CN101218019A - 通过多个平行的连接通道流向/来自歧管的流体控制 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于控制歧管与两个或更多连接微通道间的流体的装置和技术。多个连接微通道间的流体共有一个公共的歧管，可以通过使用整流栅(第一部件)和均衡连接通道中流体的分配器(第二部件)而变得更加均匀。做为选择，流体可以通过通道中窄直径的部分而变得更加均匀。还描述了制造装置的方法和实施连接通道中单元操作的方法。

Description

通过多个平行的连接通道流向/来自歧管的流体控制

相关申请

根据美国专利法第119(e)款，本申请要求2005年4月8日提交的申请号为60/669,640的美国临时申请的权益。

技术领域

本发明涉及流经歧管和连接通道的流体。

背景技术

连接至歧管的多个平行通道的流动控制引起很大关注。特别是，连接通道中不均匀流动导致设备低效率的问题。该问题的详细解决方案可以在Fitzgerald等人的公开号为2005/0087767的美国专利申请中获得，并在下文中全文再现并入本发明。

一个较低效率的设计公开于Golbig等人的公开号为2002/0106311的美国专利申请中，其中描述了变化连接通道宽度以提供通道中相等的流体停留时间的板式微反应器设计。基于该设计的计算表明该设计不能够使得流体从上游歧管高度均匀地流过所有连接通道。

本发明提供了在某些操作条件下具有提高的流体均匀性的新设计和方法。

发明内容

第一方面，本发明提供一种化学处理设备，包括：具有开口的歧管；至少两个平行连接通道，即与歧管连接的第一连接通道和第二连接通道；和流动控制结构。在一种流动控制结构中，至少两个连接通道中每个通道的20％或更多通道长度具有恒定的横截面积，80％或更少的通道长度具有尺寸减小的横截面积(相对于具有恒定的横截面积的20％或更多的通道长度)。第一连接通道具有恒定的横截面积的长度大于第二连接通道具有恒定的横截面积的长度。优选的，歧管为上游歧管(header)。尺寸减小的面积在尺寸上明显减少，使得流动被约束；减少的面积并非是简单的催化剂涂层，等等。减小的面积可也具有催化剂涂层。在一些实施方案中，至少两个平行连接通道中每个通道的50％(或80％)或更多通道长度具有恒定的横截面积，在一些实施方案中，高达95％的通道长度具有恒定的横截面积。在优选的实施例方案中，上游歧管包括进口和具有恒定横截面积长度小于第二连接通道的恒定横截面积长度的第一连接通道；并且第一连接通道比第二连接通道更接近进口。流体通过进口进入歧管，动量使得更多流体通过第二连接通道；然而，第二通道中较长的狭窄流动路径形成较大的阻力并使得流体均衡通过所有连接通道。在一些优选的实施例中，歧管为L型歧管。歧管可与连接通道在同一平面上，或者在连接通道平面上方或下方的层上。

在可选择的流动控制结构中，整流栅(flow straightener)连接于歧管开口处；流体分配器部件与整流栅和平行连接通道连接。整流栅的长度与水力直径之比(L_fs/D_h)至少为1(优选至少为5)并具有一定横截面积，流体分配器部件的横截面积大于整流栅的横截面积。

横截面积减小的通道(优选微通道)区域的边缘可为斜面(如由蚀刻形成)或阶梯式(如由粘结形成，模压垫片)。通道中横截面积减小的区域可置于通道起始处(邻接于上游歧管)，通道末部，或者通道中部。通道中横截面积减小的区域可连续或分散的位于通道长度中。

另一方面，本发明提供一种化学处理设备，包括：具有开口的歧管；至少两个平行连接通道，即与歧管连接的第一连接通道和第二连接通道；尤其其特征在于具有流体控制结构。所述流体控制结构包括：与歧管开口连接的整流栅；与整流栅和平行连接通道连接的流体分配器部件。流体分配器部件的横截面积大于整流栅的横截面积。而且，该设备的特征Q因数(Q₁)等于或小于10％。

在另一方面，本发明提供一种化学反应器，包括：至少两个平行连接通道，与歧管连接的第一连接通道和第二连接通道。部分第一连接通道和部分第二连接通道包含催化剂；第一连接通道的包含催化剂部分和第二连接通道的包含催化剂部分具有相等和恒定的横截面积。第一连接通道具有减小横截面积的第一长度，第二连接通道具有减小横截面积的第二长度；其中第一长度小于第二长度。在一些优选实施例中，歧管为上游歧管。

本发明包括装置和制造装置(优选层状装置)的方法。例如，类似于上述第一方面，该发明提供一种制造层状装置的方法，包括：将多个薄片堆叠为薄片叠层；其中多个薄片中至少一个包含至少两个平行连接通道，第一连接通道和第二连接通道；其中至少两个连接通道中的每个通道的20％或更多通道长度具有恒定的横截面积，80％或更少的通道长度具有减小的横截面积(相对于具有恒定的横截面积的20％或更多的通道长度)。其中第一连接通道具有恒定的横截面积的长度大于第二连接通道具有恒定的横截面积的长度。该至少两个平行连接通道与歧管连接。

在一些优选的实施方案中，连接通道部分蚀刻于薄片上。也可浇铸，沉积，或这些方法的组合来形成要求结构的通道。在一些实施方案中，通道形成于整个层的厚度。相似的，本发明包括制造层状化学反应器的方法，其中催化剂沉积于恒定面积部分。

在另外的方面，本发明提供制造层状设备的方法，包括：将多个薄片堆叠为薄片叠层；多个薄片中至少一个包含至少两个平行连接通道，第一连接通道和第二连接通道；其中至少两个连接通道中的每个通道的20％或更多通道长度具有恒定的横截面积，80％或更少的通道长度具有减小的横截面积(相对于具有恒定的横截面积的20％或更多的通道长度)。其中第一连接通道具有恒定的横截面积的长度大于第二连接通道具有恒定的横截面积的长度。该至少两个平行连接通道与歧管连接。

另一方面，本发明提供在微通道设备中进行单元操作的方法，包括：将流体流入微通道设备的歧管进口，所述微通道设备包括具有进口和至少一个开口的歧管，和与该至少一个开口连接的整流栅。流体通过整流栅可层流流动，整流栅的无量纲的水力长度为0.005或更大，无量纲的水力长度为：

