歧管设计和多路微通道装置中的流动控制

摘要

本发明涉及一种新型歧管和流过歧管方法。本发明揭示了设备和技术，其中来自较大体积压头的流体平均分布以处理通道。本发明同样揭示了用于制造层压的微通道设备的方法。

说明书

简介

近年来，许多工业和学术研究对于开发化学加工用的微型设备表现出了极大的兴趣。Gavrilidis等人目前已经评价了微型反应器，参见《微设计反应器的技术和应用》Trans.IchemE，第80卷，A部分，第3-30页(2002年1月)，它包含236个引文。微型化学处理器的特征是流体通道尺寸约为5毫米或更少，它能提供独特的优点，这是因为它具有短的热量和质量传递距离，并且在某些情况下，它具有不同的流动特性。尽管这些设备可提供许多优点，但是已经这些设备中新的设计和不同的流动特性对形成新控制流体的方法和设计，特别是控制流过歧管以及多个连接通道的流体的方法和设计提出了挑战。具体地，改善热量和质量传输的小通道通常处于层流态，相比过渡流态和紊流态具有较低的流动阻力。层流态可以在非常高的流速条件下存在，这是因为所述通道具有小的尺寸。因此，大的微通道处理设备在高的总体流速下可具有较小的压降，从而由于低的流动阻力对流体分布增加了挑战。而且，微型设备可连接到大的管道上，以引入或移除流体。在大管道中的流体通常处理紊流态或过渡流态，从而在微设备中需要流体歧化装置，以在不同流体状态的条件下将流体分布到许多平行微通道中。

最近的专利文献描述了多种类型的微型设备和/或制造方法。例如，Wegeng等人在WO01/95237 A2中描述了新型的集成反应器，它是通过将许多不同设计的片层叠在一起制得的。Pence等人在US2002/0080563 A1中描述了具有分支微通道的网状物的设备，所述分支微通道可进行热量传递。

Golbig等人在美国专利申请公开2002/0106311中描述了片状微反应器设计，其中连接通道的宽度是不同的，从而使液体在通道中的停留时间相等。基于该设计的计算结果(如实施例部分所述)显示该设计并不适合从通过所有通道的压头得到高度相同的流体。

用于控制小型热交换器和其它小型装置中的流体的通道设计已在美国专利和专利申请号3,847,211、5,482,680、4,401,155、2002/0043544、4,343,354、6,293,338、4,041,591、5,915,469、6,098,706、4,282,927、2003/0027354、2002/0125001、2002/0187090、6,244,333和5,544,700中进行了描述。

虽然有这些以及其它努力，本领域还是需要一种控制流体的方法和设备，其中对流体进行控制以得到改进的性能和效率。

发明概述

一方面，本发明提供一种分离相的方法，所述方法包括：使混合物进入微通道中的曲线部分(curve)；其中，在曲线部分之后，所述微通道有分离器板；所述混合物(micture)分离成较稠(denser)相和不稠(less dense)相，其中不同的相位于分离器板的相对侧面上。在一个优选实施方式中，流体以基本上平行于重力的方向向下流入所述曲线部分。本发明也提供了该设备。

另一方面，本发明提供一种流体处理器，它包括：具有入口的歧管(manifold)；连接通道矩阵(matrix)；位于歧管和连接通道矩阵之间的门(gate)。歧管长度和连接通道矩阵长度相互间呈非零角放置。由门连接的连接通道矩阵具有中轴；且门有偏移，从而使门的开口并不被连接通道矩阵的中轴对分。这一方面的例子如图24所示。在一些优选实施方式中，歧管的长基本与连接通道的长平行。优选地，这个方面中，偏移量至少为连接通道矩阵宽度的10％(在一些优选实施方式中至少25％)。

如同此处所述的设备，本发明还提供一种加工流体的方法，所述方法包括使至少一种流体流经所述设备。如附图所示，歧管和连接通道矩阵可以是共平面的，真正基本上共平面的配置在本发明的许多方面中都是常规的，而且可以理解为，共平面的配置在本发明的许多方面中是优选的。也应理解，本发明也拟包括此处描述的各种方面和特征的组合。例如，在一些优选实施方式中，将上述谈到的门的偏移与下述各种连接通道壁延伸部分的不一致相结合。应进一步理解的是，本发明旨在包括所描述的个别特征的多重组合，但不限于所示的组合或以下描述的组合。

另一方面，又如图24所示，本发明提供一种流体处理器，它包含：具有入口的歧管；及连接通道矩阵。歧管长度和连接通道矩阵长度相互呈非零角放置。该连接通道矩阵包括多个通道壁，且通道壁还从所述入口进一步延伸至所述歧管中。在一些优选实施方式中：歧管的长度基本垂直于连接通道的长度；和/或，偏移至少为连接通道矩阵宽度的10％(在一些优选实施方式中至少为25％)。

另一方面，本发明提供一种使流体流经微通道设备的歧管的方法，所述方法包括：使第一流体流经第一方向中的第一通道；使第一流体的一部分经过孔流入第二通道；使第一流体的一部分流经第二通道；其中第二通道以相对第一方向为非零角的角度延伸，其中流经孔的流体具有第一方向上的正动量矢量；其中第二通道包括微通道且包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第一和第二亚通道；其中第二通道具有基本平行于通过第二通道的净流动的轴；且其中孔具有中点，相对第一方向，所述中点位于轴的上游。优选地，在该方法中，第一和第二亚通道中的流体比所述轴经过所述中点时的情况更均匀。可进行此方法的优选结构如图24所示。

另一方面，本发明提供一种使流体流经微通道设备的歧管的方法，所述方法包括：使第一流体流经第一方向中的第一通道；使第一流体的一部分经过孔流入第二通道；使第一流体的一部分流经第二通道。该第二通道包括微通道以及包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第一和第二亚通道。所示第一和第二亚通道包括阻流物，所述阻流物有助于使通过亚通道的流体均匀。如图25b所示为适用于进行本方法的适合的结构。此处所述的所有方法中，本发明还包括进行本方法的设备。在一些优选实施方式中，该第二通道以相对第一方向为非零角的角度延伸。其它实施例中，该方法可以在具有框架或条带的层状装置；和/或具有阻流物(如泡沫材料)的层状装置；和/或在没有流体直流通道的层状装置；和/或在沿着分隔壁长度的方向上分隔壁在下游是不连续的层状装置中进行。须理解，在本发明其它方面上，在一些优选实施方式中，所示歧管和连接通道基本上是共平面的。

另一方面，本发明提供了微通道设备，所述设备包括至少2根由壁分隔的微通道；和从壁上伸出并至少进入至少一根微通道中的挠性材料，见图33。″挠性″是指当流体流经微通道时材料弯曲。在一个实施方式中，所述材料通过壁延伸至第二微通道中。

另一方面，本发明提供了微通道设备，所述设备包括：沿第一方向延伸的第一通道和沿第二方向延伸第二通道。在该设备中，第一方向和第二方向基本为共平面的，并互相间以非零角延伸，第二通道包括微通道，第二通道包括第一开口部分和包括至少一个分隔壁的第二部分，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第一和第二亚通道。第一开口部分为流体提供一定的长度，使其在进入第二部分前沿(across)流体更均匀地分布。″开口″意味着无亚通道。图25a中有一示例。本发明还包括在该设备中处理流体的方法，其中混合优选发生在第一部分。在优选的实施方式中，L₂/D大于10，其中D为水力学直径。在优选实施方式中，该亚通道为连接通道，其中进行单元操作。

另一方面，本发明提供了微通道设备，所述设备包括：具有第一开口部分和第二部分的第一通道；所述第二部分包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二部分至少分隔成第一和第二亚通道；所述第一通道沿第一方向延伸；连接到第一亚通道的第二通道；其中第二通道基本与第一通道共平面，且沿第二方向延伸；其中第二方向相对第一方向成非零角；其中第二通道包括微通道，并包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第三和第四亚通道；连接到第二亚通道的第三通道；其中第三通道与第一通道基本共平面，并沿第三方向延伸；其中第三方向基本平行于第二方向；其中第三通道包括微通道，并包括至少一个分隔壁，它将第三通道至少分隔成第五和第六亚通道。在图3E有一示例。为了达到此目的，通过分隔通道形成亚通道，例如用鳍状物(fin)，但亚通道并不是通道，如由T形接头形成的通道，它在空间上是基本分离的。

另一方面，本发明提供包括亚歧管的微通道设备，所述设备包括：具有至少一个分隔壁的第一通道，所述分隔壁将第一通道至少分隔成第一和第二亚通道；第一通道沿第一方向延伸；连接到第一亚通道的第二通道；其中第二通道与第一通道基本上是共平面的，并沿第二方向延伸；其中第二方向相对第一方向成非零角；其中第二通道包括微通道，且包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第三和第四亚通道；连接到第二亚通道的第三通道；其中第三通道基本同第一通道共平面，并沿第三方向延伸；其中第三方向与第二方向平行；其中第三通道包括微通道，且包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第三通道至少分隔成第五和第六亚通道；其中第一亚通道具有第一长度和第一宽度，且第二亚通道具有第二长度和第二宽度；而第二长度长于第一长度。在一个优选实施例中，第一通道包括没有通道壁的第一部分和包括至少一个分隔壁的第二部分，所述分隔壁将第一通道至少分隔成第一和第二亚通道，且第二宽度宽于第一宽度。一些优选实施方式包括门。在另一个实施方式中，第四通道连接到第二亚通道；其中第四通道基本与第一通道共平面，并沿第四方向延伸；其中第四方向相对第一方向呈非零角；其中第四通道包括微通道，并包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第七和第八亚通道；其中第四方向与第二方向平行；且其中第四通道具有比第二长度更长的第四长度。

另一方面，本发明提供包括门结构的微通道设备，所述设备包括：沿第一方向延伸的第一通道；沿第二方向延伸的第二通道；沿第二方向延伸的第三通道；沿第二方向延伸的第四通道；沿第二方向延伸的第五通道。第一和第二方向基本上是共平面的。第二和第三通道相邻且平行。第一通道与第二或第三通道是不平行的。第一通道通过第一门连接到第二通道和第三通道。第三通道位于第一方向上较第二通道更远的位置。第三通道包括微通道。第二通道包括微通道。第二通道具有第一横截面积的开口，而第三通道具有第二横截面积的开口。第一门的横截面积小于第一和第二横截面积以及它们之间的壁横截面积之和。第四和第五通道相邻并平行。第一通道通过第二门连接至第四通道和第五通道。第四和第五通道位于第一方向上较第三通道更远的位置。第四通道包括微通道；其中第五通道包括微通道。第四通道具有第三横截面积的开口，第五通道具有第四横截面积的开口。第二门的横截面积小于第三和第四横截面积以及它们之间的壁横截面积之和；且第一门的横截面积与第二门的横截面积不同。在一优选的实施方式中，第一门的横截面积是由第一门连接的连接微通道总横截面积的2-98％。在另一个实施方式中，该设备为层状的，且第一门包括具有四通管(cross-bar)的板。

另一方面，本发明提供微通道设备，所述设备包括：沿第一方向延伸的第一通道；沿第二方向延伸的第二通道；第三方向延伸的第三通道沿。第一、第二和第三方向基本上是共平面的。第二和第三方向平行。第二通道连接到第一通道，且第一和第二方向沿相互呈非零角的方向延伸。第三通道连接到第一通道，且第一和第三方向沿相互呈非零角的方向延伸。第三通道位于第一方向中相对第二通道更远的位置上。第三通道包括微通道。第二通道具有第一横截面积的开口，且第三通道具有第二横截面积的开口。相比第二宽度，第一横截面积是不同的横截面积，至少一个开口横截面积小于它连接至歧管的连接通道。这一方面是″门″结构的例子。在优选的实施方式中，第二和第三通道具有邻近第一通道的开口的开口。在另一个实施方式中，第二和第三通道为被通道壁分隔的邻近通道。在另一个实施方式中，第二门位于第二和第三通道中。在优选实施方式中，门的开口区域小于门所开通道的开口区域；然而，一些例子中该区域可以是更大的，例如，通过蚀刻壁。

应理解的是，任何设备、系统或方法都可由本文后面所述的公式或质量因素定义其特征。

另一方面，本发明提供一种层叠设备，所述设备包括：第一层，所述第一层包括终止于第一四通管的微通道；第二层，所述第二层包括终止于第二四通管的微通道；其中第一四通管限定了M2M歧管的一边的至少一部分；其中第二四通管突入M2M歧管内；且其中第二层中的微通道和歧管之间的界面通过第一和第二四通管之间的开口缝隙形成。图3D示一例子。优选第一层邻近第二层。同时，在优选的实施方式中，所述设备包括第一和第二层中对齐的微通道。在另一个实施方式中，层叠设备还包括第一层中的第二组微通道，所述微通道终止于第三四通管中；和第二层中的第二组微通道，它结束于第四四通管中；其中第三四通管限定了M2M歧管一边的至少一部分；其中第四四通管突入M2M歧管中，其中第四层中微通道和歧管之间的第二界面由第三和第四四通管之间的开口缝隙形成；其中第三和第四四通管间的开口缝隙小于第一和第二四通管间的开口缝隙。缝隙尺寸之间的差别使系统设计成能控制流过微通道的流体(即类似于门功能)；例如，使流体相比缝隙相等的情况更均匀。当然提到包括大歧管(macromanifold)的系统，所述大歧管它连接到至少两个层叠装置上，也提到进行单元操作的方法，所述单元操作包括使流体流入歧管且通过微通道。

另一方面，本发明提供分配来自歧管通过连接通道矩阵的流体的方法，所述方法包括：

使流体流过歧管入口并进入具有以下特征的歧管：

歧管高度(h_m2m)为2mm或更少；

歧管的长度(L_m2m)为7.5cm或更大；

可选矫直通道部分的长度(L₂)除以L_m2m小于6；

使流体以至少0.05为的动量(Mo)流入歧管；

保持DPR₂比值为2或更大或保持DPR₃比值为0.9或更少；

并将来自歧管的流体分配入至少2根连接至歧管的通道中，其质量指数因子为连接通道面积的函数，等于或小于Q(Ra)，其中：

Q(Ra)＝0.0008135Ra⁶-0.03114Ra⁵+0.4519Ra⁴-3.12Ra³+11.22Ra²-23.9Ra+39.09

优选Ra等于或小于12，或小于3。在一些实施方式中，保持通过歧管的流体流速，以使量{|0.058+0.0023(ln Re)²(D)|/L_M2M}小于0.01。在一些实施方式中，FA小于0.01

另一方面，本发明提供分配来自歧管通过连接通道矩阵的流体的方法，所述方法包括：

使流体流入具有下述特征的歧管：

歧管的高度为2mm或更少；

可选矫直通道部分的长度(L₂)除以L_M2M小于6；FA值小于0.01

保持DPR₂比值为2或更大，或保持DPR₃比值为0.9或更少；

将来自歧管的流体分配入至少2根通道中，所述通道连接到歧管，作为连接通道面积函数的质量指数因子Q2等于或小于连接通道面积比值Ra和DPR₁的Qc函数的85％；其中

Qc(Ra，DPR₁)＝E1+E2+E4+E6+E8+E10+E12，

其中

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且其中Ra范围在1至12，且DPR₁大于0且小于300。优选地，如果DPR₁＜1，那么Q₂≤18％；如果1≤DPR₁＜3，那么Q₂≤16.5％；如果3≤DPR₁＜5，那么Q₂≤15％；如果5≤DPR₁＜10，那么Q₂≤10％；如果10≤DPR₁＜15，那么Q₂≤7％；如果15≤DPR₁＜20，那么Q₂≤6％；如果20≤DPR₁＜30，那么Q₂≤4％；如果30≤DPR₁＜50，那么Q₂≤3％；如果50≤DPR₁＜100，那么Q₂≤2％；如果100≤DPR₁＜200，那么Q₂≤1％。在优选实施方式中，流体以至少为0.05的动量(Mo)流过歧管。

另一方面，本发明提供一种百叶窗式流体处理设备，所述设备包括：通向室的入口，位于室内的百叶结构(louver)，以及该室的出口。该百叶结构为可移动的导流器(flow director)。举例图示于图34B。优选地，室内的至少2个百叶结构连接起来以同时转动。其它任选方式(option)包括：至少3个共平面的入口；还包括相邻该室堆叠的第二室，其中第一室包括热交换器。在包括2个室加工的一个优选实施方式中，流体基本垂直流过热交换器，所述热交换器偏向第二(反应)室的前部。在一些实施方式中，室的高度为5微米或更少。

另一方面，本发明提供一种流体处理设备，所述设备包括：歧管；连接通道矩阵；位于歧管和矩阵之间的可移动孔板(orifice plate)，其中可移动孔板具有不同尺寸的孔，所述孔与连接通道矩阵中的通道对齐。图39示一实例。在一优选的实施方式中，可移动孔板用螺丝钉固定。在一些实施方式中，可移动的板具有孔，它们的尺寸沿板长度单调增加。在其它许多方面中，在一些优选实施方式中，连接通道矩阵中的通道具有相同的横截面积。本发明还提供一种改进流体处理设备的方法，所述方法包括移动上述设备中可移动孔板的位置。

另一方面，本发明提供分配来自歧管通过连接通道矩阵的流体的方法，所述方法包括：使流体流经歧管并流入连接通道矩阵，其中连接通道矩阵包括具有不同横截面积的微通道重复单元，其中歧管的入口位于连接通道矩阵的一边，因此流经歧管的流体以非零角在连接通道矩阵中流动；其中在2个或更多重复单元中的连接通道在贯穿歧管长度的方向上的横截面积并不变化；其中流体以至少为0.05的动量流入歧管；通过Q2至少为30％、优选Q2少于25％、且更优选小于10％的连接通道矩阵进行分布。″重复单元″为一组共平面的具有不同横截面积的重复相邻通道。例如，第一通道的横截面积为1微米²，相邻的第二通道的横截面积为2微米²，接着邻近的第三通道的横截面积为3微米²；该序列重复3次：1∶2∶3/1∶2∶3/1∶2∶3，这就是三个重复单元。在一些实施方式中，歧管基本垂直于连接通道。

该方法另一方面中，本发明提供一种分配从歧管通过连接通道矩阵的流体的方法，所述方法包括：使流体通过歧管入口并流入歧管，从而流体以第一流态流过歧管的第一部分，并以第二流态流过歧管的第二部分；其中歧管的高度(h_m2m)为2mm或更小，任选矫直通道部分的长度(L₂)除以L_m2m小于6。在这种方法里，DPR₂比值保持在2或更大或者DPR₃比值保持在0.9或更少。在该方法中，来自歧管的流体分配入至少2个连接通道内，所述连接通道连接至歧管，其质量指数因子作为连接通道区域的函数，等于或小于Q(Ra)，其中：

