CN102413918A - 蜂窝体反应器最优化通道尺寸设定 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种蜂窝体，该蜂窝体包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道以相互配合以限定出一条或多条流体通路，所述流体通路以至少部分垂直于所述共同方向的形式延伸通过所述蜂窝体，其中，在垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道的面积与所述大量第二孔道的面积的之比沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度变化。

Description

蜂窝体反应器最优化通道尺寸设定

优先权

本申请要求2009年2月28日提交的题为“微反应器最优化通道尺寸设定”的美国临时专利申请号第61/156,499号的优先权。

背景

本发明大体涉及蜂窝体连续流化学反应器的通道结构，尤其涉及蜂窝体或蜂窝体挤出反应器中的最优化通道结构。

发明内容

连续流化学反应器提供了一个或多个流体通道，当反应物发生化学反应时，这些流体通道容纳并运送这些反应物。沿着流体通道，每个点的反应速率通常是局部反应物浓度、反应物混合程度和局部温度的函数，如式1.所述：

$\mathrm{rate}\∝k_0{e}^{\frac{-E_a}{\mathrm{RT}}}{C}_A^{\mathrm{\α}}{C}_B^{\mathrm{\β}}---\left(\text{1}\right)$

其中，E_a是以kJ/mol为单位的活化能；C_A和C_B是物种A和B的局部浓度，单位是mol/L；T是局部温度；α和β是与反应物物种浓度有关的幂律因子(通常＞0)，k₀是指前因子，R是气体常数。

随着反应进行，局部反应物浓度的变化导致反应局部速率的变化。图1示出一个例子，显示反应速率R作为通道位置的函数，通道位置从0到全通道长度L，其中，随着反应物的混合，反应速率快速增加，然后，随着反应物被消耗，反应速率逐渐下降，反应进行直到完成。

反应速率的增加对应着反应产生或需要热量的增加。在连续流化学反应器中，热交换流体通道通常位于与反应流体通道紧邻的地方。沿着反应通道任何位置的不充分热交换能力将会导致反应物通道温度的变化，这一变化通常会反过来改变反应速率。例如，两种液体反应物可能在初始混合的时候发生放热反应，如果产生热的局部速率大大超过反应器的热交换能力，这会导致反应物流体温度的突然升高。其结果可能是在反应产物中有不利的变化或者在通道压力方面有危险的增加。

市售的连续流化学反应系统由分散的化学工艺单元组装而成。每一个化学工艺单元的特性因设计而不同，一个特定化学工艺单元的许多几何参数(如：通道尺寸，壁厚)沿着流动路径不能被轻易改变。比如，在管式反应器里，所有管道名义上是固定直径的，所以，从大量反应液到管壁的热交换不会被轻易改变。热交换性能和管道外的传热会沿着管道而变化，但另一方面，这受到大量热交换液的流动构型的影响(如：通向流动，逆向流动或交叉流动热交换)。

如果一个简单的化学工艺单元被选用于一个特定的连续流化学反应，(例如)反应物通道尺寸与热交换性能之间的关系沿着液流通道被预定义。这个关系不属于能够对一个特定的化学反应产生最佳反应条件的特定的关系。例如，如果一个管式热交换器被用来进行反应，如图1所示的速率图，管道直径必须被确定尺寸以满足当反应速率达到峰值时相关的传热的要求。沿着管道在另外的区域，热交换的要求不是那么高，所以在这些区域热交换器有过度的表现。过度表现的通道部分小于它们所需要的程度，这导致了在这些部分内不必要的压力下降。因此非最佳的通道尺寸会导致操作成本的上升。另外，如果反应活性或产物的选择性需要将操作温度控制在一个狭小区域，在远离反应速率峰值情况的位置，过度表现的通道部分可能会产生低于最优性能的表现。

一个特定反应的进行可能会沿着液流路径用到一个以上的化学工艺单元，并且每一个工艺单元会针对它反应的部分被最优化。虽然这种构型可能达到最佳操作条件，但是因为与流体互连的执行和管理相关的成本，人们可能不希望将一系列化学工艺单元结合在一起。

拥有高表面积-体积比反应物通道和大内部容积的化学反应器可以用蜂窝挤出工艺制造。通过在每一个端面形成一系列流体通道U型弯曲转角，这些设备可以提供长的内部曲折通道。例如，用镂铣机通过一系列孔道机械加工一道浅沟，然后用堵塞材料封住沟的顶部，这样就可以形成U型弯曲转角。热交换流体通道可以设置在靠近这些曲折通道的位置以控制反应物温度。现在的发明者和(或)他们的同事在已公开的申请中描述了生产技术和一些反应器设计，包括例如PCT公开WO2009108356A1和WO2009088464A1，它们的内容根据美国的法律参考结合入本文。

根据本专利的一个方面，提供了一种蜂窝体，其有沿着共同方向延伸的孔道，包括在蜂窝体两端开放的大量第一孔道，以及孔道在蜂窝体的一端或两端封闭的大量第二孔道。所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道道，这些孔道相互配合，限定出伸展通过蜂窝体的一条或多条流体通路，所述流体通路至少部分地垂直于所述共同的方向延伸，其中至少一条所述流体通路沿着其长度发生横截面的变化。所述至少一条流体通路会根据需要沿着其长度发生横截面减小然后增大，可以以连续的方式或逐步的方式变化。