$x^{+}=\frac{L_{\mathrm{st}}}{R{e}_{\mathrm{st}}{D}_{\mathrm{st}}},$

其中，L_st为整流栅长度；Re_st为整流栅中流体的雷诺数；D_st为整流栅水力直径。可选择的，通过整流栅的流动可为层流外的任意流动，此时整流栅的长度与水力直径之比(L_fs/D_h)至少为1(优选至少为5)。流体分配器部件与整流栅和平行连接通道连接。来自歧管的至少部分流体通过整流栅进入流体分配器部件，然后进入连接通道。流体在整流栅中具有第一速度，在流体分配器部件中具有第二速度，其中第一速度大于第二速度；单元操作针对连接通道中的流体进行。

Q因数可作为度量以表征包括连接通道的装置。无论特定装置是否具有所声称的特性(即，Q因数(Q₁)为10％或更少，优选5％或更少，或2％或更少，或在一些实施例中为0.5％-5％)。为了测定设备的Q因数特性，空气在20℃流过该设备，Mo＝0.5。通过连接通道的分布状态可被直接测量或由下面举例中的计算流体力学(CFD)模型得出。

本发明包括在所述装置中进行化学反应和其它单元操作的方法。本发明还包括所述结构和/或所述方法制造的预粘结(prebonded)组件和层状设备。层状设备可由光学和电子显微镜方法或其它已知技术与非层状设备相区别。本发明还包括在所述设备中进行化学过程的方法，该方法包括流体流过歧管以及在连接通道中进行单元操作(如果歧管为上游歧管，流体在进入连接通道前通过歧管；如果歧管为下游歧管(footer)，则流体通过连接通道之后进入歧管)的步骤。在一些优选的实施例中，本发明包括无化学反应的单元操作，包括换热器，混合器，化学分离器，连接通道中的固体形成过程，相变单元操作如冷凝和蒸发，以及类似操作；这些过程一般被称为阶段化学过程，在其最广义含义中(在本申请中)包括热交换，但在优选实施例中不仅仅是热交换，还包括除了热交换和/或混合外的单元操作。

本发明包括在任意本发明的设计或方法中进行化学反应的方法。本发明的反应包括：乙酰化，加成反应，烷基化，脱烷基化，加氢脱烷基化，还原性烷基化，氨化，氨解氧化，芳构化，芳基化，自热重整，羰基化，脱羰基化，还原性羰基化，羧化，还原性羧化，还原性偶合，冷凝，裂化，氢化裂解，环化，环低聚，脱卤，脱氢，氧化脱氢，二聚，环氧化，酯化，置换，费托反应，卤化，氢卤化，同化，水合，脱水，加氢，脱氢，氢羧化，氢甲酰化，氢解，金属氢化，硅氢化，水解，加氢处理(包括加氢脱硫HDS/HDN)，异构化，甲基化，去甲基化，复分解，硝化，氧化，部分氧化，聚合，还原，重整，反向水气转换，Sabatier反应，磺化，调节聚合反应，酯交换，三聚，以及水气转换。以上列举的每个反应中，具有本领域技术人员公知的催化剂和反应条件，本发明包括了使用这些催化剂的装置和方法。例如，本发明包括通过氨化催化剂和含有氨化催化剂的装置进行氨化的方法。本发明因此可以以上列举的各个反应表述，单独的(如氢解)，或组合形式(如分别包括氢卤化，金属氢化和伴随氢卤化的硅氢化，金属氢化和硅氢化催化剂)。通过现有技术和/或常规试验的知识可以确定各个反应的适合反应条件，以及本发明中采用的装置和催化剂。为了引用一个例子，本发明提供了使用具有一个或多个所述设计特征的设备(特别为反应器)的费托反应。

技术术语

作为标准专利术语，“含有”意为“包括”并且这样的表述均不排除存在其它的或多个部件。例如，设备包括薄板，薄片，等等，应当理解发明的设备可包括多个薄板，薄片，等等。

“通道轴”为通过通道横截面中心并延伸穿过通道的线。

“连接”意为连上或粘附，包括扩散连接，胶合，铜焊和焊接。

歧管容量，C_man，定义为单位歧管体积中处理的物质的量：

$C_{\mathrm{man}}=\frac{m_{\mathrm{man}}}{V_{\mathrm{man}}}---\left(1\right)$

其中，m_man[kg/sec]为歧管中物质流量

V_man[m³]为歧管总体积：歧管通道；内部分配器特征，如子歧管和入口，格栅和其它歧管连接通道，包括他们的容器壁；歧管外部容器壁，包括其它歧管或工作通道不使用的歧管通道之间的空间。歧管总体积不包括直接位于歧管通道上方或下方的层的通道壁。M2M歧管的外部容器壁体积包括将歧管与微通道设备必需的设备周边分离的体积，其位于整个设备周围。它包括分离不规则碎片形分配器歧管的通道的壁体积，该歧管不被其它连接通道使用。

对于具有位于堆叠薄片结构内的M2M歧管的微通道设备，M2M歧管增加了设备的总体积，因而需要歧管容积最大。在本发明的优选实施方案中，M2M分配至少0.1kg/m³/s，优选1kg/m³/s或更多，更优选至少10kg/m³/s，在一些优选实施方案中分配达到30-500kg/m³/s。

歧管和连接通道(即，M2M分配器结构)间所述的连接部分优选厚度(即，高度)为20μm-5mm，更优选2mm或更少，优选宽度为100μm-5cm之间，在一些优选实施方案中宽度大于250微米且小于1毫米。连接通道长度下限为0，上限为1米，在一些优选实施方案中为2毫米至10cm。

通道横截面积为垂直于通道轴的横截平面。其不包括壁和壁上任何外加涂层(催化剂，粘结剂，金属保护层)的横截面积。层通常包括由通道壁分隔的多个通道。

通道由连续或具有间隙的通道壁确定。单块泡沫塑料或者毛毡的相互连接的路径不是连接通道。

“连接通道”为与歧管连接的通道。通常，单元操作在连接通道中进行。连接通道具有入口横截平面和出口横截平面。虽然一些单元操作或者部分单元操作可能在歧管进行，在优选实施方案中大于70％(一些实施方案中至少95％)的单元操作在连接通道进行。“连接通道矩阵”为邻近的基本平行的连接通道的集合。在优选实施例中，连接通道壁为直线。

“歧管横截面积连接率”为歧管连接部(如入口或格栅)开口区域的横截面积与位于连接部紧邻上游(对上游歧管而言)或连接部紧邻下游(对下游歧管而言)位置的歧管横截面积(垂至于中间轴)的比例。

FA无量纲数的意义为区别歧管中高动量流体与蠕动流：

$\mathrm{FA}=\frac{[0.058+0.0023{\left(\ln \mathrm{Re}\right)}^2{]}^{2}D}{L_{M2M}}<0.01$

