KR102431918B1 - 유동 분배 시스템 - Google Patents

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KR102431918B1
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Abstract

본 발명은 적어도 2 개의 개별 유체의 유동을 분배하고 분할하기 위한 유동 분배 시스템에 관한 것으로서, 본 분배 시스템은: 적어도 제 1 유체 수송 프랙탈(fractal) 및 제 2 유체 수송 프랙탈을 포함하는 적어도 2 개의 유체 수송 프랙탈의 3 차원 네스팅된(nested) 구조 - 각각의 유체 수송 프랙탈은 복수의 유체 출구로 분기되는 각각의 유체 입구를 가지며, 각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈의 유동과 독립적으로 통과 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 입구와 복수의 유체 출구 사이에서 중심 축을 따라 그리고 중심 축을 중심으로 연장됨 - ;를 포함하고, 여기서 각각의 유체 수송 프랙탈은 선택된 개수의 스테이지로 조립된 일련의 반복적(recursive) 분기 유닛을 포함하고, 각각의 분기 유닛은 2 개의 후속 분기 유닛에 유체 연결되는 Y 형상의 분기된 요소를 포함하고, 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 60 도 내지 120 도의 각도만큼 중심 축에 대해 회전되고; 각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈과 인터와인딩되어(intertwined) 있고; 각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축을 중심으로 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋되어 위치 결정되고, 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 측 방향으로 경사지고 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 한다(centered).

Description

유동 분배 시스템
상호 참조
본 출원은 2017년 4월 21일에 출원된 호주 가 특허 출원 번호 제2017901465호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 유체 유동 경로를 복수의 병렬 유동 스트림으로 스플리팅(splitting)하기 위한 유체 유동 분배 시스템에 관한 것이다. 유동 분배 시스템은 모놀리식 반응기, 상기 유동 분배 시스템을 포함하는 반응기, 유체 혼합기, 유체 블렌더, 테일러 유동 혼합기, 촉매 반응기 및 변환기, 연료 혼합기 및/또는 버너 등을 위한 유동 분배 시스템으로서 특히 적용 가능하고, 이러한 예시적인 적용들과 관련하여 본 발명을 이하에서 개시하는 것이 편리할 것이다. 그러나, 본 발명의 유동 분배 시스템은 임의의 개수의 다른 유체 유동 스플리팅 및/또는 분배 적용에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 배경에 대한 다음의 논의는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이다. 그러나, 본 논의는 언급된 임의의 재료가 출원의 우선일에 공개되었거나, 공지되었거나 또는 통상적인 일반 지식의 일부라는 것을 인정하거나 또는 허용하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.
입구 유체 유동을 복수의 출구로 균일하게 분할하는 것을 달성하는 유동 분배 시스템은 다양한 산업에 걸쳐 광범위한 유체 취급 적용에서 일반적인 기능적 요구 사항이다. 예를 들어, 모놀리식 촉매 지지 장치를 이용하는 화학 반응기에서, 시스템 효율은 촉매 활성 물질로 코팅된 얇은 벽에 의해 분리된 많은 밀집되어 패킹된 병렬 채널을 통한 균일한 유동 분배를 달성할 수 있는 능력에 의존한다. 소량의 유체 혼합이 필요한 적용 분야의 경우, 매우 근접한 2 개의 입구 유체 스트림을 유동 분할하고 균일하게 분배하는 것을 달성할 수 있는 능력이 또한 종종 요구된다.
균일한 유동 분배 적용 요구를 해결하는 분배 시스템 설계는 일반적으로 2 개의 넓은 범주의 유동 분할 방식으로 분류된다:
A. 병렬식: 유체 챔버를 따라 복수의 포트가 있는 매니폴드를 통해, 단일 스테이지에서 유동 분할이 발생한다(예를 들어, 도 1a에 도시되어 있음); 또는
B. 순차식: 순차적 분기의 구조적 어레이를 통해, 많은 스테이지에 걸쳐 유동 분할이 발생한다(예를 들어 도 1b에 도시되어 있음).
병렬 방식은 고유한 기하학적 그리고 제조적 단순성을 갖는다. 그러나, 이 방식은 또한 일반적으로 불균일하거나 또는 잘못된 분배 유동을 생성하는 경향이 있다.
순차 방식은 일반적으로 복수의 채널 분기를 순차적 스테이지로 연결하여 피딩(feeding) 스트림의 브랜칭 캐스케이드(branching cascade)를 생성하는 프랙탈 분기(fractal bifurcation) 접근 방식으로 구현된다. 유동 분배 시스템과 관련해서 사용되는 프랙탈이라는 용어는 다양한 스케일로 반복되는 구조적 패턴을 나타내는 기하학적 구조를 지칭한다. 유동 경로에 대한 높은 수준의 제어로 인해, 프랙탈 유동 분배 방식은 일반적인 병렬 매니폴드 접근 방식에 비해 더 높은 유동 균일성 및 감소된 압력 손실을 나타낼 수 있다. 이와 같이, 프랙탈형 공간-충전 구조는 종종 식물 가지 및 혈관과 같은 자연적 유체 수송 시스템에서 진화한다. 그럼에도 불구하고, 비교적 높은 기하학적 복잡성으로 인해, 프랙탈 유동 분배 시스템 실시예들은 증가된 설계 및 제조적 문제를 제기한다. 또한, 밀집되어 패킹된 많은 출구 및 복수의 유동 스트림에 걸쳐 높은 유동 균일성을 달성할 수 있는 능력은 실제로는 종종 전통적인 제조 공정 제약 조건을 충족시키기 위해 필요한 설계 절충안에 의해 제한되었다.
예를 들어, 제조상의 제약은 수직 접합, 특히 수직 분기 접합의 사용으로 이어질 수 있으며, 이는 유동 터닝(turning) 손실로 인한 압력 강하를 증가시킬 수 있다. 수직 유동 접합의 예들은 다음을 포함한다:
미국 특허 제7,032,894호는 모놀리식 반응기를 위한 유동 분배 시스템을 개시하고, 여기서 유체 반응물은 혼합된 반응물이 모놀리식 베드 내에서 반응 존으로 들어가기 전에 반응기로 도입되고, 더 작은 복수의 유동 스트림으로 연속적으로 스플리팅되기 전에 함께 혼합된다. 유동 분배 시스템은 모놀리식 세그먼트의 스택을 포함하고, 모놀리식 세그먼트는 상이한 셀 밀도를 가지며, 액체 유동 스트림을 더 작은 액체 유동 스트림으로 연속적으로 스플리팅하기 위해 액체 유동의 중력 하향 방향으로 셀 밀도를 증가시키도록 적층된다. 이러한 유동 분배 시스템 구성은, 모놀리식 세그먼트의 연속적인 층들 사이의 유동 경로가 유동적으로 분리되거나 또는 격리되지 않기 때문에, 2 개의 병렬 스트림을 분배하는데 사용될 수 없다. 이러한 분배기 구성은 또한 반응 존으로 들어가는 복수의 반응물 스트림 각각이 각각의 스트림이 견뎌낸 고유한 여정을 반영하는 고유한 특정 조성 및 온도 프로파일을 갖게 되는 것을 초래할 수 있다. 결과적으로, 반응기의 수율 및 이를 반영하는 반응 속도로 최적의 정상 반응 조건을 유지하는 것이 종종 어렵게 된다.
미국 특허 제6,742,924호는 2 개 이상의 독립적이고 오프셋된 유체 수송 프랙탈의 개별적인 그리고 동시의 유동 분할 및 혼합을 위한 유동 분배 시스템을 교시하고 있다. 유동 분할기는 복수의 유체 출구로 분기되는 각각의 유체 입구를 갖는 독립적인 유체 수송 프랙탈을 분할한다. 예시된 유체 수송 프랙탈은 수직 분기 형상(H 형상)을 가지며, 서로 오프셋되어(다른 평면 상에 설정되어) 위치 결정된다. 병합 채널은 제 1 유체 수송 프랙탈의 제 1 출구를 제 2 유체 수송 프랙탈의 각각의 제 2 출구에 상호 연결하여, 유체가 상기 제 1 유체 수송 프랙탈의 제 1 출구를 빠져나가는 것을 가능하게 하여, 상기 제 1 및 제 2 출구 이외의 다른 상기 출구를 빠져나가는 유체로부터 분리된 환경에서 상기 제 2 유체 수송 프랙탈의 상기 제 2 출구를 나가는 유체와 혼합한다. 이 유동 분할기의 오프셋 특성은 실용적인 네스팅 해결 방안을 제공하지만, 유동 분배 시스템의 선형 및 수직 특성은 분배기의 기하학적 구조를 제한하여, 이에 따라 구성의 패킹 밀도의 최적화를 제한한다. 유동 분배 시스템의 수직 특성은 또한 특히 작은 액체 유동 스트림에서 각 유체 수송 프랙탈을 통한 압력 강하를 증가시킬 수 있다.
본 분야에서 개선이 있었지만, 다양한 유체 반응물, 기체 및/또는 액체를 사용하여 안전하고 효율적인 성능을 제공하는 2 개의 개별 유동 스트림이 피드될 수 있는 개선된 유동 분배 시스템 또는 분배기에 대한 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명의 일 양태에서, 적어도 2 개의 개별 유체의 유동을 분배하고 분할하기 위한 유동 분배 시스템이 제공되고, 이러한 분배 시스템은:
적어도 제 1 유체 수송 프랙탈(fractal) 및 제 2 유체 수송 프랙탈을 포함하는 적어도 2 개의 유체 수송 프랙탈의 3 차원 네스팅된(nested) 구조 - 각각의 유체 수송 프랙탈은 복수의 유체 출구로 분기되는 각각의 유체 입구를 가지며, 각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈의 유동과 독립적으로 통과 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 입구와 복수의 유체 출구 사이에서 중심 축을 따라 그리고 중심 축을 중심으로 연장됨 - 를 포함하고,
각각의 유체 수송 프랙탈은 선택된 개수의 스테이지로 조립된 일련의 반복적(recursive) 분기 유닛을 포함하고, 각각의 분기 유닛은 2 개의 후속 분기 유닛에 유체 연결되는 Y 형상의 분기된 요소를 포함하고, 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 60 도 내지 120 도의 각도만큼 중심 축에 대해 회전되고;
각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈과 인터와인딩되어 있고(intertwined);
각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축을 중심으로 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋되어 위치 결정되고, 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고;
각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 측 방향으로 경사지고 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 한다(centered).
따라서, 본 발명은 하나 또는 2 개의 개별 유체 입구 스트림에 대해, 높은 출구 유동 균일성 및 패킹 밀도를 달성하기 위해 적어도 2 개의 순차적 유동 분할 방식(즉, 유체 수송 프랙탈)을 조합하는 유동 분배 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 프랙탈 분기 방식은 단일 입구로부터 넓은 영역에 걸쳐 유동을 균일하게 분배할 수 있다. 유체 출구의 한정된 배치는 2 개의 독립적인 유체 스트림이 유체 분배기로부터 출력될 수 있게 하며, 실시예들에서, 출구에서 소량으로 용이하게 혼합될 수 있게 한다. 유체 스트림의 대칭은 유체 수송 프랙탈 사이에서 동일한 유동 조건을 달성한다. 이것은 또한 선택적인 전용 하류 혼합 섹션으로 유체 스트림의 혼합이 달성될 수 있게 한다. 따라서, 본 발명의 프랙탈 분기 방식은 다음과 같은 특징을 제공한다:
· 출구 영역 풋프린트 내에서 바람직하게는 대칭적인 유동 경로를 갖는 2 개의 유동 스트림을 수용할 수 있는 능력;
· 2 개의 유체 수송 프랙탈 채널이 평면적으로 인터와인딩되어 있는 것과 반대로 3 차원적으로 인터와인딩되어 있음으로 인한 네스팅의 자유;
· 다수의 종래 기술의 프랙탈 분기 실시예와 비교하여 낮은 압력 손실. 제안된 설계는 수직 분기 접합보다는 둥근 구성으로 인해 감소된 압력 손실을 제공한다.
· 높은 유동 균일성.
유체 수송 프랙탈들은 컴팩트한 공간 내에 2 개의 유체 수송 프랙탈을 위치 결정시키고 패킹하기 위해 중심 축을 중심으로 다른 유체 수송 프랙탈로부터 위치적으로 오프셋되어 인터와인딩되어 있다. 이러한 오프셋된 위치는 중심 축에 대한 위치 오프셋 및 축 방향 또는 각도 오프셋의 조합을 통해 달성될 수 있다. 실시예들에서, 각각의 유체 수송 프랙탈의 유동 축은 중심 축으로부터 오프셋되어 이격된다. 중심 축은 전체 유동 분배 시스템의 수직 축을 정의한다는 것을 이해해야 한다.
바람직하게는, 각각의 유체 수송 프랙탈의 유동 축은 중심 축을 중심으로 측 방향으로 그리고 종 방향으로 이격되어 있다. 이것은 각 유체 수송 프랙탈을 시스템의 중심 축을 중심으로 X-Z 평면 상의 대향하는 사분면(대각선으로 대향하는 사분면) 상에 위치 결정시킨다. 이 간격은 일반적으로 시스템의 크기, 스플리팅된 스테이지의 개수(N), 전이 평면의 스테이지 위치(예를 들어, 일반적으로 전이 평면은 첨부된 도면들에 도시된 실시예에서와 같이 j=4에 위치 결정됨) 및 관련 분기 유닛 간격(Sj), 채널 벽 두께, 유체 특성 및 시스템에 필요한 유동 특성에 기초하여 결정된다. 그러나, 실시예들에서, 중심 축으로부터 각각의 유체 수송 프랙탈의 유동 축의 측 방향 오프셋(
Figure 112019119390940-pct00001
)은 다음과 같다:
Figure 112019119390940-pct00002
여기서 Sj는 분기 유닛 간격이다. 유사하게, 실시예들에서 중심 축으로부터 각각의 유체 수송 프랙탈의 유동 축의 종 방향 오프셋(
Figure 112019119390940-pct00003
)은 다음과 같다:
Figure 112019119390940-pct00004
여기서 Sj는 분기 유닛 간격이다.
분기 유닛 간격(Sj)은 각 분기 유닛의 입구 중심과 출구 직경 사이의 수직 투영 길이라는 것을 이해해야 한다. 실시예들에서, 분기 유닛 간격(Sj)은 다음에 의해 결정된다:
Figure 112019119390940-pct00005
SN : 최종 스테이지(N)의 분기 유닛 간격 [mm]
L : 출구 스테이지 에지 길이 [mm]
Sj : 스테이지(j)의 분기 유닛 간격 [mm]
아래 첨자 기호 e 및
Figure 112019119390940-pct00006
은 각각 짝수 또는 홀수에 대한 방정식 유효성을 나타내기 위해 사용된다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, Sje는 짝수인 j에 대한 파라미터 Sj의 값을 나타낸다. Sje는 홀수인 j에 대해 유효하지 않다. 또한, 출구 스테이지 에지 길이(L)는 출구 스테이지의 출구가 분포되는 기하학적 형성의 에지의 선형 길이이다. 출구 기하학적 형성이 정사각형인 경우(즉, 모든 출구가 정사각형 그리드로 분포되는 경우), 에지 길이는 L = Lx = Ly 이다(예를 들어, 도 2 참조).
각각의 유체 수송 프랙탈의 유동 축은 중심 축에 대한 각도만큼 경사진다. 이는 초기 스테이지에서 분배기의 다양하고 더 큰 크기의 채널을 수용하여 이와 인터와인딩되어 있도록 각 유체 수송 프랙탈이 중심 축으로부터 굽혀지거나 또는 이로부터 각질 수 있게 한다. 또한, 유동 축의 경사는 입구 유동 조건을 양보하지 않으면서 조립 입구에서 간극을 허용한다. 각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축으로부터 측 방향으로
Figure 112019119390940-pct00007
, 바람직하게는 2 내지 20 도, 바람직하게는 4 내지 10 도 측 방향으로 경사지고, 중심 축으로부터
Figure 112019119390940-pct00008
, 바람직하게는 2 내지 20 도, 바람직하게는 4 내지 10 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 한다. 각각의 유체 수송 프랙탈의 각각의 경사 및 오프셋은 바람직하게는 중심 축을 중심으로 미러링되고(mirrored), 바람직하게는 중심 축을 중심으로 대칭적으로 미러링된다. 보다 바람직하게는, 채널 경로의 레이아웃은 각각의 개별적인 유체 수송 프랙탈의 중심 축 및 유동 축에 대해 대칭이다. 이것은 유체 수송 프랙탈 사이에서 동일한 유동 조건을 달성할 수 있는 중심 축을 중심으로 유체 스트림에 대칭을 제공한다. 그러나, 레이아웃은 또한 의도적으로 상이한 유동 조건을 달성하기 위해 비대칭으로 구성될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.
각각의 유체 수송 프랙탈 및 유동 분배 시스템의 유체 출구는 바람직하게는 중심 축에 대해 단일 평면에 위치되고 정렬된다. 이것은 모든 출구가 정렬될 수 있게 하여, 추가의 프랙탈 분기 스테이지, 혼합 또는 반응기 스테이지 또는 시스템의 추가와 같은 하류 설계의 추가 및 결합을 단순화시킨다. 실시예들에서, 각각의 유체 출구는 중심 축에 대해 배향된, 바람직하게는 중심 축에 수직인 출구 평면에 위치되며, 각각의 유체 수송 프랙탈은 각각의 수송 프랙탈의 유동 경로를 출구 평면으로 지향시키고 재정렬하도록 구성된 전이 도관을 포함한다. 실시예들에서, 유체 출구는 정사각형 종횡비, 바람직하게는 짝수 어레이로 배치된다. 예를 들어 8 x 8 출구 어레이이다. 그러나, 유체 출구는 다각형, 규칙적인 다각형 등을 포함하는 임의의 원하는 형상으로 배치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예에서, 유체 출구는 직사각형 구성으로 배치된다. 분기 유닛의 스테이지 또는 스플리팅된 스테이지의 개수는 임의의 적합한 수, 예를 들어 1 내지 10 또는 그 초과일 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예들은 2, 3, 4, 5, 6, 7 또는 8 개의 스테이지를 포함한다.
다수의 장치 및 프로세스 파라미터가 유동 분배 시스템을 통한 균일한 유동의 형성에 영향을 미치며, 특히 각각의 유체 수송 프랙탈의 유체 출구를 통해 생성된다는 것을 이해해야 한다. 유체 수송 프랙탈을 통한 균일한 유동을 위해, 다음 조건 중 하나 이상이 충족되는 것이 바람직하다:
· 유동 분배 시스템의 각 스테이지를 통해 유동 면적 전달비가 1과 같아야 한다.
· 레이놀즈 수는 바람직하게는 < 100,000, 바람직하게는 1,000 내지 100,000, 보다 바람직하게는 1500 내지 80000, 더욱 바람직하게는 5000 내지 50000 이다; 그러나, 유동 분배 시스템은 층류 및 난류 Re 값 모두에 대해 작용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 주어진 직경 및 표면 거칠기에 대해, 튜브/채널에서 더 높은 Re는 전형적으로 압력 손실에 정비례하는 다르시-바이스바하(Darcy-Weisbach) 마찰 계수를 감소시킨다. 그러나, 주어진 유체에 대해, 더 높은 Re는 더 높은 유동 속도(v)를 요구하여 압력 손실을
Figure 112019119390940-pct00009
만큼 증가시킨다. 따라서, 주어진 채널 및 유체에 대해, 난류 레짐(~>3000)에서 Re 값이 증가하면 압력 손실이 증가할 수 있다.
