CN101443111B - 用来控制工艺管道中流量的流量分配管道 - Google Patents

Abstract

本发明描述可以用来控制对微管道阵列的流量的部件。本发明还描述其中将工业生产流分配到多个微管道的方法。该流体处理方法包括使工业生产流流入至少连接到两个流量分配管道的歧管。这些流量分配管道连接到处理微管道并且至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部。

Description

用来控制工艺管道中流量的流量分配管道

政府权利

本发明是在由美国能源部授予的合同DE-FE36-04GO14271下的政府支持下作出的。政府在本发明中具有特定权利。

相关申请

根据35U.S.C.sect.119(e)，本申请要求2006年4月25日申请的临时专利申请S/N60/745,614的优先权。

发明领域

本发明涉及微管道装置中的流量控制。

绪论

许多微管道装置包含众多平面的平行工艺微管道。控制从歧管或多个歧管到这些平行工艺微管道中的流量已成为按比例增大微管道装置的主要挑战。控制平行工艺微管道中的流量(且通常要使流量均衡)的技术的示例已经由Fitzgerald等人在美国的已公开专利申请No.2005/0087767和2006/0275185中描述，这两个申请就像全部复制在下文中一样结合于此。虽然这些出版物提供了非常有用的用来控制流量的技术，但仍存在其中在一定范围的条件下可能需要适用于更大制造公差或更大可操作性的更简单装置或装置的一些实例。

现有技术包括众多通过微管道分开和重聚流量的混合装置，例如美国专利No.6,845,787。这些专利没有提供用来控制从歧管到平行工艺管道阵列的流量的合适手段。

发明内容

微管道反应器、分离器、和其它单元操作中的流量分配可能需要对数十、数百或数千个管道的充分均匀的流量分配。为了实现该充分均匀——通常表征为质量指标小于30％、或小于20％、或更优选地小于10％、或最优选地小于5％甚至1％或更小——的流量分配，使用流量分配部件(也称为流量分配管道(FDC))来分配流量。在一些流量分配部件中，摩擦损耗是压降的主要原因(例如，通过该部件的损耗中超过50％、优选70％、超过90％可以是摩擦损耗)。在本发明中，节流孔或多孔塞不是流量分配部件。将流量分配管道引入其中进行单元操作的连接管道的上游或下游，但优选上游。流量分配管道利用比连接管道更高的压降(即，在连接管道的整个长度上)，优选为至少25％或50％、或更优选2倍或4倍或更高。减轻了进行单元操作的连接管道中的时间不稳定性和/或压降的变化对到许多平行微管道的总体流量分配的影响。

在本发明中优选通过流量分配部件的压降大于通过连接管道的压降。相反，通过节流孔的流量是由膨胀和收缩来控制(主要不是摩擦损耗)。本发明包括控制流量的方法以及装置，和/或装置的设计(优选该装置是其中每个连接(例如，工艺)管道至少具有一个1cm或更小、优选为2mm或更小的内部尺寸)。一组连接管道至少包括2个，优选至少5个，更优选至少10个连接到共同头集管和/或尾集管的平行管道。

在一个方面中，本发明提供流体处理方法，包括：使工业生产流流入歧管和工业生产流中。流量分配管道FDC连接歧管和工艺管道。歧管至少连接到第一流量分配管道(FDC)和第二FDC。这些FDC的每一个都包括一系列弯曲部，至少包括四个为90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部。第一FDC管道将歧管连接到第一工艺管道，而第二FDC管道将歧管连接到第二工艺管道。工业生产流的流经第一FDC的部分仅与一个工艺管道连接而且不与任意其它FDC连接，以使工业生产流的进入第一FDC的该部分全部流入第一工艺管道。在第一和第二工艺管道中进行单元操作(可相同或不同)。

在另一方面中，本发明提供微管道装置，包括：歧管；其中该歧管至少连接到第一FDC和第二FDC；其中每个FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部，以及其中第一FDC管道将歧管连接到第一工艺管道；其中第二FDC管道将歧管连接到第二工艺管道；以及其中第一FDC仅与一个工艺管道连接而且不与任意其它FDC连接，以使工业生产流的进入第一FDC的该部分的全部流入第一工艺管道。

在另一方面中，本发明提供一种从歧管到多个工艺管道的流量分配方法，包括：使工业生产流流到歧管中；其中该歧管至少连接到第一FDC和第二FDC；其中每个FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部；其中第一FDC管道将该歧管连接到第一工艺管道；以及其中第二FDC管道将该歧管连接到第二工艺管道。在这个方面中，第一FDC管道与第一工艺管道在同一平面上，而且第一FDC的截面积在各方面都比第一工艺管道的截面积小。“在同一平面上”意味着工业生产流在FDC和工艺管道两者中都保持在同一层内——它不会流出该层然后流回该层。截面积垂直于总体流动测得。在一个优选实施例中，第一FDC管道在与第一工艺管道和歧管相同的平面上。

同样，本发明提供微管道装置，包括：歧管；其中该歧管至少连接到第一FDC和第二FDC；其中每个FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部；其中第一FDC管道将该歧管连接到第一工艺管道；其中第二FDC管道将该歧管连接到第二工艺管道；以及其中第一FDC管道与第一工艺管道在同一平面上。“在同一平面上”意味着工业生产流保持在同一层内——它不会流出该层然后流回该层。本发明还包括预先接合(或后接合)组件，其包括具有这种配置的薄板的叠层。

