CN102844105A - 蜂窝体交错混合器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了蜂窝体交错混合器及其制备方法，所述蜂窝体具有沿共同方向延伸的平行孔道，所述混合器包含在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸的第一流体路径，所述第一流体路径限定在第一多条所述孔道中，至少第一流体路径的高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第一路径方向的宽度之纵横比至少为3:1；还包含在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第二路径方向延伸的第二流体路径，所述第二流体路径限定在第二多条所述孔道中，至少第二流体路径的高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第二路径方向的宽度之纵横比至少为3:1，其中第一流体路径与第二流体路径在其相应的高纵横比部分通过一组孔流体连接，该组孔在共同方向上延伸，它们总体上在共同方向上的高度与垂直于共同方向的宽度之比至少为3:1。

Description

蜂窝体交错混合器及其制备方法
本申请要求2010年2月28日提交的美国临时申请第61/308988号的优先权。
技术领域
本发明一般涉及蜂窝体流体混合器，具体涉及蜂窝体交错混合器以及这种混合器的制备方法。
背景技术
本发明人和/或其同事先前已经提出了基于挤出蜂窝体的低成本连续流动化学反应器的制造技术，例如，如已转让给当前受让人的EP公开第2098285号所述。
本发明的目的是扩大此类反应器的范围，提供能使物料流精细交错的蜂窝体反应器，并提供制备这种混合器的实际方法。
发明内容
一个实施方式包括在蜂窝体内形成的交错混合器，所述蜂窝体具有沿共同方向延伸的平行孔道，所述混合器包含在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸的第一流体路径，所述第一流体路径限定在第一多条所述孔道中，至少第一流体路径的高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第一路径方向的宽度之纵横比至少为3:1；还包含在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第二路径方向延伸的第二流体路径，所述第二流体路径限定在第二多条所述孔道中，至少第二流体路径的高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第二路径方向的宽度之纵横比至少为3:1，其中第一流体路径与第二流体路径在其相应的高纵横比部分通过一组孔流体连接，该组孔在共同方向上延伸，它们总体上在共同方向上的高度与垂直于共同方向的宽度之比至少为3:1。
另一个实施方式包括在蜂窝体内形成交错混合器的方法，所述方法包括：提供蜂窝体，所述蜂窝体具有沿共同方向延伸并被孔道壁分隔的平行孔道；形成在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸，并至少具有高纵横比部分的第一流体路径，所述高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第一路径方向的宽度之纵横比至少为3:1；形成在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸，并至少具有高纵横比部分的第二流体路径，所述高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第二路径方向的宽度之纵横比至少为3:1，并且这样形成所述第一和第二路径，使得在挤出体的至少一个孔道壁处，所述第一和第二路径沿其相应的高纵横比部分仅被所述至少一个孔道壁分隔；以及形成穿过所述至少一个孔道壁的孔，使得所述孔成组排布，该组孔总体上在共同方向上的高度与垂直于共同方向的宽度之比至少为3:1。
所得混合器可在能实现高热交换的高强度挤出体中提供精细交错的流体流。在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
图1是蜂窝体一端的平面图；
图2A-2D是图1和图4中所标示的横截面在一些实施方式的制造过程中的相继视图；
图3A-3D是图1和图4中所标示的横截面在一些实施方式的制造过程中的相继视图；
