图案，可以获得更强的螺旋流动。作者声称更强 的螺旋流动将会产生更高级别的混合。凹槽深度与通道间隙之比为0.15。障碍高度为40 微米，延伸入60微米的微通道间隙中。雷诺数在0.228-2. 28范围内变化。作者显示，在微 通道内的特定长度内（21毫米），混合强度随着雷诺数的增大而减小，混合长度随着雷诺数 的增大而呈对数关系增大。
[0017] 另外，在2004年4月，Schonfeld和Hardt公开了关于微通道中螺旋流动的工 作。他们声称从通道壁的传热获得提高，在通道内传递的浓度示踪物的流体动力分散减 小。他们从数值上评价了一种表面特征图案，该图案在微通道的任意一个或两个壁上具有 斜角凹槽，凹槽深度与通道间隙之比为〇. 02-6. 3。作者声称，在凹槽凹部中，表面特征内平 面的y (通道宽度）方向和χ(通道长度）方向的横向速度矢量的平均比从-1线性地增大 到-0. 4,而且在主要通道流动路径中以指数关系增大，直至在通道中心线上0处变平，即在 总体流动通道中，基本没有净横向通道流动。横向通道流矢量大体上以相同的速率来回运 动。作者声称通过两个壁，待混合的两股流体流之间的层流缠结增加，从而产生了增大的边 界间表面区域，用于主通道内的扩散混合。作者分析了相对横向速度对雷诺数的依赖性，报 道了他们发现依赖性惊人地弱。当雷诺数从1变化到1000时，斜脊内的绝对横向速度会增 大，该结构之上的相对横向速度仅受到极小的影响。对于所述的情况，跨越微通道的间隙， 主通道内平均y速度和X速度之比约为0。随着雷诺数增大，在宽度方向上跨越主通道的 流体相对速度不变。
[0018] Locascio在2004年5月公开了微流体混合的综述。她声称混合是由于流体通过通 道底部的特征之上时发生的流体转动或弯曲而造成的。在通道的底部几乎无流体运动。通 过扩散混合在凹槽通道器件中发生混合，通过弯曲作用减小了两种流体之间的扩散长度， 从而增强了所述扩散混合。
[0019] 而且在2004年5月，Kang和Kwon公开了对倾斜凹槽微混合器（所有的特征具有 一种角度），SHM和障碍嵌入微混合器的比较。各种微混合器的凹槽深度与通道间隙之比为 0. 1765。各种微混合器包括24个连续的特征，所述SHM包括两组的12个特征，具有两种 角度的特征的顶点从通道的一侧移动到另一侧。据描述雷诺数约为0.01。据描述，倾斜凹 槽混合器是很差的混合器，SHM是最佳的混合器。通道内流动图案显示，在主流动通道中， 流体发生弯曲和混合。
[0020] Liu, Kim和Sung在2004年7月公开了评价有凹槽的微混合器的研究。将Strook 在Science上的文章中所述的尺寸成比例放大，保持恒定的高宽比，以评价水力直径为200 微米与111微米的通道。所得的凹槽深度与通道间隙之比为0. 23。当雷诺数为1时的混合 性能略优于雷诺数为10的情况。作者声称，在较高雷诺数时，由于流体在混合器内停留时 间显著缩短，造成混合性能变差。
[0021] Strook和McGraw在2004年3月公开了一种简单的盖驱动（lid-driven)空穴流 模型，以将混合图案与实际实验定性地进行比较。该模型以〇. 9毫米的总表面特征重复单 元长度考察SHM。凹槽深度与通道间隙之比为0.44。在模型中使用雷诺数接近0的斯托克 斯流，与Re = 0. 01的流动相比较。该模型定性地描述了试验的结果，特别是描述了一种 "流体瓣（lobe of fluid)"以从右至左的瓣和从左至右的瓣流过SHM凹槽的运动。但是， 模型斯托克斯流将其归入非惯性流，在非惯性流中流的惯性无法与动量扩散相竞争。
[0022] Sato等在2004年11月公开了一项在三个壁上具有倾斜单角特征的研究。作者描 述产生了密集的螺旋流。凹槽深度与通道间隙之比为0.3。作者声称，当两个侧壁上的特征 有位移，其中一排5个倾斜凹槽位于一个侧壁上，然后中断，同时一排5个倾斜凹槽在相对 的侧面上开始，然后中断，以此类推，这时可以获得较好的结果。在此研究工作中，雷诺数小 于10。
