CN1674981B - 多种流体的微通道设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在微通道热交换器内进行三种或多种流体间的热能交换的工艺和设备，该微通道热交换器能和微通道反应器结合形成一种联合的微通道处理单元。本发明能够结合多个联合的微通道设备，从而能提供大规模操作的便利。特别是，本发明的微通道热交换器能够在多种流体间灵活地进行热传递，并且整体热交换速率约为每中心单元体积1瓦特或更多，用单位W/cc表达。

Description

多种流体的微通道设备
相关申请的交叉引用
本发明与下述指定的，于2002年8月15日同时提交的申请有关：Attorney Docket，No.02-052的“一体化的燃烧反应器和同时进行吸热及放热反应的方法”和Attorney Docket，No.01-002的“使用制冷剂和产物流动的微通道在热交换器中冷却产物的工艺”，本申请通过参考这两个文件撰写而成。
技术领域
本发明涉及多种流体热交换的微通道设备和工艺，尤其涉及结合化学反应的多种流体的热交换，更加涉及诸如重整等结合吸热化学反应的多种流体的热交换，以及诸如燃烧等吸热反应结合放热反应的多种流体的热交换。
背景技术
热交换器是涉及流体(气体或液体)的所有单元操作的关键性部分。当需要在化学反应中加入热量(或热能)或移走热量(或热能)时，热交换器将变得更为重要。举例来说，吸热反应通常要求或受益于热能的加入。相反地，放热反应通常要求或受益于热能的去除。由于许多这样的化学反应的经济重要性，我们必须根据反应物到产物的转化率和目标产物对非目标产物的选择性来改善其性能。
实践证明，微通道技术(MCT)能提供诸多好处。最近几年，MCT技术已经越来越多地应用到许多单元操作中。例如，A.A.Rostami等人的“微通道中气体流的流动和热传递”：一篇综述，38传热和传质，359-367(2002)(在医药生物工艺，航空电子技术，消费领域电子设备，电讯，度量衡学等领域中的应用)；还如R.S.Wegeng等人的“建立在微通道技术上的用做汽车燃料电池的压缩燃料处理器”[Fuel Cells Bulletin No.28(2002)(燃料电池的压缩氢生成器)]。MCT应用微通道设备，该设备可以进行以前在大型装置中受限制的工艺，其总生产量通常提高3至1000倍。所述的MCT设备，至少包含一个内部的小于2mm的宽度或高度尺寸，优选地小于1mm，该MCT设备有改变单元操作的潜能，这类似于微型化给电脑技术带来的改变。MCT有利于小规模操作中的应用，例如机动车或个人(可携带)设备。更重要的是，MCT系统不仅能经济地得到产物，而且其联合可应用到急需的大规模操作中。
更特别的是，由于热交换器中较小通道的面积增加，使得热交换器变得越来越小，而每单元体积的热能传递增加。早期的技术包括所谓的紧凑式热交换器。例如V.V. Wadekar在2000年12月Chemical EngineeringProgress(化工工艺)第30-49页上发表的题为“a ChE’s Guide to CHEs”的文章。紧凑式热交换器的热能传递速率密度，或每单元体积热能传递速率(热功率密度)(其中这里和下文定义的体积是指总中心体积)，对于气相交换器仅能达到约0.4W/cc。与之对比，MCT热交换器的热能传递速率密度(热功率密度)约为1W/cc-40W/cc。紧凑式热交换器有较低的流体间平面传热百分比，通常小于10％。与之对比，MCT热交换器有较高的流体间平面传热百分比，通常大于10％，较好的大于20％，更好的大于40％，甚至有的大于50％。另外，MCT热交换器能利用较小的平均临近温度产生较高的热功率密度。
通过使用MCT热交换器可以克服上述的紧凑式热交换器的缺点。然而，即使使用MCT热交换器，仍存在一些问题。例如，MCT热交换器并不能设计成在一个单独完整设备中处理超过两种的单独流体。在一个热交换器中处理三种或多种流体，其流体间获得和损失的热量并不相等。那么，当需要在三种或多种流体间传递热能时，就必须采用紧凑式热交换器或多个两流体MCT热交换器。然而，即使采用多个两流体MCT热交换器，并允许将足够多的热量传递给周边环境和必要的流体传递管道系统，也会引起较大压降使得流体重新分配，或出现死区和涡流，从而导致过长的停留时间。而过长的停留时间将导致结垢、腐蚀、侵蚀、分解和不期望的副产物的生成，例如含碳流体在升温处理过程中会产生焦炭的沉积。另外，为了让MCT热交换器能实现它们全部的潜能，就必须将足够多数量的热交换器结合使用，以实现大规模的经济操作。那么，由于大量小的MCT热交换器彼此非常接近，并且通道彼此接近，因此分流进出MCT热交换器(或任何MCT设备)的流体将成为一个问题。
