以中断流的形式进行单元操作的微通道装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及微通道装置，其在同一装置中包括至少一多支管和与所述多支管连接的多个连接微通道。为了装置中达到优良的热通量或质量通量，连接微通道的容积应超过多支管或诸多支管的容积。还介绍了在同时具有通过微通道的中断流和非中断流的微通道装置中进行单元操作的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】前言在微通道进行化学工艺已知有利于加强热传递和质量传递。许多研究 者已经表示，由于尺寸变小，微通道中的热传递和质量传递增强了。Nishio(2003)发表在东京大学工业科学学院的研究显示，内径大于0.1 mm 的微通道管适合常规分析。这篇文献还使用常规相关性提出热传递系数是 管直径的函数，并显示管直径减小则热传递系数增加。因此现有技术教导 了较小的管直径得到较好的热传递性能。Guo等(2003)发表了 一篇关于尺寸对单相流和#1尺度热传递的效应的 文献。该研究的结论之一是由于测量误差或入口段效应的摩擦系数和努赛 尔数以及它们标准值(约定值)的实验结果之间的差异可能被误解为在微尺 度的新现象。他还指出，较小直径的通道造成表面积与容积比大，这提供 较高的努赛尔数和摩擦系数。一般认为，通常设计微通道以在层流态中操作。Pan等(2007)在一篇被 化学工程期刊(Chemical Engineering Journal)接受的文章中陈述，在实践 中，微通道中的流动速率通常低于10m/s，而水力直径不超过500 nm，因 此雷诺数低于2000。多个研究者(Hrnjak等(2006))也证明了从层流向临界 直径大于0.05 mm的微通道中的转捩流态的流态转变临界雷诺数符合 2000的约定值。Vogel在2006发表了 一种热交换器设计方法。通过将流保持在提供高 的热传递系数的发展(developing)态，获得了热提高。这种方法教导保持L/D 比低于IOO以得到更好的热传递性能。然而这种方法会导致连接通道的长 度很短；因此连接通道的压力降很小。对于规模放大的装置，该方法要求 大数量的通道和相应的大的多支管。Delsman等在2004由计算的流体动力学模型研究了多支管几何形状和总流率对流量分布的影响。连接通道的面积(横截面)是固定的(0.4 mm X 0.3 mm)。分析中通道的总数是19。分析集中在改变多支管的形状以获得 均匀的流量分布。分析清楚地显示当通过多支管的流速增加时分布不均增 加。将该方法应用于规模放大的设计(连接通道的总数大(3100)且流速大) 将导致多支管容积大。Tonomura等在2004也使用计算的流体动力学模型研究了微装置的优 化。分析中通道的总数是5。该研究显示，对所给的连接通道尺寸，成形 的多支管改进流量分布，但多支管和连接通道不是为应用一起设计的。该 研究中的优化是基于减少总的多支管流动面积而不是整个装置的。因为连 接通道设计不包括在优化中，以这种方法，规模放大的单元(大的(315cm) 多支管长度或大数目的连接通道)也会导致大的多支管尺寸。Amador等在2004使用了电阻网络方法分析不同孩i反应器小型化 (scale-out)几何形状中的流量分布。该文献提出 一种分析连续和二叉多支管 结构的等式系统。所提出的用于分析的等式系统仅适用于层流态。该文献 提出了一种方法以计算在多支管和连接通道中层流态获得流量分布所需 的尺寸比。Webb在2003研究了多支管设计对平行微通道中流量分布的影响。该 文献论证了设计多支管流动面积大于或等于所有连接通道流动面积的总 和以获得均匀的流量分布的方法。由于连接通道的数量增加，将该方法应 用于规模放大的微通道单元将会导致大的多支管。Chong等在2002发表了 一种建模方法，通过应用热阻网络以优化微通 道热槽设计。结果显示在层流态中操作的热槽设计优于(outperform)湍流态 中的热槽设计。该文献未讨论设计对多支管大小的影响。
技术实现思路
在现有技术中，连接微通道的尺寸可基于热传递或质量传递需求而设 置。例如对于热交换单元设计，连接通道尺寸可基于总的热传递需求而确 定。通常，层流的较小的间隔(gap)得到好的热传递系数和紧凑的连接通道 大小，为了使热传递最大，连接通道的最小尺寸是大约2 mm或更小，且 更优选地，优选小于0.25mm。随后设计多支管以在多个通道获得均匀的流量分布同时满足总压力降的限制。通常对多支管截面可得的最小尺寸或 多支管间隔在尺寸上类似于连接通道的最小尺寸。微通道结构的优点在于 小尺寸，通常动力是保持最小尺寸尽可能与连接通道中的一样小。通道间隔越小，多支管截面中的流速高，导致大的冲力作用、多支管 压力降和流量分布不均。减小分布不均和压力降的通常方法是增加多支管 中的开放流通面积，这增加多支管截面的宽度和因此增加多支管截面的尺 寸。将此方法应用于工业设备将导致多支管截面比连接微通道截面大。在本专利技术中，将微通道装置设计为控制连接通道和多支管，以在连接 通道中的至少 一部分以中断流的形式进行热传递和/或质量传递。在第 一方面，本专利技术提供了 一种在联合微通道装置中进行单元操作的方法，其包括在装置中通过流体；其中该装置包括连接于多个连接微通 道的多支管；其中该多支管的容积小于该多个连接^t通道的容积；且其中 该多支管的长度为至少15cm或其中存在连接于该多支管的至少100个连 接通道；控制条件以使流体以中断流的形式通过该连接微通道的至少一部 分；以及在连接微通道中对流体进行单元操作。中断流在连接通道中的一 个或多个的长度的至少一部分发生，优选地该部分包括连接通道长度的至 少5%,较优选地至少20%，更优选地至少50%，且在一些实施方案中连 接通道长度的至少90%;且优选地，该多个连接通道包括至少10个，较 优选地至少20个，且在一些实施方案中至少100个连接通道，其中每个 连接通道在其长度的至少5%(或至少20%、或至少50%、或至少90%)有 中断流发生(且在一些实施方案中，在所有多个连接通道有中断流)。在一些实施方案中，该多支管是集管，且该集管具有入口，且流体通 过该集管入口的雷诺数大于2200(或至少2000或至少2200)。在一些实施 方案中，通过该连接通道的流具有的雷诺数为至少2200。在一些实施方案 中，本专利技术的联合微通道装置(和/或方法)具有大于0.01MW的热负荷。在 一些实施方案中，通过多支管的压力降小于或等于通过多个连接通道的平 均压力降。在一些实施方案中，该多支管是集管，且其中多支管中的压力 降，即集管入口和具有最低压力的连接通道入口(对应集管出口)之间的压力降，小于通过多个连接通道的压力降(测量为平均压力降)的50°/。(或小于 25%)。