图4和7是与图1相同的视图，对应于一些实施方式的制造过程中的相继时点；
图5A-5B和6A-6B是图7中所标示的横截面在一些实施方式的制造过程中的视图；
图8是与图6B相似的横截面视图，但显示了又一个实施方式；以及
图9是与图7相似的视图，但显示了再一个实施方式。
具体实施方式
下面将参照附图详细说明，这些附图对本发明大体描述的方法和装置的某些例子进行图示说明。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种形成蜂窝体混合器的方法，所述蜂窝体混合器的形式是蜂窝体挤出基体内的交错混合器。从图1-7可以看出，所述方法包括提供蜂窝体20，其一个端面的平面视图如图1、4和7所示，图1、4和7中所标示的横截面处的横截面视图如图2、3、5和6所示。蜂窝体20具有沿共同方向D（图1、4和7未示出，方向D是进出纸面的方向）延伸并被孔道壁26分隔和限定的平行孔道22。该方法包括形成第一流体路径30，如图6B所示，该流体路径在蜂窝体20内沿垂直于共同方向D的第一路径方向P1延伸，并至少具有高纵横比部分36，所述高纵横比部分在共同方向D上的高度H1与垂直于共同方向D并垂直于第一路径方向P1的宽度W1（从图5B可以看出）之纵横比至少为3:1。
结合图5可以最好地看到，该方法还包括形成第二流体路径40，该流体路径在蜂窝体20内沿垂直于共同方向D的第二路径方向P2延伸，并至少具有高纵横比部分46，所述高纵横比部分在共同方向D上的高度H2与垂直于共同方向D并垂直于第二路径方向P2的宽度W2（在图4标出）之纵横比至少为3:1。第一和第二路径30、40这样形成，即它们在挤出体20的至少一个孔道壁60处沿其相应的高纵横比部分仅被所述至少一个孔道壁60分隔。
从图5A-B和6B可以看出，形成穿过所述至少一个孔道壁60的孔56，使得孔56排列成组54，所述组54的孔56总体上在共同方向D上的高度H3与垂直于共同方向的宽度W3之比至少为3:1。结果是在蜂窝体内形成交错混合器，可使两股流体流实现快速、高效的混合，这完全发生在挤出体中，所述挤出体容易按照下述方法改造，得到混合器结构。较佳的是，挤出体是陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷，目前优选氧化铝。形成步骤优选在挤出陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷蜂窝体之后，但在烧成之前，趁挤出体仍为生坯状态时进行。下面具体结合图2和3对形成方法的几个实施方式进行了更详细的描述。
形成第一流体路径30的工艺或方法的一个实施方式包括除去第一多条孔道34的全部或部分选定孔道壁，如图1和2A所示，然后封闭第一多条孔道34的开放端部。从图2A-D可以看出，孔道34的壁或其部分可优选使用插切（plunge cutting）工具62除去，优选当蜂窝体处于生坯态时，即在挤出之后和烧成之前。较佳的是，除了在一端留下一部分70外，交替地从蜂窝体20的另一端除去壁，如图2B和2C所示。
作为图2B和2C所示的切割或机械加工的替代形式，可采用特殊的挤出模头，使挤出的蜂窝体中至少有一条在垂直于共同方向的方向上被拉长的细长孔道。通过封闭所述至少一条细长孔道的开放端部，有效消除对应于图2B和2C中要机械加工的一些或全部孔道壁，可以在细长孔道中形成全部或至少一部分第一流体路径。
封闭孔道的开放端部可通过多种方式进行，如插入栓塞或者栓塞材料，在选定孔道的开放端部形成各栓塞28或更长的连续栓塞28，这从图6A、6B和7可以看出。例如，栓塞材料可以是插入生坯挤出体中要塞住的孔道里的玻璃或陶瓷烧结料，该烧结料与有机粘结剂混合，含有或不含可UV固化的组分。若存在可UV固化的组分，将其固化可使粘结剂在栓塞材料的脱粘和烧成过程中表现更佳，使栓塞固定不动和保持形状。对于一些应用，甚至可使用可拆装的弹性体栓塞。图7A和7B显示了封闭孔道34端部的栓塞28或连续栓塞28，其中，为了便于观察，图7A省去了一些特征。
第二流体路径40可用同样的方式形成，包括除去第二多条孔道44的全部或部分选定孔道壁，如图1和3A所示，然后封闭第一多条孔道44的开放端部。从图3A-D可以看出，可优选使用插切工具62除去孔道44的壁或其部分，如同处理孔道34那样。同上面一样，较佳的是，除了在一端留下一部分70外，交替地从蜂窝体20的另一端除去壁，如图3B和3C所示。第一和第二路径30、40以及在其中形成所述路径的相应多条孔道34、44这样设置和/或选择：使第一和第二路径30、40在挤出体20的至少一个孔道壁60处沿其相应的高纵横比部分36、46仅被所述至少一个孔道壁60分隔。如图3B-3C所示，该至少一个孔道壁60没有用插切工具62除去。
