CN110740805B - 流动分配系统 - Google Patents

Abstract

一种用于分配和分开至少两股单独的流体的流动的流动分配系统，该分配系统包括：至少两个流体输送分形的三维嵌套结构，包括至少第一流体输送分形和第二流体输送分形，每个流体输送分形具有相应的分叉至多个流体出口的流体入口，每个流体输送分形被配置成促进穿过其中的独立于另一个流体输送分形中的流动的流动，每个流体输送分形沿着并围绕流体入口和多个流体出口之间的中心轴线延伸；其中每个流体输送分形包括一系列以选定数量的级组装的递归分叉单元，每个分叉单元包括流体地连接至两个连续分叉单元的Y形分叉元件，每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转相对于前一级60度和120度之间的角度；每个流体输送分形与另一个流体输送分形交织在一起；每个流体输送分形围绕中心轴线与另一个流体输送分形偏移定位，并且被布置成使得来自流体输送分形中的一个的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接，并且每个流体输送分形以流动轴线为中心，该流动轴线从中心轴线横向倾斜从大于0度至20度，并且从中心轴线纵向倾斜从大于0度至20度。

Description

流动分配系统

交叉引用

本申请要求于2017年4月21提交的澳大利亚临时专利申请第2017901465号的优先权，该澳大利亚临时专利申请的内容应被理解为通过本引用并入本说明书中。

技术领域

本发明涉及用于将流体流动路径分流成多股平行流动流的流体流动分配系统。该流动分配系统(flow distribution system)特别适于作为用于整体式反应器、包括所述流动分配系统的反应器、流体混合器、流体掺混器、泰勒流动混合器、催化反应器和转化器、燃料混合器和/或燃烧器或类似物的流动分配系统，并且在下文中结合这些示例性的应用公开本发明将是方便的。然而，应理解，本发明的流动分配系统可以用于任何数量的其他流体流动分流和/或分配应用。

发明背景

本发明的背景的以下讨论意图有助于对本发明的理解。然而，应理解的是，该讨论不是确认或承认所提到的任何材料是如在本申请的优先权日公布的、已知的或公知常识的一部分。

实现入口流体流动到多个出口中的均匀分配的流动分配系统在跨各种行业的一系列流体处理应用中是常见的功能要求。例如，在使用整体催化剂载体装置的化学反应器中，系统效率取决于在由涂覆有催化活性物质的薄壁分隔开的许多紧密堆积的平行通道上实现均匀流动分配的能力。对于需要以小规模量流体混合的应用，通常还需要实现非常接近的两股入口流体流的分流(flow division)和均匀分配的能力。

满足均匀流动分配应用要求的分配系统设计通常分为两大类分流方案：

A.平行：其中通过沿着流体腔室具有多个端口的歧管，在单个级中发生分流(例如，如图1(A)中所示)；或者

B.顺序：其中通过顺序分叉的结构化阵列，在多个级中发生分流(例如，如图1(B)中所示)。

平行方案具有固有的几何简单性和制造简单性。然而，该方案通常也具有产生不均匀或分配不均匀的流动的趋势。

顺序方案通常用分形分叉方法(fractal bifurcation approach)来实施，该分形分叉方法在顺序级中连接多个通道分叉，产生进料流的分支级联。在流动分配系统上下文中使用的术语分形(fractal)指的是在不同尺度(scale)上显示出重复结构模式的几何体。由于对流动路径的高水平控制，分形流动分配方案与普通平行歧管方法相比，可以表现出更高的流动均匀性和降低的压力损失。因此，分形状的空间填充结构也经常以天然流体运输系统演化，所述天然流体输送系统诸如植物分枝和血管。然而，由于相对较高的几何复杂性，分形流动分配系统实施方案提出了增加的设计和制造挑战。此外，在实践中，实现跨过许多密集堆积的出口和多股流动流的高的流动均匀性的能力已经受到限制，这通常是由于满足传统制造工艺限制所需的设计折衷。

例如，制造限制可以导致使用垂直接合部(junction)，特别是垂直分叉接合部，这可以由于流动转向损失而增大压降。垂直流动接合部的实例包括：

美国专利第7,032,894号公开了一种用于整体式反应器的流动分配系统，其中流体反应物被引入到反应器中并且混合在一起，然后在混合的反应物进入整体式床内的反应区之前被连续地分流成更小的多股流动流。流动分配系统包括整体区段(monolithsegment)的堆叠，该整体区段具有不同的单元密度，并且按照在液体流动的重力向下方向上增大单元密度的顺序堆叠，以便连续地将液体流动流分流成更小的液体流动流。这样的流动分配系统配置不能用于分配两个平行的流，因为整体区段的连续层之间的流动路径没有被流体分离或隔离。这种分配器配置也可以导致进入反应区的多股反应物流中的每一股都具有其自己的特定组成概况和温度概况，反映了每股流所经历的独特行程。因此，最佳稳定反应条件经常难以维持，其中反应器收率和反应速率反映了这一点。

美国专利第6,742,924号教导了一种用于两个或更多个独立且偏移的流体输送分形(fluid transporting fractals)的单独的和同时分流和混合的流动分配系统。分流器(flow divider)将独立的流体输送分形分开，该流体输送分形具有相应的分叉至多个流体出口的流体入口。例示的流体输送分形具有垂直分叉形状(H形)，并且彼此偏移定位(设置在不同的平面上)。合并通道将第一流体输送分形的第一输出部(first output)与相应的第二流体输送分形的第二输出部互连，使得在与离开除所述第一输出部和第二输出部之外的所述输出部的流体隔离的环境中，离开所述第一流体输送分形的第一输出部的流体能够与离开所述第二流体输送分形的所述第二输出部的流体混合。虽然这种分流器的偏移性质提供了实用的嵌套解决方案，但流动分配系统的线性和垂直性质限制了分配器的几何形状，并且由此限制了配置的堆积密度(packing density)的任何优化。流动分配系统的垂直性质也可以增大通过每个流体输送分形的压降，特别是在较小的液体流动流中。

虽然在该领域已经存在改善，但对改善的流动分配系统或分配器仍然存在需要，其中两股单独的流动流可以被进料到该流动分配系统或分配器中，该流动分配系统或分配器使用一系列流体反应物、气体和/或液体，提供安全、有效的性能。

发明概述

在本发明的第一方面中，提供了流动分配系统，所述流动分配系统用于分配和分开至少两股单独的流体的流动，所述分配系统包括：

至少两个流体输送分形的三维嵌套结构，至少两个流体输送分形包括至少第一流体输送分形和第二流体输送分形，每个流体输送分形具有相应的分叉至多个流体出口的流体入口，每个流体输送分形被配置成促进穿过其中的独立于另一个流体输送分形中的流动的流动，每个流体输送分形沿着并围绕流体入口和多个流体出口之间的中心轴线延伸；

其中每个流体输送分形包括一系列以选定数量的级组装的递归分叉单元，每个分叉单元包括与两个连续分叉单元流体连接的Y形分叉元件，每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转相对于前一级60度和120度之间的角度；

每个流体输送分形与另一个流体输送分形交织在一起；

每个流体输送分形围绕中心轴线与另一个流体输送分形偏移定位，并且被布置成使得来自流体输送分形中的一个流体输送分形的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接，以及

每个流体输送分形以流动轴线为中心，该流动轴线从中心轴线横向倾斜从大于0度至20度，并且从中心轴线纵向倾斜从大于0度至20度。

因此，本发明提供了流动分配系统，该流动分配系统组合了至少两个顺序分流方案(即流体输送分形)，以对于一股或两股单独的流体入口流实现高出口流动均匀性和堆积密度。根据本发明的分形分叉方案能够从单个入口在大面积上均匀地分配流动。流体出口的限定布置允许两股独立的流体流从流体分配器输出，并且在一些实施方案中，容易地在出口处以小体积混合。流体流的对称性在流体输送分形之间实现了相等的流动条件。它还允许通过任选的专用下游混合区段实现流体流的混合。因此，本发明的分形分叉方案提供了以下特性：

·在出口区域足迹(footprint)内容纳两股优选地具有对称流动路径的流动流的能力；

·由于两个流体输送分形通道以三维交织而不是平面交织所导致的嵌套的自由；

·与许多现有技术分形分叉实施方案相比低的压力损失。由于圆形而不是垂直的分叉接合部，所提出的设计提供了降低的压力损失；以及

·高的流动均匀性。

流体输送分形围绕中心轴线以与另一流体输送分形偏移的位置交织，以便将两个流体输送分形定位和封装(pack)在紧凑的空间内。该偏移位置可以通过相对于中心轴线的位置偏移和轴向偏移或角度偏移的组合来实现。在实施方案中，每个流体输送分形的流动轴线与中心轴线偏移地间隔开。应理解，中心轴线界定了整个流动分配系统的垂直轴线。

优选地，每个流体输送分形的流动轴线围绕中心轴线横向地和纵向地间隔开。这将每个流体输送分形定位在围绕系统的中心轴线的X-Z平面上的相对象限(对角相对的象限)上。该间距通常基于以下来确定：系统的尺寸、分流级的数量(N)、过渡平面的级位置(例如，如在附图描绘的实施方案中，过渡平面通常被定位在j＝4处)以及系统所需的相关分叉单元间距S_j、通道壁厚度、流体性质和流动性质。然而，在实施方案中，每个流体输送分形的流动轴线从中心轴线的横向偏移

在以下之间：

其中S_j是分叉单元间距。类似地，在实施方案中，每个流体输送分形的流动轴线从中心轴线的纵向偏移

在以下之间：

其中S_j是分叉单元间距。

应理解，分叉单元间距S_j是每个分叉单元的入口直径和出口直径的中心之间的垂直投影长度。在实施方案中，分叉单元间距S_j由以下确定：

应注意，下标符号e和

分别用于表示仅针对偶数或奇数的等式有效性。例如，

表示j为偶数的参数S_j的值。

对于j为奇数是无效的。此外，出口级边缘长度L是其中分配出口级的出口的几何构成(geometric formation)的边缘的线性长度。在出口几何构成是正方形的情况下(即所有出口都以正方形栅格分配)，边缘长度L＝Lx＝Ly(参见例如图2)。

每个流体输送分形的流动轴线相对于中心轴线倾斜一定角度。这使得每个流体输送分形能够弯曲或远离中心轴线成角度，以容纳和交织在早期级中分配器的各种且较大尺寸的通道。此外，流动轴线的倾斜允许在组件入口处有间隙，而不损害入口流动条件。每个流体输送分形以流动轴线为中心，该流动轴线从中心轴线横向倾斜

优选地2度和20度之间，优选地4度和10度之间，并且从中心轴线纵向倾斜

优选地2度和20度之间，优选地4度和10度之间。每个流体输送分形的相应的倾斜和偏移优选地关于中心轴线成镜像，优选地关于中心轴线对称地成镜像。更优选地，通道路径的布局相对于中心轴线和每个相应的流体输送分形的流动轴线对称。这提供了流体流关于中心轴线的对称性，这可以在流体输送分形之间实现相等的流动条件。然而，应理解，布局也可以不对称地被结构化，以实现有意不同的流动条件。

每个流体输送分形的流体出口和作为一个整体的流体分配系统的流体出口优选地相对于中心轴线在单个平面中被定位和对齐。这使得所有出口能够对齐，简化了下游设计的添加和耦合，诸如添加另外的分形分叉级、混合或反应器级或系统。在实施方案中，每个流体出口位于相对于中心轴线定向优选地垂直于中心轴线定向的出口平面中，并且每个流体输送分形包括过渡导管(transition conduit)，该过渡导管被配置成将每个输送分形的流动路径引导并且重新对齐到出口平面中。在实施方案中，流体出口以正方形纵横比布置，优选地以偶数阵列布置。例如，出口的8×8阵列。然而，应理解，流体出口可以以任何期望的形状布置，包括多边形、正多边形或类似形状。在一些实施方案中，流体出口以矩形配置布置。应理解，分叉单元的级或分流级的数量可以是任何合适的数量，例如在1至10或更多之间。实例包括2个、3个、4个、5个、6个、7个或8个级。

应理解，许多装置和工艺参数影响通过流动分配系统的均匀流动的形成，并且特别是通过每个流体输送分形的流体出口产生的均匀流动的形成。为了通过流体输送分形的均匀流动，优选的是满足以下条件中的一个或更多个：