在另一方面中，本发明提供一种混合流体的工艺，包括：使第一流体流过工艺管道；使第二流体流过FDC进入该工艺管道，在其中第一和第二流体混合，其中FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部。在这个方面中，第一和第二流体不同。在一优选实施例中第一流体到工艺管道的质量流速是第二流体在工艺管道中的流速的5％或更小(在一些实施例中是1％或更小，或0.1％或更小)。在一些优选实施例中，包括平行工艺管道阵列的层通过多个FDC连接到一个或多个附加流体管道。附加流体管道的阵列可在平行层中。例如，利用这种工艺，通过在第一层中使连续相流过工艺管道并且使分散相流过第二层可以形成乳液。在一些实施例中，工艺管道的数量比附加流体的管道数量大5倍、10倍、20倍、100倍。

在一相关方面中，本发明提供用于混合流体的装置，包括：工艺管道；附加流体管道；以及将附加流体管道连接到工艺管道的FDC，其中FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部。

在另一方面中，本发明提供一种流体处理的方法，包括：使工业生产流流入歧管；其中该歧管至少连接到第一流量分配管道(FDC)和第二FDC；其中第一FDC包括具有单个管道的第一部分、一端连接到第一部分而另一端连接到第一工艺管道的第二部分、一端连接到第一部分而另一端连接到第二工艺管道的第三部分；其中第二FDC包括具有单流道的第一管道部分、一端连接到第一管道部分而另一端连接到第三工艺管道的第二管道部分、以及一端连接到第一管道部分而另一端连接到第四工艺管道的第三管道部分；其中每个FDC部分包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部；以及在第一、第二、第三和第四工艺管道中进行单元操作。

在本文描述的任意方法或装置的优选实施例中，FDC可具有例如角度为至少135°的蛇形。在另一优选实施例中，工业生产流在流过一个或多个工艺管道时部分沸腾。例如，工艺管道中的0.5％至50％的流体会沸腾。对其中工艺管道中的工业生产流包括乳液、悬浮液、或非牛顿流体的应用，本发明方法尤其有用。例如，在上述方法中，第一工艺管道可具有带节流孔的管道壁，包括第一相的第一流体流过第一工艺管道，而与第一流体不互溶的第二流体流经该节流孔进入第一流体以形成乳液。第二流体可流经FDC，使受控流进入工业生产流。对其中流经FDC的是牛顿流体而流入(优选直)工艺管道的是非牛顿流体的应用，本发明方法尤其有用。在一些实施例中，将歧管与多个平行工艺管道连接的多个FDC具有相等长度和/或相等数量的弯曲部。该歧管可以是头集管或尾集管。在一些优选实施例中，FDC可以是平坦的，而且可以通过例如在板上刻蚀或压印图案(诸如蛇形的图案)来形成。优选地，FDC中的压降大于通过工艺管道的压降。在一些优选实施例中，FDC至少包括4或8个弯曲部。在一些实施例中，一个FDC仅有一个到歧管的连接和一个到工艺管道的连接。对于FDC而言，也有可能分支成分离的子FDC；对本发明来说，这些被称为FDC部分。在一些实施例中，流体不受限制，可处理液体、气体或二者均可。在同一FDC中，该FDC可以具有相同角度的弯曲部或不同角度的弯曲部。

本文描述的任意装置可以替换地按照薄板的预接合或后接合组件、或包括其中具有流体流的装置的化学系统来描述。

本发明各方面的重要优点是能实现的紧凑装置。优选地，连接到歧管的所有流量分配管道包括弯曲部，更优选地都具有蛇形弯曲部。优选地，从歧管到工艺管道的距离小于工艺管道的长度；更优选地，工艺管道的长度至少是从歧管到工艺管道的距离的2倍、4倍、或10倍。在一些实施例中，工艺管道的宽度至少是其高度的3倍，并且连接到工艺管道的FDC或多个FDC(优选也包括所连接的歧管)在宽度方向共有一个平面。优选地，装置上FDC的面积(或装置中FDC的体积)小于工艺管道的面积(或体积)；优选地至少小十倍。在一些实施例中，连接到歧管的或在一层内的多个(或全部)FDC的截面相同。

本发明应用的一些无限制示例包括：诸如全部或部分地沸腾或凝固的相变，多相混合应用，包括氧化、氢化、磺化、硝化、变形、重构、或任何其它反应的反应，乳液或悬浮液的形成，或包括蒸馏、吸收、吸附、相分离的分离的其它混合应用。这种新颖的方法可用来将传热流体汇集到任意单元操作，包括仅包括传热的那些。

本发明的部件还可以用来减小系统的头集管和尾集管的体积。通过这种方法，它们用来减小需要诸如吸附的快速瞬态响应的应用或快速响应输入参数的瞬态变化所需的其它应用的死体积。本部件还用来减小在诸如其中加宽从包括氧化、硝化、氢化、固化反应、乳液形成装置或其它的选择性反应形成产物的驻留时间分布之类的过程中可用来增大分散度的死体积。