· 유체 출구는 ㎡ 당 10000 내지 15000 개의 출구, 바람직하게는 약 12175 포인트/㎡ 범위의 분포 밀도를 가지며; 그리고/또는
· 유동 분배 시스템은 적어도 50, 바람직하게는 적어도 100의 다운턴 비(downturn ratio)를 갖는데, 즉 최대 유량은 최소 유량의 100 배이다(Remax/Remin = 1E5/1E3).
유동 분배 시스템을 통한 결과적인 유동은 바람직하게는 균일하다. 실시예들에서, 시스템의 유동은 실질적으로 플러그 유동 유형의 유동 패턴에 접근한다.
유체 분배기를 통한 마찰 압력 손실은 갑작스러운 유동 경로 전이를 감소시키고 실행 가능한 최대 채널 직경을 제공함으로써 설계를 통해 제한된다. 따라서 유체 분배기의 분기된 채널의 구성은 바람직하게는 그 입구와 출구 사이에 만곡된 유체 유동 경로를 제공하는 2 개의 출구 채널 및 입구 채널을 포함하는 Y 형상의 분기된 요소이다. 만곡된 유동 경로는 임의의 적합한 만곡된 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 만곡된 유동 경로는 예각 아크(arc)를 포함한다. 각각의 분기된 요소의 2 개의 만곡된 유동 경로는 바람직하게 아치의 피크에 위치된 입구를 갖는 아치를 형성한다. 분기 유닛에서 각각의 채널 또는 레그 사이의 각도는 분기각(θj)을 포함한다. 이와 같은 분기각은 적절한 유동 특성을 갖는 적절한 유동 스플릿을 제공하고, 인터와인딩되어 있는 유체 수송 프랙탈의 필수적인 패킹 및 기하학적 구조를 수용하도록 선택된다. 실시예들에서, 각각의 분기 유닛은 30 내지 60 도, 바람직하게는 30 내지 40 도, 보다 바람직하게는 약 35 도의 분기각(θj)을 갖는다.
각각의 유체 수송 프랙탈을 형성하는 각각의 후속 분기 유닛은 중심 축에 대해 60 도 내지 120 도의 각도만큼 회전된다. 분기 유닛의 각도는 이전 스테이지에 대해 회전되어 각각의 유체 수송 프랙탈 및 전체 유동 분배 시스템의 각 채널을 통한 균일한 유동의 유지를 돕기 위해 분기 유동에 실질적으로 대칭적인 유동 저항을 제공도록 특정 범위 내에 있어야 한다는 점에 유의해야 한다. 임의의 하나의 이론으로 제한되기를 원하지 않지만, 유동 균일성은 이러한 분기 유닛 회전 각도에 의해 비례적으로 영향을 받을 것으로 생각된다. 균일한 유동에 "실질적으로" 영향을 미치지 않는 정도는 필요한 수준의 유동 균일성에 의존한다. 바람직한 실시예에, 각각의 유체 수송 프랙탈을 형성하는 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 70 내지 110 도, 바람직하게는 80 내지 100 도, 보다 바람직하게는 실질적으로 90 도의 각도만큼 중심 축에 대해 회전된다. 일부 실시예에서, 각각의 유체 수송 프랙탈을 형성하는 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 90 도만큼 중심 축에 대해 회전된다.
각각의 유체 수송 프랙탈의 반복적인 프랙탈 유닛은 임의의 적합한 프랙탈 형상을 포함할 수 있다. 실시예들에서, 2 개의 유체 연결되어 인접하는 분기 유닛은 H 형상의 프랙탈 유닛을 형성한다.
분기 유닛 및 형성된 프랙탈 유닛의 기하학적 구조 및 구성은 유동 분배 시스템의 패킹 및 인터와인딩되어 있는 형태에 중요하다. 따라서 연결된 분기 유닛의 입구 및 출구의 직경이 하나의 고려 사항이다. 바람직하게는, 스테이지(j+1)에 대한 입구 직경은 분기 스테이지(j)의 출구 직경과 동일하며, 여기서 j는 분기 스테이지 지수이다. 실시예들에서, 직경은 점진적인 유동 경로 전이를 제공하고 이에 따라 마찰 유체 압력 손실을 감소시키기 위해 각 분기 스테이지 사이에서 선형으로 변한다. 분기 유닛 간격(Sj)은 바람직하게는 홀수와 짝수 스테이지 지수 간에 전이될 때 보존되고, 장치 출구 채널의 정사각형 종횡비를 달성하기 위해 짝수와 홀수 스테이지 간에 전이될 때 절반으로 된다. 비-정사각형 종횡비의 경우, 보존 요구 사항이 적용되지 않는다.
본 발명의 일부 실시예에서, 전단 유동 성분을 유동 프로파일로 도입할 수 있는 분기 굽힘부를 통과한 후 유동이 축 대칭 조건으로 회복될 수 있도록 순차적 분기 유닛 사이에 직선 채널 섹션이 도입된다. 유동이 다음 분기 스테이지로 들어갈 때 이러한 전단 성분은 분포에서 비대칭을 유발할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 유체 수송 프랙탈에서 제 1 분기 유닛 및 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이의 채널의 전이 길이의 길이 대 직경 비(L/D)는 또한 다른 기하학적 고려 사항이다. 이러한 L/D 비는 바람직하게는 적어도 5, 바람직하게는 5 내지 100, 보다 바람직하게는 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 약 10이고, 여기서 L은 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 각각의 분기들 사이의 길이이고, D는 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이에서 연장되는 각각의 도관의 평균 외부 직경이다.
일부 실시예들에서, 각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 수송 프랙탈의 유동 도관을 유체 수송 프랙탈의 유동 축과의 정렬로부터 중심 축 및 유체 출구 평면으로 정렬시키도록 구성된 교정 섹션을 포함한다. 교정 섹션 다음에는, (교정 섹션 후 유동 조건을 회복하기 위해 필요한 경우) 바람직하게 길이가 조정될 수 있는 직선 섹션(또는 직선 유동 섹션)이 이어질 수 있다. 각각의 유동 분배 시스템의 모든 분기 유닛은 동일한 치수 비율을 갖거나 또는 독립적으로 변할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
유동 분배 시스템은 짝수의 유동 분배 시스템 스테이지를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 프랙탈 유동 분배 시스템 실시예의 고유한 기하학적 관계 내에서, 에지 길이(L)를 갖는 정사각형 충전 영역에서 출구의 균일한 분포를 달성하기 위해서는 짝수의 분기 스테이지가 필요하다.
본 유체 유동 분배 시스템의 설계에서 하나의 고려 사항은 혼합기 적용에서 제 2 유닛과 결합하여 규칙적으로 이격된 유체 출구의 2 개의 인터리브된 매트릭스를 통한 2 개의 개별 유체 유동의 배출을 통해 피더로서 작용할 수 있는 능력이다. 유체 유동 분배 시스템은 각각의 개별 유체 출구가 다른 유체 종을 공급하는 그의 혼합 파트너 바로 옆에 위치되도록 배치된다. 이것은 채널 분기의 위치 및 배향에 대한 엄격한 요구 사항을 제시하므로, 2 개의 유체 수송 프랙탈이 함께 '네스팅될' 수 있다. 이것은 또한 유닛에서의 최대 개수의 스플릿 스테이지를 제한했다. 혼합을 위해, 유체 출구로부터 2 개의 개별 스트림이 조합되어, 개별 스트림의 성분이 반응/혼합된다. 실시예들에서, 본 발명의 유동 분배기는 제 1 유체 수송 프랙탈로부터의 적어도 하나의 유체 출구가 제 2 유체 수송 프랙탈의 적어도 하나의 유체 출구로부터의 유체와 혼합되는 혼합기를 추가로 포함한다. 제 1 유체 수송 프랙탈로부터의 유체 출구로부터의 유체는 바람직하게는 제 2 유체 수송 프랙탈의 상기 인접한 유체 출구로부터의 유체와 혼합된다.
본 발명의 유동 분배 시스템은 임의의 적합한 제조 방법에 의해 형성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 본 발명의 기하학적 구조 및 유동 방식의 복잡성을 감안할 때, 본 발명의 유동 분배 시스템은 바람직하게는 선택적 레이저 용융, 스테레오리소그래피, 재료 분사, 선택적 레이저 소결 또는 직접 에너지 증착 기술을 사용하는 적층 가공(additive manufacturing) 제품을 포함한다.
본 발명의 제 2 양태는 적어도 2 개의 개별 유동 스트림을 분할하는 방법으로서,
본 발명의 제 1 양태에 따른 유동 분배 시스템의 제 1 유체 수송 프랙탈 및 제 2 유체 수송 프랙탈로 2 개의 개별 유동 스트림을 피드하는 단계;
이에 의해 유체 수송 프랙탈 각각의 유체 출구 각각으로부터 복수의 출구 유동을 생성하는 단계
를 포함하는, 방법이 제공된다.
본 발명의 제 3 양태는 3 차원 네스팅된 구조를 포함하는 적어도 2 개의 개별 유체의 유동을 분배하고 분할하기 위한 유동 분배 시스템을 설계하는 방법을 제공하고, 상기 방법은
유동 분배 시스템 스테이지의 개수를 결정하는 단계;
선택된 유동 스플릿 스테이지로 조립되도록 2 개의 후속 분기 유닛에 유체 연결되는 Y 형상의 분기된 요소를 포함하는 반복적 분기 유닛을 선택하는 단계; 및
각각의 후속 분기 유닛을 선택된 개수의 유동 분배 시스템 스테이지를 갖는 2 개의 유체 수송 프랙탈로 조립하는 단계
를 포함하고,
각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 입구와 복수의 유체 출구 사이에서 중심 축을 따라 그리고 중심 축을 중심으로 연장되어,
각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 60 내지 120 도의 각도만큼 중심 축에 대해 회전되도록 배향되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈의 유동과 독립적으로 통과 유동을 용이하게 하도록 구성되고,
각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고;
각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈과 인터와인딩되어 있고;
각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축을 중심으로 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋되어 위치 결정되고, 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고,
각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 측 방향으로 경사지고 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 한다.
설계된 유동 방식은 프랙탈 분기를 포함한다. 성능이 광범위한 수치 연구를 사용하여 예측될 수 있고, 후속적으로 실험 테스트를 사용하여, 예를 들어 적층 가공된 폴리머 프로토타입을 사용하여 검증될 수 있다.
본 발명의 제 1 양태와 관련하여 논의된 바와 같이, 오프셋 위치는 중심 축에 대한 위치 오프셋 및 축 방향 또는 각진 오프셋의 조합을 통해 달성될 수 있다. 실시예들에서, 조립하는 단계에서, 각각의 유체 수송 프랙탈의 유동 축은 바람직하게는 위에서 설명한 바와 같이 중심 축으로부터 측 방향으로 오프셋되어 이격되고 종 방향으로 오프셋되어 이격되어 있다. 각각의 유체 수송 프랙탈은 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도, 바람직하게는 4 내지 10 도 측 방향으로 경사지고, 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도, 바람직하게는 4 내지 10 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 유체 출구를 정사각형 종횡비로, 바람직하게는 짝수 어레이로 배치하는 단계를 추가로 포함한다. 예를 들어 8 x 8 출구 어레이이다. 그러나, 다른 구성, 예를 들어 직사각형 또는 다른 다각형도 가능하다는 것을 다시 이해해야 한다.
또한, 각각의 유체 수송 프랙탈을 형성하는 각각의 후속 분기 유닛은 60 내지 120 도의 각도만큼 중심 축에 대해 회전된다. 분기 유닛의 각도는 이전 스테이지에 대해 회전되어 각각의 유체 수송 프랙탈 및 전체 유동 분배 시스템의 각 채널을 통한 균일한 유동의 유지를 돕기 위해 분기 유동에 실질적으로 대칭적인 유동 저항을 제공하기 위해 특정 범위 내에 있어야 한다는 점에 유의해야 한다. 임의의 하나의 이론으로 제한되기를 원하지 않지만, 유동 균일성은 이러한 분기 유닛 회전 각도에 비례적으로 영향을 받을 것으로 생각된다. 균일한 유동에 "실질적으로" 영향을 미치지 않는 정도는 필요한 수준의 유동 균일성에 의존한다. 바람직한 실시예에서, 각각의 유체 수송 프랙탈을 형성하는 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 70 내지 110 도, 바람직하게는 80 내지 100 도, 보다 바람직하게는 90 도의 각도만큼 중심 축에 대해 회전된다. 일부 실시예에서, 각각의 유체 수송 프랙탈을 형성하는 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 90 도만큼 중심 축에 대해 회전된다.
분기 유닛 및 형성된 프랙탈 유닛의 기하학적 구조는 설계에 영향을 줄 수 있다. 실시예들에서, 선택 단계에서, 각각의 Y 형상의 분기된 요소는 그의 입구와 출구 사이에 만곡된 유체 유동 경로를 제공하는 2 개의 출구 채널 및 입구 채널을 포함한다. 유사하게, 일부 실시예에서, 조립 단계에서, 선택된 분기 유닛은 H 형상의 프랙탈 유닛을 형성하도록 조립된다. 각각의 분기 유닛은 바람직하게는 30 내지 60 도, 바람직하게는 30 내지 40 도, 보다 바람직하게는 약 35 도의 분기각을 갖는다. 각각의 유체 수송 프랙탈의 표면은 또한 바람직하게는 중심 축에 수직으로 위치 결정되는 수평면으로부터 ≥ 30 도의 경사각으로 설계될 수 있다. 이는 유동 분배 시스템의 적층 가공을 돕는다.
선택된 실시예에서, 조립 단계에서, 각각의 유체 수송 프랙탈에서 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이의 도관의 전이 길이의 길이 대 직경(L/D) 비는 바람직하게는 적어도 5, 바람직하게는 5 내지 100, 보다 바람직하게는 5 내지 20, 보다 바람직하게는 약 10이고, 여기서 L은 제 1 분기 유닛 및 후속 분기 유닛에서의 각각의 분기들 사이의 길이이고, D는 제 1 분기 유닛 및 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이로 연장되는 각각의 도관의 평균 외부 직경이다.
각각의 유체 수송 프랙탈 및 전체 유동 분배 시스템의 전체 특성 및 기하학적 구조를 결정하기 위해 다수의 다른 파라미터가 고려될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 결정 단계에서, 시스템의 원하는 유량 및 시스템의 유체 특성이 바람직하게는 또한 결정되며; 이들 파라미터는 선택 단계에서 유동 분배 시스템의 도관 직경 및 전체 치수를 결정하는데 사용된다. 전체 치수는 유체 출구 기하학적 형성의 출구 스테이지 에지 길이(L)를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 출구 기하학적 형성이 정사각형인 경우(즉, 모든 출구가 정사각형 그리드로 분포되어 있는 경우), 에지 길이는 L = Lx = Ly 이다(예를 들어 도 2 참조).
또한, 본 발명의 유동 분배 시스템은 임의의 적합한 제조 방법에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 유동 분배 시스템은 적층 가공 시스템을 사용하여 제조된다. 실시예들에서, 상기 방법은 바람직하게는 선택적 레이저 용융을 사용하여, 설계된 유동 분배 시스템을 3D 인쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 제 3 양태는 본 발명의 제 1 양태와 관련하여 논의된 상기 정의된 특징을 포함할 수 있으며, 그 반대도 마찬가지라는 것을 이해해야 한다. 이와 관련하여, 본 발명의 제 1 양태에 따른 유동 분배 시스템은 본 발명의 제 3 양태 중 어느 하나에 따른 방법을 사용하여 설계될 수 있다.
실시예들에서, 본 발명의 제 1 양태의 유동 분배 시스템은 테일러 유동(Taylor flow) 혼합 장치의 일부로서 이용될 수 있다. 본 발명의 제 4 양태는 유체 내에 테일러 유동을 형성하기 위한 테일러 유동 혼합기를 제공하며:
적어도 2 개의 개별 유체 피드를 수용하기 위한 2 개 이상의 입구를 포함하는 입구 존(zone);
본 발명의 제 1 양태에 따른 유동 분배 시스템을 포함하는 분배 존 - 유동 분배 시스템은 각각의 유체 피드를, 셀 밀도를 증가시키는 후속 채널 내로 개별적으로 분배하기 위한 복수의 분배 채널을 제공함 - ;
분배 채널의 출구로부터 각각의 개별 유체를 수용하여 적어도 하나의 생성물 채널 내로 혼합하기 위한 복수의 혼합 채널을 포함하여 내부에 2 개의 유체를 포함하는 테일러 유동을 형성하기 위한 혼합 존
을 포함한다.
본 발명의 제 4 양태에 따른 테일러 유동 혼합 장치는 공간적으로 정렬되고 큰 셀 밀도로 네스팅된 유동 분배 시스템으로부터의 균일한 유동 출구를 갖는 균일한 유동을 발생시켜, 일반적인 유체 피드로부터 다수의 정렬된 도관을 따라 테일러 유동 생성을 가능하게 할 수 있다. 유리하게는, 본 발명의 유동 분배 시스템은 분배 존을 빠져나가는 각각의 유체 출구에서 테일러 유동에 필요한 유체 역학적 파라미터의 정확하고 균일한 복제를 허용한다. 유동 스플릿의 균일하고 동일한 반복 가능한 분포는 테일러 유동 조건이 분배 존으로부터의 각 유체 출구에서 복제될 수 있게 한다.
테일러 유동은 다양한 유체 피드를 사용하여 형성될 수 있다. 실시예들에서, 분배 존으로 피드되는 적어도 2 개의 개별 유체 피드는 가스 및 액체; 액체 및 액체; 또는 기체 및 액체-고체 상 중 적어도 하나를 포함한다. 예들은 현탁액 또는 다른 고체-액체 분산계를 포함한다.
혼합 존에서, 분배 존으로부터의 유체 출구로부터의 2 개의 개별 스트림이 조합되어, 개별 스트림의 성분들이 테일러 유동을 형성하도록 혼합된다. 혼합 존은 바람직하게는 제 1 유체 수송 프랙탈에 유체 연결된 적어도 제 1 도관과, 제 2 유체 수송 프랙탈에 유체 연결된 적어도 제 2 도관 사이의 유동 합병을 포함한다. 제 1 도관과 제 2 도관 사이의 각도는 임의의 적합한 각도일 수 있다. 실시예들에서, 적어도 하나의 제 1 도관은 0 내지 180 도, 바람직하게는 45 내지 90 도의 각도에서 적어도 하나의 제 2 도관과 병합된다. 가장 일반적으로 사용되는 2 개의 각도는 90 및 45라는 점을 이해해야 한다. 그러나, 작업 유체의 점도 및 표면 장력에 따라 변형예들이 존재한다.
분배 존과 직접 연통하는 혼합 스트림 채널의 길이 대 직경의 비는 바람직하게는 적어도 10, 더욱 바람직하게는 적어도 15, 더욱 바람직하게는 적어도 20, 더욱 더 바람직하게는 적어도 30, 가장 바람직하게는 적어도 40이다. L/R이 클수록 혼합 영역으로 유입되는 유체의 보다 균일한 유동이 촉진되고, 이는 혼합 존 내에서 보다 효율적인 혼합을 발생시킨다.
