多种流体的微通道设备制造技术

本发明专利技术涉及一种在微通道热交换器内进行三种或多种流体间的热能交换的工艺和设备，该微通道热交换器能和微通道反应器结合形成一种联合的微通道处理单元。本发明专利技术能够结合多个联合的微通道设备，从而能提供大规模操作的便利。特别是，本发明专利技术的微通道热交换器能够在多种流体间灵活地进行热传递，并且整体热交换速率约为每中心单元体积１瓦特或更多，用单位Ｗ／ｃｃ表达。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及多种流体热交换的微通道设备和工艺，尤其涉及结合化学反应的多种流体的热交换，更加涉及诸如重整等结合吸热化学反应的多种流体的热交换，以及诸如燃烧等吸热反应结合放热反应的多种流体的热交换。
技术介绍
热交换器是涉及流体(气体或液体)的所有单元操作的关键性部分。当需要在化学反应中加入热量(或热能)或移走热量(或热能)时，热交换器将变得更为重要。举例来说，吸热反应通常要求或受益于热能的加入。相反地，放热反应通常要求或受益于热能的去除。由于许多这样的化学反应的经济重要性，我们必须根据反应物到产物的转化率和目标产物对非目标产物的选择性来改善其性能。实践证明，微通道技术(MCT)能提供诸多好处。最近几年，MCT技术已经越来越多地应用到许多单元操作中。例如，A.A.Rostami等人的“微通道中气体流的流动和热传递”一篇综述，38传热和传质，359-367(2002)(在医药生物工艺，航空电子技术，消费领域电子设备，电讯，度量衡学等领域中的应用)；还如R.S.Wegeng等人的“建立在微通道技术上的用做汽车燃料电池的压缩燃料处理器”。MCT应用微通道设备，该设备可以进行以前在大型装置中受限制的工艺，其总生产量通常提高3至1000倍。所述的MCT设备，至少包含一个内部的小于2mm的宽度或高度尺寸，优选地小于1mm，该MCT设备有改变单元操作的潜能，这类似于微型化给电脑技术带来的改变。MCT有利于小规模操作中的应用，例如机动车或个人(可携带)设备。更重要的是，MCT系统不仅能经济地得到产物，而且其联合可应用到急需的大规模操作中。更特别的是，由于热交换器中较小通道的面积增加，使得热交换器变得越来越小，而每单元体积的热能传递增加。早期的技术包括所谓的紧凑式热交换器。例如V.V.Wadekar在2000年12月Chemical EngineeringProgress(化工工艺)第30-49页上发表的题为“a ChE’s Guide to CHEs”的文章。紧凑式热交换器的热能传递速率密度，或每单元体积热能传递速率(热功率密度)(其中这里和下文定义的体积是指总中心体积)，对于气相交换器仅能达到约0.4W/cc。与之对比，MCT热交换器的热能传递速率密度(热功率密度)约为1W/cc-40W/cc。紧凑式热交换器有较低的流体间平面传热百分比，通常小于10％。与之对比，MCT热交换器有较高的流体间平面传热百分比，通常大于10％，较好的大于20％，更好的大于40％，甚至有的大于50％。另外，MCT热交换器能利用较小的平均临近温度产生较高的热功率密度。通过使用MCT热交换器可以克服上述的紧凑式热交换器的缺点。然而，即使使用MCT热交换器，仍存在一些问题。例如，MCT热交换器并不能设计成在一个单独完整设备中处理超过两种的单独流体。在一个热交换器中处理三种或多种流体，其流体间获得和损失的热量并不相等。那么，当需要在三种或多种流体间传递热能时，就必须采用紧凑式热交换器或多个两流体MCT热交换器。然而，即使采用多个两流体MCT热交换器，并允许将足够多的热量传递给周边环境和必要的流体传递管道系统，也会引起较大压降使得流体重新分配，或出现死区和涡流，从而导致过长的停留时间。而过长的停留时间将导致结垢、腐蚀、侵蚀、分解和不期望的副产物的生成，例如含碳流体在升温处理过程中会产生焦炭的沉积。另外，为了让MCT热交换器能实现它们全部的潜能，就必须将足够多数量的热交换器结合使用，以实现大规模的经济操作。那么，由于大量小的MCT热交换器彼此非常接近，并且通道彼此接近，因此分流进出MCT热交换器(或任何MCT设备)的流体将成为一个问题。