TW201041647A - Mini-reactor optimized channel sizing - Google Patents

Description

201041647 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於蜂巢式物體連續性流動化學反應器 之通道結構，以及特別是關於為蜂巢式單體最佳化通道結 •構或蜂巢式物體擠製反應器。 【先前技術】 本案為新穎的技術，並無先前技術。 【發明内容】 Ο 一種連續流動化學反應器提供—個或多個流體通道， 通道在當進行化學反應時可含有並傳送反應劑。在沿該液 體通道上各點處的反應速率概為局部反應劑濃度，反應劑 混合的程度以及局部溫度的函數即如下列式子1所示： - -Ea

rate〇ck0e^CaACpB 其中Ea為啟動肖b里，以kJ/mol為單位;cA及Cb為物種A及 B的局部濃度，以mol/L為單位;τ為局部反應溫度；並且^及 ϋ 々為針對於反應劑物種濃度的冪次定律因數(通常>〇)。 隨著反應進行，局部反應劑濃度的變化會造成反應之 局部速率上的變化。圖1顯示按如通道位置之函數而自零 至;^整通道長度L的反應速率r範例廓型，其中當反應劑混 合時該反應速率R快速地增加，然後隨著反應劑耗用逐漸地 降緩，並且反應朝向完成而行進。 ' 反應速率的提尚對應於該反應所產生或所需求之熱量 值的增加。在連續的流動化學反應器裡，熱交換流體通道 通常是設置在近密於反應流體通道的鄰近處。在沿該反應 201041647 通道上任何位置處的不適當熱傳導功能性都將會導致反應 通道溫度上賴化，喊通常又纽_反驗率。例如， 、兩槪態反應齡當最初混合時可放熱地反應，而若該熱 .產生的局部速率大幅地超出該反應器的熱交換功能性，則 會姐反侧频溫度突概提冑。其絲可能是在反應 生成物裡出現非所樂見的變化或者通道壓力危險地提高。 商業用連續流統學反應系統可為由離散的化學處理 〇单辑組裝而成。各個化學處理單_概雖可依設計而 有所變化，然許多對於給定化學處理單元的幾何性參數（即 如通遏尺寸，壁板厚度)並無法沿流體路徑而簡易地改變。 修，在管狀反應H裡，由於所有辭在名目上皆具有固定 直徑二因而無法簡易地改變從體型反應劑流體至流管壁板 ‘賴交換。在該流管之外部處與熱料相_的熱交換效 月b可心亥々丨L g而變’ $過是按照由該體型熱交換液流組態（ 即如共流’反流或跨流熱交換)所標定的方式。 ❹-料對給定連驗動化學反應而選定單—化學處理單 '、]反應劑通道尺寸與沿該液流路徑上之熱交換效能間（ 例如）的關係即為預定。此關錢許鱗對於較化學反 應而言能夠產獲最佳反應條件的特定關係。例如，若利用 ，狀，父換器以按如圖丨所示之速率廓型進行反應，則必須 凋I s件餘，藉⑽足與該反應速率 聯的熱傳導要求。然在沿管件的其他位置處，敎 並非如此地高，故而在這錄_鋪交換H的效能t為 過度。過度效能的通道區絲所需要者為小，導致在跨於 201041647 這些區段上出現額外_力降。因此，未經優化的通道尺 寸會造成營運成本增加。並且，若需選擇性地對反應活動 •或生成物祕地界定出該操作溫度細，則過度效能通道 區段可能會在離於反魏率輯圖尖峰的位置處獲致次佳 ' 的效能。 可在沿該流體流動路徑上利用一個以上化 來進行給定反應，而各個化學處理單元係針對於其反應節 ❹段加以最健。此-域雖可趨祕最絲作條件，然可 能會因為實作和管理與流體互連作業相關聯的成本而並不 樂於將一系列的化學處理單元接合為一。 具有高度反應劑通道表面對容積比值以及大型内部容 積的化學反應器可為利用蜂巢式擠壓處理過程 •些裝置可藉由在各個末端面部處構成一系列流體通道u彎 ‘折迴轉以提供棉長的内部蜿蜒通道。u彎折迴轉參可 由綱瞧削-_、室版 0後再藉由利用插入材料以嵌封該凹槽的頂端所構成。可將 熱父換流體通道設置在鄰近於這些婉㈣道處以利控制反 應劑溫度。 依據本發明-項，提供—種具有多個在共同方向上延 伸之小室的料式單體，其具有第4個找單體之兩者 •末端處開放的小室，以及第二多個在該單體之其一或兩者 .末端處封閉的小室。第二多個小室係按—個或多個小室群 組所排置，併同界定出—個❹條體通道，通道係至少部 份地垂直於該共同方向崎伸穿過該單體，並且流體通道 201041647 之至少-個在沿其長度上的截面有所變化。該至少一個流 體通道在沿其诚上峨面可健地減少，㈣增加，同時 可按照連續或步進的方式改變。 依據本發明另-項，提供—種具衫個在制方向上 延伸之小室的蜂巢式單體，其具有第一多個在該單體之兩 者末端處開放的小室，以及第二多個在該單體之其一或兩 者末端處封閉的小室，第二多個小室係按一個或多個小室 〇群組所排置，併同界定出一個或多個流體通道，通道係至少 部份地垂直於該共同方向而延伸穿過該單體。