改进的工艺强化流反应器的制作方法

相关申请的交叉参考

本申请根据35u.s.c.§119，要求2017年7月31日提交的美国临时申请第62/539,541号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。

本公开一般地涉及流反应器，具体地涉及具有优化的通道结构的流反应器。

背景技术：

工艺强化的目标是使用同时显著减小反应器尺寸并且使得传质和传热效率最大化的构造，来产生高效率的反应和处理系统。在化学工程中，对于工艺强化感兴趣及其应用的原因在于：将大规模的非环境友好型工业工艺转变为较小的、更安全的、更能源有效且环境友好型工艺的潜力。

工艺强化由新型设备和技术的开发所构成，其相比于如今常用的那些而言，预期在制造和加工中，对于减小装备尺寸/生产投入比、能耗和/或废物产生方面，带来非常明显的甚至数量级上的改善，最终导致更廉价且可持续的技术。换言之，任何导致明显更小、更清洁且更能源高效技术的化学工程开发都是工艺强化的。

整个工艺强化领域通常可以被分成两块：工艺强化装备，例如新型反应器以及强化混合、传热和传质装置；和工艺强化方法，例如新的或混合型分离、反应和分离的整合、热交换或相分离(在所谓的多功能反应器中)、采用替代能源(光、超声等)的技术以及新的工艺控制方法(类似故意的非稳态运行)。显然，可能存在一些重叠。新方法可能需要开发新型装备，反之亦然；而已经开发的新设备有时候使用新的非常规工艺方法。

us7939033公开了具有特性通道设计的“微反应器”或者微米至毫米规格流反应器，其相对于给定通道或装置中的压降产生了良好的混合性能。但是，会希望实现甚至更好的性能，例如相同或更好的混合且具有较低的压降。

技术实现要素：

下面简要归纳本公开的内容，以便提供对详述部分所描述的一些示例性实施方式的基本理解。

在一些实施方式中，流反应器具有模块，所述模块具有加工流体通道，所述加工流体通道具有内表面，通道的一部分包括：沿着该部分的横截面，所述横截面具有横截面形状，以及沿着通道具有多个最小值的横截面面积。横截面形状沿着该部分连续变化，并且该部分的内表面不包括相对的平坦平行侧面对或者仅包括如下相对的平坦平行侧面对，其延伸的长度不超过沿着该部分的所述相对的平坦平行侧面之间的距离的4倍，以及该部分含有沿着该部分分布的多个障碍物。

在一些实施方式中，该部分还包括顺次的室，每个具有喷嘴状入口和窄化出口。

在一些实施方式中，所述顺次的室中的一个室与所述顺次的室中的下一个室嵌套，使得所述一个室的窄化出口形成相邻的下一个室的喷嘴状入口。

在一些实施方式中，所述多个障碍物中的至少一个位于第一个室中并且与具有第一端点和第二端点的直线相交，所述第一端点位于所述第一室的入口的中心，以及所述第二端点位于所述第一室的出口的中心。

在一些实施方式中，所述多个障碍物中的所述至少一个与具有位于所述第一室的入口中的第一端点和位于所述第一室的出口中的第二端点的每条直线相交。

在一些实施方式中，在第一室中具有障碍物的反应器具有位于所述至少一个障碍物与所述第一室的内表面之间的一个或多个旁路，即，绕着所述多个障碍物中的所述至少一个障碍物。

在一些实施方式中，所述至少一个障碍物没有延伸穿过所述至少一个障碍物的开口。

在一些实施方式中，对于具有绕着障碍物两个或更多个旁路的情况，旁路被障碍物分开，分开的距离至少是室出口的最大直径的两倍，或者高至至少2.5、3、3.5或者甚至4倍。

在一些实施方式中，流反应器还包括位于加工流体通道的所述部分的内表面上的内螺纹结构。

上述实施方式是示例性的，并且可以单独提供或者以与本文所提供的任意一个或多个实施方式的任意结合的形式提供，而没有背离本公开的范围。此外，要理解的是，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本公开的实施方式，用来提供理解描述和要求保护的实施方式的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本公开的各种实施方式，并与描述一起用来解释其原理和操作。

附图说明

通过结合所附附图进行阅读，可以进一步理解本公开的这些和其他特征、实施方式和优点：

图1(现有技术)显示根据现有技术流反应器的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图2(现有技术)显示图1的通道中的单个室；

图3(现有技术)显示图2的室的横截面透视图；

图4显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图5显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图6显示图5的通道的截面图；

图7显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图8-10分别显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的横截面图；

图11显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的半透明透视图；

图12显示根据本公开实施方式(例如图11的实施方式)的加工流体通道的一部分的横截面图；

图13显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的剖面透视图；

图14显示根据本公开的图13实施方式的加工流体通道的一部分的替代剖面透视图；

图15-18分别显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的剖面透视图；

图19显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图20显示图19的通道的室的截面图；

图显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图22显示图21的通道中的单个室；

图23显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图24显示图23的通道的室的截面图；

图25显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图26显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图27显示图26中的加工流体通道的一部分的透明平面图；