·通过流动分配系统的每个级中的流动面积转移比率等于1；

·雷诺数优选地<100,000，优选地在1000和100,000之间，更优选地在1500和80000之间，还更优选地在5000和50000之间；然而，应理解，流动分配系统可以在层流Re值和湍流Re值两者上工作。对于给定的直径和表面粗糙度，管/通道中较高的Re通常降低Darcy-Weisbach摩擦系数，该摩擦系数与压力损失成正比。然而，对于给定的流体，较高的Re需要较高的流速(v)，这使压力损失增加了v^2。因此，对于给定的通道和流体，在湍流状态下增加的Re值(～>3000)可以增加压力损失。

·流体出口具有在从10000个出口每m²至15000个出口每m²的范围内，优选地约12175个点/m²的分配密度；和/或

·流动分配系统具有至少50，优选地至少100的下降比率(downturn ratio)，即最大流量是最小流量的100倍(Re_max/Re_min＝1E5/1E3)。

通过流动分配系统的得到的流动优选地是均匀的。在实施方案中，系统的流动大体上接近塞流型流动模式(plug flow type flow pattern)。

通过流体分配器的摩擦压力损失通过减少突然的流动路径过渡和提供最大可行的通道直径的设计来限制。因此，流体分配器的分叉通道的配置是Y形分叉元件，该Y形分叉元件优选地包括入口通道和两个出口通道，所述入口通道和两个出口通道在其入口和出口之间提供弯曲的流体流动路径。弯曲的流动路径可以具有任何合适的弯曲配置。在一些实施方案中，弯曲的流动路径包括急弧(acute arc)。每个分叉元件的两个弯曲流动路径优选地形成拱形，其中入口位于拱形的顶点。分叉单元中每个通道或支路(leg)之间的角度包括分叉角度θ_j。该分叉角度被选择成提供合适的流动分流，具有合适的流动性质，并且适应交织的流体输送分形的必要堆积和几何形状。在实施方案中，每个分叉单元具有30度和60度之间，优选地30度和40度之间，更优选地约35度的分叉角度θ_j。

形成每个流体输送分形的每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转60度和120度之间的角度。应注意，分叉单元相对于前一级旋转的角度应在一定范围内，以向分叉流动提供大体上对称的流动阻力，以帮助维持通过相应的流体输送分形的每个通道和整个流动分配系统的均匀流动。虽然不希望受限于任一种理论，但认为流动均匀性将成比例地受到该分叉单元旋转角度的影响。不会“大体上”影响均匀流动的度数取决于所需的流动均匀性水平。在优选的实施方案中，形成每个流体输送分形的每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转相对于前一级的70度和110度之间，优选地80度和100度之间，并且更优选地大体上90度的角度。在一些实施方案中，形成每个流体输送分形的每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转相对于前一级的90度。

每个流体输送分形的重复分形单元可以包括任何合适的分形形状。在实施方案中，两个流体地连接的且邻接的分叉单元形成H形分形单元。

分叉单元和形成的分形单元的几何形状和配置对于流动分配系统的堆积和交织形式是重要的。因此，连接的分叉单元的入口和出口的直径是一个考虑因素。优选地，级j+1的入口直径等于分叉级j的出口直径，其中j是分叉级指数。在实施方案中，直径在每个分叉级之间线性地变化，以便提供逐渐的流动路径过渡，并且从而提供减少的摩擦流体压力损失。当在奇数级指数和偶数级指数之间过渡时，分叉单元间距S_j优选地保留，并且当在偶数级和奇数级之间过渡时，分叉单元间距S_j减半，以便实现装置出口通道的正方形纵横比。对于非正方形纵横比，保留要求不适用。

在本发明的一些实施方案中，在顺序分叉单元之间引入直的通道区段，以允许流动在通过分叉弯曲部(bifurcation bends)之后恢复到轴对称状态，所述分叉弯曲部可以将剪切流动分量引入到流动概况中。当流动进入下一个分叉级时，这些剪切分量可以导致分配不对称。在这样的实施方案中，每个流体输送分形中的第一分叉单元和后续分叉单元的分叉之间的通道的过渡长度的长度直径比率(length to diameter ratio)(L/D)也是另一个几何考虑因素。该L/D比率优选地为至少5，优选地为从5至100，更优选地为从5至20，并且还更优选地为约10，其中L是第一分叉单元和后续分叉单元中的相应的分叉之间的长度，并且D是在第一分叉单元和后续分叉单元中的分叉之间延伸的相应的导管的平均外径。

在一些实施方案中，每个流体输送分形包括矫直区段(straightening section)，该矫直区段被配置成将流体输送分形的流动导管从与该流体输送分形的流动轴线对齐对准到中心轴线和流体出口平面。矫直区段之后可以是直的区段(或直的流动区段)，其长度优选地可调节(当需要在矫直区段之后恢复流动状态时)。应理解，每个流动分配系统的所有分叉单元都可以具有相同的尺寸比例或者可以独立地变化。

应理解，流动分配系统包括偶数个流动分配系统级。在分形流动分配系统实施方案的固有几何关系内，在具有边缘长度L的正方形填充区域中实现出口的均匀分配需要偶数个分叉级。

在本流体流动分配系统的设计中的一个考虑因素是其在混合器应用中与第二单元耦接，以通过两股单独的流体流动通过两个交错的规则间隔的流体出口的矩阵的排出来充当进料器的能力。流体流动分配系统被布置成使得每个单独的流体出口紧邻其供应不同流体种类的混合配合件(mixing partner)定位。这对通道分叉的定位和定向提出了严格的要求，因此两个流体输送分形可以‘嵌套’在一起。这也限制了单元中分流级的最大数量。为了混合，来自流体出口的两股单独的流被组合，使得单独的流的组分反应/混合。在实施方案中，本发明的流动分配器还包括混合器，在所述混合器中使来自第一流体输送分形的至少一个流体出口的流体与来自第二流体输送分形的至少一个流体出口的流体混合。来自第一流体输送分形的流体出口的流体优选地与来自第二流体输送分形的所述邻接流体出口的流体混合。

应理解，本发明的流动分配系统可以通过任何合适的制造方法来形成。然而，鉴于本发明的几何形状和流动方案的复杂性，本发明的流动分配系统优选地包括增材制造的产品(additively manufactured product)，优选地使用选择性激光熔化、立体光刻、材料喷射、选择性激光烧结或直接能量沉积技术。

本发明的第二方面提供了将至少两股单独的流动流分开的方法，包括：

将两股单独的流动流进料到根据本发明的第一方面的流动分配系统的第一流体输送分形和第二流体输送分形中；

从而从每个流体输送分形的每个流体出口产生多股出口流动。

本发明的第三方面提供了设计包括三维嵌套结构的流动分配系统的方法，该流动分配系统用于分配和分开至少两股单独的流体的流动，该方法包括：

确定流动分配系统级的数量；

选择递归分叉单元，该递归分叉单元包括Y形分叉元件，该Y形分叉元件与待在所选的流动分流级中组装的两个连续分叉单元流体连接；以及

将每个连续分叉单元组装成具有选定数量的流动分配系统级的两个流体输送分形，每个流体输送分形沿着并围绕流体入口和多个流体出口之间的中心轴线延伸，使得：

每个连续分叉单元被定向成使得其相对于中心轴线旋转相对于前一级60度和120度之间的角度，每个流体输送分形被配置成促进穿过其中的独立于另一个流体输送分形中的流动的流动，

每个流体输送分形被布置成使得来自流体输送分形中的一个流体输送分形的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接，以及

每个流体输送分形与另一个流体输送分形交织在一起；以及

每个流体输送分形围绕中心轴线与另一个流体输送分形偏移定位，并且被布置成使得来自流体输送分形中的一个流体输送分形的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接，以及

每个流体输送分形以流动轴线为中心，该流动轴线从中心轴线横向倾斜从大于0度至20度，并且从中心轴线纵向倾斜从大于0度至20度。

所设计的流动方案包括分形分叉。性能可以使用广泛的数值研究来预测，并且随后使用实验测试来验证，例如使用增材制造的聚合物原型。

如关于本发明的第一方面所讨论的，偏移位置可以通过相对于中心轴线的位置偏移和轴向偏移或角度偏移的组合来实现。在实施方案中，在组装步骤中，如上文所讨论的，每个流体输送分形的流动轴线从中心轴线偏移地间隔开，优选地横向地和纵向地偏移地间隔开。每个流体输送分形以流动轴线为中心，该流动轴线从中心轴线横向倾斜从大于0度至20度，优选地4度和10度之间，并且从中心轴线纵向倾斜从大于0度至20度，优选地4度和10度之间。在一些实施方案中，所述方法还包括以正方形纵横比，优选地以偶数阵列布置流体出口的步骤。例如，出口的8×8阵列。然而，同样地应理解，其他配置也是可能的，例如矩形或其他多边形。

同样地，形成每个流体输送分形的每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转60度和120度之间的角度。应注意，分叉单元相对于前一级旋转的角度应在一定范围内，以向分叉流动提供大体上对称的流动阻力，以帮助维持通过相应的流体输送分形的通道中的每个和整个流动分配系统的均匀流动。虽然不希望受限于任一种理论，但认为流动均匀性将成比例地受到该分叉单元旋转角度的影响。不会“大体上”影响均匀流动的度数取决于所需的流动均匀性水平。在优选的实施方案中，形成每个流体输送分形的每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转相对于前一级的70度和110度之间，优选地80度和100度之间，并且更优选地大体上90度的角度。在一些实施方案中，形成每个流体输送分形的每个连续分叉单元相对于中心轴线旋转相对于前一级的90度。

分叉单元和形成的分形单元的几何形状可以影响设计。在实施方案中，在选择步骤中，每个Y形分叉元件包括入口通道和两个出口通道，所述入口通道和两个出口通道在其入口和出口之间提供弯曲的流体流动路径。类似地，在一些实施方案中，在组装步骤中，所选择的分叉单元被组装以形成H形分形单元。每个分叉单元优选地具有30度和60度之间，优选地30度和40度之间，更优选地约35度的分叉角度。每个流体输送分形的表面也可以优选地被设计成与垂直于中心轴线定位的水平面具有≥30度的倾斜角度。这有助于流动分配系统的增材制造。

在所选的实施方案中，在组装步骤中，每个流体输送分形中的第一分叉单元和后续分叉单元的分叉之间的导管的过渡长度的长度直径(L/D)比率优选地为至少5，优选地为从5至100，更优选地为从5至20，并且还更优选地为约10，其中L是第一分叉单元和后续分叉单元中的相应的分叉之间的长度，并且D是在第一分叉单元和后续分叉单元中的分叉之间延伸的相应的导管的平均外径。

应理解，可以考虑许多其他参数，以便确定每个流体输送分形和整个流动分配系统的总体性质和几何形状。在确定步骤中，优选地还确定了系统的期望流量和系统的流体性质；并且这些参数用于在选择步骤中确定导管直径和流动分配系统的总体尺寸。应理解，总体尺寸包括流体出口的几何构成的出口级边缘长度L。例如，在出口几何构成是正方形的情况下(即所有出口都以正方形栅格分配)，边缘长度L＝L_x＝L_y(参见例如图2)。

同样地，本发明的流动分配系统可以通过任何合适的制造方法来形成。然而，在优选的实施方案中，流动分配系统使用增材制造系统来制造。在实施方案中，所述方法还可以包括以下步骤：3D打印所设计的流动分配系统，优选地使用选择性激光熔化。

应理解，本发明的该第三方面可以包括关于本发明的第一方面讨论的上文限定的特征，并且反之亦然。在该方面中，可以使用根据本发明的第三方面中任一种的方法来设计根据本发明的第一方面的流动分配系统。

在实施方案中，本发明的第一方面的流动分配系统可以用作泰勒流动混合装置的一部分。本发明的第四方面提供了用于在流体中形成泰勒流动的泰勒流动混合器，该泰勒流动混合器包括：