在與該共同 ，相垂直的平面裡，第一多個小室之面積對第二多個:、 至之面積的比值係沿-個或多個流體通道之至少—個的長 .度而改變。該比值最好是沿一個或多個流體通道之至少^ 個的長度增加然後減少。 依據本發則-項，提供—麵於反應越的反應器 該反應器含有多個蜂巢式單體，各個單體具有多個在共同 〇方向上延狀小室，並且具衫— ％目在該賴之兩者末 端處開放的小室，以及第二多個在該單體之其一或兩者末 端處封閉的小室，而且各個第二多個小室係按一個或多個 室群組所排置，併同界定出-個或多個第一流體通道，通 逼係至少部份地垂直於該共同方向而延伸穿過個別單體。 單體係經排置以讓第二流體通道能夠接續地延伸穿過各個 單體之第-多個小室，同時第二多個小室之面積對第—多 個小室之面積的比值係沿該第二流體通道的長度而改變。 該比值最好是沿第二流體通道的長度而增加然後減少。 201041647 依據本發明另一項，提供一種在蜂巢式單體内進行連 縯流動化學反應的方法，該方法包含選定供以進行的反應，· 決疋該反應在沿連續流體路徑上所要求的熱傳導;提供蜂 巢式單體，此者具有經界定出於其内的反應通道以及經界 定出於其内的熱交換通道，其中該熱交換通道之面積對該 反應通道之面躺比值在該反應要求進行熱交換處為高而 在無須進行熱交換之處則為低。 藉由本發明之部份特點，利用蜂巢式擠壓基板所製作 之連續流動化學反應器的熱傳導和㈣降效能兩者皆能藉 由調整該基板末端面部上反應舰道的佈置並且藉由沿該 反應劑路彳级贼_通道的尺相獲最大化。反應劑通 道尺寸·憂化可為離散性或連續性。亦可疊置多個蜂巢式掛 壓基板’故巾反應織财赫_擠_線相平行的短 直通道。在此情況下，魅通道的尺寸可在縣疊裡按自 基板至基板之方式離散地或連續地修改。 部伤或所有具體實施例的效能優點可包含（1)顯著地 減少反應_道上的總壓力降_她縣經優化的直型通 道結構可減少達85% -其方式為藉_散_連續地 改變反應_電路尺寸;⑵藉由優化沿該反_通道上的 熱，導以減少給定操作中的反應ϋ型跡;以及⑶藉由針對 給定反應之需要以細反細/熱料it道尺寸與長度獲 致較尚的產出量及/或較佳的反應控制。 【實施方式】 本案發明人或翻僚之—個或多個者既於在前述應用 201041647 項目中提供藉由調整在迷你反應器基板末端面部上之通道 佈置方式以改善熱交換效能及反應劑通道運用的技術。例 , 如第2圖顯示三種不同的通道饰置樣式30,可跨於以蜂巢式 • 本體20所構成之反應器的末端面部上重複。標以”χ"32的 小室象徵在蜂巢式擠壓基板通道内之反應劑流體的下行流 體*而標以V40的小室則象徵反應劑流體的上行流體，並 且空白方格36代表鄰近於反應継贿道40之熱交換通道 〇的位置。沿著极應麟齡徑的箭頭38纟構在反應劑通 f 40之往返通道内的液流方向。在一實作裡，箭頭兕通常 疋對應於該末端面部壁板經加工以在該流體路徑中形成u 彎折迴轉的位置。 ☆先前應用項目雖描述可如何地將樣式填入整個基板末 、端面部，然本發明一種新方式係在該末端面部之不同地帶 裡運用不同的通道佈置樣式。圖3顯示其範例，暗灰小室私 表示上行流體而淺灰小室32表示下行流體，並且其中在該 〇蜂巢式本體20之末端面部46的個別標註地帶44里顯示出四 種不同通道佈置樣式。對於該反應路徑的進入及離開 位置係以胸48標註。熱交換效能可m反應路徑加以 最佳化，藉以針對給定反應或反應類型匹配於反應速率上 的變化。此方式亦可將在整個末端表面上的反應物通道運 . 料分數最大化，縮減為提供給枝應停㈣間所需之反 應器的整體尺寸。 對於如刚圖卜3所呈現之通道佈置樣式，熱交換通道對 反應劑通道的比值係逐一設計而改變。因此，通道中可用 201041647 於熱父換的别侧面積將跨於該基板末端面部上而有所變化 。在迷你反應器末端面部上所引入的熱交換流體最好是將 . 忐夠流經該基板末端面部裡熱交換通道之密度為最高的範 • 圍。故而可藉由至少三項幾何性因數來局部地調整反應劑 . 通道熱交換:（1)在一給定範圍裡反應劑通道與熱交換通道 之間的平均距離；（2)在一給定範圍裡相對於反應劑通道數 量的熱交換通道數量（即如局部性熱交換通道密度）；以及 0 跨於該基板末端面部上而行之局部性熱交換通道密度 的變異。 本發明所述之反應劑通道優化技術的優點在於可為藉 由利用具備跨於該基板末端面部上而行之均勻通道幾何的 蜂巢式擠壓基板所實作。然缺點則在於反應劑通道截面積 並無法沿該通道路徑簡易地改善以最佳化壓力降效能。 一種經最佳化的反應劑通道設計可在沿該反應劑通道 流體路徑上之各個位置處提供適當的熱傳導效能，而同時 〇可將反應劑通道壓力降最小化。由於反應速率在沿該反應 劑通道路徑上概為非均勻性，因此可於其中並非極度地要 求熱傳導的範圍裡將反應劑通道放大，藉此減少整體的壓 力降。