方法的一些也可不包含特定的形成技術(shù)；例如一些優(yōu)選的方法不使用蝕刻、澆注、熔融粉末、模塑、化學(xué)或物理沉積等。
為了形成層疊設(shè)備，片材或帶子堆疊在基材上。為了完成本發(fā)明，基材廣泛定義為包括其它片材或帶子或者更厚的部件，它可以是例如已經(jīng)粘合的片材堆疊物。優(yōu)選地，多片片材和/或帶子可在粘合之前在堆疊物中對齊。在一些實施方式中，銅焊化合物放在一個或多個片材或帶子(或多片片材和/或帶子)表面上，以促進粘合。
片材和帶子應(yīng)在堆疊物中對齊。對齊可如下得到使片材和/或帶子具有對齊孔，然后使用對齊栓來對齊堆疊物中的片材和/或帶子。堆疊物(包括不含最終設(shè)備的所有部件的子組件)可從栓中舉起，或者栓可拿走(例如通過燃燒或通過拔出栓)，或者栓可粘合在堆疊物中。另一種對齊技術(shù)使用了對齊片材和/或帶子的模子；該技術(shù)對于定位流體改變器(modifier)(例如肋狀物)來說是特別有用的。在一些實施方式中，模子保持在原位，同時堆疊物組分附著在原位，例如通過焊接、加熱粘合劑或擴散粘合；隨后，可拿走模子。在其它實施方式中，模子可在部件粘合之前拿走。模子可再次使用，或者可單獨使用可除去(例如通過燃燒)的部件。
這些片材、帶子和子組件可通過擴散粘合方法(例如沖壓或熱等靜壓制(HIP))來連接在一起。它們也可通過反應(yīng)性金屬粘合、銅焊或其它形成面密封的方法連接在一起。也可使用焊接技術(shù)(例如TIG焊接、激光焊接或電阻焊接?；蛘咴O(shè)備可通過使用粘合劑來連接。
當需要全部長度密封來遏制流體時，可使用縫焊在基材、帶子和/或流體改變器之間形成密封。粗縫(tack)或點焊可用來將帶子、流體改變器或子組件保持原位，且沿著全部邊緣沒有形成完全密封。通常，粗縫焊接裝配可隨后進行粘結(jié)步驟。
銅焊技術(shù)和組合物是已知的，它可用于形成本發(fā)明的設(shè)備。大于10小時的銅焊環(huán)可得到更好的設(shè)備，所述設(shè)備具有較小的扭曲且具有更好的粘結(jié)。
裝配和/或粘結(jié)設(shè)備的技術(shù)可使用相同的技術(shù)或技術(shù)的組合。例如，子組件可焊接在一起，然后焊接到第二子組件，第二子組件本身通過焊接形成?；蛘?，例如子組件可點焊在一起，銅焊到第二子組件上，并且組合形成的組件可進行擴散粘合。
許多微通道、層疊的設(shè)備可用本文所述的部件和/或本文所述的制造方法制得。該層疊設(shè)備可以是例如熱交換器、反應(yīng)器(集成燃燒反應(yīng)器是優(yōu)選的一種反應(yīng)器)、分離器、混合器、它們的組合、以及其它微通道、層疊的設(shè)備(所述設(shè)備能進行單元操作)。術(shù)語“層疊制品”包括層疊設(shè)備以及層疊子組件。
當單個層壓物非常薄時，設(shè)備尺寸不是特別限制。因為許多薄層(具有所需長度和寬度)可堆疊起來形成所需的高度。在一些優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明制品包含至少5個薄層，更優(yōu)選至少10個薄層，在一些實施方式中，超過50個薄層。在一些優(yōu)選實施方式中，所述制品包含至少2個重復(fù)單元，在一些實施方式中包含至少5個重復(fù)單元(其中每個重復(fù)單元包含至少3個不同的薄層)。
在一些實施方式中，至少一股流體流過歧管，在一些實施方式中，該流體是氣體。所述上游歧管或下游歧管可進行成形，以匹配子組件的末端，例如上游歧管/下游歧管中的方形末端，以匹配立方體子組件的一側(cè)。
所述制品可由諸如塑料、金屬、陶瓷、玻璃和復(fù)合物、或其組合的材料形成，這取決于所需的特性。在一些優(yōu)選實施方式中，本文所述制品由堅固材料(例如陶瓷、鐵基合金如鋼、或蒙耐合金或高溫鎳基超合金如Inconel625、Inconel617或Haynes合金230)制成。在一些優(yōu)選實施方式中，所述設(shè)備由耐用且具有良好導(dǎo)熱性的材料組成。在一些實施方式中，所述設(shè)備可由其它材料(例如塑料、玻璃和復(fù)合物)制成。諸如銅焊、粘合劑和催化劑的材料可在本發(fā)明的一些實施方式中使用。
本發(fā)明可包含本文所述在任意設(shè)備中進行的化學(xué)反應(yīng)和進行反應(yīng)的方法。已知小尺寸可得到較好的效率，這是因為熱傳遞和質(zhì)量傳遞的距離較短。反應(yīng)可以是未催化的或者用同質(zhì)催化劑或異質(zhì)催化劑催化。異質(zhì)催化劑可為粉末、腔壁上的涂層、嵌入物(固體嵌入物，例如箔、鰭狀物或多孔嵌入物)。適合催化所選反應(yīng)的催化劑在本領(lǐng)域中是已知的，且特別為微通道反應(yīng)器設(shè)計的催化劑目前已經(jīng)在開發(fā)。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實施方式中，催化劑可以是多孔催化劑。所述“多孔催化劑”指孔體積(pore volume)為多孔材料總體積的5-98％、更優(yōu)選30-95％的多孔材料。所述多孔材料本身是催化劑，但更優(yōu)選所述多孔材料包括沉積有一層或多層催化劑材料的金屬、陶瓷或復(fù)合載體?？紫堵士梢允菐缀我?guī)則的，就象蜂窩體或平行孔結(jié)構(gòu)體中一樣，或者孔隙率可以是幾何彎曲或無規(guī)的。在一些優(yōu)選實施方式中，多孔材料載體是泡沫金屬、泡沫陶瓷、金屬氈(即纏結(jié)的、非織造纖維)、或金屬網(wǎng)。所述多孔結(jié)構(gòu)體可在流過方向(flow-by)或流經(jīng)方向(flow-through)上取向。所述催化劑的形式也可以是金屬薄紗，它平行于在流過型催化劑結(jié)構(gòu)體中的流動方向。