入口区，该入口区包括用于接收至少两股单独的流体进料的两个或更多个入口；

分配区，该分配区包括根据本发明的第一方面的流动分配系统，该流动分配系统提供多个分配通道，用于将相应的流体进料分别分配到增加单元密度的连续通道中；

混合区，该混合区包括多个混合通道，用于从分配通道的输出部接收和混合相应的单独的流体到至少一个产物通道中，以形成其中包含两种流体的泰勒流动。

根据本发明的该第四方面的泰勒流动混合装置产生在空间上对齐的均匀流动，并且具有来自流动分配系统的均匀流动出口，该流动出口以大的单元密度嵌套，使得泰勒流动能够从共同流体进料沿着多个对齐的导管产生。有利地，本发明的流动分配系统允许精确且均匀地复制泰勒流动在离开分配区的每个流体出口中所需的流体动力学参数。流动分流的均匀且相等的可重复分配允许泰勒流动条件在来自分配区的每个流体出口中被复制。

泰勒流动可以使用多种流体进料来形成。在实施方案中，进料到分配区中的至少两股单独的流体进料包括气体和液体；液体和液体；或者气体和液固相中的至少一种。实例包括悬浮液或其他固液分散体。

在混合区中，来自分配区的流体出口的两股单独的流被组合，使得单独的流的组分被混合以形成泰勒流动。混合区优选地包括流体地连接至第一流体输送分形的至少第一导管和流体地连接至第二流体输送分形的至少第二导管之间的流动汇合部(flow merge)。第一导管和第二导管之间的角度可以是任何合适的角度。在实施方案中，至少一个第一导管与至少一个第二导管以0度至180度之间，优选地45度和90度之间的角度汇合。应理解，两个最常用的角度是90和45。然而，取决于工作流体的粘度和表面张力，也存在变型。

与分配区直接连通的混合流通道的长度与直径的比率优选地为至少10，更优选地为至少15，甚至更优选地为至少20，还甚至更优选地为至少30，并且最优选地为至少40。较大的L/R促进进入混合区的流体的更均匀的流动，这导致在混合区内更有效的混合。

混合区通道的长度与直径的比率优选地为至少5，更优选地为至少10，甚至更优选地为至少15，还甚至更优选地为至少20，并且最优选地为至少30。较大的L/R促进混合区内泰勒流动的形成。优选地，L/R比率不超过30，更优选地不超过20，并且甚至更优选地不超过10。较低的L/R比率降低了混合的均匀性，并且因此可以阻碍在混合区内泰勒流动的形成。泰勒流动状态容易受到外部压力的影响，并且由于较小的L/R比率引起的任何变化导致不希望的扰动。

为了优化混合区中的泰勒流动，可以改变许多因素。例如，在混合区中，两种流体之间的毛细管数优选地在0.001至0.2之间，优选地在0.005和0.1之间。在混合区中，雷诺数优选地为从10至1500，优选地为100至1000。在混合区中，每个导管的内径优选地为从1微米至3mm，优选地为5微米至2mm，更优选地为10微米至1mm。

在实施方案中，进入混合区的分配区通道的流量均匀性大于80％，优选地大于90％，更优选地大于95％。应理解，流动均匀性被定义为装置的所有出口中流动的标准偏差。在理想的实施方案中，进入反应区的混合的反应物的流动均匀性优选地为100％或约100％。

本发明的第五方面提供了用于在两股流体中形成泰勒流动的工艺，该工艺包括将两股或更多股流体进料到根据本发明的第四方面的泰勒流动混合器中。

在实施方案中，本发明的第一方面的流动分配系统可以用作反应器系统的一部分。本发明的第六方面提供了用于加工两种或更多种流体反应物的反应器，该反应器包括：

入口区，该入口区包括用于接收两种或更多种反应物中的每一种的两个或更多个入口；

分配区，该分配区包括根据本发明的第一方面的流动分配系统，该流动分配系统提供多个分配通道，用于将每种反应物分别分配到增加单元密度的连续通道中；

混合区，该混合区包括多个混合通道，用于从分配通道的输出部接收和混合两种或更多种反应物；以及

反应区，该反应区包括多个反应通道，用于使两种或更多种混合的反应物反应，从而产生产物。

本发明的该第六方面的反应器使得能够通过向反应区提供混合的反应物的均匀流动来优化收率和/或速率。这是通过以下来实现的：促进进入混合区的反应物的均匀流动，导致反应物的共反应的减少的变化，并且由此减少进入反应区的反应物的温度变化。

反应物保持分开直到混合区，在混合区中小体积的反应物被组合。小体积的混合的反应物与其高流速组合降低了闪回事件(flashback events)的可能性和影响。

在一个实施方案中，反应区也是混合区。尽管离散的混合区通常是优选的，因为它促进了进入反应区的流的高混合效率。

混合区优选地包括一个或更多个挡板。挡板促进反应物的径向混合。

紧邻混合通道的分配通道直径优选地在0.01mm和100mm之间，更优选地在0.1mm和10mm之间，并且甚至更优选地在0.5mm和5mm之间。通道壁的厚度优选地在0.3mm和3mm之间。

与混合区直接连通的反应物流通道的长度与直径的比率优选地为至少10，更优选地为至少15，甚至更优选地为至少20，还甚至更优选地为至少30，并且最优选地为至少40。较大的L/R促进进入混合区的反应物的更均匀的流动，这导致混合区内的更有效的混合。

混合区通道的长度与直径的比率优选地为至少5，更优选地为至少10，甚至更优选地为至少15，还甚至更优选地为至少20，并且最优选地为至少30。较大的L/R促进离开混合区的反应物的较高的混合效率。优选地，L/R比率不超过30，更优选地不超过20，并且甚至更优选地不超过10。较低的L/R比率减少了组合的反应物的平均停留时间，并且由此减少了进入反应区之前的非催化反应。对于一种燃料是氧化剂而另一种燃料是可燃流体的系统，这特别有益于防止闪回。在闪回的情况下，火焰前沿(flame front)以流体流动的相反方向行进，最终在混合点终止。通过在反应点附近掺混，闪回的影响将被降低。

混合区的混合效率优选地为100％或约100％。在实施方案中，混合区的混合效率为至少80％，更优选地为至少90％，并且甚至更优选地为至少95％。应理解，混合效率被定义为相对标准偏差M的测量值：

其中s＝浓度分布的标准偏差，并且

进入反应区的混合的反应物的流动均匀性优选地为至少80％，更优选地为至少90％，并且甚至更优选地为至少95％。应理解，流动均匀性被定义为装置的所有出口中流动的标准偏差。在理想的实施方案中，进入反应区的混合的反应物的流动均匀性优选地为100％或约100％。

优选地，每个混合通道与不超过4个、更优选地不超过3个、并且甚至更优选地不超过2个反应器通道连通。通过限制反应物向反应区中的分散，促进了均匀的流动状态。

反应区、混合区和分配区优选地是整体式结构的一部分。在一些实施方案中，反应区和/或混合区包括热交换器以控制混合区和/或反应区的温度。热交换器优选地包括多个热交换通道，其与混合通道或反应通道相邻，用于热交换流体流过其中。

反应通道优选地包含催化剂。催化剂可以形成反应器通道内的固定催化剂床的一部分。可选择地，催化剂可以涂覆在反应器通道壁上。优选地，反应物中的每一种的雷诺数不超过50,000。

在本发明的第七方面中，提供了用于使两种或更多种流体反应物反应的工艺，包括将两种或更多种流体反应物进料到根据本发明的第六方面的实施方案中的任一项的反应器中。

进入混合区的反应物的速度优选地在0.01米/秒和10米/秒之间，更优选地在0.1米/秒和5米/秒之间，并且甚至更优选地在0.5米/秒和2米/秒之间。

优选地，流体反应物是气体反应物或液体反应物或它们的组合。在优选的实施方案中，反应物包含具有小于8、更优选地小于6、甚至更优选地小于4、并且甚至更优选地小于2的碳链长度的烃。

在本发明的第八方面中，提供了根据本发明的第六方面的实施方案中的任一项的反应器用于使两种或更多种反应物反应的用途。优选地，反应器用于天然气或甲烷的重整。

在一个实施方案中，反应物危害甲烷和氧气(或空气)，并且反应是催化的部分氧化(catalytic partial oxidation)。

在可选择的实施方案中，反应器包括与用于吸热反应的反应区相交替的用于放热反应的反应区。该实施方案的一个实例是甲烷或天然气的双重重整。反应器内的通道可以被适当地配置，使得由放热催化部分氧化反应产生的热量驱动吸热蒸气甲烷重整反应(即反应通道彼此相邻)。

应理解，本发明的流动分配器可以用作流动分流器或流动分离器(flow splitteror divider)，或者相反地用作流动汇合装置。例如，在一个应用中，流动分流器可以用于分离乳液的两个部分。

应理解，本发明的流动分配系统可以用于分析、水净化、制药、油气、食品、炸药或汽车行业中的许多行业。在各种行业中的应用包括(但不限于)水分析、液-液提取、气-液反应器、气-液-固反应器、精炼机诸如SOR、胶体生产、POX、催化ATR、催化转化器、SCR、分离、反应器、鼓泡塔、流化床反应器、滴流床反应器、热交换器、强化反应器分离器、多相反应器/分离器。还应理解，本发明的流动分配系统可以用于混合燃料，例如在燃烧器、喷枪或类似物中混合燃料，以及用于掺混流体，诸如流体混合器和掺混器。

附图简述

现在将参考附图中的图来描述本发明，附图图示出了本发明的特别优选的实施方案，在附图中：

图1提供了两种一般流动分配方案的一般图示：(a)平行类型；以及(b)顺序分形类型。

图2图示出了根据本发明的流动分配系统的实施方案，示出了(a)具有关键尺寸的单个分叉单元；(b)四级(N＝4)实施方案。细节的分形自相似重复单元，包括j和j+1阴影单元)，由投影的二维单元连接示意图上的“H”形线标识；以及(c)示出了壁厚度尺寸的根据本发明的流动分配系统的实施方案的单个分叉单元。

图2A图示出了对于正方形纵横比，随着分形维数的变化的分形流动分配器空间填充特性。由“H”形线标识的细节的重复单元。在图中，δ包括：

注意情况(i)中的低空间填充能力和情况(iii)中的重叠干扰。

图2B图示出了对于矩形纵横比，随着分形维数的变化的分形流动分配器空间填充特性。由“H”形线标识的细节的重复单元。在图中：

注意情况(i)中的低空间填充能力和情况(iii)中的重叠干扰。

图3示出了由不同的θ_j值构造的流体输送分形的分叉单元的三个不同的通道；(a)θ_j＝20度；(b)θ_j＝35度；以及(c)θ_j＝45度。

图4图示出了开发根据本发明的流动分配系统的设计方法中的步骤。

图5提供了示出本发明的具有流体输送分形(两条独立的通道路径)的流动分配系统的实施方案的示意图，其图示出了：(a)两条通道路径和相关路径以及装置对称轴线的嵌套布置；(b)单个通道路径，表明倾斜的过渡平面和出口平面的布置；以及(c)嵌套参数的详细描述的视图，这些参数限定了通道路径相对于装置出口平面和通道路径过渡平面的定向。

图6提供了根据本发明的实施方案的流动分配系统的前视图，该流动分配系统包括两个嵌套的流体输送分形。

图7提供了形成用于混合器的进料器的图6的流动分配系统的等轴侧视图，其图示出了流体流动分配系统之间的平面偏移。

图8提供了图7中所示的流动分配系统的底视图。

图9提供了在导管中泰勒流动的图示的示意图。

图10提供了示意性地示出平行泰勒流动通道的编号的图示。

图11是根据本发明的一个实施方案的泰勒流动混合装置的等轴侧视图。

图12提供了图11中所示的泰勒流动混合装置的各种视图，示出了(a)顶视图；(b)流动分配系统级的出口的特写图；(c)示出了汇合和混合级的侧视图；以及(d)示出了内部流动路径的横截面侧视图。

图13是根据本发明的一个实施方案的反应器的示意图。

图14示出了具有不同的过渡通道长度的流动分配系统的预测的气体流线。a)L/D＝0；b)L/D＝10；c)L/D＝20。

图15提供了示出以下的照片：(a)用于形成泰勒流动的混合区段的各种流动汇合配置；(b)在(a)中示出的混合区段中的一个中形成的泰勒流动的照片。(c)在(a)中示出的混合区段中的一个中形成的泰勒流动的照片。(d)在(a)中示出的混合区段中的一个中形成的泰勒流动的照片。