因為熱傳導效能通常相反躺通道放大而降低， 故而必須審慎以確保任何經局部性放大的反應劑通道區段 •皆能滿足所有的局部性熱傳導要求。 @1繪示其中反應速率會沿著該反應劑通道路徑而改 t：的範例反應。該反應速率變化的出現肇因於在該反應中 口為反應劑混合及/或耗用而牽涉到之摩爾數上的變化。 201041647 由於反應速率改變，因此沿該反應劑路徑上所產生的熱量 值亦有所變化。圖4顯示沿該反應劑通道之長度上的相對 應熱產生。在此假設該反應劑通道為均勻截面(w χ w)， 並且總長度為xL。 對於許多反應來說，會希望是該反應劑溫度維持在狹 窄範圍内為佳，藉以將非所樂見之反應副產物的產生結果 降至最低。違反應劑通道以及週繞的熱交換通道應經設計 為能夠提供足夠的熱傳導效能，藉以避免非所欲的反應劑 通道流體溫度偏移。 局部性的對流熱傳導係數h(x)可測量出該壁板與該流 體之體型内部間的每。C溫度差，以及該壁板介面的每單位 面積’通過給定流體-壁板介面表面的對流熱傳導。若下列 參數為已知，則可計算所欲之局部性對流熱傳導係數h(x): • (1)離於該熱交換流體體型溫度的最大所欲反應劑通道體 型溫度偏移ΔΤ;(2)在長度為dL之給定通道區段上由該反 Q應所產生的熱量值；以及(3)其上進行熱交換的壁板介面面 積dA。 考量到長度為L之反應劑通道，而沿其長度上具有均勻 截面(w χ w)的微短節段（第5A圖）。由該微短節段所裹封 之反應劑流體的總容積為V=W2L。假設在該通道之長度上 ’ 的總熱產生(Q)為均勻。亦假設該通道提供足夠的熱傳導， -因而在該通道裡所有經產生或耗用的熱度會立即地透過該 .通道壁板介面所傳導。若該反應劑流體速率為高且/或該 通道熱傳導為低，則可改善Q(x)的數值，藉以納入因該通道 201041647 注入口及排出口處之液流所導致的能量增益或損失。 經由該反應劑通道之四個壁板的熱傳導Q是出現在總 . 面積A=4wL上。所需以維持該反應劑體型溫度與週繞之熱 父換通道體型溫度間溫度差ΔΤ的局部性熱傳導係數卜网 ' 為 hreQ二Q/ΑΔΤ。 μ 為減少反應劑通道壓力降，可將該通道節段的截面增 大為w，xw，（圖5Β)，其中w，=s’w並且s’為通道比例調整因數 0 。新通道節段的容積可藉由設定該通道的長度L，=L/(s，）2 而強制等於原始的通道節段。由於該新通道節段是裹封相 同的容積，故而亦展現出相同的熱產生Q(假設為高度的側 壁熱傳導及/或相當低緩的反應劑流體）。 . 經尺寸調整的通道節段具有壁板面積A，=4w，L，= 4(s’w)L/(s’）2=A/s’。所需以維持該反應劑體型溫度與週 . 繞之熱交換通道體型溫度間的溫度差ΔΤ之局部性熱傳導 係數hrea為 Q IW =Q/A’ ΔΤ = s’ /MT=s，hreq (2) §通道寬度及尚度兩者皆依因數s，而增大時，所需以 維持固疋反應劑通道熱條件的熱傳導係數會增加因數s，（ 注意’這是假設所產生或耗用的反應熱係與基本反應器容 積成正比，這對於均質性催化反應及催化反應系統而言通 常為真）。 "而在層流裡，反應劑通道尺寸的增加會提高靠近該通 道i板之熱邊界層的厚度，導致熱傳導效能降低。從鄰近 於方形熱父換通道陣列之方形反應劑通道陣列的熱傳導有 201041647 限元素模型化即能確認此一預期結果。 圖6A顯示初始通道組態，其中反應劑通道5〇及熱交換 .通道52的尺寸為相等並且是以壁板54所分隔。該通道寬度 表在如W。對於該初始組態，反應劑通道比例調整因數s，等 • 於1。對於熱交換通道的類似比例調整因數，s"，亦等於j。 ”h〇”是用來表示，對於此一 s’ =1，s”=1組態而言，反應劑與 熱交換通道之間的總熱傳導係數。 〇 #反應劑和熱交換兩者通道的尺寸增加相同量值時（ • 即如圖6B)，模擬結果顯示新的熱傳導係數為 h，=2h〇/(s’ + s”） (3) 只要經由該通道壁板之熱傳導的速率是遠高於該反應 劑或熱交換通道内的熱傳導，此-結果即為有效。這對於^ 利用液態反應劑及熱交換流體，同時具有厚度為該通道寬 又之0. 2 0. 3 4口的通道壁板，的氧化|呂迷你反應器來說為真 。，在其中s’关s”的組態裡，即如第6C及6D圖所示者，式子 Q h =2h°/(S，+ S")亦應保持為真。 -旦獲得雜所f之熱料龜K hreq)以及 可獲用之通道熱傳導(h，i/(s，+s”））的式子後，次一步 驟為設定hreq，=h，並解出S’。

、此一式子提供最佳的反應劑通道比例調整，並且將能 滿足所欲反應_道熱傳導效能而同時為盡可能地大以將 壓力降最她。若反應親道及熱交換通道的尺寸為相等 (s" 3’），則式子可簡化為： 201041647