附图简述

图1示出弯曲部的示例。

图2示出形成流量分配部件的联立弯曲部的示例。

图3示出弯曲部的组合。

图4示出表面部件中的流体区和流体交换区。

图5示出一些流量分配部件的位置。

图6示出流量分配部件形状的示例。

图7示出示例1中的流量分配部件的尺寸。

图8示出流量分配部件的长度对Q因数的影响。

图9是示例3的装置的重复单元的第一层的示意图。

图10示出示例3的部件尺寸。

图11是示例3的装置的重复单元的第三层的示意图。

图12示出示例3中的分散相分配的流量分配部件的尺寸。

图13示出乳液形成微管道装置的组合单元。

图14示出连续相流量分配。

图15示出分散相分配。

图16示出示例4中的流量分配部件的尺寸。

图17示出示例4中Re＝951处的损耗系数。

图18示出示例4中Re＝12172处的损耗系数。

图19示出示例4中Re＝36517处的损耗系数。

图20示出损耗系数K作为来自示例4中的CFD的Re的函数。

图21是示例5中建模的装置的示意图。

图22是示例5的密度-压力曲线图。

图23示出示例5中的流量分配部件中弯曲部的数量。

图24示出示例5中的微管道中的预定流量分配。

图25示出针对示例5中设计灵敏度分析的管道压降变化。

图26示出针对示例5中设计灵敏度分析的质量流分配。

图27是示例6中的流量分配歧管和流量分配部件的示意图。

图28示出来自示例6的具有尖角和圆角的流量分配部件。

图29示出具有和不具有流量分配部件的质量因子比较。

术语表

作为标准专利术语，“包括”表示“包含”，并且这些术语都不排除另外的或多个组件的存在。例如，当一装置包括薄层、薄板等，应当理解该发明装置可以包括多层薄层、薄板等。

“头集管”是安排成将流体输送到连接管道的歧管。

“高度”是垂直于长度的方向。在层叠装置中，高度是堆叠方向。

管道的“水压直径”被定义为该管道的截面积除以该管道的浸润周长的长度的结果的四倍。

“层叠装置”是由能够对流经该装置的工业生产流进行单元操作的叠层制成的装置。

“长度”指的是管道(或歧管)的轴向即流动方向的距离。

“微管道”是至少具有一个10mm或更小且大于1μm以及在一些实施例中为50至500μm(优选大于10μm)的内部尺寸(壁到壁，不包括如果存在的计数触媒)的管道。微管道也通过出现不同于至少一个开口的至少一个开口来限定。微管道不仅仅是通过沸石或中孔性材料的管道。微管道的长度对应于流体流经该微管道的流向。微管道高度和宽度基本垂直于流体流经该管道的流向。在其中微管道具有两个主表面(例如，由堆叠和结合薄板形成的表面)的层叠装置的情况下，该高度是从主表面到主表面的距离而宽度垂直于高度。

“弯曲部”定义为长度大于该管道的水压直径的流体路径，用流体的最初方向作为参考它使流体流动的方向改变超过10°(更优选至少90°，再优选至少135°，以及在一些实施例中为约180°)。图1示出弯曲部的示例。该弯曲部的角度定义为弯曲部入口处的流体流向和弯曲部出口处的流体流向之间的相对角度。优选地该相对角度小于或等于180°。图1(a)示出角度为180°的弯曲部。图1(b)示出相对角度为90°的弯曲部。图1(c)也示出相对角度为90°的弯曲部。

图2示出结合到一起形成流量分配部件的流体路径的多个弯曲部的示例。图2(a)示出串联的四个弯曲部的示例，每个弯曲部成180°来形成流量分配部件。图2(b)示出四个弯曲部，每个弯曲部成180°但被直部分隔开。图2(c)同样示出7个串联的弯曲部，每个弯曲部成90°的角度。两个弯曲部之间流体流方向的改变不算作弯曲部，因为弯曲部的长度小于管道的水压直径。而且，对于是“弯曲部”的一弧形区段，其斜率的导数必须有变化，诸如图2(c)中所示；半圆仅包括一个180°的弯曲部，而不是任意数量的更小弯曲部。

图3示出其中为了简化起见两个弯曲部可结合称为单个弯曲部的示例。在图3中，如果尺寸“a”是尺寸“b”的两倍还多，弯曲部3和弯曲部4可以组合到一起来形成一个弯曲部。

本发明的优选实施例至少包括3个弯曲部，在一些实施例中至少6个弯曲部，以及在一些实施例中3到15个弯曲部。在一些实施例中，各弯曲部被配置成具有蛇形。

还可以通过改变单个垫片内的方向或改变从垫片到垫片的方向实现各弯曲部。例如，流体路径可以在一个垫片中持续一定距离，然后移到新的一层中，形成90°的弯曲部，并在第二垫片内以与初始垫片基本相同的角度或以新的角度继续。

“单元操作”表示化学反应、汽化、压缩、化学分离、蒸馏、凝固、混合(包括形成乳液)、加热、或冷却。虽然传输连同单元操作频繁出现，但“单元操作”不仅仅表示流体传输。在一些优选实施例中，单元操作不仅仅是混合。

发明详细描述

流量分配管道可以是任意物理几何形状和取向，但优选地表征为至少一个尺寸(优选地水压直径)小于连接管道(在这份申请中，术语“连接管道”与“工艺管道”同义)，以使对于给定流速分配管道中的压降高于连接管道中的压降。分配管道的一示例几何形状是连接到连接管道阵列的蛇形部件的阵列。该蛇形部件可以具有等于垫片厚度的管道间隙(例如薄板中的压印或刻透部件)，或在部分刻蚀部件的情况下具有比垫片厚度小的管道间隙(也称为管道高度，因为它在层叠装置的堆叠方向)。流量分配部件的宽度或跨度可以小于连接管道的宽度或跨度。在一实施例中分配管道可以是蛇形的以便于增大流道的有效长度，同时相对于连接管道的体积最小化歧管区的总体积。在一些实施例中，优选在微部件内有体积小于一组连接管道的100％体积，更优选体积小于连接管道的20％体积的歧管。