其中，Re为歧管雷诺数，D为歧管水力直径，L_M2M为歧管长度。FA的上游歧管雷诺数和水力直径在壁平面最接近上游歧管入口的通道轴上的位置确定，上游歧管入口属于歧管中与通道轴连接的入口最接近连接通道。FA的下游歧管雷诺数和水力直径由壁平面最接近下游歧管出口的通道轴上的位置确定，下游歧管出口属于歧管中与通道轴连接的下游歧管出口最接近连接通道。本发明中，FA应小于0.01并且在一些优选实施方案中为0.001或更小。

“下游歧管”为用以从连接通道中排出流体的歧管。

“入口”包括歧管和两个或更多连接通道间的分界面。入口具有非零体积。入口通过改变连接通道进口的横截面积来控制流体进入多个连接通道。入口不同于简单的孔，因为通过入口的流体当其通过入口时，在歧管中流动方向上和连接通道中流动方向上都具有正向的动量。相反的，通过孔的流体的大于75％的正向动量向量位于孔的轴向上。通过入口的一般横截面积比例为入口控制的连接通道横截面积的2-98％(一些实施例中为5％-52％)，其中入口控制的连接通道横截面积包括入口控制的连接通道之间壁的横截面积。使用2个或更多的入口使得歧管分界面的横截面区域可用于调整歧管转向损失，其依次平衡入口间的流率。入口转向损失可用于补偿由摩擦压力损失引起的歧管压力分布的变化以及动量补偿，两者都影响歧管的压力分布。由Ra数决定的横截面最大除以最小面积优选小于8，更优选小于6，在最优选实施方案中小于4。

“格栅”为歧管和单一通道间的连接部。格栅具有非零连接体积。在薄片结构中，格栅由第一薄片中的横杆与相邻的第二薄片的横杆不对齐而形成，使得流体由第一薄片横杆上方流过而由第二薄片横杆下面流过。

“上游歧管”为用以向连接通道中输入流体的歧管。

“高度”为与长度垂直的方向。在薄板状设备中，高度为堆叠方向。在非薄板状设备中，高度为最小尺寸(平均)。

通道的“水力直径”为通道横截面积除以通道润湿周长长度的结果的四倍。

“L-歧管”表示进入歧管的流动方向与连接通道轴垂直的歧管设计，而相对歧管的流动方向与连接通道轴平行。例如，上游歧管L-歧管具有与连接通道轴垂直的歧管流动，而下游歧管流沿连接通道轴方向流出该设备。流体由歧管入口进入经过“L”形转角，通过连接通道并流出该设备。当2个L-歧管一起用于连接通道矩阵时，上游歧管在歧管的两端都有入口，或下游歧管在歧管的两端都有出口，该歧管被称为“T-歧管”。

“薄板状设备”为薄板制造的设备，通过该设备的流体可进行单元操作。

“长度”为通道(或歧管)轴方向上的距离，在流动方向上。

“M2M歧管”为大至小歧管，即，向或由一个或多个连接微通道分配流体的微通道歧管。M2M歧管依次向或由另一更大横截面积输送源传送流体，如大歧管。大歧管可以为例如导管，管道或开放贮槽。

“大歧管”为将多个微设备与单个进口和/或出口连接的导管，筒管，或管道。每个微设备还包括分配流体至多个平行微通道(即连接通道矩阵)的歧管。

“歧管”为分配流体至2个或更多连接通道，或至很大宽高比(宽高比≥30∶1)的单一连接通道的容器。宽高比为通道(流通方向上通过的空间)宽度除以高度。入口或进口的上游歧管平面为使得上游歧管几何上明显区别于上游通道的平面位置。上游歧管包括入口平面和L_M2M上游歧管起始点之间的任何容积。出路或出口的下游歧管平面为使得下游歧管几何上明显区别于下游通道的平面位置。歧管几何上的明显区别伴随着流动方向和/或物质流率的明显区别。当子歧管不引起流体方向和/或物质流率的明显区别时，歧管包括子歧管。下游歧管包括出口平面和L_M2M下游歧管起始点之间的任何容积。例如，微通道上游歧管入口平面为微通道上游歧管与更大的传输上游歧管交界处的平面，如导管和管道，通过焊接法兰或其它连接方法连接至该微通道设备。类似的，上游歧管开始于管状非微通道上游歧管与微通道上游歧管空间连接的平面。大多数情况下，本领域技术人员将容易识别提供连接通道集合的歧管的边界。

“歧管连接部”为歧管与1个或更多连接通道之间的平面。歧管连接部平面可具有与单个连接通道联合的体积，当通过入口与两个或多个通道连接时必须具有体积。

“歧管长度”(L_M2M)为歧管在其连接通道上的长度。对于上游歧管，L_M2M为最靠近上游歧管入口的壁平面与最远离上游歧管入口的壁平面位置之间的距离，最靠近的上游歧管入口属于最靠近与歧管通道轴连接的上游歧管入口的连接通道，即“L_M2M上游歧管起点”，最远离的上游歧管入口属于最远离与歧管通道轴连接的上游歧管入口的连接通道，即“L_M2M上游歧管终点”。对于上游歧管T-歧管和上游歧管U-歧管，当通道具有恒定的横截面积时，L_M2M上游歧管终点为两个相对的L_M2M上游歧管起点之间线上的中点，而且L_M2M上游歧管终点为两个旁路歧管通道轴线的相交处，假定该两个歧管旁路对称。对于下游歧管，L_M2M为最远离下游歧管出口的壁平面与最靠近下游歧管出口的壁平面位置之间的距离，最远离的下游歧管出口属于最远离与歧管通道轴连接的下游歧管出口的连接通道，即“L_M2M下游歧管起点”，最靠近的下游歧管出口属于最靠近与歧管通道轴连接的下游歧管出口的连接通道，即“L_M2M下游歧管终点”。在上游歧管T-歧管和上游歧管U-歧管中，当通道具有恒定的横截面积时，L_M2M上游歧管终点为两个相对的L_M2M上游歧管起点之间线上的中点，而且L_M2M上游歧管终点为两个旁路歧管通道轴线的相交处，假定该两个歧管旁路对称。

物质流量G为通道轴方向上的通道单位横截面积的物质流量。

“微通道”至少一个内径为5mm或更小。微通道具有高度，宽度和长度尺度。高度和/或宽度优选大约5mm或更少，更优选2mm或更少。长度通常较长。优选的，长度超过1cm，更优选为1cm-5m。微通道可以沿其长度改变横截面，但微通道不仅仅是一个开孔，如进口开孔。