支管设计的目标是提供通过一种设备的可接受的均一性流动，该设备具有可接受的支管几何形状和流体机械能损失。该设计可参阅W.M.Kays和A.L.London，1984年第三版“Compact Heat Exchangers(紧凑式热交换器)”书中第41页。需要重申的是，支管设计要求均衡考虑各种设备性能因素，流动均一性、整体压降、支管尺寸和复杂程度都将影响这些因素。例如，在MCT设备内，当吸热反应耦合放热反应时，设备性能可以是热传递性能。正如本领域技术人员所理解的，通过应用流体动力学，对任何给定流体的支管设计将很容易获得，参见Kays 41-43页。
当在MCT设备中分流多种流体时，该设计将会比两流体支管的设计更加复杂。在一个设备中存在多种流体意味着该设备的外表面积的适当减少可用于接近每种流体。MCT设备的紧密度对几何空间要求不利，该要求是密封支管以防止流体之间的泄漏所必需的。因此，支管设计必须满足以上述目标和限制的外表面积。
热交换器并不是唯一的从小型化趋势获益的单元操作。与之相似的，反应器在尺寸上也已开始大幅度缩小，并且取得了非常好的效果。参阅Wegneg 9-12页(蒸发器、重整反应器、蒸汽重整)。然而，涉及MCT反应器的特殊问题和热传递需要仍存在。例如，热压所产生的严重问题。MCT设备被制造并装配成比传统的大型设备具有更高的允许量，并且多个MCT设备必须紧密填塞，从而在经济上与比得上大型设备的生产量相匹配。(一种MCT设备，当设备的每个中心单元体积高输出时，该设备通常是将很多个相连，以便提供可比较的生产量)。因此，传统的较大体积的设备可接受的温度的不同，将会在较小的MCT反应器内产生不可接受的热压，从而经受较高的温度梯度。例如，通过多个一体化的热交换器或连为一体的多个一体的MCT热交换器/反应器单元对MCT反应器的几何形状严格限制，该MCT反应器能经受潜在的破坏性热压。通常，提高MCT热交换器的效率将显示出较高的温度梯度和相应的较高的热压。为了解决这一问题，热交换器与反应器消除耦合，从而允许热量的扩散。但这样做必须分离管线。对于多个两流体的MCT热交换器，结果是多个单元间存在通过相连的管道或向周围环境的大量的热量损失。正如上文所述，这种管道连接点将会产生结垢和形成焦炭。可选择地，必须使用可耐热压的较昂贵的金属或一次性的便宜设备。
另外，联合多个热交换器/反应器设备，从而提供非常经济的、高生产量的目的是难以实现的。参见O.Woerz在Microreactor Technology(微反应器技术)中的“Microreactors as Tools in Chemical Research”(在化学研究中作为工具的微型反应器)、IMRET5：在微反应技术第五届国际会议会议录第385页(Michael Matlosz等人，2001年10月)(理论上讲，微型反应器用于生产是可能的，但会遇到很严重的问题)。例如，在石油加工工业中，即使以最小的特殊制氢装置来说，通常其氢气的产量至少为每天1百万标准立方英尺(scfd)到每天1亿标准立方英尺。与之相反，单流MCT设备的氢气产量最多为1000到10000标准立方英尺(scfd)。因此，要提供同样的产量就必需将100到100000个微通道单元紧密排列在一起构成一个系统。
本发明克服了现有技术中的一些缺陷：必须提供多个带有必要的单元内管道的两流热交换器，不能将MCT反应器和MCT热交换器一体化，以及联合多个一体化的MCT热交换器/反应器设备形成一个MCT系统，从而能大规模操作中获益，也就是说，大规模地操作等同于高产量。这样做可获得多流体的巨大的热能密度，减少对周围环境的热量损失，降低或消除腐蚀、侵蚀、分解和焦炭的形成，并且每单元体积获得较高的生产量。另外，通过操作带有单调递增温度分布曲线的设备，可降低热压。
发明内容
本发明涉及一种工艺和设备，该工艺和设备用于在MCT热交换器中三种或多种流体之间进行热能交换；用于将MCT热交换器和MCT反应器连为一体，从而形成一体化的MCT加工单元；用于联合多个一体化的MCT加工单元形成一体化的MCT加工系统；以及用于最终联合多个一体化的MCT系统形成能得到大规模操作益处的MCT处理堆。尤其是，MCT热交换工艺和设备能够在多种流体之间灵活传热，并且整体热传递速率大约为每中心单元体积(立方厘米(cc))为1瓦特(W)或更多(即1W/cc)，压降大约为每英寸0.25psi(磅/平方英寸)或更少，在过渡或层流区为雷诺流，流体间的平面热传递百分比大于30％。在一些实施例中，一体化的MCT热交换器和MCT反应器显示出单调递增温度分布曲线，以及由此得到的热压的最小化。