或者，催化劑載體可由致密金屬墊片、鰭狀物或箔形成。多孔層施涂或生長在致密金屬上，以為反應(yīng)提供足夠的活性表面點?；钚源呋瘎┙饘倩蚪饘傺趸锶缓罂上嗬^或同時修補基面涂層(washcoat)，以形成活性催化劑結(jié)構(gòu)體。致密金屬箔、鰭狀物或墊片可形成嵌入物結(jié)構(gòu)體，它在粘合或形成微通道結(jié)構(gòu)體之前或之后可放在反應(yīng)器內(nèi)部。催化劑插入之后，催化劑可沉積在嵌入物上。在一些實施方式中，催化劑接觸壁，所述壁與放熱和吸熱反應(yīng)室都相鄰。
本發(fā)明也包括以本發(fā)明任意設(shè)計或方法進行一個或多個單元操作的方法。適合進行單元操作的操作條件與常規(guī)實驗相同。本發(fā)明的反應(yīng)包括乙?；磻?yīng)、加成反應(yīng)、烷基化反應(yīng)、脫烷基化反應(yīng)、加氫脫烷基化反應(yīng)、還原性烷基化反應(yīng)、胺化反應(yīng)、氨解氧化芳構(gòu)化反應(yīng)、芳基化反應(yīng)、自熱重整反應(yīng)、羰基化反應(yīng)、脫碳基反應(yīng)、還原性羰基化反應(yīng)、羧基化反應(yīng)、還原性羧基化反應(yīng)、還原性耦合反應(yīng)、縮合反應(yīng)、裂解反應(yīng)、氫化裂解反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)、環(huán)化低聚反應(yīng)、脫鹵反應(yīng)、脫氫反應(yīng)、氧化脫氫反應(yīng)、二聚反應(yīng)、環(huán)氧化反應(yīng)、酯化反應(yīng)、置換反應(yīng)、費托反應(yīng)、鹵化反應(yīng)、氫鹵化反應(yīng)、同素化反應(yīng)、水合反應(yīng)、脫水反應(yīng)、氫化反應(yīng)、脫氫反應(yīng)、氫羧基化反應(yīng)、加氫醛化反應(yīng)、氫解反應(yīng)、加氫金屬化反應(yīng)、硅氫化反應(yīng)、水解反應(yīng)、加氫處理(包括加氫脫硫反應(yīng)HDS/HDN)、異構(gòu)化反應(yīng)、甲基化反應(yīng)、脫甲基化反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)、硝化反應(yīng)、氧化反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)、聚合反應(yīng)、還原反應(yīng)、重整反應(yīng)、反向水汽轉(zhuǎn)移反應(yīng)、薩巴蒂埃反應(yīng)(Sabatier)、磺化反應(yīng)、調(diào)聚反應(yīng)、轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)、三聚反應(yīng)和水汽轉(zhuǎn)移。對于上述每種反應(yīng)，其催化劑和條件對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是已知的；并且本發(fā)明包括設(shè)備和使用這些催化劑的反應(yīng)。例如，本發(fā)明包括通過胺化催化劑和包含胺化催化劑的設(shè)備的胺化方法。因此本發(fā)明描述了上述每種反應(yīng)，單獨(例如氫解反應(yīng))或成組(例如氫鹵化反應(yīng)、加氫金屬化反應(yīng)和硅氫化反應(yīng)以及氫鹵化反應(yīng)、加氫金屬化反應(yīng)和硅氫化反應(yīng)催化劑)。適合每種反應(yīng)的加工條件、使用本發(fā)明的設(shè)備以及催化劑可由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)其專業(yè)知識來確定和/或是常規(guī)的。為了引證一個實施例，本發(fā)明提供了使用具有本文所述一個或多個設(shè)計特征的設(shè)備(特別是反應(yīng)器)的費托反應(yīng)實施例實施例1-比較計算實施例基于Golbig公開的專利申請US2002/0106311A1的圖51-64所示設(shè)計進行計算。在該設(shè)計中，流體流入尺寸相同的兩個獨立上游歧管。上游歧管以直角交叉，其中連接通道末端寬度發(fā)生變化；上游歧管起始處的寬度最寬，在末端的通道最窄。該設(shè)計的目的在于使“粘性流體在基本上具有相等停留時間分布的平行流體通道中進行處理”。在給定流體粘度和流速條件下，改變通道寬度以調(diào)整連接通道流動阻力，從而補償上游歧管和下游歧管之間的壓差，對具有較大壓差驅(qū)動力的通道增加阻力，并對具有較低壓差驅(qū)動力的通道降低阻力。
雖然公開出版物并沒有具體描述所述設(shè)計的所有尺寸，但可從上下文中猜測近似的尺寸。從292段可知，墊片的厚度為0.3毫米，295段描述了相對通道寬度單位，它是通道高度的乘法因子。從圖中測量通道寬度，并比較295段中的單位尺寸，我們計算出0.1厘米的所測距離等于設(shè)計中的0.393毫米。同樣地，連接通道的長度測得為13.8厘米，相關(guān)的設(shè)計長度為54.3毫米，其中通道之間的肋狀物為0.59毫米，上游歧管寬度為0.39毫米，下游歧管寬度為2.55毫米。在138段中，已經(jīng)說明將開口限制到最大為2毫米可提高粘合加工，該限制與我們對于通道開口的計算范圍一致。本發(fā)明優(yōu)選的實施方式需要具有基本上相同的停留時間。