歧管压头与摩擦损失的比率，Mo，由下式定义：

$\mathrm{Mo}=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\&rho;}}[G^2-0]}{\frac{4{\mathrm{fL}}_{M2M}}{D}\frac{G^2}{2\mathrm{\&rho;}}}={\left\{\frac{4f{K}_{M2M}}{D}\right\}}^{-1}$

其中，D[m]为M2M参考点处的歧管水力直径

f[无量纲的]为M2M参考点处的展开摩擦因子

G[kg/m²/s]为M2M参考点处的物质流量

Mo中上游歧管雷诺数和水力直径的参考点为通道轴上最靠近上游歧管入口壁平面的位置，上游歧管入口属于与通道轴连接的歧管中与入口最接近的连接通道。Mo中下游歧管雷诺数和水力直径的参考点为通道轴上最靠近下游歧管出口壁平面的位置，下游歧管出口属于与通道轴连接的歧管中与下游歧管出口最接近的连接通道。在优选实施方案中，Mo大于0.05。

模型为多个重复单元组合的层构成的大容积的微通道设备。

“开口通道”为沿整个微通道的至少0.05mm的间隙，使得流体可以以相对低的压降通过微通道。

“操作通道体积”为工艺(即连接)通道的内部体积。该体积包括催化剂(如果存在)体积和开放流体体积(如果存在)。该体积不包括通道壁。例如，反应容器包括2cm×2cm×0.1cm催化剂和2cm×2cm×0.2cm邻近催化剂的流体开放体积，具有总体积1.2cm³。

质量指标因数“Q₁”衡量歧管分配流体的效率。其为最大和最小连接通道流量的差值除以最大流量的比值。恒定通道尺度的连接通道系统中，通常需要达到各个通道相等的物质流量。这种情况下的方程式如下，并定义为Q₁：

$Q_1=\frac{m_{\max }-m_{\min }}{m_{\max }}\&times;100\%$

其中，m_max[kg/sec]为最大连接通道物质流量

m_min[kg/sec]为最小连接通道物质流量

当连接通道尺度变化时，通常需要停留时间，接触时间，速率或物质通量率(flux rate)从通道到另一通道时变化最小，以达到单元操作要求的任务。那些情况下我们定义质量指标因数Q₂：

$Q_2=\frac{G_{\max }-G_{\min }}{G_{\max }}\&times;100\%$

其中G为物质通量率。当所有连接通道具有相同横截面积时，Q₂的方程简化为Q₁。质量指标因数给出了连接通道流体流率范围，0％为最佳分布，100％表示至少一个通道中停滞(无流动)，值超过100％表示至少一个通道有回流(流体在需要的流动方向的反向流动)。例如，Q₁和Q₂未调整；但是，需要声明，Q₁和Q₂基于包含95％的净流体通过连接通道的通道而定义，当通过那些通道的流体无需计入通过连接通道的95％的净流体时，最低流体通道不计入。质量指标因数优选5％或更少，更优选2％，更加优选1％或更少；在一些实施方案中为0.5％-5％。

Ra(＝A_max/A_min)为歧管和连接通道间的最大与最小的连接部横截面积的比。这些区域属于入口或者格栅。

雷诺数Re为通常使用的通道中流体的惯性力与粘滞力的比例。其定义为物质通量率(G)乘以水力直径(D)除以动态粘度(μ)，

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{GD}}{\mathrm{\&mu;}}=\frac{\mathrm{\&rho;UD}}{\mathrm{\&mu;}}$

雷诺数值表示流股中的流体状态。该状态对雷诺数的关系式是通道横截面形状和尺寸的函数，下述范围通常用于通道：

层流：Re＜2000-2200

过渡流：2000-2200＜Re＜4000-5000

湍流：Re＞4000-5000

“薄片”或“薄垫片”为基本平的薄板或薄片，可具有任何宽度和长度，优选具有5毫米(mm)或更小的厚度(最小尺度)，更优选0.080英寸(2mm)或更小，在一些优选实施方案为50-1000μm。宽度和长度相互垂直，并与厚度垂直。在优选实施方案中，薄片具有长度和宽度，该长度和宽度与薄片所在堆叠层的长度和宽度共同延伸。薄片的长度在流体方向上；但是，当流体方向不能确定时，长度为薄片的最长尺度。

“子通道”为处于更大通道中的通道。通道和子通道沿它们的长度由通道壁确定。

“子歧管”是指与至少一个其它子歧管相连操作的歧管，以产生在一个平面上的一个大歧管。子歧管通过连续的壁互相分开。

“厚度”在堆叠方向测定。

在“U-歧管”中，上游歧管和下游歧管中的流体在相反方向流动，与连接通道轴形成非零的角度。当两个U-歧管一起用于连接通道矩阵，上游歧管的开口端均为入口且下游歧管开口端均为出口时，歧管称为“I-歧管”。

“单元操作”意为化学反应，蒸发，浓缩，化学分离，精馏，冷凝，混合，液体或气体流体悬浊液中固体或液体成型，液体悬浊液中形成气泡，加热，或冷却。“单元操作”不仅仅为流体输送，虽然输送经常伴随单元操作出现。在一些优选的实施方案中，单元操作不仅仅为混合。

“Z-歧管”中，上游歧管和下游歧管中的流体在相同方向流动，与连接通道轴形成非零的角度。进入歧管系统的流体从设备中其进入处的对面侧流出。流体从进口至出口实际上形成“Z”形方向。

附图说明

图1a表示设计用于沿微通道的长度方向形成变化的通道高度的堆叠层，使得连接通道集合中的压降和流动更均匀。

图1b表示结合(见图1a)之后的连接微通道模型，左边最远处的微通道比右边最远处的微通道具有更高的流动阻力。

图2表示控制连接通道中的流动以增强传热特性的特征(例如叶片或桩)的示例。

图3为设定为流体分配器个案研究的几何形状，其中歧管和通道高度为1.02mm(纸面之外)。

图4表示无本发明中特征的基线情况的通道流动分配。

图5表示含有本发明中流体分配器特征情况的的通道流动分配。

图6表示流体分配歧管设计(Z歧管)。

图7表示具有变化横截面的歧管的薄板设讨。

图8表示子歧管的圆角。

图9表示由入口向连接通道的逐渐变化。

图10表示连接通道与出口子歧管的直接连接。

图11表示本发明设计与现有技术设计相比较的薄片设计。

图12表示整流栅和流体分配器部件的若干实施例。部件1为整流栅，部件2(或第二部件)为流体分配器部件。

图13表示流体分配器部件的通道分支。

发明详述

在优选实施方案中，连接通道高度可改变或减少以改变长度来控制压降和很多平行微通道的流体分配。在该实施方案中，处理流体微通道包括至少两个或更多的相互堆叠的薄板或层。每个薄板包括通槽并在粘结后两个壁面薄板间堆叠形成密封的微通道。例如，两个带有通槽的层可堆叠形成微通道的高度，第一层可以比至少存在的第二层具有较短的槽。形成的微通道具有第二高度开口之前沿微通道长度方向的第一高度，第二高度表示至少两个在彼此上方堆叠的槽的组合高度。应该注意到，由于扩散粘结过程的收缩性，扩散粘结后最终的通道高度可能稍小(如，至多到10％更小)。在优选实施方案中，可有2个，3个，5个，10个或更多不同的平行通道第一高度的第一长度。