蛇形部件可以在单个垫片中；即单个平面中。包括蛇形或其它形状部件的流量分配部件的其它实施例可以在层叠装置中以从层到层来回移动的方式横穿多层。对于该实施例，需要一层以上垫片。连接管道可以在单垫片中或多垫片中。和先前在更早公开的示例中描述的闸门和栅格不一样，在这种情况下优选通过穿过多层薄板的部件的压降大于穿过连接管道的压降。

优选流量分配部件具有50mm或更小的高度，更优选10mm或更小的高度，再优选5mm或更小的高度，在一些实施例中高度在0.005到10mm的范围内，在一些实施例中高度至少为0.05mm，而优选宽度为2mm或更小，在一些实施例中宽度在0.05到1mm的范围内，而在一些实施例中宽度为0.25mm或更小。高度和宽度通常都垂直于管道中的流体流向。在一些实施例中，流量分配部件的截面积大约是工艺管道截面积的1/100。在一些实施例中，流量分配部件的截面积至少是工艺管道截面积的1/2、或1/10或1/50。

流量分配部件不同于专利文献中所称的“表面部件”。表面部件是管道壁上的凹陷或凸起。有表面部件的管道具有两个流体区：如图4中所示的表面部件内的流体区和也可被称为主管道区的表面部件外的流体区。图4示出有表面部件的管道的截面图。这些流体区之间的流体流实质上在有表面部件的管道中交换。如图4中所示主管道中的流体进入和离开来自相同平面的表面管道流体区。然而在流量分配部件中，一般只有一个流体区。如果建立了其它流体区，例如弯角处的回流区，在这些回流区之间流体实质上不会交换。流体在一个平面进入流量分配部件中并从另一个平面离开该流量分配部件。

流量分配管道可以是平面的(例如在单层中)或可以具有穿过多层的三维的可以在进行单元操作时对流体流产生大于连接管道中的阻力的曲折路径。

可以使用本领域中描述的用来构造微管道器件的任意方法来构造流量分配管道。一实施例包括刻蚀或切割层叠或接合的材料薄板。本发明还包括薄板的层叠组件(例如，薄板的预先接合或接合叠层)。

使用分配管道改善了单元操作进行时由于连接管道的最终尺寸差异而在流体流中出现的不确定性。该差异产生的原因可以是触媒的引入、触媒的性能、多相混合物、非牛顿混合物的形成、气泡的形成或任意相变。通过这种方法也尤其有利于包括多相接触的反应，其中气—液、或液—液相的压降难以预测或本质上是瞬态或是其它反常机制。对其中针对多个工艺使用相同装置的实施例或制造多次产物使用分配部件同样有用。

对其中流体物理性质沿着连接管道或工艺管道的长度显著变化(大于20％，优选大于50％)的过程使用分配部件尤其有用。可以沿着工艺管道的长度变化的流体物理性质的示例包括一不溶相在另一相中的比例(例如，液-液过程、液-气过程、液-固过程等等)、黏度变化、流体密度变化、以及其它物理性质变化。

流量分配部件合乎需要地在流体和壁之间产生了大于(例如，>2倍、>5倍、或甚至>10倍)工艺管道压降的压降。这样，流量分配部件中的限制使所有管道之间的流量分配保持几近平均，其中质量指数(以下定义)小于30％，或更优选小于15％，以及更优选小于10％，更优选小于5％，以及最优选1％或更小。在一些实施例中，对于流通长度范围为1到50cm、驻留时间为从0.1秒到10秒，工艺管道中的压降处于0.01psi到1psi的量级。在一些实施例中，流量分配部件中的压降处于0.1到10psi的量级。在一些实施例中，流量分配部件中的压降处于1到100psi的量级。

其中

管道中的最小质量流速，kg/s

Q＝质量指数

部分沸腾是一种尤其受益于分配管道的使用的应用，其中高压降利用从沸腾温度过冷却的单相液体获得。在开始沸腾时，连接微管道中的压降可以从管道到管道局部不同，这样优选采用用来调整到每个管道的流体流的手段。

还优选调节管道阵列内的流量分配，使得更多的流量优先计量供给到其中热负载或通量最高的反应器的顶部，而在该反应器的底端附近最小化。

分配管道可以用于单相单元操作或用于多相单元操作或其任意组合。分配管道可用来精确计量用来在连接管道中形成粒子的反应物。

在非牛顿流体流经连接管道时分配管道尤其有用，因为流量分配部件减轻了该流体随条件变化改变表观黏度的效果。例如，连接管道通过改变微管道配置或在管道中使用的材料可以影响由于聚合作用、乳液形成、固体形成、温度改变、压力、局部流速等引起的流体的表观黏度变化。流量分配部件提供用于减轻这些变化对流量分配的效果的稳健设计。优选限制非牛顿流体流过直管道。在优选实施例中，流过流量分配部件的流体流是牛顿流体，然后在连接管道中变成非牛顿流体(例如，因为组分改变)。这可以例如在工艺管道中流动进行且第二相通过节流孔进入工艺管道时发生。

流量分配部件还可以用来调节添加到第二反应物中的第一反应物，诸如在选择性氧化过程中。该部件可以用来对氧化剂或其它反应物提供充分限制，以使得流体按需要以均匀或者调节得当的方式沿着反应器的长度计量供给。以这种方式，计量功能即流量分配管道可以与反应器内的入口分离，以使在施加涂覆层时诸如触媒之类的涂覆层的施加不太可能堵塞或污损。