根据本发明的另一个方面，提供了一种蜂窝体，其具有沿着共同方向延伸的孔道，其中包括在蜂窝体两端开放的大量第一孔道和在蜂窝体一端或两端封闭的大量第二孔道，所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道的形式，这一组或多组孔道相互配合限定出一条或多条流体通路，所述流体通路至少部分地沿着垂直于所述共同方向的方向延伸通过所述蜂窝体。在一个垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道的面积与大量第二孔道的面积的比值沿着所述一个或多个流体通路中的至少一个的长度而变化。这个比值会如人们期望的那样沿着所述一个或多个流体通路中的至少一个的长度增大，然后减少。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于流体反应的反应器，该反应器包括多个蜂窝体，每个蜂窝体具有沿着共同方向延伸的孔道，包括在蜂窝体两端开放的大量第一所述孔道和在蜂窝体一端或两端封闭的大量第二所述孔道，所述大量第二孔道中的每一个被设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合，限定出沿着至少部分地垂直于所述共同方向的方向延伸通过相应的蜂窝体的一条或多条第一流体通路。对所述蜂窝体进行设置，使得第二流体通路连续地延伸通过每一个蜂窝体的大量第一孔道，所述大量第二孔道的面积与所述大量第一孔道的面积的之比沿着第二流体通路的长度而变化。该比值会根据人们的需要沿着所述第二流体通路的长度增大然后减小。

根据本发明的另一个方面，提供了一种在蜂窝体内进行连续流化学反应的方法，这个方法包括选择一种要进行的化学反应，确定反应所需的沿着连续流路径的传热，提供其中限定有反应通路和热交换通路的蜂窝体，其中，当需要高度热交换时，热交换通路与反应通路的面积之比是高的，当反应不需要高度热交换时，热交换通路与反应通路的面积之比是低的。

通过本发明的一些方面，通过在基材端面上调节反应物通道布局且沿着反应物路径改变反应物通道尺寸，用蜂窝体挤出基材制造的连续流化学反应器的传热和压降性能可以被最大化。反应物通道尺寸变化可以是离散的或者是连续的。可以将多个蜂窝体挤出基材堆叠起来，从而使得反应物流体流过与挤出轴平行的短而直的通道。在这种情况下，在所述堆叠体内不同的基材中，短而直的通道尺寸可以以离散或连续的方式改变。

这些实施方式中的一些或全部的性能优势可能包括(1)通过以离散或连续的方式改变反应物通道尺寸，反应物通道上的总压降显著降低，与非最优化的直的通道结构相比有80％-85％的降低；(2)通过沿着反应物通道优化传热来实现在一个特定的操作中减小总反应器底座尺寸；(3)根据特定反应的需要，通过修改反应物/热交换通道尺寸和长度来实现更高的产率和/或更好的反应控制。