혼합 존 채널의 길이 대 직경의 비는 바람직하게는 적어도 5, 보다 바람직하게는 적어도 10, 더욱 바람직하게는 적어도 15, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20, 가장 바람직하게는 적어도 30이다. L/R이 클수록 혼합 존 내에서 테일러 유동의 형성이 촉진된다. 바람직하게는, L/R 비는 30 이하, 보다 바람직하게는 20 이하, 훨씬 더 바람직하게는 10 이하이다. L/R 비가 낮을수록 혼합의 균일성이 감소되므로, 이에 따라 혼합 존에서 테일러 유동의 형성을 방해할 수 있다. 테일러 유동 레짐은 외부 압력에 취약하며, 보다 작은 L/R 비로 인한 임의의 변동이 바람직하지 않은 장애를 유발한다.
혼합 존에서 테일러 유동을 최적화하기 위해 다수의 인자가 변경될 수 있다. 예를 들어, 혼합 존에서, 2 개의 유체 사이의 모세관 값은 바람직하게는 0.001 내지 0.2, 바람직하게는 0.005 내지 0.1이다. 혼합 존에서, 레이놀즈 수는 바람직하게는 10 내지 1500, 바람직하게는 100 내지 1000이다. 혼합 존에서, 각 도관의 내부 직경은 바람직하게는 1 미크론 내지 3 mm, 바람직하게는 5 미크론 내지 2 mm, 더욱 바람직하게는 10 미크론 내지 1 mm이다.
실시예들에서, 혼합 존으로 들어가는 분배 존 채널의 유량 균일성은 80 % 초과, 바람직하게는 90 % 초과, 보다 바람직하게는 95 % 초과이다. 유동 균일성은 장치의 모든 출구에서 유동의 표준 편차로 정의된다는 것을 이해해야 한다. 이상적인 실시예들에서, 반응 존으로 들어가는 혼합 반응물의 유동 균일성은 바람직하게는 100 % 또는 약 100 %이다.
본 발명의 제 5 양태는 본 발명의 제 4 양태에 따른 테일러 유동 혼합기 내로 2 개 이상의 유체를 피드하는 단계를 포함하는 2 개의 유체로 테일러 유동을 형성하는 방법을 제공한다.
실시예들에서, 본 발명의 제 1 양태의 유동 분배 시스템은 반응기 시스템의 일부로서 이용될 수 있다. 본 발명의 제 6 양태는 2 개 이상의 유체 반응물을 처리하기 위한 반응기를 제공하고:
2 개 이상의 반응물 각각을 수용하기 위한 2 개 이상의 입구를 포함하는 입구 존;
본 발명의 제 1 양태에 따른 유동 분배 시스템을 포함하는 분배 존 - 유동 분배 시스템은 각각의 반응물을, 셀 밀도를 증가시키는 후속 채널 내로 개별적으로 분배하기 위한 복수의 분배 채널을 제공함 - ;
분배 채널의 출구로부터의 2 개 이상의 반응물을 수용하고 혼합하기 위한 복수의 혼합 채널을 포함하는 혼합 존; 및
2 개 이상의 혼합된 반응물을 반응시켜 이에 따라 생성물을 생성하기 위한 복수의 반응 채널을 포함하는 반응 존
을 포함한다.
본 발명의 이러한 제 6 양태의 반응기는 혼합된 반응물의 균일한 유동을 반응 존에 제공함으로써 수율 및/또는 속도가 최적화될 수 있게 한다. 이는 혼합 존으로 들어가는 반응물의 균일한 유동을 촉진시켜, 반응물의 공-반응의 변화를 감소시켜 이에 따라 반응 존으로 들어가는 반응물의 온도 변화를 감소시킴으로써 달성된다.
소량의 반응물이 조합되는 혼합 존까지 반응물은 떨어져 유지된다. 높은 유동 속도와 조합된 소량의 혼합된 반응물들의 조합은 플래시백 이벤트의 가능성 및 영향을 감소시킨다.
일 실시예에서, 반응 존은 또한 혼합 존이다. 개별 혼합 존이 전형적으로 바람직하지만, 이는 반응 존으로 유입되는 스트림의 높은 혼합 효율을 촉진하기 때문에 바람직하다.
혼합 존은 바람직하게는 하나 이상의 배플을 포함한다. 배플은 반응물의 반경 방향 혼합을 촉진시킨다.
혼합 채널에 바로 인접한 분배 채널 직경은 바람직하게는 0.01 내지 100 mm, 보다 바람직하게는 0.1 내지 10 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.5 내지 5 mm이다. 채널 벽의 두께는 바람직하게는 0.3 내지 3 mm이다.
혼합 존과 직접 연통하는 반응물 스트림 채널의 길이 대 직경의 비는 바람직하게는 적어도 10, 더욱 바람직하게는 적어도 15, 더욱 바람직하게는 적어도 20, 더욱 더 바람직하게는 적어도 30, 가장 바람직하게는 적어도 40이다. L/R이 클수록 혼합 영역으로 들어가는 반응물의 보다 균일한 유동이 촉진되어, 혼합 영역 내에서 보다 효율적인 혼합을 발생시킨다.
혼합 존 채널의 길이 대 직경의 비는 바람직하게는 적어도 5, 보다 바람직하게는 적어도 10, 더욱 바람직하게는 적어도 15, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20, 가장 바람직하게는 적어도 30이다. L/R이 클수록 혼합 존을 빠져나가는 반응물의 더 높은 혼합 효율을 촉진시킨다. 바람직하게는, L/R 비는 30 이하, 보다 바람직하게는 20 이하, 훨씬 더 바람직하게는 10 이하이다. 더 낮은 L/R 비는 조합된 반응물의 평균 체류 시간을 감소시키고, 따라서 반응 존에 들어가기 전에 촉매화되지 않은 반응을 감소시킨다. 이는 하나의 연료가 산화제이고 다른 하나는 가연성 유체인 시스템에 대한 플래시백의 방지에 특히 유리하다. 플래시백 상황에서 불꽃면은 유체 유동의 반대 방향으로 이동하여, 궁극적으로 혼합 지점에서 종료된다. 반응 지점에 가깝게 블렌딩함으로써 플래시백의 효과가 감소될 것이다.
혼합 존의 혼합 효율은 바람직하게는 100 % 또는 약 100 %이다. 실시예들에서, 혼합 존의 혼합 효율은 적어도 80 %, 보다 바람직하게는 적어도 90 %, 더욱 더 바람직하게는 적어도 95 %이다. 혼합 효율은 상대 표준 편차(M)의 측정으로서 정의된다는 것을 이해해야 한다:
Figure 112019119390940-pct00010
여기서 s = 농도 분포의 표준 편차이고,
Figure 112019119390940-pct00011
= 혼합물의 평균 농도이다.
반응 존으로 들어가는 혼합된 반응물의 유동 균일성은 바람직하게는 적어도 80 %, 보다 바람직하게는 적어도 90 %, 더욱 더 바람직하게는 적어도 95 %이다. 유동 균일성은 장치의 모든 출구에서 유동의 표준 편차로서 정의된다는 것을 이해해야 한다. 이상적인 실시예에서, 반응 존으로 들어가는 혼합된 반응물의 유동 균일성은 바람직하게는 100 % 또는 약 100 %이다.
바람직하게는, 각각의 혼합 채널은 4 개 이하, 더욱 바람직하게는 3 개 이하, 더욱 더 바람직하게는 2 개 이하의 반응기 채널과 연통된다. 반응물의 분산계를 반응 존으로 제한함으로써, 균일한 유동 레짐이 촉진된다.
반응, 혼합 및 분배 존은 바람직하게는 모놀리식 구조의 일부이다. 일부 실시예에서, 반응 존 및/또는 혼합 존은 혼합 존 및/또는 반응 존의 온도를 제어하기 위한 열교환기를 포함한다. 열 교환기는 바람직하게는 열 교환 유체가 통과 유동하도록 혼합 또는 반응 채널에 인접한 복수의 열 교환 채널을 포함한다.
반응 채널은 바람직하게는 촉매를 포함한다. 촉매는 반응기 채널 내에서 고정된 촉매 베드의 일부를 형성할 수 있다. 대안적으로, 촉매는 반응기 채널 벽 상에 코팅될 수 있다. 바람직하게는, 각각의 반응물의 레이놀즈 수는 50,000 이하이다.
본 발명의 제 7 양태에서, 본 발명의 제 6 양태의 실시예들 중 어느 하나에 따른 반응기로 2 개 이상의 유체 반응물을 피드하는 단계를 포함하는 2 개 이상의 유체 반응물을 반응시키기 위한 방법이 제공된다.
혼합 존으로 들어가는 반응물의 속도는 바람직하게는 0.01 내지 10 미터/초, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 5 미터/초, 더욱 더 바람직하게는 0.5 내지 2 미터/초이다.
바람직하게는, 유체 반응물은 기체 또는 액체 반응물 또는 이들의 조합이다. 바람직한 실시예에서, 반응물은 탄소 사슬 길이가 8 미만, 보다 바람직하게는 6 미만, 더욱 바람직하게는 4 미만, 더욱 바람직하게는 2 미만인 탄화수소를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 8 양태에서는, 2 개 이상의 반응물을 반응시키기 위한 본 발명의 제 6 양태의 실시예들 중 어느 하나에 따른 반응기의 사용이 제공된다. 바람직하게는 반응기는 천연 가스 또는 메탄의 개질을 위해 사용된다.
일 실시예에서, 반응물은 메탄 및 산소(또는 공기)를 양보하고, 반응은 촉매 부분 산화이다.
대안적인 실시예에서, 발열 반응을 위한 반응 존을 포함하는 반응기는 흡열 반응을 위한 반응 존과 산재한다. 이러한 실시예의 일 예는 메탄 또는 천연 가스의 이중 개질이다. 반응기 내의 채널은 발열 촉매 부분 산화 반응으로부터 발생된 열이 흡열 스팀 메탄 개질 반응을 구동하도록 적절하게 구성될 수 있다(즉, 반응 채널이 서로 인접해 있음).
본 발명의 유동 분배기는 유동 스플리터 또는 분할기로서 또는 반대로 유동 병합 장치로서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 하나의 적용에서, 유동 스플리터는 에멀젼의 2 개의 부분을 분리하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 유동 분배 시스템은 분석, 정수, 제약, 오일 및 가스, 식품, 폭발물, 또는 자동차 산업에서 많은 산업에서 이용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 다양한 산업 분야에서의 적용 분야로는 수질 분석, 액체-액체 추출, 가스-액체 반응기, 가스-액체-고체 반응기, SOR과 같은 리파이너(refiners), 콜로이드 생산, POX, 촉매 ATR, 촉매 변환기, SCR, 분리 장치, 반응기, 기포 칼럼, 유동층 반응기, 트리클 베드(Trickle bed) 반응기, 열 교환기, 강화 반응기 분리기, 다상 반응기/분리기 등이 포함된다. 또한 본 발명의 유동 분배 시스템은 예를 들어 버너, 랜스(lances) 등에서의 혼합 연료 및 유체 혼합기 및 블렌더와 같은 블렌딩 유체에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 이제 본 발명의 특정 바람직한 실시예를 나타내는 첨부 도면의 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 2 개의 일반적인 유동 분배 방식:(a) 병렬; 및 (b) 순차적 프랙탈 유형의 일반적인 예시를 제공한다.
도 2는 (a) 키 차원을 갖는 단일 분기 유닛; (b) 4 스테이지(N = 4) 실시예 - 투영된 2 차원 유닛 연결 개략도에서 "H" 형상의 선으로 식별된 음영의 j 및 j+1 유닛을 포함하는 상세의 프랙탈 자기 유사 반복 유닛 - ; 및 (c) 벽 두께 치수를 나타내는 본 발명에 따른 유동 분배 시스템의 실시예의 단일 분기 유닛을 나타내는 본 발명에 따른 유동 분배 시스템의 실시예를 도시한다.
도 2a는 정사각형 종횡비에 대해 프랙탈 차원을 변화시키는 프랙탈 유동 분배기 공간 충전 특성을 도시한다. 상세의 반복 유닛은 "H" 형상의 선으로 식별된다. 도면들에서, δ는 다음을 포함한다:
Figure 112019119390940-pct00012

경우 (i)에서 공간 충전 용량이 낮고 경우 (iii)에서 중첩 간섭이 있다는 점에 유의해야 한다.
도 2b는 직사각형 종횡비에 대해 프랙탈 차원을 변화시키는 프랙탈 유동 분배기 공간 충전 특성을 도시한다. 상세의 반복 유닛은 "H" 형상의 선으로 식별된다. 도면들에서:
Figure 112019119390940-pct00013

경우 (i)에서 공간 충전 용량이 낮고 경우 (iii)에서 중첩 간섭이 있다는 점에 유의해야 한다.
도 3은 θj의 상이한 값으로 구성된 유체 수송 프랙탈로부터의 분기 유닛의 3 개의 상이한 채널을 도시한다; (a) θj = 20 도; (b) θj = 35 도; 및 (c) θj = 45 도임.
도 4는 본 발명에 따른 유동 분배 시스템을 개발하기 위한 설계 방법론의 단계들을 도시한 것이다.
도 5는 유체 수송 프랙탈(2 개의 독립적인 채널 경로)을 갖는 본 발명의 유동 분배 시스템의 실시예를 도시하는 개략적인 도면을 제공한다: (a) 2 개의 채널 경로 및 관련 경로 및 장치 대칭 축의 네스팅 배치; (b) 경사진 전이 평면 및 출구 평면의 배치를 나타내는 단일 채널 경로; 및 (c) 장치 출구 평면 및 채널 경로 전이 평면에 대한 채널 경로의 배향을 정의하는 네스팅 파라미터의 상세도를 도시한다.
도 6은 2 개의 네스팅된 유체 수송 프랙탈을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 유동 분배 시스템의 정면도를 제공한다.
도 7은 유체 유동 분배 시스템 사이의 평면 오프셋을 나타내는 혼합기를 위한 피더를 형성하는 도 6의 유동 분배 시스템의 등각도를 제공한다.
도 8은 도 7에 도시된 유동 분배 시스템의 저면도를 제공한다.
도 9는 도관에서의 테일러 유동의 도시된 개략도를 제공한다.
도 10은 병렬 테일러 유동 채널의 넘버링 업을 개략적으로 도시한 예시를 제공한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 유동 혼합 장치의 등각도이다.
도 12는 (a) 평면도; (b) 유동 분배 시스템 스테이지로부터 출구의 폐쇄; (c) 병합 및 혼합 스테이지를 도시하는 측면도; 및 (d) 내부 유동 경로를 보여주는 측 단면도를 도시하는, 도 11에 도시된 테일러 유동 혼합 장치의 다양한 도면을 제공한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기의 개략도이다.
도 14는 상이한 전이 채널 길이를 갖는 유동 분배 시스템에 대한 예측된 가스 스트림라인을 도시한다: a) L/D = 0; b) L/D = 10; c) L/D = 20.
도 15는 (a) 테일러 유동을 개발하는데 사용되는 혼합 섹션의 다양한 유동 병합 구성; (b) (a)에 도시된 혼합 섹션 중 하나에서 개발된 테일러 유동의 사진, (c) (a)에 도시된 혼합 섹션 중 하나에서 개발된 테일러 유동의 사진, (d) (a)에 도시된 혼합 섹션 중 하나에서 개발된 테일러 유동의 사진을 도시하는 사진을 제공한다.
도 16은 본 발명에 따른 테일러 유동 장치를 사용하여 액체-액체 추출을 위한 다양한 유량 및 시간에 대한 추출 효율을 나타내는 플롯을 제공한다.
도 17은 실험적 검증 테스트 실행에 사용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 모델링된 유동 분배 시스템의 개략도를 제공한다.
도 18은 도 17에 도시된 다-채널 유동 분배 장치의 각 채널로부터 유량을 측정하기 위한 실험적 검증 설정의 사진을 제공한다.
도 19는 도 17에 도시된 유동 분배 시스템의 CFD 모델을 검증하기 위해 입자 이미지 속도 측정법(PIV) 실험 설정의 개략도를 제공한다.
도 20은 침지식 탱크로부터 얻어진 도 17에 도시된 유동 분배 시스템의 PIV 및 CFD 데이터의 속도 윤곽을 제공한다.
본 발명은 2 개의 병렬 순차 유동 분할 방식을 조합하여 높은 출구 유동 균일성 및 패킹 밀도를 달성하는 새로운 유체 유동 분배 시스템을 제공한다.
고성능 유동 분배 시스템은 요구되는 면적 또는 체적에 걸쳐 원하는 체적 유량을 분배하고, 다음의 목표들을 최소화하는 것을 목표로 하도록 이상적으로 설계된다:
· 출구 채널 간의 유량의 변동. 분배기 출구에 걸친 변동이 크면 하류 프로세스에서 비-효율성 및 제어가 저하될 수 있다. 예를 들어, 하류 모놀리식 촉매 지지 장치로의 유입 채널에서의 유량의 변동은 촉매 이용의 잘못된 분포를 초래할 수 있다.
· 장치에 걸친 압력 손실. 채널 유동에서의 압력의 손실은 점성 유체 전단 응력으로 인한 마찰 소산에 의해 발생하며, 다음에 의해 영향을 받는다; 유체 경로 또는 단면 유동 면적에서의 채널 직경, 길이, 유량, 표면 거칠기 및 기하학적 전이. 결과적인 손실은 펌핑 능력의 필요한 보상 증가로 인한 경제적 비용으로 이어진다.
· 장치 유체 체적. 유체 체적 최소화의 직접적인 이점은 장치 체적의 관련된 감소이다; 이는 제조 및 필요한 장치 설치 공간에서의 재료 사용을 감소시킨다. 추가적인 이점은 유체 프라이밍 및 전환 시간 단축뿐만 아니라, 유체 변경 시 손실이 적어지게 하는 장치 프라이밍을 위한 유체 체적 감소를 포함한다.
· 설계 및 제조 복잡성. 더 낮은 설계 및 제조 요구 사항은 직접 비용 절감으로 이어진다.
그러나, 상기 중 일부는 경쟁적인 목표일 수 있으며, 의도된 적용에 대한 절충을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 마찰 소산으로 인한 압력 손실은 채널 직경을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나 이것은 또한 장치 유체 체적을 증가시킬 것이다. 이러한 절충은 압력 손실 감소가 매우 중요한 적용 분야에서 필요할 수 있으므로, 따라서 더 큰 장치 체적이 정당한 것으로 인정된다.
적용에 따라, 유체 분배기 설계에 중요한 추가적인 특성은 또한 다음을 포함할 수 있다: 작동 턴다운 비(turn-down ratio), 달성 가능한 출구 채널 밀도, 다중 스트림 수용 능력, 기능성 코팅 및 재료의 유지 보수 또는 적용을 위해 내부 장치 액세스를 허용하는 분해. 유사하게, 유동 분배 장치의 비율 또한 중요할 수 있다; 예를 들어, 프로세스 스케일 업을 위해 복수의 분배 유닛의 레이아웃이 필요한 경우, 비율이 장치 출구 풋프린트 내에 분배되어 유닛들이 상당한 갭이 없이 인접될 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 고려 사항을 고려하여, 본 발명의 유동 분배 시스템은 순차적 분기의 구조적 어레이를 통해 유동 분할이 적어도 2 개의 스테이지에 걸쳐 발생하는 순차적 유동 분배로서 설계되었다(예를 들어, 도 1b). 순차적 접근 방식은 본질적으로 유동 궤도에 대한 높은 수준의 제어를 제공하여, 유동 등분포를 지원한다.