⑸ 若該反應劑通道尺寸可容允比例調整，然該熱交換通 道尺寸固定於s”=l，則式子為

現將利用範例反應以展示反應劑通道尺寸之連續比例 調整的優點。考慮先前既已在具備均勻lmmxlmm截面(膽， 其中w=lmm)並且Lmax=25m之長管中所特徵化的反應。可利 〇 用沿該通道上之反應速率變異性的理論估計值來計算所欲 熱傳導係數hreq(X)，即如圖7所示。曲線的形狀雖係逐一 反應而變，财-般外料典型，具有域在猜於該通道 注入口之後處的尖峰。依據通道幾何性與反應劑流體的熱 .動力性質，將可假設該道巾的最大可能熱傳導係 .給定為h0—1000W/m2-K。就以本範例而言，沿該反應劑通道 上的總壓力降係給定為ΑΡΜ巴。 〜該範例反應將可· 1=Q. lm長型蜂巢式擠壓單體反應 〇崎實作，其巾可侧_整各個反應舰道的尺寸以供 最佳化熱傳導及壓力降效能。具有各種尺寸的個別通道係 ，用基板末稿部U f折所接合為―，藉以經由該裝 早一連續通道。 為選疋射的反制通道尺寸，可依訂列步驟進行· 1·決定沿該她謂通道上闲 整分析的位置處。在第一回人趣H反應』通道尺相 2疋將對其進行該反_通道尺寸調整之S，值的範圍。 _可為按02的步進方式從1至4。在本範例裡 201041647 3r ^ 調 =。由—長料 奋積V疋等於S W χ S，w χ 1。 。在本範例中 料道的長度

沿該原始方形反應劑通道上的分析終結Lrt+L .4原始方形通道範圍Xstart至‘上，識別出最大所 欲熱傳導餘並將其奴鱗於該變數h叫。 7.利用式子2(‘’ =S，hrea)，計算該經尺寸調整之反應劑 通道的所欲熱傳導係數。 8·利用式子3(h’ i/(s’ +s”）)，計算該經尺寸調整之反應 劑通道的熱傳導係數。 9.比較h’及hre；的數值： 若h’大於hrea’，則仍能增加s，並且依舊滿足反應劑通道 熱交換要求。在此情況下，重複步驟3_7，而此後是以s， 的步進值來增加s，的尺寸。 若h等於hm’，則可調整該新反應劑通道的尺寸以獲最 仏熱傳導並具有最小壓力降，因而繼續至步驟10。 然若h’小於hrea’，則恢復S，的先前數值並且繼續至步驟 9° 10.藉由ΔΡ X (l/L>aX)/((s，）2)2以計算該新反應劑通道 的壓力降。 該分子（ΔΡ X (1/1_))可計算與該迷你反應器基板内 14 201041647 行經1 =0. lm長度之原始w x w(lmm x lmm)截面相關聯的 壓力降。 • 分母的第一次平方是為計算該經尺寸調整之反應劑通道 - 相對於該原始w X w (1麵X 1刪)通道的截面積，第二次平 方則是為將通道壓力降的變異數納入於通道截面的平方。 11.要計算次一經尺寸調整之反應劑通道尺寸，將Xstart設 定為等於先前xend值且前進到步驟2。若&^超過原始 〇的平方通道長度（25m)，則通道尺寸調整分析完成，且因而 前進到步驟12。 12.藉由加總對於各個新經尺寸調整之反應劑通道所算得 的所有壓力降，計算與馳經尺寸調整之反應_道相關 聯的總壓力降ΔΡ，。 . 上述範例既已考量到兩種有關對鄰近於反應劑通道之 ，父換通道進行尺寸調整的組態而計算：⑴s„ =s，：鄰近熱 父換通道的尺寸等於反應劑通道的尺寸；以及⑵s"=l:鄰 〇近敝麵道的尺寸奴鱗於最小的反應舰道尺寸。 第種隋/兄(s =s )的結果可如圖8中所點繪，其中底 邻軸線的單位為公尺’左側軸線的單位為w/m2K。即如預期 》玄反應劑通道尺寸魏過s，參數而沿其長度所調整，因 所有點處hreq及h為相等或近乎相等。沿該反應劑通 .、上的總壓力降ΔΡ’既已按如該比值ΔΡ，MP所點緣，藉

W X W ^調優於原始均勻方形通道的改善結果。該比值Δρ，^ $在該通道的末端朗抵最大值Q l7，這表示該經尺寸調 -之反應劑通道的總壓力降僅為該原始—長度 15 201041647 (lmm x lmm)通道的 17%。 在圖8中’所有經尺寸調整通道參數皆為依照原始的方 形通道位置參數所點繪。實際上，所獲之經尺寸調整通道 •是包含100個通道，其中各個通道的長度1=〇. lmD。因H •尺寸調整通道的完整長度為應，而相對於原始長度25m'。工 實際上，第二種情況(S”=l)的結果會較第_種情況為 佳，原因是較小的熱交換通道幾何性可提供經改良的熱傳 導效能’而可供以將反應劑通道的尺寸調整成甚至更^。 〇此一情況的^’/^為^總反應劑通道長度^^。 表1 丨〜儿0V供规箱禾1如原下表1所彙敫 兩種熱交換通道組態（S”=s，及 寸調整之反應劑通道的模擬結果 組態 ΔΡ/ΔΡ 通道數量 總長度(m) 最大S’ s” = s' 0.172 100 10.0 3.76 s" = l 0.138 85 8.5 3.98 O ® 9提供具有可變尺寸之反應劑通道的基板末端面部 略圖。