分配管道可以优先设置在装置的歧管部分内以使得流体一进入流量分配管道它就仅从一个工艺管道排出而不会经历其它的再分配。作为示例，一个流量分配管道可以在单个微管道内建立到单个引入点的将氧化剂(或其它反应物或流体)馈送给单个管道的管道，而第二和可能第三或更多分配管道沿着微管道反应器或其它单元操作的长度将氧化剂(或其它反应物或流体)馈送给第二或第三或更多引入点。将以分配管道的形式的分配功能去除或将其与单元操作物理分离。

还可以将分配管道用于小规模或大规模应用。分配管道可有助于为多种应用计量供给流量，包括：燃料电池，其包括低功率燃料电池或燃料处理器的；微流体；血液或流体分析；或其中计量供给流量尤其有挑战性的其它应用。分配管道可用来为任意微管道或微流体应用计量供给流量。

使用分配管道的一个优点是不仅针对固定条件或设计点、而且也在单元操作或工艺的调低和调高期间改善流量分配。具体地，当流量在选择设计点上调低50％或调高20％时，绝对总体质量指数中流量分配的变化可小于20％，或小于10％或小于5％。在一个替换实施例中，分配部件允许装置的调高或调低在+50％到-80％之间变化。在第三实施例中，该新颖分配部件允许针对包括10个以上并行工作来实现目标容量的管道的多管道单元操作在标称工作设计点上调低-95％和调高200％。

在一个替换实施例中，第一组分配管道可以用在连接管道上游，而第二组分配管道可以用在下游或者之间的任意点，以调节任意给定管道中的质量流速大小和管道中的绝对压力。这种方法对于调节其中部分沸腾沿着反应器的长度在不同轴向位置产生不同温度的应用的流速和温度尤其有利。

在一些优选实施例中，流量分配部件用来以每个流量分配管道超过1mL/分钟的流速分配流体(包括气体)。使用本发明分配管道的可选示例针对实验室的芯片或微流体应用，其中低流量沿着管道长度计量供给到至少两个或更多管道或至少两个或更多位置。计量供给低流速尤其难以控制，特别是在管道尺寸因正常制造公差而有极小变化的情况下。

另一示例应用是针对可包括诸如氢化之类的催化反应和/或诸如氧化之类的非催化反应的双氧水的制造，其中必须以优选比率将两流相互计量供给。针对反应器中任意位置的至少两个或更多反应物的局部浓度有严格要求。该反应不会在一次反应中催化，诸如在双氧水制造中使用的基于蒽醌的工作溶液的氧化。

本发明的一可选实施例是较小流通流量分配部件的大流量的计量供给，诸如促进剂、添加剂、流体催化剂、活性成分、色素、防腐剂、香料或包括少于较大流量流的质量的20％或在一些实施例中少于5％或少于0.01％、和/或至少0.001％的其它物质。

本发明的一可选实施例针对两个或更多流体流的微混合物，包括气体/气体、气体/液体、液体/液体、混入包括固体或两相混合物的流体中的气体或液体。在其它优选实施例中，流量分配部件除混合之外还用于诸如热交换之类的单元操作。在一些实施例中，蛇形流量分配部件不混合流体。在一些优选实施例中，连接管道的长度至少是这些管道所连接的流量分配部件的长度的3倍、优选5倍以及在一些实施例中至少10倍。

流量分配部件设计

用于连接微管道中具有小压降(小于或等于主歧管部分中的压降)的工艺的歧管是复杂的。歧管压力分布中的小变化会导致连接微管道中的严重不正常分配。一般针对这些工艺的歧管的大小对于均匀流量分配应当比较大。针对这样的工艺减小歧管尺寸同时获得均匀流量分配的一种常用方法是在歧管和连接微管道之间使用节流孔。然而通过节流孔的压降随(速率)n变化，其中n>1。所以就用于连接微管道的具有小压降的节流孔的设计对歧管流速敏感，且在流速变化的情况下不能提供良好的流量分配。流量不正常分配会引起微管道装置性能糟糕。总之，在按比例增大和降低流量的条件下该歧管不会提供均匀分配。

优选地，流量分配部件是如图5中所示将主歧管部分连接到连接(工艺)微管道的微尺寸管道(至少一尺寸为1cm或更小，更优选至少一尺寸为2mm或更小)。优选地，流量分配部件的尺寸、流量截面积和长度小于主歧管部分或连接微管道。优选将流量分配部件的尺寸选择成使得流量分配部件中的压降至少是连接管道中压降的两倍。流量分配部件增大总体连接管道压力而且因此可以使用于流量分配的歧管尺寸变小。此外，优选分配部件中的流体流成层状。通过流量分配部件的压降将随(速率)ⁿ变化，其中n＝1。与流量分配部件一起设计的歧管对按比例增大和降低流量条件将不那么敏感。

流量分配可用于小或大压降(大于主歧管部分的压降)情况下的连接管道。

优选地，工艺管道是微管道。在一些优选实施例中，FDC所连接的歧管具有微管道尺寸。

图6示出针对流量分配部件形状的一些设计。图6a示出8个弯曲部。这些部件可以是2维平面或三维。

以下所有示例是计算出的示例。

示例1：利用流量分配部件的流量分配

进行了个案研究来查看使用流量分配部件带来的流量分配的改善。图5中示出了该装置的一般示意图但带有下歧管。上和下主歧管部分的截面是12.7mm×2.54mm。连接管道的尺寸是5.08mm×0.76mm。连接管道的长度是127mm。连接管道被0.508mm的壁分隔开。连接管道的数量是19条。图4示出该流量分配部件的尺寸。该流量分配部件是蛇形。该流量分配管道的截面是0.76mm×0.38mm。歧管、流量分配管道和连接(工艺)管道在同一平面内。