在一些实施例中，第二通道中由第一层薄板厚度表示的第一高度可具有比第一通道中第一长度更长的第二长度。第二通道中的压降比第一通道中的压降更大。第三通道等等可具有第一高度的第三长度，其优选比第二长度更长(如图所示)。该设计纠正了多个连接通道中的动量影响。

在一些实施例中，减小横截面积的长度可用于通道的任意位置，或通道中多个位置，并不仅仅靠近或紧邻歧管。这些流体分配器部件的可能位置包括紧邻进口歧管，紧邻出口歧管，或者与歧管或子歧管连接的通道中任意位置，如果存在的任何子歧管部分，或者前述位置的任意组合。其提供较常规歧管设计的显著优点，因为这些部件可设置于关键位置以实现不止一个目的，如：以连续通道间的连接长肋增加稳定性，提供增强的混合性，在宽的流率范围提供更均匀流体分配，以及提供对通道尺寸容差的较低的敏感性。流体分配部件也可包括于各个通道的多个位置，以更好的提供通道中存在互连的点的更均匀的压力，从而在通道中的那些点使得流体再分配最少。

本发明相对常规流体分配技术的另一可能的优点在于在更宽的流率范围的更稳定的性能。例如，在仅长度(而非横截面)不同的各个通道中的流体分配部件的实施例中，相比其他类型流体分配部件各个通道中依靠不同量级的收缩和扩张损失(流动阻力)，各个通道中的收缩和扩张损失更相似，流动放大阻力相对各个通道中的流率更线性。当各个流动通道中的多数流动阻力接近线性变化时，各个流体分配部件将在更宽的流体条件范围提供更强的流体分配(更均匀)。

微通道可由两个或三个带槽并彼此上方堆叠的层制成。微通道可具有第一高度，第二高度，和第三高度或更多。可有相应的第一长度，第二长度，和第三长度或更多。在可选择的实施方案中，具有第一高度的第一长度可紧邻具有第二高度的第二长度。第二长度可紧邻具有第三高度的第三长度，等等。

该适应各个微通道中压降以增强流体分配的方法对依靠层叠成型薄板的制造方法特别有用。有的情况下，优选使用步冲方法成型，使得需要最小的成型冲模以形成保持第一高度的第一和第二或更多的微通道长度。该方法中，薄板优选设置于具有在x和y方向移动的控制设备的桌面。薄片或薄板被移动使得冲模冲击以在每个薄板切割设计长度的通槽。步冲过程中，冲模冲击切割出总的槽长度部分，然后移动切割紧邻的槽。紧邻的槽可连接或靠近第一个槽。例如，5cm的冲模成型可以单次冲击切割出完整的5cm槽，或者在单次冲击切割出较短的4.97cm或4.8cm或3.8cm或2.5cm或在移动薄板的x-y桌面控制允许的任意尺度。总的来说冲模可以切割更大的槽，但薄板必须为冲模移动以制造更大的槽。冲模成型的长度不变，除非薄板移动以使得冲模在先前的切割或冲模区域进行，而同时切割小于整个冲模长度的新的金属部件。如此，形成具有第一高度和第一长度的第一通道过程中引入最小的制作复杂性，第一通道紧邻具有第一高度和不同的第二长度的第二通道以控制流体分配。

在可选择的实施方案中，两个薄板被堆叠于彼此上方以形成微通道，一个或两个薄板都被部分蚀刻以形成相似的不同于第二长度和第二高度的第一长度和第一高度。一个薄板可被部分蚀刻，而第二或第三或更多薄板具有堆叠的通槽以形成微通道。

在可选择的实施方案中，限流器(flow restriction)可设置于微歧管区域中，而非附加于微通道。堆叠具有通槽或开口的薄板的方法对该方案特别有效。第一子歧管中的第一高度的第一长度可大于第二子歧管中的第一高度的第二长度。如此，一个子歧管中的压降可在第一和第二子歧管间更均匀，以增强至少第一和第二子歧管间的流体分配。

通过改变微通道中横截面积从而控制流体分配的方法，可特别优选用于不具有分配流体横向通过设备的子歧管区域的交叉流动微通道；代替连接于平行微通道开口位置平面表面的大的开口或大歧管开口。此时，流体分配器可通过在第一微通道形成第一高度的第一长度控制，所述第一高度的第一长度不同于至少第二微通道的第二长度的第一高度。第一和第二长度可由堆叠成型薄板形成，或者从单一薄板部分去掉材料形成，使得连续的第一微通道沿微通道长度具有第一长度的第一高度和第三长度的第二高度，并且连续的第二微通道具有第二长度的第一高度和第四长度的第二高度。在可选择的实施方案中，薄板可包括至少具有第一长度的第一高度和第三长度的第二高度的第一微通道。薄板另外包括至少具有第五长度的第三高度和第六长度的第四高度的第二微通道。连续微通道部分的高度和长度的任意组合都是可能的。

在一些优选实施方案中，各个微通道的宽度沿其长度基本恒定，连接通道的各个通道具有基本恒定的宽度；“基本恒定”意为流体基本不受任何宽度改变影响。在这些例子中，微通道宽度保持基本恒定。优选保持微通道宽度恒定，因为宽度为设备机械设计的重要参数，由于在微通道宽度的每一侧具有相应的支撑肋的微通道组合的宽度，和分隔相邻层或可能在不同温度和压力下操作的微通道的材料的厚度，以及最终选择的材料和相应材料强度决定了设备的机械完整性和允许的温度和操作压力。如果宽度允许在薄板变化，如Goldbig等人的参考文献中，则相邻薄板间材料的厚度将依据最宽的微通道确定大小。因而，该设计中需要额外的材料。而且，变化的微通道宽度需要多个工具用于冲模并提高了制造复杂性。