在此，鄰近熱交換通道是維持為等於該最小通道尺 寸的固疋尺寸(S -1情況）。該S”=1組態可經由熱交換通道 提供均勻的熱交換液流，賴是财通道都擁抽同的尺 寸。而若熱交換通道具有不同尺寸，則熱交換液流將傾向 .於偏好地流過較大通道，故㈣驗小通道的熱交換液流 減少。但是這種跨於該基板末端面部上的熱交換效能均調 處理在-些組驗，射在某些特定位践f要求高度的 熱傳導效能，則或許並非所樂見者。同時，非均句的熱交換 201041647 通道結構會使得個別熱交換通道的熱傳導效能更為難以評 估，理由是大型和小型熱交換通道之間的熱交換液流不平 衡性亦將根據總熱交換液流速率*定，然此者可能無法在 一給定組態裡固定地或簡易地設定。-般說來，會建議所 有的熱父換通道都具備等同或類似的尺寸，藉以將這些熱 父換液流不平衡性的影響降至最低。 该s”=l情況的另一項優點則在於支撐受壓反應劑通道 ❹的了父換通道壁板可為緊密相隔。由壁板戶斤支撐的反應劑 通道可製作成更為微薄，從而進—步改善熱料。沿該反 應劑通道/熱交換通道壁板介面上的另增支標壁板數量可 讓各個支撐壁板能夠被製作成更加地微薄，將鄰近熱交換 通道的尺寸最大化。 ..... 前文給定之範例是利用〇· 05的比例調整因數s，步進尺 •寸所評估。此微小數值可仿擬-種能夠在尺寸上連續地改 變通道尺寸的設計方式。該迷你反應器的平行通道結構表 ◎騎道尺寸上的變化僅出現在沿該流體路徑上的離散位置 (亦即U彎折)處。而當通道的數量龐大時，這種方切提供 對於真實連續改變通道尺寸的良好近似結果。因此，在本 發明方式裡’所稱之”連續可變通道尺寸"是指每當該通道 尺寸改變時（亦即位於1]彎折處)，新的通道尺寸可為任何尺 寸（即不同於一組離散尺寸的其中一個）之事實。 圖9所示之反應劑通道的尺寸是在兩個（該圖中的垂直 和水平）方向上改變。該通道尺寸雖可為沿該反應劑通道 流體路徑而逐漸地且連續献變，然相遇_反應劑通道 201041647 之鄰近壁板確能展現出為納入非均勻反應劑通道尺寸所需 要的週期性不連續。這些異離於均勻壁板陣觸偏恃情二 可忐會在相對壁板並不符合於另一個的範圍之内導致局邱 性應力彙集。非規則性壁板組態也可能在擠壓過程 非所欲的扭曲結果。 成 ❹ Ο 反應劑通道縱橫比α可為由比值b/a所界定出，其中匕 及a分別為該通道之長及短側的長度。在非均勻的反 通道佈置裡，像是如圖9所示者，細s，並且b= α s，。^ 典型情況，α預期是在1至2. 5的範圍上改變。反應劑通道 熱傳導係數依α上變化的變異是由Nu(α )/Dh(仃）所給定 其中Nu⑷為α -相關之Nusselt數並且_)為雜直 紙此項在本射是等於祕/(_或者2as，/(1+α ) 丨不 10578 α Ci^ ^ 3 ------- 於具有可變縱橫比[2G]之通道⑽完整發展層内流，在Ν u(c〇之變化上的研究顯： ⑺ 、曾勒^式子可用來計算對於單一反應劑通道的反應劑通 =、、、係數。在式子8中，來自式子3的h，計算係經改善 因而可藉由透過依α之第-比夕 ’ c丄， 乐—p白多項式逼近該比例調整s，來 反映出反細通道熱傳導趣上的變化: h'(a)=--2h〇 — / " (對於 is a $2. 5) (8) A ， 2. 5之乾圍上的求值結果顯示杜 …、傳導係數h，（ a )相較於各盔„ ， 权於田a為一早位且s，=s"時的所菊 數值減少不超過9%。h，/ η (〇〇在ι$α$2 5上的最佳情況 18 201041647 值為2h〇/(s’ +s")，而最劣情況數值則為2hfl/(i. 16s，+s")。 -種用於作置非均勻反應劑通道的替代方式可如圖ι〇 所示，針該反賴通道尺寸主要是在-轉虹（即如圖 • 10的水平方向）所_調整。通道尺寸在垂直方向上總是 整數個小室，而在水平方向上通道則能擁有可變寬度。在 該圖式裡，該反應劑通道開始於左側注入口，其寬度朝向該 f板末端面部的中間處減少，並且在右㈣出口處擴大。乂 ❹藉由排置接續性的反應劑通道_縱行，故而各個縱行在 水平方向上具有相同尺寸，而壁板不連續性的數量則可巨 幅地減少。若有必要，亦可將熱交換通道尺寸予以最佳化， 俾滿足局部性熱傳導的要求。 • 圖11顯示—系列標準小室，可用以組態奴具有可變 =寸反應舰道的基板末端面部通道佈置。轉所要求的 最佳化私度而定，可利用較多或較少數量的標準小室來設 計目標反應劑通道佈置樣式。圖式中雖顯示出通道寬度變 〇彳匕性，然雜採取練方式以改變敎通道的高度。 ☆這些標準小室可簡化設計過程，理由是可在該基板末 端面部上按均勻陣列之方式快速排置。標準小室 性地驗核，並且對於其等之熱動力與流體特徵進行預先評 估。如此可加速設計與設計驗證過程，賴在於該目桿反 _ ,通道尺相可變树敍少躲地峨_標準小室 •中。