图16提供了曲线图，该曲线图图示出了使用根据本发明的泰勒流动装置进行液-液提取时，针对不同流量和时间的提取效率。

图17提供了根据本发明的一个实施方案的用于实验验证测试运行的模型化流动分配系统的示意图。

图18提供了用于测量来自图17中示出的多通道流动分配装置的每个通道的流量的实验验证设置的照片。

图19提供了粒子图像测速(PIV)实验设置的示意图，该实验设置用于验证图17中示出的流动分配系统的CFD模型。

图20提供了从浸没式罐(submerged tank)获得的图17中示出的流动分配系统的PIV和CFD数据的速度等值线(velocity contour)。

详细描述

本发明提供了新型的流体流动分配系统，该流体流动分配系统组合了两个平行顺序分流方案，以实现高的出口流动均匀性和堆积密度。

高性能流动分配系统被理想地设计成在所需的面积或体积上分配期望的体积流量，并且旨在将以下目标最小化：

·出口通道之间的流量的变化。跨过分配器出口的高的变化可以导致下游工艺的低效和减少的控制。例如，下游整体催化剂载体装置的入口通道处的流量的变化可以导致催化剂利用的分配不均匀。

·跨过装置的压力损失。通道流动中的压力损失由粘性流体剪切应力导致的摩擦耗散引起，并且受到以下的影响：通道直径、长度、流量、表面粗糙度以及流体路径的几何过渡或横截面流动面积。由于需要的泵送功率的补偿增大，由此导致的损失转化为经济成本。

·装置流体体积。最小化流体体积的直接益处是装置体积的相关的减小；这转化为制造中的较少的材料使用和所需的装置安装空间。另外的益处包括减小的用于装置灌注的流体体积，这导致当改变流体时更小的损失，以及更短的流体灌注和过渡时间。

·设计和制造复杂性。较低的设计和制造要求直接转化为成本降低。

然而，以上中的一些可以是相互竞争的目标，并且需要针对预期的应用进行折衷。例如，通过增大通道直径，可以减少由摩擦耗散导致的压力损失。然而，这也将增大装置流体体积。在其中压力损失减少非常重要的应用中，这种折衷可能是必要的，因此保证了较大的装置体积。

取决于应用，对于流体分配器设计重要的另外的特性还可以包括：操作下降比率(operational turn-down ratio)、可实现的出口通道密度、容纳多股流的能力，以及允许内部装置进入以用于维护或应用功能涂层和材料的拆卸。类似地，流动分配装置的比例也可以是重要的；例如，当需要多个分配单元的布局用于工艺放大时，期望的是所述比例分配在装置出口足迹内，使得单元可以邻接而没有明显的间隙。

考虑到以上考虑因素，本发明的流动分配系统已经被设计为顺序流动分配，其中通过顺序分叉的结构化阵列，在至少两个级上发生分流(例如，图1(b))。顺序方法提供了对流动轨迹的固有高水平的控制，有助于流动均衡分配。

进化的自然流动分配系统，诸如心血管网络或支气管树，倾向于是顺序实施方案，具有共同特性，诸如递归分叉、空间填充和自相似几何形状–分形几何形状通常固有的特性。例如，Murray(C.D.Murray,“The physiological principle of minimum work I.Thevascular system and the cost of blood volume,”Proc.Natl.Acad.Sci.，第12卷，第3期，第207-214页，1926年，其内容应被理解为通过本引用并入本说明书中)推导出最小功原理，该原理通过将基本进化目标公布为同时最小化以下来模型化分叉心血管网络的直径比率：与血液的泵送相关的功(由于摩擦粘性耗散和压力损失)；以及维持血量的代谢成本。根据Murray可以示出，如同心血管系统，在分叉通道网络中，当分叉接合部入口直径(d_i)与两个等同出口中的每个的直径(d_o)的比率(R_D)为2^1/3时，出现了最小的泵送功和代谢成本(即容纳体积(contained volume))(称为Murray定律)。较大的R值将以较大的容纳体积为代价降低压降，或者反之亦然。

分形分配器的二维版本先前已经被测试(H.Liu,P.Li,和J.Van Lew,“CFD studyon flow distribution uniformity in fuel distributors having multiplestructural bifurcations of flow channels,”Int.J.Hydrogen Energy，第35卷，第17期，第9186-9198页，2010年9月，其内容应被理解为通过该引用并入本说明书中)，并且示出良好的流动分配性能。跨过喷嘴的速度变化小于平均值的5％。该研究发现，在分叉之后保持弯曲的流动路径和长的通道长度都有助于均匀的流动分流。特别地，长的通道区段应该在分形歧管的早期级中使用。

然而，已经发现先前的分形顺序流动分配具有以下限制：

·由于垂直分叉接合部而导致的相对较高的压力损失；

·在混合和高出口密度的情况下的两股流的嵌套的受限的考虑因素；

·导致较低的模型复杂性和非常高的出口密度的简单几何形状；以及

·对通道阻塞的敏感度没有进化。

利用通过以下开发的流动分配系统实施方案解决了限制：

·提出的流动分配系统的定义；

·数值研究；

·实验进化；以及

·利用增材制造设计考虑因素，特别是选择性激光熔化，诸如最小可制造通道尺寸、粉末的去除以及其他。

增材制造(AM)工艺提供了一个机会，以除去传统的可制造性限制，并且使得能够在流动分配系统应用中实现新的设计能力，这些设计能力在先前由于制造限制是不可行的。AM技术通过连接累积的部件横截面层来产生3D部件，使得能够制造具有超出常规的减材制造工艺或成形制造工艺的能力的几何复杂性的部件。

选择性激光熔化(SLM)是一种AM工艺，AM工艺由于制造坚固的金属组件(例如由钛、不锈钢和镍合金制造)的能力而可以被用于要求流体流动应用，这些流体流动应用涉及升高的压力、温度和反应性流动介质。SLM使用激光束以在惰性气氛中加工的金属粉末层中熔化和熔合部件横截面，逐层地产生固体金属部件。SLM允许制造具有曲线几何形状的复杂内腔，这与基于分形的流动分配系统的特性特别兼容。然而，应理解，也可以使用其他AM工艺，包括(但不限于)立体光刻、材料喷射、选择性激光烧结或直接能量沉积。

本发明利用了AM技术的优点，为两股单独的流体入口流提供了新型的流动分配系统，该流动分配系统组合了两个顺序分流方案，以实现高的出口流动均匀性和堆积密度。在两股流体流的情况下，流体的混合可以利用另外的专用的且流体地连接的混合区段来实现。

鉴于以上所述，本发明的流体流动分配系统可以被设计成满足以下目标中的一个或更多个：

·实现单个流动入口跨过多个流动出口的均匀分配，出口通道具有正方形纵横比，以便以正方形比例向下游组件进料。

·允许两股独立的流体流可以在出口处以小体积混合。流体流的对称性将被保持，以实现相等的流动条件，并且简化设计分析要求。

·在独立的流体流之间提供足够的间距，以允许壁厚度结构要求。

·通过将与水平构建平台(horizontal build platform)的表面倾斜角度限制为≥30度，来允许在无支撑结构的情况下的增材制造。

·通过减少突然的流动路径过渡和最大可行的通道直径来限制摩擦压力损失。

·流动面积转移比率(总入口与总出口流动面积的比率)R_F＝1，以保留沿着流动路径的横截面积，并且使速度变化最小化。

·适应高的流动分配密度。

如图2至图9所示，本发明的所得到的流体流动分配系统包括两个交织的分叉分形结构的三维嵌套结构。分配器具有三维布局，该三维布局能够在给定的足迹面积内实现较大的通道直径，用于降低流动阻力，并且增大在没有干扰的情况下嵌套两股单独的分配流的能力。此外，分配器被设计成具有≥30度的表面倾斜角度，以允许分配器使用SLM制造，而不需要支撑结构。

图2和图3更详细地示出了流体输送分形100的配置，流体输送分形100形成了根据本发明的流体流动分配系统200的一部分。该流体输送分形100包括一系列在多个级中组装的递归分叉单元110。每个级由分叉级指数j＝[1，N]设计，其中N是分叉级的总数目。连续分叉单元110优选地相对于前一级围绕Z轴(如图1(b)、图3和图5中最佳地示出的)旋转90°，以便能够对分叉流动实现对称的流动阻力。然而，应理解，在其他实施方案中，每个流体输送分形可以相对于前一级围绕Z轴旋转90+/-30度，更优选地90+/-20度，甚至更优选地90+/-10度，并且最优选地大体上90度的角度，同时仍然保持对分叉流动的大体上对称的流动阻力。不会“大体上”影响均匀流动的度数取决于所需的流动均匀性水平。

分形是这样的几何结构，所述几何结构可以在不同尺度上被重复地细分成多个部分，这些部分中的每个都表现出重复的自相似性，因为在扩张或收缩导致的尺度变化下，它们是完全不变的或近似不变的。这些特性导致不寻常的空间填充性质，允许分形几何结构接近比它们嵌入的维数拓扑上更高的维数。例如，由于在所有尺度上显示出重复的细节层次，分形曲线模式可以接近曲面的空间填充能力，尽管曲线和曲面的拓扑维数分别被限制为1和2。这种空间填充性质可以用于旨在最大化区域内流动分配的应用。

由于重复的细节和对测量分辨率的依赖，分形中诸如长度的性质的测量没有提供唯一的值。由于该原因，表征分形性质以及几何细节如何随着尺度的变化而变化导致分形维数(也被称为豪斯多夫维数)的概念，这是一个复杂性的指数，其用来比较分形模式中的细节如何随着测量的尺度变化而变化。与拓扑维数不同，分形维数不限于整数值，并且总是大于拓扑维数。分形维数δ(根据等式(1)或等式(1A))由具有重复细节单元的自相似对象的拷贝数U来确定，当重复细节单元受制于σ的尺度因子(scaling factor)时，这种情况出现。较高的分形维数通常意味着相关的分形模式的较高的复杂性：

图2示出了根据本发明设计的形成流体输送分形100的单个递归分形流动路径。如所图示的，流动路径包括形成图示的流动路径的一系列互连的递归单元(在下文中更详细地定义)。本发明的流动分配系统的优选形式包括H形分形单元(图1(b))。构成分形流动分配系统的重复的尺度不变结构的自相似细节单元是包括级j和j+1分叉单元的“H”形单元(图2(b))。这种布置具有相应的分形维数δ＝2。如图2(b)所示，每个H形递归单元112包括两个分叉级110(级j和j+1分叉单元)，它们形成分形分叉级。

分形的空间填充性质被用于所提出的分形流动分配系统实施方案(图2(a)和图2(b))。本发明的流动分配系统包括由以下关键参数定义的递归分叉单元：高度H_j、间距S_j、入口直径D_j、出口直径D_j+1和分叉角度θ_j，其中j表示分叉级指数(图2)。

流动分配器分叉单元针对级j的每个分叉单元由以下关键参数定义：高度H_j、间距S_j、入口直径

出口直径

和分叉角度θ_j。针对级j的图2中示出的单元的分叉入口直径和出口直径与比率

相关(等式(2))。由于级间连接，级j+1的入口直径等于分叉级j的出口直径，即

直径在D_j和D_j+1之间线性变化，以提供逐渐的流动路径过渡，并且从而提供减少的摩擦流体压力损失。

在分形流动分配系统实施方案的固有几何关系中，在具有边缘长度L的正方形填充区域中实现出口的均匀分配(图2(b)，其中L_x＝L_y＝L)需要偶数个分叉级，其中出口的数量(O_N)由等式(3)给出。

O_N＝2^N (3)

其中：O_N：具有分叉级总数N的分形流动分配系统的出口的数量，其中N总是偶数

类似地，对于期望的出口的数量，所需分叉级的数量由等式(4)给出。

N＝log₂(O) (4)

此外，还可以定义分叉单元间距S，即每个分叉单元的入口直径和出口直径的中心之间的垂直投影长度(参见图2)。最终分叉级N的所得到的单元间距S_N(图2(a))由等式(5)给出。为了实现正方形出口阵列，当在奇数级指数和偶数级指数之间过渡时，分叉单元间距需要保留，并且当在偶数级和奇数级之间过渡时，分叉单元间距需要减半。因此，中间分叉级的单元间距S_j由等式(6)和等式(7)给出。分叉单元间距的比率也可以由尺度因子σ来指定，其中σ＝1/2以便在正方形出口阵列中实现出口通道的均匀分配，如等式(8)中所提供的。