增强流体分布并增强传热特性

如突出体的部件可以加入连接通道以实现这两个目的。部件大小用于控制通道的压降变化，提供连接通道间流体分配控制。此外，部件增强通道的传热特性。部件可以为由壁面伸出的具有任意形状突出体，如圆形，方形，锥形等等。一些部件形状如图2所示。这些部件可以仅被设置于连接通道部分。

计算举例-连接通道中的流体分配

本发明用于连接流体分配模型以显著增强前述的流体分配均匀性，其中流体为与公共的入口歧管连接的10个通道间的25℃、1.01bar出口压力的25SLPM的空气。该例子中各个通道尺寸为1.02mm乘4.06mm宽乘25.4cm长。各个通道由1.52mm宽的壁面分隔(从边缘至紧邻的通道边缘总共5.59mm)。公共歧管是1.02mm间隙，在进口流体方向和与平行微通道流体方向垂直的方向上有10.16mm宽和54.4mm长，如图3所示。不使用本发明的具有上述几何形状的该模型提供预计流体分配质量因数＞89％。该基准情况下的模型结果如图4所示。预计基准情况下压降为5027Pa。

第二种情况运行于相同的几何尺寸，除了通道间隙由1.02mm减小至0.25mm的流体分配器部件加入与歧管连接的各个通道位置。这些部件形成0.25mm乘4.06mm宽的通道，具有变化的长度设计以使得质量因数最小(即，流体分配均匀性程度最大)。包括流体分配器部件的各个通道的总长度保持恒定于25.4cm。具有流体分配器部件，质量因数预计＜0.4％。各个通道的流体分配器部件长度如表1所示，流体分配结果如图5所示。包括本发明部件的情况下的预计压降为5517Pa(比不包含该部件的基准情况高490Pa)。表1中，微通道中最长长度部件的通道具有最大的流动阻力。这些数值通过在后继中按前次迭代预计的物质流率的比例迭代因数，以在每次的连续迭代中重复改变流体分配部件长度获得。这些因数可归一化使得均值为1。虽然可能存在提供适当的流体均匀分配的无穷多个解，但是较短的长度使得压降最小，最短长度不少于制造目的中的实际情况。

表1个案研究中的流体分配部件长度

通道	长度(mm)
		1	0.711
2	2.108
		3	3.734
4	5.309
		5	6.706
6	7.899
		7	8.052
8	8.331
		9	8.585
10	8.738

部分蚀刻制造方法的M2M设计

薄材料层的化学蚀刻可以在具有精确公差的板上提供宽范围的部件设计和外形式样，这很难由通常的机械方法实现。其它制造方法也可能达到相似的设计，包括激光蚀刻，电铸和其它方法。该优选实施方案的一般特征在于制造连接薄板或层基部的部件，并不必须另外与层侧面连接。换句话说，该部件可为凸出基部的孤立物体以制造功能部件。

图6示意性表示了歧管，连接通道和薄板间的连接件的一般概念。包括歧管或子歧管的薄板有时称为“歧管薄板”。

材料1(如金属，聚合物，等等)可被蚀刻除去以留下如图6所示的薄板设置。在一个实施方案中，薄板仅在一侧蚀刻。在另一实施方案中，薄板两侧都被蚀刻；与通常的冲模不同，蚀刻仅为部分并且不透过板的另一侧。在薄板两侧都被蚀刻的实施方案中，一侧的蚀刻深度可与另一侧的蚀刻深度不同或相同。

流体通过多个小的横截面开口2进入薄板。流体然后进入作为进口子歧管的进口3。进口子歧管由肋9彼此分隔。

在一个实施方案中，进口子歧管横截面如图6所示为矩形的(假定恒定深度)。在另一实施方案中，进口歧管如图7所示具有变化的横截面(优选随着从进口的距离增加而减小容积)。进口子歧管横截面的变化可为连续的(如图7所示)或间歇的。而且，虽然未在图中从上向下的视图中表示，可能变化子歧管的深度以实现所需的容积变化。

在一个实施方案中，进口歧管具有锐角。在另一实施方案中，歧管如图8所示具有圆角。

在薄板上进口歧管的给定空间中，薄板上进口子歧管的数量可由减少子歧管间的肋的厚度而增加。在一个实施方案中，进口子歧管的数量使得子歧管中的雷诺数小于2300。

在各个进口子歧管中有可选的压力维持部件7，取决于操作条件可能需要或不需要。压力维持部件可为任意形状或大小，但是这些部件的高度与蚀刻深度相同。这些部件保持进口子歧管部分中流体间不同的压力。这些部件也作为障碍物并且可能使得压降增加。压力保持部件的形状，大小和数量由需要的总压降和压力决定。

来自进口子歧管的流体进入入口4，然后进入进口整流栅5。在一个实施方案中，一个进口子歧管有2个进口入口。在另一实施方案中，一个进口子歧管有与各个子歧管中连接通道6的数量相等的多个进口入口。

进口整流栅减少垂至于连接通道的任何方向的流体组分。在一个实施方案中，从进口入口向连接通道的流体输送可如图6所示在进口整流栅中突然变化。在另一实施方案中，从进口入口向连接通道的流体输送可如图9所示在进口整流栅中逐步变化。进口入口和进口整流栅间的角度可为锐角或圆角。

流体之后进入连接微通道。连接通道的数量可在子歧管间或类似的沿薄板宽度变化。连接通道由肋相互分隔，不允许操作(连接)通道间流体交流。在可选择的实施方案中，肋可为不连续的并允许平行微通道间的一些流体交流。在该实施方案中，流体交流允许流体再分配并增加或减小质量指标。流体之后通过出口整流栅8，出口10，出口子歧管11和出口开口12流出设备。出口整流栅，出口和出口子歧管可分别与入口整流栅，入口和入口子歧管具有相同的特征。在一个实施方案中，如图10所示，连接通道直接与出口子歧管连接。在另一实施方案中，进口子歧管直接与通道连接，出口整流栅，出口和出口子歧管用于设备的出口。

在一些实施方案中，歧管薄板和壁面薄板(壁面薄板通常为空白的，即没有部件)以重复方式堆叠以制造预结合设备或部件。在一个实施方案中，至少一个歧管薄板不同于包括至少3对重复歧管/壁面薄板的至少6个薄板堆叠中的其它薄板。在另一实施方案中，所有歧管薄板与其它歧管薄板设计上不同。

在一个实施方案中，歧管薄板面对面堆叠使得部件对齐。在另一实施方案中，仅歧管(或仅歧管与子歧管)面对面对齐；即薄板之一除了歧管(或除了歧管和子歧管)之外无部件；在该实施方案中，流体进入歧管薄板和对面薄板(压制出歧管或子歧管)的歧管(或子歧管)部件，然后流入入口和歧管薄板的连接通道。在出口子歧管，2个面对面歧管薄板中的流体可在面对面歧管薄板组成的歧管或子歧管中再混合并流出设备。仅歧管区域面对面配对(因而比连接通道具有更大高度)的实施方案通常因为连接通道小而更好传热而有利，传热可不要求在歧管区域。

