CN102413919B - 微型反应器阵列 - Google Patents
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Abstract
一种蜂窝体基材(10)的阵列(100)包括蜂窝体基材(10)，多个基材(10)中的每一个基材包括基材孔道和基材侧面，所述孔道从各基材的第一端延伸到第二端，所述基材侧面从所述第一端延伸到第二端。所述多个基材中的基材以阵列形式设置，各个基材的侧面彼此相对，各个基材的孔道沿着共同的方向延伸。由多个基材(100)中的两个或更多个基材的相对的基材侧面限定出一条或多条通道(12)，所述一条或多条通道(12)沿着垂直于共同方向的方向延伸。
Description
优先权
本申请要求2009年4月30日提交的美国临时专利申请第61174493号的优先权。
背景技术
本发明涉及用作反应器或热交换器的蜂窝体结构，或者形成阵列的“微型反应器”，具体涉及一种连接结构的方法，从而形成沿着垂直于蜂窝体孔道的共同方向的方向通过阵列的通道，本发明还涉及所得的阵列。
发明概述
在形成阵列或者用作反应器或反应器阵列的蜂窝体器件的时候，可以在蜂窝体基材选定的侧面内机械加工通道，使得当所述基材连接在一起的时候，沿着垂直于所述蜂窝体孔道的共同方向的方向上形成通过阵列的一个或多个高长宽比的通道。可以通过在选定的侧面上使用玻璃料或水泥，或者需要的时候可以使用压缩密封剂，将基材连接在一起。
根据一个实施方式，蜂窝体基材的阵列包括蜂窝体基材，多个基材中的每一个基材包括基材孔道和基材侧面，所述孔道从各基材的第一端延伸到第二端，所述基材侧面从所述第一端延伸到第二端。所述多个基材中的基材以阵列形式设置，各个基材的侧面彼此相对，各个基材的孔道沿着共同的方向延伸。在多个基材中的两个或更多个基材的相对的基材侧面之间限定出一条或多条通道，所述一条或多条通道沿着垂直于共同方向的方向延伸。
根据另一个实施方式，蜂窝体基材的阵列包括蜂窝体基材，多个基材中的每一个基材包括基材孔道和基材侧面，所述孔道从各基材的第一端延伸到第二端，所述基材侧面从所述第一端延伸到第二端。所述多个基材中的基材以阵列形式设置，各个基材的侧面彼此相对，各个基材的孔道沿着共同的方向延伸。沿着所述多个基材中的两个或更多个基材的孔道限定了一个或多个通道，所述通道从所述多个基材中的第一个基材内延伸通过其基材侧面，通过所述多个基材中的第二个基材的侧面延伸入该第二个基材中。所述一个或多个通道从中通过的各个侧面可以彼此密封。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种制造蜂窝体基材的阵列的方法，该方法包括提供多个蜂窝体基材，所述多个蜂窝体基材包括侧面，沿着大体垂直于基材孔道方向的方向，在所述多个蜂窝体基材的一些选定的侧面机械加工一些通道，然后通过将所述选定的侧面与多个蜂窝体基材的其他侧面密封，从而密封所述通道。该方法还包括在所述密封步骤之前，沿着垂直于所述基材孔道方向的方向，在所述多个蜂窝体基材的一个或多个其它的侧面内机械加工通道。
本发明这些实施方式的其他应用或用途包括提供了非常灵活的方法，用来在大型的基材阵列中结合横向流动热交换通道，所述横向流动通道具有低的压降和大的开放的锋面，由此得到大型的基于蜂窝体的热交换器，或者具有热交换功能的反应器。
附图简要说明
图1是根据本发明的一个或多个实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图2是图1的基材的透视图，显示了根据本发明的一个或多个实施方式的其它的步骤；
图3和图4是根据本发明一个或多个实施方式的多个蜂窝体基材的组件的透视图；
图5是根据本发明的一个或多个实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图；
图6是根据本发明的一个或多个另外的实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图7是根据本发明的一个或多个另外的实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图；