심혈관 네트워크 또는 기관지 트리와 같은 진화된 자연적 유동 분배 시스템은 반복적 분기, 공간-충전 및 자기 유사 기하학적 구조와 같은 공통 특성 - 전형적으로 프랙탈 기하학적 구조에 고유한 특성을 갖는 순차적 실시예인 경향이 있다. 예를 들어, 머레이(Murray)[씨. 디 머레이(C. D. Murray), "최소 작업의 생리학적 원리 I. 혈관계 및 혈액량의 비용, "Proc. Natl. Acad. Set., 12권, 3호, 207-214 페이지, 1926, 그 내용은 본 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 것으로 이해되어야 한다]는 기초가 되는 진화론적 목표를 (마찰 점성 소산 및 압력 손실로 인한) 혈액의 펌핑과 관련된 작업; 및 혈액량을 유지하기 위한 대사 비용을 동시에 최소화하는 것으로 게시함으로써, 분기 심혈관 네트워크의 직경 비율을 모델링하는 최소 작업 원리를 도출하였다. 머레이에 따르면, 심혈관계와 같은 분기 채널 네트워크에서 최소 펌핑 작업 및 대사 비용(즉, 포함된 체적)은 분기 접합 입구 직경(di)과 2 개의 동일한 출구(do) 각각의 직경의 비(RD)가 21/3(머레이의 법칙(Murray's Law)이라고 함)인 경우에 발생하는 것으로 나타날 수 있다. 더 큰 R의 값은 더 큰 포함된 체적을 희생시키면서 압력 강하를 감소시키거나, 또는 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
프랙탈 분배기의 2 차원 버전은 이전에 테스트되었고(에이치. 리우(H. Liu), 피. 리(P. Li) 및 제이. 반 류(J. Van Lew), "유량 채널의 다중 구조 분기를 갖는 연료 분배기의 유동 분배 균일성에 대한 CFD 연구," Int. J. Hydrogen Energy, 35권, 17호, 9186-9198 페이지, 9월 2010년, 그 내용은 본 참조에 의해 본 명세서에 포함되는 것으로 이해되어야 한다), 양호한 유동 분배 성능을 보여주었다. 노즐에 걸친 속도 변동은 평균값의 5 % 미만이었다. 이 연구는 분기 후 만곡된 유동 경로 및 긴 채널 길이를 유지하면 균일한 유동 스플릿에 기여하는 것으로 나타났다. 특히, 긴 채널 섹션은 프랙탈 매니폴드의 초기 스테이지에서 사용되어야 한다.
그럼에도 불구하고, 종래의 프랙탈 순차 유동 분배는 다음과 같은 한계를 갖는 것으로 밝혀졌다:
· 수직 분기 접합으로 인한 비교적 높은 압력 손실;
· 혼합 및 높은 출구 밀도에 의한 2 개의 스트림의 네스팅에 대한 제한적인 고려;
· 매우 높은 출구 밀도에 의한 모델 복잡성을 낮추게 하는 간단한 기하학적 구조; 및
· 채널 차단에 대한 감도의 진화가 없음.
제한은 다음을 통해 개발된 유동 분배 시스템 실시예로 해결된다:
· 제안된 유동 분배 시스템의 정의;
· 수치 연구;
· 실험적 진화; 및
· 적층 가공 설계 고려, 특히 최소 제조 가능한 채널 크기, 분말 제거 등과 같은 선택적 레이저 용융의 사용.
AM(적층 가공) 프로세스는 기존의 제조 가능성 제약을 제거하는 기회를 제공하고, 제조 제한으로 인해 이전에는 실행 불가능했던 유동 분배 시스템 적용 분야에서 새로운 설계 능력을 가능하게 한다. AM 기술은 누적 부품 단면 레이어를 결합함으로써 3D 부품을 생성하여, 종래의 감산 또는 성형 제조 공정의 능력을 넘는 기하학적 복잡성을 갖는 부품의 제조를 가능하게 한다.
선택적 레이저 용융(SLM)은 (예를 들어, 티타늄, 스테인리스 강 및 니켈 합금으로 된) 견고한 금속 부품을 제조할 수 있는 능력으로 인해 상승된 압력, 온도 및 반응성 유동 매체를 포함하는 요구가 큰 유체 유동 적용 분야에 사용될 수 있는 AM 프로세스 중 하나이다. SLM은 레이저 빔을 사용하여 층별로 고체 금속 부품을 생성하여 불활성 분위기에서 처리된 금속 분말의 층에서 부품 단면을 용융 및 융합한다. SLM은 특히 프랙탈 기반의 유동 분배 시스템의 특성과 호환 가능한 곡선형 기하학적 구조의 복잡한 내부 공동을 제조할 수 있게 한다. 그러나, 스테레오리소그래피, 재료 분사, 선택적 레이저 소결 또는 직접 에너지 증착을 포함하지만 그러나 이에 한정되지는 않는 다른 AM 프로세스도 또한 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 AM 기술의 이점을 이용하여 2 개의 개별적인 유체 입구 스트림에 대해 2 개의 순차적 유동 분할 방식을 결합하여 높은 출구 유동 균일성 및 패킹 밀도를 달성하는 새로운 유동 분배 시스템을 제공한다. 2 개의 유체 스트림을 사용함으로써, 추가적인 전용의 유체 연결된 혼합 섹션으로 유체의 혼합을 달성할 수 있다.
상기를 고려하여, 본 발명의 유체 유동 분배 시스템은 다음 목적 중 하나 이상을 만족시키도록 설계될 수 있다:
· 출구 채널의 정사각형 종횡비로 복수의 유동 출구에 걸친 단일 유동 입구의 균일한 분배를 달성하여 하류 부품에 제곱 비율을 피드한다.
· 출구에서 적은 체적으로 혼합될 수 있는 2 개의 독립적인 유체 스트림을 허용한다. 유체 스트림의 대칭성은 동일한 유동 조건을 달성하고 설계 분석 요구 사항을 단순화하기 위해 유지되어야 한다.
· 벽 두께의 구조적 요구 사항을 충족시키기 위해 독립적인 유체 스트림 사이에 충분한 간격을 제공한다.
· 수평 빌드 플랫폼으로부터 표면 경사각을 ≥ 30 도로 제한함으로써 지지 구조 없이 적층 가공을 허용한다.
· 급격한 유동 경로 전이 및 실행 가능한 최대 채널 직경을 감소시킴으로써 마찰 압력 손실을 제한한다.
· 단면을 보존하기 위해 RF = 1의 유동 면적 전달비(총 입구 대 총 출구 유동 면적의 비)는 유동 경로를 따라 속도 변동을 최소화시킨다.
· 고 유동 분포 밀도를 수용한다.
도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 결과적인 유체 유동 분배 시스템은 2 개의 인터와인딩되어 있는 분기된 프랙탈 구조의 3 차원 네스팅된 구조를 포함한다. 분배기는 주어진 풋프린트 영역에서 보다 큰 채널 직경으로 유동 저항을 감소시키고 간섭 없이 2 개의 개별 분배 스트림을 네스팅할 수 있는 능력을 증가시키는 3 차원 레이아웃을 가지고 있다. 또한, 분배기는 지지 구조를 요구하지 않고 SLM을 사용하여 분배기가 제조될 수 있도록 ≥ 30 도의 표면 경사각으로 설계된다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 유체 유동 분배 시스템(200)의 일부를 형성하는 유체 수송 프랙탈(100)의 구성을 보다 상세하게 도시한다. 이 유체 수송 프랙탈(100)은 복수의 스테이지로 조립된 일련의 반복적 분기 유닛(110)을 포함한다. 각 스테이지는 분기 스테이지 지수 j=[1, N]에 의해 설계되고, 여기서 N은 분기 스테이지의 총 개수이다. 후속 분기 유닛(110)은 바람직하게는 분기 유동에 대한 대칭 유동 저항을 가능하게 하기 위해, 이전 스테이지에 대해 Z 축(도 1b, 도 3 및 도 5에 가장 잘 도시됨)을 중심으로 90 °로 회전된다. 그러나, 다른 실시예에서 각각의 유체 수송 프랙탈은 분기 유동에 대해 실질적으로 대칭적인 유동 저항을 유지하면서, Z 축을 중심으로 90 +/- 30 도, 보다 바람직하게는 90 +/- 20 도, 더욱 더 바람직하게는 90 +/- 10 도, 가장 바람직하게는 실질적으로 90 도의 각도만큼 이전 스테이지에 대해 회전될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 균일한 유동에 "실질적으로" 영향을 미치지 않는 정도는 필요한 수준의 유동 균일성에 따라 달라진다.
프랙탈은 각각이 팽창 또는 수축으로 인한 스케일의 변화 하에서 정확하게 또는 대략 변하지 않음으로써 반복되는 자기 유사성을 나타내는 다양한 스케일로 부분들로 반복적으로 세분될 수 있는 기하학적 구조이다. 이러한 특성으로 인해, 이들이 매립된 것들보다 더 높은 차원에 프랙탈 기하학적 구조가 토폴로지 면에서 접근할 수 있게 하는 특이한 공간 충전 특성이 발생한다. 예를 들어, 모든 스케일에서 반복적인 상세 레벨을 나타내기 때문에, 만곡 및 표면의 토폴로지 차원이 각각 1 및 2로 제한되지만, 프랙탈 만곡 패턴은 표면의 공간-충전 용량에 근접할 수 있다. 이러한 공간 충전 특성은 영역에 걸친 유동 분배를 최대화하는 것을 목표로 하는 적용에서 사용될 수 있다.
프랙탈에서의 길이와 같은 특성의 측정은 반복적인 상세 및 측정 해상도에 대한 의존성으로 인해 고유한 값을 제공하지 않는다. 이러한 이유로, 프랙탈 특성의 특성화 및 스케일 변경에 따라 기하학적 상세가 변경되는 방식은 프랙탈 차원(하우스도르프 차원(Hausdorff Dimension)이라고도 함)의 개념으로 이어지는데, 이는 프랙탈 패턴에서 상세가 변경되는 방식을 그것이 측정되는 스케일과 비교하는 복잡성 지수이다. 토폴로지 차원과 달리, 프랙탈 차원은 정수 값으로 제한되지 않으며, 항상 토폴로지 차원보다 크다. 프랙탈 차원(δ)은 반복 상세 유닛이 스케일링 계수(σ)에 종속될 때 발생하는 반복되는 상세 유닛을 갖는 자기 유사 오브젝트의 카피 개수(U)에 의해 (식 (1) 또는 식 (1A)에 따라) 결정된다. 더 높은 프랙탈 차원은 일반적으로 관련된 프랙탈 패턴에서 더 높은 복잡성을 나타낸다:
Figure 112019119390940-pct00014
(1)
여기서: σ : 스케일링 계수
δ : 프랙탈 차원
U : 스케일링 후 오브젝트의 새로운 카피의 개수
Figure 112019119390940-pct00015
(1A)
도 2는 본 발명에 따라 설계된 유체 수송 프랙탈(100)을 형성하는 단일 반복적 프랙탈 유동 경로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 유동 경로는 도시된 유동 경로를 형성하는 일련의 상호 연결된 반복적 유닛(하기에서 더 상세히 정의됨)을 포함한다. 본 발명의 유동 분배 시스템의 바람직한 형태는 H 형상의 프랙탈 유닛을 포함한다(도 1b). 프랙탈 유동 분배 시스템의 반복적인 스케일 불변 구조를 구성하는 자기 유사 상세 유닛은 스테이지(j 및 j+1) 및 분기 유닛을 포함하는 "H" 형상의 유닛이다(도 2b). 이러한 배치는 대응하는 프랙탈 차원(δ=2)을 갖는다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 각각의 H 형상의 반복적 유닛(112)은 프랙탈 분기 스테이지를 형성하는 2 개의 분기 스테이지(110)(스테이지(j 및 j+1) 분기 유닛)를 포함한다.
프랙탈의 공간-충전 특성은 제안된 프랙탈 유동 분배 시스템 실시예에서 이용된다(도 2a 및 도 2b). 본 발명의 유동 분배 시스템은 높이(Hj), 간격(Sj), 입구 직경(Dj), 출구 직경(Dj +1) 및 분기각(θj)의 주요 파라미터에 의해 정의된 반복적 분기 유닛을 포함하며, 여기서 j는 분기 스테이지 지수(도 2)를 나타낸다.
유동 분배기 분기 유닛은 스테이지(j)의 각각의 분기 유닛에 대한 높이(Hj), 간격(Sj), 입구 직경(Dji), 출구 직경(Djo) 및 분기각(θj)의 키 파라미터에 의해 정의된다. 스테이지(j)에 대한 도 2에 도시된 유닛의 분기 입구 및 출구 직경은 비(RDj)(식 (2))에 의해 관련된다. 스테이지 간 연결성으로 인해, 스테이지(j+1)에 대한 입구 직경은 분기 스테이지(j)의 출구 직경과 동일한데, 즉, Djo = D(j+1)i 이다. Dj와 Dj +1 사이에서 직경이 선형으로 변경되어 점진적인 유동 경로 전이를 제공하여 이에 따라 마찰 유체 압력 손실을 감소시킨다.
Figure 112019119390940-pct00016
(2)
RDj : 스테이지(j)에 대해 분기 입구 대 출구 직경의 비
Dji : 스테이지(j)에 대한 입구 직경 [mm]
DO : 스테이지(j)에 대한 출구 직경 [mm]
j : 분기 스테이지 지수;
j = [1,N], 여기서 N은 분기 스테이지의 총 개수이다.
프랙탈 유동 분배 시스템 실시예의 고유한 기하학적 관계 내에서, 에지 길이(L)(도 2b, 여기서 Lx = Ly = L)를 갖는 정사각형 충전 영역에서 출구의 균일한 분배를 달성하기 위해서는 짝수의 분기 스테이지를 필요로 하고, 여기서 출구의 개수(0N)는 식 (3)으로 주어진다.
Figure 112019119390940-pct00017
(3)
여기서, 0N: N 개의 총 분기 스테이지 개수를 갖는 프랙탈 유동 분배 시스템의 출구의 개수,
여기서 N은 항상 짝수이다.
유사하게, 원하는 개수의 출구에 대해, 필요한 분기 스테이지의 개수는 식 (4)에 의해 주어진다.
Figure 112019119390940-pct00018
(4)
또한, 분기 유닛 간격(S), 즉 각 분기 유닛의 입구의 중심과 출구 직경 사이의 수직 투영 길이(도 2 참조)도 또한 정의될 수 있다. 최종 분기 스테이지(N)에 대한 결과적인 유닛 간격(SN)(도 2a)은 식 (5)에 의해 주어진다. 정사각형 출구 어레이를 달성하기 위해, 분기 유닛 간격은 홀수와 짝수 스테이지 지수 간에 전이될 때 보존될 필요가 있고, 짝수와 홀수 스테이지 간에 전이될 때 절반으로 될 필요가 있다. 이와 같이, 중간 분기 스테이지(Sj)에 대한 유닛 간격은 식 (6) 및 도 (7)에 의해 주어진다. 분기 유닛 간격의 비는 또한 스케일링 계수(σ)에 의해 특정될 수 있고, 여기서 식 (8)에 제공된 바와 같이 정사각형 출구 어레이에서 출구 채널의 균일한 분포를 달성하기 위해 δ = 1/2이다.
Figure 112019119390940-pct00019
SN : 최종 스테이지(N)의 분기 유닛 간격 [mm]
L : 출구 스테이지 에지 길이 [mm]
Sj : 스테이지(j)의 분기 유닛 간격 [mm]
σ : 스케일링 계수, 정사각형 출구 어레이에서 균일한 출구 채널 분포에 대해 σ = 1/2
프랙탈 분석의 관점에서, 제안된 분배기에 대해 반복 상세의 자기 유사 유닛(여기서 발생기라고도 함)은 분기 유닛(j) 및 2 개의 관련된 브랜칭 유닛(j+1)의 세트로 간주된다(도 2a(ii)에서 투영된 2 차원 유닛 연결 개략도 상에서 "H" 점선으로 강조 표시됨). 발생기는 각 발생기 출구 채널에서 자체 복제되며, 스케일링 계수(σ)에 의해 스케일링된다. 4 개의 발생기 배출 채널이 있으므로, 각각의 복제는 자기 유사 발생기 오브젝트의 4 개의 카피를 발생시키는데, 즉 카피의 개수 U=4 이다. 식 (1)에 의해 정의된 관련 프랙탈 차원(δ)은 발생기에 적용되는 스케일링 계수(σ)에 의존한다. σ의 작은 값의 경우, 출구의 결과적인 분배의 공간-충전 용량은 제한되고, σ의 큰 값의 경우, 채널 중첩 및 간섭이 발생할 수 있다(예를 들어, 도 2a는 치수 변화에 따른 분기 유닛 상호 연결성의 2 차원 투영 개략도를 도시한다). σ = 1/2의 경우, 출구 채널 분포는 균일하게 분포되고, δ = 2이며, 이는 관련된 프랙탈의 공간-충전 용량이 2의 토폴로지 차원, 즉 표면을 갖는 오브젝트의 공간-충전 용량에 접근한다는 것을 의미한다.
홀수 개수의 유동 분배기 스테이지(즉,
Figure 112019119390940-pct00020
)의 경우, 또는 짝수 스테이지와 홀수 스테이지 간 전이 시에 채널 간격이 더 이상 보존되지 않는 경우, 결과적인 출구 채널 배치는 불균일한 간격 또는 직사각형 종횡비를 취한다. 특정 용도에 필요한 경우, 스케일링 계수(σ)를 정사각형 종횡비의 경우(즉, 식 8)에서와 같이 모든 다른 분기 유닛에만 적용하기 보다는, 모든 분기 유닛에 적용함으로써 직사각형 출구 채널 종횡비가 달성될 수 있다. 이 경우, 스케일링 계수는 분기 유닛(j) 및 2 개의 관련된 브랜칭 유닛(j + 1)을 포함하므로 발생기에 두 번(즉, σ2) 적용된다. 결과적인 2 차원 투영 개략도는 σ의 값을 변화시키기 위해 도 2b에 도시되어 있다.
분기각(θj)(도 2)은 바람직하게는 30 도 내지 60 도이다. 바람직한 분기각(θj)은 35 도이다. 분기각(유닛 스플릿 각도)은 도 2a에 도시된 등가 반경(rj) 사이의 선의 경사각을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 세타는 분기 채널 중심선의 곡률에 영향을 준다. 도 3a 내지 도 3c는 서로 다른 θj의 값으로 구성된 3 개의 서로 다른 채널을 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, θj의 높은 값은 반경 Rj의 더 작은 값을 초래한다. 작은 Rj(즉, 큰 θj)를 사용하면, 관련 주변 표면이 실현 가능하지 않기 때문에 입구(dj_in)와 출구(dj_out) 사이에 로프트 채널을 생성하지 못할 수도 있다. 이것은 큰 θj로 인한 굽힘 반경(RJ)이 관련된 채널 반경보다 작을 때 발생한다. 이에 따라, θj는 결과적으로 RJ > 0.5*dj_in이 되도록 되어야 한다.
채널의 추가적인 벽 두께(tj)도 고려할 때, 이 경우: θj는 RJ > 0.5*DJ_in + TJ가 되도록 되어야 한다. 따라서 실행 가능한 것은: RJ > DJ/2 이고; 실행 불가능한 것은: RJ < DJ/2 이다. 작은 θj의 값은 유동에서 굽힘 손실을 증가시키는 보다 만곡된 채널로 이어진다. 또한, 채널이 더 수평으로 됨에 따라, 적층 가공이 더 어려워진다. 따라서 ~30-40 사이의 바람직한 θj의 값인 더 큰 실현 가능한 θj의 값은 일반적으로 우수한 구조적 강도를 제공하는 ~d/2와 d 사이의 벽 두께(tj)를 포함하는 실현 가능한 채널 로프트를 허용한다.