Golbig等人使用類似于電路的理論，使用層流態(tài)來描述流體。因此，我們?nèi)缦掠嬎銐航?amp;Delta;P=4fLDG22ρ]]>=4LD(CRe)G22ρ]]>=4LD(μCGD)G22ρ]]>=(2μCLD2)Gρ=(2μCLD2)U]]>(20)其中C[無量度]＝系數(shù)，它是通道尺寸和周長的函數(shù)f[無量度]＝C/Re＝通風(fēng)摩擦因素D[m]＝水力學(xué)直徑＝4(橫截面積)/通道周長)L[m]＝通道長度G[kg/m2/s]＝質(zhì)量通量速率ρ[kg/m3]＝密度Re[無量度]＝雷諾數(shù)＝GD/μU[m/s]＝平均通道速度μ[kg/m/s]＝流體的動態(tài)粘度對于任何部分的阻力是R=2μCLD2---(21)]]>方程(1.3)假設(shè)完全成形(developed)的層流態(tài)，表示通道中的邊界層完全在通道長度L上形成。使用無量度的水力學(xué)長度x+的定義x+=LDRe---(22)]]>所述流體接近完全成形的x+值在0.05附近的流體，且它更接近x+值為1的成形流體(R.K.Shah和London，A.L.“熱傳遞進展，增刊1，導(dǎo)管中的層流強迫對流-小型熱交換器分析數(shù)據(jù)的源卷”，Academic Press，紐約，1978年，第212頁。如果阻力路徑長度L較小，那么水力學(xué)直徑D或Re必需變小，以得到合適的x+值。為了滿足給定通道水力學(xué)直徑條件下x+＞0.5到1的限制，我們會考慮低雷諾數(shù)的值。
我們用于分析的系統(tǒng)具有與上述相同的尺寸，且具有下述假設(shè)和因素·兩個上游歧管入口質(zhì)量流速是相等的流速，兩個上游歧管的分布假定是相同的。
·試劑流具有來自上游歧管的質(zhì)量通量速率，同時產(chǎn)物流的質(zhì)量通量流速具有通道i的兩個上游歧管輸入的結(jié)合流體2Greact[i]＝Gprod[i](23)·忽略墊片之間和混合時的流體過渡變化時的壓降損失，因為第一種的增加很小，而后者產(chǎn)生的流體動量非常低。
·使用室溫(20℃)的空氣，且下游歧管出口的壓力為101325帕或1.01325巴。Golbig的優(yōu)選處理并不是指定特定的溫度升高或種類變化，所以我們可以任意設(shè)定條件。
·質(zhì)量指數(shù)因子可基于Q2方程的質(zhì)量通量速率Q2=Gmax-GminGmax×100%]]>·所述系統(tǒng)對于上游歧管的薄層通風(fēng)摩擦因素f有兩種選擇○完全成形的流體○正在成形的流體，其中x+方程(0.17)中的L基于離開上游歧管中的入口的距離和離開下游歧管中的歧管起始處的距離。
已經(jīng)調(diào)查的第一種情況中進入每個上游歧管的流體流速為10-06kg/s，其中歧管中是完全成形的流體，并且除去了所有轉(zhuǎn)向損耗和動量補償。對于所述情況來說，通道質(zhì)量通速率畫在圖40中。Q2因素約為71％。通道中的質(zhì)量通量速率在0.2-0.6kg/m2/s之間變化，且流體偏好第一(即最寬)通道。上游歧管和下游歧管Mo值的數(shù)量級分別是0.04和0.03。該系統(tǒng)的壓降的數(shù)量級為350帕(3.5×10-3巴)，上游歧管入口和下游歧管出口的雷諾數(shù)分別是159和78。當增加動量補償、轉(zhuǎn)向損耗和薄層正在成形的流體時，我們得到較差的結(jié)果，具體參見圖41。
如在公開的申請中所提到的，所述系統(tǒng)尺寸是反應(yīng)體系的試劑和產(chǎn)物粘度的函數(shù)。當水以相同質(zhì)量流速運動時，圖42中的結(jié)果顯示所述結(jié)構(gòu)較差。
對上游歧管和下游歧管寬度進行一些優(yōu)化，通過將上游歧管和下游歧管分別設(shè)定為0.004毫米和0.003毫米，可Q因子降到7％。所述結(jié)果列在圖43中。上游歧管和下游歧管的Mo值很低，其數(shù)量級為0.01。當這種情況下的流速提高10倍到10-5kg/s每上游歧管時，以Q因子表示的性能急劇下降，具體參見圖44。所述Q因子增至33％，且所述結(jié)果對于高動量流體表現(xiàn)出典型的Z-歧管相比第一通道，上游歧管中的最后連接通道的通量速率更高。請注意，上游歧管和下游歧管Mo值高于0.05，即使雷諾數(shù)較低。因此，紊流雷諾數(shù)不需要具有高Mo值，高Mo值可發(fā)生在低層流中。
Golbig的專利申請中的方法對于完全成形的層流在低壓頭值條件下并不顯示均勻的流體分布(低Q)，所述低壓頭值遠小于充分產(chǎn)生歧管轉(zhuǎn)向損耗和動量補償條件的較高壓頭值。原因是通道流動阻力和連接通道的縱橫比產(chǎn)生該阻力的程度之間的關(guān)系。這在實施例4和5中描述。
實施例2本實施例描述了本申請前述SMR模型流體分布的預(yù)期性能。
在該設(shè)計中，門寬度變得更寬，因為亞歧管上游的長度增加了，且亞歧管寬度隨著亞歧管上游長度的增加而增加。通過使用亞歧管中的亞歧管和門的寬度，每根亞歧管中的總壓降在空氣和燃料上游歧管M2M歧管中得到均勻化。穿過墊片的通路長度最短的亞歧管(#1)具有最薄的亞歧管寬度和最薄的門，而穿過墊片的通路長度最長的亞歧管(#6)具有最寬的亞歧管寬度和最寬的門。歧管的相對尺寸列在表1中。
表1.每亞歧管數(shù)的燃燒M2M空氣和燃料亞歧管的尺寸。門數(shù)(number)以歧管流體看到門的次序排列。即，亞歧管中所見第一個門為#1；所見最后一個門為#3。