图28显示图26中的加工流体通道的一部分的半透明透视图；

图29显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图；

图30显示图29的通道的室的截面图；

图31显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的平面图；

图32显示图31的通道的室的平面图；

图33是由根据本公开实施方式的加工流体通道所获得的测量得到的压降与流速的函数关系图；

图34是由根据本公开实施方式的加工流体通道所获得的测量得到的压降与流速的函数关系图；

图35是由根据本公开实施方式的加工流体通道所获得的测量得到的体积传质系数与单位功耗的函数关系图；

图36是由根据本公开实施方式的加工流体通道所获得的测量得到的体积传质系数与单位功耗的函数关系图；

图37分别显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的壁的剖面透视图；

图38显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的室的横截面平面图。

具体实施方式

下面将参照附图更完整地描述方法和设备，其中，附图中给出了本公开的示例性实施方式。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。但是，本公开可以以许多不同的形式实施，不应被解读成局限于在此提出的实施方式。

本公开一般地涉及流反应器，所述流反应器采用类似于us7939033所公开的那些个模块，其全文通过引用结合入本文。但是，如果需要的话，本公开的模块可以不同于该文献中的大致平坦几何形貌。

可以通过机械加工、模制和3d打印等来形成本文所揭示的具有通道的流模块。模块可以是单体式的(无法分解)或者可以由以可移除方式机械压制或任意其他方式密封到一起的板材或其他部件构成。

图1(现有技术)显示根据现有技术流反应器的加工流体通道的一部分的三维透视图，同时图2(现有技术)显示图1的通道的单个室，以及图3(现有技术)显示图2的室的横截面透视图。

对于图1-3，本文所公开的一般类型的流反应器包括在其中具有加工流体通道20的模块，所述加工流体通道包括内表面22，所述加工流体通道20还包括它的一部分30，该部分还包括输入端32和输出端34，在使用过程中，加工流体从所述输入端32流入所述部分30中，以及在使用过程中，加工流体从所述输出端34流出所述部分30。

所述部分20还包括沿着所述部分30的横截面36，其被沿着所述部分30的通道20的内表面22划定界限，所述横截面36具有横截面面积和横截面形状38，所述横截面面积沿着输入端32与输出端34之间的通道20具有多个最小值40。

图4和5分别显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的三维透视图，以及图6显示图5的通道的横截面图。对于图4-6所示以及一般地对于本公开实施方式的通道，反应器的特征在于，通道20的所述部分30具有：(1)横截面形状38，其沿着所述部分30连续地变化；(2)沿着所述部分30的内表面22，其不包括相对的平坦平行侧面42的对(参见图3)，或者仅包括如下相对的平坦平行侧面42的对，其延伸的长度不超过沿着所述部分30的所述相对的平坦平行侧面42之间的距离d的4倍(参见图12，如下文所述)；以及(3)位于沿着输入端32与输出端34之间的所述部分(在所述部分中)的多个障碍物50(在这种情况下，是具有面朝上游的凹表面的弯曲壁的形式)。

通道20的部分30的内表面22可以使用各种曲率形式。如图4所示，通道20的部分30的高度可以随着室本身周期性地变化，从而每个顺次的室是基本上一致的。或者，在沿着部分30的长度上，通道20的部分20的高度变化的周期性可以较短，或者可以较长(如图5的实施方式)。这导致障碍物50具有变化的高度，如图6的横截面所示。图8-10显示通道20的部分30的其他实施方式的横截面，在图8的顺次的室52中，障碍物50具有变化的高度，或者在图9的顺次的室52中，具有相同的高度。障碍物50还可以仅在室52的高度上部分延伸，如图10的实施方式所示。(虽然具有复杂形状和流动式样，但是此类障碍物有效地仅具有单个旁路)。通道20的部分30的高度变化也可以是不对称的，或者顺次的室52的曲率可以是不对称的。在图7的实施方式中，并且如附图所示，每个其他的室52在室的上部内表面上具有较大的“鼓起”(或较小的曲率半径)(相对于下部内表面而言)，而余下的室52在下部内表面上具有较大的“鼓起”(或较小的曲率半径)(相对于上部而言)。

在如图10所示实施方式(其中，障碍物50仅在室52的高度上部分延伸)的情况中，直线60与障碍物50相交，所述直线60具有位于室52的入口的中心处的第一端点和位于室的出口的中心处的第二端点。这确保了没有达到完整高度的障碍物是足够高的，从而对于在高度方向上的流动转移具有明显作用。希望障碍物50不只是与从室52的入口的中心点到出口的中心点的线60相交，而是与源自室的入口内且终结于室的出口中的每条线段相交。换言之，即使是对于障碍物仅在室的高度上部分延伸的情况，希望没有从室52的入口到出口的“直视线”。