所使用的流体是230psig和-30℃下的乙烯。进入主歧管部分的总流速是0.487kg/hr。流量分配的性能由如下定义的质量因数来定义：

其中

Q＝质量指数

上主歧管部分中的压降是0.0005psi而连接管道中的压降是0.0002psi。流量分配部件中的压降是0.009psi。对于图7中所示的流量分配部件设计，估计Q因数为3.0％。进行了参数研究来查看流量分配部件的长度对流量分配的影响。如图7中所示所设计的流量分配部件具有12个拗弯(bend)。为减小流量分配部件的长度，逐步地减少弯曲部数量并评估流量分配。图8示出流量分配部件中弯曲部的数量对Q因数的影响。

连接管道中的压降和歧管中的压降处于同一量级。如从图8可看出地，随着流量分配部件中弯曲部数量的增加，流量分配得到改善。

示例2：流量分配部件在从标称值大范围调高和调低的流速上提供均匀流量分配

使用和示例1中一样的几何形状示出该流量分配部件对调高和调低流速提供相对均匀的流量分配。将该流量分配结果与在几何形状相同但没有流量分配部件的情况下获得的流量分配相比较。对以下两种情况保持流体、温度和出口压力条件：有流量分配部件的情况和没有流量分配部件的情况。所使用的流体是230psig和-30℃下的乙烯。进入主歧管部分的标称总流速是0.487kg/hr。

图29示出在与标称流速不同的调高和调低因数的情况下针对有流量分配部件和没有流量分配部件的设计的质量因数。0.8的调高/调低比率表示标称流速的80％。1.3的调高/调低比率表示标称流速的130％。

如图29所示，对于没有流量分配部件的情况，当流速增大到标称流速之上时流量不正常分配增加。对于有流量分配部件的情况，当流速增大到标称流速之上时流量分配保持不变或得到改善。该示例示出流量分配部件提供对调高和调低流速的设计的稳健性。

示例3：针对乳液的流量分配

乳液通过将连续相液体与分散相液体通过多孔介质混合形成。制造所需的是，连续相和分散相通过其混合的多孔介质应当优选可由以横向流方向流入时连续和分散相的混合物代替。然而，取决于需求，连续相和分散相可以在相互平行流动或逆向流动时混合。

在这个示例中，仅建模一重复单元来描述该装置的性能。该重复单元具有层叠到一起的三层。如图9中的示意图所示连续相进入第一层。该流体流进入入口歧管部分。该歧管的截面是25.4mm宽×5.08mm深。连接管道尺寸是12.7mm宽×2.03mm深×305mm长。总共有16条连接管道。连接管道之间的夹层是1.27mm。入口歧管通过流量分配部件连接到连接(工艺)管道。图10中示出流量分配管道的尺寸。在该连接管道中，将分散相添加到连续相中来形成乳液。如图9中所示，乳液通过出口歧管离开重复单元。

重复单元的第二层是多孔介质。在这个示例中使用的多孔介质是介质等级＝0.2的Mott公司毛细结构。渗透系数(K_L ^*)是140而通过该介质的液体压降由下式给出：

液体：压降，psid＝(K_L ^*)(通量，gpm/ft²)(黏度，cp)(厚度，英寸)

该多孔介质的大小被选择成覆盖由第一层中的连接管道占据的面积。该多孔介质的厚度是0.039”。该多孔介质的材料规格列示如下：

材料规格

气泡点，英寸汞柱(in.ofHg)：5.0-6.9

抗张强度，kpsi：30.0

屈服强度，kpsi：26.0

如图11中所示，分散相进入重复单元的第三层。分散相流进入入口歧管。该歧管的截面是12.7mm宽×5.08mm深。连接管道尺寸是42.42mm宽×1.27mm深×222.25mm长。总共有7条连接管道。连接管道之间的夹层是1.27mm。入口歧管通过流量分配部件连接到连接(工艺)管道。图12中示出流量分配部件的尺寸。图13中示出重复单元的多层组件的示意图。

连接管道的连续流流速为1L/分钟，而分散相的总流速是连续相流速的总流速的20％。连续相的密度和黏度分别是1000kg/m³和1cP。分散相的密度和黏度分别是850kg/m³和10cP。如图9和11所示(参见图14和15)，分别估计了位置1、2以及3处连续相连接管道中和分散相连接管道中的流量均匀性。位置1处的连续相管道中的流量分配是0.54％，而位置1处的分散相管道中的流量分配是0.03％。

表1示出有和没有流量分配部件的情况下流量分配的性能比较。

 

性能参数	有流量分配部件	没有流量分配部件
			分散相流量分配质量(％)	0.03％	0.04％
连续相流量分配质量(％)	0.54％	7.3％
			连续相中的总压降(psi)	633psi	605psi
分散相中的总压降(psi)	54psi	4.0psi

如从上述表格中可以看出，流量分配部件不会影响分散相的流量分配。然而流量分配部件改善了连续管道中的流量分配，这将导致改善的均匀乳液质量。对于其中考虑作为非牛顿流体切变率的函数的变化黏度的情况，预期在没有流量分配部件的情况下流量的不正常分配高于其中假定黏度与切变率无关的这个示例。