附图简述

图1是反应速率作为通道位置从0到全通道长度L的函数的示例曲线图；

图2A-2C是可以在蜂窝体端面上重复的三种不同的通道布局模式的例子；

图3是蜂窝体横截面或端面，它在端面不同的区域采用了不同的通道布局模式；

图4是使用图1所示反应的产热

沿着反应物通道长度的变化关系图；

图5A和5B分别是初始反应通道结构的单元和改变的反应通道结构的代表性单元；

图6A-6D是靠近热交换通道的反应物通道的各种通道构型；

图7是单位为W/m²K的所需传热系数作为以米为单位的沿着通道或通路的位置的函数的示例性图示；

图8显示了重新设定尺寸的反应物通道的变化，针对第一次热交换的情况，该变化与图7所示的反应的传热要求紧密匹配，包括导致压降改进的形式的性能结果；

图9是蜂窝体反应器曲折反应物通道布局的横截面或端面视图，使用了横截面积变化的通道；

图10示出设置非均匀反应物通道的另一个方法，其中反应物通道尺寸主要在一个方向放大(即：在此图中沿着水平方向放大)；

图11A-11C示出的是在标准孔道内的可变宽度通道的横截面图；

图12是压降比例ΔP′/ΔP和反应物通道的参数分级尺寸(step size)的变化关系图；

图13是沿着一条反应物通道的热交换和压降性能的模拟关系图，其中s参数比例缩放因子尺寸等于1且s”＝1；

图14A-14C是对于一个单通道宽度的反应物曲折通道的三个标准布局孔道的横截面图表；

图15A-15C是双通道宽度的反应物曲折通道的标准布局模式；

图16A-16C是三通道宽度的反应物曲折通道的标准布局模式；

图17是一组互相对比的反应物曲折通道标准布局模式，包括“模式单元”安排的、或者标准布局宽度的列，和通道宽度安排的行；

图18是标准模式串联的例子，标准模式串联以形成具有非均匀通道尺寸的曲折反应物通道；

图19A-19C是在不同方向上(纵向、横向和对角线)的用于曲折通道互连的标准模式的例子；

图20是用于1，2和3通道宽度曲折互连的标准模式阵列，这些通道通过连接方向成列设置；

图21A-21C是用于单通道宽度曲折热交换的标准布局模式；

图22A-22C是在与短而直的通道内与反应物通道相邻的用于双通道宽度曲折热交换通道的标准布局模式；

图23A-C是在短而直的通道内与反应物通道相邻的用于三通道宽度曲折热交换通道的标准布局模式；

图24A-24C是三个具有在端面上重复的通道布局模式的蜂窝体基材例子；

图25是一个包括叠置的蜂窝体基材的反应器，这些叠置的蜂窝体基材相互配合，从而沿着反应物流动路径改变所述短而直的反应物通道的横截面积。

详述

通过调整布局在蜂窝体反应器基材端面上的路径通道，一个或多个本发明人或其同事已经开发了用于改良热交换性能和反应物通道使用的技术。例如，图2示出三个不同的通道布局模式30，这些模式在形成于蜂窝体20内的反应器端面上重复。用“x”标记的孔道32有反应物流体向下的流动，用“o”标记的孔道34有反应物流体向上的流动，所述反应物流体在蜂窝挤出基材通道22内沿着一条上下曲折通道流动；空的孔道36表示热交换通道的位置在非常靠近反应物流体通道40的地方。沿着反应物流体路径的箭头38描绘了流体流从通道到反应物通道40流动的方向。在一个实例中，在流体路径中，箭头38通常对应经过机械加工的形成U型弯曲转角的端面壁的位置。

虽然过去的申请描述了模式如何会填满整个基材的端面，然而本申请将揭示一个新的方法，在端面的不同区域中采用不同的通道布局模式。图3示出了一个例子，其中深灰色孔道34表示向上的流动，浅灰色孔道32表示向下的流动，在蜂窝体20的端面46的指定区域44内，四种不同的通道布局模式A-D分别被示出。箭头48表示反应通道的出口位置。可以使得沿着反应路径的热交换性能最优化，以使其与一种特定反应或一类反应的反应速率变化相匹配。这个方法也会在整个端面上反应物通道使用部分最大化，减小为了提供特定反应停留时间所需的反应器整体尺寸。

对于图1-3中呈现的通道布局模式，热交换通道与反应物通道的比例因设计的不同而不同。因此，可以进行热交换的通道正面面积可以在基材端面上变化。引到蜂窝体反应器端面上的热交换流体会优选流过基材端面种热交换通道的密度最大的区域。结果，反应物通道的热交换可以通过至少三个几何因素来局部调整：(1)在一个特定区域里，反应物通道与热交换通道间的平均距离；(2)在一个特定区域内，热交换通道数量相对于反应物通道数量的比例(例如，局部热交换通道密度)；(3)局部热交换通道密度在基材端面上的变化。

这里描述的反应物通道优化技术的一个优势是用蜂窝挤出基材可以实现基材端面的均匀通道几何。不足之处在于反应物通道的横截面沿着通道路径不能被轻易地改良以最优化压降性能。

反应物通道按比例缩放

一个最优化的反应物通道设计沿着反应物通道流动路径的每一个位置提供了足够的热交换性能，同时最小化反应物通道压降。因为沿着反应物通道路径的反应速率大体上是不均匀的，在热交换条件没有极端要求减小总体压降的区域，反应物通道可以扩大。因为当反应物通道被扩大时热交换性能总体上被降低，必须小心以保证任何局部扩大的反应物通道部分都满足所有的局部热交换要求。

图1示出了一个反应的例子，其中反应速率沿着反应物通道路径而变化。反应物的混合和/或消耗导致反应中涉及的摩尔数会发生变化，从而导致反应速率的变化。随着反应速率的变化，沿着反应物路径的热生成的量也发生变化。图4示出了相应的沿着反应物通道长度的热生成。这里假设反应物通道有均匀的横截面(w x w)，总长度是X_L。

对于很多反应来说，人们希望将反应物温度保持在一个狭小的范围内以最小化不希望产生的反应副产物。反应物通道和周围的热交换通道被设计成可以提供足够的热交换性能以避免不想要的反应物通道流体温度的漂移。

局部对流的传热系数h(x)测量在所述壁和流体提向内部之间，每单位面积的壁界面上，每1℃的温差对应的通过特定流体壁界面的对流传热。如果以下参数是已知的，所需的局部对流传热系数h(x)可以按照以下方式计算：(1)所需反应物通道主体温度相对于热交换流体主体温度的偏移ΔT的最大值；(2)在长度为dL的特定通道区域，由反应产生的热量；(3)发生热交换的壁界面区域dA。

考察长度为L的反应物通道的一个很短的部分，如图5A所示，该反应物通道的很短的部分沿着它的长度有均匀的横截面(w x w)。该短部分容纳的反应物流体总体积是V＝w²L。假定在通道长度内总热生成

是均匀的。还假定通道提供了足够的传热效果，使得通道内所有的热生成或消耗立即通过通道壁界面传递。如果反应物流速是高的且/或通道传热是低的，

值可以被修改以包括因流体流过通道进口和出口所获得或者损失的能量。

通过反应物通道四个侧壁的传热

发生在总面积A＝4wL上。局部传热系数h_req需要保持一个温差ΔT，温差是反应物主体温度与周围热交换通道主体温度的温差。局部传热系数

为了减少反应物通道的压降，通道部分的横截面被增大到w′x w′(图5B)，其中，w′＝s′w，s′是通道缩放比例因子。通过设定通道长度L′＝L/(s′)²，新通道部分的体积可被强制等于初始通道部分的体积。因为新的通道部分容纳相同的体积，它也展现出相同的热生成