本发明包括一种热交换器，该热交换器包括：一个第一微通道，其具有一个入口和一个出口；一个第二微通道，其具有一个入口和一个出口；以及至少一个第三微通道，其具有一个入口和一个出口，其中每一个入口和每一个出口分别不同于其它的入口或出口。
上述热交换器中，可进一步包括在第一微通道内流动的流体，该流体的雷诺数小于4000。
上述热交换器中，第一微通道内的流体的停留时间小于500ms。
上述热交换器中，第一微通道内流动的流体的压降为15psi或更小。
上述热交换器中，当第一流体流经第一微通道，第二流体流经第二微通道，至少一种第三流体流经至少的第三微通道时，总热能密度大于1W/cc。
上述热交换器中，至少一个微通道的IPHAP约为30或更大。
上述热交换器中，第一微通道内流动的第一流体的停留时间小于500ms。
上述热交换器中，至少一个微通道有至少一个约2mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述热交换器中，至少一个微通道有至少一个约0.1mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
本发明还包括一种热交换器，该热交换器包括：一个第一微通道，其具有一个入口和一个出口；一个第二微通道，其具有一个入口和一个出口；以及至少一个第三微通道，其具有一个入口和一个出口，其中每一个入口和每一个出口分别不同于其它的入口或出口，并且当第一流体流经第一微通道时，IPHTAP约为30或更大。
上述热交换器中，当第一流体流经第一微通道，第二流体流经第二微通道，至少一种第三流体流经至少的第三微通道时，总热能密度大于1W/cc。
本发明还包括一种热交换器，该热交换器包括：一个第一微通道，其具有一个入口和一个出口；一个第二微通道，其具有一个入口和一个出口；以及至少一个第三微通道，其具有一个入口和一个出口，其中每一个入口和每一个出口分别不同于其它的入口或出口，并且第一微通道有一个至少不同于第二微通道的水力直径。
上述热交换器中，当第一流体流经第一微通道，第二流体流经第二微通道，至少一种第三流体流经至少的第三微通道时，至少一个微通道的IPHTAP约为10或更大。
上述热交换器中，至少一个微通道有至少一个约2mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述热交换器中，至少一个微通道有至少一个约0.1mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
本发明还包括一种热交换器，该热交换器包括：一个第一表面；一个第二表面，该表面与第一表面基本相对，并与其相间隔；一个第三表面，该表面与第一表面和第二表面基本正交；一个第四表面，该表面与第三表面基本相对，并与其相间隔；一个第一微通道，该微通限定第一表面与第二表面间的通道；一个第二微通道，该微通道限定第一表面与第二表面间的通道；以及至少一个第三微通道，该微通道限定第三表面与第四表面间的通道，其中第一微通道有一个至少不同于第二微通道获第三微通道的横截面积。
上述热交换器中，至少一个微通道有至少一个约2mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述热交换器中，至少一个微通道有至少一个约0.1mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
本发明还包括一种在设备内进行三种流体间的热交换的工艺，该方法包括：(a)第一流体流过第一微通道，该流体具有第一温度；(c)第二流体流过第二微通道，该流体具有第二温度；(d)第三流体流过第三微通道，该流体具有第三温度。
上述工艺中，第一流体的雷诺数约为4000或更小。
上述工艺中，第一流体的停留时间约为500ms或更小。
上述工艺中，第一流体为气态流体，并以压降约为15psi或更小流过第一微通道。
本发明还包括一种用于在多流体间进行热交换的工艺，该方法包括：(a)第一流体流过第一微通道，该流体具有第一温度；(b)第二流体流过第二微通道，该流体具有第二温度；(c)至少一种第三流体流过至少一个第三微通道，该流体具有至少一个第三温度；以及(d)将第一流体与第二流体和至少第三流体进行热量交换。
上述工艺中，第一流体为气态流体，并以压降约为15psi或更小流过第一微通道。
上述工艺中，第一气态流体的停留时间约为500ms或更小。
上述工艺中，至少一个微通道的IPHAP约为30或更大。
本发明还包括一种热交换工艺包括：(a)通过多个第一微通道流动第一流体；(b)通过多个第二微通道流动第二流体；以及(c)通过多个至少的第三微通道流动至少一种第三流体，一系列至少的第三微通道与一系列的第一微通道和一系列的第二微通道进行热交换。
上述热交换工艺中，总热能密度大于1W/cc。