示例4-流量分配管道中的损耗系数

在Fluent^TM V6.2.16中开发了一种用来模拟流体分配部件和估算损耗系数的计算流体力学模型。所使用流体是乙烯气体。流速是变化的使得雷诺数的范围从层流态到紊流态变化。假定黏度恒定而且输入流分布均匀。在表1中列出了流的性质。几何形状如图16所示。流量分配部件的截面积是0.38mm×0.38mm。该部件的总体宽度是3.56mm而两个连续弯曲部之间的最小距离是1.78mm。对于紊流模型，使用了Fluent^TM中的默认k-ε模型。

将此与相关文献Sprenger，H.，Druckverluste in90o Krümmern fürrechteckrohre，Schweiz Bauztg，Vol.87，no.13，pp.223-231，1969进行比较。

发现损耗系数K随Re从层流到紊流增大而减小并变成渐进值1.41。还发现第一弯曲部通常具有更高压降(>3.0)。

假设和参考

在Fluent^TM V6.2.16中开发了一种用来模拟流体分配部件的计算流体力学模型。假定黏度恒定而且输入流分布均匀。几何形状如图1所示。流量分配部件的截面积是0.015”×0.0.015”。该部件的总体宽度是0.14mm而两个连续弯曲部之间的最小距离是0.07”：

本研究的目的是估算流量分配部件的弯曲部中的静态压力损耗。所定义弯曲部的总数量是12个。压力损耗定义为：

其中K_损耗已知为损耗系数

表1：针对CFD模型所使用的流体性质

 

	乙烯气体
		密度，kg/m3	33
黏度，kg/m-s	9.2E-6

在入口针对不同的雷诺数运行该CFD模型。图17-19是使用乙烯气体作为流体用CFD模型模拟的一些雷诺数的一个的示例。图17-19示出每个弯曲部处的损耗系数。第一弯曲部处的损耗系数显著高于后面弯曲部的损耗系数。这可以归因于入口效应。通过排除呈现出入口效应的弯曲部和简单地计算余下弯曲部的损耗系数平均值估算出平均损耗系数。

图20示出平均弯曲部损耗系数作为雷诺数的函数。随着雷诺数增大，损耗系数K_损耗减小。在紊流的雷诺数范围中(定义为直管)，K_损耗值达到渐进值1.41。这个发现在设计使用流量分配部件的流量分配系统中非常有用。

示例5—大规模相位分离装置中的计算流量分配

使用Fluent根据CFD模型估算流量分配部件中的压降(示例5中所示)。该流量分配部件的尺寸和示例4中所讨论的一样。

图21中示出由子歧管和流量分配部件构成的内部歧管的示意图。每个微管道通过流量分配部件连接到子歧管。为了简便起见，在该图中流量分配部件由直线来表示。通过适当地设计流量分配部件实现流量分配中的均匀性。

假定连接管道压降是1psi的平均压降。

使用常规突然膨胀关系，从FDF到连接管道的膨胀损耗如下所示：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\exp }=[{(1-\frac{A_s}{A_l})}^2-1]\frac{G_s^2}{2\mathrm{\ρ}}+\frac{G_l^2}{2\mathrm{\ρ}}$

在计算中使用以下假定：只建模头集管(没有尾集管)；恒定出口气压＝230psig；入口流体是75.5％乙烯、24.5％乙烷的气体混合物；在245psig和-26.8℃所计算的性质；子歧管入口处的损耗；在歧管部分没有传热。1-D模型中的假定：总共100条微管道；恒定黏度；通过来自使用如图22中所示的SRK平衡关系的ChemCAD的曲线拟合密度预测估算密度。

开发了数值模型来模拟通过图21中所示的几何形状的流量。该模型基于串联和并联连接的流阻。该几何形状中的子歧管总数量是5。每个子歧管通过流量分配部件连接到20个微管道。任意地选择子歧管的尺寸和数量来示出流量分配可以通过流量分配部件中的弯曲部数量来控制。以下表格概括在数值模型中使用的尺寸。

 

几何形状部件	尺寸
		子歧管
子歧管1	20.32mm×0.381mm
		子歧管2	20.32mm×0.381mm
子歧管3	33.02×0.381mm
		子歧管4	33.02mm×0.381mm
子歧管5	38.1mm×0.381mm
		流量分配部件
截面	0.76mm×0.381mm
		弯曲部数量	可变
微管道
		截面	5.08mm×0.38mm
长度	无(假定标准压降为1psi)

该模型用来估算每个流量分配部件中的弯曲部数量。图23示出对流量分配部件的弯曲部数量的要求。对于微管道，如图23中所示的流量分配部件的弯曲部设计数量给出Q＝4.5％。当将质量指数因素的定义应用到子歧管中的流量分配时，Q是2.3％。总体压力估算为5.9psi。图24中示出了管道到管道的流速。

对于通过微管道的相同流速，由于管道几何形状的不规则，管道压降可能变化很多次。管道压降的变化可能导致不正常分配。进行研究来查看管道中压降变化对流量分配的影响。在该模型中对管道压降施加了±5％的变化。图25中示出了所施加的管道压降分布。

微管道的质量指数因数是6.2％，非常接近在没有管道压降变化的情况下的流量分配。总压降是5.8psi。子歧管的质量指数因数是4.9％。图26示出微管道上的质量流分配。

对管道压降在+/-5％的变化且平均压降为1psi的情况下的另外四种更随机变化运行该模型。以下表格列示所得到的总Q-因数、子歧管Q-因数和总压降。

 

运行编号	总Q-因数(％)	子歧管Q-因数(％)	总压降(psi)
				1	6.2％	4.9％	5.8psi
2	6.2％	4.9％	5.8psi
				3	6.0％	4.9％	5.8psi
4	6.5％	5.0％	5.8psi