當流體離開亞歧管的分布區(qū)域進入門時，所述部分的恒定寬度使靜壓上升，以補償動態(tài)壓力損失，減去發(fā)生在該區(qū)域的所有摩擦損耗。對于每個門，靜壓有可能在該高動量(動態(tài)壓力)流體中上升或保持穩(wěn)定，但是轉(zhuǎn)向損耗在歧管中并不是恒定的。所用門的寬度(例如參見表1)使我們可調(diào)節(jié)設(shè)備中的局部壓力，以更好地進行流體分配。通常，在亞歧管中隨著門數(shù)的上升而降低門寬度可克服上游歧管的動量補償因子。圖45和46描述了所示上游歧管和門靜壓的模擬結(jié)果對分別用于空氣和燃料的門數(shù)(每跟歧管總共18)。門數(shù)降低可增加反壓力，以補償上游歧管長度較短。使用門可在穿過模塊的門上得到均勻壓力，使壓降驅(qū)動力均勻化，直到廢氣出口為0.25psig。在第一亞歧管中，燃料和空氣歧管的DPR3比對于門1-3來說是高的，但是平均值是約0.5，因為轉(zhuǎn)向損耗隨著亞歧管數(shù)上升而下降。
耦合的燃燒歧管的結(jié)果可參見圖47，它描述了對于空氣和燃料的72個通道流速對燃料通道數(shù)的模型預(yù)期。
所有的結(jié)果列在下面總空氣M2M質(zhì)量流速14.96gk/h總?cè)剂螹2M質(zhì)量流速4.84kg/h(天然氣和空氣)總空氣M2M質(zhì)量指數(shù)因子3.9％總?cè)剂螹2M質(zhì)量指數(shù)因子6.1％空氣M2M亞歧管對亞歧管質(zhì)量指數(shù)因子0.2％燃料M2M亞歧管對亞歧管質(zhì)量指數(shù)因子0.5％入口空氣M2M壓力(包括來自大歧管的轉(zhuǎn)向損耗)8.16psig入口燃料M2M壓力(包括來自大歧管的轉(zhuǎn)向損耗)6.61psig實施例3本實施例是基于亞歧管的計算實施例，所述亞歧管具有下述特征就象所述的L-歧管的上游歧管；M2M歧管恒定的寬度和高度；3“門”，每個門為四根連接通道服務(wù)，所述連接通道位于分配區(qū)域的下游；以及高動量流體(入口Mo＝0.7＞＞0.05)。
條件是入口壓力為1atm(101325Pa)；空氣流速為38.22SLPM；溫度為20℃。
上游M2M歧管的尺寸為·0.041″高度，由0.017″和0.023″墊片以及0.001″高的襯墊制成·入口歧管寬0.400″(Wm)·AM＝1.04×10-5m2·長度○從大歧管連接處到第一門1.250″(＝Lu，1)○從大歧管連接處到歧管末端為3.700″○摩擦損耗的長度■Lc，1＝0.270″■Lc，2＝0.250″■Lc，3＝0.245″■Lu，1＝1.250″■Lu，2＝0.680″■Lu，3＝0.692″門和分配部分的尺寸·從大歧管到門的中心位置○1st1.410″○2nd2.350″○3rd3.290″·門通道高度0.024″·流動方向中門開口的長度0.060″·門寬度○1st0.270″(Ac，1＝0.0000041m2)○2nd0.250″(Ac，2＝0.0000039m2)○3rd0.245″(Ac，3＝0.0000038m2)·分配區(qū)域下游的每個門的尺寸○長度0.500″○高度總共0.040″，在開口“圖片框”墊片中是0.017″○寬度0.820″
·連接處對下游連接通道○通過0.024″寬的通道○到連接通道總長0.060″連接通道尺寸·12根通道，0.160″寬·每門四根通道，每根通道由0.060″寬的肋狀物(每門3個)隔開·兩個0.120″寬肋狀物，它們隔開通道(總共2個)·2.700″寬的連接通道矩陣·高度和寬度○對于門分配部分的1.000″下游■0.041″通道高度■Acc＝0.0000042m2○對于通道最后11.500″■0.018″通道高度■Acc＝0.0000018m2■所述通道流體突然終止，離開到環(huán)境壓力中。
方程與討論部分所述相同，但是下游阻力有所升高。所述門的分配部分對四根下游通道的每一根有一阻力條件，這取決于門的雷諾數(shù)。所述門具有質(zhì)量流量連續(xù)性方程，以分配流體。所述連接通道壓降具有兩種主要阻力對于門的1.000″長下游部分的摩擦損耗和對于通道的最后11.500″的摩擦損耗；突然收縮損失和出口損失是可以忽略的。
結(jié)果圖48描述了每根連接通道中的質(zhì)量流速。預(yù)期的質(zhì)量指數(shù)因子Q是2.2％。圖49描述了上游歧管和穿過歧管的門中的預(yù)期壓力。所述上游歧管壓力曲線描述了在第一門之前的第一1.25″英寸上的摩擦損耗效應(yīng)，其中雷諾數(shù)在8000范圍內(nèi)(紊流態(tài))。靜壓從每個門的開始處(較低位置值)開始上升直到門的末端，而不管摩擦損耗。在門之間的上游歧管有摩擦損耗。在上游歧管中，通過降低流動方向中的門的橫截面積可補償上游歧管靜壓的變化，從而在門到門之間得到良好的分布。圖49描述了上游歧管中(圓點)和門中(方形)的壓力曲線對離開通道入口的位置。
所述門轉(zhuǎn)向損耗需要補償流態(tài)變化形成的壓力曲線。在第一門處，上游和下游雷諾數(shù)分別是8054和5386，屬于紊流態(tài)。在該部分中，第一門的靜壓升高是巨大的，為1600帕，可補償最高到該點的通道摩擦損耗。所述第二門的上游和下游雷諾數(shù)分別是5386和2699，它們開始于紊流態(tài)范圍，且落入過渡態(tài)范圍。在第二門得到的壓力是400Pa，基本上離開了紊流態(tài)。第三門的上游和下游雷諾數(shù)為2600和0，這暗示流體開始于過渡態(tài)范圍，并最終處于層流態(tài)范圍。在第三門處得到的壓力的數(shù)量級為160Pa，遠小于第二和第一門處得到的靜壓400Pa和1600Pa。本實施例顯示動量補償對于靜壓曲線的效應(yīng)，然后描述了使用轉(zhuǎn)向損耗來使穿過門的壓力均勻化的需要。也描述了當多根通道必需具有處于過渡態(tài)和紊流態(tài)的高總流速時，提供毫秒接觸時間的微通道反應(yīng)器所需的高流速可在M2M歧管中形成非常高的雷諾數(shù)。如本實施例所示，這些流態(tài)具有大的壓頭值，所述壓頭值可充分提高動量補償和轉(zhuǎn)向損耗。