在一些实施方案中，多支管容积小于多个连接通道的容积的50%(或9小于25%)。在一些实施方案中，联合微通道装置具有大于0.1MW的热负 荷，优选地至少1 MW的热负荷。在优选实施方案中，没有控制多支管和 连接通道之间的流的小孔。小孔的横截面面积小于连接通道的平均横截面 面积的20%,或优选小于10%。在一些实施方案中，多支管包括至少两个部分。在一些实施方案中， 多支管包括为开口多支管的第一部分和包括次多支管(submanifold)、闸门 或栅格的第二部分。在一些优选实施方案中，通过多个连接通道的流是转捩流或湍流。在 一些优选实施方案中，多个连接通道具有光滑的壁，优选地不具有表面特 征(surface feature)或其他障碍物；且在一些实施方案中不包括催化剂。在 一些优选的实施方案中，多支管包括多支管入口并包括通过多支管入口和 通过多个连接通道的流路；且该流路不包括任本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在联合微通道装置中进行单元操作的方法，其包括：　在装置中通过流体；　其中所述装置包括连接于多个连接微通道的多支管；　其中所述多支管的容积小于所述多个连接微通道的容积；　其中所述多支管的长度为至少１５ｃｍ或其中存在 连接于所述多支管的至少１００个连接通道；　控制条件以使流体以中断流的形式通过所述连接微通道的至少一部分；以及　在所述连接微通道中对流体进行单元操作。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-6-16 60/805,072;US 2007-6-14 11/763,3361. 一种在联合微通道装置中进行单元操作的方法，其包括在装置中通过流体；其中所述装置包括连接于多个连接微通道的多支管；其中所述多支管的容积小于所述多个连接微通道的容积；其中所述多支管的长度为至少15cm或其中存在连接于所述多支管的至少100个连接通道；控制条件以使流体以中断流的形式通过所述连接微通道的至少一部分；以及在所述连接微通道中对流体进行单元操作。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述装置包括至少两个多支管， 即第一多支管和第二多支管，其中所述第一多支管连接于第一组多个连接 微通道，且所述第二多支管连接于第二组多个连接微通道。3. 根据权利要求2所述的方法，其中第一流体流过所述第一多支管并 基本上以中断流的形式流过所述第一组连接微通道，且其中第二流体流过 所述第二多支管并基本上以非中断流的形式流过所述第二组连接微通道。4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多支管是集管， 且其中所述集管具有入口 ，且其中流体通过所述集管入口的雷诺数大于 2200。5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述联合微通道装置 具有大于0.01 MW的热负荷。6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述联合微通道装置具有大于 0.1 MW的热负荷。7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述联合微通道装置具有大于1 MW的热负荷。8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过所述多支管的压 力降小于或等于通过连接通道的平均压力降。9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多支管是集管，且其中所述多支管中的压力降，即所述集管入口和具有最^f氐压力的所述连 接通道入口(对应集管出口)之间的压力降，小于通过所述多个连接通道的压力降(测量为平均压力降)的50%。10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述多支管是集管，且其中所 述多支管中的压力降，即所述集管入口和具有最低压力的所述连接通道入 口(对应集管出口)之间的压力降，小于通过所述多个连接通道的压力降(测 量为平均压力降)的25%。11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多支管的容积 小于所述多个连接通道的容积的50%。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述多支管的容积小于所述多 个连接通道的容积的25%。13. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中没有控制所述多支 管和所述连接通道之间的流的小孔；其中小孔的横截面面积定义为小于所 述连接通道的平均横截面面积的20%。14. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多支管包括两 个部分。15. 根据权利要求14所述的方法，其中两个部分包括第一部分和第二 部分，且其中所述第一部分为开口多支管，且所述第二部分包括次多支管、 闸门或栅格。16. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过所述多个连接 通道的流是转捩流或湍流。17. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多支管包括多 支管入口并包括通过所述多支管入口和通过所述多个连接通道的流路；且进一步地，其中所述流路不包括小孔、闸门、栅格或整流器。18. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多支管包括多 支管入口并包括通过所述多支管入口和通过所述多个连接通道的流路，其中所述流路实质上由多支管、次多支管和连接通道组成。19. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括连接于所述多支 管的至少200个连接-欽通道。20. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过所述连接通道的流的雷i若数为至少2200。21. 根据前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：AL同克维齐，L西尔瓦，R阿罗拉，邱东明，
申请(专利权)人：维罗西股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]