유동 분배 시스템(200) 및 유체 수송 프랙탈(100)은 또한 유동 경로를 따라 단면을 보존하고 속도 변화를 최소화하기 위해 RF=1의 유동 면적 전달비로 설계된다. 또한, 본 발명의 유동 분배 시스템(200)은 또한 짝수 개의 유동 분배 시스템 스테이지(N = 짝수)로 설계된다. 홀수의 유동 분배 시스템 스테이지에 대해, 또는 홀수 및 짝수 스테이지의 간격이 동일한 경우, 결과적인 출구 채널 배치는 불균일한 간격, 또는 본 발명의 유동 분배 시스템의 최적화된 설계와 관련된 목적에 대해 바람직하지 않은 직사각형 종횡비를 취한다. 주어진 적용에 대해 직사각형 출구 채널 종횡비가 필요한 경우, 채널 간격은 단일 프랙탈 차원 비로 결정될 수 있다.
또한, 유동 분배 시스템은 유동 경로를 따라 단면을 보존하고 속도 변동을 최소화하기 위해 RF=1의 유동 면적 전달비(총 입구 대 총 출구 유동 면적의 비)로 설계된다. 유체 수송 프랙탈 각각에 대해, 총 유동 면적 비(Ra)(아래 정의됨)는 다른 값으로 지정될 수 있다:
Ra = Aout/Ain = (스테이지의 각 출구 평면에서 모든 출구 채널의 면적의 합)/(스테이지의 각 입구 평면에서 모든 입구 채널의 면적의 합)
여기서:
· Ra = 1 : 각 스테이지 입구 및 출구에서 동일한 유동 면적. 장치에서의 압력 강하가 제한되어야 한다.
· Ra < 1 : 출구에서 유동 면적이 감소하여 이에 따라 스테이지의 개수가 증가함에 따라 전체 유동 면적이 감소한다. 이는 장치를 통한 압력 강하를 증가시키고, 각 스테이지에서 유동 속도를 증가시킨다.
· Ra > 1 : 출구에서 유동 면적이 증가하여 이에 따라 스테이지의 개수가 증가함에 따라 전체 유동 영역이 증가한다. 이는 장치를 통한 압력 강하를 감소시키고, 각 스테이지에서 유동 속도를 감소시킨다.
Ra = 1이 일반적으로 선호되지만, 그러나 반드시 절대적인 요구 사항은 아니다. Ra는 상기 트레이드-오프가 주어진 특정 적용에 대해 원한다면 상이할 수 있다.
상기 Rd 값은 또한 면적보다는 분기 유닛 입구 대 출구 직경 비에 대해서만 동등하게 고려될 수 있다. 이 경우, 채널에 포함된 체적과 채널 직경으로 인한 압력 손실을 최소화하는 "머레이" 법칙으로 알려진 특수 비가 존재한다. 이는 장치에 포함된 총 유체 체적이 최소화될 필요가 있는 경우에 바람직할 수 있다. 이 경우 머레이 법칙은 Rd = Din/Dout = 21/3 이다.
위에서 언급한 바와 같이, 도 2 및 도 3은 본 발명의 유동 분배 시스템의 하나의 유체 수송 프랙탈(100)의 구성을 도시하고 있을 뿐이다. 본 발명의 유동 분배 시스템(200)은 하나 또는 2 개의 개별 유체 입구 스트림에 대해, 높은 출구 유동 균일성 및 패킹 밀도를 달성하도록 설계되는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이 이러한 구성의 적어도 2 개의 인터와인딩되어 있는 유체 수송 프랙탈을 포함한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 유동 분배 시스템(200)은 제 1 유체 수송 프랙탈(210) 및 제 2 유체 수송 프랙탈(212)을 갖는 3 차원 네스팅된 구조를 포함한다. 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 복수의 유체 출구(230, 232)로 분기되는 유체 입구(220, 222)를 갖는다. 위에서 설명한 바와 같이, 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 다른 유체 수송 프랙탈(210, 212)에서의 유동과 독립적으로 통과 유체 유동을 용이하게 하도록 구성된다. 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 그 자신의 유체 유동 축(Y-Y 및 Z-Z)을 따라 그리고 이를 중심으로 연장되고, 또한 전체 유동 분배 시스템(200)의 복수의 유체 출구와 유체 입구 사이에서 연장되는 중심 축(X-X)을 중심으로 그 주위로 연장된다. 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 다른 유체 수송 프랙탈(210, 212)과 인터와인딩되어 있다. 이러한 인터와인딩되어 있는 기하학적 구조를 용이하게 하기 위해, 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 중심 축(X-X)을 중심으로 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋되어 위치 결정된다.
유체 수송 프랙탈(210, 212)은 원하는 공간 내에 2 개의 유체 수송 프랙탈을 위치 결정시키고 패킹하기 위해 중심 축(X-X)을 중심으로 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋된 위치에서 인터와인딩되어 있다. 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)의 유동 축(Y-Y 및 Z-Z)은 중심 축을 중심으로 측 방향 및 종 방향으로 이격되고, 중심 축(X-X)에 대해 각도(G)(도 7에 도시된 XY, YZ 각도의 조합)만큼 경사진다. 이것은 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)이 중심 축(X-X)으로부터 2 도 내지 20 도, 바람직하게는 4 내지 10 도 굽혀지거나 또는 각도를 이룰 수 있게 하고, 중심 축(X-X)으로부터 2 내지 20 도, 바람직하게는 4 내지 10 도 사이의 종 방향으로 경사질 수 있게 하여, 입구 유동 조건을 양보하지 않으면서 조립체 입구에서 간극을 허용한다.
각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212) 및 유동 분배 시스템(200)의 유체 출구(230, 232)는 전체적으로 중심 축(X-X)에 대해 단일 평면에 위치되고 정렬된다. 이 평면에서, 유체 출구(230, 232)는 짝수 어레이로 정사각형 종횡비로 배치된다. 도 6 및 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 제 1 유체 수송 프랙탈(210)로부터의 각각의 유체 출구(230, 232)는 제 2 유체 수송 프랙탈(212)의 유체 출구(232)에 인접하여 위치된다.
위에서 설명한 바와 같이, 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 짝수의 스테이지로 조립된 일련의 반복적 분기 유닛(110)(도 2)을 포함되며, 각각의 분기 유닛(110)은 2 개의 후속 분기 유닛에 유체 연결되는 Y 형상의 분기 유닛을 포함하고, 각각의 후속 분기 유닛(110)은 이전 스테이지에 대해 90 도만큼 중심 축(X-X)에 대해 회전된다. 이들 Y 형상의 분기 유닛은 입구 채널(150)과 출구(152, 154) 사이에 만곡된 유체 유동 경로를 제공하는 2 개의 출구 채널(152, 154) 및 입구 채널(150)을 가지며, 전형적으로 입구(150)가 그의 피크에 위치되는 아치를 형성한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 각각의 유체 수송 프랙탈(210, 212)은 유체 수송 프랙탈의 유동 축(Y-Y 또는 Z-Z)과의 정렬로부터 중심 축 및 유체 출구 평면으로 유체 수송 프랙탈의 유동 도관을 정렬하도록 구성된 교정 섹션(240)을 포함할 수 있다. 교정 섹션 다음에는, 교정 섹션(240) 후 유동 조건을 회복하기 위해 필요할 때 길이를 조정할 수 있는 직선 섹션(242)이 이어진다.
순차적 분기 유닛들 사이에 직선 채널 섹션을 도입하면 전단 유동 성분을 유동 프로파일 내로 도입할 수 있는 분기 굽힘부를 통과한 후에 유동이 축 대칭 조건으로 회복될 수 있다. 유동이 다음 분기 스테이지로 들어갈 때 이러한 전단 성분은 분포에서 비대칭을 유발할 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 분기 유닛의 전이 길이 비는 또한 중요한 고려 사항이며, 여기서 L은 제 1 분기 유닛 및 후속 분기 유닛에서의 각각의 분기 사이의 길이이고, D는 제 1 분기 유닛 및 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이에서 연장되는 각각의 도관의 평균 외부 직경이다. L/D의 영향은 매우 작다는 것을 이해해야 하고, CFD는 출구 채널 유동 균일성의 표준 편차가 L/D=0 으로부터 L/D=20으로 갈 때 ~2 %만큼만 감소한다는 것을 보여준다.
본 발명의 유동 분배 시스템을 개발하기 위해 따르는 설계 방법론이 도 4에 도시되어 있다. 설계의 프로세스는 시스템의 원하는 처리량을 결정하는 단계 및 그 후 치수가 없는 값(주로 모세관 값) 및 유체 물리적 특성의 값 세트에 도달하는 단계로 시작한다. 이러한 데이터를 사용할 수 있게 되면, 아래 설명에 따라 채널 기하학적 구조가 결정될 수 있다.
완전 드래프팅된 모델은 필요한 채널 특성 및 유동 스플리터 설계 파라미터에 기초하여 개발된다. 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 제안된 유동 분배 시스템의 구성은 2 개의 인터와인딩되어 있는 유동 채널을 포함한다. 이중 독립적인 채널 경로는 근접한 2 개의 독립적인 유동의 균일한 분포를 가능하게 한다. 이러한 이중 유동 분배 시스템은 다음 목표를 충족시킨다:
· 출구 채널 패킹 밀도가 높은 2 개의 독립적인 유동의 균일한 유동 분배.
· 필요한 경우 비대칭 채널 경로의 옵션을 허용하면서, 동등한 유동 조건을 제공하고 설계 노력을 줄이기 위한 두 채널 경로의 대칭.
· 결과적인 벽 두께가 구조적 및 제조 가능성 요구 사항을 충족시키도록 경로 사이의 최소 분리 거리를 달성한다.
· 두 경로의 입구 사이에 원하는 분리 거리를 허용하여: 관련 연결 피팅 사이에 간섭이 없고, 입구 위치는 장치 풋프린트 영역 내에 포함되어 있어, 복수의 유닛이 큰 갭 없이 인접될 수 있다.
· 분기 균일성에 영향을 줄 수 있는 굽힘에 의해 유도되는 전단 유동을 회피하기 위해, 초기 분기 스테이지로 들어가기 전에 채널 경로 입구에서 직선형 유동 경로를 허용한다.
상기 설계 목표를 만족시키기 위해, 제안된 이중 경로 유동 분배 시스템은 도 5a에 도시된 바와 같이 2 개의 단일 채널 경로 프랙탈 분배기(간결성을 위한 모듈로도 지칭됨)의 인터위빙된(interweaved) 네스팅으로 구성된다. 모듈은 전이 평면에서 경사져 있으며, 출구 평면 대칭 축(간결성을 위해 출구 평면 법선이라고도 함) 주위에 대칭적으로 미러링된다. 경사는 전이 평면 법선을 따라 거리(Ht)만큼 출구 평면으로부터 오프셋되고, 파라미터(θtxz 및 θtyz)에 의해 각각 정의된 평면(XZ 및 YZ)에 대해 경사진다. 2 개의 네스팅된 채널 경로의 간섭을 회피할 수 있도록 각도 오프셋 파라미터가 지정될 필요가 있다. 간섭에 대한 가능성은 다음을 포함한 여러 파라미터에 의존한다:
· 스테이지의 개수(N)
· 전이 평면의 스테이지 위치(예를 들어, 전형적으로 전이 평면은 첨부된 도면들에 도시된 실시예에서와 같이 j=4에 위치됨) 및 관련 분기 유닛 간격(Sj)
· 채널 벽 두께(Tji 및 TjO)
이와 같이, θtxz 및 θtyz는 영향을 미치는 간섭 파라미터의 특정 값에 기초하여 선택될 필요가 있다. 일반적으로 다음과 같은 경우 2 개의 네스팅된 채널 경로 간의 간섭이 회피되어야 한다.
Figure 112019119390940-pct00021
경사 및 오프셋은 높은 s를 가능하게 한다.
모듈은 모듈의 대칭 축(전이 평면 중심선으로도 지칭됨)이 파라미터들(
Figure 112019119390940-pct00022
및
Figure 112019119390940-pct00023
)에 의해 선형 오프셋되도록 전이 평면 상에 위치된다.
선형 오프셋 파라미터(
Figure 112019119390940-pct00024
및
Figure 112019119390940-pct00025
)(측 방향 및 종 방향 오프셋으로도 지칭됨)는 2 개의 네스팅된 채널 경로의 간섭이 회피되도록 특정될 필요가 있다. 간섭에 대한 가능성은 다음을 포함한 여러 파라미터에 따라 다르다:
· 스테이지의 개수(N)
· 전이 평면의 스테이지 위치(예를 들어, 전형적으로 전이 평면은 첨부된 도면에 도시된 실시예에서와 같이 j=4에 위치됨) 및 관련 분기 유닛 간격(Sj)
· 채널 벽 두께(Tji 및 TjO)
이와 같이
Figure 112019119390940-pct00026
및
Figure 112019119390940-pct00027
는 영향을 주는 간섭 파라미터의 특정 값을 기초로 선택될 필요가 있다. 일반적으로 다음과 같은 경우 2 개의 네스팅된 채널 경로 간의 간섭이 회피되어야 한다.
Figure 112019119390940-pct00028
출구 평면은 두 개의 모듈 모두에 대해 균일하게 이격된 채널 출구 어레이를 포함한다. 출구와 전이 평면 사이에는 유동을 출구 평면 법선으로 재정렬하여 위의 경사진 모듈을 보상하는 연결 채널의 어레이가가 위치된다. 연결 채널은 출구 및 전이 평면의 법선에 접한다. 이는 추가의 프랙탈 분기 스테이지의 추가와 같은 하위 설계를 단순화한다.
도 5의 실시예에서, 전이 평면은 프랙탈 유동 분배 시스템의 스테이지(j=4)의 출구에 위치 결정되지만, 그러나 평면은 원하는 경우 다른 스테이지 위치에 위치 결정될 수 있다. 낮은 j 값에 위치 결정시키면 유동을 재정렬하는데 필요한 연결 채널이 줄어들어, 각 채널이 고유한 기하학적 구조를 가지므로 모델링 노력이 감소된다. 그러나, 상위 스테이지 유닛이 하위 유닛보다 상대적으로 더 가까이 네스팅되어 있기 때문에, 전이 평면을 보다 낮은 j 값으로 위치 결정하면 채널 경로 사이의 간섭을 회피하기 위해 필요한 경사 평면 각도를 또한 증가시킬 수 있다. 또한, 이것은 후술되는 이유로 장치의 크기를 증가시킬 수도 있다.
경사 전이 평면과 수평 출구 평면 사이의 연결 채널을 터닝하면 유동 경로에서 축 비대칭이 도입될 수 있다. 이후에 분기 유닛으로 유입되는 유동에서 과도한 축 비대칭은 유동 분배의 하류 균일성을 양보할 수 있다. 유동 경로에서의 터닝에 의해 도입된 편차에 따른 균일한 축 대칭 유동으로의 회복은 전형적으로 관련 유체 채널의 길이 대 직경 비에 비례한다. 주어진 길이 대 직경 비에 대해, 연결 채널 길이는 더 큰 관련 직경으로 인해 j의 감소하는 값으로 전이 평면을 위치 결정할 때 증가할 것이다. 이것은 차례로 프랙탈 유동 스플리터 실시예의 크기를 증가시킬 것이다. 이와 같이, 장치 패키징 공간을 최소화하기 위해 전이 평면을 더 큰 값으로 위치 결정시키는 것이 바람직하다. 모델링 노력, 채널 경로 간섭 및 패키징 공간 사이의 절충에 균형을 맞추기 위해, 전이 평면은 스테이지(j=4)의 출구에 위치 결정되었다.
채널 경로의 대칭 레이아웃(도 5a에 따라)은 동등한 유동 조건을 달성하고, 설계 노력을 단순화하지만(단일 채널 경로에 대해서만 분석이 필요하기 때문임), 레이아웃은 또한 의도적으로 다른 유동 조건을 달성하기 위해 비대칭으로 구성될 수도 있다.
추가적으로, 원하는 적용 요건을 목표로 하기 위해 단일 및 이중 채널 경로 구성 모두에서 프랙탈 설계 실시예에 추가의 스테이지가 추가될 수 있다.
일단 설계되면, 유동 스플리터는 접촉점 이전에 2 개의 위상을 균등하게 분배할 것이라하는 것을 검증한다.
그 후, 이 장치의 제조 가능성이 검사된다. 제조 가능성이 충족되지 않으면, 채널 특성을 수정하는 것이 시스템의 유체 역학적 특성에 이상적이지 않을 것이므로, 유동 스플리터 파라미터가 조정된다.
테일러 유동 혼합 장치
본 발명의 유동 분배 시스템은 또한 테일러 유동 혼합 장치를 위한 유체 유동 분배 시스템으로서 사용될 수 있다. 본 출원의 일 실시예가 도 11 및 도 12에 도시되어 있다.
테일러 유동 레짐(regime)은 단일 채널에서 용이하게 개발되고 제어된다. 그러나, 복수의 채널이 사용될 때 유동의 상당한 정도의 잘못된 분배가 발생할 수 있다. 본 발명의 유동 분배 시스템은 각각의 출구 채널에 균일한 유동 특성을 제공하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 시스템의 유체 역학을 지배하는 동일한 기하학적 및 설계 파라미터를 각각의 출구 채널에 제공한다.
테일러 유동은 넓은 범위의 기체-액체/액체-액체 유량으로부터 얻어질 수 있으며, 이는 유연한 작동 조건을 추가로 제공한다. 둘째로, 액체-가스 계면의 넓은 표면적은 물질 전달을 향상시킨다. 테일러 유동은 마이크로 채널 내에서 가장 중요한 유동 레짐 중 하나이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 테일러 유동은 채널의 단면을 차지하고 슬러그(slugs)에 의해 분리되는 기포를 특징으로 한다. 박막은 반응기 벽의 표면으로부터 가스 기포를 분리시킨다. 액체 슬러그 내의 재순환으로 인해, 테일러 유동은 G-L/L-L 및 G/L-L-S 열 및 물질 전달(여기서, G=가스 및 L=액체)을 개선시킨다.
복수의 동시 테일러 유동 채널을 생성하는데 있어서의 주요 도전은 도 10에 도시된 바와 같이 모든 병렬 채널에서 균일한 유동을 생성할 수 있는 능력이다. 마이크로 스케일 장치로의 밀에서의 그러한 L-L, G-L 및 G-L-S 시스템에서의 불균일성은 이러한 동시 유동 구성에 해로울 수 있다.
본 발명의 테일러 유동 장치는 위에서 설명한 유동 분배 시스템을, 2 개의 유체 유동 스테이지를 균일하게 혼합하여 이러한 2 개의 유체를 포함하는 테일러 유동을 형성하는 특수한 목적으로 구축된 혼합기 스테이지와 결합시킨다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 테일러 유동 장치(300)는 위에서 설명한 유동 분배 시스템(200)이 후속 혼합 유닛(301)과 결합되어 2 개의 유동을 혼합하여 테일러 유동을 형성한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 2 개의 입구(315, 320)를 포함하는 입구 존(310)을 포함하는 테일러 유동 혼합 유닛(300)이 제공된다. 2 개의 입구(315, 320) 각각은 G-L 또는 L-L 또는 G-L-S인 유체를 수용한다. 각각의 유체(A & B)는 이 경우 각각의 주요 분배 채널이 도 11 및 도 12에서 2 개의 분할 스테이지에서 연속적으로 더 작은 채널(유체 A: 330, 335)로 점진적으로 스플리팅되는 별도의 유체 수송 프랙탈(322, 323)을 통해 분배 존(200)으로 유동된다. 이러한 스플리팅에 의해, 단위 면적당 채널의 개수가 유동 방향으로 더 커진다(즉, 증가된 셀 밀도). 바람직하게는, 분배 존 내의 순 단면적은 분배 채널 내의 유체의 평균 속도가 실질적으로 일정하게 유지되도록 실질적으로 일정하게 유지된다.