本发明还包括一种热交换器，该热交换器包括：一个第一末端和一个第二末端；一个第一微通道；一个第二微通道；一个第三微通道；一个第四微通道；一个第五微通道；一个第六微通道；以及一个第七微通道，每个微通道限定第一末端和第二末端之间的通道，其中每个微通道与其它微通道中的至少一个进行热交换，并且第一微通道有一个至少不同于第二微通道的横截面积。
上述热交换器中，当第一气态流体的第一部分以第一温度流经第一微通道，第二气态流体的第一部分以第二温度流经第二微通道，第三气态流体以第三温度流经第三微通道，第四气态流体以第四温度流经第四微通道，第五气态流体以第五温度流经第五微通道，第一气态流体的第二部分流经第六微通道，第二气态流体的第二部分流经第七微通道时，热交换的总热能密度至少为1W/cc。
上述热交换器中，平均渐近温度约为150℃。
本发明还包括一种用于进行至少一个第一单元操作和至少一个第一化学反应的设备，该设备包括：一个第一微通道；一个第二微通道，该微通道与第一微通道进行热交换；以及至少一个第三微通道，该至少的第三微通道与第二微通道进行流体交换，其中当第一流体被导入第一微通道，包含至少一种第一反应物的第二流体被导入第二微通道，并且包含至少一种第二反应物的至少的第三流体被导入至少的第三微通道时，在第一微通道内进行至少的第一单元操作，至少的第一反应物和至少的第二反应物经至少的第一化学反应化合形成至少的第一产物，并且热能在第一微通道和第二微通道之间传递。
上述设备中，至少一个微通道有至少一个约2mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述设备中，至少一个微通道有至少一个约0.1mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述设备中，可进一步包括装填在第二微通道内的催化剂。
本发明还包括一种用于进行化学反应的设备，该设备包括：热交换器和反应器的结合体，该热交换器包括第一、第二、第三、第四和第五微通道；该反应器包括与第一热交换器微通道和第二热交换器微通道进行流体交换的第一反应微通道，与第三热交换器微通道和第五热交换器微通道进行流体交换的第二反应微通道，以及与第四热交换器微通道进行流体交换的穿孔的微通道，该穿孔的微通道制成包括一个或多个孔隙，该穿孔的微通道通过一个或多个孔隙与第二反应微通道进行流体交换。
上述设备中，化学反应是吸热反应。
上述设备中，第一反应微通道与第二反应微通道进行热交换。
上述设备中，第一热交换器微通道与第三热交换器微通道进行热交换。
上述设备中，第二热交换器微通道与第五热交换器微通道进行热交换。
上述设备中，第三热交换器微通道与第四热交换器微通道进行热交换。
上述设备中，可进一步包括装填在第一反应微通道内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在第二反应微通道内的催化剂。
本发明还包括一种用于进行吸热反应的设备，该设备包括：反应微通道；与反应微通道进行热交换的燃烧微通道；与燃烧微通道进行流体交换的氧化剂微通道。
上述设备中，至少一个微通道有至少一个约2mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述设备中，至少一个微通道有至少一个约0.1mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
上述设备中，可进一步包括装填在反应微通道内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在燃烧微通道内的催化剂。
本发明还包括一种用于进行吸热反应的工艺，该工艺包括：(a)至少一种吸热反应物流过第一微通道，其中至少一种吸热反应物转变成至少一种吸热产物；(b)燃料流过第二微通道；(c)氧化剂流过第三微通道；(d)混合氧化剂和燃料，其中燃料和氧化剂转化成至少一种排放产物，并产生热能；以及(e)将至少一部分热能传递到第一微通道。
上述工艺中，可进一步包括至少一种吸热反应物与催化剂的接触。
上述工艺中，可进一步包括混合的氧化剂和燃料与催化剂的接触。
本发明还包括一种用于将反应物原料流体通过化学反应转化成产物流体的设备，该设备包括热交换器和反应器的结合体；该热交换器具有一个远端和一个近端，并包括第一、第二、第三、第四和第五微通道，每个微通道限定远端和近端之间的通道；该反应器与热交换器近端连成一体，并包括第一微通道反应部分、第二微通道反应部分和穿孔的微通道部分，该第一微通道反应部分与第一热交换器微通道和第二热交换器微通道进行流体交换，该第二微通道反应部分与第三热交换器微通道和第五热交换器微通道进行流体交换，该穿孔的微通道部分与第四热交换器微通道进行流体交换并形成一个或多个孔隙，并同时与第二微通道反应部分进行流体交换。