實施例4M2M專利-歧管性能比較在下述討論中，本發(fā)明的歧管與Golbig等人在WO03/043730A1中所公開的設(shè)計進行比較。對于具有72根連接通道矩陣的L-歧管來說，使用歧管設(shè)計工具評價歧管選項。三個選項如下歧管分解成亞歧管，所述亞歧管具有門連接通道界面，具有一根大歧管寬度和恒定通道開口以及通道矩陣尺寸的格柵設(shè)計，以及具有一根大歧管寬度和通道之間的寬度發(fā)生變化(就象Golbig等人所討論的)的格柵設(shè)計。所有的設(shè)計都具有相同的入口質(zhì)量流量和目標質(zhì)量通量速率分布(與接觸時間類似)。一些結(jié)果如下對于亞歧管流體分布來說，使用可變寬度門的亞歧管設(shè)計具有最低的質(zhì)量指數(shù)因子(Q1＝6.03％)，但是具有較高的壓降對入口端之比(8.8)，這是因為有門M2M轉(zhuǎn)向損耗。從大歧管到出口的壓降估計為3.25psig。歧管的最終寬度是3.45″，其中3.15″是實際開口空間。還可降低質(zhì)量指數(shù)因子以改進該設(shè)計。
選擇具有單一M2M歧管和恒定連接通道寬度尺寸的格柵設(shè)計對于大部分門寬度來說質(zhì)量指數(shù)因子較差，其中對于M2M寬度為2.5-3.5英寸的情況，Q值是41.08-29.03％。
第三選擇是具有單一M2M歧管的格柵設(shè)計，所述M2M歧管如Golbig等人所述可改變連接通道的寬度。該設(shè)計不能與亞歧管和門設(shè)計的低質(zhì)量指數(shù)因子相匹配。對于2.00″寬的歧管，Q2可低至等于12.8％，這可將壓降/壓頭值之比降低到3.9。通道寬度中的大變化需要合理控制，即需要大的Ra值來得到良好的流體分布。
普通歧管特征有72根通道，其總寬度必需增加到11.52″(＝72×0.160″)。通道之間的壁(即肋狀物)使總歧管長度增加到16.800″。矩陣通道高0.017″，而歧管到連接通道開口是0.023″高。在兩個區(qū)域之間，有短長度0.040″高。歧管有1″長的上游區(qū)域，且所有系統(tǒng)都有常規(guī)的大-M2M轉(zhuǎn)向損耗。所有歧管部分的總高度為0.040″(1.016mm)。格柵系統(tǒng)假定0.023″區(qū)域(墊片)位于0.040″高歧管部分之下，其中格柵延伸穿過整個M2M歧管寬度。0.00494kg/s的全部空氣在20℃下輸送經(jīng)過所有三個系統(tǒng)，其中出口壓力為101.325kPa。
帶有門系統(tǒng)的亞歧管表1提供了亞歧管系統(tǒng)尺寸，M2M通道寬度和門寬度。
表1.亞歧管和門的設(shè)計尺寸。
在這種情況下，所得歧管參數(shù)是M2M通道高度(hM2M)是1.016mm?？偲绻荛L度是16.800″，且對于每根亞歧管，每個LM2M值是2.700″。門末端與11.5英寸長部分之間的通道長度與LM2M之比是0.23-1.66，基于亞歧管長度。亞歧管Mo值為0.70-0.77。對于連接通道和亞歧管的Q值分別是6.0％和0.3％。對于系統(tǒng)的門的Ra值是2.36，且歧管的壓降是其入口端的8.83倍。
具恒定通道寬度的格柵在所有通道都設(shè)定為0.160英寸的條件下計算性能。所得結(jié)果列在表2中。所述表描述了在提高通道寬度條件下改進質(zhì)量指數(shù)因子，但是總Q因子非常大。對于較差的分布來說，主要的驅(qū)動力是從M2M歧管到通道的轉(zhuǎn)向損耗。這些轉(zhuǎn)向損耗值在歧管入口非常大，這是因為在那里的流速很大，顯著增大了這些通道的流動阻力。然后使流體歪斜到歧管末端的通道中。
表2.對于各種歧管寬度的恒定通道寬度結(jié)果通道之間的寬度不同的格柵設(shè)計通道寬度分布，將總寬度累加至11.52英寸的總通道寬度。
基于通道數(shù)i的通道寬度
其中M是中值通道寬度值，L[英寸]是與中值寬度的偏差，i是通道數(shù)，以及B是改變通道分布的功率因子(power factor)。如果i≤36，那么L是正的，如果i＞36那么L是負的。該方程(11)使分布從線性變化成中值0.160″的各種曲線。
對于各種通道寬度，結(jié)果列在表3中。這表現(xiàn)出了一定興趣，因為M2M通道寬度下降了，對于流體的控制更好，一直到最小值為約2.00″。這是因為連接處/歧管橫截面積之比(連接處開口/歧管)在M2M歧管寬度較薄時更大。當連接處/歧管橫截面積之比上升時，轉(zhuǎn)向損耗降低了壓降。這與連接通道矩陣流動阻力的下降有關(guān)，因為通道接近一組通道高度用的平行板，凈效應(yīng)對于系統(tǒng)中第一通道的流體的阻力更小。圖50描述了質(zhì)量通量速率分布對歧管中的通道位置，最好的情況是2.0″寬度。對于更小的M2M寬度，動量補償靜壓上升，從而破壞了改變寬度所產(chǎn)生的控制。
表3.改變通道寬度的結(jié)果Ra比值中顯示的通道寬度分布對于所有情況來說都是高的。為了通過改變通道寬度得到良好的分布，你會需要較大地改變通道寬度。這對于所有加工情況或制造大量歧管來說不是可行的?？偟脕碚f，對于上述三種情況來說，質(zhì)量指數(shù)因子、Ra和Mo比值列在表4中。
表4.對于72根通道L-歧管的總的情況進行比較實施例5對于可變寬度的連接通道M2M歧管，連接通道質(zhì)量指數(shù)因子Q2和Ra以及壓降比之間的關(guān)系是什么？基于Golbig(WO03/043730)所示的可變通道寬度設(shè)計，質(zhì)量指數(shù)因子是作為最大通道與最小通道的面積比值(Ra)以及術(shù)語表部分所述的歧管壓降比的兩個值的函數(shù)計算出來的。當實施例4基于固定的連接通道長度時，下述結(jié)果反映了長度的變化，從而改變了連接通道的反壓力。所述結(jié)果描述了通道寬度改變流體分布的作用，它是通道反壓力的函數(shù)。