从分形分析的角度来看，所提出的分配器的自相似重复细节单元(这里被称为生成器)被认为是分叉单元j和两个相关的分叉单元j+1的集合(如图2A(ii)中由投影的二维单元连接示意图上的“H”虚线突出显示的)。生成器在每个生成器出口通道处自复制，并且由尺度因子σ进行缩放。由于存在四个生成器出口通道，因此每个复制产生自相似生成器对象的四个拷贝，即拷贝数U＝4。如由等式(1)定义的相关的分形维数δ取决于应用于生成器的尺度因子σ。对于小的σ值，得到的出口分配的空间填充能力受限，对于大的σ值，可以出现通道重叠和干扰(例如，图2A示出了分叉单元与变化的维数的互连性的二维投影示意图)。对于σ＝1/2，出口通道分配是均匀分配的，并且δ＝2，这意味着相关的分形的空间填充能力接近拓扑维数为2的对象，即曲面的空间填充能力。

对于奇数个流动分配器级(即

)，或者如果通道间距在偶数级和奇数级之间过渡时不再保留，则得到的出口通道布置呈现非均匀的间距或矩形纵横比。如果特定应用需要，则矩形出口通道纵横比可以通过将尺度因子σ应用于每个分叉单元来实现，而不是像正方形纵横比情况(即等式8)中那样仅应用于每个其他分叉单元。在这种情况下，尺度因子向生成器应用两次(即σ²)，因为它包括分叉单元j和两个相关的分叉单元j+1。对于变化的σ值，得到的二维投影示意图在2B中示出。

分叉角度θ_j(图2)优选地在30度和60度之间。优选的分叉角度θ_j是35度。应理解，分叉角度(单元分流角度)是图2A中示出的相等半径r_j之间的线的倾斜角度。θ影响分叉通道中心线的曲率的度数。图3(a)至图3(c)示出了用不同的θ_j值构建的三个不同的通道。如图3所示，较高的θ_j值导致较小的半径R_J值。在小的R_J(即大的θ_j)的情况下，可能无法在入口d_{j_入}和出口d_{j_出}之间创建放样通道(lofted channel)，因为相关的周边表面不可行。当由大的θ_j引起的弯曲半径R_J小于相关的通道半径时，会发生这种情况。因此，θ_j必须使得所得到的R_J>0.5*d_{j_入}。

当还考虑通道的另外的壁厚度t_j时，则：θ_j必须使得R_J>0.5*D_{J_入}+T_J。因此可行的是：R_J>D_J/2；并且不可行的是：R_J<D_J/2。小的θ_j值导致更弯曲的通道，这增加了流动中的弯曲损失。此外，随着通道变得更加水平，增材制造也更加困难。因此，较大的可行的θ_j值是在～30-40之间的优选的θ_j值，通常允许可行的通道放样(channel loft)，其包括在～d/2和d之间的壁厚度t_j，这提供了良好的结构强度。

流动分配系统200和流体输送分形100也被设计成具有R_F＝1的流动面积转移比率，以保留沿着流动路径的横截面积，并且使速度变化最小化。此外，本发明的流动分配系统200也被设计成具有偶数个流动分配系统级(N＝偶数)。对于奇数个流动分配系统级，或者如果奇数级和偶数级两者具有相等的间距，则得到的出口通道布置呈现不均匀的间距，或者呈现矩形纵横比，这对于与本发明的流动分配系统的优化设计相关的目标而言是不期望的。如果对于给定应用需要矩形出口通道纵横比，则通道间距可以根据单个分形维数比来确定。

此外，流动分配系统被设计成具有R_F＝1的流动面积转移比率(总入口与总出口流动面积的比率)，以保留沿着流动路径的横截面积，并且使速度变化最小化。对于每个流体输送分形，总流动面积比率R_a(如下文定义)可以用不同的值来指定：

R_a＝A_出/A_入＝(每个级的出口平面上所有出口通道的面积总和)/(每个级的入口平面上所有入口通道的面积总和)

对于：

·R_a＝1：每个级入口和出口处相同的流动面积。这应导致装置中有限的压降

·R_a<1：流动面积在出口处减小，从而随着级的数量增加，总流动面积减小。这增大通过装置的压降，并且增加每个级的流速

·R_a>1：流动面积在出口处增大，从而随着级的数量增加，总流动面积增大。这减小通过装置的压降，并且减小每个级的流速

R_a＝1通常是优选的，但它不是绝对要求。鉴于上述权衡，如果特定应用需要，则R_a可以不同。

上述R_d值也可以仅根据分叉单元入口直径与出口直径比率而不是面积来等同地考虑。在这种情况下，存在被称为“Murray”定律的特殊的比率，它最小化了通道中的容纳体积和由于通道直径导致的压力损失。当装置中的总容纳流体体积需要被最小化时，这是优选的。在这种情况下，Murray定律R_d＝D_入/D_出＝2^1/3

如上文所述，图2和图3仅图示出了本发明的流动分配系统的一个流体输送分形100的配置。本发明的流动分配系统200包括如图5至图8所示的这种配置的至少两个交织的流体输送分形，其被设计成针对一股或两股单独的流体入口流实现高的出口流动均匀性和堆积密度。

参考图6至图8，流动分配系统200包括三维嵌套结构，该三维嵌套结构具有第一流体输送分形210和第二流体输送分形212。每个流体输送分形210、212具有分叉至多个流体出口230、232的流体入口220、222。如上所述，每个流体输送分形210、212被配置成促进穿过其中的独立于另一个流体输送分形210、212中的流动的流动。每个流体输送分形210、212沿着且围绕其自身的流体流动轴线Y-Y和Z-Z延伸，并且还围绕且包围在整个流动分配系统200的流体入口和多个流体出口之间延伸的中心轴线X-X延伸。每个流体输送分形210、212与另一个流体输送分形210、212交织在一起。为了促进这种交织的几何形状，每个流体输送分形210、212围绕中心轴线X-X与另一个流体输送分形偏移定位。

流体输送分形210、212围绕中心轴线X-X以与另一个流体输送分形偏移的位置交织，以便将两个流体输送分形定位和堆积在期望的空间内。每个流体输送分形210、212的流动轴线Y-Y和Z-Z围绕中心轴线横向地和纵向地间隔开，并且相对于中心轴线X-X倾斜角度G(图7中示出的XY角度、YZ角度的组合)。这使得每个流体输送分形210、212能够从中心轴线X-X弯曲或成2度和20度之间，优选地4度和10度之间的角度，并且从中心轴线X-X纵向倾斜2度和20度之间，优选地4度和10度之间，以允许组件在入口处的间隙，而不损害入口流动条件。

每个流体输送分形210、212和作为整体的流动分配系统200的流体出口230、232相对于中心轴线X-X在单个平面中定位和对齐。在该平面中，流体出口230、232以正方形纵横比、以偶数阵列布置。如图6和图7中最佳地示出的，来自第一流体输送分形210的每个流体出口230被定位成与第二流体输送分形212的流体出口232邻接。

如上文所描述的，每个流体输送分形210、212包括一系列以偶数个级组装的递归分叉单元110(图2)，每个分叉单元110包括与两个连续分叉单元流体地连接的Y形分叉元件，每个连续分叉单元110相对于中心轴X-X旋转相对于前一级90度。这些Y形分叉单元具有入口通道150和两个出口通道152、154，入口通道150和两个出口通道152、154在入口150和出口152、154之间提供弯曲的流体流动路径，通常形成其中入口150位于其顶点的拱形。

如图6所示，在一些实施方案中，每个流体输送分形210、212可以包括矫直区段240，该矫直区段240被配置成将流体输送分形的流动导管从与该流体输送分形的流动轴线Y-Y或Z-Z对齐对准到中心轴线和流体出口平面。矫直部分之后是直的区段242，当需要在矫直区段240之后恢复流动状态时，直的区段242的长度可以是可调的。

在顺序分叉单元之间引入直的通道区段允许流动在穿过分叉弯曲部之后恢复至轴对称状态，所述分叉弯曲部可以将剪切流动分量引入到流动概况中。当流动进入下一个分叉级时，这些剪切分量可以导致分配的不对称。在这样的实施方案中，每个分叉单元的过渡长度比率也是重要的考虑因素，其中L是第一分叉单元和后续分叉单元中的相应的分叉之间的长度，并且D是在第一分叉单元和后续分叉单元中的分叉之间延伸的相应的导管的平均外径。应认识到，L/D的影响相当小，其中CFD示出，当从L/D＝0到L/D＝20时，出口通道流动均匀性的标准偏差仅下降～2％。

开发本发明的流动分配系统所遵循的设计方法在图4中示出。设计的过程以确定系统的期望的生产量开始，随后得出无量纲数(主要是毛细管数)和流体物理性质的一组值。一旦这些数据可用，就可以如下所述确定通道的几何形状。

完全草拟的模型是基于所需的通道性质和流动分流器设计参数开发的。如图4至图8所示，所提出的流动分配系统的配置包括两个交织的流动通道。双独立通道路径能够实现非常接近的两股独立的流动的均匀分配。这种双流动分配系统满足以下目标：

·具有高的出口通道堆积密度的两股独立的流动的均匀流动分配。

·两条通道路径的对称性，其提供了等效的流动条件和减少的设计工作，同时允许在需要时不对称的通道路径的选项。

·实现路径之间的最小分隔距离，使得任何所得到的壁厚度满足结构要求和可制造性要求。

·允许两条路径的入口之间期望的分隔距离，使得：在相关的连接配件之间不存在干扰，并且入口位置包含在装置足迹区内，使得多个单元可以邻接而没有显著间隙。

·允许在进入初始分叉级之前，在通道路径入口处具有直的流动路径，以便避免可以影响分叉均匀性的由弯曲部引起的剪切流动。

为了满足上述设计目标，如图5(a)所示，所提出的双路径流动分配系统由两个单个通道路径分形分配器(被简称为模块)的交织嵌套构成。模块在过渡平面倾斜，并且围绕出口平面对称轴(被简称为出口平面法线)对称地成镜像。倾斜沿着过渡平面法线与出口平面偏移一距离H_t，并且围绕平面XZ和YZ倾斜，如分别由参数θ_txz和θ_tyz所定义的。需要指定角度偏移参数，使得两条嵌套的通道路径的干扰被避免。干扰的可能性取决于若干个参数，包括：

·级的数量(N)

·过渡平面的级位置(例如，如在附图中描绘的实施方案中，过渡平面通常位于j＝4处)和相关的分叉单元间距S_j

·通道壁厚度T_ji和T_jo

因此，

和

需要基于有影响的干扰参数的特定值来选择。一般来说，对于以下情况，应避免两条嵌套的通道路径之间的干扰：

并且

倾斜和偏移能够实现高的s。

模块位于过渡平面上，使得模块的对称轴(也被称为过渡平面中心线)线性偏移参数C_tu和C_tv。

需要指定线性偏移参数

和

(也被称为横向偏移和纵向偏移)，使得两条嵌套的通道路径的干扰被避免。干扰的可能性取决于若干个参数，包括：

·级的数量(N)

·过渡平面的级位置(例如，如在附图中描绘的实施方案中，过渡平面通常位于j＝4处)和相关的分叉单元间距S_j

·通道壁厚度T_ji和T_jo

因此，C_tu和C_tv需要基于有影响的干扰参数的特定值来选择。一般来说，对于以下情况，应避免两条嵌套的通道路径之间的干扰：

并且

出口平面包括用于两个模块的通道出口的均匀间隔的阵列。位于出口平面和过渡平面之间的是一系列连接通道，这些连接通道补偿了上方倾斜的模块，使流动重新对齐出口平面法线。连接通道与出口平面和过渡平面的法线相切。这简化了下游设计，诸如另外的分形分叉级的添加。

对于图5中的实施方案，过渡平面被定位在分形流动分配系统的级j＝4的出口处，然而，如果需要，平面可以被定位在不同的级位置。以较低的j值定位导致更少的用于重新对齐流动所需的连接通道，这减少了模型化工作，因为每个通道都具有独特的几何形状。然而，将过渡平面以较低的j值定位也可以增大所需的倾斜平面角度，以便避免通道路径之间的干扰，因为上层单元比下游单元嵌套得相对更近。此外，由于下文解释的原因，这也可以增大装置的尺寸。