图8是根据本发明的一个或多个另外的实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图；
图9是根据本发明的一个或多个另外的实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图；
图10是根据本发明的一个或多个另外的实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图11是根据本发明的一个或多个另外的实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图；
图12是根据本发明的一个或多个另外的实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图13是根据本发明的一个或多个另外的实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图；
图14是根据本发明的一个或多个另外的实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图15是根据本发明的一个或多个另外的实施方式的组装的微型反应器阵列或蜂窝体基材阵列的平面图，可以使用例如图14的基材；
图16是根据本发明的一个或多个另外的实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图17是根据本发明的一个或多个另外的实施方式制造的蜂窝体基材的透视图；
图18是图12和/或14所示种类的基材的通道的截面图；
图19是图16所示种类的基材的通道的截面图；
图20是本发明多个实施方式中，作为图18和/或19所示种类通道的替代的高长宽比通道的截面图。
发明详述
可以如图1所示在矩形蜂窝体基材10的一个侧面上形成机械加工的通道12。优选在烧结之前，通过轧制、锯或砂带打磨操作，在生坯基材10中形成所述通道12，但是如果需要的话，也可以在完全烧结或部分烧结的基材10上形成所述通道10。所述机械加工的通道12的深度(沿着垂直于基材10的侧面的方向测量)可以如图所示是一个孔道，或者可以更深。优选在通道12的区域内除去基材10的孔道壁，使得沿着机械加工的通道12形成平滑的侧壁表面14。所述机械加工的通道的宽度(沿着平行于基材10的孔道的方向测量)应当小于基材10的长度，优选仅仅略小于基材10的长度，由此在各个相应的端面20、22保留两排较窄的孔道16，18。
接下来对基材进行烧结(假定进行生坯基材通道机械加工操作)。如图2所示，根据本发明的一个实施方式，在基材烧结之后，对基材26、28的选定的侧面施涂玻璃料密封材料24。在另外的实施方式中，所述密封材料也可以是水泥24或其他种类的有机粘合剂24，这取决于所得阵列预期的应用的要求。
可以通过各种方法施涂玻璃料，包括刮刀涂布，丝网印刷，喷涂或使用玻璃料预成形件。通过使得大量基材10以成排的方式取向，其任意端面或选定的侧面互相接触(图中未显示)，可以以连续的方法施涂玻璃料。一般来说，需要在最多两个相邻的基材侧面26、28上施涂玻璃料，从而简化施涂工艺，这是因为在玻璃料施涂过程中，各个基材10可以置于无玻璃料涂覆的侧面30，32(图2中无法直接看到)或端面20，22(如图1所示)上。
在另外的实施方式中，还可以使用玻璃料34或其他合适的堵塞材料34对直接位于机械加工的通道上方或下方的端面孔道16，18进行堵塞(图中仅显示了孔道18中的堵塞)。由此可以防止在机械加工的通道内流动的流体与基材的开放孔道内流动的流体的无意的混合。可以通过例如首先对应当保持开放的孔道进行遮蔽，然后施加玻璃料糊料以堵塞孔道。