Q(Ra)＝0.0008135Ra⁶-0.03114Ra⁵+0.4519Ra⁴-3.12Ra³+11.22Ra²-23.9Ra+39.09

在一优选的实施方式中，第一流态是紊流态，而第二流态是过渡态。优选地，R_a等于或小于12。在一些实施方式中，液体流经大歧管，然后流经歧管入口。

另一方面，本发明提供一种使流体流过微通道设备的歧管的方法，所述方法包括：使第一流体流入歧管，然后通过第一方向中的第一通道；使第一流体的一部分流入第二通道；并使第一流体的一部分流经第二通道。在这一方法中，第二通道相对第一方向成非零角延伸；第二通道包括微通道且包括至少一个分隔壁，所述分隔壁将第二通道至少分隔成第一和第二亚通道；第一层和歧管各自基本上是平面状的；其中歧管基本包含于第一层内，其中第一层和歧管基本呈共平面，第一通道位于第一层，通过第一通道的流体基本平行于第一层平面；第一通道和歧管高度大约相同；第二层基本是平面状的；第二通道位于第二层内，且通过第二通道的流体基本平行于第二层的平面；第一层和第二层基本平行，非零角指在第二层内的角度。图26a示可进行本方法的结构实施方式。在优选的实施方式中，第二层邻近(即无中间层)第一层，且来自第一层的流体仅流入第二层。在另一个优选实施方式中，具有开口的板位于第一和第二层之间，来自第一层的流体经开口流入第二层。在另一个优选实施方式中，第一层包括多个邻近的平行微通道，所述微通道由通道壁分隔；第二层包括多个相邻的平行微通道，所述微通道由连续的通道壁分隔，其中连续通道壁横跨第一层内多个相邻平行微通道的宽度。第二层可由含槽的板制得。在另一个实施方式中，第一层包括多个相邻的平行微通道，所述微通道被通道壁分隔；第二层包含多个相邻的平行微通道，所述微通道被连续通道壁分隔；流体的一部分通过第一层进入第二层，其中它再分配进入第一层的微通道。在另一个优选实施方式中，第二层的存在倾向于将经过第一层内多个相邻平行微通道的流体均匀分配，这意味着相比没有的情况下Q更低；(如与其它方法的任一个一样，Q可以是此处描述的优选Q的任一个。在本方法另一个实施方式中，多个相邻的平行微通道包括一个四通管，它迫使流体进入第二层；除了接触第一层，第二层并没有任何入口或出口(举例图示于图27中)。与其它方法一起，本发明包括该方法的设备。

另一方面，本发明提供一种系统(以及使用该系统的相应方法)，其中大歧管连接2个或更多个微装置，其中每个微装置具有此处所述的M2M。″大歧管″是连接至少2个更小歧管的歧管。例如，大歧管可以是连接2个或更多位于微通道设备内的M2M歧管的管(在微通道装置外)。这些系统可包括例如连接2个或更多M2M区域的装置，然后连接每个装置中的2个或更多的亚歧管，然后任选地连接来自每个亚歧管的2个或更多连接通道的一个大管或导管。系统的另一个例子包括例如连接2个或更多M2M区域内的装置，然后连接两个或更多亚歧管，最后连接2个或更多连接通道的大管或导管，或者包括一种装置，所述装置包括连接2个或更多亚歧管，然后连接2个或更多连接通道，然后连接鳍状物结构构成的连接通道内的亚通道的M2M。

另一方面，本发明提供一种使流体通过微通道流体处理设备的歧管的方法，所述方法包括：使第一流体流经第一入口进入第一歧管区域；使第二流体流经第二入口流入第二歧管区域，其中壁位于第一和第二歧管区域之间，其中壁包括开口，能使歧管内的第一和第二流体混合；其中，歧管邻近连接通道矩阵；通过在歧管中混合第一和第二流体，形成混合流体；其中混合流体流入连接通道矩阵。其例子示于图28。

另一方面，(见图29和30)本发明提供一种微通道流体处理设备，所述设备包括：连接至连接通道矩阵的歧管；所述歧管和连接通道矩阵是共平面的；还包含导流功能元件，所述导流功能元件包括：倾斜歧管；或连接歧管和连接通道矩阵的呈一定角度的接头(angled connection)。若有呈一定角度的接头，则呈一定角度的接头包括相对歧管中轴成10至80度，或100至170度的角度。在优选的实施方式中，连接歧管和连接通道矩阵的呈一定角度的接头相对歧管中轴，在歧管前半长度中的角度范围在10至80度，后半长度中的角度范围在100至170度。当歧管为倾斜的时候，优选实施例中有倾斜的歧管，从而歧管容积随离开歧管入口的长度增加而减小。在一些实施方式中，这些功能元件蚀刻至基材中。

另一方面，本发明提供一种微通道设备，所述设备包括：歧管；连接通道矩阵；位于歧管内的至少3块孔板，从而使流经整个歧管的流体能流过所有所述至少3块孔板。在该装置中，至少3块孔板具有横截面积不同的孔；所述孔板将歧管分为区段，其中每个区段连接到至少一个连接通道矩阵中的连接通道。举例图示于图38。在一优选的实施方式中，3块板中的孔面积随着沿歧管向下的长度增加而减小。在另一实施方式中，每区段(segment)至少有3根连接通道。其它优选实施方式包含格栅(grate)和/或门。

对于任何设备和方式来说，连接通道和/或歧管的高度优选在20μm-5mm范围，更优选2mm或更少。分隔通道的壁或歧管壁的厚度优选范围在20μm-5mm，更优选2mm或更少。连接通道的长度优选为1cm-10m。在堆叠的设备中，层间的卷材(web)厚度优选是片材的厚度(换句话说，在一些优选实施方式中，设备通过在片材上切割功能元件来制得，而不是通过蚀刻来制得)。在所有方面中，这些功能元件仅仅是说明性的，并没有限制本发明的所有方面。在许多优选实施方式中，所述连接通道基本上平行于所述通道连接的歧管上。

依照本发明的方法，所需的流体分布可在微装置内得到，所述微装置包括许多连接通道，所述连接通道由歧管供料(或者单根连接通道由非常高的连接通道纵横比歧管供料)；即使在高的动量条件下，这些所需的流体分布也能得到。在本发明的优选实施方式中，动量数Mo优选为至少0.1，更优选至少0.2，在一些实施方式中，至少为0.5，在一些实施方式中至少为5。在一些优选实施方式中，歧管的M2M歧管纵横比(以下进行定义)为至少10，或至少20，或50，或至少100，且在一些实施方式中为30-1000。在一些优选实施方式中，FA(定义如下)为0.01或更少，更优选的是少于0.001。在一些发明方法中，流经大多数(以体积流量计)的连接通道的流体的雷诺(Reynolds)数为10,000或更少，5000或更少，2000或更少，1000或更少，而在一些实施方式中，其范围在500-5000。在一些优选实施方式中，至少2根通道，更优选至少5根通道，在一些实施方式中至少10根或至少100根；或者在一些实施方式中，5-500根连接通道用于单M2M歧管。许多优选实施方式中，流体经控制均匀分布于多个连接通道内，其中Q因子(如下述)为30％或更少，更优选20％或更少，而在一些实施方式中，在0.1-15％范围内。

本文所述的许多发明有一些例子，例如流体从上游歧管(header)流到歧管连接处以及连接通道，但并不限制其用于上游歧管。如果本发明对于从歧管界面流向连接通道的描述用于歧管和单连接通道界面的流体，除非明确说明，则它可用于下游歧管(footer)类似和相反流动方向。

在一些优选实施方式中，层叠设备是化学反应器，所述化学反应器能处理流体。本发明也包括具有许多本文所述任意结构元件或设计的设备。例如，本发明包括具有交替放置的放热反应通道与冷却剂和/或吸热反应通道的设备；以及具有反应通道中的一个或多个流体改进装置和/或由相互间成直角的子配件构成的设备。在优选实施方式中，本发明的各方面可结合起来；例如，可选择本发明所述的任意催化剂加入到本文所述层压设计的反应通道中。

对于本文所述制造设备的方法，本发明也包括由所述方法制得的层叠设备。本发明也包括使用本文所述任意设备、结构功能元件、设计和系统进行单元操作的方法。

本文所述制造技术可应用到所有化学单元操作设备中，包括化学反应器、燃烧器、分离器、热交换器、蒸发器、蒸馏器、以及混合器。所述应用可包括气相和液相加工以及上述两相的结合。液体流体处理也可包括在连续液体流体中形成悬浮固体，例如形成乳液。

本文所述的任意制品都可有多层以及重复的多组层(重复单元)。例如，层压物中有2、10、50或更多重复单元。该层的多重性或“累加(numbering up)”使微通道层叠设备的容量增加。

本发明的各种实施方式可具有这样的优点：低成本、在多通道排列中更均匀的流体分布、更低的歧管压降、或增加的热交换。

缩写

如标准的专利术语所述，“包括”表示“包含”，这些术语都不排除存在其它或多种组分。例如，当设备包括薄层、片材等时，应理解本发明的设备可包括多层薄层和片材等。

所述“通道的轴”是通过通道横截面中心的线，其延伸穿过通道。

“结合”表示附着和粘附，并包括扩散结合、粘结、铜焊和焊接。

凸起(bump)是障碍物或通道壁粗糙度提高的区域，在通常操作条件下它能降低流过通道的质量流速。

歧管的容量C_man由歧管每单位体积加工的质量计算：

$>>>C>man>>=>>>m>man>>>V>man>>>->->->>(>1>)>>>>$

式中，m_man[千克/秒]＝歧管的质量流速

V_man[m³]＝歧管的总体积：歧管通道；内部分布功能元件，例如亚歧管和门，格栅和其它歧管连接通道，包括它们的包容壁；歧管的外部包容壁，包括歧管通道之间的间隔，它们并不用于其它歧管或加工通道。歧管的总体积不包括直接位于歧管通道上方或下方的层中的通道壁。M2M歧管中的外部包容壁体积包括将歧管从微通道设备的必需设备周围(perimeter)分离出来的体积，这出现在整个设备的周围。它包括分隔不规则分布歧管的通道的壁体积，其它连接通道并不使用所述不规则歧管。

对于在堆叠垫片(shim)结构体中具有M2M歧管的微通道设备来说，M2M歧管增加了设备的总体积，所以需要使歧管的容量最大。在本发明的优选实施方式中，M2M分配了1kg/m³/s，优选10kg/m³/s，在一些优选实施方式中，它分配了30-150kg/m³/s。

本文所述歧管和连接通道之间的接头(即M2M分配结构体)的厚度(即高度)优选为20微米-5毫米，更优选为2毫米或更少，宽度优选为100微米-5厘米，在一些优选实施方式中，宽度大于250微米且小于1毫米。连接通道的长度的下限为0，上限为1米，在一些优选实施方式中，范围为2毫米到10厘米。

通道的横截面是垂直于通道的轴的横截平面。这排除了壁的横截面以及任何在壁上施加的涂层(催化剂、粘结剂、金属保护剂)。层通常包括多根通道，所述通道由通道壁分隔。所述通道的横截面积包括由催化剂(如果有的话)占据的面积。

通道由连续或包含缝隙的通道壁限定。穿过整体泡沫或毡的互连通路不是连接通道(经过泡沫等可分布在通道中)。

“连接通道”是连接到歧管上的通道。通常，单元操作发生在连接通道中。连接通道具有入口横截平面和出口横截平面。虽然一些单元操作或部分单元操作可发生在歧管中，但是在优选的实施方式中，大于70％(在一些实施方式中至少95％的单元操作发生在连接通道中。“连接通道矩阵”是一组相邻、基本上平行的连接通道。在优选的实施方式中，所述连接通道壁是直的。

“接头与歧管横截面积比”是歧管连接处(例如门或格栅)的开口面积的横截面积与歧管在紧接接头上游(例如上游歧管)的位置或紧接接头下游(例如下游歧管)的位置处的横截面积(垂直于中心轴)之比。

连接通道压降(ΔP_CCdp)是连接通道入口横截平面中心与入口横截平面中心的压力差。在一些优选实施方式中，连接通道是直的，且在该方向或宽度上基本上没有变化。多个连接通道系统的连接通道压降是每个单独连接通道压降的算术平均值。即，经过每个通道的压降之和除以通道数。例如，压降是未调整的；但是，在权利要求中，压力基于通道进行限定，所述通道包括通过连接通道的95％净流体，如果流过这些通道的的流体并需要占净流体的95％的话，流量较低的通道并不计算在内。

FA无量度值是区分歧管中蠕动流体和高动量流体的方式：

其中Re是歧管的雷诺数，D是歧管的水力学直径，L_M2M是歧管区域长度。FA的上游歧管雷诺数和水力学直径由通道轴上最接近上游歧管入口(与歧管中的入口最接近的连接通道有关)的壁平面连接所述通道轴的位置限定上游歧管。FA的下游歧管雷诺数和水力学直径由最接近下游歧管出口(与最接近下游歧管出口的连接通道有关)的壁平面连接所述通道轴的位置限定下游歧管下游歧管。FA应低于0.01，在有些优选实施方式中，应小于0.001。

“阻流物”是凸起、格栅或多孔体。阻流物并不是简单的直通道，也不是在通道起始位置上的门。

“下游歧管”是安排从连接通道移走流体的歧管。

“门”包括歧管和2个或多个连接通道之间的界面。门的体积不为零。门通过改变进入连接通道的入口的横截面积控制流体进入多个连接通道。门与简单的孔不同，因为流过门的流体在流经门时在歧管中的流动方向以及连接通道中的流动方向上都有正动量。相反地，流过孔的流体中，大于75％的正动量矢量在孔的轴的方向上。流过门的流体的横截面积之比通常为由门控制的连接通道横截面积(包括由门控制的连接通道之间壁的横截面积)的2-98％(在一些实施方式中，为5-52％)。使用两个或多个门可使歧管界面的横截面积用作调整(tailor)歧管转向损耗的方法，从而在门之间得到相等的流速。这些门转向损耗可用来补偿歧管压力曲线的变化，所述变化由摩擦压力损失和动量补偿造成，它们都对歧管的压力曲线造成影响。横截面积中的最大变化除以最小面积(用Ra数表示)优选小于8，更优选小于6，在最优选的实施方式中，小于4。

在优选的垫片结构体(如图3E和3F所示)中，门包括2个或多个相邻垫片，它具有在其相应末端连接的通道壁32′。这些末端壁连接34′固定通道壁的位置，这样所述末端在制造和处理过程中就不会移动。至少一片垫片具有末端壁连接，连续横跨门的两个或多个连接通道和壁的宽度，以形成歧管34′的周边。该垫片中的末端壁连接形成了用于歧管36和两个或多个连接通道35′之间的流体的阻隔物(barrier)。所述的垫片也具有处于连接通道和末端壁连接之间的中间壁连接37′。在堆叠方向从壁37′延伸的平面是连接通道平面出口或入口。中间壁连接用作阻隔物，以阻挡门的两根或多根连接通道之间的流体，在门的两根或多根连接通道之间留下开口体积，从而在连接38′中进行流体分配。当其对歧管周边进行分界(interface)时，至少一片其它垫片(“门敞开”垫片)具有末端壁连接42′，所述末端壁连接仅仅部分连续横跨门的两根或多根连接通道和壁的宽度。末端壁通道有一个连续部分44′，所述末端壁通道从歧管周边偏移，从歧管36′尽可能远地延伸以使流体经过由连续末端壁连接形成阻隔物。壁44′和34′形成歧管和连接通道之间的连接46′。在堆叠方向中从壁34′延伸的平面是歧管界面平面。在“门敞开”垫片中的2根或多根连接通道使流体连接46′进入连接通道。

在一些优选实施方式中，连接通道排列在相邻的垫片中排列(例如图3E的区域47′中)。

“门”是歧管和单根通道之间的连接。格栅具有非零的连接体积。在垫片结构体(图3D所示)中，当第一垫片中的四通管与相邻第二垫片中的四通管不对齐，从而流体在第一垫片的四通管之上且在第二垫片中的四通管之下流动时，形成格栅。

“压头(head)”指通道流体的动态压头，它由下面的方程式定义：EMI17.1

其中：

ρ[kg/m³]＝流体的密度

G[kg/m²/s]＝流体的质量通量速率

U[m/s]＝流体的比速率

压头在感兴趣的位置进行限定。

“上游歧管”是装配成将流体输送到连接通道的歧管。

“高度”是垂直于长度的方向。在层叠设备中，高度是堆叠方向。也可参见图1A。

通道的“水力学直径”定义为通道横截面积的四倍除以通道润湿周边的长度。

“L-歧管”描述了下述的歧管设计，其中进入一个歧管的流动方向垂直于连接通道的轴，而相对歧管中的流动方向平行于连接通道的轴。例如，上游歧管L-歧管的歧管流体垂直于连接通道的轴，而下游歧管的流体沿连接通道的轴方向到达设备的外部。流体从歧管入口进行“L”转弯，通过连接通道达到设备的外部。当两根L-歧管一起为连接通道矩阵服务时，如果上游歧管的入口位于歧管的两端或者下游歧管的出口从歧管的两端出去，那么歧管就是所谓的“T-歧管”。

“层叠设备”是由薄层制得的设备，所述薄层能对流过所述设备的工艺物流进行单元操作。

“长度”指通道(或歧管)轴向(该方向也是流动方向)上的距离。

“M2M歧管”定义为大到小的歧管，即分配流体到一根或多根连接微通道或者分配来自一根或多根连接微通道的流体的微通道歧管。M2M歧管接着将流体带到另一根横截面积更大的输送源或者携带来自另一根横截面积更大的输送源，也称为大歧管。大歧管可例如是管道、导管或开口蓄水池。

“大歧管”是将多个微装置连接到单个入口或出口的管道、试管、或导管。在大歧管中的流体处于过渡态或紊流态。每个微装置还包括用于将流体分配到多个平行微通道(即连接通道矩阵)中的歧管。

“歧管”是将流体分配到2根或多根连接通道或分配到纵横比非常大(纵横比≥30∶1)的单根连接通道中的体积。纵横比定义为通道的宽度(经过所述体积的流动方向)比上其在堆叠方向上的高度。上游歧管的进口或入口平面定义为如下平面，在该平面中标记了上游歧管几何形态与上游通道的明显不同。上游歧管包括入口平面和L_M2M上游歧管开始点之间的任意体积。下游歧管的出口或排出口平面定义为如下平面，在该平面中标记了下游歧管通道与下游通道的明显不同。歧管几何形态的明显不同表现为流动方向和/或质量通路速率的明显不同。如果亚歧管不会造成流动方向和/或质量通量速率的明显不同，那么歧管可包括亚歧管。下游歧管包括L_M2M下游歧管端点和出口平面之间的任意体积。例如，微通道上游歧管歧的进口平面是这样的平面，其中微通道上游歧管与较大的输送上游歧管(例如管或导管)形成界面，所述较大的输送上游歧管通过焊接凸缘或其它连接方法连接到微通道设备上。同样地，上游歧管开始于如下的平面，在该平面上浴盆状、非微通道上游歧管连接微通道上游歧管空间。在大部分情况下，本领域的普通技术人员可容易认出为一组连接通道服务的歧管边界。