在一些优选实施方案中，子歧管的数量设置用于减少所有子歧管中的总流率，以维持层流。与过渡流或湍流相比，子歧管中的仅层流流体将在单位单元长度有更低的压降。

使用整流栅和流体分配部件来提高连接通道中入口内的流体分布

现有设计(包括Fitzgerald等人的公开号为2005/0087767的美国专利申请中的一些设计)的一个注意到的问题是，当流体进入入口本身，与M2M歧管连接的入口具有很小的流动阻力。这是有问题的，当流体流过上游歧管入口时，由于其流动基本垂至于入口平面而可能不进入入口。其将以锐角进入通道并且不会发生在入口垂直方向。然后以平均动量进入垂直方向入口下游的再分配区域，这将使得入口下游的连接通道的侧壁承受这些动量。这导致有时增大入口内的质量指标因数。流体动量为入口和M2M歧管通道间连接界面上流股的一定重量的物质重量的平均方向性速度，并且本领域技术人员可由大多数计算流体力学程序计算。

下述概念用于增强两个连接通道部分的流体分配：歧管界面的整流栅，以及两个或更多连接通道的流体分配部分。该概念使用入口开口或歧管开口的第一部件和足够长度的与入口开口垂直的邻接通道，以整流通道末端和M2M入口界面间的流体。整流栅和连接通道间为横截面积增大的第二部件，其可为连续的或间歇的，在第一部件和连接通道间以增加至/自这两个或多个连接通道的流动阻力。现有技术和新设计举例的对比如图11所示。

第一部件可为入口横截面的直线延伸(如图11所示)，或者具有变化的横截面积。一些整流栅的实施方案包括：连续减小的横截面积，一系列突然收缩以帮助整理或者突然扩张或收缩和扩张的组合。

通过整流栅的层流中，整流栅优选出口无量纲水力长度x⁺为至少0.005，更优选x⁺＞0.01，或最优选x⁺＞0.05，无量纲的水力长度为：

$x^{+}=\frac{L_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{Re}}_{\mathrm{st}}{D}_{\mathrm{st}}},$

其中L_st[m]为整流栅长度；R_est[-]为整流栅中流体的雷诺数；D_st[m]为整流栅水力直径。整流栅长在歧管连接件面积垂直方向上确定，当整流栅随其长度改变横截面积时，直径Dh为整流栅整个长度上的平均水力直径。

当过渡流和湍流流体通过整流栅时，优选第一部件长度与第一部件水力直径之比为至少3∶1，更优选至少5∶1，更优选至少10∶1。较之于进入整流栅的流体，整流栅的目的是离开整流栅的流体平均动量向量与歧管/通道界面平面的垂直向量有较小的角度差。优选的整流栅出口角度小于35°，更优选小于15°，更加优选小于5°。

流体分配部分比整流栅必须具有至少一个横截面积的增加(在宽度或高度，或二者均扩张)。流体分配部分可仅包括开放空间，或可包括流体破碎组件，如横杆，部分栅栏，条形翅片，钉，或者波纹翅片。图12表示了这些概念的一些例子。

流体分配部分可使用分叉的通道(一个分叉通道的例子可见于Amador，C.A.Gavriilidis，P.Angeli，“Flow distribution in different microreator scale-outgeometries and the effect of manufacturing tolerances and channelblockage”，Chem.Eng.J.vol.101，pp.379-290，2004)。图13表示分叉的一个例子。

实施例-z-歧管中的流体模型

新的入口设计模拟于具有上游歧管入口的单个入口系统的z-歧管中。该系统由计算流体力学使用程序Fluent 6.2.16模拟。其由两个固体层构成，层1为0.025cm(0.010″)厚度，层2为0.046cm(0.018″)厚度，其中两个层侧面与两个壁面相接。该模拟系统包括以下流体路径：

1、M2M歧管，宽度1.270cm(0.500″)，间隙高度0.071cm(0.028″)，长度3.353cm(1.320″)。上游歧管入口上游的M2M歧管长度为2.083cm(0.820″)，上游歧管入口下游的M2M歧管长度为0.406cm(0.160″)。M2M歧管由层1和2组成。进口具有恒定的物质流率进口条件。L_M2M为2.083cm。

2、层2中的上游歧管入口为0.046cm高，1.270cm(0.500″)宽以及0.152cm(0.060″)长。

3、层1和2中的第一部件或整流栅为0.635cm(0.500″)长，间隙高度0.071cm，宽度1.270cm。L_st/D_st＝9.4。

4、第一部件的第二部分突然收缩至间隙高度0.025cm，1.270cm宽和0.152cm长。

5、流体分配部件，或部件2的第一部分，为间隙高度0.071cm，0.610cm(0.240″)长和2.083cm宽的开口部件，横截面积的第一个突然变化由两个层构成。其允许流体横向分配。

6、流体分配部件的第二个突然的横截面积变化在层2，2.083cm宽，0.046cm高和0.152cm长。

7、流体分配部件的再分配部件为0.071cm间隙高度，0.635cm(0.250″)长和2.083cm宽的开口部件，由两个层构成。

8、流体分配部件的第三个突然的横截面积变化为0.025cm间隙高度，2.083cm宽和0.152cm长，由层1构成。

9、第四个突然的横截面积变化为整体0.610cm长和2.083cm宽，由3个0.152cm宽乘0.025cm高度间隙分隔的4个0.406cm宽乘0.046cm高度的间隙。

10、流体离开流体分配部件并进入4个分隔通道，通道在层1中，0.406cm宽，0.025cm间隙高度和0.152cm长。

11、由两个层构成的4个连接通道为0.406cm宽，0.071间隙高度和15.661cm长以及0.071cm高。连接通道数量1最接近于

12、流体离开连接通道并进入下游歧管入口，层1中的下游歧管入口有4个0.025cm间隙高度，0.406cm宽和0.152长的连接件。

13、流体在如9中所述的部分中再接触，但所述部分的长度为0.551cm。

14、流体类似于8中具有突然的横截面积变化。

15.流体再分配于0.617cm(0.243″)和2.083cm总宽度的部件中，其中1.270cm宽以及0.071cm侧面与两个0.406cm宽和0.025cm高的间隙相接。