上述设备中，可进一步包括装填在第一微通道反应部分内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在第二微通道反应部分内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在第三热交换器微通道内的催化剂。
上述设备中，当反应物原料流体被导入第二热交换器微通道远端时，燃料流体被导入第三热交换器微通道远端，含氧流体被导入第四热交换器微通道远端，产物流体可以从第一热交换器微通道远端流出，并且排放流体可以从第五热交换器微通道远端流出，在热交换器内，产物流体将热量传递给反应物原料流体，同时排放流体将热量传递给含氧流体，在反应器内，含氧流体和燃料流体在燃烧反应中化合，该燃烧反应给一个或多个反应提供热量，在这些反应中反应物原料流体至少部分的转化成产物流体。
本发明还包括一种用于将反应物原料流体通过化学反应转化成产物流体的设备，该设备包括热交换器和反应器的结合体；该热交换器具有一个远端和一个近端，并包括第一、第二、第三、第四微通道，每个微通道限定远端和近端之间的通道；该反应器与热交换器近端连为一体，并包括第一微通道反应部分和第二微通道反应部分，该第一微通道反应部分与第一热交换器微通道和第二热交换器微通道进行流体交换，该第二微通道反应部分与第三热交换器微通道和第四热交换器微通道进行流体交换。
上述设备中，可进一步包括装填在第一微通道反应部分内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在第二微通道反应部分内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在第三热交换器微通道内的催化剂。
本发明还包括一种用于进行吸热化学反应的设备，该设备包括热交换器和反应器的结合体，该热交换器包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八微通道；该反应器与热交换器连为一体，并包括第一放热反应微通道、第二放热反应微通道、第一穿孔微通道、第二穿孔微通道、第一吸热反应微通道和第二吸热反应微通道，该第一放热反应微通道与第四热交换器微通道和第六热交换器微通道进行流体交换；该第二放热反应微通道与第六热交换器微通道和第八热交换器微通道进行流体交换；该第一穿孔微通道与第五热交换器微通道进行流体交换并形成包括一个或多个第一穿孔微通道孔隙，并通过一个或多个第一穿孔微通道孔隙与第一放热反应微通道进行流体交换；该第二穿孔微通道与第七热交换器微通道进行流体交换并形成包括一个或多个第二穿孔微通道孔隙，并通过一个或多个第二穿孔微通道孔隙与第二放热反应微通道进行流体交换；该第一吸热反应微通道与第一热交换器微通道和第二热交换器微通道进行流体交换；该第二吸热反应微通道与第三热交换器微通道和第二热交换器微通道进行流体交换。
上述设备中，可进一步包括装填在至少一个吸热反应微通道内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在至少一个放热反应微通道内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括插入在第一放热反应微通道和第二放热反应微通道之间的舌状物。
上述设备中，可进一步包括插入在第一吸热反应微通道和第二吸热反应微通道之间的舌状物。
本发明还包括一种用于将烃类原料流体重整生成合成气产物流体的工艺，该工艺包括：(a)将烃类原料流体导入第一热交换器微通道；(b)将燃料流体导入第二热交换器微通道；(c)将含氧流体导入第三热交换器微通道；(d)至少部分地重整原料流体，从而生成合成气产物流体；(e)将燃料流体和含氧流体一起燃烧；(f)通过第四热交换器微通道放出产物流体；(g)通过第六热交换器微通道放出排放流体。
上述工艺中，可进一步包括烃类原料流体与催化剂的接触。
上述工艺中，可进一步包括燃料流体和含氧流体与催化剂的接触。
本发明还包括一种微通道设备，该微通道设备包括：第一微通道和第二微通道，该第二微通道包括一个或多个孔隙，并与第一微通道进行流体交换。
上述设备，可进一步包括装填在第一微通道内的催化剂。