“歧管连接处”是歧管和一根或多根连接通道之间的平面。歧管连接处平面可具有与其结合用于单根连接通道的体积，如果通过门连接到两根或多根通道上，则必需具有一定体积。

“歧管长度”(L_M2M)是歧管在其连接通道之上的长度。对于上游歧管来说，L_M2M是下述位置之间的距离，即最接近上游歧管入口(与最接近上游歧管入口的连接通道相关)的壁平面连接歧管通道轴的位置(“L_M2M上游歧管开始点”)以及离上游歧管入口最远(与离上游歧管入口最远的连接通道相关)的壁平面连接歧管通道轴的位置(“L_M2M上游歧管末端点”)。对于上游T-歧管和上游U-歧管，如果通道具有恒定横截面积且L_M2M上游歧管末端点位于两侧的歧管通道轴线交叉点(cross)，假定歧管两侧之间对称，那么L_M2M上游歧管末端点是两个相对的L_M2M上游歧管开始点之间的直线的中点。对于下游歧管，L_M2M是以下位置间的距离，即离下游歧管出口最远(与离下游歧管出口最远的连接通道相关)的壁平面连接通道轴的位置(L_M2M下游歧管开始点)以及最接近下游歧管出口(与最接近下游歧管出口的通道相关)的壁平面连接通道轴的位置(L_M2M下游歧管端点)。对于上游T-歧管和上游U-歧管，如果通道具有恒定横截面积且L_M2M上游歧管末端点位于两侧的歧管通道轴线交叉点(cross)，假定歧管两侧之间对称，L_M2M上游歧管末端点是两个相对的L_M2M上游歧管开始点之间的直线的中点。L_M2M的例子参见图1A。

对于上游歧管，“歧管压降”(ΔP歧管)是上游歧管入口平面的面积平均中心压力的算术平均值(如果只有一个上游歧管入口，只有一个入口平面)以及每根连接通道入口平面中心压力的算术平均值之间的静压差。上游歧管压降基于上游歧管入口平面(它包括流过连接通道的95％净流体)，如果流过这些上游歧管入口平面的流体不需要占流过连接通道的净流体的95％，具有最低流体的上游歧管入口平面不计算在算术平均值内。上游(或下游)歧管压降也仅基于连接通道入口(或出口)平面中心压力(它包括流过连接通道的95％净流体，如果流过这些连接通道的流体不需要占流过连接通道的净流体的95％，具有最低流体的连接通道入口(或出口)平面不计算在算术平均值中。对于下游歧管，所述歧管压降是每根连接通道出口平面中心压力的算术平均值与下游歧管出口平面的面积平均中心压力的算术平均值(在这种情况下，只有一个上游歧管出口，且只有一个出口平面)之间的静压差。下游歧管压降基于下游歧管出口平面(它包括流过连接通道的95％净流体，如果流过这些出口平面的流体不需要占流过连接通道的95％净流体，那么具有最低流体的下游歧管出口平面不计算在算术平均值内。

对于上游歧管，“歧管到界面的压降”(ΔP_M21)是“界面处的上游歧管压力”的点与连接通道入口平面的中心或连接通道平面(连接到歧管连接处)的算术平均值之间的静压差，在所述点的位置上，上游歧管通道轴穿过一平面，该平面两等分经过歧管连接通道轴的歧管连接宽度，该平面沿堆叠方向经过歧管连接通道的底部和顶部。对于下游歧管，歧管到界面的压力(即“在界面处的下游歧管压力”)定义为连接通道出口平面中心压力的算术平均值和下述点之间的压力差的绝对值，在该点上，下游歧管通道轴穿过一平面，该平面两等分经过歧管连接处轴的歧管连接处宽度，该平面沿高度方向(对于层叠设备来说就是堆叠方向)经过歧管连接通道的底部和顶部。歧管连接处的例子包括格栅、门或孔。如果歧管连接处是连接处和歧管之间的平面的话，歧管连接处可仅仅是连接通道的入口或出口。

质量通量速率G是通道轴向上每单位通道横截面积的质量流量。

“微通道”的至少一个内部尺寸为5毫米。微通道具有高度、宽度和长度。高度和/或宽度优选约为5毫米或更少，更优选2毫米或更少。长度通常较长。优选地，长度大于1厘米，更优选为1厘米到5米。微通道的横截面可沿着其长度变化，但是微通道不仅仅是孔(如入口孔)。

歧管压头与摩擦损耗之比Mo由下述方程式定义：

$>>Mo>=>>>>1>>2>\rho >>>[>>G>2>>->0>]>>>>>>4>fL>>>M>2>M>>>D>>>>G>2>>>2>\rho >>>>>=>>>\{>>>4>f>>L>>M>2>M>>>>D>>\}>>>->1>>>->->->>(>4>)>>>>$

其中，

D[m]＝在M2M参考点的歧管水力学直径

f[无量度]＝M2M参考点的通风(Fanning)摩擦系数

G[kg/m²/s]＝在M2M参考点的质量通量速率

在Mo中，上游歧管参考点的雷诺数和水力学直径定义为在下述通道轴的位置上，在该位置上，最接近上游歧管入口(与最接近歧管中的入口的连接通道相关)的壁平面连接通道轴。在Mo中，下游歧管雷诺数和水力学直径定义为在下述位置中的参考点上，该位置上，最接近下游歧管出口(与最接近下游歧管出口的连接通道相关)的壁平面连接通道轴。

模块舱(module)是大容量的微通道设备，它由多层重复单元组合制成。

“敞开通道”是至少0.05毫米的缝隙，它延伸完全穿过微通道，这样流体可流过具有低压降的微通道。

“压降比#1”(PDR₁)定义为连接通道压降与歧管的相应压头(对于上游歧管来说是L_M2M上游歧管开始点，对于下游歧管来说是L_M2M下游歧管端点)的比值：

$>>>DPR>1>>=>>>\Delta >>P>CCdP>>>h>>=>>>\Delta P>CCdP>>>>G>2>>>2>\rho >>>>->->->>(>5>)>>>>$

如果歧管具有多于一根的亚歧管，那么压头基于各根亚歧管的G和ρ值的算术平均值(数均平均值)。

“压降比#2”(PDR₂)定义为连接通道压降与歧管压降的比值：

如果歧管具有多于一根的亚歧管，那么歧管压降基于亚歧管值的数均平均值。“压降比#3”(DPR₃)定义为歧管到界面的压降与歧管压降之比：

在优选实施方式中，歧管的DPR₃的算术平均值小于0.9，基于包括流过连接通道的95％流体的歧管连接处，如果流过这些通道的流体不需要占流过连接通道的净流体的95％，那么最低流体的歧管连接处并计算在内。更优选的实施方式的DPR₃值基于相同的标准小于0.75，更优选小于0.50，还要更优选为0.25，最优选小于0.10。

“处理通道体积”是处理(即连接)通道的内体积。该体积包括催化剂的体积(如果存在的话)以及开口流动体积(如果存在的话)。该体积不包括通道壁。例如，包括2cm×2cm×0.1cm催化剂以及刚好与催化剂相邻的2cm×2cm×0.2cm开口流动体积的反应室的总体积为1.2cm³。

质量指数因子“Q₁“是歧管怎样有效分配流体的量度。它是连接通道流体的最大流速和最小流速之差除以最大流速的比例。对于具有恒定通道尺寸的连接通道系统，通常每通道的质量流量相等。这种情况下的方程如下述，并定义为Q₁：

$>>>Q>1>>=>>>>m>max>>->>m>min>>>>m>max>>>\times >100>\%>->->->>(>8>)>>>>$

其中

m_max[kg/s]＝最大连接通道质量流速

m_min[kg/s]＝最小连接通道质量流速

当连接通道的尺寸变化时，通道之间的停留时间、接触时间、速度或质量通量速率的变化最小，这样就能使单元操作达到所需的负荷。在这种情况下，我们定义了质量指数因子Q₂：

$>>>Q>2>>=>>>>G>max>>->>G>min>>>>G>max>>>\times >100>\%>,>>>$

其中G是质量通量速率。当所有通道具有相同的横截面积时，Q₂的方程简化为Q₁。质量指数因子给出了连接通道流速的范围，且0％表示非常好的分布，100％表示在至少一个通道中停滞(没有流体)，超过100％的值表示在至少一根通道中回流(沿与所需流动方向的相反的方向流动)。例如，Q₁和Q₂是未调整的，但是在权利要求中，Q₁和Q₂基于包括通过连接通道的95％净流体进行定义，如果流过这些通道的流体不需要占流过这些连接通道的95％净流体，那么最低流体通道不计算在内。

Ra(＝A_max/A_min)是歧管和连接通道之间最大连接和最小连接的横截面积之比。这些面积可属于门或格栅。

雷诺数Re是惯性与粘性力的常用比例，粘性力常见于通道的流体中。其定义是质量通量流速(G)乘以水力学直径(D)再除以动态粘度(μ)。

$>>Re>=>>GD>\mu >>=>>\rho UD>\mu >>->->->>(>9>)>>>>$

雷诺数的值描述了流体的的流态。当流体对雷诺数的相关性是通道截面形状和尺寸的函数时，下述范围通常用于通道：

层流态：Re＜2000-2200

过渡态：2000-2200＜Re＜4000-5000

紊流态：Re＞4000-5000。

“片“或”垫片“是指基本呈同一平面的板或片材，所述板或片材具有任意宽度和长度，优选厚度(最小尺寸)为5毫米或更少，更优选0.080英寸(2毫米)或更少，在一些优选实施方式中，为50到1000微米。宽度和长度是相互垂直的，并垂直于厚度。在优选实施方式中，片材的长度和宽度是放置片材的层压堆叠物的同延长度和宽度。片材的长度在流动方向中，但是，当流动方向不能确定时，长度是片材的最大尺寸。

“亚通道”是在较大通道中的通道。通道和亚通道由通道壁沿其长度限定。

“亚歧管”是与至少一根其它亚歧管联合使用的歧管，从而在一个平面内形成一根大歧管。亚歧管通过连续壁相互分隔。

“厚度”是在堆叠方向中测量。

在“U-歧管”中，上游歧管和下游歧管的流体在相反方向中流动，同时与连接通道的轴成非零角。当两根U-歧管一起为连接通道矩阵服务，且上游歧管的两个开口末端有入口，下游歧管的两个开口末端有出口，歧管就是所谓的“I-歧管”。

“单元操作”描述化学反应、汽化、压缩、化学分离、蒸馏、浓缩、混合、加热或冷却。“单元操作”并不仅仅表示流体输送，尽管输送通常发生在这些单元操作中。在一些优选实施方式中，单元操作并不仅仅是混合。

在“Z-歧管”中，上游歧管和下游歧管中的流体以相同的方向流动，且与连接通道的轴成非零角。进入歧管系统的流体从设备的对置侧面离开，在另一侧面流体进入设备。流体基本上从入口到出口成“Z”方向。

附图简述

图1A显示了三开口歧管，其具有质量通量速率(G)、静压(P)和恒定的连接通道宽度(W_cc)。

图1B显示三开口上游歧管的尺寸。

图2A图解了M2M中的静力压曲线图，它基于Z-歧管的紊流管转向损耗和动量补偿系数。通道#1是上游歧管见到的第一根通道；#19是下游歧管见到的最后一根通道。菱形表示上游歧管的压力，方形表示下游歧管的压降。

图2B图解了在连接与歧管横截面积之比为0.09、几个M2M上游歧管质量流速比(MFR)、连接通道的下游和上游质量流速之比的条件下测得的M2M上游歧管动量补偿系数。

图2C图解了在连接与歧管横截面积之比为0.09的条件下根据实验得到M2M上游歧管转向损耗系数对通道质量流速(连接通道对歧管连接通道上游)的关系图。也画出了常规紊流环状管中的上游歧管转向损耗系数(对于相同的连接与歧管横截面积之比为实线)。

图2D图解了在常规管道和M2M歧管中连接与歧管横截面积之比为0.09的条件下负的下游歧管转向损耗系数。

图3A图解了用于Z-歧管系统的一组亚歧管。

图3B图解了包括两根亚歧管的L-歧管系统。

图3C图解了堆叠垫片系统的格栅的例子，所述堆叠垫片系统延伸穿过M2M歧管通道的宽度。

图3D图解了一种格栅设计，在该设计中，格栅拉入歧管中。

图3E图解了一种“门”设计，所述门设计由上门垫片和下通道垫片形成。该灰色(上)垫片与M2M歧管形成了开口，下“图片框”垫片形成平面以分布到连接通道中，四个例子列在附图中显示每一个门。

图3F图解了图3E中的“门”设计，其中垫片颠倒穿过主中心平面。

图3G图解了流动方向中的闸门的横截面积的减小。

图4-22图解了进行装配到结构化和整合燃烧反应器上的垫片设计。

图23图解了用来分离相的歧管。

图24图解了具有门的歧管，所述门降低歧管流动方向上的通道宽度以得到更均匀的流体分布。

图25a图解了具有门和亚歧管区域的设计。

图25b图解了具有校直区域的歧管。

图25c是图25b所示层叠物的分解图。

图26a、26b和27图示了通道中的流体凸起，所述通道由垫片结构体形成。

图28图解了一个具有用于混合的开口的交叉流动(cross flow)歧管。

图29图解了一个倾斜歧管。

图30概要地图解了歧管和一组连接通道之间的呈一定角度的开口。

图31图解了具有偏移区域以进行通道间混合的通道设计。

图32图解了一种门设计，其中多孔体提供了均匀流体。

图33图解了柔性的壁突出，它改变通过通道的流体。

图34A概要地图解了连接到两个微装置上的大歧管。

图34B图解了具有汇集下游歧管的非分歧的上游歧管，且多个入口和出口平行于流动方向。百叶结构体可用来对流体进行导向。

图35图解了通过流体分配板进行重新分配的中央流体。

图36图解了高压汽化器的分解图，所述高压汽化器具有中央供料入口、第一和第二板以及位于正交垫片中的二维通道阵列。用中央放置出口管在通道阵列的相对一侧收集流体，直接与入口管入口相对。

图37图解了具有未对齐排列的孔板的歧管设计。

图38为设备的截面顶视图，其中上游歧管包括孔板。

图39A和39B图示了使用可移动分配板的错流反应器。

图40图示根据对比例1用10^-06kg/s的空气进行分析得到的连接通道中的通道质量通量速率。

图41图示根据对比例1用10^-06kg/s的空气，在室温和压力下，在流动并包括所有动量条件的条件下进行分析得到的连接通道中的通道质量通量速率。

图42图示根据对比例1用10^-06kg/s的水，在室温条件下，在流动并包括所有动量条件的条件下进行分析得到的连接通道中的通道质量通量速率。

图43图示根据对比例1用10^-06kg/s的水在上游歧管和下游歧管的宽度更宽的条件下，在流动并包括所有动量条件的条件下进行分析得到的连接通道中的通道质量通量速率。

图44图示根据对比例1用10^-05kg/s(图43中的数值×10)在上游歧管和下游歧管宽度更宽的条件下，在流动并包括所有动量条件的条件下进行分析得到的连接通道中的通道质量通量速率。

图45图解了所示上游歧管的空气M2M歧管中以及门设计中的静态表压对实施例2中燃料门数目的关系图。空气门数目1对应于空气亚歧管1、门1，而燃料门数目18对应于亚歧管6和门3。

图46描述了所示上游歧管的燃料M2M歧管中以及门中的静态表压对实施例2中燃料门数目的关系图。空气门数目1对应于空气亚歧管1、门1，而燃料门数目18对应于亚歧管6和门3。

图47描述了所示空气和燃料通道中的通道质量流速对实施例2中的燃料通道数目的关系图。燃料通道1是亚歧管1的通道1，而燃料通道72是亚歧管6的通道12。

图48描述了所示实施例3的空气歧管测试件的质量流量分布对通道数目的关系图。通道1最接近歧管入口，而通道12最远。

图49是作为通道位置离开亚歧管进口的距离的函数的静压图。

图50图解了实施例4中2.00″宽M2M通道的通道流体分布，M＝0.160″，L＝0.120″，且B＝0.5。

图51图解了所示最小质量指数因子对连接通道到歧管的压降比(PDR₂)，其在实施例5中解释。

图52图解了所示最小质量指数因子对连接通道到歧管的压降比(PDR₁)，其在实施例5中解释。

发明详述

平面中的流体分布

歧管流体动力学的讨论

本部分描述了对歧管设计很重要的歧管物理学，开始介绍M2M歧管与较大尺寸歧管系统有何不同。下面部分将用实验方法介绍得到的本发明M2M参数。Fried和Idelchilk在“流体阻力：工程设计指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年以及Idelchik Dekker在“工业设备的流体动力学：流体分布设计方法”，Hemisphere Publishing Corporation，1991年中已经提到了设计常规尺寸管道和导管歧管的方法，所述管道和导管歧管的大横截面积连接。这些导管的特征是歧管和连接通道具有大的水力学直径。由于水力学直径较大，即使小的比速度或质量通量速率都会产生紊流态雷诺数，该数控制摩擦损耗和其它歧管物理性能。在M2M歧管中，歧管通道构造在设备的层中，所以它们的水力学直径通常与连接通道属于相同的数量级，远小于许多常规管道或导管基歧管系统。由于M2M歧管具有小水力学直径，相当大的比速度或质量通量速率可具有过渡态、甚至层流态特性，所述特征能以与完全紊流态歧管不同的方式影响流体分布。

在大管道和导管歧管中，相比连接通道，输送歧管的相对横截面积通常受到输送歧管尺寸的限制。当输送歧管的水力学直径改变尺寸以降低系统的压降时，其横截面积通常大于与连接通道的界面，从而更容易地制造连接(焊接、连接或装凸缘)。因此，对于大部分情况，连接通道与输送歧管的界面的连接对歧管的横截面积之比等于或小于1。对于M2M歧管，从歧管到连接通道的连接处用与连接通道相同的方法制造，所以连接通道开口到输送歧管的制造尺寸限制没有了。平面内制造方法可获得面积大于歧管的一个或多个连接通道，且其连接到歧管的横截面积之比可大于一。

对于较大的管道和导管歧管，直接邻近连接通道界面的歧管长度内的摩擦损耗效应通常可忽略，因为长度/水力学直径的数量级为一(L/D～1)。由于L/D之比较小，仅对稍后讨论的那个区域中的动量补偿有用。如前一段所述，邻近连接通道界面的M2M歧管的长度可以是大的，这是因为通道的几何形状使长径比远大于一，因此并不能总是假设摩擦损耗可忽略。

为了设计用于一组连接通道的歧管，通常使用一维系数来尽可能描述复杂三维流体阻力，这种分析可使用与Fried和Idelchik所用相似的方程。使用一维系数使设计者可用与电路分析相似的方法解决局部动量平衡和质量连续性，当评价用于流体分布的设计变化时是很用的。通过使用一维系数，大部分流体分布不均匀的因素都能得到确认，歧管物理性质可以本专利下述的方式得到补偿。为了使用电路分析(circuit analysis)进行设计，定义了需要解决的典型方程。本说明书进而使用图1所示的三连接通道的情况进行描述。通道有三个歧管连接区域，其中横截面积是A_c，j〔m²〕。连接通道横截面积是A_cc，〔m²〕。局部质量通量速率G〔kg/m²/s〕和局部、绝对静态压力P〔Pa〕如所示。A_c，i〔m²〕(可以是门或其它任意孔设计)可与通道面积(A_cc，〔m²〕)相同或不同。如图1A和1B所示，歧管中的横截面积在流动方向上会随宽度变化发生变化。

在本发明的许多实施方式中，分布优选是均匀的，或几乎在所有连接通道中都是均匀的。但是，应注意到少量流体的不均匀分布是可接受的，对于设备整体性能的影响并不显著。在一些实施方式中，可接受的流体不均匀分布的数量等于质量指数因子的5％、10％或最高达30％。均匀化表示保持下述条件中的一种：