분배 존(200)은 바람직하게는 선택적 레이저 용융과 같은 적층 가공 공정으로 형성된다. 분배 존(200)은 바람직하게는 강철 합금, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이와 유사한 것과 같은 적합한 금속으로 구성된 복수의 관형 채널을 포함한다. 분배 존(200)의 이러한 적층 가공된 구조는 정확하고 안정적인 채널 벽 치수를 가능하게 한다.
분배 존(200)은 입구(315, 320)로부터의 유동을 스플리팅하여 혼합 존으로 피드되는 유체에 대해 총 16 개의 분배 채널을 생성한다. 유체(A)에 대한 16 개의 분배 채널 각각은 유체(B)에 대한 분배 채널과 쌍을 이루고, 유체 병합 섹션(365)에서 유체들이 서로 접촉하게 된다. 유동 병합 섹션(365)은 2 개의 분배 채널 사이의 교차점을 포함하며, 여기서 유체(A)에 대한 각각의 분배 채널은 유체(B)에 대한 분배 채널로 병합된다. 이러한 교차점은 도관 병합부를 포함하고, 여기서 유체(A)에 대한 분배 채널을 형성하는 제 1 도관은 선택된 각도 또는 입사부 또는 병합부에서 유체(B)에 대한 분배 채널을 형성하는 제 2 도관으로 병합된다. 그 입사각(α)은 0 내지 180 도, 바람직하게는 45 내지 90 도일 수 있다. 그러나 가장 일반적으로 사용되는 2 개의 각도(α)는 90 도 및 45 도이지만, 그러나 작업 유체의 점도 및 표면 장력에 따른 변형예가 있다. 채널의 입구 길이(L) 대 직경(D) 비는 특히 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 유동 병합 섹션(365) 이전의 채널에서 균일한 플러그 유동을 촉진하도록 제어된다.
병합 시 테일러 유동을 생성하기 위해, 병합 지점에서 각 분배 채널에서의 유동에 필요한 주요 파라미터는 0.001 내지 0.2 사이의 임의의 범위일 수 있는 모세관 값, 10 내지 1500의 레이놀즈 수, 및 미크론으로부터 2 내지 3 mm까지의 채널 크기인 것으로 밝혀졌다.
예시된 테일러 유동 혼합 장치(300)는 공간적으로 정렬되고 심지어 큰 셀 밀도로 네스팅되는 유동 분배 시스템으로부터의 유동 출구를 갖는 유동을 생성하여 균일하게 한다.
이러한 테일러 유동 혼합 장치(300)는 2 개의 비-혼화성 액체를 혼합하기 위한 액체-액체 추출(LLE)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 적용에 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
모놀리식 반응기
본 발명의 유동 분배 시스템(200)은 또한 모놀리식 반응기(400)를 위한 유체 유동 분배 시스템으로서 사용될 수도 있다. 이러한 적용의 일 실시예는 도 13에 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 2 개의 입구(415, 420)를 포함하는 입구 존(410)을 포함하는 반응기(400)가 제공된다. 2 개의 입구(450, 420) 각각은 반응물(예를 들어 메탄 또는 산소)을 수용한다. 각각의 반응물(A & B)은 이 경우 각각의 유체 수송 프랙탈(422 및 423)의 주 분배 채널이 연속적으로 더 작은 채널로 점진적으로 스플리팅되는(반응물 A: 430, 435, 440, 445) 개별 유체 수송 프랙탈(422 및 423)을 통해 반응기(400)의 분배 존(416)으로 유동한다. 이러한 스플리팅에 의해, 유닛 면적당 채널의 개수가 유동 방향으로 더 커진다(즉, 증가되는 셀 밀도). 예시된 실시예에서, 분배 존 1(422)에는 3 개의 스플리팅 스테이지가 있다. 바람직하게는, 분배 존(418)에서 순 단면적은 분배 채널 내에서 반응물의 평균 속도가 실질적으로 일정하게 유지되도록 실질적으로 일정하게 유지된다.
분배 존 1(422)은 바람직하게는 강철 합금과 같은 적합한 금속으로 구성된 복수의 관형 채널을 포함한다. 분배 존 1(422)은 전형적으로 세라믹 기반 재료로 제조된 모놀리식 구조인 분배 존 2(432)과 인터페이싱한다. 분배 존 2는 분배 존 1(422)로부터 4 개의 분배 채널을 추가로 스플리팅하여, 혼합 존(452) 내로 피드되는 반응물에 대한 총 8 개의 분배 채널을 생성한다.
분배 존 2의 모놀리식 구조는 정확하고 안정적인 채널 벽 치수를 가능하게 한다. 채널의 길이(L) 대 반경(R) 비는 특히 혼합 채널(460)과 직접 통신하는 채널에서 균일한 플러그 유동을 촉진하도록 제어된다.
반응물(A)에 대한 8 개의 분배 채널 각각은 반응물(B)에 대한 분배 채널과 쌍을 이루어, 혼합 존(452)의 시작에서 반응물들은 서로 접촉하게 된다. 혼합 존(452)은 반응물의 반경 방향 혼합을 촉진하여 이에 따라 높은 혼합 효율을 촉진하는 다수의 배플(470)을 갖는다.
각각의 혼합 채널(460)로부터의 혼합된 반응물은 이 경우 2 개의 반응 채널(480)을 포함하는 반응기 존(472) 내로 전환되고, 혼합된 반응물의 분산계를 제한하는 채널 직경의 감소에 의해, 이에 따라 반응 채널(480) 내에서 일정한 유동 속도 프로파일을 촉진시킨다. 혼합된 반응물은 반응 채널(480)의 내벽 내로 함침되어 생성물(예를 들어, CO2, H2 및/또는 H20)을 생성하여 반응하지 않은 반응물과 함께 반응기(400)를 빠져나가는 촉매(예를 들어, 개질 촉매)와 접촉하게 된다.
오염된 물의 오일 함량에 대한 온라인 모니터링
다른 적용은 오염된 물(예를 들어, 생성된 물)의 오일 함량을 온라인으로 모니터링하기 위한 시스템에서 본 발명의 유동 분배 시스템을 사용하는 것이다. 보다 구체적으로, 단순 분산 상태 또는 복잡한 에멀젼 상태의 오일을 갖는 수중유(oil in water) 샘플은 본 발명의 유동 분배 시스템으로 이송되어 이를 통해 처리될 수 있고, 여기서 유기 오일 성분은 테일러 유동 장치와 관련하여 상기 설명된 바와 같이 액체-액체 추출(LLE)을 사용하여 유기 용매로 추출될 것이다. 추출 공정은 비색계, 적외선 또는 형광법일 수 있지만 그러나 이에 한정되지 않는 상이한 작동 원리에 기초하는 상이한 수중유 검출기에 의해 오일 농도를 결정하는 단계에 의해 따른다.
예들
예 1 - 유동 분배 시스템의 파라미터 연구
1.1 소개
다수의 하류 공정 또는 반응기에 동시에 피드하기 위한 유체 유동의 균등한 스플리팅 및 분배는 많은 화학 공학 공정 설계에서 해결해야 할 주요 과제이다. 유체 유동 분배 시스템은 단일 유동 스트림을 64 개의 서브 스트림으로 균등하게 세분하고, 분할된 유동을 규칙적으로 이격된 노즐의 매트릭스로 하류로 전달하는 것을 목표로 개발되었다.
유체 유동 분배 시스템 설계는 채널의 연속한 분기 및 유체 유동의 분할을 기초로 한다. 많은 개수의 채널 분기가 직렬로 연결되어, 이들은 표 1에 표시된 방식에 따라 유동을 스플리팅한다.
표 1: 이전 스테이지로부터 유동 스트림을 스플리팅함으로써 생성되는 분할된 유동 스트림의 개수.
Figure 112019119390940-pct00029
본 연구의 주요 목적은 이러한 유동 스플리팅 접근법이 만족스러운 유동 분배를 생성할 수 있는 범위를 확립하는 것이다. 고려되는 파라미터는 다음을 포함한다:
1. 유동 레이놀즈 수(Re);
2. 상류 및 하류 분기 사이의 간격, 즉 전이 채널 길이(L); 및
3. 채널 벽 표면 거칠기(h).
1.2 기하학적 설계
이 연구에서 고려된 유체 유동 분배 시스템은 20 mm 직경 채널 스테이지 1 입구 채널로부터 가스/액체 유동을 균등하게 스플리팅하여 이를 직경이 각각 2.5 mm인 하류 64 개의 개별 노즐로 피드하도록 설계되었다(스테이지 6 출구 채널 직경). 피드 채널 단면적, 즉 314 ㎟는 유체 유동 분배 시스템의 출구에서 보존된다는 점, 즉 64 x 4.91 ㎟ = 314 ㎟라는 점에 유의하도록 한다. 이는 분기 동안 국부적인 유동 가속을 최소화하여, 이에 따라 유체 유동 분배 시스템 전체에 걸쳐 안정적인 유동 속도를 유지하는 것을 돕는다. 유체 유동 분배 시스템의 기하학적 구조는 도 6에 도시되어 있다.
본 유체 유동 분배 시스템의 설계에서 주요 고려 사항은 피더로서 작용하기 위해 혼합기 적용에서 제 2 유닛과 결합할 수 있는 능력이다. 이러한 작동에서, 2 개의 개별 유동 스트림이 규칙적으로 이격된 노즐의 2 개의 인터리빙된 매트릭스를 통해 스플리팅되어 배출된다. 유체 유동 분배 시스템은 각각의 개별 노즐이 다른 유체 종을 공급하는 그의 혼합 파트너 바로 옆에 위치되도록 배치된다. 이는 도 5에 도시되어 있다. 이것은 채널 분기의 위치 및 배향에 대한 엄격한 요구 사항을 제시하여, 2 개의 유닛이 함께 '네스팅될' 수 있다. 이는 또한 유닛에서의 최대 스플리팅된 스테이지의 개수를 제한했다.
1.3 테스트 프로그램
본 연구는 유동 스플리팅에 대한 다음의 파라미터의 효과를 고려한다:
1. 유동 레이놀즈 수(Re);
2. 전이 채널 길이(LT), 즉 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 각각의 분기들 사이의 길이; 및
3. 채널 벽 표면 거칠기(h).
테스트된 파라미터 범위는 표 2에 요약되어 있다.
표 2: 본 연구에서 테스트된 파라미터 범위.
Figure 112019119390940-pct00030
모든 출구 채널들 사이의 유체 유동 분배의 균일성은 노즐 질량 유량의 확산, 즉 분산(σ2)에 의해 정량화된다. 상이한 유량 경우에 걸친 비교를 용이하게 하기 위해, σ2는 주어진 경우에 대한 평균 질량 유량(μ)의 제곱에 의해 정규화된다.
예비 시뮬레이션에 따르면, 도 1에 도시된 유체 유동 분배 시스템 기하학적 구조가 최적의 유동 스플리팅 미만으로 생성되었다는 것이 발견되었다. 실제로, 분기 사이에 직선 채널 섹션을 추가함으로써 전이 길이(LT)를 증가시킴으로써 더 양호한 스플리팅이 달성되었다. 따라서 본 연구는 기준 사례로서 LT/Di = 10을 사용할 것이다. Di는 주어진 스테이지(i)에 대한 채널 직경을 지칭한다. 채널 직경은 장치를 따라 일정한 총 단면적을 유지하기 위해 스테이지에 따라 감소한다는 점에 유의하도록 한다.
1.4 모델링 접근법
ANSYS CFX-15.0을 사용하여 유체 유동 분배 시스템에 대해 유체 역학 계산이 수행되었다. 유체 유동 분배 시스템 기하학적 구조의 도메인 이산화는 0.1 mm의 균일한 벽 셀 두께를 기초로 하였다. 이는 벽의 로그-법칙의 선형 구역 내에 속하는 < 10의 y+ 값을 생성하였다. Re ≥ 10000의 경우, 난류는 스트림라인 곡률에 대해 보정하는 k-ε 난류 모델을 사용하여 해결되었다. Re = 300에서, 층류 레짐이 가정되었다.
단일 유체 시뮬레이션에서, 500 ℃, 10 bar에서의 산소가 작업 매체로서 사용되었다. 이는 전형적인 메탄올 합성 반응기에서 예상되는 작동 조건을 반영하기 위해 선택되었다. 열 전달 및 압축 효과는 고려되지 않았는데, 즉, 유동은 등온인 것으로 모델링되었다.
입구에서의 질량 유량(
Figure 112019119390940-pct00031
)은 런에 대해 설정된 레이놀즈 수로부터 계산되었다:
Figure 112019119390940-pct00032
여기서 μ는 작업 유체의 동적 점도이며; D는 본 연구에서 20 mm인 입구 채널의 직경이다.
도 2, 도 7 및 도 8을 참조하면, 각각의 런(run)에 대한 설계 파라미터는 아래의 표(표 3)에 요약되어 있다:
표 3: 유동 분배 시스템 설계 변형예들에 대한 설계 파라미터
Figure 112019119390940-pct00033
1.5 결과
파라미터 연구의 전체 결과는 표 4에 제공된다:
표 4: 유동 분배 시스템 설계 변형예들에 대한 파라미터 연구
Figure 112019119390940-pct00034
1.6 레이놀즈 수 효과
레이놀즈 수는 채널 내부의 유동을 연구할 때 가장 널리 사용되는 동적 유사성 파라미터 중 하나이다. Re = 2100 [1]은 그 미만에서의 유동이 층류가 되는 임계값인 것으로 일반적으로 인정된다. 제어된 실험에서 주변 방해를 최소화함으로써 층류 난류 전이가 Re = 100,000까지 지연될 수 있다. 그러나 일상적인 작동 중에는 유체 유동 분배 시스템 내부에서 발생하지 않을 수 있다.
테스트된 3 개의 레이놀즈 수에 대한 관련된 압력 강하뿐만 아니라 정규화된 질량 유동 분산이 표 4에 도시되어 있다. 유동 속도가 낮고 따라서 Re가 낮으면(즉, Re = 1500의 경우), 유체 유동 분배 시스템은 모든 노즐에 걸쳐 유동을 균등하게 분배한다. 정규화된 분산은 5.03E-5이며, 이는 표준 편차는 0.71 %를 의미한다. 유동의 분배가 정규 분포를 따른다고 가정하면, 질량이 노즐의 95 %를 통해 유동하고 그 후 평균값으로부터 ±1.42 % 내에 있게 된다. 더 낮은 레이놀즈 수에서, 채널 내부의 유동 속도는 0.44 m s-1보다 훨씬 아래로 떨어질 수 있다는 점에 주목할 가치가 있다. 유체 유동 분배 시스템은 이 경우 유동 역전을 잠재적으로 야기할 수 있는 하류 압력 변동에 취약하게 될 수 있다. 따라서 레이놀즈 수가 낮은 유체 유동 분배 시스템의 작동은 권장되지 않는다.
유동이 난류 레짐으로 이동함에 따라 정규화된 분산은 3.51E-6으로 감소되었다(즉, Re = 10000 경우). 유동 속도가 10 배 더 증가하면(즉, Re = 100000 경우) 정규화된 분산이 급격히 상승하여, 이는 불균일한 유동 분배를 향한 경향을 나타낸다. 이것은 주로 빠른 유동이 만곡된 채널 섹션을 통해 이동할 때 설정되는 강력한 2 차 운동으로 인해 발생한다.
관련된 압력 강하는 1500 < Re <10000 내에서 적당히 증가하고, Re가 100000에 접근함에 따라 급격히 상승한다.
표 5: 유동 분배 및 압력 강하에 대한 레이놀즈 수의 영향
Figure 112019119390940-pct00035
1.7 전이 길이의 영향
Re = 10000에서, 모든 채널 분기의 하류에 짧은 직선 채널 섹션을 추가하면 표 6에 도시된 바와 같이 노즐 유동 분배의 균일성이 상당히 개선되었다. LT/D = 0 경우와 비교하여, LT/D = 10 경우에 대한 정규화된 분산은 더 많은 압력 강하를 희생시키면서 정규화된 분산을 거의 100 배 감소시켰다. 전이 채널 길이를 추가로 증가시키면 유동 분배가 개선되지 않고 더 많은 압력 강하가 발생한다.
이들 경우들에 대한 예측된 가스 스트림라인이 도 14에 도시되어 있다. 분기 외부에서, 유동 속도는 대부분 모든 경우들에 대해 2.2 m s-2에 가깝게 유지된다. 이것은 그들의 길이를 따른 단면적의 보존에 직접적으로 기인한다.
표 6: 유동 분배 및 압력 강하에 대한 전이 길이의 영향
Figure 112019119390940-pct00036
1.8 표면 거칠기의 영향
Re = 10000 및 LT/D = 10에서, 표면 거칠기가 20 μm로 약간 증가하면 균일한 유동 분배에 약한 영향을 미친다(표 7). 정규화된 분산 및 압력 강하 모두에서의 변화의 크기는 미미하거나 또는 무시할 수 있다. 표면 거칠기를 50 μm로 증가시키면 덜 균일한 유동 분배 및 더 높은 압력 강하를 생성하였다. 선택적 레이저 용융(SLM) 기술에 의해 구축된 오브젝트에서의 표면 거칠기는 전형적으로 20 μm 내지 30 μm 이내이다.
표 7: 유동 분배 및 압력 강하에 대한 표면 거칠기의 영향
Figure 112019119390940-pct00037
표면 거칠기는 더 높은 값에서 표면적에 긍정적인 영향을 미치지만, 해로운 인자로 간주되지는 않는다. 표면 거칠기는 유동 분배 시스템이 적층 가공에 의해 형성될 때 본질적으로 존재하기 때문에 압력 강하에 대한 설계 고려에서 고려되어야 할 파라미터이다.
1.9 결론
상기 결과는 다음의 주요 독립적인 파라미터가 유동 분배 시스템을 통한 유체 등분포를 지배한다는 것을 나타냈다.
· 레이놀즈 수는 더 낮은 값으로 제한되는 것으로 보이지 않지만, 그러나 1000보다 큰 것이 바람직하다. 상한은 > 100,000이다;
· 전이 길이(LT/D) 비는 적어도 5, 바람직하게는 적어도 10의 최적 값을 갖는다.
· 표면 거칠기는 높은 값에 긍정적인 영향을 미치지만, 해로운 인자인 것으로 보이지는 않는다. 표면 거칠기는 3D 프린팅을 사용하여 유동 분배 시스템을 제조함으로써 형성된 고유의 표면 거칠기로 인해 유동 분배 시스템의 설계에 고려될 필요가 있는 파라미터인 것으로 고려된다.