参见图3和图4，在施加了玻璃料或其它的密封剂之后，将一组100的基材10以阵列化的组件或阵列500的形式连接在一起，图3或图4显示了其一个实施方式，显示了在组装阵列500的过程中机械加工并涂覆密封剂的基材10的组100。尽管图中显示了具有相同形状的规则的阵列500，但是如果需要的话，也可以将具有各种横截面和形状的不规则的阵列和基材结合起来，这也是本文所述各种实施方式的另一个方面。该实施方式所示的基材10的取向使得机械加工的通道12互相对齐，形成通过组装的阵列500的高长宽比的通道102，图4中显示有一个基材10尚待沿着箭头36的方向进行组装。当基材10叠置在图4的阵列500中的时候，它们的涂覆了玻璃料的相对侧面互相接触。在随后的玻璃料烧结过程中，玻璃料软化并流动，与相对的侧面形成密封。如果需要的话，基材10的阵列500可以以45度的V形块体(未显示)的形式烧结，使得在烧结的过程中，玻璃料发生收缩的时候，重力有助于防止各基材10之间的间隙打开。
在玻璃料烧结之后，形成了基材阵列，该基材阵列提供了与一系列高长宽比横向流动通道紧邻的短而直的通道。所述阵列的结构可以用作高效的大面积横向流动热交换器。总的热交换性能取决于基材的热导率，基材通道的布局和几何结构，以及机械加工的高长宽比通道几何结构和工作流体性质。图5是组装的阵列500的平面图，在基材10之间形成了机械加工的通道102。
在另一个方面或另一个实施方式中，可以如图6所示对多个侧面进行基材通道机械加工操作，其中对与侧面相邻的基材10的侧面11a和11b进行机械加工。可以如图7的平面图所示，将此种基材10以阵列500连接起来，其中包括交叉的内部通道102a和102b。这些内部通道102a，102b可以任选地在阵列500的四个侧面上与外部入口和出口进料总管相连(图中未显示)。
通过在单独的基材的侧面内选择性地机械加工高长宽比地通道，可以形成通过阵列地更复杂的通道路径配置。例如，图8显示了一种阵列配制的平面图，其中位于阵列外部的单独的进料入口和出口通道104，106内部分支形成高长宽比通道102的阵列108。在图9所示的平面图的另一种配置中，对在基材10之间延伸的高长宽比通道102进行设置，在垂直于基材10的开放孔道的平面内形成曲折路径110，该曲折路径110几乎通过阵列500中所有的基材10。
还可以如图10所示，在相对的基材侧面11a、11c上进行基材通道机械加工操作。如图11的平面图所示，将这些基材10以基材阵列500连接起来，形成了双倍宽度的高长宽比通道103。该实施方式可以用来减少高长宽比的机械加工通道103内的压降，特别是对于其中基材孔道尺寸都非常小的构型。当需要在开放孔道内，通过大的侧壁表面积以及孔道中心到孔道侧壁短的平均传热距离来完成大量传热的时候，可能会是此种情况。如果需要的话，可以通过在基材侧面内机械加工出更深的通道，从而采用三倍或四倍宽度的通道。可以对基材阵列内任意高长宽比的通道设置的基材之间使用更宽的机械加工和/或双倍宽度或更宽的通道，包括本文所示以及以其他方式揭示的所有情况。
根据本发明的另一个实施方式或者根据可以用于本发明的各种实施方式的任选的另一个方面，构成基材阵列的基材的端面可以机械加工成U形弯曲区域，从而形成曲折通道，所述曲折通道沿着基材的孔道的方向上下延伸，在基材的端部处或端部附近从一个孔道通到另一个孔道，沿着垂直于开放孔道的方向在基材的侧面或阵列的侧面进出。图12显示了一个例子，其中三条曲折通道112a，112b，112c沿着平行于基材10的路径延伸。在基材侧面11a，11c内钻出通道侧壁孔114，以使得流体传输通过曲折的通道112a，112b，112c。如图所示，侧面11a处的孔114在通道12内。这些基材10可以如图13所示组装成基材阵列500，其中在基材10之间延伸的高长宽比通道102将流体分配到曲折通道112，所述曲折通道112延伸通过各个基材10或者通过选定的一些基材10。图18显示了U形弯曲的示例性横截面以及所得的曲折通道。可以看到，通过蜂窝体基材端部处下降的(机械加工除去的)侧壁118以及没有延伸入下降的侧壁118的堵塞物120的组合形成了所述U形弯曲116。
还可以制造各种基材，使得仅仅提供曲折通道。图14显示了一种基材10，对端面进行机械加工，形成曲折通道U形弯曲以及曲折入口和出口的通道侧壁孔114。如图15所示，可以对基材10的两个相邻的侧面上涂覆玻璃料，组装成基材阵列500。可以对基材进行组装，使得侧面孔114互相对齐，形成长的曲折通道122，该长的曲折通道在所述基材阵列500内从一个基材10延伸到另一个基材10，甚至完全延伸通过阵列500，如图15的实施方式所示。