倾斜的过渡平面和水平出口平面之间的连接通道中的转弯可以在流动路径中引入轴向不对称。随后进入分叉单元的流动中的过度轴向不对称可以损害流动分配的下游均匀性。在由流动路径中的转弯引入的偏差后向均匀轴对称流动的恢复通常与相关的流体通道的长度直径比率成比例。对于给定的长度直径比率，当过渡平面由于较大的相关直径而以减小的j值定位时，连接通道长度将增大。这转而将增大分形流动分流器实施方案的尺寸。因此，期望将过渡平面以较大的j值定位，以便最小化装置封装空间。为了平衡模型化工作、通道路径干扰和封装空间之间的折衷，过渡平面被定位在级j＝4的出口处。

尽管通道路径的对称布局(根据图5(a))实现了等效的流动条件并且简化了设计工作(因为分析仅对单个通道路径是必要的)，但布局也可以不对称地被结构化，以实现有意不同的流动条件。

此外，可以在单通道路径配置和双通道路径配置中向分形设计实施方案添加另外的级，以便针对期望的应用要求。

一旦设计完成，则流动分流器被验证是否将在接触点之前均匀地分配两相。

此后，检查该装置的可制造性。如果不满足可制造性，则调整流动分流器参数，因为修改通道性质对于系统的流体动力学特性而言将不是理想的。

泰勒流动混合装置

本发明的流动分配系统也可以用作用于泰勒流动混合装置的流体流动分配系统。在图11和图12中图示出了该应用的一个实施方案。

泰勒流动状态易于在单个通道中开发和控制。然而，当使用多个通道时，可以出现很大程度的流动分配不均匀。本发明的流动分配系统可以用于为每个出口通道提供均匀的流动特性，并且由此为每个出口通道提供控制系统的流体动力学的相同的几何参数和设计参数。

泰勒流动可以由大范围的气-液/液-液流量获得，这进一步提供了灵活的操作条件。其次，液-气界面的大表面积增强了传质。泰勒流动是微通道内最重要的流动状态中的一种。如图9中所示，泰勒流动的特征在于占据通道的横截面并且被段塞(slug)分隔开的气泡。薄膜将气泡与反应器壁的表面分隔开。由于在液体段塞内的再循环，泰勒流动改善了G-L/L-L和G/L-L-S传热和传质(其中G＝气体并且L＝液体)。

产生多个并行的泰勒流动通道的关键挑战是在所有平行通道中产生均匀流动的能力，如图10所示。在千米(mille)至微米级装置上，这样的L-L、G-L和G-L-S系统中的不均匀性可能对这样的并行流动配置有害。

本发明的泰勒流动装置将先前描述的流动分配系统与专制的混合器级耦合，该混合器级均匀地混合两个流体流动级以形成包含这两股流体的泰勒流动。如图11和图12中所示，根据本发明的泰勒流动装置300包括上文描述的流动分配系统200，其与随后的混合单元301耦合，以混合这两股流动以形成泰勒流动。

参考图11和图12，提供了泰勒流动混合单元300，其包括入口区310，该入口区310包括两个入口315、320。两个入口315、320中的每个接收作为G-L或L-L或G-L-S的流体。然后，使流体(A&B)中的每股经由单独的流体输送分形322和323流入到分配区200中，其中每个流体输送分形的主分配通道在图11和图12中的两个分流级中被逐渐地分流成连续更小的通道(流体A：330、335)。这种分流导致每单位面积的通道数量在流动方向上变大(即增大的单元密度)。优选地，分配区中的净横截面积保持大体上恒定，使得分配通道内的流体的平均速度保持大体上恒定。

分配区200优选地由增材制造工艺诸如选择性激光熔化形成。分配区200优选地包括多个由合适的金属构成的管状通道，所述合适的金属诸如钢合金、钛、钛合金或类似物。分配区200的这种增材制造的结构能够实现精确且稳定的通道壁尺寸。

分配区200将来自入口315、320的流动分流，以便为进料到混合区中的流体创建总共16个分配通道。用于流体A的16个分配通道中的每个都与用于流体B的分配通道配对，其中流体在流动汇合区段365处彼此接触。流动汇合区段365包括两个分配通道之间的交叉部(intersection)，其中用于流体A的每个分配通道汇合到用于流体B的分配通道中。该交叉部包括导管汇合部，其中形成用于流体A的分配通道的第一导管以选定的角度或入口或汇合部汇合到形成用于流体B的分配通道的第二导管中。入口角度α可以在0度至180度之间，优选地在45度和90度之间。然而，两个最常用的角度α是90度和45度，然而，取决于工作流体的粘度和表面张力，存在变型。通道的入口长度L与直径D的比率被控制，以促进均匀的塞流，特别是在如图12(b)所示的流动汇合区段365之前的通道中。

为了在汇合部处产生泰勒流动，已经发现在汇合部处每个分配通道中的流动所需的关键参数是毛细管数，其可以在0.001到0.2之间的范围内；雷诺数，从10至1500；以及通道尺寸，从微米到2mm至3mm。

图示的泰勒流动混合装置300产生在空间上对齐的均匀流动，并且具有来自以大单元密度嵌套的流动分配系统的均匀流动出口。

应理解，该泰勒流动混合装置300可以用于各种应用，包括(但不限于)用于混合两种不混溶液体的液-液提取(LLE)。

整体式反应器

本发明的流动分配系统200也可以被用作用于整体式反应器400的流体流动分配系统。在图13中图示出了该应用的一个实施方案。

参考图13，提供了反应器400，其包括入口区410，该入口区410包括两个入口415、420。两个入口415、420中的每个接收反应物(例如甲烷或氧气)。然后，使反应物(A&B)中的每种经由单独的流体输送分形422和423流入到反应器400的分配区418中，其中每个流体输送分形422和423的主分配通道被逐渐地分流成连续更小的通道(反应物A：430、435、440、445)。这种分流导致每单位面积的通道数量在流动方向上变大(即增大的单元密度)。在图示的实施方案中，在分配区1(422)中存在三个分流级。优选地，分配区418中的净横截面积保持大体上恒定，使得分配通道内的反应物的平均速度保持大体上恒定。

分配区1(422)优选地包括多个由合适的金属诸如钢合金构成的管状通道。分配区1(422)与分配区2(432)相接，所述分配区2(432)是整体式结构，通常由基于陶瓷的材料制成。分配区2进一步将来自分配区1(422)的四个分配通道分流，以便为进料到混合区452中的反应物创建总共八个分配通道。

分配区2的整体式结构能够实现精确且稳定的通道壁尺寸。通道的长度L与半径R的比率被控制，以促进均匀的塞流，特别是在与混合通道460直接连通的通道中。

用于反应物A的八个分配通道中的每个都与用于反应物B的分配通道配对，其中反应物在混合区452的起点处彼此接触。混合区452具有多个挡板470，该挡板470促进反应物的径向混合，从而促进高的混合效率。

然后，来自每个混合通道460的混合的反应物被分流到包括两个反应通道480的反应器区472中，其中通道直径的减小限制了混合的反应物的分散，从而促进了反应通道480内一致的流速概况。混合的反应物与浸渍到反应通道480的内壁中的催化剂(例如重整催化剂)接触，产生反应产物(例如CO₂、H₂和/或H₂O)，该反应产物与未反应的反应物一起离开反应器400。

受污染水中的含油量的在线监测

另一个应用是将本发明的流动分配系统用于在线监测受污染水(例如，产出水)中的油含量的系统中。更具体地，具有处于简单分散状态或复杂乳液状态的油的水包油样品可以被转移至本发明的流动分配系统并且通过该流动分配系统被处理，其中有机油组分将使用液-液提取(LLE)被提取到有机溶剂中，如上文关于泰勒流动装置所解释的。在提取工艺之后，基于不同的操作原理，利用不同的水包油检测器来确定油浓度，所述操作原理可以是但不限于比色方法、红外方法或荧光方法。

实施例

实施例1-流动分配系统的参数研究

1.1引言

在许多化学工程工艺设计中，均等地分流和分配流体流动以同时向许多下游工艺或反应器进料是一个挑战和关键的考虑因素。已经开发了一种流体流动分配系统，其目的是将单股流动流均等地细分成64股子流，并且将分开的流动递送至下游的规则间隔的喷嘴的矩阵。

流体流动分配系统设计基于通道的连续分支和流体流动的分流。大量的通道分叉被串联连接，使得它们根据表1中示出的方案将流动分流。

表1：如通过分流来自前一级的流动流而产生的分开的流动流的数量。

分叉级	级出口通道的数量
		1	2
2	4
		3	8
4	16
		5	32
6	64

本研究的关键目标是建立一范围，在该范围内，这种分流方法可以产生令人满意的流动分配。考虑的参数包括：

1.流动雷诺数(Re)；

2.上游分叉和下游分叉之间的间距，即过渡通道长度(L)；以及

3.通道壁表面粗糙度(h)。

1.2几何设计

本研究中考虑的流体流动分配系统被设计成将来自20mm直径通道级1入口通道的气体/液体流动均等地分流，并且将其进料至下游的64个单独的喷嘴，每个喷嘴的直径均为2.5mm(级6出口通道直径)。注意到，进料通道横截面积，即314mm²，在流体流动分配系统的出口处被保留，即64×4.91mm²＝314mm²。这有助于在分叉期间最小化局部流动加速，并且由此在整个流体流动分配系统中保持稳定的流速。流体流动分配系统的几何形状在图6中示出。

在本流体流动分配系统的设计中的关键的考虑因素是其与混合器应用中的第二单元耦合以充当进料器的能力。在这样的操作中，两股单独的流动流被分流，并且通过两个交错的规则间隔的喷嘴的矩阵排放。流体流动分配系统被布置成使得每个单独的喷嘴紧邻其供应不同流体种类的混合配合件定位。这在图5中示出。这对于通道分叉的定位和取向提出了严格的要求，因此两个单元可以被‘嵌套’在一起。这也限制了单元中分流级的最大数量。

1.3测试程序

本研究考虑了以下参数对流动分流的影响：

1.流动雷诺数(Re)；

2.过渡通道长度(L_T)，即第一分叉单元和后续分叉单元中相应的分叉之间的长度；以及

3.通道壁表面粗糙度(h)。

测试的参数范围被总结在表2中。

表2：本研究中测试的参数范围。

参数	值
		雷诺数(Re)	300,10000,100000
过渡长度(L<sub>T</sub>/D)	0,10,20
		表面粗糙度(h，μm)	0,20,50,100,200,300

所有出口通道中流体流动分配的均匀性通过喷嘴质量流量的分布(spread)(即方差σ²)来量化。为了便于跨过不同流动情况的比较，σ²通过对于给定情况的平均质量流量μ的平方归一化。

初步模拟已经发现，如图1中看到的流体流动分配系统的几何形状产生了并非最佳的流动分流。实际上，更好的分流是通过在分叉之间添加直的通道区段，从而增大过渡长度(L_T)来实现的。因此，本研究将使用L_T/D_i＝10作为基线情况。D_i是指给定级i的通道直径。应注意，通道直径随级而减小，以便沿着装置保持恒定的总横截面积。

1.4模型化方法

使用ANSYS CFX-15.0对流体流动分配系统进行流体动力学计算。流体流动分配系统几何形状的区域离散化基于0.1mm的均匀壁单元厚度。这产生了<10的y⁺值，该值落在壁的对数律(log-law)的线性区域内。对于Re≥10000，湍流使用修正流线曲率的k-ε湍流模型来解决。在Re＝300时，假设层流状态。

在单流体模拟中，使用500℃、10巴的氧气作为工作介质。选择这一点以反映在典型的甲醇合成反应器中预期的操作条件。没有考虑传热和压缩性的影响，即流动被模型化为等温的。

入口处的质量流量

由为运行设置的雷诺数来计算：

其中μ是工作流体的动态粘度；D是入口通道的直径，其在本研究中是20mm。

参考图2、图7和图8，用于每次运行的设计参数被总结在下表(表3)中：

表3：用于流动分配系统设计变型的设计参数

1.5结果

参数研究的总体结果在表4中提供：

表4：用于流动分配系统设计变型的参数研究

1.6雷诺数影响

雷诺数是研究通道内流动的最广泛使用的动态相似性参数中的一个。普遍接受的是，Re＝2100[1]是一个临界值，低于该临界值，流动是层流的。通过在受控实验中最小化环境干扰，层流-湍流转变可以延迟直到Re＝100,000。然而，这在其常规操作期间的流体流动分配系统中不太可能发生。

