TWI826386B - 改良的處理強化的流動反應器 - Google Patents

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艾蓮娜丹妮亞拉 拉芙里奇
派翠克 尚
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美商康寧公司
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Abstract

一種流動反應器具有模組，此模組具有處理流體通道，所述處理流體通道具有內部表面，所述通道的一部分包括沿著所述部分具有剖面形狀的橫截面和沿著通道具有多個極小體的剖面區域。所述剖面形狀沿著所述部分連續地變化，且所述部分的內部表面不包括成對的相對平坦平行側，或者僅包括延伸不超過沿著所述部分的相對平坦平行側之間的距離的長度4倍的成對的相對平坦平行側，並且所述部分含有沿著所述部分分佈的複數個障礙物。

Description

改良的處理強化的流動反應器
此申請案依照專利法主張於2017年7月31日提交的美國臨時申請案第62/539,541號之優先權權益，其內容以引用方式整體併入本文。
本揭露案大體係關於流動反應器，且特定言之係關於具有優化的管道結構之流動反應器。
處理強化的目的在於使用同步大幅降低反應器尺寸且最大化質量及熱傳送效率的配置來幫助產生高效率反應及處理系統。因為能夠將大規模、對環境不友善的工業處理轉變成更小、更安全、更節能且對環境友善的處理之潛能，在化學工程中處理強化的利益及應用連續地增加。
相較於現今通常所使用者，新穎裝置及技術之發展所組成的處理強化預期在製造及處理中帶來非常重要、甚至數個尺寸級數的改良，以減少裝備尺寸/生產容量比率、能量消耗、及/或廢物產生，最終導致較便宜且持續增長的技術。換言之，導向實質上較小、較乾淨且能量更有效率的任何化學工程發展，均為處理強化。
處理強化的整個領域可大致劃分成兩個區塊：處理強化裝備，例如新穎反應器及密集混合、熱傳送及質量傳送設備；及處理強化方法，例如新的或混合的分隔、反應與分隔的整合、熱交換、或相位轉變（在所謂的多工反應器中）、使用替代能源（光、超音波等等）的技術，及新的處理控制方法（如刻意非穩態操作）。顯然地，此等可具有某些重疊。新的方法可能需要發展出新穎類型的裝備，且反之亦然，而新穎裝置某些時候已經發展出新的、非傳統處理方法的使用。
在US 7,939,033專利中揭露「微反應器」或微米至毫米尺寸的流動反應器，所述流動反應器具有相對於給定管道或設備中的下降產生良好混合性能的特徵管道設計。然而，期望達成更佳的性能，例如具有更少壓降的相等或更佳的混合。
以下呈現本揭露案簡化的概要，以便提供對詳細說明中所述某些範例實施例的基本理解。
在某些實施例中，流動反應器具有模組，所述模組具有處理流體通道，所述處理流體通道具有內部表面，所述通道的一部分包括沿著所述部分的具有剖面形狀的橫截面及沿著通道具有多個極小體的剖面區域。所述剖面形狀沿著所述部分連續地變化，且所述部分的所述內部表面不包括成對的相對平坦平行側，或者僅包括延伸不超過沿著所述部分的相對平坦平行側之間的距離的長度4倍的成對的相對平坦平行側，且所述部分含有沿著所述部分分佈的複數個障礙物。
在某些實施例中，所述部分進一步包含接續腔室，此等接續腔室之各者具有類似噴嘴的入口及漸窄出口。
在某些實施例中，所述接續腔室中的一腔室與所述接續腔室中的下一接續腔室套疊，使得一個腔室的漸窄出口形成下一個鄰接接續腔室的類似噴嘴的入口。
在某些實施例中，複數個障礙物之至少一者定位於第一腔室之中，且與一直線相交，所述直線具有定位於第一腔室的入口的中心處的第一端點及定位於第一腔室的出口的中心處的第二端點。
在某些實施例中，複數個障礙物之至少一者與每一個直線相交，所述每一個直線具有在第一腔室的入口之中的第一端點及在第一腔室的出口之中的第二端點。
在某些實施例中，反應器具有在第一腔室中的障礙物，而具有一或更多旁通路徑定位在至少一個障礙物及第一腔室的內側表面之間，即在複數個障礙物中之至少一個障礙物四周。
在某些實施例中，至少一個障礙物不具有開口延伸通過所述至少一個障礙物。
在某些實施例中，具有在障礙物四周的兩個或更多個旁通路徑，所述旁通路徑藉由障礙物分開腔室出口的最大直徑至少兩倍的距離，或如至少2.5、3、3.5倍，或甚至4倍。
在某些實施例中，流動反應器進一步包含在處理流體通道的所述部分的內部表面上的內部螺紋結構。