相反，通过穿透孔道壁60形成连接所述第一和第二流体路径30、40的孔56。根据一个实施方式，这可通过用插在蜂窝体20一端的内插侧切（plunging side-cutting）工具64切出穿过所述至少一个孔道壁60的孔56来实现，如图3D所示。这样可以形成许多窄孔56，具体取决于工具64所选的刀头细度，一般具有图6B所示的矩形形状。
或者，孔56可这样形成：钻出穿过所述至少一个孔道壁60和根据需要穿过至少一个或多个其他孔道壁的孔56，从而能够从蜂窝体20外部到达所述至少一个孔道壁60，例如，如图3D右侧的虚轮廓线钻头66所示。可利用标准机械或超声波加工方法，或者在需要时采用激光钻孔。通过这种钻孔方式开孔之后，对于外孔道壁中不需要的孔或者任何其他不需要的孔，接下来可通过填补烧结料并与栓塞和蜂窝体本身一道烧成，或者通过其他合适的方式予以封闭。图8示出了比图6B所示钻孔具有更圆滑的周缘的钻孔56。
然后，利用栓塞28或连续栓塞材料28或其他手段封闭孔道44的开放端部，得到如图5A和5B所示的结构，为了便于观察，图5A省略了一些结构。
根据前述方法可以理解，所得到的如图5-7所示的结构可描述为一种蜂窝体交错混合器10，该蜂窝体具有沿共同方向D延伸的平行孔道22，所示混合器包含：（1）在蜂窝体20内沿垂直于共同方向D的第一路径方向P1延伸的第一流体路径30，所述第一流体路径30限定在第一多条所述孔道34中，第一流体路径30的至少高纵横比部分36在共同方向D上的高度H1与垂直于共同方向D并垂直于第一路径方向P1的宽度W1之纵横比至少为3:1；以及（2）在蜂窝体20内沿垂直于共同方向D的第二路径方向P2延伸的第二流体路径40，所述第二流体路径40限定在第二多条所述孔道44中，第二流体路径40的至少高纵横比部分46在共同方向D上的高度H2与垂直于共同方向D并垂直于第二路径方向P2的宽度W2之纵横比至少为3:1；其中第一流体路径30与第二流体路径40在其相应的高纵横比部分36、46通过一组54孔56流体连接，该组54在共同方向D上延伸，该组54的孔56总体上在共同方向D上的高度H3与垂直于共同方向D的宽度W3之比至少为3:1。混合器10优选在蜂窝体20中包含第三多条74孔道22，包括如图1所示的邻近第一和第二多条孔道34、44的孔道，它在蜂窝体两端均开放，或者以其他方式提供，或者使其能够接收物料流或者一股或多股热控流体流。
第一和第二流体路径30、40的高纵横比部分36、46的纵横比优选至少为5:1，甚至至少为9:1，该纵横比仍旧容易通过本文所述的方法实现。第一和/或第二流体路径30、40的相应高纵横比部分36、46可包括相应流体路径的整个长度，任选排除可供从蜂窝体外部到达各路径的流体端口，如图2、3、5和6所示。或者，第一流体路径40可沿孔组54两侧的相应路径方向P1延伸，第一流体路径可包括在孔组54的至少一侧沿着其路径的低纵横比部分50，如图8所示。如图中实施方式所示，第二流体路径可终止于孔组54，但作为另一个实施方式，它也可在另一个方向上继续（未示出）。
第一和第二路径30、40的路径方向P1和P2不需要保持恒定不变，而是可根据需要改变，虽然它们通常始终垂直于共同方向D。作为一个例子，在许多情况下，优选增加第一路径30的长度，特别是在离该组54的孔56较远的那侧，两条路径30、40在该侧相遇。图9以平面视图形式示出了具有这种延长的第一路径30，但不具有恒定的路径方向P1的蜂窝体交错混合器，类似于图7所示的视图。
本发明所揭示的方法和/或装置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，包括多相流体混合物进行混合、分离、萃取、结晶、沉淀或其他的工艺过程——包括含有多相流体混合物而该多相流体混合物还含有固体的流体或流体混合物。所述工艺过程可以包括物理过程，化学反应，生物化学过程，或者任意其他形式的工艺过程，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/或设备进行的反应的非限制性例子:氧化;还原;取代;消去;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/或设备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。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对本发明进行各种修改和变动。