恒定质量流速，m〔kg/s〕：作为设计基础，所有通道具有相同的横截面积，A_cc〔m²〕。这使Q₁值为零。这是图1A和1B中通道的基础。

恒定质量通量速率G：针对连接通道具有不同通道横截面积，但总接触时间相同的情况。这使Q₂值为零。

当所有的横截面积相等时，恒定质量通量速率简化为恒定质量流速。

对于歧管和连接通道的设计，可用一组方程来确定质量通量流速和压力。

在图1A和1B中，从连接通道i的入口到出口的动量平衡是：

$>>>\Delta P>>cc>,>i>>>=>>P>>i>,>c>>>->>P>>i>,>o>>>=>>r>cc>>sup>>G>>c>,>i>>2sup>>>2>\rho >>>->->->>(>10>)>>>>$

其中

r_cc[-]＝连接通道流体阻力

G_c，i[kg/m²/s]＝连接通道i的质量通量速率，基于A_cc。

P_i，c[Pa]＝上游歧管连接处平面中心的压力

P_i，o[Pa]＝下游歧管连接处平面中心的压力

ΔP_cc，i[Pa]＝连接通道i的压力差

ρ[kg/m³]＝流体密度。

表示一些流动阻力条件的阻力函数可用来代替一系列用于连接通道的单独动量平衡，例如摩擦损耗、横截面积变化和其它损失。阻力可以是质量通量速率、几何形态、摩尔组成变化和温度变化等的函数。可使用阻力或一系列单独动量平衡，且阻力在这里使用可简化系统。阻力函数可如下得到：将一定流速范围内的连接通道压降加起来，每个压降除以相应的压头值(head value)(G_c，i²/2/ρ)，然后通过所述压头值相关联。

为了在连接通道中产生压降，所述压降不得不根据已知关系或者实验室估计进行计算。对于连接通道笔直部分的摩擦压力损失可使用通风摩擦因子进行计算。

通风摩擦因子的来源和它们的使用方法包括适用于宽范围通道几何形状的Rohsenow等人编写“热传递手册”第3版，McGraw Hill出版，1998年和用于层流态流体的Shah和London编写的“导管中的层流态流体强制对流”增刊1，热传递中的前言，Academic Press，纽约，1978年。对于通风摩擦，应关注使用适当的层流态流体的雷诺数、通道几何因子(例如纵横比)和无水力学直径的长度(x⁺＝L/D/Re，其中L是部分的长度，D是通道的水力学直径，Re是通道的雷诺数。如果所考虑的连接通道来说不能得到摩擦因子，那么实验值可从装有压力栓(pressuretap)的所得通道中得到，所述压力栓放在充分开发的流体区域中。如果连接通道由于横截面的突然变化或平面中的变化产生了压降，那么Fried和Idelchik“流体阻力：工程设计指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年已经提出了很多方程和参考文献。

为了设定理想分布，解出G_c，j，然后得

$>>>G>>c>,>i>>>=>>G>>c>,>perf>>>=>>2>\rho >>>\Delta P>>cc>,>i>>>>r>cc>>>>->->->>(>11>)>>>>$

G_c，perf[kg/m²/s]＝连接通道理想的质量通量速率，即设计要点。

如果流体是不可压缩的，那么流体密度是连接通道条件的平均值。

如果流体是理想气体且连接通道压降小于入口压力的10％，那么密度可通过局部平均压力、温度和气体的摩尔量如下估算得到：

$>>>G>>c>,>i>>>=>>G>>c>,>perf>>>=>>>sup>>P>>i>,>c>>2sup>>-sup>>P>>i>,>o>>2sup>>>>r>cc>>>>(>>>Mw>e>>>RT>o>>>)>>>->->->>(>12>)>>>>$

其中我们使用各参数的方程组来描述连接通道条件的变化：

M_We[kg/gm-mole]＝连接通道中气体的平均摩尔分数

R[J/gm-mole/K]＝气体常数

T_e[K]＝平均气体温度

下述六个因素表征所述系统：

1.出口压力曲线，i的P_i，o从1到N总通道

2.下述的一种：

a.大歧管的入口压力，P_macro

b.或M2M歧管的入口压力，P_in

c.或歧管入口质量通量速率G₁

3.连接通道几何特征(高度、宽度、长度)

4.连接通道条件(温度、摩尔分数、加入/损失流体

5.歧管几何形状

6.歧管条件(温度)

对于图1A所示的上述信息和三通道(N＝3)系统，对于上游歧管系统有17(6N-1)未知的情况：

·6(2N)上游歧管压力(P_1，A、P_1，B、P_2，A、P_2，B、P_3，A、P_3，B)

·3(N)连接通道入口压力(P_1，c、P_2，c、P_3，c)

·3(N)在连接处入口的上游歧管M2M歧管质量通量速率(G_1，A、G_2，A、G_3，A)

·2(N-1)在连接处出口的上游歧管M2M歧管质量通量速率(G_1，B、G_2，B)

·3(N)连接通道质量通量速率(G_c，1、G_c，2、G_c，3)

在歧管中，压力A和B的确切位置定义如下：

对于上游歧管，歧管连接处i的位置A定义为歧管通道轴和一平面的交叉点，所述平面由最接近上游歧管入口的歧管连接处i的壁形成。在歧管界面i上，上游歧管位置B定义为歧管通道轴和一平面的交叉点，所述平面由离上游歧管入口最远的歧管连接处的壁形成。

对于下游歧管，在歧管连接处i的位置A定义为歧管通道轴和一平面的交叉点，所述平面由离下游歧管出口最远的歧管连接处的壁形成。对于下游歧管来说，在歧管连接处i的位置B定义为歧管通道轴和一平面的交叉点，所述平面由最接近下游歧管出口的歧管连接处的壁形成。由歧管连接处的壁“形成‘的平面是这样的平面，它垂直于歧管的中心轴，与歧管连接处的边缘交叉。

在M2M歧管上游歧管的最后质量通量速率是零，因为所述歧管终止了。

              G_3，B＝0    (13)

6N-1未知情况与下述6N-1方程有关：

·连接通道i(全部为N)的动量平衡，来自方程(9)，

·连接通道i和歧管(全部为N)之间的动量平衡，也称为“转向损耗”，歧管和歧管界面之间的流动阻力(也可以是门或格栅)：

$>>[>>>>P>>i>,>A>>>->>P>>i>,>B>>>>2>>]>->>P>>i>,>C>>>=>\zeta >>(>>>>G>cc>>>A>>c>,>i>>>>>>G>>i>,>A>>>>A>>M>,>A>,>i>>>>>,>>>A>>c>,>i>>>>A>>M>,>A>,>i>>>>)>>sup>>G>>i>,>A>>2sup>>>>2>\rho >>>Mc>,>i>>>>->->->>(>14>)>>>>$

其中：

A_c，i[m²]＝在歧管界面上，连接通道i的横截面积(不一定是连接通道的面积)

A_M，A，i[m²]＝在连接通道i上的歧管横截面积

ζ[无量度]＝从M2M歧管到连接通道的转向损耗函数

ρ_Mc，i[kg/m²]＝歧管和连接通道i之间的平均流体密度。

转向损耗可认为是连接通道总压降的一部分，并且对于流体分布具有明显的作用。转向损耗的值对于上游歧管来说是正的，对于下游歧管来说可能是正的或负的，从而对于前者产生压降，而对于后者，净静压增加。如果歧管几何形状和歧管连接处几何形状对转向损耗起作用是很好理解的话，例如大管道，你们可利用Fried和Idelchik“流体阻力：工程设计指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年中所述的转向损耗相关性。如果那不是可选的，那么得到特定歧管几何形状的转向损耗系数ζ的另一种方法可由实验压力、上游质量通量速率、平均密度和使用方程(14)求解得到。在界面处的上游歧管压力可用来代替方程(14)中的P_i，A和P_i，B的平均值，因为它表示歧管中穿过歧管连接处界面的平均压力。

·连接通道i和歧管(总共N)的质量连续方程

A_M，A，iG_i，A-A_M，B，iG_i，B＝A_ccG_c，i    (15)

其中A_M，Bi[m²]＝歧管在连接通道i处、连接通道下游的横截面积

·连接通道i和i+1(总共N-1)之间的质量连续性

A_M，A，i+1G_i+1，A＝A_M，B，iG_i，B    (16)

·在连接通道i中的歧管动量平衡，它包括摩擦损耗和动量补偿条件(总共N)

$>>>P>>i>,>A>>>->>P>>i>,>B>>>=>>k>M>>>(>>>>G>>M>,>B>,>i>>>>G>>i>,>B>>>>>>A>>M>,>A>,>i>>>>G>>i>,>A>>>>>,>Re>>(>>>>G>>i>,>A>>>+>>G>>i>,>B>>>>2>>)>>)>>[sup>>G>>i>,>B>>2sup>>-sup>>G>>i>,>A>>2sup>>]>>1>>\rho >>M>,>i>>>>>>$

$>>+>4>f>>(>Re>>(>>>>G>>i>,>A>>>+>>G>>i>,>B>>>>2>>)>>)>>>>L>>i>,>c>>>>D>i>>>>>[>>>>G>>i>,>A>>>+>>G>>i>,>B>>>>2>>]>>2>>>1>>>2>\rho >>>M>,>i>>>>>>(17)$

其中：

D_i[m]＝歧管在连接处i的水力学直径

f[无量度]＝歧管的通风摩擦因子

k_M[无量度]＝动量补偿因子

L_i，c[m]＝在连接通道i处歧管中的连接通道开口长度

ρ_M，i[kg/m²]＝在连接通道i处歧管中的流体平均密度

动量补偿系数k_M在上游歧管中是正值，如果该作用强于摩擦损耗的话，这可使穿过歧管连接处的静压增加。基于上游和下游值的平均质量通量速率可用于该分析。动量补偿效应可明显改变上游歧管和下游歧管中的压力分布。如果歧管几何形状和歧管连接处几何形状对动量补偿系数k_M的影响是很好理解的，例如大的管道，那么你可使用Pigford等人“管道网中的流体分布”INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第22卷，INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第463-471页，1983年中所述的转向损耗相关性。如果这不是可选的，那么得到特定歧管几何形状的动量补偿系数的另一种方法是由实验压力、上游和下游质量通量速率、平均歧管密度和使用方程(17)对k_M求解得到。

·连接通道i(总共N)的歧管动量平衡

$>>>P>>i>,>B>>>->>P>>i>+>1>,>A>>>=>>>4>f>>(>Re>>(>>>>G>>i>,>A>>>+>>G>>i>->1>,>B>>>>2>>)>>)>>>L>>n>,>i>>>>>D>>n>,>i>>>>>>>(>>>>G>>i>,>A>>>+>>G>>i>->1>,>B>>>>2>>)>>2>>>>2>\rho >>>n>,>i>>>>->->->>(>18>)>>>>$

其中：

D_u，i[m]＝在连接通道i之前的歧管上游部分的平均水力学直径

L_i，c[m]＝在连接通道i处歧管中的连接通道开口长度

ρ_u，i[kg/m³]＝连接通道i上游处歧管中的流体平均密度

因此，对于6N-1未知情况有6N-1个方程。这些非线性公式可使用许多求解策略同时求解。如果歧管中歧管通道的宽度是恒定的，那么方程可简化。请注意，对于气体，局部平均密度是局部压力的函数。

对于下游歧管可写出相似的一组6N-1方程。歧管流动方向是从A到B。下游歧管G_i，A值是零，这是因为在第一歧管连接处之前没有流体。在方程(14)中，歧管连接处到歧管的压降可随着基于G_i，B的头项(head term)质量通量改变方程(14)右手边的符号(sign)。在(14)中，下游歧管转向损耗系数的值也取决于G_i，B。在界面处的下游歧管压力可用来代替方程(14)的下游歧管版本(version)中的P_i，A和P_i，B的平均值，这是因为它可表示歧管中穿过歧管连接处界面的平均压力。方程(15)的连续性方程的右手侧符号可变成负的，而(16)中的连续性方程可以是相同的。方程(17)的形式是相同的，从而也会由于结合的摩擦和动量补偿损耗造成净静压升高。方程(17)的改变仅仅是之比倒过来，所以下游歧管质量流速对于下游歧管来说是正确的。方程(18)中止(stay)，就象对于下游歧管一样。

对于下游Z-歧管和下游L-歧管，歧管连接处i的数量级增加与上游歧管中的方向一致。G的方向可与U-歧管的上游歧管方向相反。这意味着歧管界面编码方法与上游歧管的方向相反。

M2M歧管物理性质

流体流动发生在阻力较小的通路中，以离开歧管。相比下一部分所述的歧管物理性质，如果连接通道在设计流速下具有大的压降，那么连接通道中的流体分布大部分是相等的，且富有经验的歧管设计并不是必需的。相比歧管压降，如果连接通道在设计流速的压降较低，然后根据上游歧管和下游歧管压力分布，那么就有可能产生较差的流体分布。歧管物理性质对连接通道压降必需得到平衡，以得到对于给定歧管必需的连接通道流体分布。

对低的相对流速，摩擦损耗控制歧管中的静压分布，因为小的压头值不会提高转向损耗或动量补偿静压变化。这些情况的例子包括具有较长接触时间的实验室-芯片(lab-on-a-chip)分析设备和反应。为了将流体分配到微秒接触时间反应器和快速液相反应中，即使在低雷诺数的情况下，歧管可具有非常高的质量通量速率或速度。这些大的压头值可不仅提高摩擦损耗而且提高充分的转动和动量补偿静压变化。后面的两个压力变化可明显影响歧管中的流体分布。

动量补偿指基于从连接通道离开歧管和进入歧管的流体的歧管静压变化。流体每次离开上游歧管进入连接通道时动量补偿都会提高上游歧管的静压，且可能的是与动量补偿有关的静压升高大于连接处的摩擦损耗。静压的升高可认为是将流体“推”入连接通道的方法。动量补偿可降低下游歧管中的静压，且静压中的损失可加速连接通道中的流体在歧管流动方向上流动。动量补偿和摩擦损耗的结合可极大地降低M2M下游歧管流动方向上的下游歧管静压。

动量补偿是质量流速比、刚好分配点上游和刚好下游的歧管流速之比以及歧管中流体的流态的函数。质量流速比为0到1，且质量流速比是上游歧管下游对上游质量流速之比；以及对下游歧管，是上游对下游质量流速之比。具有足够高的压头的微通道M2M歧管的动量补偿静压升高足够大，以增加上游歧管中的静压，而不管摩擦静压损失，从而提高静压驱动力，使流体在连接通道流动方向中流动。静压升高的例子如图2A所示，其中基于紊流管转向损耗和动量补偿系数计算大M2MZ-歧管系统中上游歧管或下游歧管的静压升高。通道1是与上游歧管交叉的第一连接通道，而通道19是与下游歧管交叉的最后连接通道。下游歧管中的动量补偿效果随着通道数的增加提高静压(流动方向)，而不管摩擦损耗，而在下游歧管中结合的摩擦和动量补偿损耗随着通道数增加压低静压。所得压力分布将更多流体输送到更高数目的通道中，这是因为连接通道流动阻力相同的情况下压力差驱动力更大。

微通道上游歧管动量补偿系数对局部平均雷诺数的实验数据常见图2B。实心形状描述了不同的歧管质量流速比(下游比上游)。上游歧管质量流速比为零表示上游歧管中的最后一根通道，而二分之一表示次于最后一根通道，假定两根连接通道中的质量流速相等。当通道数字从上游歧管的端部增加时，比值也增加，最大到接近1的值。如所述，转向损耗与雷诺数相关，就象上游歧管处于层流态(Re＜2200)或过渡态(2200＜Re＜4000-5000)时看到的。对于许多曲线，M2M上游歧管动量补偿系数变化可在从层流态转变到过渡态过程中看到。M2M上游歧管动量补偿系数值与Pigford等人“管道网中的流体分布”，INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第22卷，INDUSTRIAL &ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH，第463-471页，1983年所述管道中看到的数量级相同或更高(0.4-0.7的值)。这些M2M上游歧管动量补偿值在实验室中可提高上游歧管静压，即使入口雷诺数低于1000。

平均上游歧管雷诺数用作M2M动力补偿系数的基准，因为该系数得自从连接通道开始处到出口的实验室静压减去摩擦压降的变化，它基于平均雷诺数。当连接通道开口在M2M歧管的流动方向上非常长，且间隔相互靠近，如前述部分所述，歧管中的压力可稍微变化。

上游歧管中的雷诺数可在M2M歧管中稍微变化，这是因为其水力学直径较小且为快速反应供料所需的质量通量速率较大，热交换器的效果较高且由微通道结构体辅助的其它单元操作。一些优选实施方式具有50毫秒或更少的可操作接触时间(通过连接通道的接触时间)，并且一些实施方式的接触时间为10毫秒或更少。优选实施方式中的雷诺数沿着M2M歧管从紊流态流体变化到过渡态流体，再变化到层流态流体；在其它优选实施方式中，它可从过渡态流体变成层流态流体。在其它优选实施方式中，它可从过渡态流体变到紊流态流体。对于流态发生变化的M2M歧管，摩擦损耗和M2M动量补偿损耗(后者常见图2B)会随之发生变化。流态变化影响M2M歧管中的压力分布，并且可形成较差的流体分布。

转向损耗定义为连接通道用来将流体输送到歧管以及从歧管输送到连接通道所需的静压变化。转向损耗是以下因素的函数：

1.连接通道界面比歧管界面的横截面积之比；

2.连接通道的质量流速与连接处、上游或下游中最高歧管质量流速的局部比值；以及

3.歧管截面的形状。对于矩形截面，所述形状用歧管纵横比来量化。

当歧管和连接通道界面的横截面积是恒定值时，最接近上游歧管入口的连接通道的上游歧管转向损耗可高于较远的下游连接通道。转向损耗随着歧管中的位置而发生变化，这基于歧管压头的变化：压头值在上游歧管流动方向上下降，所以使一部分转向并不需要太大的能量强度。

图2C描述了所示M2M上游歧管转向损耗系数对格栅界面比上刚好格栅界面上游的歧管的连接通道与上游M2M上游歧管质量流速比，所述M2M上游歧管转向损耗系数在格栅界面与歧管面积比为0.09的微通道M2M上游歧管中测得。图2C的实线也描述了对于大尺寸歧管的转向损耗系数，它来自Fried和Tdelchilc的“流动阻力：工程设计指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年。通常，微通道M2M(大到微)转向损耗系数与Fried和Tdelchilc转向损耗系数相似：随着连接处与歧管横截面积之比的下降，所述值上升。这暗示需要更大的压降值将歧管流体转向到更小的连接通道开口中。随着连接通道与上游M2M上游歧管质量流速比的增加，转向损耗系数也相应增加(或者，随着歧管向下的位置增加，0对应于第一通道，1对应于最后一根通道。但是，如果连接处与歧管横截面积之比恒定的话，对于上游歧管中的第一通道来说，基于格栅界面的上游歧管上游的产品和转向损耗系数的转向损耗高于最后一根通道。这是因为转向损耗系数值随着连接通道与上游M2M上游歧管质量流速比接近1(即上游歧管末端)而产生的增加与歧管上游歧管随着歧管质量流速的损耗而下降的数值不一样大。