以上實施例為範例，且可單獨提供或者與此處所提供的任何一或更多實施例以任何結合方式而提供，而不會悖離本揭露案之範疇。再者，應理解以上概要說明及以下詳細說明呈現本揭露案的實施例，且意圖提供概觀或架構用於理解所述及主張的實施例的本質及特徵。包括隨附圖式以提供實施例的進一步理解，且併入且構成此說明書的部分。圖式用於圖示本揭露案的各種實施例，且與說明書一起供以解釋原理及操作。
此處以後參考隨附圖式，現將更詳細說明方法及裝置，其中顯示本揭露案的範例實施例。儘可能地，全篇圖式使用相同的元件符號代表相同或類似的部件。然而，此揭露案可以許多不同的形式實現，且不應考慮為限於此處所提的實施例。
本揭露案大致關於利用類似於US7939033中所揭露的模組的流動反應器，該案在此處以引用方式整體併入。然而，若為所欲的，本揭露案的模組可不同於此參考案的通常平面幾何。
此處所揭露的具有通道的流體模組可藉由機器、模製、3D列印及類似的方式形成。模組可為單一化的（無法拆解）或可由以可移除的方式機器壓製或者密封在一起的板或其他部件組成。
第1圖（先前技術）根據先前技術流動反應器，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖，同時第2圖（先前技術）顯示第1圖的通道的個別腔室，且第3圖（先前技術）以立體視圖方式顯示第2圖的腔室的剖面。
參照第1圖至第3圖，此處所揭露的通常類型的流動反應器包含其中具有處理流體通道20的模組，處理流體通道包含內部表面22，處理流體通道20進一步包含部分30，其中此部分進一步包含在使用期間處理流體流至部分30中的輸入端32，及在使用期間處理流體流出部分30的輸出端34。
部分20亦包含沿著部分30的橫截面36，藉由沿著部分30的通道20的內部表面22劃定，橫截面36具有剖面區域及剖面形狀38，剖面區域具有沿著通道20在輸入端32及輸出端34之間的多重極小體（minima）40。
第4圖及第5圖分別根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖，且第6圖顯示第5圖的通道的剖面視圖。參照第4圖至第6圖中所顯示的通道，且大致參照本揭露案的實施例，反應器之特徵在於通道20的部分30具有(1)沿著部分30連續改變的剖面形狀38，(2)內部表面22（沿著部分30），所述內部表面不包括成對的相對平坦平行側42（如第3圖中可見），或者僅包括沿著部分30（顯示於第12圖中，以下討論）延伸不超過介於所述相對平坦平行側42之間的距離d的長度四倍的成對的相對平坦平行側42，及(3)複數個障礙物50，沿著（在其之中）部分在輸入端32及輸出端34之間定位（在此情況中，為具有凹陷表面面向上游的彎曲的壁的形式）。
通道20的部分30的內部表面22可使用各種形式的曲率。如第4圖中可見，通道20的部分30的高度可與腔室本身週期性地變化，使得各個接續腔室為實質上相同的。或者，通道20的部分20的高度中變化的週期可更短，以沿著部分30的長度，或更長，如第5圖的實施例。此舉導致障礙物50具有變化的高度，如第6圖的橫截面中顯示。通道20的部分30的額外實施例的橫截面顯示於第8圖至第10圖中，而具有第8圖的接續腔室52中變化高度的障礙物50，或第9圖的接續腔室52中相同的高度。障礙物50亦可僅部分地延伸橫跨腔室52的高度，如第10圖的實施例中顯示。（儘管具有複雜的形狀及流動圖案，此等障礙物有效地僅具有單一旁通路徑。）通道20的部分30的高度的變化亦可為非對稱的，或接續腔室52的曲率可為非對稱的。在第7圖的實施例中且如圖式中可見，每個其他腔室52在腔室的上部內側表面上（相對於下部內側表面）具有更大的「鼓起」（或更小的曲率半徑），同時剩餘的腔室52在下部內側表面上（相對於上部）具有更大的「鼓起」（或更小的曲率半徑）。
在第10圖的實施例的情況中，其中障礙物僅部分延伸橫跨腔室52的高度，具有定位於腔室52的入口的中心處的第一端點及定位於腔室的出口的中心處的第二端點的直線60藉由障礙物50相交。此舉確保小於整個高度的障礙物足夠的高，以在高度方向上具有取代流動的顯著效果。所欲地，障礙物50不僅與從腔室52入口的中心點至出口的中心點的線60相交，但與由腔室的入口之中出發且在腔室的出口之中結束的每一個線片段相交。換句話說，所欲地，即使在障礙物僅部分地延伸橫跨腔室的高度的情況中，從腔室52的入口至出口不具有「視線」。