该示例示出有流量分配部件的流量分配设计对连接管道中的压力变化的稳健性。

示例6：针对工艺管道中的部分沸腾的流量分配部件应用

图27示出流量分配几何形状的示意图。流体流进入19.05mm×12.7mm的主头集管。该流体流从主歧管分配到次级头集管。次头集管的截面尺寸是1.78mm×5.08mm。次头集管的总数是44。每个次头集管通过流量分配部件将流体流分配到三个连接冷却管道中。为了简单表示，在该图中用直路径示出流量分配部件并将其称为“FDF”。连接管道尺寸是2.54mm×0.51mm×190.5mm。该流量分配部件的截面是0.76mm×0.25mm。

该流体是水。进入主歧管部分的总体积流速是2.2L/分钟。主头集管、次歧管和流量分配部件中的冷却剂温度是228℃。冷却剂管道出口处的压力使得冷却剂管道入口处的水处于饱和状态。在冷却剂管道壁上，施加变化的热通量。在每个次头集管中，中间冷却剂管道将热通量施加到所有四个壁，而出口冷却剂管道仅将热通量施加到一个壁。热通量分布从1.0W/cm²(近流量分配部件)到0.25W/cm²(近出口)线性变化。热导致冷却剂管道中部分沸腾。如图28中所示考虑了两种不同类型的流量分配部件。图28(a)中的流量分配部件被称为“尖角流量分配部件”，而图28(b)中的流量分配部件被称为“圆角流量分配部件”。建立CFD来确定损耗系数作为雷诺数的函数。

以下示出尖角流量分配部件和圆角流量分配部件的损耗系数相互关系，作

$(1-8.9274612W_{\mathrm{FDF}}-0.00025069524{\mathrm{Re}}_{\mathrm{FDF}}+2.9785762\×{10}^{-8}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{FDF}}^2)$

$\left(\begin{array}{c}8.2902919-291.3301W_{\mathrm{FDF}}-0.00088695604{\mathrm{Re}}_{\mathrm{FDF}}+4705.144W_{\mathrm{FDF}}^2+{2.894361110}^{-8}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{FDF}}^2\\ +0.018871653W_{\mathrm{FDF}}{\mathrm{Re}}_{\mathrm{FDF}}\end{array}\right)$

以下表格概括了在没有流量分配部件的情况下和有流量分配部件的情况下的流量分配性能。

表格：冷却剂管道中部分沸腾情况下的流量分配性能

从该表格中可看出增加流量分配部件有助于改善流量分配。

Claims (18)

1.一种流体处理方法，包括：

使工业生产流流到歧管中；

其中所述歧管被至少连接到第一流量分配管道(FDC)和第二FDC；

其中每个FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个为90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部；以及

其中所述第一FDC管道将所述歧管连接到第一工艺管道；

其中所述第二FDC管道将所述歧管连接到第二工艺管道；

以及其中工业生产流的流过所述第一FDC的所述部分仅与一个工艺管道连接而且不与任意其它FDC连接，使得所述工业生产流的进入所述第一FDC的所述部分全部流入所述第一工艺管道中；其中所述第一FDC中的压降至少是连接于所述第一FDC的一个工艺管道中的压降的两倍；以及

在所述第一和第二工艺管道中进行单元操作；以及其中所述第一工艺管道中的单元操作包括当液体流过第一工艺管道时使其部分沸腾。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个FDC至少包括三个弯曲部而且所述三个弯曲部的每一个具有至少为135°的角度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中进入所述第一工艺管道的所述工业生产流的0.5％-50％在所述第一工艺管道中进行沸腾。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺管道中的所述工业生产流包括乳液、悬浮液、或非牛顿流体。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工艺管道具有包括节流孔的管道壁，而且其中所述工艺管道包括：包含第一相的第一流体，以及与所述第一流体不互溶的、流经所述节流孔到所述第一流体中形成乳液的第二流体。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一FDC中的流体流是牛顿的，而所述第一工艺管道中的流体流是非牛顿的。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二FDC具有相同长度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一FDC具有一截面积， 所述第一FDC的截面积在所有点上都小于所述第一工艺管道的截面积。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一FDC管道与所述第一工艺管道和所述歧管在同一平面上。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一工艺管道的长度至少是从所述歧管到所述第一工艺管道的距离的两倍；

以及其中所述第二工艺管道的长度至少是从所述歧管到所述第二工艺管道的距离的两倍。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一工艺管道的长度至少是从所述歧管到所述第一工艺管道的距离的十倍；

以及其中所述第二工艺管道的长度至少是从所述歧管到所述第二工艺管道的距离的十倍。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二FDC具有蛇形形状。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一FDC具有第一截面积而第一工艺管道具有第二截面积，以及其中所述第一截面面积至少是所述第二截面面积的1/2。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置由多层薄层制成以及所述第一FDC具有穿过多层的三维曲折路径。

15.一种混合流体的工艺，包括：

使第一流体流过工艺管道；

使第二流体流过FDC并流入所述工艺管道，在其中第一和第二流体混合，其中所述FDC包括一系列弯曲部，至少包括四个90°或更小角度的弯曲部，或至少包括两个大于90°的弯曲部；

其中所述第一和第二流体不同。

16.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述第一流体流入所述工艺管道的所述质量流速是所述工艺管道中的所述第二流体的流速的5％或更小。

17.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述FDC至少包括两个具有不同角度的弯曲部。 

18.如权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述工艺管道是直的而且所述工艺管道中的流体流是非牛顿的。 

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