本发明还包括一种用于进行单元操作的仪器，该仪器包括：多个微通道设备，每个微通道设备包括热交换器部分和单元操作部分的结合体，该热交换器部分包括至少五个微通道，该单元操作部分与热交换器部分连为一体，并包括第一单元操作微通道、第二单元操作微通道和穿孔的微通道，该第一单元操作微通道与第一热交换器部分微通道和第二热交换器部分微通道进行流体交换，该第二单元操作微通道与第三热交换器部分微通道和第四热交换器部分微通道进行流体交换，该穿孔的微通道与至少的第五热交换器部分微通道进行流体交换，并进一步与第二单元操作微通道进行流体交换；与每个微通道设备的第一热交换器部分微通道进行流体交换的第一支管；与每个微通道设备的第二热交换器部分微通道进行流体交换的第二支管；与每个微通道设备的第三热交换器部分微通道进行流体交换的第三支管；以及与每个微通道设备的第五热交换器部分微通道进行流体交换的第四支管。
本发明还包括一种用于进行单元操作和化学反应的工艺，该工艺包括：(a)将第一流体导入第一支管；(b)分配第一流体进入多个第一微通道；(c)将第二流体导入第二支管；(d)分配第二流体进入多个第二微通道；(e)将第三流体导入第三支管；(f)分配第三流体进入多个第三微通道；(g)第二流体与第一流体接触，其中进行化学反应；以及(h)在第一流体和化学反应间进行热传递。
上述工艺中，第一流体包括至少一种烃。
上述工艺中，第二流体包括至少一种燃烧组分。
上述工艺中，第三流体包括至少一种氧化组分。
本发明还包括一种微通道设备，该微通道设备包括：第一叠层板，该叠层板限定多个第一微通道，每个第一微通道与第一支管和第二支管进行流体交换；第二叠层板，该叠层板限定多个第二微通道，每个第二微通道与第三支管和第四支管进行流体交换；以及第三叠层板，该叠层板限定多个第三微通道，每个第三微通道与第五支管进行流体交换，并与至少多个第二微通道中的一个进行流体交换。
上述设备中，可进一步包括装填在至少多个第一微通道之一内的催化剂。
上述设备中，可进一步包括装填在至少多个第二微通道之一内的催化剂。
本发明还包括一种微通道设备，该微通道设备包括：多个第一叠层板，每个第一叠层板限定多个第一微通道，每个第一微通道与第一支管和第二支管进行流体交换，每个第一支管与第一总管进行流体交换，每个第二支管与第二总管进行流体交换；多个第二叠层板，至少一个第二叠层板与第一叠层板相邻，每个第二叠层板限定多个第二微通道，每个第二微通道与第三支管和第四支管进行流体交换，每个第三支管与第三总管进行流体交换，每个第四支管与第四总管进行流体交换；以及多个第三叠层板，至少一个第三叠层板与第二叠层板相邻，每个第三叠层板限定多个第三微通道，每个第三微通道与第五支管进行流体交换，并与至少多个第二微通道中的一个进行流体交换，并且每个第五支管与第五总管进行流体交换。
本发明还包括一种用于进行化学反应的微通道仪器，该微通道仪器包括多个微通道设备，每个设备包括：多个第一反应物微通道，每个第一反应物微通道与设备外表面进行流体交换；多个第一产物微通道，每个第一产物微通道与各个第一反应物微通道进行流体交换，并与设备外表面进行流体交换；多个第二反应物微通道，每个第二反应物微通道与各个第一产物微通道进行流体交换，并与设备外表面进行流体交换；多个第三反应物微通道，每个第三反应物微通道与设备外表面进行流体交换；多个第五反应物微通道，每个第五反应物微通道与仪器外表面进行流体交换，并与各个第三反应物微通道进行流体交换；多个第二产物微通道，每个第二微通道与各个第三反应物微通道进行流体交换，并与仪器外表面进行流体交换；多个第四反应物微通道，每个第四反应物微通道与各个第二产物微通道进行流体交换，并与仪器外表面进行流体交换；以及多个第六反应物微通道，每个第六微通道与各个第四反应物微通道进行流体交换，并与仪器外表面进行流体交换。
上述仪器中，可进一步包括：与多个第一反应物微通道和多个第二反应物微通道进行流体交换的第一总管；与多个第一产物微通道进行流体交换的第二总管；与多个第三反应物微通道和多个第六反应物微通道进行流体交换的第三总管；与多个第五反应物微通道和多个第四反应物微通道进行流体交换的第四总管；与多个第二产物微通道进行流体交换的第五总管。
本发明还包括一种用于进行化学反应的微通道仪器，该仪器包括：多个微通道设备，每个设备包括：一个第一反应物支管；多个第一反应物微通道，每个第一反应物微通道与第一反应物支管进行流体交换；一个第一产物支管；多个第一产物微通道，每个第一产物微通道与第一产物支管进行流体交换，并与各个第一反应物微通道进行流体交换；一个第二反应物支管；多个第二反应物微通道，每个第二反应物微通道与第二反应物支管进行流体交换，并与各个第一产物微通道进行流体交换；一个第三反应物支管；多个第三反应物微通道，每个第三反应物微通道与第三反应物支管进行流体交换；多个第五反应物微通道，每个第五反应物微通道与设备外表面进行流体交换，并与各个第三反应物微通道进行流体交换；一个第二产物支管；多个第二产物微通道，每个第二产物微通道与第二产物支管进行流体交换，并与各个第三反应物微通道进行流体交换；一个第四反应物支管；多个第四反应物微通道，每个第四反应物微通道与第四反应物支管进行流体交换，并与各个第二产物微通道进行流体交换；多个第六反应物微通道，每个第六反应物微通道与设备外表面进行流体交换，并与各个第四反应物微通道进行流体交换；与多个第一和第二反应物支管进行流体交换的第一总管；与多个第一产物支管进行流体交换的第二总管；与多个第三和第四反应物支管进行流体交换的第三总管；与多个第二产物支管进行流体交换的第四总管；以及与多个第五和第六反应物微通道进行流体交换的第五总管。