作为钻侧面通道孔的替代做法，可以使用图18所示相同的端面U形弯曲区域机械加工法形成U形弯曲开槽115，这些开槽延伸到基材的侧面，如图16的透视图以及图19的截面图所示。这些基材10可以在选择的侧面上涂覆玻璃料，然后可以将大量的基材组装成与图15所示类似的基材阵列。与该图中所示的阵列500类似，可以在组装过程中将U-形开槽115互相对齐，形成长的曲折通道122，该长的曲折通道122在所述基材阵列中，从一个基材10延伸到另一个基材10，如果需要的话，甚至完全延伸通过阵列500。
可以将基材之间的侧面机械加工的高长宽比通道的各种组合和端面机械加工的曲折U形弯曲通道结合起来，形成整体化的总管结构和通道设置，获得最优化的压降和热交换性能。还可以在基材中形成其他种类的通道，代替U形弯曲曲折通道，例如通过切入机械操作形成的高长宽比通道，例如图20的截面图所述的高长宽比通道124。作为图18和19所示实施方式中仅仅除去侧壁的端部的方式的替代做法，可以采用切入机械加工或另外的合适的方法，从基材交替的端部，以交替的图案除去几乎全部的侧壁118。通过用堵塞物120在两端将通道124上方的基材封闭，形成了高长宽比的通道124。可以如图所示钻出一个或多个孔114，或者可以采用其它的合适的方式，提供通路。
在本发明的另一个实施方式中，可以在无需机械加工通道或机械加工基材的前提下，在基材之间形成高长宽比的通道。作为替代，可以如图17的透视图所示，通过在一个或多个基材侧壁上沉积厚玻璃料层，或者使用薄垫片，形成所述高长宽比通道区域。在另一种方法中，厚玻璃料层126或薄垫片126提供了形成高长宽比通道12所需的间距，该方法不需要采用另外的步骤直接在高长宽比通道12的上方或下方堵塞端面通道。在不需要高长宽比通道的基材侧面上施涂薄玻璃料层128。如果使用薄垫片126，可以在薄垫片126的两侧之上使用薄玻璃料。在施涂玻璃料之后，按照与图3和图4所示类似的方式以阵列500的形式将基材10叠置，并进行烧结。以上关于将机械加工的基材设置成阵列的所有的设计技术均可以用于所述以玻璃料为边界的高长宽比通道。
在本发明的各种实施方式及其变体中，通过设计对高长宽比机械加工的通道与短直通道的接近性进行调节以满足热交换需求，同时最大程度扩大开放锋面。还可以对高长宽比通道和短直通道的几何结构进行最优化，以使得高传热性能与低压降之间达到平衡。特别是在使用玻璃料密封的情况下，各种实施方式允许基材的短直开放孔道在高压力条件下操作，而基材之间的玻璃料密封置于压缩或剪切条件下获得最大的强度。可以对基材侧面上的玻璃料密封区域进行调节，根据需要增大该密封区域，以在玻璃料-基材界面处增大机械强度。
不是作为限制性特征，而是作为潜在的有益特征，相对于烧结较大的单独的主体所需的长的周期，本发明可以在短的烧结循环中对较小的基材进行单独的烧结。如果使用玻璃料将基材结合在一起，即使可能需要随后的烧结循环，该循环也可能较短。因此，相对于大横截面积的蜂窝体基材，烧结时间相对于器件横截面可以减小。平坦的侧面允许通过结合端口或O形环密封，与其它的器件进行简单的界面连接。当仅仅使用外部通道形成操作的时候，基材机械加工工艺相对简单。这些侧面通道机械加工工艺可以是自动化的。还可以通过“混合-匹配法”设置各种高长宽比通道，使得具有各种侧面机械加工图案的基材根据需要连接起来，形成所需的横向流动热交换通道路径。
总体来说，本发明的阵列提供了显著的灵活性，这是因为可以以相对任意的尺寸形成横向流动的热交换通道，在一些实施方式中采用侧面通道机械加工，以及/或者在其它的实施方式中通过内部基材曲折或高长宽比通道，以及/或者如图17的实施方式所示，使用厚玻璃料的薄垫片。本发明的方法还提供了可靠而高效的制造这些阵列的方法。