此處的通道20的部分30包括一或更多旁通路徑64，舉例而言，如在第4圖及第5圖中表現。旁通路徑64為介於障礙物50及相關聯腔室52的內側表面之間的路徑，且通向障礙物50的四周。此等旁通路徑64與延伸通過障礙物50的開口有所區別。此等開口70在第21圖至第22圖的實施例中可見。在此處更常見的許多其他圖式的實施例中，障礙物50不具有延伸通過障礙物50的開口。根據實施例，如在第4圖中所顯示，一或更多旁通路徑64具有比相關聯腔室的出口的總剖面區域68更大的總剖面區域66。
第11圖根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的半透明立體圖，同時第12圖以第11圖的實施例的類型，根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的剖面視圖。在此處所顯示的實施例中，一或更多腔室52在相同腔室52中具有障礙物50及第二障礙物51兩者。所欲地，障礙物50及第二障礙物52僅延伸橫跨腔室52的部分高度（如第12圖中更清楚可見），且所欲地其交替附接至腔室52的「底板」及「頂板」。在此等實施例中，障礙物或第二障礙物52不會單獨與介於分別腔室的入口及出口之間的所有視線（或甚至介於其中的中心線）相交，但所欲地當考慮在一起時會實現。
在某些實施例中，腔室52可具有或幾乎具有旋轉對稱，使得腔室的高度及寬度兩者考慮取代作為直徑。第13圖至第18圖分別顯示處理流體通道的部分的剖視立體圖，其中通道20的部分30以及接續腔室51具有旋轉對稱。在例如此等的實施例中，可使用三個或更多旁通路徑。在實施例中，障礙物50包含大致垂直於處理流體通道20的部分30而對齊的平坦或凹陷表面72。表面72可如第15、16及18圖的實施例中所顯示較佳地面向上游方向，但在替代實施例中，可如第17圖的實施例而面向下游方向。
第19圖至第32圖顯示已製成且與參考實施例（第1圖至第3圖的實施例）進行性能測試比較的實施例。第25圖的實施例具有類似於第19圖的實施例的腔室52，除了相對於第19圖的實施例而抬升的「頂板」及降低的「底板」78。結果顯示於第33圖至第36圖中。
第33圖及第34圖為量測的壓降的圖表。第33圖的結果來自相對較大規模的通道，第34圖則來自相對較小規模的通道。關鍵的數量相對應至在第19圖至第32圖中各個實施例所給定的數量。如第33圖及第34圖中可見，所有測試的實施例對於達成降低壓降均超越參考實施例。
第35圖及第36圖為以具體功率消耗為函數而量測的容積傳質係數的圖表，其中第35圖的結果來自相對較大規模的通道，且第36圖的結果來自相對較小規模的通道。如第35圖中可見，除了第2及第5，所有測試的實施例在此量測上均超越參考值，且在第36圖中則為除了第2之外的所有者。因此，相信所欲為不具有延伸通過障礙物的開口（如第2的實施例中）。類似地，相信所欲為具有旁通路徑，當在腔室中具有兩個（或可能為更多個）時，以對腔室的出口的最大直徑至少2、2.5、3、3.5或甚至4倍的距離藉由障礙物分開為所欲的，而不像第5實施例，其中柱子或楔子80僅以短距離分隔開兩個旁通路徑。
根據實施例，通道20的（部分30的）內部表面22可包括內部螺紋結構76，以對通道的部分中移動的流體給予額外、螺旋的運動。
應理解各種所揭露的實施例可牽涉可與特定實施例連結說明的特定特徵、元件或步驟。亦應理解儘管與一個特定實施例相關說明特定特徵、元件或步驟，但可以各種非圖示的結合或排列而與替代實施例交換或結合。
應理解，如此處所使用的「一」或「一個」代表「至少一個」，且除非明確相反地表示而不應限制為「僅一個」。因此，舉例而言，「一部件」的參考包括具有兩個或更多此等部件的實施例，除非上下文另外清楚的指示。
範圍在此處可表示為從「約」一個特定值及/或至「約」另一個特定值。當表示此範圍時，實施例包括從一個特定值及/或至其他特定值。類似地，當以近似表示值時，藉由使用「約」的先行詞，應理解特定值形成另一態樣。更應理解各個範圍的端點對其他端點的相關及其他端點的獨立性兩者為重要的。
除非另外說明，此處提及的任何方法不應意圖考量作為必須以特定順序實行其步驟。因此，當方法請求項並未實際載明步驟所遵循的順序，或並未在請求項中具體說明，或說明步驟限制成特定順序時，不應意圖暗示任何特定順序。
儘管特定實施例的各種特徵、元件或步驟可使用連接詞「包含」來揭露，應理解包括暗示可使用連接詞「組成」或「實質上組成」說明的此等替代實施例。因此，舉例而言，包含A+B+C的裝置所暗示的替代實施例包括以A+B+C所組成的裝置的實施例，及實質上以A+B+C所組成的裝置的實施例。
對本領域中技藝人士而言，可對本揭露案作成各種修改及改變而不會悖離本揭露案的精神及範疇為顯而易見的。因此，倘若落入隨附申請專利範圍及其均等之範疇之中時，本揭露案意圖覆蓋此揭露案的修改及改變。