本发明还包括一种用于进行化学反应的微通道仪器，该仪器包括：多个微通道设备，每个设备包括：一个第一反应物支管；多个第一反应物微通道，每个第一反应物微通道与第一反应物支管进行流体交换；一个第一产物支管；多个第一产物微通道，每个第一产物微通道与第一产物支管进行流体交换，并与各个第一反应物微通道进行流体交换；一个第二反应物支管；多个第二反应物微通道，每个第二反应物微通道与第二反应物支管进行流体交换；多个第三反应物微通道，每个第三反应物微通道与设备外表面进行流体交换，并与各个第二反应物微通道进行流体交换；一个第二产物支管；多个第二产物微通道，每个第二产物微通道与第二产物支管进行流体交换，并与各个第二反应物微通道进行流体交换；与多个第一反应物支管进行流体交换的第一总管；与多个第一产物支管进行流体交换的第二总管；与多个第二反应物支管进行流体交换的第三总管；与多个第二产物支管进行流体交换的第四总管；与多个第二产物微通道进行流体交换的第五总管。
本发明还包括一种将两种流体合并成单一流体的设备，该设备包括：一个第一通道；一个第二通道；一个第三通道；以及插入第一通道和第二通道之间的舌状物，其中第一流体在第一通道内流向舌状物，第二流体在第二通道内流向舌状物，该第二流体处于实质上与第一流体碰撞舌状物的反侧相反的方向，并直接进入第三通道，从而合并了第一流体和第二流体。
上述设备中，舌状物延伸进入第三通道。
本发明还包括一种多通道设备，该多通道设备包括：(a)一个第一平板；(b)一个第二平板，该平板与第一平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第二平板的边缘相连；(c)一个第三平板，该平板与第二平板相邻，并包括至少一个孔隙，该至少的一个孔隙与第二平板的至少一个槽相连，第三平板与第一平板和第二平板共同操作，从而形成由第二平板的至少一个槽所限定的通道；(d)一个第四平板，该平板与第三平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第三平板的至少一个孔隙相连；(e)一个第五平板，该平板与第四平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第五平板的边缘相连；(f)一个第六平板，该平板与第五平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第五平板的至少一个槽相连；(g)一个第七平板，该平板与第六平板相邻，并包括至少一个孔隙，该至少的一个孔隙与第六平板的至少一个槽相连，第七平板与第三平板、第四平板、第五平板和第六平板共同操作，从而形成由第四平板的至少一个槽、第五平板的至少一个槽和第六平板的至少一个槽所限定的至少一个通道；(h)一个第八平板，该平板与第七平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第二平板的边缘相连；以及(I)一个第九平板，该平板与第八平板相邻，第九平板与第八平板和第七平板共同操作，从而形成由第八平板的至少一个槽所限定的通道。
上述多通道设备中，第五平板的至少一个槽进一步包括舌状物。
上述多通道设备中，由第二平板的至少一个槽所限定的通道进一步包括催化剂。
上述多通道设备中，由第八平板的至少一个槽所限定的通道进一步包括催化剂。
上述多通道设备中，可进一步包括：(a)一个第十平板，该平板与第九平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第十平板的边缘相连；(b)一个第十一平板，该平板与第十平板相邻，第十一平板包括：(i)至少一个第一孔隙，该孔隙与第十平板的至少一个槽相连，以及(ii)至少一个第二孔隙，该孔隙与第十平板的至少一个槽相连，第十一平板与第九平板和第十平板共同操作，从而形成由第十平板的至少一个槽所限定的通道；(c)一个第十二平板，该平板与第十一平板相邻，第十二平板包括：(i)至少一个槽，该至少的一个槽与第十二平板的边缘相连，并与第十一平板的至少一个孔隙相连，(ii)至少一个孔隙，该至