图2C中的微通道转向损耗是2-5的因子，它高于紊流管的值，从而使转向损耗甚至高于连接通道与上游M2M上游歧管质量流速比大于0.2的管道。M2M歧管的歧管纵横比(矩形的最大侧边比上最小侧边)使上游歧管转向损耗较高。M2M歧管通道高度受到堆积的限制，这是因为重复层之间通常有高度的限制值。对于通道宽度的限制，M2M歧管可提高其宽度，以提供流动用的总歧管横截面积。通过提高流动用歧管的横截面积，可降低摩擦损耗和动量补偿静压变化。通过提高横截面积，也可降低局部歧管的压头。由于M2M歧管通道纵横比增加，所以从歧管到连接通道的流动转向可提高来自上下通道壁的剪切应力。这些壁的剪切应力可随着M2M歧管纵横比的提高而增加转向损耗压降，其中环状管和几乎矩形的横截面导管的该效应更小。例如，在图2C的M2M转向损耗系数条件下，M2M歧管通道纵横比约为16∶1。

对于下游歧管转向损耗，还有更有趣的现象。图2D描述了所示下游歧管的实验室M2M下游歧管转向损耗系数的负值对连接通道与在下游歧管连接的连接处、下游中最高歧管流速的局部连接通道/上游M2M上游歧管质量流速比。在图2D中，M2M下游歧管转向损耗系数在下述条件下测得：连接通道界面与歧管面积之比为0.09且M2M歧管纵横比为16∶1，根据Fried和Tdelchik“流动阻力：工程设计指南”，Hemisphere Publishing Corporation，1989年所述相同的连接/歧管横截面积之比，画出大歧管数。导管歧管的负下游歧管转动系数(来自Fried和Idelchik)描述了下游歧管转向损耗系数随着连接通道/上游上游歧管质量流速比的增加而单调增加。在图2D中，两种情况下的负下游歧管转向损耗系数表示这些系数是负值，所以当下游歧管转向损耗系数通过连接通道的歧管上游歧管下游成倍增加(multiple)时，从连接通道出口到歧管的静压就会出现净升高。该静压升高在某种程度了补偿了静压上游歧管转向损耗。M2M歧管纵横比为16∶1时的下游歧管转向损耗系数是两种或三种小于Fried和Idelchik下游歧管转向损耗系数中的一种因素。M2M歧管纵横比可能对下游歧管转向损耗系数之差有非常强烈的贡献，同时相比Freid和Idelchik中的大歧管系统，壁剪切应力会降低净静压的升高。

总得来说，实验室M2M歧管动量补偿和M2M歧管转向损耗系数的值与大歧管和导管系统中所报道的值有较大的差别，这主要是因为大M2M歧管纵横比的歧管通道起作用。这些大M2M歧管纵横比需要降低M2M歧管中的速度，然后降低传动摩擦、转向和动量效应的局部压头值。为了避免制造比上述值更大且结合有转向损耗的大M2M歧管纵横比，宽M2M通道可分成几根宽度更小的小歧管，它能将流体分配到总连接微通道的一小部分中。这些小歧管称作亚歧管。如果动量补偿系数和转向损耗系数对于给定M2M歧管中的M2M歧管纵横比来说是很好理解的，那么可调整歧管和连接通道横截面积来调整转向损耗，以补偿其它歧管由于摩擦损耗产生的静压变化和动量补偿静压变化。通过用与驱动流体均匀流过连接通道(不管歧管压力分布中的其它变化)相同的方法调整转向损耗，可使每根连接通道中的流体分布均匀。为了控制转向损耗，可用本发明截面可变的格栅和门。除了M2M歧管中用于控制流体分布其它新方法，在下一部分还讨论亚歧管、格栅和门。

M2M分布层

进入微装置的M2M的流体通常途经大型管、管道或导管。每根大型管或导管还可连接平行操作的多个微装置。流体分布发生在多层中。一根大的管或导管将流体计量流到1个或2个或更多微装置。一旦流体进入微装置，它可经再分离进入亚歧管。每个亚歧管用于将流体分配入至少2根或更多连接通道。然后可将流体在连接通道内再分配入亚通道。例如可通过使用鳍状物(粘结之前或之后插入)或其集成物(例如那些由层压物或垫片形成的)形成亚通道。一根微通道中的流体可分入至少2根亚通道，在一些实施方式中，分入10-100根亚通道。

微-大歧管中改善的分配

和上节讨论的一致，当连接通道与歧管的横截面比率变小，M2M歧管纵横比较高时，歧管内转向压力损耗的效应对上游歧管内的第一通道或下游歧管内的最后一个通道来说变得剧烈。如果一根M2M歧管将液流分配入大量的连接微通道中，则可增加歧管宽度来降低质量通量速率，从而足以避免大的转向损耗。而这反过来降低了连接和歧管横截面之比，并增加了M2M歧管纵横比，从而提高了转向损耗。该转向损耗叠加到总体连接通道压降(包括摩擦的和其它的损失)上，并可导致较差的流体分布。这可见于微通道过程技术(MPT)设备中，其中较大的流可经长途分配至个别微通道中。

将更大的M2M歧管分裂成更小的平行M2M歧管的级联层，每根M2M歧管为2根或多根连接微通道供料，或一根大M2M歧管纵横比的连接微通道可改善流体分布。一根歧管可用壁分成独立歧管，每根亚歧管处理总流体的一部分。该变化增加了连接与歧管横截面积之比，并降低了横截面的M2M歧管纵横比，使转向损耗更低。图3A示M2MZ-歧管分为2根独立的M2M亚歧管312，314。该亚歧管除了长度L_M2M的分配区域之外还包括长度。该增加的长度可用来调整亚歧管的压降。

大歧管和连接通道分配部分之间的亚歧管部分的宽度可进行改变，从而影响亚歧管的流动阻力。图3B描述了一种L-歧管的亚歧管设计，它具有2根亚歧管和等流阻的连接通道。具有较长上游流径的亚歧管宽度w₂要比具有较短上游流径的亚歧管通路w₁宽。上游宽度中的差别可降低较长流径亚歧管的流动阻力并提高较短流径亚歧管的流动阻力，从而两根亚歧管都能计量相同数量的总流体。对于该L-歧管的亚歧管宽度设计的相似方法可用于U-歧管，它在多根亚歧管中具有相同问题的压降，所述亚歧管增加了在包括不同长度上游歧管和下游歧管的亚歧管之间的总流体阻力匹配阻力。其它好处是分隔亚歧管的壁可用作机械支撑的梁，以处理在堆叠方向上直接施加在壁垫片上下的负载。

通道壁通常需要一些材料以将末端保持在一起，保持在一起的方式可避免形成长和悬挂功能元件，所述功能元件会在制造和/或操作过程中移动位置。图3C描述了以下一个例子，其中其微通道终止于四通管37中的一片或多片垫片垂直于通道轴，在微通道的末端给出信号。在该例子中，四通管37形成限定歧管370一侧的格栅。由四通管37和相邻通道中的开口空间形成的平面是连接通道平面出口或入口。该连接通道平面设计与Golbig等人所述的设计以及实施例1所讨论的设计类似，不同的是Golbig′s中的连接通道位于37下的平面内，且不延伸到37的平面内。

图3D描述一个实例。在该实例中，每根四通管的39(上垫片)、38(下垫片)形成了格栅的一部分。由垫片通道末端中的差别形成的开口36为微通道35和M2M歧管之间的流体流动形成了界面。

在一些实施方式中，更好具有更多的M2M区域进行流动，以降低M2M质量通量速率，从而可降低动量补偿静压变化、转向和摩擦损耗。图3D描述了单一亚歧管的“格栅”概念。对于上游歧管384，流体在M2M中流动，并转向进入以及越过伸开的“格栅”38，进入由下垫片38和上垫片39形成界面通道36，上垫片标记了微通道的末端。流体然后离开界面，进入微通道35。流体分布可通过改变“格栅”伸出进入歧管越过M2M歧管长度的程度来进行调节，也可通过改变四通管33下面的开口36的宽度进行调节。图3D中的设计在流体分布测试装置进行测试。

“门‘将M2M歧管连接到2根或多根连接微通道上。门功能元件有助于在比常规孔更低的压降下分布流体，这可通过使所有流体具有均匀的大的突然膨胀和收缩压降得到流体分布。该门使用转向损耗来计量输送到连接通道、连接通道组或亚歧管的流体，并且通过改变门横截面积来完成上述操作。调整该转向损耗使门可补偿歧管压力分布中的变化，这样连接通道的压降就是相等的。门也可使用摩擦损耗、膨胀和其它分布功能元件来加入反压力。通过改变门的横截面积，可从较大歧管层叠(cascade)中的亚歧管中增加反压力或出去反压力，从而控制总的歧管流动阻力。

在L-歧管中，通过将流体压过连接通道入口中的窄开口，连接通道中的孔门31使分布变得平滑。图3E和3F描述了门的一个实例，其中灰色垫片中的开口使流过壁的流体流入，所述壁由2片或多片垫片的堆叠形成。该“门”是“门”设计的延伸，它把末端带到垫片几何形状中的连接微通道，并从M2M歧管通向微通道。

门和格栅使用转向损耗来使连接通道界面上的静压分布均匀化，但是它们的作用方式与孔是不同的。孔使用恒定的小歧管连接横截面积，以使各个连接具有大的流动阻力，且在形成更高总体压降时产生高的操作成本。本发明所述的门和格栅使用了2个或多个横截面积变化的开口，以使用自然发生的转向损耗来克服由于歧管物理性质造成的歧管静压分布。在实施例3中，流动方向中的门开口的尺寸减小，以补偿第一开口的较大转向损耗，以及在最后两个门处升高的静压驱动力(由动量补偿产生)。这些门尺寸有助于控制流体，没有产生与孔流体阻力相关的大压降。对于门和格栅，DPR₂的优选值大于2，更优选大于5，在一些优选实施方式中，它大于10，在一些实施方式中，它是5-30。比值越高，操作成本越低，所述操作成本是由歧管中的压降产生的。

降低上游歧管流动方向(常见图3G)中的门的横截面积可改善分布，这是因为(1)第一开口处的大的门宽度可补偿歧管中第一界面处可看到的较大的相对转向损耗D；以及(2)对于第一门的门下游，降低门尺寸和提高转向损耗的不利结果可抵消沿歧管长度向下的静压增加，该静压增加由歧管动量补偿造成。

流动态

歧管流体的相对动量在歧管物理性质中起重要作用。对于具有较大压头值的M2M歧管，动量补偿和转向损耗是更显著的，并且对于流体分布比歧管摩擦损耗具有更大的影响。但是，如果歧管流体没有大的压头值，那么摩擦损耗就是主要的影响，使用补偿高动量现象的歧管功能元件使它们的效力受到了损失。如前所述，微通道M2M歧管可在低雷诺数条件下得到大的压头值，这是因为它们较小的水力学直径补偿了大速度和质量通量速率。这些大的压头值可发生在层流态中，层流态的雷诺数远低于过渡态和紊流态的雷诺数。对于大管道和导管歧管系统，相同的压头值处于紊流态中，这是因为它们本身具有的较大水力学直径。

进入大歧管的流体流态通常是紊流态或过渡态。然后，流体在微装置的歧管中进行其它流态变化，从紊流态变到过渡态，变到层流态。或者，流体可只进行一次流态变化，从紊流态变到过渡态，或从过渡态变到层流态。

作为测定M2M歧管是否具有大压头值的方法，我们可使用比值Mo：

$>>Mo>=>>>>1>>2>\rho >>>[>>G>2>>->0>]>>>>>>4>fL>>>M>2>M>>>D>>>>G>2>>>2>\rho >>>>>=>>>\{>>>4>f>>L>>M>2>M>>>>D>>\}>>>->1>>>->->->>(>19>)>>>>$

其中

D[m]＝在M2M处的歧管水力学直径

f[无量度]＝M2M的通风摩擦因素。对于通道来说，各种通道几何形状的通风摩擦因素的来源可常见Rohsenow等人的“热传递手册”，第三版，McGraw Hill，1998年。对于通风摩擦因素，可关注使用合适雷诺数、通道几何形状因素(例如纵横比)和水力学无量度长度(x⁺＝L_M2M/D/层流态的Re)。

G[kg/m²/s]＝在M2M处的质量通量速率

Re[无量度]＝在M2M处的雷诺数

比值Mo(参见方程18)比较了最大的M2M歧管压头值、转向损耗和动量补偿静压变化的驱动力与摩擦损耗，所述歧管可审查最大的M2M歧管上游歧管是否施加到全部歧管长度L_M2M上。小的Mo值表示M2M作用相比摩擦损耗是小的，这忽略了亚歧管对控制流体的一些作用以及格栅和门对控制流体的所有作用。如果Mo值大于一些小比值，例如Mo＞0.05，那么压头驱动转向损耗和动量补偿条件对于流体分布有作用。当Mo大于0.05时，控制转向损耗和歧管静压分布的亚歧管、格栅、门和其它结构体可改善M2M歧管流体分布。当Mo小于0.05时，歧管摩擦损耗控制流体分布。

Mo数的一个替代是FA数。FA数的目的是避免分布在短歧管长度中的层流蠕动流体。FA表达式是流速/流态(或雷诺数)、歧管水力学直径和歧管长度的函数。以下是FA数的表达式：

其中水力学直径D的单位是英寸，歧管长度L_M2M的单位是英寸，雷诺数的定义与Mo中相同。

在优选实施方式中，FA＜0.01。例如，如果歧管的水力学直径是0.080″(0.20厘米)，那么下表给出了当FA＜0.01时对于亚歧管长度的要求。

  雷诺数  亚歧管长度(英寸)  10  L_M2M＞0.04”  100  L_M2M＞0.09”  1000  L_M2M＞0.23”  10000  L_M2M＞0.51”  100000  L_M2M＞1.05”

这表示当Re＝10且D＝0.08″(0.20厘米)时，亚歧管长度＞0.04″(0.10厘米)的任何歧管设计的FA都＜0.01。

五流体、整合燃烧器和重整装置的构造

基于微通道的模块设计成进行甲烷流体重整，其中热量由空气和燃料燃烧供应。所述燃烧和重整反应在相同的设备中进行，所述设备具有三个区域：

歧管：歧管区域将流体分配入通道中。有五股流体需要歧化。这些流体是燃料、空气、废气、试剂和产物。燃料和空气进入设备，并作为废气离开。试剂进入，进行处理并作为产物离开。

热交换器：离开设备的废气和产物处于高温状态。热交换器使热量从废气和产物流返回到燃料、空气和试剂流中。该返回有助于使在反应器中进行化学反应的流体具有所需的温度。

反应器：反应区实际上是反应器加上热交换器。大部分化学反应发生在反应区中。发生在设备中的反应是：燃料通道的燃烧(催化且均相的)，试剂通道中的甲烷流体催化重整反应。在任选的实施方式中，燃料或加工原料的一些预重整可发生在涂覆催化剂的热交换器部分中。

燃料通道涂有不同类型的催化剂，所述催化剂可促进低温燃烧(非均相燃烧)。燃烧热通过壁传递到反应通道中。该热量驱动流体重整反应。

燃烧模块的M2M歧管设计成将燃烧反应流体(如天然气、氢气、一氧化碳等燃料，其中燃料侧有或没有空气，空气侧有或没有空气)分布于燃烧通道阵列中，这样它们就能在模块的连接微通道中混合。空气和燃料从模块的相反方向进入，在燃烧部分混合，且混合的废气在向下移动到返回微通道之前进行U-转弯，离开模块的末端，形成两股流体用的上游L-歧管。

由于每根M2M歧管为多根独立的毫秒接触时间的微通道反应器(在该实例中为72)供料，但是可从几到几千)，因此不得不分配具有高动态压力(G²/(2ρ)＝ρU²/2)值的大流速。总的组合M2M和通道压降是重要的，并且在每根通道中使空气和燃料充分分配是特别重要的，因为这需要混合几乎为化学计量量的燃料和氧化剂(空气)的混合物。对于该系统，得到均匀的流体分布的方法由于许多制造方法和大歧管的约束而变得复杂。所得设计包括一些创新，例如：多(在所述实例中为六)根亚歧管，其中每根亚歧管对应多根(12根)通道；以及每根亚歧管对应多个(3个)门，其中每个门对应多根(4根)下游连接通道。

图4A是堆叠设备中的垫片的分解图。图4-22是装配在设备中的垫片俯视图。所有垫片的总尺寸为31.47英寸(长)×22.00英寸(宽)。该垫片的长和宽定义如图4B。垫片的厚度定义在垂直于长度和宽度的方向上。1-28的垫片相互在顶部堆叠，形成设备的重复单元。重复单位的堆叠高度为0.43″。在该设备中总共有49个重复单元。所述设备的总高度是23.1″。对于所有垫片来说，沿着长度的周边空隙为1.00″，沿着宽度的周边空隙为1.50″。该标记的周边金属并未成为最终设备的一部分，且其仅能增强金属扩散粘合性。对于所有垫片的底部和侧面，都形成了矩形槽(slot)。这些槽的目的是在后粘合制造操作(例如插入放电机器)过程中为开口亚歧管提供位置指示。右侧的槽用于燃料流12和试剂流14亚歧管，左侧的槽用于空气流16和产物流18，底部19的槽用于废气流。

垫片中的所有开口通过槽或孔。在所述设备中，流体通路是槽或孔。通路之间的流体由肋状物(rib)(位于相同流体的垫片中)或壁垫片(在不同流体之间)分隔。

图4B描述了壁垫片。垫片的厚度是0.020″。该垫片分隔燃料流和重整反应流。该垫片也将燃烧通道中产生的热量转移到流体重整反应用的反应通道中。

图5描述了壁垫片。该垫片的厚度为0.020″。该垫片分隔燃料流和试剂流。垫片也将燃烧通道中产生的热量转移到流体重整反应用的试剂通道中。垫片中的槽32可将催化剂载体鳍状物保持在燃料通道中。

图6描述了形成燃料流用通路的垫片。垫片的厚度是0.012″。垫片上的槽形成了燃料流用功能元件。燃料从垫片的右端通过6个入口44(指亚歧管)进入。垂直于流动方向的这些亚歧管的宽度从底部开始为0.60″、0.60″、0.55″、0.50″、0.50″和0.40″。所有六根亚歧管都由0.060″的肋状物隔开。流动方向中的亚歧管长度从底部开始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如图所示，来自每根亚歧管的流体分配到三根超级通道(super-channel)中。流体流过0.060″的肋状物从亚歧管进入这些超级通道。在流动方法中，超级通道的长度是0.50″。每根超级通道还将流体分散进入四根通道中。许多薄通道42由0.060″肋状物隔开，其中第四个肋状物是0.120″。所有的通道42是0.160″宽。流体经过热交换器区域46，接受来自废气流和产物流的热量，并进入燃烧区域48。在燃烧区域中，燃料与空气混合，并在燃烧催化剂存在下燃烧。