Claims (13)

1.一种蜂窝体交错混合器，所述蜂窝体具有沿共同方向延伸的平行孔道，所述混合器包含：
在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸的第一流体路径，所述第一流体路径限定在第一多条所述孔道中，至少第一流体路径的高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第一路径方向的宽度之纵横比至少为3:1；以及
在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第二路径方向延伸的第二流体路径，所述第二流体路径限定在第二多条所述孔道中，至少第二流体路径的高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第二路径方向的宽度之纵横比至少为3:1；
其中第一流体路径与第二流体路径在其相应的高纵横比部分通过一组孔流体连接，该组孔在共同方向上延伸，它们总体上在共同方向上的高度与垂直于共同方向的宽度之比至少为3:1。
2.如权利要求1所述的混合器，其特征在于，第三多条所述孔道，包括邻近所述第一和第二多条孔道的孔道，在蜂窝体两端开放，或者以其他方式提供，或者使其能够接收热控流体的流动。
3.如权利要求1和2中任一项所述的混合器，其特征在于，所述第一和第二流体路径的高纵横比部分的纵横比至少为5:1。
4.如权利要求1和2中任一项所述的混合器，其特征在于，所述第一和第二流体路径的高纵横比部分的纵横比至少为9:1。
5.如权利要求1-4中任一项所述的混合器，其特征在于，所述第一和/或第二流体路径的相应高纵横比部分包括各流体路径的整个长度，任选排除可供从蜂窝体外部到达各路径的流体端口。
6.如权利要求1-4中任一项所述的混合器，其特征在于，所述第二流体路径沿其相应的路径方向在该组孔两侧延伸，所述第二流体路径包括在该组孔至少一侧沿所述路径的低纵横比部分。
7.如权利要求1-6中任一项所述的混合器，其特征在于，所述第一流体路径终止于该组孔。
8.一种形成蜂窝体混合器的方法，所述方法包括：
提供蜂窝体，所述蜂窝体具有沿共同方向延伸并被孔道壁分隔的平行孔道；
形成在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸，并至少具有高纵横比部分的第一流体路径，所述高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第一路径方向的宽度之纵横比至少为3:1；
形成在蜂窝体内沿垂直于共同方向的第一路径方向延伸，并至少具有高纵横比部分的第二流体路径，所述高纵横比部分在共同方向上的高度与垂直于共同方向并垂直于第二路径方向的宽度之纵横比至少为3:1，并且这样形成所述第一和第二路径，使得在挤出体的至少一个孔道壁处，所述第一和第二路径沿其相应的高纵横比部分仅被所述至少一个孔道壁分隔；以及
形成穿过所述至少一个孔道壁的孔，使得所述孔成组排布，该组孔总体上在共同方向上的高度与垂直于共同方向的宽度之比至少为3:1。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成第一流体路径的步骤包括除去第一多条孔道的部分或全部选定孔道壁，并封闭所述第一多条孔道的开放端部。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述形成第一流体路径的步骤包括挤出蜂窝体，所述蜂窝体具有至少一条在垂直于共同方向的方向上被拉长的孔道，从而在其中形成全部或至少一部分所述第一流体路径，并且封闭所述至少一条细长孔道的开放端部。
11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述形成孔的步骤包括利用插在蜂窝体一端的内插侧切工具切出穿过所述至少一个孔道壁的孔。
12.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述形成孔的步骤包括钻出穿过所述至少一个孔道壁和根据需要穿过至少一个或多个其他孔道壁的孔，以便从蜂窝体外部到达所述至少一个孔道壁，所述方法还包括将所述至少一个或多个其他孔道壁中得到的孔至少封闭一些。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，钻孔包括激光钻孔。
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