[发明专利]在联合微通道装置中进行单元操作的方法和系统

说明书

本申请是国际申请日为2007年6月15日、国际申请号为PCT//US2007/071409、进入中国国家阶段的申请号为200780022435.4、名称为“以中断流的形式进行单元操作的微通道装置和方法”的发明专利申请的分案申请。 

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0.1mm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微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500μm，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0.05mm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100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(0.4mm X 0.3mm)。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微反应器小型化(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。 

发明内容

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2mm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。