图7描述了另一种垫片，它形成了燃料流用的通路，结合图6所示垫片的通道。该垫片的厚度为0.025英寸。垫片的缝隙形成燃料流用元件。燃料从垫片的右端通过6进入入口52(称作亚歧管)。这些亚歧管的宽度垂直于流动方向，从底部开始为0.60″，0.60″，0.55″，0.50″，0.50″和0.40″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物54分隔。在流动方向中，这些亚歧管的长度从底部开始为16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亚歧管具有小开口56(门)，以计量进入通道的流体。每根亚歧管具有3个门。总共有18个门计量进入通道的流体。门在流动方向中的长度为0.060″。门的宽度从右边开始为0.105″、0.102″、0.094″、0.122″、0.199″、0.103″、0.143″、0.142″、0.127″、0.160″、0.161″、0.145″、0.299″、0.230″、0.152″、0.560″、0.555″和0.550″。通道58由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四根肋状物都是0.120″。所有的通道都是0.160″宽。所述流体流径热交换器区域57，从废气流接受热量，并进入燃烧区域59。在燃烧区域中，燃料与空气混合，并在燃烧催化剂存在下燃烧。

图8描述了一种喷射垫片，它用作歧管和热交换器区域中的燃料流和空气流之间的壁垫片。该垫片的厚度为0.010″。在燃烧区域中，该垫片提供了通路62(称为孔)，以将空气混入燃料中。对于每根通道(燃料或空气)，有18个孔将空气混入燃料。从底部开始，第一孔是具有直径为0.012″的半圆末端的矩形槽(slot)。槽的最长长度位于流动方向中。第二孔是侧边长度为0.012″的等边三角形，并以与第一孔的距离为0.133″放置。第三和第四孔是0.012″直径的洞，它们设置成与第一孔距离0.267″。第五孔再次是与第一孔距离0.386″的三角形槽。第六到第十五孔是直径为0.012″的圆形洞，并以与第一孔距离0.594″、0.769″、0.969″、1.168″、1.615″、2.112″、2.658″、3.257″、3.257″、3.857″、4.624″设置。第十六和十七孔是直径为0.012″的洞，与第一孔距离5.392″设置。

连续的0.050″槽64形成在垫片的顶部，以通过废气通道输送燃烧后的燃料(废气)。该槽使流体在上游歧管和下游歧管之间的连接通道之间流动。

图9描述了垫片，它形成空气流用的通路。垫片的厚度是0.012″。垫片上的槽形成了空气流用的功能元件。所述空气从垫片的左端通过6进入入口92(称为亚歧管)。这些亚歧管的宽度垂直于流动方向，从底部开始为0.60″、0.60″、0.55″、0.50″、0.50″和0.40″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物分隔。在流动方向中，亚歧管的长度从底部开始是16.93″、14.1I″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如附图所述，来自每根亚歧管的流体分配进入三根超级通道94。所述流体流过0.060″肋状物96，以从亚歧管进入超级通道。超级通道在流动方向中的长度是0.50″。每根超级通道还将流体分入四根通道中。这些通道由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四根肋状物是0.120″。所有的通道99是0.160″宽。所述流体流经热交换器区域，从废气和产物流接受热量，并进入燃烧区域。在所述燃烧区域中，空气通过孔62流入F1(图4)和F2垫片(图5)，以燃烧燃料。连续的0.050″长槽95形成在垫片的顶部，以经过所述废气通道输送燃烧的燃料(废气)。

图10描述了另一种垫片，它与图9所示的垫片结合形成了空气流用的通路。垫片的厚度是0.025″。位于垫片上的槽形成了空气流用的功能元件。空气从垫片的左端通过6进入入口(称为亚歧管)。这些亚歧管的宽度垂直于流动方向，从底部开始为0.60″、0.60″、0.55″、0.50″、0.50″和0.40″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物分隔。在流动方向中，所述亚歧管的长度从底部开始为16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亚歧管具有小的开口(门)，以计量进入通道的流体。每根亚歧管具有3个门104。总共有18个门，以计量进入通道的流体。在流动方向中，门的长度为0.060″。门从右边开始的宽度为0.188″、0.175″、0.172″、0.165″、0.167″、0.167″、0.240″、0.235″、0.232″、0.260″、0.260″、0.260″、0.277″、0.277″、0.277″、0.590″、0.580″和0.588″。所述通道由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四根肋状物是0.120″。所有通道是0.160″宽。所述流体流经热交换区域，从废气和产物流接收热量，并进入燃烧区域。在燃烧区域中，空气流过喷射垫片，以与燃料通道中的燃料反应。连续的0.050″长槽106位于垫片的顶部，以经过废气通道输送燃烧的燃料(废气)。

图11描述了壁垫片，它隔开空气流和废气流。垫片的厚度是0.010″。在垫片的顶部有槽，燃烧后燃料(废气)经过这些槽输送到废气通道中。

图12描述了具有废气流通道的垫片。垫片的厚度是0.020″。所述废气流从垫片的顶部流到垫片的底部。所有的流体通路宽0.160″，并由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四肋状物是0.0120″。所述废气从垫片顶部的U-转弯进入通路，流经与燃料和空气交换热量的热交换区域，并在底部流出垫片。

图13描述了具有废气流通道的垫片，所述废气流通道与图12中所述的通道成对。所述垫片的厚度是0.020″。所述废气流从垫片顶部流到垫片的底部。所有流体通路宽0.160″，并由0.060″肋状物隔开，不同的是每第四肋状物是0.0120″。所述废气在反应区中的垫片顶部进入，流经与燃料和空气交换热量的热交换区域，并在垫片底部流出。在所述底部，0.060″的肋状物用作粘合用的载体。

与图12中的垫片一样的另一片垫片堆叠在图13中所示的垫片上。

与图11中所示垫片一样的另一片垫片是垫片堆叠物中的下一个，再下一个是与图10中所示垫片一样的另一片垫片。再下一个是与图9中所示垫片一样的另一片垫片。再下一个是与图8中所示垫片一样的另一片垫片。再下一个是与图7中所示垫片一样的另一片垫片。再下一个是与图6中所示垫片一样的另一片垫片。再下一个是与图5中所示垫片一样的另一片垫片。再下一个是与图4B中所示垫片一样的另一片垫片。

图14描述了形成试剂流用通路的垫片。垫片的厚度是0.010″。垫片中的槽形成了试剂流用的通路。所述试剂从垫片右端通过6进入入口142(称为亚歧管)。这些亚歧管垂直于流动方向的宽度为0.539″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物分隔。在流动方向中，亚歧管的长度从底部开始为16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亚歧管具有小开口144(门)，以计量进入所述通道的流体。每根亚歧管具有3个门。总共有18个门，以计量进入所述通道的流体。所述门在流动方法中的长度是0.060″。门从右边开始的宽度是0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″和0.173″。所述通道由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四肋状物是0.120″。所有通道宽0.160″。在相应亚歧管的垫片中，流体通路的长度是0.70″。在反应区域中，形成槽146(7.00″长和0.82″宽)。这些槽的目的是保持鳍状物，所述鳍状物为流体重整反应提供表面积。

图15描述另一种垫片，它结合图15中所示垫片形成试剂流用的通路。垫片的厚度是0.012″。所述试剂从垫片右端通过6进入入口152(称为亚歧管)。这些亚歧管垂直于流动方法的宽度是0.539″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物分隔。所述亚歧管在流动方向中的长度从底部开始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如附图所示，所述流体从每根亚歧管分配入三根超级通道中。所述流体流经0.060″肋状物154从亚歧管进入超级通道156中。超级通道在流动方向中的长度是0.539″。每根超级通道还将流体分入四根通道158中。通道由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四肋状物是0.120″。所有通道宽0.160″。所述流体流经热交换区域，从产物和废气流接收热量，并进入反应区。在所述反应区中，所述流体重整反应在燃烧热存在下进行。

图16描述了一种壁垫片，它隔开了所述试剂流和产物流。垫片的厚度是0.010″。连续的0.050″槽162形成在垫片的顶部，以将试剂通道形成的产物输送到产物通道中。

图17描述了所述壁垫片，它隔开了所述试剂流和所述产物流。所述垫片的厚度是0.010″。连续的0.21″长的槽172形成在垫片的顶部，以将所述试剂通道中形成产物输送到产物通道中。

图18描述了产物流用垫片。所述垫片的厚度是0.018″。产物在从垫片顶部到垫片底部的通路流动。通路宽0.160″，并且由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四肋状物宽0.120″。来自通道的流体接着收集在另一组通路184(称为亚歧管)中，所述另一组亚歧管垂直于第一组通路移动。这些通路通过0.060″肋状物与第一组通路隔开，所述肋状物与图17和19中所示垫片结合形成“格栅”。每根亚歧管在垂直于流动方向的方向中的宽度是0.539″。在所述流动方向中，亚歧管从亚歧管底部开始的长度是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。

图19描述了壁垫片，它隔开了试剂流和产物流。所述垫片的厚度是0.010″。连续的0.21″长的槽192形成在垫片的顶部，以将试剂通道中形成的产物输送到所述产物通道中。

图20描述了壁垫片，它隔开了试剂流和产物流。所述垫片的厚度是0.010″。连续的0.050″长的槽202形成在垫片的顶部，以将所述试剂通道中形成的产物输送到所述产物通道中。

图21描述了垫片，它形成了试剂流用的通路。所述垫片的厚度是0.012″。所述试剂从垫片右端通过6进入入口212(称为亚歧管)。这些亚歧管垂直于流动方向的宽度是0.539″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物214隔开。在所述流动方向中，所述亚歧管的长度从底部开始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。如附图所示，所述流体从每根亚歧管分配到三根超级通道216中。所述流体经过0.060″肋状物218从亚歧管进入所述超级通道。超级通道在流动方向中的长度是0.539″。每根超级通道还将所述流体分入四根通道219中。通道由0.060″肋状物分隔，不同的是每第四肋状物是0.120″。所有通道宽0.160″。所述流体流经所述热交换区域，从产物和废气流接收热量，并进入反应区域中。在所述反应区域中，所述流体重整反应在燃烧热存在下进行。

图22描述了垫片的附图，所述垫片结合图21所示垫片形成了试剂流用的流动通道。垫片中的槽形成了试剂流用的通路。所述试剂从垫片右端通过6进入入口(称为亚歧管)。这些亚歧管垂直于流动方向的宽度是0.539″。所有六根亚歧管由0.060″肋状物隔开。在所述流动方向中，亚歧管的长度从底部开始是16.93″、14.11″、11.29″、8.47″、5.65″和2.83″。所述亚歧管具有小开口(称为孔)，以计量进入通道的流体。每根亚歧管具有3个孔。总共有18个孔，以计量进入通道的流体。所述流体开口在流动方向中的长度是0.060″。所述开口从右边开始的宽度是0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″、0.173″、0.229″、0.209″和0.173″。所述通道由0.060″肋状物隔开，不同的是每第四肋状物是0.120″。所有的通道宽0.160″。在垫片中，流体通路的长度从相应的亚歧管开始是0.70″。在所述反应区域中，形成槽(7.00″长和0.82″宽)。这些槽的目的是保持鳍状物，所述鳍状物可为流体重整反应提供表面积。

歧管和微通道功能元件

可以对门和格栅设置横截面积限制，优选在连接通道的前面，例如，通过：穿过壁的洞，来自下表面的凸起，壁突出，及其结合。诸如圆形凸起的功能元件可通过蚀刻形成。

歧管壁可做成圆形(例如看起来好像跑道。进入歧管的流体可从上或下进入；在许多优选实施方式中，在面内进入，例如从附着到层叠垫片堆叠物的侧面上的侧面上游歧管进入。歧管壁可以是实心或有缝隙的。

在有些实施方式(参见图23)中，歧管(在所示情况下，是下游歧管)可用来通过重力和/或离心力分隔微通道设备中具有不同密度的两相。

连接通道之间的壁可以具有相同或不同长度。通道组的门可集中在中点，或与门的连接通道的中心有偏移。图24描述了具有偏移门和不同长度通道的歧管结构。在所示歧管中，对于处在中点的门来说，流体动量(从连接通道侧面进入的流体)会将最大的流体通过下游通道242压在右侧上，这是因为引入的流体从左到右流动；但是，位于歧管下游部分的门244(在所示实施方式中，门附着到下游歧管壁246上)封堵了一部分流体。可与偏移门一起使用或单独使用的另一种功能元件是位于下游(相对于进入歧管的流动方向)的较长内壁248(不是246)，以限制流体。因此，流体更均匀地分布在连接通道中。在优选实施方式中，连接通道组下游部分249中的至少一个内通道壁长于上游部分中的通道壁。更优选地，在连接通道组下游部分249中的至少两个(或至少4个)内通道壁长于上游部分中的通道壁。还要更优选地，连接通道组下游部分249包含至少两个内通道壁243和248，它们逐渐再突出入歧管区域245中。优选地，偏移和连接通道组下游部分249中的至少一个通道壁长于上游部分的通道壁可结合起来，因为对于流速大于单个功能元件的情况，该结合可提供更均匀的流体分布(更小的Q₁或Q₂)。在该实施方式中，“长于”表示所述通道再突出入歧管区域245中。对于下游歧管也可使用相似的设计理念。当2根或多根连接通道在歧管连接处结合时，来自离下游歧管出口最远的连接通道的流体相比更最近歧管出口的连接通道在歧管流动方向中具有更大的动量矢量。这会降低用于离开歧管连接处的最远通道的流动阻力，从而平衡离开通道的流体，然后我们可改变围绕上述通道242的几何形状。

图25a描述了在多个门结构中校直的流体。流体从侧面进入，并且是通过连接通道下游部分的动量偏转流体。门256和258可用来使通道组257和259之间的流体均匀化。流过连接通道254的流体可通过延长歧管区域长度L₂(或在图25a所示情况下，亚歧管区域252)来均匀化。优选地，在流动方向中，所述区域的长度L₂至少比歧管长度L_M2M长三倍(参见图1A)，在一些实施方式中，比歧管长度L_M2M长至少六倍，在一些实施方式中，L₂是比歧管长度L_M2M长20倍或更少。除非用其它方法进行改正，更短的区域会使流体偏向，而太长的区域可不必要地增加成本，且降低性能(例如，增加摩擦)。与本文所述的所有功能元件一样，该功能元件可与本文所述其它设计结合起来。

图25b描述了具有校直区域2502和流动凸起(格栅)2504的歧管，所述校直区域2502和流动凸起1504在连接通道入口2506之前。进入流体2505可从一侧歧管进入，其中流体从上、下或平面内进入。图25c是用来形成歧管/通道结构体的片材的分解图。

图26a和26b描述了具有笔直连接通道264的歧管262。所述连接通道被流动凸起266部分封堵。所述流体从歧管进入连接通道，但可通过连接通道之下的交叉连接通道重新分配在通道之间。两根这样的交叉连接通道如图25a所示，由层266形成。该系统的优点是266中的交叉连接通道可使流体再分配，歧管设计不应考虑可接受分配，这是因为空间受到限制。

图26所示结构体的改进版本可以是一种微通道设备，它包括：分布在平面中的平行微通道阵列；其中平行微通道阵列通过入口歧管在一端连接并通过出口歧管在它们的另一端连接；以及至少一根通道，所述通道分布在平行微通道之上或之下，且相对平行微通道成至少20度(优选基本上为90度)分布，它分布在入口歧管和出口歧管之间，通过开口连接到阵列中的平行微通道上。该结构体可通过形成穿过第二通道261的壁265和267形成连接来得到。穿过壁265和267的连接可分别连接到入口和出口，这样通过第二通道就有交叉流体。在一些实施方式(没有显示)中，板可隔开第一和第二层，不同的是穿过板的孔或一些孔提供了第一层和第二通道之间的互通。例如，可使用这种构造体来混合组分或者用作路径将涂料从一层加入到下一层。

图27是另一种设计的分解图(也是预装图)，所述设计具有交替排列中的流动凸起272和274，这样就没有经过连接通道的笔直流径。这种结构体形成了广泛的内通道混合。

除了流体分布，歧管也可具有混合功能。图28描述了具有交叉流体282和284的歧管，它通过分隔壁287中的缝隙285在歧管长度区域286中混合。该交叉流体混合减少了进入连接通道的动量偏移流体。所述混合可以是单种组分、两种或多种试剂或两相。在所示实施方式中，进入流体(in-flow)是共平面的；但是，应理解混合或者可通过歧管之上或之下的片材中的孔来完成。

如图29所示，歧管可倾斜以改变歧管流动方向中的横截面积，这可改变局部连接通道界面/歧管面积之比和通道M2M歧管纵横比。“倾斜”表示歧管高度(不仅仅是宽度)发生变化。优选地，歧管向上倾斜，这样邻近连接通道、离下游最远的通道(即图29中斜坡的对面)的体积最小。该结构体可通过蚀刻形成。

在一些实施方式中，从歧管到连接通道的门可成角度。这可示意性地描述在图30中。成角度的开口可通过蚀刻形成。该成角度的流体可加上或减去转向损耗阻力，并可设计成使流体更均匀地流过连接通道。在本文中，“成角度的”表示门是倾斜的，这样通过门的中心线相对通过连接通道的中心线形成了2-98度或92-178度的角度，更优选在20-80度或100-170度。优选地，该设计如所示至少一根(或者优选多根)通道(所述通道位于歧管的上游部分)成角度，以降低转向损耗(促进流动)，同时至少一根(或优选多根)通道(所述通道位于歧管的下游部分)成角度以增加转向损耗(阻止流动)。

图31描述了堆叠连接通道的分解图(或预装图)，所述连接通道包括进行内通道混合的偏移区域213。在偏移结构中，第一层中的通道壁延伸提供进入第二相邻层的流体路径。

降低流体动量作用的另一种选择是在上游歧管放置阻碍物(baffle)(没有显示)。

图32描述了门的代替形式，其中多孔体放在歧管322和连接通道之间。优选地，对于Z-歧管或L-歧管的上游歧管来说，排列多孔体，这样对于Mo值大于0.05的上游歧管来说，最大流动阻力存在于相对歧管离下游最远的多孔体324中，而相对较小流动阻力存在于上游多孔体326中。这为歧管中具有最高静压值的区域提供最高流动阻力，它是提高由动量补偿产生的静压所导致的。对于Mo值大于0.05的U-歧管来说，上游歧管的次序与Z-歧管和L-歧管中所述相反的次序补偿下游歧管中的动量补偿和摩擦损耗。通常，相对Z-歧管或L-歧管的上游歧管中的流动阻力较小的多孔体来说，优选具有较大流动阻力的多孔体位于相对上游歧管的下游。对于U-歧管而言的反转是真的。对于宽度相等的连接通道中的流体分布来说，至少三个多孔体的流动阻力随着歧管中下游距离的升高而升高。所述多孔体可以是催化性(即反应器中)或非催化性的。泡沫材料是多孔体的一个优选实例。

图33描述了一种实施方式，其中流体受穿过通道壁的柔性凸起332的影响。所述柔性凸起可从壁的一侧凸出，或通过通道壁突入两根相邻通道。

多个微装置3402和3404(每个微装置具有内部微－大歧管)还可用大歧管3405连接在一起(参见图34A)，以得到任意所需的容量或产量。该歧管的水平可包括连接微装置间流体的管道或导管。至少一股流体可位于具有连接到每个平行微装置的入口3407或出口3408的单根管道3406或导管中在一些实施方式中，所有的流体用独特的管道或导管连接。在一个实施方式中，一股或多股出口流体3409排到大气中，例如是燃烧废气流的情况下。