예 2: 테일러 유동 혼합 장치 - 액체-액체 추출 실험:
액체-액체 추출(LLE)은 2 개의 비-혼화성 액체에서의 그들의 상대 용해도의 차이에 기초하여 화합물을 분리한다. 종래의 공정은 2 개의 액체 상의 혼합, 분산된 상의 액적 또는 필름을 유지한 후, 후속적으로 2 개의 상을 서로 분리시키는 것을 포함한다. 이러한 분리를 수행하는데 가장 일반적으로 사용되는 장치는 혼합기 세틀러(mixer-settler)이다. 이 장치는 주로 2 개의 상을 혼합한 다음, 중력을 사용하여 2 개의 층의 유체를 분리한다. "모세관 채널의 테일러 유동"은 계면 접촉 면적을 최대화하고 불균일성을 감소시킴으로써 시스템의 성능 특성을 향상시키는데 사용될 수 있다.
오일 및 가스 탐사 산업을 위한 탄화수소의 온보드 분석에 적용되는 액체-액체 추출(LLE)의 일 예는 원하는 대로 스케일 업 또는 스케일 아웃될 수 있는 연속 LLE 시스템의 이점을 입증한다. 해수로부터 탄화수소를 온보드로 분석할 때 발생하는 주요한 이슈 중 하나는 비용 및 (시간이 많이 걸리고, 다량의 용매를 사용하며), 샘플 준비/추출과 관련된 위험이다. 전형적으로, 해수 샘플은 습식 화학 기술을 사용하여 유기 용매로 추출된다. 이러한 절차는 시간이 많이 걸리며, 종종 많은 양의 용매가 필요하다. 이상적으로는 새로운 장치를 사용하여 이 프로세스가 자동화되고, 이에 따라 선박에 탑승하는 과학 스태프의 귀중한 시간을 절약할 수 있을 것이다. 이는 특히 실험실 및 객실 공간이 제한되므로, 따라서 선박 내에서 과학 요원의 크로스-스킬링(cross-skilling)이 필요하며 각 작업을 완료하는데 이용 가능한 시간이 감소되는 소형 선박에 해당된다. 추가적으로, 액체-액체 추출을 수행하는데 사용되는 용매의 체적의 임의의 감소는 "녹색" 화학의 개념과 일치한다 - 이는 많은 석유 및 가스 회사 및 분석 실험실이 선호하는 방식으로, 작업의 환경 영향을 감소시킨다.
단일 채널 실험:
모세관 채널에서 테일러 유동을 특성화하기 위해, 유동 레짐 및 결과적으로 물질 전달 현상을 지배하는 다양한 기하학적 및 유체 역학적 파라미터의 효과를 이해하는 것이 중요하다. 따라서, 테일러 유동의 존재 및 물로부터 유기 상(n-헥산)으로의 1-나프탈렌의 추출에 대한 물질 전달 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 일련의 실험이 수행되었다. 블렌드 각도(표 8)의 효과는 2 개의 가장 바람직한 각도, 즉 90 및 45에 대해 연구되었고, 테일러 유동의 존재는 모든 블렌드 각도에 대해 연구되었다.
실험 방법론:
표 8: 실험 파라미터
Figure 112019119390940-pct00038
도 15a는 또한 아래에 상세히 설명된 실험에 사용된 다양한 단일 채널 구성을 도시한다.
실험 1 (90 도):
본 실험의 목적은 물질 전달 성능의 재현 가능성을 체크하는 것이었다.
· 분석물: Milli-Q 물 내의 나프탈렌.
· 용매: n-헥산.
· 유량: 1 ml/분.
· 분석물이 에펜도르프 채널트(Eppendorf channeltte)를 사용하여 각 5 분 증분 후에 GC 바이알에 수집되고 GC-MS에서 분석되었다
실험 2 (90 도):
물질 전달 효율의 평형 값을 체크하기 위해 2 개의 액체를 재순환시킴으로써 단일 채널 장치의 추출 효율을 테스트한다.
· 분석물: Milli-Q 물 내의 나프탈렌.
· 용매: n-헥산.
· 유량: 1 ml/분.
· 나머지 시약은 각각 20 ml 체적이 모두 통과할 때까지 장치를 통과한다.
· 깔때기에서 분리되고, 시스템으로부터 1ml 씩 제거된다.
· 시약은 총 4 사이클 동안 재순환되었다.
· 추출된 나프탈렌의 양을 확인하기 위해 GC-MS를 통해 n-헥산이 통과된다.
실험 3 (45도):
45도 단일 채널 장치를 사용하는 실험 1의 반복. 4 x 5 분 증분으로 테스트되었다.
실험 4 (45도):
실험 2의 반복 - 2 개의 액체를 4 회 재순환시킴으로써 45 도 단일 채널 장치의 추출 효율을 테스트한다.
실험 5:
쉐이크 아웃: 단일 채널 장치의 추출 효율과 비교로서 작용하기 위해 액체-액체 추출을 위한 종래의 쉐이크 아웃 방법의 추출 효율을 테스트한다.
· 분석물: 나프탈렌을 함유하는 20 ml Milli-Q 물
· 용매: 20 ml n-헥산.
· 측정된 양의 물 및 헥산이 분리 깔때기로 전달된다.
· 2 분동안 쉐이킹한다. 정착하도록 허용된다.
· 1 ml 헥산이 GC 바이알로 회수된다.
· 분리 깔때기의 내용물을 2 분 동안 다시 쉐이킹한다.
· 다른 1 ml 분취량이 회수된다.
· 4 번의 쉐이크 아웃이 완료될 때까지 프로세스가 반복되었다. 샘플들은 GC-MS에서 실행된다.
실험 6 (45도):
재순환 실험은 45도 단일 채널 장치를 통한 더 높은 유량을 사용하여 수행된다.
· 분석물: Milli-Q 물 내의 나프탈렌.
· 용매: n- 헥산.
· 유량: 2 ml/분.
· 나머지 시약은 각각 20 ml 체적이 모두 통과할 때까지 장치를 통과한다.
· 분리 깔때기에서 분리된다.
· 각각 1 ml 씩 시스템으로부터 제거된다.
· 시약이 재순환된다. 총 8 사이클이 실행된다.
· 재순환 후, 물에 남아있는 임의의 나프탈렌을 추출하기 위해 2 분의 쉐이크 아웃이 수행되었다. 헥산이 제거되었다(샘플로서 1 ml가 취해진다). 새로운 헥산이 도입되고, 쉐이크 아웃이 반복되어, 샘플로서 1 ml가 수집되었다. 추출된 나프탈렌의 양을 확인하기 위해 모든 샘플은 GC-MS를 통해 수행되었다.
실험 7 (45도):
일련의 재순환 실험이 45도 단일 채널 장치를 통한 더 높은 유량을 사용하여 수행된다.
· 분석물: Milli-Q 물 내의 나프탈렌.
· 용매: n- 헥산.
· 유량 : 5 ml/min.
· 나머지 시약은 각각 20 ml 체적이 모두 통과할 때까지 장치를 통과한다.
· 분리 깔때기에서 분리된다. 시스템으로부터 각각 1 ml가 제거되었다.
· 시약이 재순환되었다. 총 8 사이클이 실행된다.
· 재순환 후, 실험 8에서와 같이 1 x 2 분 쉐이크 아웃이 수행되었다. 추출된 나프탈렌의 양을 확인하기 위해 모든 샘플이 GC-MS를 통해 수행되었다.
결과:
실험으로부터, 표준 쉐이크 아웃 방법이 약 30 %의 추출 효율(최종 용매 중의 나프탈렌의 양 대 분석물의 원래 양의 비로서 정의됨)을 제공하였고, 유량을 최적화한 후 45 도 각도 채널은 실험 오차 내에서 거의 100 % 추출 효율을 제공했다는 것을 알 수 있었다. 또한 도 15b 및 도 15c로부터, 테일러 유동이 45 도 채널에 대한 최적의 파라미터를 갖는 다양한 슬러그 및 기포 직경을 갖는 모든 채널에 존재한다는 것을 확인하였다. 도 16은 다양한 유량 및 시간에 대한 추출 효율을 보여준다.
예 3: 실험적 검증
CFD 모델을 검증하고 도 17에 도시된 바와 같이 유동 분배 장치(500)를 사용하여 달성될 수 있는 유동의 등분포를 체크하기 위해 두 세트의 실험이 수행되었다. 제 1 세트의 실험에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 목표는 도 17에 도시된 구성을 갖는(그리고 위에서 상세하게 설명한 바와 같이) 다중 채널 유동 분배 장치(500)의 각 채널로부터의 유량을 측정하는 것이었다. 물은 물 공급 호스 및 원심 펌프 배열체를 통해 20 L 버킷으로부터 장치로 전달되었다. 총 체적 유량을 측정하기 위해 로타미터(rotameter)를 사용하였다. 각각의 16 개의 채널로부터의 출구 유량은 체적 플라스크를 충전하는데 걸린 시간을 타이밍으로 측정하였다. 2 L/분 및 출구로 설정된 유량을 100 ml 체적 플라스크에 수집하였다.
계산된 체적 유량 및 속도는 도 19 및 도 20에 도시되어 있다. 표 9는 이 실험에서 테스트된 모든 16 개의 출구에 대한 정량적 데이터를 제공한다. 표준 편차의 계산된 값은 6.7 %이었고, R-제곱은 0.92이었으며, 유동이 약간의 분산을 제공하는 2 개의 채널만을 가지고 매우 균일한 것으로 나타났다.
표 9 - 체적 플라스크 방법을 통한 유동 균일성에 대한 정량적 데이터
Figure 112019119390940-pct00039
CFD 모델을 검증하기 위해 입자 이미지 속도 측정법(PIV)을 사용하여 제 2 검증 실험 실행을 수행하였다. 실험 설정(520)의 개략도가 도 19에 도시되어 있다. 실험의 기본 설정은 먼저 테스트 장치를 침지된 물 탱크 내로 배치하고 이를 펌프를 통해 저장소에 연결하여 물을 재순환시키는 것을 포함한다. 그 후, 시딩(seeding) 입자가 물에 도입되어, 레이저에 노출될 때 점등된다. 알려진 시간 간격으로 레이저 빔이 도입되고, 이미지가 포착된다. 이미지를 처리할 때, 소위 "시야"에서 속도 필드/벡터가 계산되고, 유체 역학 레짐과 다시 상관될 수 있다. 표 9는 선택된 시야가 침지된 탱크에서 장치에 의해 생성된 속도 프로파일을 포착하기에 너무 짧거나 또는 너무 길지 않도록 보장하기 위해 테스트된 실험 조건의 목록 및 해당 시야 및 체류 시간을 제공한다.
표 91 - 결과
Figure 112019119390940-pct00040
CFD 모델을 검증하기 위해, 주어진 유량을 사용하는 침지 탱크를 사용하여 동일한 실험 설정을 모델링하였다. PIV 및 CFD 데이터의 결과적인 속도 윤곽이 도 20에 도시되어 있다. CFD 모델은 매우 높은 정확도(± 5 % 에러 이내)로 검증되었으므로 따라서 CFD로부터의 결과는 설계 성능 평가를 위해 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
당업자는 본 명세서에 기술된 본 발명이 구체적으로 기술된 것들 이외의 변형 및 수정에 영향을 받기 쉽다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 그러한 모든 변형 및 수정을 포함하는 것으로 이해된다.
용어 "포함하다("comprise", "comprises", "comprised" 또는 "comprising")"가 본 명세서(청구범위 포함)에서 사용되는 경우, 이들은 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 특정하는 것으로 해석되어야 하고, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성 요소 또는 이들의 그룹의 존재를 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (65)

  1. 적어도 2 개의 개별 유체의 유동을 분배하고 분할하기 위한 유동 분배 시스템으로서,
    상기 분배 시스템은
    적어도 제 1 유체 수송 프랙탈(fractal) 및 제 2 유체 수송 프랙탈을 포함하는 적어도 2 개의 유체 수송 프랙탈의 3 차원 네스팅된(nested) 구조 - 각각의 유체 수송 프랙탈은 복수의 유체 출구로 분기되는 각각의 유체 입구를 가지며, 각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈에서의 유동과 독립적으로 통과 유동을 용이하게 하도록 구성되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 입구와 복수의 유체 출구 사이에서 중심 축을 따라 그리고 상기 중심 축을 중심으로 연장됨 - 를 포함하고,
    각각의 유체 수송 프랙탈은 선택된 개수의 스테이지로 조립된 일련의 반복적(recursive) 분기 유닛을 포함하고, 각각의 분기 유닛은 2 개의 후속 분기 유닛에 유체 연결되는 Y 형상의 분기된 요소를 포함하고, 각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 60 도 내지 120 도의 각도만큼 상기 중심 축에 대해 회전되고;
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 다른 유체 수송 프랙탈과 인터와인딩되어 있고(intertwined);
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 중심 축을 중심으로 상기 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋되어 위치 결정되고, 상기 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 상기 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고,
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 측 방향으로 경사지고 상기 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 하는(centered), 유동 분배 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 유체 수송 프랙탈의 상기 유동 축은 상기 중심 축으로부터 오프셋되어 이격되는 것인, 유동 분배 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 유체 수송 프랙탈의 상기 유동 축은 상기 중심 축을 중심으로 측 방향으로 그리고 종 방향으로 이격되는 것인, 유동 분배 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중심 축으로부터 각각의 유체 수송 프랙탈의 상기 유동 축의 측 방향 오프셋(
    Figure 112019119390940-pct00041
    )은
    Figure 112019119390940-pct00042
    이고,
    여기서 Sj는 분기 유닛 간격인 것인, 유동 분배 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 중심 축으로부터 각각의 유체 수송 프랙탈의 상기 유동 축의 종 방향 오프셋(
    Figure 112021032036629-pct00043
    )은
    Figure 112021032036629-pct00044
    이고,
    여기서 Sj는 분기 유닛 간격인 것인, 유동 분배 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 중심 축으로부터 4 내지 10 도 측 방향으로 경사지고 상기 중심 축으로부터 4 내지 10 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 하는 것인, 유동 분배 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각각의 유체 수송 프랙탈의 해당 경사 및 오프셋은 상기 중심 축을 중심으로 미러링되는(mirrored) 것인, 유동 분배 시스템.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 유체 출구는 상기 중심 축에 대해 배향된 출구 평면에 위치되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 각각의 수송 프랙탈의 유동 경로를 상기 출구 평면 내로 지향시키고 재정렬하도록 구성되는 전이 도관을 포함하는 것인, 유동 분배 시스템.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    채널 경로의 레이아웃은 각각의 개별의 유체 수송 프랙탈의 상기 중심 축 및 유동 축에 대해 대칭인 것인, 유동 분배 시스템.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 후속 분기 유닛은 상기 이전 스테이지에 대해 70 내지 110 도 상기 중심 축에 대해 회전되는 것인, 유동 분배 시스템.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 출구는 정사각형 종횡비로 배치되는 것인, 유동 분배 시스템.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 분배 시스템의 상기 스테이지의 각각을 통해 유동 면적 전달비가 1인 것인, 유동 분배 시스템.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    레이놀즈 수가 < 100,000인 것인, 유동 분배 시스템.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 출구는 ㎡ 당 10000 내지 15000 개의 출구를 갖는 분포 밀도를 갖는 것인, 유동 분배 시스템.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 50의 다운턴 비(downturn ratio)를 갖는 것인, 유동 분배 시스템.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 분배 시스템을 통한 상기 유동은 균일한 것인, 유동 분배 시스템.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 Y 형상의 분기된 요소는 입구와 출구 사이에 만곡된 유체 유동 경로를 제공하는 2 개의 출구 채널 및 입구 채널을 포함하는 것인, 유동 분배 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 만곡된 유동 경로는 예각 아크(arc)를 포함하는 것인, 유동 분배 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서,
    각각의 분기된 요소의 상기 2 개의 만곡된 유동 경로는 아치를 형성하고, 그 입구가 상기 아치의 피크에 위치하는 것인, 유동 분배 시스템.
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    2 개의 유체 연결되고 인접하는 분기 유닛이 H 형상의 프랙탈 유닛을 형성하는 것인, 유동 분배 시스템.
  21. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 분기 유닛은 30 내지 60 도의 분기각(θj)을 갖는 것인, 유동 분배 시스템.
  22. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 유체 수송 프랙탈의 표면은 상기 중심 축에 대해 수직으로 위치 결정된 수평면으로부터 ≥ 30 °의 표면 경사각을 갖는 것인, 유동 분배 시스템.
  23. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    스테이지(j+1)에 대한 입구 직경은 분기 스테이지(j)의 출구 직경과 동일하고, 여기서 j는 분기 스테이지 지수인 것인, 유동 분배 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    점진적인 유동 경로 전이를 제공하고 이에 의해 감소된 마찰 유체 압력 손실을 제공하기 위해, 상기 직경은 각각의 분기 스테이지 사이에서 선형으로 변하는 것인, 유동 분배 시스템.
  25. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 유체 수송 프랙탈에서 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이의 도관의 전이 길이의 L/D 비는 적어도 5이고, 여기서 L은 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 각각의 분기들 사이의 길이이고, D는 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이에서 연장되는 해당 도관의 평균 외부 직경인 것인, 유동 분배 시스템.
  26. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    분기 유닛 간격(Sj)(각 분기 유닛의 입구 및 출구 직경의 중심들 사이의 수직 투영 길이)은 홀수와 짝수 스테이지 지수 간에 전이될 때 보존되고, 짝수와 홀수 스테이지 간에 전이될 때 절반으로 되는 것인, 유동 분배 시스템.
  27. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 수송 프랙탈로부터의 적어도 하나의 유체 출구가 상기 제 2 유체 수송 프랙탈의 적어도 하나의 유체 출구로부터의 유체와 혼합되는 혼합기(mixer)를 더 포함하는 것인, 유동 분배 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 수송 프랙탈로부터의 유체 출구로부터의 유체는 상기 제 2 유체 수송 프랙탈의 상기 인접한 유체 출구로부터의 유체와 혼합되는 것인, 유동 분배 시스템.
  29. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적층 가공(additively manufactured) 제품을 포함하는 것인, 유동 분배 시스템.
  30. 적어도 2 개의 개별 유동 스트림을 분할하는 방법으로서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 상기 유동 분배 시스템의 상기 제 1 유체 수송 프랙탈 및 제 2 유체 수송 프랙탈로 2 개의 개별 유동 스트림을 피드하는(feeding) 단계;
    이에 의해 상기 유체 수송 프랙탈 각각의 상기 유체 출구 각각으로부터 복수의 출구 유동을 생성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  31. 3 차원 네스팅된 구조를 포함하는, 적어도 2 개의 개별 유체의 유동을 분배하고 분할하기 위한 유동 분배 시스템을 설계하는 방법으로서,
    상기 방법은
    유동 분배 시스템 스테이지의 개수를 결정하는 단계;
    선택된 유동 스플릿(split) 스테이지로 조립되도록 2 개의 후속 분기 유닛에 유체 연결되는 Y 형상의 분기된 요소를 포함하는 반복적 분기 유닛을 선택하는 단계; 및
    각각의 후속 분기 유닛을 선택된 개수의 유동 분배 시스템 스테이지를 갖는 2 개의 유체 수송 프랙탈로 조립하는 단계
    를 포함하고,
    각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 입구와 복수의 유체 출구 사이에서 중심 축을 따라 그리고 중심 축을 중심으로 연장되어,
    각각의 후속 분기 유닛은 이전 스테이지에 대해 60 내지 120 도의 각도만큼 상기 중심 축에 대해 회전되도록 배향되고, 각각의 유체 수송 프랙탈은 다른 유체 수송 프랙탈에서의 유동과 독립적으로 통과 유동을 용이하게 하도록 구성되고;
    각각의 유체 수송 프랙탈은 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 상기 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고;
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 다른 유체 수송 프랙탈과 인터와인딩되어 있고;
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 중심 축을 중심으로 상기 다른 유체 수송 프랙탈로부터 오프셋되어 위치 결정되고, 상기 유체 수송 프랙탈 중 하나로부터의 각각의 유체 출구가 상기 다른 유체 수송 프랙탈의 유체 출구에 인접하여 위치되도록 배치되고,
    각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 측 방향으로 경사지고 상기 중심 축으로부터 0 도 초과 내지 20 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 하는, 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서, 각각의 유체 수송 프랙탈의 상기 유동 축은 상기 중심 축으로부터 오프셋되어 이격되는 것인, 방법.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서, 각각의 유체 수송 프랙탈은 상기 중심 축으로부터 4 내지 10 도 측 방향으로 경사지고 상기 중심 축으로부터 4 내지 10 도 종 방향으로 경사지는 유동 축을 중심으로 하는 것인, 방법.