(假定高的侧壁传热和/或相对慢的反应物流动)。

调整尺寸的通道部分的侧壁面积A′＝4w′L′＝4(s′w)L/(s′)²＝A/s′。局部传热系数h_req需要保持一个温差ΔT，该温差是反应物主体温度与周围热交换通道主体温度之间的温差。

${h_{\mathrm{req}}}^{\′}=\stackrel{\·}{Q}/A^{\′}\mathrm{\ΔT}=\stackrel{\·}{Q}{s}^{\′}/\mathrm{A\ΔT}=s^{\′}{h}_{\mathrm{req}}.---\left(2\right)$

当一个因子s′既增加了通道宽度，又增加了通道高度，保持固定反应物通道热条件所需的传热系数以因子s′增大(注意：假设反应热的产生或消耗是与元素反应器体积成比例的，这样的假设在均相催化反应和非催化反应体系里通常是事实)。

在层状流中，反应物通道尺寸的增加会增加靠近通道侧壁的热边界层厚度，这会导致传热性能的下降。对从正方形反应物通道阵列向着相邻的正方形热交换通道阵列的传热的限定元素模拟证实了这种预测。

图6A示出了一个初始通道构型，其中，反应物通道50和热交换通道52的尺寸是相等的，且被壁54隔开。w代表通道宽度。对于这个初始构型，反应物通道比例缩放因子s′等于1。热交换通道一个相似的比例缩放因子s″也等于1。对于这个s′＝1和s″＝1的构型，“h₀”通常被用来代表反应物和热交换通道之间的总传热系数。

当反应物和热交换通道的尺寸都增大相同量的时候(如图6B所示)，模拟结果显示新的传热系数是：

h′＝2h₀/(s′+s″).(3)

只要通过通道壁的传热速率远远大于反应物通道或热交换通道内的传热速率，这个结果就是有效的。这对于使用液体反应物和热交换流体的氧化铝蜂窝体反应器来说是正确的，该反应器具有0.2-0.3倍于通道宽度的通道壁厚度。当构型是s′≠s″时，等式h′＝2h₀/(s′+s″)应该也是对的，例如：图6C和6D。

一旦所需传热系数(h_req′＝s′h_req)和可用的通道传热(h′＝2h₀/(s′+s″))的等式被得到，下一步就是设定h_req′＝h′，对s′进行求解。

$s^{\′}=\sqrt{\frac{2h_0}{h_{\mathrm{req}}}+\frac{s^{\′\′2}}{4}}-\frac{s^{\′\′}}{2}---\left(4\right)$

这个等式提供了最优化的反应物通道缩放比例，它可以满足所需的反应物通道热交换性能，同时通道缩放比例尽可能大，以最小化压降。如果反应物通道和热交换通道的尺寸相等(s″＝s′)，那么等式可以简化为：

$s^{\′}=\sqrt{\frac{2h_0}{h_{\mathrm{req}}}}---\left(5\right)$

如果反应物通道尺寸可以按比例缩放，但热交换通道的尺寸固定在s″＝1，那么等式为：

$s^{\′}=\sqrt{\frac{2h_0}{h_{\mathrm{req}}}+\frac{1}{4}}-\frac{1}{2}---\left(6\right)$

反应物通道的连续按比例缩放

本文将用一个反应的例子展现反应物通道尺寸连续按比例缩放的优势。考察一个反应，在均匀1mm x 1mm横截面(w x w，其中w＝1mm)的L_max＝25m的长管中，这个反应先被表征。沿着通道的反应速率变化的理论计算能被用来计算所需的传热系数h_req(x)，如图7所示。虽然对于不同的反应，曲线形状会发生变化，但是总体形式是一样的常规形式，即紧接在通道进口的后面有一个峰出现。基于通道的几何形状和反应物液体的热力学性质，假定在1mm x 1mm通道外的可能热交换最大值由h₀＝1000W/m²-K给出。对于这个例子，沿着反应物通道的总压降为ΔP＝1巴。

用一个l＝0.1m长的蜂窝挤出体反应器进行一个反应例，在这个反应器中，每条反应物通道可以被单独设定尺寸以优化传热和压降性能。不同尺寸的单独通道用基材端面U型弯曲连接在一起，以形成一个通过设备的单独连续通道。

可以通过以下步骤选择合适的反应物通道尺寸：

1.沿着初始的正方形通道确定反应物通道调整尺寸的分析开始的位置。在第一次过程中，这个开始位置是x_起点＝0。

2.选择s′值的范围，反应物通道根据s′值重新设定尺寸。例如，s′的范围可以是1-4，每次阶跃为0.02。在我们现有的例子中，这将对应于1-4mm的反应物通道尺寸，每阶跃为0.05mm。