本发明所揭示的阵列通常可用来进行任何工艺，所述工艺包括在微型结构中对流体或流体混合物进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其它的工艺过程，所述流体混合物包括流体的多相混合物，并包括流体或包括还含有固体的流体的多相混合物的流体混合物。所述工艺过程可以包括物理过程，化学反应，生物化学过程，或者任意其它形式的工艺过程，化学反应被定义为导致有机物、无机物、或者有机物和无机物发生相互转化的过程。以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的非限制性例子：氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属交换；以及离子交换。更具体来说，以下列出了可以通过所揭示的方法和/或装置进行的反应的任一非限制性例子：聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱卤化氢；脱卤化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶合成；缩酮化(ketalization)；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化物化学；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶反应。
Claims (13)
1.一种蜂窝体基材的阵列，其包括：
多个蜂窝体基材，所述多个蜂窝体基材中的各个基材具有基材孔道以及基材侧面，所述基材孔道从相应的基材的第一端部延伸到第二端部，所述基材侧面从所述第一端部延伸到第二端部，所述多个基材中的基材以阵列方式设置，使得相应的基材的侧面彼此相对，相应的基材的孔道沿着共同的方向延伸；以及
在多个基材中的两个或更多个基材的相对的基材侧面之间限定出一条或多条通道，所述一条或多条通道沿着垂直于所述阵列共同方向的方向延伸。
2.如权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述多个基材中的基材在所述相对的基材侧面用烧结的玻璃料密封在一起。
3.如权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述多个基材中的基材在所述相对的基材侧面用水泥密封在一起。
4.如权利要求1-3中任一项所述的阵列，其特征在于，所述多个基材中的一个或多个基材包括沿着所述基材的选择的孔道限定的曲折通路，所述曲折通路与相对的基材侧面之间限定的一个或多个通道流体连通。
5.如权利要求4所述的阵列，其特征在于，所述阵列是规则阵列。
6.如权利要求4所述的阵列，其特征在于，所述多个基材中的基材的侧面是平坦侧面。
7.如权利要求4所述的阵列，其特征在于，所述多个基材中的基材在垂直于它们的孔道的平面内具有矩形的横截面。
8.如权利要求1所述的蜂窝体基材的阵列，其包括沿着所述多个基材中的两个或更多个基材的孔道限定的一个或多个第二通道，所述一个或多个第二通道从所述多个基材中的第一个基材内延伸通过其基材侧面，通过所述多个基材中的第二个基材的侧面延伸入该第二个基材中。
9.如权利要求8所述的阵列，其特征在于，沿着所述多个基材中的两个或更多个基材的孔道限定的通道是曲折通道。
10.如权利要求9所述的阵列，其特征在于，沿着所述多个基材中的两个或更多个基材的孔道限定的通道是高长宽比通道。
11.如权利要求10所述的阵列，其特征在于，所述高长宽比通道是直的通道。
12.一种用来制造蜂窝体基材的阵列的方法，所述方法包括：
提供多个具有侧面的蜂窝体基材；
沿着垂直于基材孔道方向的方向，在所述多个蜂窝体基材的选定侧面机械加工通道；
通过将所述多个蜂窝体基材的侧面与其他侧面密封起来，从而密封所述通道。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法还包括在所述密封步骤之前，沿着垂直于所述基材孔道方向的方向，在所述多个蜂窝体基材的其它的侧面内机械加工通道。
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