在叙章節裡將會延伸此—概念。 在月il文77析巾，該反細通職面可供 上連續地咖嫩咖細。㈣軸^量 19 201041647 通道尺寸係按離散步進方式而改變的反應劍通道尺寸調整 方法。尤其，本章節強調於其中所有通道之寬度為該基板正 上最狹窄通道寬度錄倍數的反應_道尺寸調整方法之 製造優點。 Ο ^圖12呈現來自先前章節之相同—長度的反應劑通道 範例觀絲。在此，該反應舰道s，錄錢尺寸係由 先前的數值G. 02改«1』。較大的s’參數倾數值表示 該反應劑通道並非總是適當地調整尺寸而精確地滿足所有 ,、、、傳導要4在這些情況下，反應劑通道會較所需者為微 小’故而在熱傳導方面出現過度效能，並_致生過高的壓 力降。由於s’參數步進尺寸增加因崎於sM的情況來 .說，壓力降比值ΔΡ，MP會從0.138穩定地增加至〇. 477。 由於S’參數步進尺寸增加，因此對於sM的情況來說， •壓力降比值ΔΡ /△?會從G. 138穩定地增加至〇· 477。當s， 參數步進尺寸等於i. 〇時，hreq，和h，之間的可調整尺寸誤 〇配在當依沿該原始通道上的位置進行點緣時就會非常明顯 (圖 13)。 底下討論將專注於其中s，參數步進尺寸等於i的情況 。此方式可能無法翻如賴可魏道寬度方式般相同程 度的反應最佳化結果。不過，此料確轉設計者能夠利 用具有標準小室阿㈣聽置製造作業 來逼近該最佳化通錢娜。在本方式裡是假設所有的通 道壁板皆具有相同厚度。魏寬度（鱗同地，通道尺寸） 及厚度係經敎以承受反應劑通道巾所職的最大操作壓 20 201041647 力。 沿該流體路徑之反應劑通道熱傳導效能的最佳化會牽 涉到改變該反應劑通道的尺寸以及附近熱交換通道的尺寸 ，數量和鄰近度。在圖14裡顯示出三種不同通道組態，其 中該反應劑通道為一個基板通道的寬度，並且熱交換通道 地帶的寬度為一至三個通道(在圖式中為自左至右移動）。 這種單一通道寬度反應劑通道設計對於離散通道尺寸方式 而言應能提供最高的熱傳導效能。熱交換通道地帶的寬度 可為進一步加寬，然該熱交換通道壁板的熱阻性將會最終 地在熱傳導效能方面對局部性改善結果造成限制。對於實 際的壁板厚度，最終仍會觸及到一遞減回返點。或另者，藉 由縮減附近熱交換通道範圍的尺寸，可提高該反應劑通道 運用率分數。 . 現已發展出一種命名準則以利區別本發明所述的各式 通道佈置小室。該命名準則為U p _ v p; 〇其巾U為駿通道按基板通錢度之整數數量的寬度，^為 存在於兩個鄰近婉蜒通道路徑間之短直通道細的完整 度，並且P為依循U或v的選擇性旗標，此值表示該婉蜒(對於 或該短直(對於V)預期是在高壓下運作。在本節中只有、 5亥婉蜒通道將是在高麼下運作。 •製，藉圖二trri可為水平或垂直地複 胁唯Μ 樣式。亦可在垂直方向上比例調 玉才示準佈置組態或小室蕻 ,?ίπ ^ ，稽以跨於基板末端面部上建立蜿 蜒U迴轉來填入任意範 201041647 為減少反應劑通道壓力降，可按基板通道的整數數量 來物該反應劑通道的尺寸。圖15及16呈現兩組通道佈置 小至，其中該婉蜒反應劑通道為兩個基板通道（圖⑸及二 =板顿關魔度。這錄Α尺相反應劑通道—可 ，藉由在標準顯晶粒上選擇性地___成。即如 對:圖14所示之通道佈置小室般，可在水平或垂直方向上 稷衣這些小室以建立較大的蜿蜒通道樣式。 Ο Ο 圖14-16中的通道佈置小室各者具有特定的水 :照基板通道的數量所測量）。圖17細康總小室寬^ 縱仃之方鱗減通道㈣小室(依·_道所測量） 對= 所考量的通道佈置小室而言，縱行c(8個基板通道寬 代表為—個可朝魏度為—，二或三錄板通道之反 應劑通道的小室寬度。 ^右已選疋標準小室寬度，則可藉由接合各種通道佈置 ’、至以建構出具有可變寬度_蜒反軸猶。且一範例 rt圖18所示，其中兩條平行婉蜒反應劑路逕自^而右從 見廣至狹窄又為寬廣地移進。 標準佈置小室的更—般方式可提供三種不同的反應劑 ^互連類型，即如圖19所不者。三種通道佈置小室各者 2輸入績即如圖19的左上處)至輸出航沿婉蜒路徑 2控構件傳送流體。可藉由將各式小室接合為-以組裝 谈該迷你反應器基板上的任意2D反應劑通道路徑。 這種小室式通道佈置方式的優點在於可進行通道佈置 而、該反應劑通道的寬度無關（至少達最大反應劑通道寬 22 201041647 度）。例如，圖20顯示如何地利用寬度為四個通道之倍數的 標準小室來實作具有—，二或三健板通道寬度的反應劑 通道。這可讓反應劑通道能夠沿其長度上任意調整尺寸而 無須改變通道的路徑。該方法有助於當通道路徑受到其他 设§·!*限項的限制時（即如輸入及輸出連接琿的位置或者該 基板週邊附近所特定要求的無通道邊際範圍）能夠簡化通 道佈置過权。利用標準小室亦可加速設計驗核，因為反應 0劑通道的小室式機械性模型化及壓力測試可簡易地延伸至 整個基板末端面部。 