[0023] Howell等在2005年4月公开了一项研究，其中在微通道的顶部和底部设置有凹 槽。所述凹槽由以下形式组成：一组4个倾斜单角凹槽，然后是四个人字形凹槽，然后又是4 个单角凹槽，以此类推。凹槽深度与通道间隙之比为〇. 24-0. 74。研究的雷诺数为0. 06-10。 流体主要在主流动路径中拉伸和弯曲，产生更密间隔的薄层用于扩散混合。作者声称，他们 发现在整个被研究的雷诺数范围内，未观察到流动图案发生显著变化。
[0024] Yang, Huang和Lin在2005年8月公开了一项几何结构对流体在有凹槽的微混合 器中混合的影响的研究。据描述，所述流体也发生弯曲和拉伸，以减小混合的扩散长度。凹 槽深度与通道间隙之比为0.15-0. 44。雷诺数为10。作者声称压力损失和混合指数之间没 有显著的相关性。作者评价了具有以下形式的SHM :先是成排的6个一组的同样特征，然后 改变接下来6个一组同样特征的顶点沿主通道宽度的位置。认为凹槽中的流量与主通道中 流量的比值是混合的很重要的度量。凹槽中最大流速与主通道中流速之比为8. 9%。
[0025] 参考文献表
[0026]
【主权项】
1. 一种在微通道中进行流体处理的方法，该方法包括： 在大于100的雷诺数Re下，使流体流过微通道； 所述微通道包括表面特征； 在表面特征中，对流体进行单元操作； 所述单元操作包括选自以下的一种或多种单元操作：化学反应、蒸发、压缩、化学分离、 蒸馏、冷凝、加热和冷却。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面特征包括一系列至少10个类似的 表面特征，所述至少10个类似的表面特征各自包括至少一种角度。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述表面特征在每个表面特征中包括至少一种角度； 所述散热器或热源与所述表面特征热接触； 结果是热量传到微通道中流动的流体，或者从微通道中流动的流体传走热量。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述微通道包括两个相对的微通道壁以及位于所述两个相对的微通道壁之间的间 隙； 至少一个所述微通道壁包括至少10个连续的类似的表面特征； 所述类似的表面特征各自包括至少一种角度，所述表面特征深度：通道间隙之比至少 为 0. 4。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，连续的至少10个类似的表面特征还包括设 置在表面特征上的催化剂。
6. 如权利要求5所述的方法，该方法包括甲烷蒸汽转化，甲烷以小于100毫秒的接触时 间流过微通道。
7. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述催化剂包括燃烧催化剂，所述流体是在 至少为1000的Re下流过所述微通道的反应物。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微通道包括在相对壁上的表面特征，其 中，一个壁上的表面特征与第二壁上存在的图案相同或类似，但是围绕垂直于主通道平均 总体流动方向的轴旋转。
9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微通道在所有的侧面上封闭。
10. 如以上权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述单元操作包括化学反应。
【专利摘要】本发明涉及微型工艺技术中的表面特征、以及具有这些特征的在微通道中进行流体处理的方法，该方法包括：在大于100的雷诺数Re下，使流体流过微通道；所述微通道包括表面特征；在表面特征中，对流体进行单元操作；所述单元操作包括选自以下的一种或多种单元操作：化学反应、蒸发、压缩、化学分离、蒸馏、冷凝、加热和冷却。
【IPC分类】B01J19-00
【公开号】CN104525072
【申请号】CN201410454998
【发明人】A·L·同克维齐, 杨斌, S·T·佩里, S·P·费茨杰拉尔德, R·阿罗拉, K·贾罗斯, T·D·尤斯查克, M·范林, T·沙利文, T·马赞克
【申请人】维罗西股份有限公司
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2006年3月23日