针对测试的三个雷诺数的归一化质量流动方差以及相关的压降在表4中示出。在低流速和因此低Re(即Re＝1500的情况)时，流体流动分配系统跨过所有喷嘴均匀地分配流动。归一化方差是5.03E-5，这意味着0.71％的标准偏差。假设流动的分配遵循正态分布，那么通过95％的喷嘴的质量流动在平均值的±1.42％以内。值得注意的是，在甚至更低的雷诺数时，通道内的流速可以远低于0.44ms^-1。然后流体流动分配系统可以变得易受下游压力波动的影响，这可能导致流动逆转。因此，不建议在低的雷诺数下操作流体流动分配系统。

当流动进入湍流态(即Re＝10000的情况)时，归一化方差降至3.51E-6。流速进一步增大一个数量级(即Re＝100000的情况)导致归一化方差的急剧上升，表明趋向不均匀的流动分配的趋势。这主要是由快速流动通过弯曲的通道区段时产生的强烈二次运动引起的。

相关的压降在1500<Re<10000内适度地增大，并且当Re接近100000时急剧增大。

表5：雷诺数对流动分配和压降的影响

Re	表观入口速度[m s<sup>-1</sup>]	归一化σ<sup>2</sup>[-]	压降[Pa]
				1500	0.44	5.03E-5	60
10000	2.20	3.51E-6	65
				100000	22.0	1.38E-3	1301

1.7过渡长度的影响

如在表6中看到的，在Re＝10000时，在每个通道分叉的下游添加短的直的通道区段显著地改善了喷嘴流动分配的均匀性。与L_T/D＝0的情况相比，对于L_T/D＝10情况的归一化方差将归一化方差降低了近两个数量级，代价是更大的压降。进一步增大过渡通道长度导致更大的压降，而没有流动分配的任何改善。

针对这些情况的预测的气体流线在图14中示出。在分叉之外，对于所有情况，流速主要保持接近2.2m s^-2。这直接是由于沿着其长度的横截面积的保持。

表6：过渡长度对流动分配和压降的影响

过渡长度(L<sub>T</sub>/D)[-]	归一化σ<sup>2</sup>[-]	压降[Pa]
			0	6.30E-4	33
10	3.51E-6	65
			20	2.38E-5	96

1.8表面粗糙度的影响

在Re＝10000时并且在L_T/D＝10的情况下，表面粗糙度略微增大至20μm对均匀流动分配具有弱的影响(表7)。归一化方差和压降两者的变化幅度很小或可以忽略。将表面粗糙度增大至50μm产生了不太均匀的流动分配和较高的压降。通过选择性激光熔化(SLM)技术建造的对象的表面粗糙度通常在20μm和30μm内。

表7：表面粗糙度对流动分配和压降的影响

表面粗糙度(h)[μm]	流动分配标准偏差[％]	压降[Pa]
			0	0.19	65
20μm	0.19	65
			50μm	0.20	66
100μm	0.24	76
			200μm	0.24	79
300μm	0.21	82

表面粗糙度在较高值时对表面积具有积极影响，但被认为不是有害因素。应注意，表面粗糙度是压降的设计考虑因素中需要考虑的一个参数，因为当流动分配系统由增材制造形成时，它是固有存在的。

1.9结论

上述结果表明，以下关键的独立的参数控制通过流动分配系统的流体均匀分配：

·雷诺数未显示出受到较低值的限制，但优选地大于1000。上限>100,000；

·过渡长度(L_T/D)比率具有至少5，优选地至少10的最佳值。

·表面粗糙度在较高值时具有积极影响，但未显示出是有害因素。认为表面粗糙度是流动分配系统设计中需要考虑的一个参数，这是由于通过使用3D打印来制造流动分配系统所形成的固有表面粗糙度。

实施例2：泰勒流动混合装置-液-液提取实验；

液-液提取(LLE)基于化合物在两种不混溶液体中的相对溶解度差异来分离化合物。常规工艺包括混合两种液相，保持分散相的液滴或膜，以及随后将两相彼此分离。进行这种分离最常用的装置是混合器-沉降器(mixer-settler)。该装置首先混合两相，并且然后利用重力来分离流体的两个层。“毛细管通道中的泰勒流动”可以用于通过最大化界面接触面积和减少不均匀性来增强系统的性能特性。

应用于油气勘探行业的烃的船载分析的液-液提取(LLE)的实例展示了可以根据需要进行放大或扩展的连续LLE系统的优点。船载分析来自海水的烃的主要问题之一是成本和(耗时，使用大量溶剂)以及与样品制备/提取相关的风险。典型地，海水的样品使用湿化学技术用有机溶剂提取。这些程序是耗时的，并且经常需要大量溶剂。理想地，这使用新型装置，该工艺将是自动化的，由此节省船上科研人员的宝贵时间。这对于其中实验室和船舱空间有限的较小船只特别重要，因此需要船上科学人员的交叉技能，并且减少完成每项任务的可用时间。此外，用于进行液-液提取的溶剂体积的任何减少都符合“绿色”化学的概念–这是许多油气公司和分析实验室青睐的实践做法，以减少操作的环境影响。

单通道实验：

为了表征毛细管通道中的泰勒流动，重要的是，理解控制流动状态并且因此控制传质现象的各种几何参数和流体动力学参数的影响。因此，进行了一系列实验来证实泰勒流动的存在及其对从水中提取1-萘进入有机相(正己烷)的传质特性的影响。掺混角度(blend angle)的影响(表8)针对两个最优选的角度(即90和45)进行了研究，而泰勒流动的存在针对所有掺混角度进行了研究。

实验方法：

表8：实验参数

图15(A)还示出了在以下详细描述的实验中使用的各种单通道配置。

实验1(90度)：

本实验的目的是检查传质性能的再现性。

·分析物：在Milli-Q水中的萘。

·溶剂：正己烷。

·流量：1ml/min。

·在每5分钟增量之后，使用Eppendorf channeltte将分析物收集到GC小瓶中，并且在GC-MS上进行分析。

实验2(90度)：

通过再循环两种液体以检查传质效率的平衡值，来测试单通道装置的提取效率。

·分析物：在Milli-Q水中的萘。

·溶剂：正己烷。

·流量：1ml/min。

·剩余的试剂运行通过设备，直到每次的全部20ml体积已经通过。

·在漏斗中分离，并且每次从系统中取出1ml。

·将试剂再循环总共四个循环。

·正己烷运行通过GC-MS以测定提取的萘的量。

实验3(45度)：

使用45度单通道装置重复实验1。测试4×5分钟增量。

实验4(45度)：

重复实验2-通过将两种液体再循环4次来测试45度单通道装置的提取效率。

实验5：

摇出(Shake out)：测试传统的液-液提取的摇出方法的提取效率，以作为与单通道装置的提取效率的比较。

·分析物：20ml含有萘的Milli-Q水

·溶剂：20ml正己烷。

·将测量体积的水和己烷转移至分液漏斗。

·摇动持续2分钟。允许沉降。

·将1ml己烷取出到GC小瓶中。

·将分液漏斗的内容物再次摇动持续2分钟。

·取出另外1ml等分试样。

·重复该过程，直到已经完成4次摇出。样品在GC-MS上运行。

实验6(45度)：

再循环实验使用通过45度单通道装置的较高流量运行。

·分析物：在Milli-Q水中的萘。

·溶剂：正己烷。

·流量：2ml/min。

·剩余的试剂运行通过设备，直到每次的全部20ml体积已经通过。

·在分液漏斗中分离。

·每次从系统中取出1ml。

·将试剂再循环。运行总共8个循环。

·在再循环之后，进行2分钟摇出以提取水中剩余的任何萘。除去己烷(取1ml作为样品)。引入新鲜己烷并且重复摇出，收集1ml作为样品。所有样品运行通过GC-MS以测定提取的萘的量。

实验7(45度)：

一系列再循环实验使用通过45度单通道装置的较高流量运行。

·分析物：在Milli-Q水中的萘。

·溶剂：正己烷。

·流量：5ml/min。

·剩余的试剂运行通过设备，直到每次的全部20ml体积已经通过。

·在分液漏斗中分离。每次从系统中取出1ml。

·将试剂再循环。运行总共8个循环。

·在再循环之后，按照实验8进行1×2分钟的摇出。所有样品运行通过GC-MS以测定提取的萘的量。

结果：

从实验中可以看出，标准摇出方法提供了约30％的提取效率(被定义为最终溶剂中萘的量与分析物的原始量的比率)，而在优化流量之后，45度角度通道在实验误差内提供了接近100％的提取效率。从图15B和图15C中还证实，泰勒流动以不同的段塞和气泡直径存在于所有通道中，其中对于45度通道具有最佳参数。图16示出了对于不同的流量和时间的提取效率。

实施例3：实验验证

进行了两组实验来验证CFD模型，并且检查使用如图17所示的流动分配装置500可以实现的流动的均匀分配。在第一组实验中，如图18中所图示的，目的是测量来自具有图17示出的配置的多通道流动分配装置500的每个通道的流量(并且如先前在上文详细描述的)。水经由水输送软管和离心泵布置从20L的桶中递送至装置。转子流量计用于测量总体积流量。来自16个通道中的每个的出口流量通过计时填充容量瓶所需的时间来测量。流量被设置为2L/min，并且出口收集在100ml容量瓶中。

计算的体积流量和速度在图19和图20中示出。表9提供了在本实验中测试的所有16个出口的定量数据。标准偏差的计算值是6.7％，并且R平方是0.92，这表明流动是非常均匀的，其中仅有两个通道提供了一些差异。

表9-通过容量瓶法的流动均匀性的定量数据

通道	时间(秒)	ml/秒	误差(i/平均(i))	m/秒	差异	残差
							1	37.7	2.65	0.90	1.50	-11.67％	3.93E-02
2	37	2.70	0.91	1.53	-10.00％	2.89E-02
							3	33.2	3.01	1.02	1.70	0.30％	2.62E-05
4	33.3	3.00	1.01	1.70	0.00％	1.54E-19
							5	33.4	2.99	1.01	1.69	-0.30％	2.59E-05
6	34	2.94	0.99	1.66	-2.06％	1.22E-03
							7	33.5	2.99	1.01	1.69	-0.60％	1.03E-04
8	33.6	2.98	1.01	1.68	-0.89％	2.30E-04
							9	33.9	2.95	1.00	1.67	-1.77％	9.05E-04
10	33.1	3.02	1.02	1.71	0.60％	1.05E-04
							11	32.6	3.07	1.04	1.74	2.15％	1.33E-03
12	33.3	3.00	1.01	1.70	0.00％	1.54E-19
							13	34.3	2.92	0.98	1.65	-2.92％	2.45E-03
14	32.9	3.04	1.03	1.72	1.22％	4.27E-04
							15	32.6	3.07	1.04	1.74	2.15％	1.33E-03
16	32.9	3.04	1.03	1.72	1.22％	4.27E-04

第二验证实验运行使用粒子图像测速(PIV)进行以验证CFD模型。实验设置520的示意图在图19中示出。实验的基本设置包括首先将测试装置放置在浸没式水箱中，并且通过泵将其连接至蓄水池以再循环水。此后，将晶种颗粒(seeding particle)引入到水中，当暴露于激光时，该晶种颗粒发光。将激光束以已知的时间间隔引入，并且捕获图像。在处理图像时，可以计算速度场/矢量，并且将其关联回所谓的“视场”中的流体动力状态。表9提供了测试的实验条件以及相应的视场和停留时间的列表，以确保所选的视场不会太短或太长，以至于无法捕获由浸没式箱中的装置所产生的速度概况。

表9-结果

为了验证CFD模型，使用给定的流量，使用浸没式箱对相同的实验设置进行模型化。PIV和CFD数据的合成速度等值线在图20中示出。如可以看出的，CFD模型以非常高的准确度(在±5％误差以内)被验证，并且因此CFD的结果可以用于设计性能评估。

本领域技术人员将理解，除了具体描述的那些，本文描述的本发明易于变化和修改。应理解，本发明包括落在本发明的精神和范围内的所有这样的变化和修改。

在本说明书(包括权利要求)中使用术语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprised)”或“包括(comprising)”的情况下，它们应被解释为指定所陈述的特征、整数、步骤或组分的存在，但不排除一种或更多种其他特征、整数、步骤、组分或其组的存在。