在有些情況下，可能會希望在單一小室内納入多個上 下婉蜒通道，藉以減少與鄰近反應劑通道之熱交換通道相 關聯的面積。例如，® 2G之橫列A，縱行c _婉蜒路徑可提 供額外的蜿蜒路徑以提高反應劑通道運用率分數。 • y通道佈置小室尺寸的標準化亦可獲致在迷你反應器u 彎折通道範圍機械加工方面的優點。例如，不以利用僅能 Ο 加工單一壁板的切割工具，而是能夠運用一種群集切割頭， 其可提供多個切割表面以對位於相同小室之内的多個通道 壁板同時地進行加工。該切割頭可容忍在擠壓基板通道位 置處因陷入或扭曲所致生的些微變化。可利 以建立對於典獅反鑛要求的所有加工 割頭可為由低頻機械移位(如鋸切）或超音波激撕致動。 、迷你反應器操作的替代性組態則是牽涉到通過蜿蜒通 道的熱交換液流以及通過短直通道的反應劑流體。對於此 π人組態的反應劑通道截面積似為難以改變，原因是擠壓處 23 201041647 理過程產生所有沿通道長度上具有均勻截面積的短直通道 。後文中所呈現的解決方案可藉由在多個疊置元件裡併接 . 多個短直路徑以改變反應劑通道截面積。 多個迷你反應器基板可為疊置，故而反應劑可流經在 •後續迷你反應器裡的短直通道。各個迷你反應器的熱交換 則可藉由通過蜿蜒通道路徑的液流所提供。圖21顯示三個 通道佈置小室，所有都擁有寬度為一個基板通道的熱交換 〇通道。附近短直反應劑通道（以紅色顯示）的寬度由左而右 從一至二個基板通道而增加。此方式是運用如第4.1. 3段 所述之離散通道尺寸方式，然連續可變寬度短直反應劑通 道亦為可行。對肢後_道佈置的命名關是依循前節 中所發展出的命名準則。 可增加該婉蜒熱交換通道的寬度以等於兩個基板通道 的寬度（圖22)或是三個基板通道的寬度（圖烈）。當該短直 反應劑通道覓度增加而超過一個基板通道的寬度時（即如 〇圖22裡的小室N及G)，緊餘隔的支撐壁板必須在該婉挺熱 父換通道之内，藉以在高度的反應劑通道操作壓力下支撐 見的反應劑通道壁板。這些支撐壁板會縮減熱交換通道的 戴面，故而導致熱交換流體壓力降擴大。然所幸在此情況 下熱父換通道亦經為平行地組態設定，而可供以減少一部 份的熱交換流體壓力降。 像疋圖21-23所示之通道佈置小室可為跨於迷你基板 的末端面部上所複製（圖24)。均勻的通道樣式可確保通過 短直通道的反應劑液流為均勻，藉以將停駐時間分散降至 24 201041647 最低。 藉由疊置具有不同通道佈置樣式的迷你反應器基板， 即可廓繪出該反應劑通道熱傳導效能並同時將該總反應劑 通道壓力降最小化。圖25顯示經疊置之迷你反應器組態， - 其中短直反應劑通道截面是經過基板A-E自中度改變成小 型至中度又至大型。可在單體之間增設額外的間隔器單體 (未予圖示）藉以改善流潮與流體均勻度。 〇 本發明之方法及/或裝置概為適用於在微結構裡進行 任何牽涉到混合，分離，提煉，結晶，沉澱或其他處理流體或 流體混合物的製程，包含多相態的流體混合物，並且包含含， 有亦納入有部份固體之多相態流體混合物的流體或流體混 合物。該處理可包含物理性製程，經界定出如製程而可獲 致有機，無機或有機和無機兩者物種之互變的化學性反應， 生物化學性製程或是任何其他形式的處理。可藉由本發明 方法及/或裝置以進行下列非限制性的反應列表：氧化；還 〇原；取代；消除;加成聚合;配位基交換;金屬交換及離子交 換。更詳細地說，可藉由本發明方法及/或裝置以進行下列 非限制性列表的任何反應：聚合;烧基化;脫烧基化;靖化； 過氧化，石胤氧化;環氧化；氨氧化；氫化;脫氣化；有機金屬反 應；貴金屬化學/均相催化劑反應；縣化;硫碳酿化;烧氧 基化，鹵化；脫齒化氫化;脫化;烯烴醛化丨羧基化;脫羧 基化;胺化；芳基化;肽耦合;羥醛縮合;環合;脫氫環化；酯 化;=胺化;雜環合成;脫水；醇解;水解;氨解;鍵化;酶促合 成，縮酮，息化；異構化；季錢化；曱酰化;相轉移反應;石夕烷 25 201041647 化;腈合成;墙酸化，·臭氧化;叠 合反應；以及酶反應。 【附圖簡單說明】 氮化學；複分解，·矽氫化;耦 圖1係按如通道位ΫA & 置之函數而自零至完整通道長度L的 反應速率之範例廓型圖式。 第2AJC圖為三種可跨於蜂巢式單體末端面部上重複 之不同通道佈置樣式的範例。