圖51描述了最小質(zhì)量指數(shù)因子(它基于實施例4所示尺寸)相對于連接通道壓降/歧管壓降。
Ra＝1曲線表示恒定的通道寬度Q2值，你們可預(yù)測得到對于該系統(tǒng)來說Q2因子較小，因為通道中的壓降升高了。如果連接通道壓降足夠大，特殊的歧管設(shè)計不是必需的。
當Ra值從1上升時，為了使壓降比值從零上升，Q因子變成最小值，低于Ra＝1時的值。因此，對于給定的反壓力，Ra值可以不是1，且它相比Ra＝1時具有更好的Q因子。
但是，由于壓降比值上升，穿過Ra＝1曲線的恒定Ra的Q2曲線漸進到高于Ra＝1值的值。但是，如果寬度不同的通道長度足夠長，就會產(chǎn)生分布不均，這是因為在通道流動阻力中阻力不一致。
圖52描述了相同的質(zhì)量指數(shù)因子數(shù)據(jù)對連接通道壓降與入口壓頭值的比值的關(guān)系圖，并且當曲線稍微變化時，通常保持相同。圖2中基于Ra和DPR1的Q2表面由恒定Ra值相關(guān)性構(gòu)成，所述相關(guān)性基于圖52中的曲線和這些值之間的Lagrangian插值，以獲得最佳情況Qc的典型曲線Qc(Ra，DPR1)＝E1+E2+E4+E6+E8+E10+E12，其中，
E1=112.9+1.261DPR11+0.3078DPR1+0.003535DPR12[(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(1-2)(1-4)(1-6)(1-8)(1-10)(1-12)]]]>E2=91.73-1.571DPR1+0.01701DPR121+0.2038DPR1+0.00193DPR12[(Ra-1)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(2-1)(2-4)(2-6)(2-8)(2-10)(2-12)]]]>E4=24.27-4.943DPR1+0.3982DPR121-0.2395DPR1+0.03442DPR12-0.000006657DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(4-1)(4-2)(4-6)(4-8)(4-10)(4-12)]]]>E6=29.23-2.731DPR1+0.09734DPR121-0.1124DPR1+0.005045DPR12[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(6-1)(6-2)(6-4)(6-8)(6-10)(6-12)]]]>E8=25.98+11.26DPR1+0.02201DPR12+0.5231DPR131-0.8557DPR1+0.0088DPR12+0.02049DPR13-0.000002866DPR14]]>×[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-10)(Ra-12)(8-1)(8-2)(8-4)(8-6)(8-10)(8-12)]]]>E10=20.75-3.371DPR1+0.9026DPR12+0.01277DPR131-0.1514DPR1+0.03173DPR12-0.0003673DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-12)(10-1)(10-2)(10-4)(10-6)(10-8)(10-12)]]]>E12=51.67+18.94DPR1+21.57DPR12+21.57DPR131+1.183DPR1+0.5513DPR12-0.00004359DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(12-1)(12-2)(12-4)(12-6)(12-8)(12-10)]]]>
權(quán)利要求
1.一種通過連接通道矩陣分配來自歧管的流體的方法，所述方法包括使流體流入具有下述特征的歧管歧管高度為2mm或更低；任選的校直通道部分長度L2除以LM2M小于6；保持DPR2比值為2或更高，或者保持DPR3比值為0.9或更低；以及將來自歧管的流體分配到至少兩根通道中，所述通道連接到歧管上，其中質(zhì)量指數(shù)因子選自(a)作為連接通道面積的函數(shù)的質(zhì)量指數(shù)因子Q2等于或小于連接通道面積比Ra和DPR1的Qc函數(shù)的85％Qc(Ra，DPR1)＝E1+E2+E4+E6+E8+E10+E12，其中E1=112.9+1.261DPR11+0.307DPR1+0.003535DPR12[(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(1-2)(1-4)(1-6)(1-8)(1-10)(1-12)]]]>E2=91.73-1.571DPR1+0.01701DPR121+0.2038DPR1+0.00193DPR12[(Ra-1)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(2-1)(2-4)(2-6)(2-8)(2-10)(2-12)]]]>E4=24.27-4.943DPR1+0.3982DPR121-0.2395DPR1+0.03442DPR12-0.000006657DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(4-1)(4-2)(4-6)(4-8)(4-10)(4-12)]