Claims (65)

1.一种流动分配系统，用于分配和分开至少两股单独的流体的流动，所述流动分配系统包括：

至少两个流体输送分形的三维嵌套结构，所述至少两个流体输送分形包括至少第一流体输送分形和第二流体输送分形，每个流体输送分形具有相应的分叉至多个流体出口的流体入口，每个流体输送分形被配置成促进穿过其中的独立于另一个流体输送分形中的流动的流动，每个流体输送分形沿着并围绕流体入口和多个流体出口之间的中心轴线延伸；

其中每个流体输送分形包括一系列以选定数量的级组装的递归分叉单元，每个分叉单元包括与两个连续分叉单元流体地连接的Y形分叉元件，每个连续分叉单元相对于所述中心轴线旋转相对于前一级60度和120度之间的角度；

每个流体输送分形与另一个流体输送分形交织在一起；

每个流体输送分形围绕所述中心轴线与另一个流体输送分形偏移定位，并且被布置成使得来自所述流体输送分形中的一个的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接，以及

每个流体输送分形以流动轴线为中心，所述流动轴线从所述中心轴线横向倾斜从大于0度至20度，并且从所述中心轴线纵向倾斜从大于0度至20度。

2.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形的所述流动轴线与所述中心轴线偏移地间隔开。

3.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形的所述流动轴线围绕所述中心轴线横向地和纵向地间隔开。

4.根据权利要求3所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形的所述流动轴线与所述中心轴线的横向偏移

在

之间，其中S_j是分叉单元间距，其中所述分叉单元间距为每个分叉单元的入口直径和出口直径的中心之间的垂直投影长度。

5.根据权利要求3所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形的所述流动轴线与所述中心轴线的纵向偏移

在

之间，

其中S_j是分叉单元间距，其中所述分叉单元间距为每个分叉单元的入口直径和出口直径的中心之间的垂直投影长度。

6.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形以流动轴线为中心，所述流动轴线从所述中心轴线横向倾斜从4度至10度之间，并且从所述中心轴线纵向倾斜4度和10度之间。

7.根据权利要求6所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形的相应的倾斜和偏移关于所述中心轴线成镜像。

8.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中每个流体出口被定位在垂直于所述中心轴线定向的出口平面中，并且每个流体输送分形包括过渡导管，所述过渡导管被配置成将每个流体输送分形的流动路径引导并重新对齐到所述出口平面中。

9.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中所述流体输送分形的通道路径的布局相对于所述中心轴线和每个相应的流体输送分形的流动轴线是对称的。

10.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中每个连续分叉单元相对于所述中心轴线旋转相对于前一级的70度和110度之间。

11.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中所述流体出口以偶数阵列的正方形纵横比布置。

12.根据权利要求1所述的流动分配系统，具有通过所述流动分配系统的级中的每个的等于1的流动面积转移比率。

13.根据权利要求1所述的流动分配系统，具有<100,000的雷诺数。

14.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中所述流体出口具有在从10000个出口每m²至15000个出口每m²的范围内的分配密度。

15.根据权利要求1所述的流动分配系统，具有至少50的下降比率。

16.根据权利要求1所述的流动分配系统，其中通过所述流动分配系统的流包括塞流。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中每个Y形分叉元件包括入口通道和两个出口通道，所述入口通道和两个出口通道在其入口和出口之间提供了弯曲的流体流动路径。

18.根据权利要求17所述的流动分配系统，其中所述弯曲的流体流动路径包括急弧。

19.根据权利要求17所述的流动分配系统，其中每个分叉元件的两个弯曲的流动路径形成拱形，其中所述入口位于所述拱形的顶点。

20.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中两个流体地连接的且邻接的分叉单元形成H形分形单元。

21.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中每个分叉单元具有30度和60度之间的分叉角度θ_j。

22.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形的表面与垂直于所述中心轴线定位的水平面具有≥30°的表面倾斜角度。

23.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中级j+1的入口直径等于分叉级j的出口直径，其中j是分叉级指数。

24.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中直径在每个分叉级之间线性地变化，以便提供逐渐的流动路径过渡，并且从而提供减少的摩擦流体压力损失。

25.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其中每个流体输送分形中的第一分叉单元和后续分叉单元的分叉之间的导管的过渡长度的L/D比率为至少5，其中L是第一分叉单元和后续分叉单元中的相应的分叉之间的长度，并且D是在第一分叉单元和后续分叉单元中的分叉之间延伸的相应的导管的平均外径。

26.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，使分叉单元间距S_j在奇数级指数和偶数级指数之间过渡时保留，并且在偶数级和奇数级之间过渡时减半，其中所述分叉单元间距S_j为每个分叉单元的入口直径和出口直径的中心之间的垂直投影长度。

27.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，还包括混合器，在所述混合器中使来自所述第一流体输送分形的至少一个流体出口的流体与来自所述第二流体输送分形的至少一个流体出口的流体混合。

28.根据权利要求27所述的流动分配系统，其中使来自所述第一流体输送分形的流体出口的所述流体与来自所述第二流体输送分形的邻接的流体出口的所述流体混合。

29.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，包括增材制造的产品。

30.一种分开至少两股单独的流动流的方法，包括：

将两股单独的流动流进料到根据权利要求1至29中任一项所述的流动分配系统的第一流体输送分形和第二流体输送分形中；

从而从所述第一流体输送分形和所述第二流体输送分形中的每个的所述流体出口中的每个产生多股出口流动。

31.一种设计包括三维嵌套结构的流动分配系统的方法，所述流动分配系统用于分配和分开至少两股单独的流体的流动，所述方法包括：

确定流动分配系统级的数量；

选择递归分叉单元，所述递归分叉单元包括Y形分叉元件，所述Y形分叉元件被流体地连接至待在所选的流体分流级中组装的两个连续分叉单元；以及

将每个连续分叉单元组装成具有选定数量的流动分配系统级的两个流体输送分形，每个流体输送分形沿着并围绕流体入口和多个流体出口之间的中心轴线延伸，使得：

每个连续分叉单元被定向成使得其相对于所述中心轴线旋转相对于前一级60度和120度之间的角度，每个流体输送分形被配置成促进穿过其中的独立于另一个流体输送分形中的流动的流动；

每个流体输送分形被布置成使得来自流体输送分形中的一个的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接；

每个流体输送分形与另一个流体输送分形交织在一起；

每个流体输送分形围绕所述中心轴线与另一个流体输送分形偏移定位，并且被布置成使得来自所述流体输送分形中的一个的每个流体出口被定位成与另一个流体输送分形的流体出口邻接，

并且每个流体输送分形以流动轴线为中心，所述流动轴线从所述中心轴线横向倾斜从大于0度至20度，并且从所述中心轴线纵向倾斜从大于0度至20度。

32.根据权利要求31所述的方法，其中在所述组装步骤中，每个流体输送分形的所述流动轴线从所述中心轴线横向地和纵向地偏移地间隔开。

33.根据权利要求31所述的方法，其中在所述组装步骤中，每个流体输送分形以流动轴线为中心，所述流动轴线从所述中心轴线横向倾斜4度和10度之间，并且从所述中心轴线纵向倾斜4度和10度之间。

34.根据权利要求31所述的方法，其中每个连续分叉单元相对于所述中心轴线旋转相对于前一级70度和110度之间。

35.根据权利要求31所述的方法，还包括以偶数阵列的正方形纵横比布置所述流体出口的步骤。

36.根据权利要求31所述的方法，其中在所述选择步骤中，每个Y形分叉元件包括入口通道和两个出口通道，所述入口通道和两个出口通道在其入口和出口之间提供弯曲的流体流动路径。

37.根据权利要求31所述的方法，其中在所述组装步骤中，所选择的分叉单元被组装以形成H形分形单元。

38.根据权利要求31所述的方法，其中在所述组装步骤中，每个分叉单元具有30度和60度之间。

39.根据权利要求31所述的方法，其中在所述组装步骤中，每个流体输送分形的表面被设计成与垂直于所述中心轴线定位的水平面具有≥30度的倾斜角度。

40.根据权利要求31所述的方法，其中在所述组装步骤中，每个流体输送分形中的第一分叉单元和后续分叉单元的分叉之间的导管的过渡长度的L/D比率为至少5，其中L是第一分叉单元和后续分叉单元中的相应的分叉之间的长度，并且D是在第一分叉单元和后续分叉单元中的分叉之间延伸的相应的导管的平均外径。

41.根据权利要求31所述的方法，其中在所述确定步骤中，确定了所述流动分配系统的期望流量和所述流动分配系统的流体性质；并且这些参数用于在所述选择步骤中确定导管直径和所述流动分配系统的总体尺寸。

42.根据权利要求31所述的方法，还包括以下步骤：

使用选择性激光熔化、立体光刻、材料喷射、选择性激光烧结或直接能量沉积技术来增材制造所设计的流动分配系统。

43.根据权利要求1至16中任一项所述的流动分配系统，其使用根据权利要求31至42中任一项所述的方法设计。

44.一种用于在流体中形成泰勒流动的泰勒流动混合器，包括：

入口区，所述入口区包括用于接收至少两股单独的流体进料的两个或更多个入口；

分配区，所述分配区包括根据权利要求1至29中任一项所述的流动分配系统，所述流动分配系统提供多个分配通道，用于将相应的流体进料分别分配到增大单元密度的连续通道中；

混合区，所述混合区包括多个混合通道，用于从所述分配通道的输出部接收和混合相应的单独的流体到至少一个产物通道中，以形成其中包含两股流体的泰勒流动。

45.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中所述混合区包括在流体地连接至所述第一流体输送分形的至少第一导管和流体地连接至所述第二流体输送分形的至少第二导管之间的流动汇合部。

46.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中在所述混合区中，流体地连接至所述第一流体输送分形的第一导管与流体地连接至所述第二流体输送分形的第二导管以0度至180度之间的角度汇合。

47.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中在所述混合区中，所述两股流体之间的毛细管数在0.001至0.2之间。

48.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中在所述混合区中，雷诺数为从10至1500。

49.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中在所述混合区中，每个导管的内径为从1微米至3mm。

50.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中进入所述混合区的分配区通道的流动均匀性大于80％。

51.根据权利要求44所述的泰勒流动混合器，其中进料到所述分配区中的所述至少两股单独的流体进料包括以下中的至少一种：气体和液体；液体和液体；或者气体和液-固相。

52.一种用于在两股流体中形成泰勒流动的工艺，包括将两股或更多股流体进料到根据权利要求44至51中任一项所述的泰勒流动混合器中。

53.一种用于加工两种或更多种流体反应物的反应器，包括：

入口区，所述入口区包括用于接收所述两种或更多种流体反应物中的每一种的两个或更多个入口；

分配区，所述分配区包括根据权利要求1至29中任一项所述的流动分配系统，所述流动分配系统提供多个分配通道，用于将每种流体反应物分别分配到增大单元密度的连续通道中；

混合区，所述混合区包括多个混合通道，用于从所述分配通道的输出部接收和混合所述两种或更多种流体反应物；以及

反应区，所述反应区包括多个反应通道，用于使两种或更多种混合的流体反应物反应，从而产生产物。

54.根据权利要求53所述的反应器，其中所述反应区也是所述混合区。

55.根据权利要求53所述的反应器，其中所有所述流体反应物直到所述混合区才接触。

56.根据权利要求53所述的反应器，其中所述混合区包括一个或更多个挡板。

57.根据权利要求53所述的反应器，其中所述反应区包括与所述混合区连通的多个通道。

58.根据权利要求53所述的反应器，其中邻近所述混合区的分配区通道的长度直径比率大于10。

59.根据权利要求53所述的反应器，其中所述混合区的混合效率大于80％。

60.根据权利要求53所述的反应器，其中进入所述混合区的分配区通道的流动均匀性大于80％。

61.一种用于使两种或更多种反应物反应的工艺，包括将两种或更多种流体反应物进料到根据权利要求53至60中任一项所述的反应器中。

62.根据权利要求61所述的工艺，其中所述两种或更多种流体反应物是气体、液体或它们的组合。

63.根据权利要求62所述的工艺，其中所述反应物中的每种的雷诺数不超过50,000。

64.根据权利要求53至60中任一项所述的反应器的用途，所述反应器用于使两种或更多种反应物反应。

65.根据权利要求64所述的反应器的用途，用于天然气或甲烷的重整。

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