20‧‧‧處理流體通道22‧‧‧內部表面30‧‧‧部分32‧‧‧輸入端34‧‧‧輸出端36‧‧‧橫截面38‧‧‧剖面形狀40‧‧‧極小體42‧‧‧相對平坦平行側50‧‧‧障礙物51‧‧‧第二障礙物52‧‧‧腔室60‧‧‧直線64‧‧‧旁通路徑66‧‧‧總剖面區域68‧‧‧總剖面區域70‧‧‧開口72‧‧‧表面76‧‧‧內部螺紋結構78‧‧‧頂板及底板80‧‧‧柱子或楔子
本揭露案的此等及其他特徵、實施例及優點當參考隨附圖式而閱讀時可進一步理解：
第 1 圖 （先前技術）根據先前技術流動反應器，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 2 圖 （先前技術）顯示第 1 圖 的通道的個別腔室；
第 3 圖 （先前技術）以立體視圖顯示第 2 圖 的腔室的剖面；
第 4 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 5 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 6 圖 顯示第 5 圖 的通道的剖面視圖；
第 7 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 8 圖至第 10 圖 分別根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的剖面視圖；
第 11 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的半透明立體圖；
第 12 圖 根據本揭露案的實施例，例如第 11 圖 的實施例，顯示處理流體通道的部分的剖面視圖；
第 13 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的剖視立體圖；
第 14 圖 根據第 13 圖 的本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的替代剖視立體圖；
第 15 圖至第 18 圖 分別根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的剖視立體圖；
第 19 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 20 圖 顯示第 19 圖 的通道的腔室的剖面視圖；
第 21 圖 （先前技術）根據先前技術流動反應器，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 22 圖 顯示第 21 圖 的通道的個別腔室；
第 23 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 24 圖 顯示第 23 圖 的通道的腔室的剖面視圖；
第 25 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 26 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 27 圖 顯示第 26 圖 中的處理流體通道的部分的透明平面視圖；
第 28 圖 顯示第 26 圖 中的處理流體通道的部分的半透明立體圖；
第 29 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的三維立體圖；
第 30 圖 顯示第 29 圖 的通道的腔室的剖面視圖；
第 31 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的平面視圖；
第 32 圖 顯示第 31 圖 的通道的腔室的平面視圖；
第 33 圖 根據本揭露案的實施例，為從處理流體通道獲得的以流率為函數所量測的壓降的圖表；
第 34 圖 根據本揭露案的實施例，為從處理流體通道獲得的以流率為函數所量測的壓降的圖表；
第 35 圖 根據本揭露案的實施例，為從處理流體通道獲得的以具體功率消耗為函數所量測的容積傳質係數的圖表；
第 36 圖 根據本揭露案的實施例，為從處理流體通道獲得的以具體功率消耗為函數所量測的容積傳質係數的圖表；
第 37 圖 分別根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的壁的剖視立體圖；及
第 38 圖 根據本揭露案的實施例，顯示處理流體通道的部分的腔室的剖面平面視圖。