本文的通道20的部分30包括一个或多个旁路64，例如如图4和5所示。旁路64是位于障碍物50与相关的室52的内表面之间的路径，并且这导致绕着障碍物50。此类旁路64不同于延伸穿过障碍物50的开口。此类开口70参见图21-22的实施方式。在更一般地参见本文大多数的其他附图的实施方式中，障碍物50没有延伸通过障碍物50的开口。根据实施方式，如图4所示，所述一个或多个旁路64的总横截面面积66大于相关的室的出口的总横截面面积68。

图11显示根据本公开实施方式的加工流体通道的一部分的半透明透视图，而图12显示根据本公开实施方式的图11的实施方式类型的加工流体通道的一部分的横截面图。在此处所示的实施方式中，一个或多个室52在同一个室52中同时具有障碍物50和第二障碍物51。希望障碍物50和第二障碍物52仅在室52的高度上部分延伸(如图12最清楚所示)，并且希望它们交替地附连到室52的“地板”和“天花板”。在此类实施方式中，障碍物或第二障碍物52可能没有单独地与相应室的入口和出口之间的所有视线(或者甚至它们之间的中心线)相交，但是当作为整体考虑时，希望它们是相交的。

在一些实施方式中，室52可以具有或者几乎具有旋转对称，从而室的高度和宽度均被视作直径。图13-18分别显示加工流体通道的一部分的剖面透视图，其中，通道20的部分30以及顺次的室51具有旋转对称。在诸如此类的实施方式中，可以使用3个或更多个旁路。在实施方式中，障碍物50包括大致垂直于加工流体通道20的部分30对齐的平坦或凹的表面72。表面72可以优选面朝上游方向，如图15、16和18的实施方式所示，但是在替代实施方式中，可以面朝下游方面，如图17的实施方式所示。

图19-32显示的实施方式是制造成和进行性能测试从而与参照实施方式(图1-3的实施方式)进行对比。图25的实施方式具有类似于图19的实施方式中的那些的室52,不同之处在于，相比于图19的实施方式，具有升高的“天花板”和下降的“地板”78。结果如图33-36所示。

图33和34是测量得到的压降图。图33的结果来自较大规格的通道，图34来自较小规格的通道。键的数量对应于图19-32中每个实施方式给出的数量。如图33和34所示，所有测试的实施方式在实现较低压降方面都优于参照实施方式。

图35和36是测量测得的体积传质系数与单位功耗的函数关系图，图35的结果来自较大规格的通道，而图36的结果来自较小规格的通道。如图35所示，对于这个测量，除了数字2和5之外所有测试的实施方式都优于参照，而在图36中，除了数字2之外都优于参照。因此，相信希望没有(如实施方式数字2那样的)延伸穿过障碍物的开口。类似地，相信希望具有旁路，当在室中具有2个(或者可能更多个)时，它们被障碍物分开，分开的距离至少是室出口的最大直径的2、2.5、3、3.5或者甚至4倍，这不同于实施方式数字5(其中，柱状物或楔80仅将2个旁路以短距离分开)。

根据实施方式，通道20的(部分30)的内表面22可以包括内螺纹结构76,从而为在通道的所述部分中移动的流体赋予额外的螺旋状运动。

会理解的是，所揭示的各种实施方式可以涉及与特定实施方式一起描述的特定特征、元素或步骤。还会理解的是，虽然结合一个具体的实施方式描述了具体特征、元素或步骤，但是不同实施方式可以以各种未示出的组合或变换形式相互交换或结合。

要理解的是，本文所用的冠词“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，不应局限为“仅一个(一种)”，除非明确有相反的说明。因此，例如，提到的“一种组件”包括具有两种或更多种这类组件的实施方式，除非文本中有另外的明确表示。

在本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值的范围。当表述这种范围时，实施方式包括自某一具体值始和/或至另一具体值止。类似地，当使用在前的“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值形成另一个方面。还应理解，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。

除非另有表述，否则都不旨在将本文所述的任意方法理解为需要使其步骤以具体顺序进行。因此，当方法权利要求实际上没有陈述为其步骤遵循一定的顺序或者其没有在权利要求书或说明书中以任意其他方式具体表示步骤限于具体的顺序，都不旨在暗示该任意特定顺序。

虽然会用过渡语“包括”来公开特定实施方式的各种特征、元素或步骤，但是应理解的是，这暗示了包括可采用过渡语“由......构成”、“基本由......构成”描述在内的替代实施方式。因此，例如，对包含a+b+c的设备的隐含的替代性实施方式包括设备由a+b+c组成的实施方式和设备主要由a+b+c组成的实施方式。

对本领域的技术人员而言，显而易见的是，可以在不偏离本公开的范围和精神的情况下对本公开进行各种修改和变动。因此，本公开内容应涵盖对本公开内容的这些修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。