3.从最低s′值开始，沿着基材的长度计算调整尺寸的反应物通道体积。因为基材长度l＝0.1m，这个体积V′等于s′w x s′w xl。

4.计算具有相同体积V′的初始正方形通道的长度，在本实例中长度是L＝(s’)²x 0.1m。

5.沿着初始的正方形反应物通道，设置分析的终点x_终点＝x_起点+L。

6.在初始的正方形通道范围x_起点至x_终点内，确定理想传热系数的最大值，设定其等于变量h_req。

7.用等式2(h_req′＝s′h_req)计算调整了尺寸的反应物通道的理想传热系数。

8.用等式3(h′＝2h₀/(s′+s″))计算调整了尺寸的反应物通道的传热系数。

9.比较h′和h_req′的值：

如果h′大于h_req′，那么仍然有可能增加了s′，还能满足反应物通道热交换要求。以s’的阶跃值增加s’的尺寸之后，在此例中重复步骤3-7。

如果h′等于h_req′，那么为了最优化传热，获得最小的压降，要对新的反应物通道进行尺寸设定，因此继续进行第10步。

如果h′小于h_req′，那么恢复以前的s′值，继续进行第9步。

10.通过ΔP x(l/L_最大)/((s′)²)²计算新反应物通道的压降。

分子(ΔP x(l/L_最大))计算压降和在蜂窝体反应器基材内l＝0.1m长度条件下的初始w x w(1mm x 1mm)横截面。

分母被平方一次，用来计算调整尺寸了的反应物通道相对于初始w x w(1mm x 1mm)通道的横截面面积；然后第二次平方，用来补偿随着通道横截面积平方的通道压降的变化。

11.为了计算下一个调整了尺寸的反应物通道尺寸，设定x_起点等于前述的x_终点值，进行第2步。如果x_起点超过了初始的正方形的通道长度(25m)，通道尺寸分析就此结束，进入第12步。

12.通过所有由每一个新调整了尺寸的反应物通道计算而来的压降，计算总压降ΔP′和调整了大小的反应物通道的相关值。

上述工艺实例以图7所示例的热交换条件进行，关于与反应物通道相邻的热交换通道的尺寸设定，要考虑两种构型：(1)s″＝s′：相邻的热交换通道尺寸等于反应物通道尺寸；(2)s″＝1：相邻的热交换通道尺寸设定为等于最小的反应物通道尺寸。

(s″＝s′)的第一种情况的结果如图8所示，横坐标以米为单位，纵坐标以W/m²K为单位。如预想的那样，反应物通道尺寸沿着它的长度以参数s′按比例缩放，使得在所有的点上让h_req′和h′相等或近似相等。沿着反应物通道的总压降ΔP′以ΔP′/ΔP进行做图，以突出相对于初始的均匀的正方形通道的改进。ΔP′/ΔP的比例在通道末端达到了0.17的最大值，这表明调整了大小的反应物通道的总压降只是原有的25m长的w x w(1mm x 1mm)通道的17％。

在图8中，针对初始的正方形通道位置参数，对所有调整了尺寸的通道的参数绘图。在现实中，所得的调整了大小的通道由100个通道组成，其中，每条通道长度l＝0.1m。因此，调整了大小的通道的总长度是10m，而初始长度为25m。

第二种情况(s″＝1)的结果实际上要好于第一种情况，因为几何上较小的热交换通道提供了改进的传热性能，这让反应物通道可以将尺寸调整至更大。对于这种情况，ΔP′/ΔP是0.138，同时总反应物通道长度为8.5m。两种情况的模拟结果总结在下面的表1中。

图9提供了一个蜂窝体20的基材端面46的图例，蜂窝体有可变尺寸的反应物通道。这里，相邻的热交换通道保持固定尺寸，这个尺寸等于最小的通道尺寸(s″＝1的情况)。s″＝1的构型能够使均匀的热交换流体流过热交换通道，因为所有的通道尺寸都是一样的。如果热交换通道有不一样的尺寸，热交换液流倾向于优先流过较大的通道，减少热交换液流流过较小的通道的情况。在基材端面上热交换性能这样的均匀化在某些构型中可能是不希望出现的，例如在那些在特定的局部需要高的热交换性能的构型的情况。另外，非均匀的热交换通道结构使单独热交换通道的传热性能变得更加难以评估，因为大小热交换通道之间的热交换液流流动的不平衡也将取决于总热交换液流流动速率，这个速率在某种构型中可能不是恒定的或者不易设定。总体而言，我们建议：所有热交换通道都是相同的或尺寸接近的，以尽可能减小这些热交换流体流的不均匀效应。

s″＝1的情况的另一个优点是支撑着加压反应物通道的热交换通道壁被比较接近地隔开了。受到良好支撑的反应物通道可以做得更薄，进一步改善了热交换。沿着反应物通道/热交换通道壁界面的增加了数量的支撑壁让每一个支撑壁都可以做得更薄，以尽可能增大相邻的热交换通道的尺寸。

使用阶跃尺寸0.05的按比例缩放因子s′评估上述给出的例子。通过此种小的值模拟了一种其中通道的尺寸连续改变的通道尺寸。蜂窝体反应器的平行通道结构决定了通道尺寸的变化只发生在沿着流体路径的分散位置(即：U型弯曲)。当通道的数量很大的情况下，这个方法提供了相对于真实的连续变化的通道尺寸良好的近似。因此，在本方法中，所谓连续可变通道尺寸表示通道尺寸在任何时刻都可以被改变(如：在U型弯曲)，新的通道尺寸可以是任意尺寸(而不是一组离散尺寸中的一种)。

如图9所示的反应物通道尺寸在两个方向上发生尺寸变化(图的垂直方向和水平方向)。在通道尺寸沿着反应物流体路径逐渐而连续地变化的同时，接着反应物通道的邻壁会呈现出周期性的不连续，这样的不连续是容纳非均匀反应物通道尺寸所需要的。从一个均匀壁阵列出发能够导致在相对的壁不会互相遇到的部分区域内发生局部压力集中。不规则的壁构型也可能导致在挤出过程中不利的扭曲。