圖3為在末端面部之不同地帶運用不同通道佈置樣式 的蜂巢式單體的截面或末端面部圖。 圖4為利關1反應沿反_通道紐上核產 圖式。 圖5A及5B分別為初始之反應通道結構以及經改換之反 應通道結構的表現單元。 圖6A-6D為鄰近於熱交換通道陣列之反應劑通道陣列 的各種通道組態。 圖7為按如沿通道或通道上位置而以公尺為單位之函 數的範例所欲熱傳導係數之圖式，以W/m2K為單位。 圖8係顯示出，對於第一熱交換情況(s”=s，），為密切地 匹配於該反應之熱傳導要求的經尺寸調整反應劑通道之變 化的圖式，包含按壓力降改善之形式的效能結果。 圖9為利用具有可變截面積之通道的單體反應器蜿蜒 反應劑通道佈置之戴面或末端視圖。 圖10顯示用以佈置非均勻的反應劑通道之替代性方式 ，其中反應劑通道尺寸主要是在單一維度上比例調整（即如 26 201041647 在本圖中為水平方向）。 圖11A-11C顯示在標準小室内之可變寬度通道的截面 圖。 ® 12為減應舰道s’參數步進尺寸之壓 • ΔΡ’/ΔΡ的變化圖式。 圖13為對於s’參數步進等於】〇 β1 妖少适寻於1. 〇且s =1，沿反應劑通道 之熱交換及壓力降效能的模擬圖式。 〇 ® 14A—14C騎於單—通道寬度反應獅賴道之三 種標準佈置小室的截面略圖說明。 圖15A-15C為對於雙通道寬度反應劑婉蜒通道的標準 佈置小室。 圖16A-16C為對於二通道寬度反應劑婉蜒通道的標準 佈置小室。 ' 圖17傣比較對於反應劑蜿蜒通道之標準佈置小室的陣 歹1J，其中包含依"小室”或標準佈置寬度所排置的縱行以及 Q 依通道寬度所排置的橫列。 圖18係為以構成具有非均句通道尺寸之婉蜒反應劑通 道的標準小室併接範例。 圖19A-19C係按各種方向（垂直，水平及對角）上之蜿蜒 通道互連的標準小室範例。 • 圖20為對於1，2或3通道寬度蜿蜒互連之標準小室而依 連接方向按縱行所排置的陣列。 圖21A-21C為對於單通道寬度婉挺熱交換通道之標準 佈置小室。 27 201041647 圖22A-22C為對於鄰近於短直通道内之反應劑通道的 雙通道寬度蜿蜒熱交換通道之標準佈置小室； 圖23A-23C圖為對於鄰近於短直通道内之反應劑通道 的三通道寬度蜿蜒熱交換通道之標準佈置小室。 圖24A-24C為三種具有跨於末端面部而複製之通道佈 置小室的單體蜂巢式基板範例。 圖25為含有經疊置之蜂巢式單體基板的反應器，基板 Q 可協助改變沿該反應劑流體路徑的短直反應劑通道截面。 【主要元件符號說明】 蜂巢式本體20;通道佈置樣式3〇;淺灰小室（標以”χ” 的小室）32;暗灰小室（標以的小室）34;空白方格36; 則頭38;反應劑流體通道40;標註地帶44;末端面部46; 則頭48;反應劑通道5〇;熱交換通道52;壁板54。

28

Claims (1)

1. 201041647 七、申請專利範圍 .，、衫個在朗方向上延伸小室的蜂# 之兩者末端處開放並且第= 择接疋:ίΓ 或兩者末端處封閉，第二多個小室 缺-個或多個小室群_排置， Ο 流體通道，通道敍少部份地垂直柯j£i^個或多個 :體’流體通道之至少-個係沿著;長度:在= 通道係沿其長度在ΐ面:::彳 =加其，該至少’體 ===:_，其恤少-個 4. 如申請專利範圍第丨或2項所述之單體，其中在與該共同 方向相垂直的平面裡，第一多個小室之面積對第二多個小 室之面積的比健m❹鑛體通道之至少一個的 長度而改變。 5. 如申請專利範圍第4_述之單體，其中該比值沿著一個 或多個流體通道之至少-個的長度增加然後減少。 6. -種具有多個在共同方向上延伸之小室的蜂巢式單體， 其在該單體之兩者末端處具有開放的第一多個小室，以及 在該單體之其一或兩者末端處封閉的第二多個小室，第二 多個小室係按一個或多個小室群組所排置，併同界定出一 個或多個流體通道，通道係至少部份地垂直於該共同方向 而延伸穿過該單體，其中在與該共同方向相垂直的平面裡， 29 201041647 第多固j至之面積對第二多個小室之面積的比值係沿著 一個或多個流體通道之至少—個的長度而改變。 7.如申μ專概圍第6項所述之單體，其巾該比值是沿著一 ；個或痛趙通道之至少—_長度增域後減少。 ^種用於流體反應的反應器，該反應器含有多個蜂巢式 早，，各個單體具有多個在剌方向上延伸之小室，並且在 ^單體之兩者末端處具有第—多綱放的小室，以及在該 〇單體之其—或兩者末端處具有第二多個封騎小室，而且 各個第二多個小室係按一個或多個小室群組所排置，併同 界定出-個或多個第—流體通道，通道係至少部份地垂直 於該共同方向而延伸穿過個別單體，單體係經排置以讓第 通道祕接續地延伸穿過各解體之第—多個小室 ’同時第一多個小室之面積對第一多個小室之面積的比值 -係沿著第二流體通道的長度而改變。 9·如申請專利範圍第8項所述之單體，其中該比值是沿著第 〇 二流體通道之長度增加然後減少。 10. -種在蜂巢式單體内進行連續流動化學反應的方法，該 方法包含： 選定供以進行的反應； 決定該反應在沿連續流體路徑上所要求的熱傳導； 提供蜂巢式單體，其具有經界定出於其⑽反應通道以 及經界定出於其_熱交換通道，其巾該熱交換通道之面 積對該反應通道之面積的比值在該反應要求進行熱交換處 為高的，而在無須進行熱交換之處則為低的。 30