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國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
30‧‧‧部分
32‧‧‧輸入端
34‧‧‧輸出端
50‧‧‧障礙物
52‧‧‧腔室
64‧‧‧旁通路徑

Claims (21)

  1. 一種流動反應器，包含：一模組，具有一處理流體通道在其中，該處理流體通道包含一內部表面，該處理流體通道進一步包含一部分，其中該部分進一步包含：(1)一輸入端，在使用期間處理流體從該輸入端流至該部分中，及(2)一輸出端，在使用期間處理流體從該輸出端流出該部分，及(3)一橫截面，沿著該部分藉由該通道的該內部表面劃定該部分，該橫截面具有一剖面區域及一剖面形狀，該剖面區域沿著該通道在該輸入端及該輸出端之間具有多重極小體(minima)，該通道之特徵在於：(1)該部分的該剖面形狀沿著該部分連續地改變，(2)該部分的該內部表面不包括成對的相對平坦平行側，或者僅包括延伸不超過沿著該部分該等相對平坦平行側之間的一距離的一長度4倍的成對的相對平坦平行側，且(3)該部分含有複數個障礙物，在該輸入端及該輸出端之間沿著該部分定位；其中該部分進一步包含接續腔室，該等接續腔室之各者具有一類似噴嘴的入口及一漸窄出口；其中該複數個障礙物之至少一者定位於一第一腔室 之中，並與一直線相交，該直線具有定位於該第一腔室的該入口的一中心處的一第一端點及定位於該第一腔室的該出口的一中心處的一第二端點；其中該流動反應器進一步包含在單一腔室中的兩個或更多個障礙物；且其中該等障礙物僅部分地延伸橫跨腔室的高度。
  2. 如請求項1所述之流動反應器，其中該等接續腔室的一個腔室與該等接續腔室的一下一個接續腔室套疊，使得該一個腔室的該漸窄出口形成該下一個鄰接接續腔室的該類似噴嘴的入口。
  3. 如請求項1所述之流動反應器，其中該複數個障礙物之至少一者與每一個直線相交，該每一個直線具有在該第一腔室的該入口之中的一第一端點及在該第一腔室的該出口之中的一第二端點。
  4. 如請求項3所述之流動反應器，具有一或更多旁通路徑，該一或更多旁通路徑定位在該至少一個障礙物及該第一腔室的一內側表面之間，在該複數個障礙物之該至少一個障礙物四周。
  5. 如請求項4所述之流動反應器，其中該一或更多旁通路徑具有比該第一腔室的該出口的總剖面區域更大的一總剖面區域。
  6. 如請求項4所述之流動反應器，其中該至少 一個障礙物具有延伸通過該至少一個障礙物的一或更多開口。
  7. 如請求項4所述之流動反應器，其中該至少一個障礙物不具有延伸通過該至少一個障礙物的開口。
  8. 如請求項3所述之流動反應器，其中該複數個障礙物包含至少三個或更多個障礙物。
  9. 如請求項3所述之流動反應器，其中該複數個障礙物之該至少一個障礙物包含在每一個腔室的至少一個障礙物。
  10. 如請求項3所述之流動反應器，其中該至少一個障礙物具有兩個或更多個旁通路徑。
  11. 如請求項10所述之流動反應器，其中該至少一個障礙物具有三或更多旁通路徑。
  12. 如請求項10所述之流動反應器，其中該等旁通路徑藉由該障礙物，以該腔室的該出口的一最大直徑之至少兩倍的一距離分隔開來。
  13. 如請求項3所述之流動反應器，其中該至少一個障礙物具有一單一旁通路徑。
  14. 如請求項3所述之流動反應器，其中該至少一個障礙物具有兩個旁通路徑，該等兩個旁通路徑相對於彼此定位於該處理流體通道的相對側上。
  15. 如請求項14所述之流動反應器，其中該複數個障礙物之至少一者包含一平坦或凹陷的表面，該平坦或凹陷的表面大致垂直於該處理流體通道而對齊。
  16. 如請求項15所述之流動反應器，其中該平坦或凹陷的表面面向一下游方向。
  17. 如請求項15所述之流動反應器，其中該平坦或凹陷的表面面向一上游方向。
  18. 如請求項15所述之流動反應器，其中該複數個障礙物之至少一者包含指向一下游方向的一漸細拉長的端。
  19. 如請求項15所述之流動反應器，其中該複數個障礙物之至少一者包含指向一上游方向的一漸細拉長的端。
  20. 如請求項1所述之流動反應器，進一步包含在該處理流體通道的一內部表面上的一內部螺紋結構。
  21. 如請求項1所述之流動反應器，進一步包含在該處理流體通道的該部分的一內部表面上的一內部螺紋結構。
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