]]>E6=29.23-2.731DPR1+0.09734DPR121-0.1124DPR1+0.005045DPR12[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-8)(Ra-10)(Ra-12)(6-1)(6-2)(6-4)(6-8)(6-10)(6-12)]]]>E8=25.98+11.26DPR1+0.02201DPR12+0.5231DPR131-0.8557DPR1+0.00887DPR12+0.02049DPR13-0.000002866DPR14]]>×[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-10)(Ra-12)(8-1)(8-2)(8-4)(8-6)(8-10)(8-12)]]]>E10=20.75-3.371DPR1+0.9026DPR12+0.01277DPR131-0.1514DPR1+0.03173DPR12+0.0003673DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-12)(10-1)(10-2)(10-4)(10-6)(10-8)(10-12)]]]>E12=51.67+18.94DPR1+21.57DPR12+21.57DPR131-1.183DPR1+0.5513DPR12-0.00004359DPR13[(Ra-1)(Ra-2)(Ra-4)(Ra-6)(Ra-8)(Ra-10)(12-1)(12-2)(12-4)(12-6)(12-8)(12-10)]]]>其中Ra為1-12，DPR1大于0且小于300，F(xiàn)A值小于0.01FA=
2DLM2M<0.01;]]>(b)作為連接通道面積的函數(shù)的質(zhì)量指數(shù)因子等于或小于Q(Ra)，其中Q(Ra)＝0.0008135Ra6-0.03114Ra5+0.4519Ra4-3.12Ra3+11.22Ra2-23.9Ra+39.09其中歧管長度LM2M為7.5cm或更長；(c)作為連接通道面積的函數(shù)的質(zhì)量指數(shù)因子等于或小于Q(Ra)，其中Q(Ra)＝0.0008135Ra6-0.03114Ra5+0.4519Ra4-3.12Ra3+11.22Ra2-23.9Ra+39.09其中流體流過第一流態(tài)中的歧管第一部分并且流過第二流態(tài)中的歧管第二部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述流體流入動量Mo至少為0.05的歧管。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述質(zhì)量至少因子是(a)；且如果DPR1＜1，那么Q2≤18％；如果1≤DPR1＜3，那么Q2≤16.5％；如果3≤DPR1＜5，那么Q2≤15％；如果5≤DPR1＜10，那么Q2≤10％；如果10≤DPR1＜15，那么Q2≤7％；如果15≤DPR1＜20，那么Q2≤6％；如果20≤DPR1＜30，那么Q2≤4％；如果30≤DPR1＜50，那么Q2≤3％；如果50≤DPR1＜100，那么Q2≤2％；如果100≤DPR1＜200，那么Q2≤1％。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述質(zhì)量指數(shù)因子是(b)且Ra等于或小于12。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述Ra等于或小于3。
6.如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于保持通過所述歧管的流體流速，這樣質(zhì)量{|0.058+0.0023(lnRe)2(D)|/LM2M}小于0.01，其中Re是雷諾數(shù)。
7.如權(quán)利要求4-6中任一項所述的方法，其特征在于所述FA小于0.01。
8.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述質(zhì)量指數(shù)因子是(c)且第一流態(tài)是紊流態(tài)，而第二流態(tài)是過渡態(tài)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于Ra等于或小于12。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法，它還包括使流體流過與歧管入口連接的大歧管。
11.微通道設(shè)備，所述設(shè)備包括在第一方向上延伸的第一通道；在第二方向上延伸的第二通道；以及在第二方向上延伸的第三通道；在第二方向上延伸的第四通道；以及在第二方向上延伸的第五通道；所述第一和第二方向基本上共平面；所述第二和第三通道相鄰且平行；所述第一通道與第二或第三通道不平行；所述第一通道通過第一門連接到第二通道和第三通道上；所述第三通道相比第二通道在第一方向上的位置更遠；所述第三通道包括微通道；所述第二通道包括微通道；所述第二通道具有帶第一橫截面積的開口且第三通道具有帶第二橫截面積的開口；所述第一門的橫截面積小于第一和第二橫截面積以及它們之間的壁橫截面積之和；所述第四和第五通道相鄰且平行；所述第一通道通道第二門連接到第四和第五通道上；所述第四和第五通道相比第三通道在第一方向上的位置更遠；所述第四通道包括微通道；所述第五通道包括微通道；所述第四通道具有帶第三橫截面積的開口且所述第五通道具有帶第四橫截面積的開口；所述第二門的橫截面積小于第三和第四橫截面積以及它們之間的壁橫截面積之和；所述第一門的橫截面積與第二門的橫截面積不同。