连接多个微装置的管道或导管优选包括围绕每个微装置的相应流体入口或出口的密封。所述密封可通过焊接或衬垫连接来达到。对于具有多个入口或出口的微装置来说，连接大歧管管道或导管可互相连接起来，但是以气密方式防止交叉流体漏出或连接。作为一个实例，包括一股流体用的入口的内管道可包含连接到内管道上的外管道，所述外管道围绕内管道(没有显示)的一部分周长。多根管道或导管可以该种方式连接。该方法的优点包括降低大歧管的金属重量，控制沿着管道的热分布以降低限制材料厚度的应力以及降低大歧管系统所需的总体积。

所述大歧管表示第一级的流体分布。流体从单一源进入，并分布到两个或多个微装置中。流体进入每个微装置后，还可进一步任选隔离到多根亚歧管中。来自每根亚歧管的流体还可分配到多个连接通道中。最后，任选实例包括每根微通道中多根亚歧管中的进一步流体分布。每根亚通道的形式可以是微通道中的鳍状物(或者插入的或整体形成在所述设备上)或其它流体分配器。对于微装置的操作来说，可以是三、四或更高级的流体分布，所述微装置的质量指数因子小于30％，或其Q值是本文所述任意优选的值。

二维流体分布

当需要将流体分配到二维连接通道阵列(在堆叠方向和连接通道平面内)中时，通常需要使用用于分配的单根歧管。这些单根歧管可以是大的导管或管道，并且它们通常用于交叉流动用途。对于这些情况，所述摩擦损耗所起的作用更小，因为歧管长度/水力学直径变小(L/D～1)。但是，动量驱动现象(动量补偿和转向损耗)是流体分配的主要驱动力，并且应在设计中作说明。歧管物理性质从在一维歧管部分所述的高M2M歧管纵横比通道条件发生了改变。对高纵横比通道来说，转向损耗不明显是因为大导管的截面是方形周边或具有管道或半管道周边。对于这些情况来说，转向损耗相比高纵横比矩形通道来说具有较低的壁剪切应力。下两个部分描述了改善二维通道阵列中的流体分布的方法。

流体分布的一个问题是通过连接通道矩阵的分配不平均，这是由于流入流体的动量造成的。中心原料入口和中心原料出口可使通道穿过矩阵的中心，例如参见交叉流体热交换器。参见Lalot等人，“应用热工程”，第19卷，第847-863页，1999年；Ranganayakulu和Seetharamu，“热和质量传递”，第36卷，第247-256页，2000年)。

而且，与流动方向相切的单个入口可将大块流体分配到与入口对置的通道中，并且在上游歧管和下游歧管形成大的再循环区域，从上游歧管到下游歧管的再循环以及装置中的再循环或停滞区域。

改善这些问题的设备如图34B所示，图34B是设备中的通道内部的俯视图，所述设备具有多个平行于流动方向的入口3406。在所示设计中，入口流体从亚歧管3402的两侧导入。如果流体仅从一侧导入，那么大块流体会通过离主入口最远的上游歧管入口离开。模拟显示该安排在消除再循环区域、下游歧管到上游歧管的再循环和设备中的停滞区域方面是成功的。对于该选择来说，基本分配偏向于中心，但是相比其它选择来说程度极大下降。

图34B也描述了任选的导流器3404，所述导流器引导流体通过室。这些导流器可以是百叶结构(或桨)，它可集中或单独选择以将流体引导到所需的方向。对百叶结构系统进行设计，其中所有的百叶结构通过相邻棒(rod)连接在一起，它可使所有百叶结构同时、同向移动或旋转到相同位置。使用百叶结构可提供改变装置中的流动方向的常规方法。所述百叶结构可使流体转向，这样它可偏到左边、中间和右边。因此，在一个实例中，所述导流器是可旋转的百叶结构。

在一些优选实施方式中，热交换流体流过具有偏向的热交换流体的室。与所示热交换室相邻(在其上或下)堆叠的是反应室(没有显示)，其中试剂以相对热交换流体交叉的关系流动。如果反应速率在反应室的前部或后部最大且高反应速率部分与流经热交换器的偏向流体匹配，这样最高流速的热交换流体与相邻反应室中的最高反应速率相邻的话，该取向是有利的。

流体分配板

在一些多通道设计实施方式中，在低流速下，摩擦损耗可控制流体主要流经多通道阵列的中央。解决该问题的一种方法是在多通道阵列之前放置流体分配板。这个概念图示于图35中，它描述了流体被压到分配板3502的周边上。通常，这可通过带有孔的板来完成，所述孔优选分布在相比中心更接近板周边的位置。优选地，具有二维阵列均匀分布的孔的第二孔板位于第一板之后。所述第一板和第二板的组合(优选还与第一板之后的开口再分配区域(没有显示)结合)可使作用在阵列前表面的压力均匀化，并且降低了通过多通道阵列的不均匀性。图36描述了使用第一和第二再分配板3602和3604的多通道设备的部分分解图。

具有第一和第二流体分配板的其它设计的横截面图和侧视图如图37所示。在该设计中，第一锐孔板3702具有不同尺寸的门，以控制流体。改变门尺寸可用来使流体均衡化，或者为需要不均匀流体的情况提供不均匀的流体。当使用一块孔板进行局部流体不均匀分配(在所述区段(segment)中)时，例如，如果微通道中的摩擦损耗太小(通道太短)或孔中的速度非常高，需要具有许多大孔的第二孔板3704，所述大孔与第一板中的孔位置有偏移(即不对准)，以使流体从单个孔转向，并保证在微通道区段内得到均匀分布(即连接通道矩阵3706)。在一些实施方式中，由于转向损耗有差别，所以在连接通道矩阵的2710部分可得到均匀的流体，所述矩阵直接与歧管3708接触，无需插入孔板。

在一些实施方式中，包含一个或多个孔的板放在上游歧管中，具体参见图38。在所示设备中，具有一个或多个孔的板3802的形状与上游歧管截面相配，并可安装(密封或焊接)在上游歧管内，以将微通道设备的上游歧管分隔到几个区段中。根据相应微通道组(阵列)所需的流速和压降对孔尺寸进行设计，以实现在整个设备中存在所设计的逐步分布的流速和压降。当压力在区段之间变化时，微通道中的区段平均流速在区段之间是不同的，或者也可以是相同的，以均匀分布流体。在所示设计中，每个区段包括六根微通道；然而必需认识到，区段中可使用任何数量的通路，例如，在一些优选实施方式中，包含2-100根通道，在一些实施方式中为10-50根通道。所示设计具有孔板，所述孔板的尺寸在流动方向中孔尺寸降低，以补偿动量和提供通过连接通道的更均匀的流体。所示板平行于连接通道。通过选择孔板数目、孔尺寸或数目，单个区段的微通道之间的流速差也可进行设计，并限制在可接受的范围内。同样地，可达到逐步的流体分布。作为一个实例，如果所示层是在整体反应器中的冷却剂层，所述整体反应器包含成交叉流动关系的相邻反应器层(没有显示)，那么冷却剂流体富集在刚好邻近反应器层的前部(最热部分)的区域中。

孔板可具有均匀分布的相似或相同尺寸的孔、单调增加或下降的开口面积，或者可设计成具有任意所需孔分布。例如，图39A描述了具有洞或槽的孔板，所述洞或槽提高了最大面积，从而降低了它们的长度。通常，歧管和连接通道之间的可移动孔板可用来改变进入连接通道的流速。例如，图39B所示的板具有任选的螺旋洞392，以用作可移动板。如A-A视图所示，该孔板可上升或下降以改变流体。所述板可使用螺丝安装和密封在设备的上游歧管以及通道入口面之间。当需要改变流体分布曲线时，可通过旋松板和把板移到对应于设计新分布曲线的位置来改变板和通道之间的相对位置。因此，可在相同设备中得到不同的流体分布曲线以及用于不同条件的最佳流速。

制造设各

形成层叠设备的片材和带子可通过下述方法形成：常规加工、线EDM、埋入式(plunge)EDM、激光切割、模塑、模压、水注、冲压、蚀刻(例如，化学、光化学和等离子蚀刻)及其结合。为了降低成本，特别适合的是冲压以切割穿过片材或带子的孔。任何形状和形成方法可结合其它步骤。本发明方法的一些也可不包含特定的形成技术；例如一些优选的方法不使用蚀刻、浇注、熔融粉末、模塑、化学或物理沉积等。

为了形成层叠设备，片材或带子堆叠在基材上。为了完成本发明，基材广泛定义为包括其它片材或带子或者更厚的部件，它可以是例如已经粘合的片材堆叠物。优选地，多片片材和/或带子可在粘合之前在堆叠物中对齐。在一些实施方式中，铜焊化合物放在一个或多个片材或带子(或多片片材和/或带子)表面上，以促进粘合。

片材和带子应在堆叠物中对齐。对齐可如下得到：使片材和/或带子具有对齐孔，然后使用对齐栓来对齐堆叠物中的片材和/或带子。堆叠物(包括不含最终设备的所有部件的子组件)可从栓中举起，或者栓可拿走(例如通过燃烧或通过拔出栓)，或者栓可粘合在堆叠物中。另一种对齐技术使用了对齐片材和/或带子的模子；该技术对于定位流体改变器(modifier)(例如肋状物)来说是特别有用的。在一些实施方式中，模子保持在原位，同时堆叠物组分附着在原位，例如通过焊接、加热粘合剂或扩散粘合；随后，可拿走模子。在其它实施方式中，模子可在部件粘合之前拿走。模子可再次使用，或者可单独使用可除去(例如通过燃烧)的部件。

这些片材、带子和子组件可通过扩散粘合方法(例如冲压或热等静压制(HIP))来连接在一起。它们也可通过反应性金属粘合、铜焊或其它形成面密封的方法连接在一起。也可使用焊接技术(例如TIG焊接、激光焊接或电阻焊接。或者设备可通过使用粘合剂来连接。

当需要全部长度密封来遏制流体时，可使用缝焊在基材、带子和/或流体改变器之间形成密封。粗缝(tack)或点焊可用来将带子、流体改变器或子组件保持原位，且沿着全部边缘没有形成完全密封。通常，粗缝焊接装配可随后进行粘结步骤。

铜焊技术和组合物是已知的，它可用于形成本发明的设备。大于10小时的铜焊环可得到更好的设备，所述设备具有较小的扭曲且具有更好的粘结。

装配和/或粘结设备的技术可使用相同的技术或技术的组合。例如，子组件可焊接在一起，然后焊接到第二子组件，第二子组件本身通过焊接形成。或者，例如子组件可点焊在一起，铜焊到第二子组件上，并且组合形成的组件可进行扩散粘合。

许多微通道、层叠的设备可用本文所述的部件和/或本文所述的制造方法制得。该层叠设备可以是例如热交换器、反应器(集成燃烧反应器是优选的一种反应器)、分离器、混合器、它们的组合、以及其它微通道、层叠的设备(所述设备能进行单元操作)。术语“层叠制品”包括层叠设备以及层叠子组件。

当单个层压物非常薄时，设备尺寸不是特别限制。因为许多薄层(具有所需长度和宽度)可堆叠起来形成所需的高度。在一些优选实施方式中，本发明制品包含至少5个薄层，更优选至少10个薄层，在一些实施方式中，超过50个薄层。在一些优选实施方式中，所述制品包含至少2个重复单元，在一些实施方式中包含至少5个重复单元(其中每个重复单元包含至少3个不同的薄层)。

在一些实施方式中，至少一股流体流过歧管，在一些实施方式中，该流体是气体。所述上游歧管或下游歧管可进行成形，以匹配子组件的末端，例如上游歧管/下游歧管中的方形末端，以匹配立方体子组件的一侧。

所述制品可由诸如塑料、金属、陶瓷、玻璃和复合物、或其组合的材料形成，这取决于所需的特性。在一些优选实施方式中，本文所述制品由坚固材料(例如陶瓷、铁基合金如钢、或蒙耐合金或高温镍基超合金如Inconel625、Inconel617或Haynes合金230)制成。在一些优选实施方式中，所述设备由耐用且具有良好导热性的材料组成。在一些实施方式中，所述设备可由其它材料(例如塑料、玻璃和复合物)制成。诸如铜焊、粘合剂和催化剂的材料可在本发明的一些实施方式中使用。

本发明可包含本文所述在任意设备中进行的化学反应和进行反应的方法。已知小尺寸可得到较好的效率，这是因为热传递和质量传递的距离较短。反应可以是未催化的或者用同质催化剂或异质催化剂催化。异质催化剂可为粉末、腔壁上的涂层、嵌入物(固体嵌入物，例如箔、鳍状物或多孔嵌入物)。适合催化所选反应的催化剂在本领域中是已知的，且特别为微通道反应器设计的催化剂目前已经在开发。在本发明的一些优选实施方式中，催化剂可以是多孔催化剂。所述“多孔催化剂”指孔体积(pore volume)为多孔材料总体积的5-98％、更优选30-95％的多孔材料。所述多孔材料本身是催化剂，但更优选所述多孔材料包括沉积有一层或多层催化剂材料的金属、陶瓷或复合载体。孔隙率可以是几何规则的，就象蜂窝体或平行孔结构体中一样，或者孔隙率可以是几何弯曲或无规的。在一些优选实施方式中，多孔材料载体是泡沫金属、泡沫陶瓷、金属毡(即缠结的、非织造纤维)、或金属网。所述多孔结构体可在流过方向(flow-by)或流经方向(flow-through)上取向。所述催化剂的形式也可以是金属薄纱，它平行于在流过型催化剂结构体中的流动方向。

或者，催化剂载体可由致密金属垫片、鳍状物或箔形成。多孔层施涂或生长在致密金属上，以为反应提供足够的活性表面点。活性催化剂金属或金属氧化物然后可相继或同时修补基面涂层(washcoat)，以形成活性催化剂结构体。致密金属箔、鳍状物或垫片可形成嵌入物结构体，它在粘合或形成微通道结构体之前或之后可放在反应器内部。催化剂插入之后，催化剂可沉积在嵌入物上。在一些实施方式中，催化剂接触壁，所述壁与放热和吸热反应室都相邻。

本发明也包括以本发明任意设计或方法进行一个或多个单元操作的方法。适合进行单元操作的操作条件与常规实验相同。本发明的反应包括：乙酰化反应、加成反应、烷基化反应、脱烷基化反应、加氢脱烷基化反应、还原性烷基化反应、胺化反应、氨解氧化芳构化反应、芳基化反应、自热重整反应、羰基化反应、脱碳基反应、还原性羰基化反应、羧基化反应、还原性羧基化反应、还原性耦合反应、缩合反应、裂解反应、氢化裂解反应、环化反应、环化低聚反应、脱卤反应、脱氢反应、氧化脱氢反应、二聚反应、环氧化反应、酯化反应、置换反应、费托反应、卤化反应、氢卤化反应、同素化反应、水合反应、脱水反应、氢化反应、脱氢反应、氢羧基化反应、加氢醛化反应、氢解反应、加氢金属化反应、硅氢化反应、水解反应、加氢处理(包括加氢脱硫反应HDS/HDN)、异构化反应、甲基化反应、脱甲基化反应、复分解反应、硝化反应、氧化反应、部分氧化反应、聚合反应、还原反应、重整反应、反向水汽转移反应、萨巴蒂埃反应(Sabatier)、磺化反应、调聚反应、转酯化反应、三聚反应和水汽转移。对于上述每种反应，其催化剂和条件对于本领域的普通技术人员来说是已知的；并且本发明包括设备和使用这些催化剂的反应。例如，本发明包括通过胺化催化剂和包含胺化催化剂的设备的胺化方法。因此本发明描述了上述每种反应，单独(例如氢解反应)或成组(例如氢卤化反应、加氢金属化反应和硅氢化反应以及氢卤化反应、加氢金属化反应和硅氢化反应催化剂)。适合每种反应的加工条件、使用本发明的设备以及催化剂可由本领域的普通技术人员根据其专业知识来确定和/或是常规的。为了引证一个实施例，本发明提供了使用具有本文所述一个或多个设计特征的设备(特别是反应器)的费托反应

实施例

实施例1-比较计算实施例

基于Golbig公开的专利申请US2002/0106311A1的图51-64所示设计进行计算。在该设计中，流体流入尺寸相同的两个独立上游歧管。上游歧管以直角交叉，其中连接通道末端宽度发生变化；上游歧管起始处的宽度最宽，在末端的通道最窄。该设计的目的在于使“粘性流体在基本上具有相等停留时间分布的平行流体通道中进行处理”。在给定流体粘度和流速条件下，改变通道宽度以调整连接通道流动阻力，从而补偿上游歧管和下游歧管之间的压差，对具有较大压差驱动力的通道增加阻力，并对具有较低压差驱动力的通道降低阻力。

虽然公开出版物并没有具体描述所述设计的所有尺寸，但可从上下文中猜测近似的尺寸。从292段可知，垫片的厚度为0.3毫米，295段描述了相对通道宽度单位，它是通道高度的乘法因子。从图中测量通道宽度，并比较295段中的单位尺寸，我们计算出0.1厘米的所测距离等于设计中的0.393毫米。同样地，连接通道的长度测得为13.8厘米，相关的设计长度为54.3毫米，其中通道之间的肋状物为0.59毫米，上游歧管宽度为0.39毫米，下游歧管宽度为2.55毫米。在138段中，已经说明将开口限制到最大为2毫米可提高粘合加工，该限制与我们对于通道开口的计算范围一致。本发明优选的实施方式需要具有基本上相同的停留时间。

Golbig等人使用类似于电路的理论，使用层流态来描述流体。因此，我们如下计算压降：

$>>\Delta P>=>>>4>fL>>D>>>>G>2>>>2>\rho >>>>>$

$>=>$ >>>>4>L>>D>>>(>>C>Re>>)>>>>G>2>>>2>\rho >>>>>$$

$>>=>>>4>L>>D>>>(>>\mu C>GD>>)>>>>G>2>>>2>\rho >>>>>$

$>>=>>(>>>2>\mu CL>>>D>2>>>)>>>G>\rho >>=>>(>>>2>\mu CL>>>D>2>>>)>>U>>>(20)$

其中

C[无量度]＝系数，它是通道尺寸和周长的函数

f[无量度]＝C/Re＝通风摩擦因素

D[m]＝水力学直径＝4(横截面积)/通道周长)

L[m]＝通道长度

G[kg/m²/s]＝质量通量速率

ρ[kg/m³]＝密度

Re[无量度]＝雷诺数＝GD/μ

U[m/s]＝平均通道速度

μ[kg/m/s]＝流体的动态粘度

对于任何部分的阻力是：

$>>R>=>>>2>\mu CL>>>D>2>>>->->->>(>21>)>>>>$

方程(1.3)假设完全成形(developed)的层流态，表示通道中的边界层完全在通道长度L上形成。使用无量度的水力学长度x⁺的定义：

$>>>x>+>>=>>L>DRe>>->->->>(>22>)>>>>$

所述流体接近完全成形的x⁺值在0.05附近的流体，且它更接近x⁺值为1的成形流体(R.K.Shah和London，A.L.“热传递进展，增刊1，导管中的层流强迫对流-小型热交换器分析数据的源卷”，Academic Press，纽约，1978年，第212页。如果阻力路径长度L较小，那么水力学直径D或Re必需变小，以得到合适的x⁺值。为了满足给定通道水力学直径条件下x⁺＞0.5到1的限制，我们会考虑低雷诺数的值。