支管设计的目标是提供通过一种设备的可接受的均一性流动，该设备具有可接受的支管几何形状和流体机械能损失。该设计可参阅W.M.Kays和A.L.London，1984年第三版“Compact Heat Exchangers(紧凑式热交换器)”书中第41页。需要重申的是，支管设计要求均衡考虑各种设备性能因素，流动均一性、整体压降、支管尺寸和复杂程度都将影响这些因素。例如，在MCT设备内，当吸热反应耦合放热反应时，设备性能可以是热传递性能。正如本领域技术人员所理解的，通过应用流体动力学，对任何给定流体的支管设计将很容易获得，参见Kays 41-43页。当在MCT设备中分流多种流体时，该设计将会比两流体支管的设计更加复杂。在一个设备中存在多种流体意味着该设备的外表面积的适当减少可用于接近每种流体。MCT设备的紧密度对几何空间要求不利，该要求是密封支管以防止流体之间的泄漏所必需的。因此，支管设计必须满足以上述目标和限制的外表面积。热交换器并不是唯一的从小型化趋势获益的单元操作。与之相似的，反应器在尺寸上也已开始大幅度缩小，并且取得了非常好的效果。参阅Wegneg 9-12页(蒸发器、重整反应器、蒸汽重整)。然而，涉及MCT反应器的特殊问题和热传递需要仍存在。例如，热压所产生的严重问题。MCT设备被制造并装配成比传统的大型设备具有更高的允许量，并且多个MCT设备必须紧密填塞，从而在经济上与比得上大型设备的生产量相匹配。(一种MCT设备，当设备的每个中心单元体积高输出时，该设备通常是将很多个相连，以便提供可比较的生产量)。因此，传统的较大体积的设备可接受的温度的不同，将会在较小的MCT反应器内产生不可接受的热压，从而经受较高的温度梯度。例如，通过多个一体化的热交换器或连为一体的多个一体的MCT热交换器/反应器单元对MCT反应器的几何形状严格限制，该MCT反应器能经受潜在的破坏性热压。通常，提高MCT热交换器的效率将显示出较高的温度梯度和相应的较高的热压。为了解决这一问题，热交换器与反应器消除耦合，从而允许热量的扩散。但这样做必须分离管线。对于多个两流体的MCT热交换器，结果是多个单元间存在通过相连的管道或向周围环境的大量的热量损失。正如上文所述，这种管道连接点将会产生结垢和形成焦炭。可选择地，必须使用可耐热压的较昂贵的金属或一次性的便宜设备。另外，联合多个热交换器/反应器设备，从而提供非常经济的、高生产量的目的是难以实现的。参见O.Woerz在Microreactor Technology(微反应器技术)中的“Microreactors as Tools in Chemical Research”(在化学研究中作为工具的微型反应器)、IMRET5在微反应技术第五届国际会议会议录第385页(Michael Matlosz等人，2001年10月)(理论上讲，微型反应器用于生产是可能的，但会遇到很严重的问题)。例如，在石油加工工业中，即使以最小的特殊制氢装置来说，通常其氢气的产量至少为每天1百万标准立方英尺(scfd)到每天1亿标准立方英尺。与之相反，单流MCT设备的氢气产量最多为1000到10000标准立方英尺(scfd)。因此，要提供同样的产量就必需将100到100000个微通道单元紧密排列在一起构成一个系统。本专利技术克服了现有技术中的一些缺陷必须提供多个带有必要的单元内管道的两流热交换器，不能将MCT反应器和MCT热交换器一体化，以及联合多个一体化的MCT热交换器/反应器设备形成一个MCT系统，从而能大规模操作中获益，也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热交换器，该热交换器包括：　　　　一个第一微通道，其具有一个入口和一个出口；　　　　一个第二微通道，其具有一个入口和一个出口；以及　　　　至少一个第三微通道，其具有一个入口和一个出口，其中每一个入口和每一个出口分别不同于其它的入口或出口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯艾伦马赛厄斯，布拉德利G查德韦尔，邱东明，安娜利通科维奇，史蒂文T佩里，马修B施密特，
申请(专利权)人：万罗赛斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]