  34. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    각각의 후속 분기 유닛은 상기 이전 스테이지에 대해 70 내지 110 도 상기 중심 축에 대해 회전되는 것인, 방법.
  35. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 유체 출구들을 정사각형 종횡비로 배치하는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.
  36. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 선택하는 단계에서, 각각의 Y 형상의 분기된 요소는 입구와 출구 사이에 만곡된 유체 유동 경로를 제공하는 2 개의 출구 채널 및 입구 채널을 포함하는 것인, 방법.
  37. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서, 상기 선택된 분기 유닛은 H 형상의 프랙탈 유닛을 형성하도록 조립되는 것인, 방법.
  38. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서, 각각의 분기 유닛은 30 내지 60 도의 분기각을 갖는 것인, 방법.
  39. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서, 각각의 유체 수송 프랙탈의 표면은 상기 중심 축에 대해 수직으로 위치 결정된 수평면으로부터 ≥ 30 도의 경사각으로 설계되는 것인, 방법.
  40. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 조립하는 단계에서, 각각의 유체 수송 프랙탈에서 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이의 도관의 전이 길이의 L/D 비는 적어도 5이고, 여기서 L은 제 1 분기 유닛과 후속 분기 유닛에서의 각각의 분기들 사이의 길이이고, D는 제 1 분기 유닛 및 후속 분기 유닛에서의 분기들 사이에서 연장되는 각각의 도관의 평균 외부 직경인 것인, 방법.
  41. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계에서, 상기 시스템의 원하는 유량 및 상기 시스템의 유체 특성이 결정되고; 이들 파라미터는 상기 선택하는 단계에서 상기 유동 분배 시스템의 도관 직경 및 전체 치수를 결정하기 위해 사용되는 것인, 방법.
  42. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 설계된 유동 분배 시스템을 적층 가공하는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.
  43. 제 31 항에 따른 방법을 사용하여 설계되는 제 1 항에 따른 유동 분배 시스템.
  44. 유체 내에 테일러 유동(Taylor flow)을 형성하기 위한 테일러 유동 혼합기로서,
    적어도 2 개의 개별 유체 피드를 수용하기 위한 2 개 이상의 입구를 포함하는 입구 존(zone);
    제 1 항에 따른 유동 분배 시스템을 포함하는 분배 존 - 상기 유동 분배 시스템은 각각의 유체 피드를, 셀 밀도를 증가시키는 후속 채널 내로 개별적으로 분배하기 위한 복수의 분배 채널을 제공함 - ;
    상기 분배 채널의 출구로부터 각각의 개별 유체를 수용하여 적어도 하나의 생성물 채널 내로 혼합하기 위한 복수의 혼합 채널을 포함하여 내부에 상기 2 개의 유체를 포함하는 테일러 유동을 형성하는 혼합 존
    을 포함하는, 테일러 유동 혼합기.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 혼합 존은 상기 제 1 유체 수송 프랙탈에 유체 연결된 적어도 제 1 도관과, 상기 제 2 유체 수송 프랙탈에 유체 연결된 적어도 제 2 도관 사이의 유동 합병부를 포함하는 것인, 테일러 유동 혼합기.
  46. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 혼합 존에서, 상기 적어도 하나의 제 1 도관은 0 내지 180 도의 각도로 상기 적어도 하나의 제 2 도관과 병합되는 것인, 테일러 유동 혼합기.
  47. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 혼합 존에서, 상기 2 개의 유체 사이의 모세관 값이 0.001 내지 0.2인 것인, 테일러 유동 혼합기.
  48. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 혼합 존에서, 레이놀즈 수는 10 내지 1500인 것인, 테일러 유동 혼합기.
  49. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 혼합 존에서, 각 도관의 내부 직경은 1 미크론 내지 3 mm인 것인, 테일러 유동 혼합기.
  50. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 혼합 존으로 들어가는 분배 존 채널의 유량 균일성은 80 % 초과인 것인, 테일러 유동 혼합기.
  51. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 분배 존 내로 피드되는 상기 적어도 2 개의 개별 유체 피드는 기체 및 액체; 액체 및 액체; 또는 기체 및 액체-고체 상 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 테일러 유동 혼합기.
  52. 제 44 항 또는 제 45 항에 따른 상기 테일러 유동 혼합기 내로 2 개 이상의 유체를 피드하는 단계를 포함하는, 2 개의 유체로 테일러 유동을 형성하기 위한 방법.
  53. 2 개 이상의 유체 반응물을 처리하기 위한 반응기로서,
    상기 2 개 이상의 반응물 각각을 수용하기 위한 2 개 이상의 입구를 포함하는 입구 존;
    제 1 항에 따른 유동 분배 시스템을 포함하는 분배 존 - 상기 유동 분배 시스템은 각각의 반응물을, 셀 밀도를 증가시키는 후속 채널 내로 개별적으로 분배하기 위한 복수의 분배 채널을 제공함 - ;
    상기 분배 채널의 출구로부터 상기 2 개 이상의 반응물을 수용하여 혼합하기 위한 복수의 혼합 채널을 포함하는 혼합 존; 및
    상기 2 개 이상의 혼합된 반응물을 반응시켜 이에 따라 생성물을 생성하기 위한 복수의 반응 채널을 포함하는 반응 존
    을 포함하는, 반응기.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 반응 존은 또한 상기 혼합 존인 것인, 반응기.
  55. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 반응물 모두가 상기 혼합 존에 이르기까지는 접촉하지 아닌 것인, 반응기.
  56. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 혼합 존은 하나 이상의 배플을 포함하는 것인, 반응기.
  57. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 반응 존은 상기 혼합 존과 연통하는 복수의 채널을 포함하는 것인, 반응기.
  58. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 혼합 존에 인접하는 상기 분배 존 채널의 직경 길이의 비는 10 초과인 것인, 반응기.
  59. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 혼합 존의 혼합 효율은 80 % 초과인 것인, 반응기.
  60. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 혼합 존으로 들어가는 상기 분배 존 채널의 유량 균일성은 80 % 초과인 것인, 반응기.
  61. 제 53 항 또는 제 54 항에 따른 상기 반응기 내로 2 개 이상의 유체 반응물을 피드하는 단계를 포함하는 2 개 이상의 반응물을 반응시키기 위한 방법.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 2 개 이상의 유체 반응물은 기체, 액체 또는 이들의 조합인 것인, 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 반응물 각각의 레이놀즈 수는 50,000 이하인 것인, 방법.
  64. 제 53 항 또는 제 54 항에 있어서,
    상기 반응기는 2 개 이상의 반응물을 반응시키는 데에 사용되는 것인 반응기.
  65. 제 64 항에 있어서,
    상기 반응기는 천연 가스 또는 메탄의 개질에 사용되는 것인, 반응기.
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Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9915225B2 (en) * 2015-02-06 2018-03-13 United Technologies Corporation Propulsion system arrangement for turbofan gas turbine engine
KR102431918B1 (ko) * 2017-04-21 2022-08-11 커먼웰쓰 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션 유동 분배 시스템
CN109579575B (zh) * 2018-11-16 2023-09-19 大连海事大学 分形通道印刷电路板换热器
US11274886B2 (en) 2019-03-08 2022-03-15 Hamilton Sundstrand Corporation Heat exchanger header with fractal geometry
US11359864B2 (en) 2019-03-08 2022-06-14 Hamilton Sundstrand Corporation Rectangular helical core geometry for heat exchanger
US11280550B2 (en) 2019-03-08 2022-03-22 Hamilton Sundstrand Corporation Radially layered helical core geometry for heat exchanger
US11268770B2 (en) 2019-09-06 2022-03-08 Hamilton Sunstrand Corporation Heat exchanger with radially converging manifold
WO2021080659A1 (en) * 2019-10-21 2021-04-29 Hrl Laboratories, Llc Hierarchical heat exchanger manifold and heat exchanger including the same
CN116134312A (zh) * 2020-07-07 2023-05-16 沃特世科技公司 液相色谱用混合器
US20220179399A1 (en) * 2020-07-07 2022-06-09 Maillance SAS Method and System for Flare Stack Monitoring and Optimization
US11988647B2 (en) 2020-07-07 2024-05-21 Waters Technologies Corporation Combination mixer arrangement for noise reduction in liquid chromatography
US11209222B1 (en) 2020-08-20 2021-12-28 Hamilton Sundstrand Corporation Spiral heat exchanger header
JP7391804B2 (ja) 2020-09-15 2023-12-05 株式会社東芝 流体制御器、及び、流体混合器
CN112221448A (zh) * 2020-09-27 2021-01-15 江苏乐士源新能源科技有限公司 一种锂离子电池负极材料生产用反应釜
GB2599424A (en) * 2020-10-01 2022-04-06 Bosch Thermotechnology Ltd Uk An air-gas mixture burning appliance with a gas flow distance regulating device
EP4035867A1 (de) * 2021-02-01 2022-08-03 W. Müller GmbH Verteilerplatte, verteiler mit einer verteilerplatte, extrusionsanordnung mit einem verteiler und verfahren zum herstellen einer verteilerplatte
CN113779898B (zh) * 2021-08-16 2024-01-30 中国舰船研究设计中心 小通径循环水***的自流循环设计方法
EP4154972A1 (en) * 2021-09-24 2023-03-29 KIST-Europe Forschungsgesellschaft mbH Monodisperse microdroplet producing device and method of producing the same
CN114251531B (zh) * 2021-12-21 2023-03-24 华中科技大学 一种流体连接管及其应用
US20230256405A1 (en) * 2022-02-11 2023-08-17 Fuel Tech, Inc. Channel Manifold
JP2023170397A (ja) * 2022-05-19 2023-12-01 三菱重工業株式会社 ヘッダ部材、熱交換器ユニット、及びヘッダ部材の製造方法

Family Cites Families (66)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2734224A (en) * 1956-02-14 winstead
US2094948A (en) * 1935-04-09 1937-10-05 Hurley Thomas Frederick Apparatus for dividing or combining streams of fluent materials
NL249238A (ko) * 1959-03-09
US3034526A (en) * 1959-11-13 1962-05-15 Du Pont Laminar fluid flow process
US3381336A (en) * 1966-06-20 1968-05-07 Stanley C. Wells Melt spinning extrusion head system
US4537217A (en) * 1982-12-09 1985-08-27 Research Triangle Institute Fluid distributor
US5938333A (en) * 1996-10-04 1999-08-17 Amalgamated Research, Inc. Fractal cascade as an alternative to inter-fluid turbulence
EP1066107B1 (en) * 1998-03-23 2004-06-02 Amalgamated Research, Inc. Fractal stack for scaling and distribution of fluids
US6333019B1 (en) * 1999-04-29 2001-12-25 Marc-Olivier Coppens Method for operating a chemical and/or physical process by means of a hierarchical fluid injection system
CN2396880Y (zh) * 1999-09-21 2000-09-20 洪陵成 流体混合器
DE19961257C2 (de) * 1999-12-18 2002-12-19 Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh Mikrovermischer
BR0107842B1 (pt) * 2000-01-27 2011-07-12 sistema de processamento de fluido.
DE60123254T2 (de) * 2000-07-31 2007-09-06 Kinetics Chempure Systems, Inc., Tempe Verfahren und vorrichtung zum mischen von prozessmaterialien
US6474074B2 (en) * 2000-11-30 2002-11-05 International Business Machines Corporation Apparatus for dense chip packaging using heat pipes and thermoelectric coolers
KR100845200B1 (ko) * 2001-05-07 2008-07-10 유오피 엘엘씨 2개 이상의 유체를 혼합 및 반응시키는 장치
ES2378144T3 (es) * 2001-05-17 2012-04-09 Amalgamated Research, Inc. Dispositivo fractal para aplicaciones de mezcla y de reactores
US7109378B2 (en) * 2001-08-30 2006-09-19 Air Products And Chemicals, Inc. Monolith catalytic reactor coupled to static mixer
US7032894B2 (en) 2001-11-05 2006-04-25 Corning Incorporated Flow distributor for monolith reactors
US7014442B2 (en) 2002-12-31 2006-03-21 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Melt spinning extrusion head system
PL1776181T3 (pl) * 2004-01-26 2014-03-31 Harvard College Układ i sposób doprowadzania płynów
DE102004043362A1 (de) * 2004-09-08 2006-03-09 Bayer Technology Services Gmbh Flüssigkeitsverteiler und Flüssigkeitssammler für Chromatographiesäulen
AU2005316638A1 (en) * 2004-12-14 2006-06-22 Syntroleum Corporation Burnerless autothermal reformer mixer
US8227142B2 (en) * 2005-09-16 2012-07-24 Renault S.A.S. Plate for fuel cell including feed and discharge channels having three axes of symmetry
GB0521826D0 (en) 2005-10-26 2005-12-07 Rolls Royce Plc Wall cooling arrangement
US20070297285A1 (en) * 2006-06-23 2007-12-27 Cross William M Fractal distributor for two phase mixing
EP2172260A1 (en) * 2008-09-29 2010-04-07 Corning Incorporated Multiple flow path microfluidic devices
WO2010138061A1 (en) * 2009-05-29 2010-12-02 Ge Healthcare Bio-Sciences Ab Fluid distributor unit
US8511889B2 (en) * 2010-02-08 2013-08-20 Agilent Technologies, Inc. Flow distribution mixer
US9134072B2 (en) * 2010-03-15 2015-09-15 The Trustees Of Dartmouth College Geometry of heat exchanger with high efficiency
JP5558883B2 (ja) * 2010-03-30 2014-07-23 畑村 洋太郎 混合装置、グラデーション混合物及び混合物製造方法
JP5558884B2 (ja) 2010-03-30 2014-07-23 畑村 洋太郎 混合装置、グラデーション混合物及び混合物製造方法
FR2963091B1 (fr) * 2010-07-20 2012-08-17 Univ Savoie Module de circulation de fluides
CN102389730A (zh) * 2011-08-23 2012-03-28 东南大学 一种双重乳液制备芯片
GB201121541D0 (en) * 2011-12-14 2012-01-25 Maelstrom Advanced Process Technologies Ltd Improved dynamic mixer
IN2012DE00390A (ko) * 2012-02-13 2015-06-05 Council Scient Ind Res
GB2510344A (en) * 2013-01-30 2014-08-06 Imp Innovations Ltd Fluid Flow Modification Apparatus
EP3068526B1 (en) * 2013-11-11 2021-05-05 King Abdullah University Of Science And Technology Microfluidic device for high-volume production and processing of monodisperse emulsions and method
JP6657199B2 (ja) * 2014-10-07 2020-03-04 ユニゾン・インダストリーズ，エルエルシー マルチブランチ分岐流熱交換器
US10267515B2 (en) * 2016-09-08 2019-04-23 Additive Rocket Corporation Fractal fluid passages apparatus
US10393446B2 (en) * 2017-03-15 2019-08-27 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Capillary heat exchanger
KR102431918B1 (ko) * 2017-04-21 2022-08-11 커먼웰쓰 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션 유동 분배 시스템
US11031312B2 (en) * 2017-07-17 2021-06-08 Fractal Heatsink Technologies, LLC Multi-fractal heatsink system and method
US20190358367A1 (en) * 2018-05-25 2019-11-28 The General Hospital Corporation Additive manufacture of complex implantable living devices
WO2020018067A1 (en) * 2018-07-16 2020-01-23 Dresser-Rand Company Valve unloader assembly
US20200041212A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 Hamilton Sundstrand Corporation Counter flow heat exchanger
US11118838B2 (en) * 2019-02-20 2021-09-14 Hamilton Sundstrand Corporation Leaf-shaped geometry for heat exchanger core
US11274886B2 (en) * 2019-03-08 2022-03-15 Hamilton Sundstrand Corporation Heat exchanger header with fractal geometry
US11168942B2 (en) * 2019-03-08 2021-11-09 Hamilton Sundstrand Corporation Circular core for heat exchangers
US11359864B2 (en) * 2019-03-08 2022-06-14 Hamilton Sundstrand Corporation Rectangular helical core geometry for heat exchanger
US20200284519A1 (en) * 2019-03-08 2020-09-10 Hamilton Sundstrand Corporation Cyllindrical helical core geometry for heat exchanger
US11280550B2 (en) * 2019-03-08 2022-03-22 Hamilton Sundstrand Corporation Radially layered helical core geometry for heat exchanger
US10849832B2 (en) * 2019-04-05 2020-12-01 L'oreal Custom formulation systems
WO2020210783A1 (en) * 2019-04-11 2020-10-15 The Penn State Research Foundation Hybrid microjet liquid-cooled heat spreader
US11268770B2 (en) * 2019-09-06 2022-03-08 Hamilton Sunstrand Corporation Heat exchanger with radially converging manifold
US20210102756A1 (en) * 2019-10-04 2021-04-08 Hamilton Sundstrand Corporation Heat exchanger with interleaved manifolds and layered core
EP3819014A1 (en) * 2019-11-05 2021-05-12 Hirschberg Engineering AG Grid-like fractal distributor or collector element
EP3819025A1 (en) * 2019-11-05 2021-05-12 Hirschberg Engineering AG Grid-like symmetrical distributor or collector element
US11396069B2 (en) * 2019-11-21 2022-07-26 Hamilton Sundstrand Corporation Integrated horn structures for heat exchanger headers
EP3842723A1 (en) * 2019-12-23 2021-06-30 Hamilton Sundstrand Corporation Two-stage fractal heat exchanger
US20210216683A1 (en) * 2020-01-03 2021-07-15 The Research Foundation For The State University Of New York Periodic Cellular Structure Based Design for Additive Manufacturing Approach for Light Weighting and Optimizing Strong Functional Parts
EP3855107A1 (en) * 2020-01-24 2021-07-28 Hamilton Sundstrand Corporation Fractal heat exchanger
EP3855106B1 (en) * 2020-01-24 2022-12-14 Hamilton Sundstrand Corporation Fractal heat exchanger with channel
EP3855103A1 (en) * 2020-01-24 2021-07-28 Hamilton Sundstrand Corporation Helical fractal heat exchanger
US11905041B2 (en) * 2020-05-01 2024-02-20 Hamilton Sundstrand Corporation Method of managing engine cooler maintenance schedule
US11209222B1 (en) * 2020-08-20 2021-12-28 Hamilton Sundstrand Corporation Spiral heat exchanger header
KR20220153975A (ko) * 2021-05-12 2022-11-21 주식회사 태성에스엔이 금속 3d 프린팅을 이용하여 히트 싱크를 제조하는 방법

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Publication number Publication date
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KR20190139994A (ko) 2019-12-18
EP3595803A1 (en) 2020-01-22
EP3595803A4 (en) 2021-01-13

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