16、至M2M歧管的下游歧管入口连接件为0.046cm高，1.270cm宽和0.152cm长。

17.下游歧管入口连接于下游歧管M2M歧管，歧管总长度3.353cm，0.071cm高以及1.186cm(0.467″)宽。下游歧管M2M歧管部件在下游歧管入口上游的长度为0.152cm，无进入流体。M2M下游歧管下游长度3.353cm，以恒定压力流出。L_M2M为2.083cm。

该模拟中，空气以0.000334kg/s、305℃垂直流入进口平面。出口压力设为2.204Mpa(305psig)。模拟具有167568个单元格，模拟结果在表1中。系统中通道至通道的质量指标因数(Q₁)为2.8％。连接通道的实际压降平均为0.031psid，因此质量指标因数很好。较低的Q因数可由在流体分配部件产生更大的压降而获得，例如，增加障碍物。重要的是上游歧管M2M歧管-入口界面的平均通道动量与垂直速度成26.6°，在突然收缩位置的整流栅的出口处的流动为6.3°。

表：CFD模拟结果

通道#	物质流率[kg/s]
		1	8.276E-05
2	8.419E-05
		3	8.469E-05
4	8.236E-05

Q[％]2.8

dP[psid]0.234

dP[kPa]1.613

Claims (20)

1.一种化学处理设备，包括：

具有开口的歧管；

至少两个平行连接通道，即第一连接通道和第二连接通道，并与歧管连接；以及

其特征进一步在于流动控制结构包括：

(1)流动控制装置，其中，至少两个平行连接通道中的每个通道的20％或更多通道长度具有恒定的横截面积，相对于具有恒定的横截面积的20％或更多的通道长度，80％或更少的通道长度具有减小的横截面积；其中第一连接通道具有恒定的横截面积的长度大于第二连接通道具有恒定的横截面积的长度；或者

(2)与歧管开口连接的整流栅；和

与整流栅和平行连接通道连接的流体分配部件；

其中整流栅的长度与水力直径之比(L_fs/D_h)至少为1，并具有横截面积；

其中流体分配部件的横截面积大于整流栅的横截面积。

2.如权利要求1所述的化学处理设备，其中，至少两个平行连接通道中每个通道的20％或更多通道长度具有恒定的横截面积，相对于具有恒定的横截面积的20％或更多的通道长度，80％或更少的通道长度具有减小的横截面积；

其中，第一连接通道具有恒定的横截面积的长度大于第二连接通道具有恒定的横截面积的长度。

3.如权利要求2所述的化学处理设备，其中歧管为上游歧管；连接通道为微通道。

4.如权利要求3所述的化学处理设备，其中至少两个平行连接通道中每个通道的恒定横截面积的长度是不间断或连续的。

5.如权利要求4所述的化学处理设备，其中至少两个平行连接通道中每个通道的减少横截面积的长度是不间断或连续的。

6.如权利要求3所述的化学处理设备，其中至少两个平行连接通道中每个通道的减少横截面积的长度是不间断或连续的。

7.如权利要求3所述的化学方法设备，其中进一步包括子歧管；其中连接通道与子歧管相连。

8.一种化学反应器，包括：

至少两个平行连接通道，第一连接通道和第二连接通道，并与歧管连接；

部分第一连接通道和第二连接通道包含催化剂；

其中第一连接通道的包含催化剂部分和第二连接通道的包含催化剂部分具有相等和恒定的横截面积；

第一连接通道具有减小横截面积的第一长度，第二连接通道具有减小横截面积的第二长度；第一长度小于第二长度。

9.如权利要求8所述的化学处理设备，其中，歧管为上游歧管。

10.如权利要求8所述的化学处理设备，其中，连接通道为微通道。

11.一种制造层状设备的方法，包括：

堆叠多个薄片为薄片堆；

多个薄片中至少一个包括至少两个平行连接通道，第一连接通道和第二连接通道；

至少两个平行连接通道中每个通道的20％或更多通道长度具有恒定的横截面积，相对于具有恒定的横截面积的20％或更多的通道长度，80％或更少的通道长度具有减小的横截面积；

第一连接通道具有恒定的横截面积的长度大于第二连接通道具有恒定的横截面积的长度；

该至少两个平行连接通道与歧管连接。

12.如权利要求1所述的化学处理设备，包括：

与至少一个开口连接的整流栅；和

与整流栅和平行连接通道连接的流体分配部件；

其中整流栅的长度与水力直径之比(L_fs/D_h)至少为5，并具有横截面积；

其中流体分配部件的横截面积大于整流栅的横截面积。

13.一种在微通道设备中进行单元操作的方法，包括：

使流体进入微通道设备的歧管入口，其中微通道设备包括：

具有进口和至少一个开口的歧管；

与该至少一个开口连接的整流栅；

其中通过整流栅的流动为层流流动，整流栅的无量纲的水力长度为0.005或更大，无量纲的水力长度为：

$x^{+}=\frac{L_{\mathrm{st}}}{{\mathrm{Re}}_{\mathrm{st}}{D}_{\mathrm{st}}},$

其中L_st为整流栅长度；Re_st为整流栅中流体的雷诺数；D_st为整流栅水力直径，或者，

通过整流栅的流动为层流外的任意流动，此时整流栅的长度与水力直径之比(L_fs/D_h)至少为1；

与整流栅和平行连接通道连接的流体分配器部件；

其中，来自歧管的至少部分流体通过整流栅进入流体分配器部件，然后进入连接通道；

其中，流体在整流栅中具有第一速度，在流体分配器部件中具有第二速度，第一速度大于第二速度；

流体的单元操作在连接通道中进行。

14.如权利要求13所述的方法，其中，流体通过歧管的速度至少为1kg/m³/s。

15.如权利要求13所述的方法，其中，流体通过歧管时FA为0.01或更少。

16.如权利要求13所述的方法，其中，流体通过歧管时Mo至少为0.05。

17.如权利要求13所述的方法，Q因数为5％或更少。

18.如权利要求1所述的化学处理设备，其中Q因数(Q₁)为10％或更少。

19.一种化学处理设备，包括：

包括开口的歧管；

至少两个平行连接通道，第一连接通道和第二连接通道，并与歧管连接；以及

其特征进一步在于流动控制结构包括：

与歧管开口连接的整流栅；和

与整流栅和平行连接通道连接的流体分配部件；

流体分配部件的横截面积大于整流栅的横截面积；

而且，该设备的特征Q因数(Q₁)为10％或更少。

20.如权利要求19所述的化学处理设备，其中整流栅的长度与水力直径之比(L_fs/D_h)至少为5，整流栅具有横截面积；且特征Q因数(Q₁)为0.5-5％。

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