12.如權(quán)利要求11所述的微通道設(shè)備，其特征在于所述第一門的橫截面積為通過第一門連接的連接微通道的組合橫截面積的2-98％。
13.如權(quán)利要求11或12所述的微通道設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備是層疊物，且所述第一門包括帶有四通管的片材。
14.一種層疊設(shè)備，它包括包括微通道的第一層，所述微通道終止于第一四通管；以及包括微通道的第二層，所述微通道終止于第二四通管；所述第一四通管限定了M2M歧管一邊的至少一部分；所述第二四通管突入M2M歧管中；所述第二層中的微通道與歧管之間的界面由第一和第二四通管之間的開口縫隙形成。
15.如權(quán)利要求14所述的層疊設(shè)備，其特征在于所述第一層與所述第二層相鄰。
16.如權(quán)利要求14或15所述的層疊設(shè)備，其特征在于第一和第二層中的微通道是對齊的。
17.如權(quán)利要求14-16中任一項所述的層疊設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備由下述方法形成，其中每層是片材且多層片材堆疊在一起。
18.如權(quán)利要求14-17任一項所述的層疊設(shè)備，它還包括第一層中的第二套微通道，所述第二套微通道終止于第三四通管；以及第二層中的第二套微通道，所述第二套微通道終止于第四四通管；所述第三四通管限定了M2M歧管一邊的至少一部分；所述第四四通管突入M2M歧管中；第四層的微通道與歧管之間的第二界面由第三和第四四通管之間的開口縫隙形成；所述第三和第四四通管之間的開口縫隙小于第一和第二四通管之間的開口縫隙。
19.一種系統(tǒng)，它包括連接到至少兩個權(quán)利要求14-18中任一項所述的層疊設(shè)備的大歧管。
20.一種通過連接通道矩陣分配來自歧管的流體的方法，所述方法包括使流體流過歧管進入連接通道矩陣；所述連接通道矩陣包括橫截面積不同的微通道重復(fù)單元，所述歧管具有位于連接通道矩陣一側(cè)的入口，這樣流過歧管的流體與連接通道矩陣中的流體成非零角；所述兩個或多個重復(fù)單元中的連接通道的橫截面積在穿過歧管長度的方向上不發(fā)生變化，所述流體流入動量Mo至少為0.05的歧管，且通過Q2小于30％的連接通道矩陣分布。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述Q2小于25％。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述Q2小于10％。
23.一種使流體流過微通道設(shè)備的歧管的方法，所述方法包括使第一流體流入歧管，然后流過第一方向中的第一通道；使第一流體的一部分流到第二通道中；以及使第一流體的一部分流過第二通道；所述第二通道相對所述第一方向成非零角延伸；所述第二通道包括微通道，且包括至少一個將第二通道分隔成至少第一和第二亞通道的分隔壁；所述第一層和歧管各自是基本上平面的；所述歧管基本上包含在第一層中，所述第一層和歧管基本上是共平面的，所述第一通道分布在第一層中，且流過所述第一通道的流體基本上平行于所述第一層的平面；所述第一通道和歧管具有大致相同的高度；所述第二層基本上是平面的，所述第二通道分布在第二層中，且流過第二通道的流體基本上平行于所述第二層的平面；以及所述第一層和第二層基本上平行，且非零角指第二層中的角度。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于所述第二層與第一層相鄰，且流入第二層中的流體來僅自第一層。
25.如權(quán)利要求23或24所述的方法，其特征在于包括開口的板分布在第一和第二層之間，來自第一層的流體流經(jīng)所述開口進入所述第二層。
26.如權(quán)利要求23-25中任一項所述的方法，其特征在于所述第一層包括多個相鄰且平行的微通道，所述微通道由通道壁隔開；所述第二層包括多個相鄰且平行的微通道，所述微通道由連續(xù)的通道壁隔開，所述連續(xù)的通道壁橫跨所述第一層中多個相鄰且平行的微通道的寬度。
27.如權(quán)利要求23-25中任一項所述的方法，其特征在于所述第二層由包含槽的片材形成。
28.如權(quán)利要求23-25中任一項所述的方法，其特征在于所述第一層包括由通道壁隔開的多個相鄰且平行的微通道；以及所述第二層包括由連續(xù)通道壁隔開的多個相鄰且平行的微通道；流過所述第一層的一部分流體流入第二層，在那里重新分配到第一層中的微通道中。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于所述第二層的存在可使流過第一層中多個相鄰且平行的微通道的流體均勻化。
30.如權(quán)利要求28或29所述的方法，其特征在于所述多個相鄰且平行的微通道包括使流體流入所述第二層的四通管；和除了接通所述第一層以外，所述第二層并沒有入口和出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型歧管和流過歧管方法。本發(fā)明揭示了設(shè)備和技術(shù)，其中來自較大體積壓頭的流體平均分布以處理通道。本發(fā)明同樣揭示了用于制造層壓的微通道設(shè)備的方法。
文檔編號C01B3/38GK1898015SQ200480038093
公開日2007年1月17日 申請日期2004年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者S·P·費茨杰拉爾德, A·L·同克維齊, R·阿羅拉, D·裘, T·D·尤斯查克, L·J·席爾瓦, W·A·羅杰斯, K·賈羅斯, M·B·施米特 申請人:維羅西股份有限公司