反应物通道的长宽比α由b/a的比例定义，b和a分别表示通道的长侧和短侧的长度。在非均匀反应物通道布局中，如图9所示的一个例子，αa＝s′，且b＝αs′。对于典型情况，预期α在1-2.5的范围内变化。反应物通道热交换系数随着的α变化而变化，表示为Nu(α)/D_h(α)。在Nu(α)/D_h(α)中，Nu(α)是与α有关的努赛尔数，D_h(α)是水力直径，其在本实例中等于2ab/(a+b)或2αs′/(1+α)。如R.K.Shah和A.L.London发表在《高等热交换(补充卷一)(Adv.HeatTransfer(Suppl.I))》(1978)上的“管路中强制对流的层状流(Laminar Flow forcedconvenction in ducts)”所示的那样，对于在可变长宽比的通道内的充分开发的层状内部流，与α有关的努赛尔数可以通过下式给出

$\mathrm{Nu}\left(\mathrm{\α}\right)\∝1-\frac{2.0421}{\mathrm{\α}}+\frac{3.0853}{{\mathrm{\α}}^2}-\frac{2.4765}{{\mathrm{\α}}^3}+\frac{1.0578}{{\mathrm{\α}}^4}-\frac{0.1861}{{\mathrm{\α}}^5}---\left(7\right)$

这些等式被用于计算单一反应物通道的反应物通道传热系数。在等式8中，由等式3计算而得的h′进行改良，通过近似以反映反应物通道传热系数的变化，所述近似以α的二阶多项式标度了s′：

$h^{\′}\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{2h_0}{\frac{s^{\′}}{0.1453{\mathrm{\α}}^2-0.576\mathrm{\α}+1.41}+s^{\′\′}}$ (其中1≤α≤2.5)(8)

在α从1到2.5的范围里，等式8显示以下结果：当α是统一的且s′＝s″时，从获得的值来看，传热系数h′(α)被减小了仅仅不到9％。当1≤α≤2.5时，对于h′(α)，最好的案例值是2h₀/(s′+s″)，同时最差的情况下的值是2h₀/(1.16s′+s″)。

布局非均匀反应物通道的另一个方法如图10所示，在这个方法中，反应物通道尺寸主要在一个方向上按比例缩放(如图10的水平方向按比例缩放)。通道尺寸通常在垂直方向上是孔道的整数倍，而在水平方向上通道可能是可变宽度的。在图中，反应物通道从左侧的进口开始，宽度朝着基材端面的中部而减小，在右侧出口变大。通过安排反应物通道路径的连续列，使得每一列在水平方向上都有相同的尺寸，壁不连续的数量能被显著减小。如果需要，热交换通道尺寸可以被最优化以满足局部传热的条件。

图11A-C示出三个标准模式60的一个系列，它们可被用来通过可变尺寸反应物通道配置基材端面通道布局。依据所需最优化的程度，标准模式更大或者更小的数字可被用于设计一个目标反应物通道布局模式。通道宽度的变化在图中表示了出来，一个相似的方法可以被采用，以改变所选通道的高度。

这些标准模式简化了设计过程，因为它们能被快速地以均匀的阵列安排到基材端面上。标准模式能以机械方式验证，能根据它们的热力学和流体特征预评。这加速了设计和设计验证过程，因为目标反应物通道尺寸的可变属性至少是部分地嵌入在标准模式中。

反应物通道的离散按比例缩放

在上面的分析中，反应物通道横截面被允许沿着流体路径连续变化，以达到最优化的反应条件。这个部分考察了反应物通道尺寸变化的方法，在这个部分中通道尺寸以离散的形式逐步变化。这个部分尤其突出反应物通道尺寸变化方法的生产优势，在这个部分中所有通道的所有宽度是基材上最窄通道宽度的整数倍。

图12呈现的是来自前面部分的同样长为25m的反应物通道例子的模拟结果，但是反应物通道s′参数阶跃尺寸从之前的0.02增大到1.0。菱形代表的s″＝s′的情况，而正方形代表s′＝1。更大的参数阶跃值决定了反应物通道不会总是合适地确定尺寸，以精确地满足传热要求。在这样的情况中，反应物通道在一些局部比所需要的小，这使得在传热方面表现过度，同时产生了不必要的压降。就像图中可以看到的那样，随着s′参数阶跃尺寸的增加，对于s″＝1的情况，压降比例ΔP′/ΔP从0.138稳定增大到0.477。当s′参数阶跃值等于1.0时，当沿着初始通道的位置绘图的时候，如图13所示，h_req′和h′之间可调尺寸的不匹配是非常清楚的。

下面的讨论聚焦在s′参数的阶跃值等于1的情况。这个方法可能达不到与用连续可变通道宽度方法最优化反应相同的程度。但是通过此方式仍然能让设计者用标准模式可变设计平台得到近似最优化的通道几何形状，平台简化了设备的制造。在现有的方法中，假定所有的通道壁都是一样厚的。在方向上垂直于蜂窝体孔道的壁程度(换言之，通道尺寸)和壁厚被选来耐受反应物通道中预期操作压力的最大值。