我们用于分析的系统具有与上述相同的尺寸，且具有下述假设和因素：

·两个上游歧管入口质量流速是相等的流速，两个上游歧管的分布假定是相同的。

·试剂流具有来自上游歧管的质量通量速率，同时产物流的质量通量流速具有通道i的两个上游歧管输入的结合流体

             2G_react[i]＝G_prod[i]    (23)

·忽略垫片之间和混合时的流体过渡变化时的压降损失，因为第一种的增加很小，而后者产生的流体动量非常低。

·使用室温(20℃)的空气，且下游歧管出口的压力为101325帕或1.01325巴。Golbig的优选处理并不是指定特定的温度升高或种类变化，所以我们可以任意设定条件。

·质量指数因子可基于Q₂方程的质量通量速率

$>>>Q>2>>=>>>>G>max>>->>G>min>>>>G>max>>>\times >100>\%>>>$

·所述系统对于上游歧管的薄层通风摩擦因素f有两种选择：

○完全成形的流体

○正在成形的流体，其中x⁺方程(0.17)中的L基于离开上游歧管中的入口的距离和离开下游歧管中的歧管起始处的距离。

已经调查的第一种情况中进入每个上游歧管的流体流速为10^-06kg/s，其中歧管中是完全成形的流体，并且除去了所有转向损耗和动量补偿。对于所述情况来说，通道质量通速率画在图40中。Q₂因素约为71％。通道中的质量通量速率在0.2-0.6kg/m²/s之间变化，且流体偏好第一(即最宽)通道。上游歧管和下游歧管Mo值的数量级分别是0.04和0.03。该系统的压降的数量级为350帕(3.5×10^-3巴)，上游歧管入口和下游歧管出口的雷诺数分别是159和78。当增加动量补偿、转向损耗和薄层正在成形的流体时，我们得到较差的结果，具体参见图41。

如在公开的申请中所提到的，所述系统尺寸是反应体系的试剂和产物粘度的函数。当水以相同质量流速运动时，图42中的结果显示所述结构较差。

对上游歧管和下游歧管宽度进行一些优化，通过将上游歧管和下游歧管分别设定为0.004毫米和0.003毫米，可Q因子降到7％。所述结果列在图43中。上游歧管和下游歧管的Mo值很低，其数量级为0.01。当这种情况下的流速提高10倍到10^-5kg/s每上游歧管时，以Q因子表示的性能急剧下降，具体参见图44。所述Q因子增至33％，且所述结果对于高动量流体表现出典型的Z-歧管：相比第一通道，上游歧管中的最后连接通道的通量速率更高。请注意，上游歧管和下游歧管Mo值高于0.05，即使雷诺数较低。因此，紊流雷诺数不需要具有高Mo值，高Mo值可发生在低层流中。

Golbig的专利申请中的方法对于完全成形的层流在低压头值条件下并不显示均匀的流体分布(低Q)，所述低压头值远小于充分产生歧管转向损耗和动量补偿条件的较高压头值。原因是通道流动阻力和连接通道的纵横比产生该阻力的程度之间的关系。这在实施例4和5中描述。

实施例2

本实施例描述了本申请前述SMR模型流体分布的预期性能。

在该设计中，门宽度变得更宽，因为亚歧管上游的长度增加了，且亚歧管宽度随着亚歧管上游长度的增加而增加。通过使用亚歧管中的亚歧管和门的宽度，每根亚歧管中的总压降在空气和燃料上游歧管M2M歧管中得到均匀化。穿过垫片的通路长度最短的亚歧管(#1)具有最薄的亚歧管宽度和最薄的门，而穿过垫片的通路长度最长的亚歧管(#6)具有最宽的亚歧管宽度和最宽的门。歧管的相对尺寸列在表1中。

  亚歧管  数  M2M通  道宽度  (英寸)  空气门的宽度(英寸)  燃料门的宽度(英寸)  #1  #2  #3  #1  #2  #3  1  0.400  0.188  0.175  0.172  0.105  0.102  0.094  2  0.500  0.165  0.167  0.167  0.122  0.119  0.103  3  0.500  0.240  0.235  0.232  0.143  0.142  0.127  4  0.550  0.260  0.260  0.260  0.160  0.161  0.145  5  0.600  0.277  0.277  0.277  0.299  0.230  0.152  6  0.600  0.590  0.580  0.588  0.560  0.555  0.550

表1.每亚歧管数的燃烧M2M空气和燃料亚歧管的尺寸。门数(number)以歧管流体看到门的次序排列。即，亚歧管中所见第一个门为#1；所见最后一个门为#3。

当流体离开亚歧管的分布区域进入门时，所述部分的恒定宽度使静压上升，以补偿动态压力损失，减去发生在该区域的所有摩擦损耗。对于每个门，静压有可能在该高动量(动态压力)流体中上升或保持稳定，但是转向损耗在歧管中并不是恒定的。所用门的宽度(例如参见表1)使我们可调节设备中的局部压力，以更好地进行流体分配。通常，在亚歧管中随着门数的上升而降低门宽度可克服上游歧管的动量补偿因子。图45和46描述了所示上游歧管和门静压的模拟结果对分别用于空气和燃料的门数(每跟歧管总共18)。门数降低可增加反压力，以补偿上游歧管长度较短。使用门可在穿过模块的门上得到均匀压力，使压降驱动力均匀化，直到废气出口为0.25psig。在第一亚歧管中，燃料和空气歧管的DPR3比对于门1-3来说是高的，但是平均值是约0.5，因为转向损耗随着亚歧管数上升而下降。

耦合的燃烧歧管的结果可参见图47，它描述了对于空气和燃料的72个通道流速对燃料通道数的模型预期。

所有的结果列在下面：

总空气M2M质量流速：14.96gk/h

总燃料M2M质量流速：4.84kg/h(天然气和空气)

总空气M2M质量指数因子：3.9％

总燃料M2M质量指数因子：6.1％

空气M2M亚歧管对亚歧管质量指数因子：0.2％

燃料M2M亚歧管对亚歧管质量指数因子：0.5％

入口空气M2M压力(包括来自大歧管的转向损耗)：8.16psig

入口燃料M2M压力(包括来自大歧管的转向损耗)：6.61psig

实施例3

本实施例是基于亚歧管的计算实施例，所述亚歧管具有下述特征：就象所述的L-歧管的上游歧管；M2M歧管恒定的宽度和高度；3“门”，每个门为四根连接通道服务，所述连接通道位于分配区域的下游；以及高动量流体(入口Mo＝0.7＞＞0.05)。

条件是：入口压力为1atm(101325Pa)；空气流速为38.22SLPM；温度为20℃。

上游M2M歧管的尺寸为：

·0.041″高度，由0.017″和0.023″垫片以及0.001″高的衬垫制成

·入口歧管宽0.400″(W_m)

·A_M＝1.04×10^-5m²

·长度：

○从大歧管连接处到第一门：1.250″(＝L_u，1)

○从大歧管连接处到歧管末端为3.700″

○摩擦损耗的长度：

■L_c，1＝0.270″

■L_c，2＝0.250″

■L_c，3＝0.245″

■L_u，1＝1.250″

■L_u，2＝0.680″

■L_u，3＝0.692″

门和分配部分的尺寸：

·从大歧管到门的中心位置：

○1^st：1.410″

○2^nd：2.350″

○3^rd：3.290″

·门通道高度：0.024″

·流动方向中门开口的长度：0.060″

·门宽度：

○1^st：0.270″(A_c，1＝0.0000041m²)

○2^nd：0.250″(A_c，2＝0.0000039m²)

○3^rd：0.245″(A_c，3＝0.0000038m²)

·分配区域下游的每个门的尺寸：

○长度：0.500″

○高度：总共0.040″，在开口“图片框”垫片中是0.017″

○宽度：0.820″

·连接处对下游连接通道：

○：通过0.024″宽的通道

○：到连接通道总长0.060″

连接通道尺寸：

·12根通道，0.160″宽

·每门四根通道，每根通道由0.060″宽的肋状物(每门3个)隔开

·两个0.120″宽肋状物，它们隔开通道(总共2个)

·2.700″宽的连接通道矩阵

·高度和宽度：

○对于门分配部分的1.000″下游

■0.041″通道高度

■A_cc＝0.0000042m²

○对于通道最后11.500″

■0.018″通道高度

■A_cc＝0.0000018m²

■所述通道流体突然终止，离开到环境压力中。

方程：

与讨论部分所述相同，但是下游阻力有所升高。所述门的分配部分对四根下游通道的每一根有一阻力条件，这取决于门的雷诺数。所述门具有质量流量连续性方程，以分配流体。所述连接通道压降具有两种主要阻力：对于门的1.000″长下游部分的摩擦损耗和对于通道的最后11.500″的摩擦损耗；突然收缩损失和出口损失是可以忽略的。

结果：

图48描述了每根连接通道中的质量流速。预期的质量指数因子Q是2.2％。图49描述了上游歧管和穿过歧管的门中的预期压力。所述上游歧管压力曲线描述了在第一门之前的第一1.25″英寸上的摩擦损耗效应，其中雷诺数在8000范围内(紊流态)。静压从每个门的开始处(较低位置值)开始上升直到门的末端，而不管摩擦损耗。在门之间的上游歧管有摩擦损耗。在上游歧管中，通过降低流动方向中的门的横截面积可补偿上游歧管静压的变化，从而在门到门之间得到良好的分布。图49描述了上游歧管中(圆点)和门中(方形)的压力曲线对离开通道入口的位置。

所述门转向损耗需要补偿流态变化形成的压力曲线。在第一门处，上游和下游雷诺数分别是8054和5386，属于紊流态。在该部分中，第一门的静压升高是巨大的，为1600帕，可补偿最高到该点的通道摩擦损耗。所述第二门的上游和下游雷诺数分别是5386和2699，它们开始于紊流态范围，且落入过渡态范围。在第二门得到的压力是400Pa，基本上离开了紊流态。第三门的上游和下游雷诺数为2600和0，这暗示流体开始于过渡态范围，并最终处于层流态范围。在第三门处得到的压力的数量级为160Pa，远小于第二和第一门处得到的静压400Pa和1600Pa。本实施例显示动量补偿对于静压曲线的效应，然后描述了使用转向损耗来使穿过门的压力均匀化的需要。也描述了当多根通道必需具有处于过渡态和紊流态的高总流速时，提供毫秒接触时间的微通道反应器所需的高流速可在M2M歧管中形成非常高的雷诺数。如本实施例所示，这些流态具有大的压头值，所述压头值可充分提高动量补偿和转向损耗。

实施例4

M2M专利-歧管性能比较

在下述讨论中，本发明的歧管与Golbig等人在WO03/043730A1中所公开的设计进行比较。对于具有72根连接通道矩阵的L-歧管来说，使用歧管设计工具评价歧管选项。三个选项如下：歧管分解成亚歧管，所述亚歧管具有门连接通道界面，具有一根大歧管宽度和恒定通道开口以及通道矩阵尺寸的格栅设计，以及具有一根大歧管宽度和通道之间的宽度发生变化(就象Golbig等人所讨论的)的格栅设计。所有的设计都具有相同的入口质量流量和目标质量通量速率分布(与接触时间类似)。一些结果如下：

对于亚歧管流体分布来说，使用可变宽度门的亚歧管设计具有最低的质量指数因子(Q₁＝6.03％)，但是具有较高的压降对入口端之比(8.8)，这是因为有门M2M转向损耗。从大歧管到出口的压降估计为3.25psig。歧管的最终宽度是3.45″，其中3.15″是实际开口空间。还可降低质量指数因子以改进该设计。

选择具有单一M2M歧管和恒定连接通道宽度尺寸的格栅设计对于大部分门宽度来说质量指数因子较差，其中对于M2M宽度为2.5-3.5英寸的情况，Q值是41.08-29.03％。

第三选择是具有单一M2M歧管的格栅设计，所述M2M歧管如Golbig等人所述可改变连接通道的宽度。该设计不能与亚歧管和门设计的低质量指数因子相匹配。对于2.00″宽的歧管，Q₂可低至等于12.8％，这可将压降/压头值之比降低到3.9。通道宽度中的大变化需要合理控制，即需要大的Ra值来得到良好的流体分布。

普通歧管特征

有72根通道，其总宽度必需增加到11.52″(＝72×0.160″)。通道之间的壁(即肋状物)使总歧管长度增加到16.800″。矩阵通道高0.017″，而歧管到连接通道开口是0.023″高。在两个区域之间，有短长度0.040″高。歧管有1″长的上游区域，且所有系统都有常规的大-M2M转向损耗。所有歧管部分的总高度为0.040″(1.016mm)。格栅系统假定0.023″区域(垫片)位于0.040″高歧管部分之下，其中格栅延伸穿过整个M2M歧管宽度。0.00494kg/s的全部空气在20℃下输送经过所有三个系统，其中出口压力为101.325kPa。

带有门系统的亚歧管

表1提供了亚歧管系统尺寸，M2M通道宽度和门宽度。

  亚歧管数 M2M通道宽度 (英寸)  门宽度(英寸)  #1  #2  #3  1 0.400  0.270  0.250  0.245  2 0.500  0.272  0.255  0.251  3 0.500  0.352  0.330  0.325  4 0.550  0.390  0.363  0.358  5 0.600  0.368  0.349  0.342  6 0.600  0.580  0.440  0.430

表1.亚歧管和门的设计尺寸。

在这种情况下，所得歧管参数是：M2M通道高度(h_M2M)是1.016mm。总歧管长度是16.800″，且对于每根亚歧管，每个L_M2M值是2.700″。门末端与11.5英寸长部分之间的通道长度与L_M2M之比是0.23-1.66，基于亚歧管长度。亚歧管Mo值为0.70-0.77。对于连接通道和亚歧管的Q值分别是6.0％和0.3％。对于系统的门的Ra值是2.36，且歧管的压降是其入口端的8.83倍。

具恒定通道宽度的格栅

在所有通道都设定为0.160英寸的条件下计算性能。所得结果列在表2中。所述表描述了在提高通道宽度条件下改进质量指数因子，但是总Q因子非常大。对于较差的分布来说，主要的驱动力是从M2M歧管到通道的转向损耗。这些转向损耗值在歧管入口非常大，这是因为在那里的流速很大，显著增大了这些通道的流动阻力。然后使流体歪斜到歧管末端的通道中。

  歧管宽度(英寸)  质量指数因子Q  (％)  入口压头值比条件  下的歧管压降  Mo值  2.50  41.08  5.886  0.141  2.75  37.95  5.983  0.137  3.00  34.82  6.064  0.134  3.15  33.12  6.102  0.132  3.25  31.85  6.131  0.131  3.50  29.03  6.191  0.128

表2.对于各种歧管宽度的恒定通道宽度结果

通道之间的宽度不同的格栅设计

通道宽度分布，将总宽度累加至11.52英寸的总通道宽度。

基于通道数i的通道宽度

其中M是中值通道宽度值，L[英寸]是与中值宽度的偏差，i是通道数，以及B是改变通道分布的功率因子(power factor)。如果i≤36，那么L是正的，如果i＞36那么L是负的。该方程(11)使分布从线性变化成中值0.160″的各种曲线。

对于各种通道宽度，结果列在表3中。这表现出了一定兴趣，因为M2M通道宽度下降了，对于流体的控制更好，一直到最小值为约2.00″。这是因为连接处/歧管横截面积之比(连接处开口/歧管)在M2M歧管宽度较薄时更大。当连接处/歧管横截面积之比上升时，转向损耗降低了压降。这与连接通道矩阵流动阻力的下降有关，因为通道接近一组通道高度用的平行板，净效应对于系统中第一通道的流体的阻力更小。图50描述了质量通量速率分布对歧管中的通道位置，最好的情况是2.0″宽度。对于更小的M2M宽度，动量补偿静压上升，从而破坏了改变宽度所产生的控制。

  M2M歧  管宽度  (英寸)  M(英  寸)  L(英寸)  B  质量指  数因子  Q₂(％)  Mo  在入口  压头值  之比条  件下的  歧管压  降  最宽通  道/最薄  通道之  比，Ra  1.75  0.160  0.100  0.50  16.83  0.156  3.7  4.3  2.00  0.160  0.120  0.50  12.77  0.150  3.9  7.0  2.25  0.160  0.120  0.50  14.81  0.145  4.2  7.0  2.50  0.160  0.120  0.75  17.35  0.141  4.5  7.0  2.75  0.160  0.120  0.75  18.79  0.137  4.7  7.0  3.00  0.160  0.120  0.75  19.15  0.134  4.9  7.0  3.15  0.160  0.120  0.75  18.73  0.132  5.0  7.0

表3.改变通道宽度的结果

Ra比值中显示的通道宽度分布对于所有情况来说都是高的。为了通过改变通道宽度得到良好的分布，你会需要较大地改变通道宽度。这对于所有加工情况或制造大量歧管来说不是可行的。总得来说，对于上述三种情况来说，质量指数因子、Ra和Mo比值列在表4中。

  情况  连接通道质量指  数因子(％)  Ra比值  Mo比值  改变门宽度且连接通道宽度恒定的亚歧管  Q₁＝6.0％  2.4  0.74  连接通道宽度恒定的单一格栅歧管  Q₁＝29.0％  1.0  0.13  连接通道宽度改变的单一格栅歧管  Q₂＝12.8％  7.0  0.15

表4.对于72根通道L-歧管的总的情况进行比较

实施例5

对于可变宽度的连接通道M2M歧管，连接通道质量指数因子Q₂和Ra以及压降比之间的关系是什么？基于Golbig(WO03/043730)所示的可变通道宽度设计，质量指数因子是作为最大通道与最小通道的面积比值(Ra)以及术语表部分所述的歧管压降比的两个值的函数计算出来的。当实施例4基于固定的连接通道长度时，下述结果反映了长度的变化，从而改变了连接通道的反压力。所述结果描述了通道宽度改变流体分布的作用，它是通道反压力的函数。

图51描述了最小质量指数因子(它基于实施例4所示尺寸)相对于连接通道压降/歧管压降。

Ra＝1曲线表示恒定的通道宽度Q₂值，你们可预测得到对于该系统来说Q₂因子较小，因为通道中的压降升高了。如果连接通道压降足够大，特殊的歧管设计不是必需的。

当Ra值从1上升时，为了使压降比值从零上升，Q因子变成最小值，低于Ra＝1时的值。因此，对于给定的反压力，Ra值可以不是1，且它相比Ra＝1时具有更好的Q因子。

但是，由于压降比值上升，穿过Ra＝1曲线的恒定Ra的Q₂曲线渐进到高于Ra＝1值的值。但是，如果宽度不同的通道长度足够长，就会产生分布不均，这是因为在通道流动阻力中阻力不一致。

图52描述了相同的质量指数因子数据对连接通道压降与入口压头值的比值的关系图，并且当曲线稍微变化时，通常保持相同。图2中基于Ra和DPR₁的Q₂表面由恒定Ra值相关性构成，所述相关性基于图52中的曲线和这些值之间的Lagrangian插值，以获得最佳情况Q_c的典型曲线：

Q_c(Ra，DPR₁)＝E1+E2+E4+E6+E8+E10+E12，

其中，

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