沿着流体路径反应物通道传热性能的最优化包括改变反应物通道尺寸和旁边的热交换通道的尺寸，数量和临近程度。三种不同的通道构型或模式60在图14A-C中示出，其中，反应物通道是一个基材通道的宽度，热交换通道区域是1-3条通道的宽度(分别是A-C)。这个单独通道宽度反应物通道模式应该为离散通道尺寸方法提供最高的传热性能。热交换通道区域的宽度可以被进一步加宽，但是热交换通道壁的热阻最终会限制传热性能的局部改进。对于实际的壁厚，最终将达到递减的返回点。或者，通过减小热交换通道临近区域的尺寸，反应物通道利用率会得到增加。

本文已经开发了一种命名法，以区分本文提到的各种的通道布局模式60。命名法是：

UP-VP

其中U是沿着曲折通道种形成的路径的曲折通道(或称“封闭”通道)宽度，表示为基材通道宽度的整数倍，V是位于两个相邻的曲折通道路径之间的短而直的通道区域(或称“开放”通道)的完整宽度。P是跟在U或V参数之后的可选标志，表示预期在高压下操作的曲折(对于U)或者短而直(对于V)的通道。在这个部分里，只有曲折通道将在高压下操作。

在图14中，对于三种构型中的每一个的通道布局可被在水平方向上或垂直方向上复制，以创造更大的曲折模式。标准布局构型或模式在垂直方向上也可以被按比例缩放，以在在垂直于基材孔道的平面内，在基材上创造曲折U型转角，以填充基材任意形状的区域。

为了减小反应物通道的压降，反应物通道的尺寸能以基材通道的整数倍增加。图15和16呈现出两组通道布局模式60，其中，曲折反应物通道是两条基材通道的宽度(图15)和三条基材通道的宽度(图16)。例如，可以通过选择性地阻塞标准挤出模上的狭缝，或者通过在绿色基材内的垂直机械加工以去除不想要的拉伸体壁，形成这些更大尺寸的反应物通道。如图14所示的通道布局模式，这些模式在水平方向或者垂直方向上可以被复制，以创造更大的曲折通道构型。

在图14-16中，通道布局模式60的每一个有一个特定的水平宽度(由基材通道数测得)。在图17中，根据总模式宽度(在基材通道中测得)将通道布局模式安排在列A-C中。对于要考察的通道布局模式，列C(8个基材通道宽)显示了具有1，2或3条基材通道宽的反应物通道模式宽度。

如果选择一种标准模式宽度被选定，通过结合各种的通道布局模式，可以很容易地构建可变宽度的曲折反应通道。图18示出了一个例子，其中，两条平行的曲折反应物路径P1和P2在图中从左到右从宽到窄再到宽。

一个针对标准布局模式60的更常用的方法可能提供了三种不同的反应物通道互连模式，如图19A-C所示。三种通道布局模式60中的每一种沿着曲折路径或路径元素将流体从入口角I(如图19的左上部分)传输到出口角O。在垂直于基材通道的平面里，穿过蜂窝体反应器基材的A 2D反应物通道路径通过一起加入不同模式或模式单元能够被组装。

这种基于单元模式的通道布局方法的一个优势是可以独立于反应物通道的宽度布局通道(至少达到反应物通道的最大值)。例如，图20示出对于图19A-C种所示的所有三入口和出口构型，用一个四倍通道宽度的标准模式如何实现一个、两个或三个基材通道宽度的反应物通道。这允许反应物通道沿着它的长度任意设定尺寸而不改变通道路径。当反应物通道受到其它设计的限制时(例如，通过输入和输出端口的所需局部，或通过特别要求的在基材边缘的无通道空间)，这个方法有助于简化通道布局过程。使用标准模式单元也可以加速设计鉴定，因为基于模式单元的机械模型和反应物通道压力测试在垂直于基材通道的方向上在整个基材上可以轻易地伸展。

在一些情况下，在单一模式单元内包含多条上下曲折通道以减小与反应物通道相邻的热交换通道面积也许是人们期望的。例如，图20中，如果需要的话，行1列C内的模式在图平面内的曲折反应路径里可能有另外的弯曲，以增大反应物通道利用率或用于其它原因。

通道布局模式单元尺寸的标准化也可能导致在蜂窝体反应器U弯曲通道区域机械加工方面的优势。例如，不使用仅能够加工简单通道壁的切割工具，可以使用成组切割头，这能提供多个切割面，从而在相同模式单元内同时加工多个通道壁。切割头可以容忍被挤出的基材通道由于塌缩和扭曲造成的局部的微小变化。对于典型的蜂窝体反应器，不同的切割头可用于提供所有需要的通道加工。可以通过低频机械位移(例如，锯)或超声搅拌开动切割头。

在直的或“开放”的通道中的反应物流

用于蜂窝体反应器操作的另一个构型涉及通过蜂窝体反应器曲折(或“封闭”)通道的热交换流体流和通过短而直(或“开放”)通道的反应物流。对于这个构型，改变反应物通道横截面会出现困难，因为挤出工艺通常沿着通道长度使所有短而直的通道有均匀的横截面。通过在多重堆积的蜂窝体内并列多条短而直的通道，下面呈现的方案改变了反应物通道横截面。

如图25所示，多个蜂窝体反应器基材20可以被堆积起来，使得反应物在连续的蜂窝体内流过短而直的(或“开放”)通道。经过曲折通道路径的流体流提供了每一个蜂窝体20的热交换。图21A-C示出了三个通道布局模式，这些模式都有一个基材通道宽度的热交换通道。在图21A-C中所述相邻的短而直的反应物通道的宽度分别从1增大到3个基材通道。这个方法利用了上述的离散通道尺寸方法，但是连续可变宽度的短而直的反应物通道也是可用的。对于这些和下面的通道布局的命名图可能依照上述部分中开发的命名法。

曲折热交换通道的宽度可以被增加至等于两条基材通道的宽度(图22A-C)，或者等于三条基材通道的宽度(图23A-C)。当短而直的反应物通道宽度被增加到大于一个基材通道宽度时(如图22B和C所示)，在曲折热交换通道内，相邻间隔的支撑壁被要求在高反应物通道操作压力下支撑宽的反应物通道壁。这些支撑壁减小了热交换通道的横截面积，这导致热交换流体压降的增加。幸运的是，在这个案例中，热交换通道是平行排布的，这使热交换通道的压降得以发生一定程度的减小。

例如，图21-23所示的那些通道布局模式可以在如图24所示的蜂窝体反应器基材的横截面上重复。均匀的通道模式保证了通过短而直的通道的反应物液流是均匀的，从而最大程度减小了滞留时间分散。

通过将具有不同的通道布局模式A-E的蜂窝体反应器基材20堆叠起来，在尽可能减小总反应物通道压降的同时，控制反应物通道的热交换性能。图25示出了这样的一种堆叠的蜂窝体反应器构型，在这个构型中，一个短而直的反应物通道的横截面从中等到小、再到中等、再到大地变化，在此过程中，这个横截面穿过了有不同模式A-E的基材20。另外的空间体(没有示出)可以在体间被加入，以改进灌注和流动的均一性。

本发明揭示的方法和/或设备通常可以用于包括以下的任意工艺：混合，分离，提取，结晶，沉淀；或者以其他方式用来加工流体或流体混合物，包括对于工艺液体或液体混合物也是有用的，这些工艺液体或液体混合物包括多相液体混合物和有微结构的也含有固体的多相液体混合物。工艺可能包括物理工艺；化学反应可以被定义为一个会导致无机物、有机物、或者有机无机物互变的工艺，生物化学工艺，或者其它形式的工艺。用本文所述的方法和/或设备可以进行以下这些反应(也不限于以下这些反应)：氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属交换和离子交换。更具体地说，本文所述的方法和/或设备可以进行以下这些反应(也不限于以下这些反应)：聚合；烷基化；去烷基化；硝化；过氧化；亚砜化；环氧化；氨氧化；加氢；脱氢；金属有机反应；贵金属化学/均相催化反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基；卤化；脱卤化氢；脱卤；氢甲酰化；羧基化；脱羧；氨化；芳基化；肽耦合；醇醛缩合；环缩合；脱水环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶法合成；缩酮反应；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；硅烷化；腈的合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化学；复分解反应；硅氢化；偶联反应和酶反应。

Claims (10)

1.一种蜂窝体，其包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在所述蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在所述蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合以限定出一条或多条流体通路，所述一条或多条流体通路至少部分地以垂直于所述共同方向的方式延伸通过所述蜂窝体，至少一条所述流体通路沿着其长度在横截面上发生变化。

2.如权利要求1所述的蜂窝体，其特征在于其中至少一条流体通道沿着其长度在横截面上减小，然后增大。

3.根据权利要求1或2所述的蜂窝体，其特征在于至少一条流体通道在横截面上逐步变化，每一步变化的阶跃量值是蜂窝体孔道中的单独孔道横截面积的正整数倍。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的蜂窝体，其特征在于，在垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道的孔道面积与所述大量第二孔道的孔道面积之比沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度变化。

5.如权利要求4所述的蜂窝体，其特征在于所述比值沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度增大然后减小。

6.一种蜂窝体，其包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在所述蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道被设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合，限定出一条或多条流体通路，所述一条或多条流体通路以至少部分垂直于所述共同方向的方式延伸通过所述蜂窝体，其中，在一个垂直于所述共同方向的平面内，所述大量第一孔道中的孔道面积与大量第二孔道中的孔道面积之比沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度变化。

7.如权利要求6所述的蜂窝体，其特征在于所述比值沿着所述一条或多条流体通路中的至少一条的长度增大，然后减少。

8.一种用于流体反应的反应器，该反应器包括多个蜂窝体，每个蜂窝体包括沿着共同方向延伸的孔道，大量第一所述孔道在蜂窝体的两端都开放，大量第二所述孔道在蜂窝体的一端或两端封闭，所述大量第二孔道中的各个孔道设置成一组或多组孔道的形式，所述一组或多组孔道相互配合以限定一条或多条第一流体通路，所述一条或多条第一流体通路以至少部分垂直于所述共同方向的方式延伸通过各自的蜂窝体，将所述蜂窝体设置成使得第二流体通路依次延伸通过各个蜂窝体的大量第一孔道，所述大量第二孔道的面积与所述大量第一孔道的面积之比沿着所述第二流体通路的长度变化。

9.如权利要求8所述的反应器，其特征在于所述比值沿着所述第二流体通路的长度增大，然后减小。

10.一种在蜂窝体内进行连续流化学反应的方法，该方法包括：

选择一种要进行的化学反应；

确定该反应沿着连续流路径的传热；

提供其中限定有反应通道和热交换通道的蜂窝体，当需要高热交换时，热交换通道面积与反应通道面积之比是高的，当不需要高热交换时，热交换通道面积与反应通道面积之比是低的。

Images