少的一个孔隙与第十一平板的至少一个第二孔隙相连；(d)一个第十三平板，该平板与第十二平板相邻，并包括至少一个孔隙，该至少的一个孔隙与第十二平板的至少一个孔隙相连，第十三平板与第十一平板和第十二平板共同操作，从而形成由第十二平板的至少一个槽所限定的至少一个第一通道；(e)一个第十四平板，该平板与第十三平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第十四平板的边缘相连，并与第十三平板的至少一个孔隙相连；(f)一个第十五平板，该平板与第十四平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第十五平板的边缘相连，并与第十四平板的至少一个槽相连；(g)一个第十六平板，该平板与第十五平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第十六平板的边缘相连，并与第十五平板的至少一个槽相连；(h)一个第十七平板，该平板与第十六平板相邻，并包括至少一个孔隙，该至少的一个孔隙与第十六平板的至少一个槽相连，第十七平板与第十三平板、第十四平板、第十五平板和第十六平板共同操作，从而形由第十四平板的至少一个槽、第十五平板的至少一个槽和第十六平板的至少一个槽所限定的至少一个通道；(i)一个第十八平板，该平板与第十七平板相邻，第十八平板包括：(i)至少一个槽，该至少的一个槽与第十八平板的边缘相连，以及(ii)至少一个孔隙，该至少的一个孔隙与第十七平板的至少一个孔隙相连；(j)一个第十九平板，该平板与第十八平板相邻，第十九平板包括：(i)至少一个第一孔隙，该至少的一个第一孔隙与第十八平板的至少一个槽相连，以及(ii)至少一个第二孔隙，该至少的一个第二孔隙与第十八平板的至少一个孔隙相连，第十九平板与第十七平板和第十八平板共同操作，从而形成由第十八平板的至少一个槽所限定的通道；(k)一个第二十平板，该平板与第十八平板相邻，并包括至少一个槽，该至少的一个槽与第二十平板的边缘相连；(1)一个第二十一平板，该平板与第二十平板相邻，第二十一平板与第十九平板和第二十平板共同操作，从而形成由第二十平板的至少一个槽所限定的通道。
上述多通道设备中，第十五平板的至少一个槽进一步包括舌状物。
上述多通道设备中，由第十二平板的至少一个槽所限定的通道包括催化剂。
上述多通道设备中，由第二十平板的至少一个槽所限定的通道包括催化剂。
本发明还包括一种多通道设备，该多通道设备包括：(a)一个第一平板，该平板包括第二和第四孔隙；(b)一个第二平板，该平板与第一平板相邻，第二平板包括：(i)一个第一槽，该第一槽进一步包括一个槽口，该槽口与第一平板的第二孔隙相连，(ii)至少一个第二槽，该至少的一个第二槽与第一槽相连，以及(iii)一个第四孔隙，该第四孔隙与第一平板的第四孔隙相连；(c)一个第三平板，该平板与第二平板相邻，第三平板包括：(i)一个第二孔隙，该第二孔隙与第二平板的槽口相连，(ii)一个第四孔隙，该第四孔隙与第二平板的第四孔隙相连，以及(iii)至少一个第五孔隙，该第五孔隙与第二平板的至少的一个第二槽相连，第三平板与第一平板和第二平板共同操作，从而形成由第二平板的第一槽和第二平板的至少一个第二槽所限定的多个通道；(d)一个第四平板，该平板与第三平板相邻，第四平板包括：(i)至少一个槽，该至少的一个槽与第三平板的至少一个第五孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第三平板的第二孔隙相连，以及(iii)一个第四孔隙，该第四孔隙与第三平板的第四孔隙相连；(e)一个第五平板，该平板与第四平板相邻，第五平板包括：(i)一个第一槽，该第一槽包括一个槽口，槽口与第四平板的第四孔隙相连，(ii)至少一个第二槽，该至少的一个第二槽与第四平板的至少一槽相连；以及(iii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第四平板的第二孔隙相连；(f)一个第六平板，该平板与第五平板相邻，第六平板包括：(i)至少一个槽，该至少的一个槽与第五平板的至少一个第二槽相连；(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第五平板的第二孔隙相连，以及(iii)一个第四孔隙，该第四孔隙与第五平板的槽口相连，第六平板与第四平板和第五平板共同操作，从而形成由第五平板的第一槽所限定的通道；(g)一个第七平板，该平板与第六平板相邻，第七平板包括：(i)一个第二孔隙，该第一孔隙与第六平板的第二孔隙相连，(ii)一个第四孔隙，该第四孔隙与第六平板的第四孔隙相连，以及(iii)至少一个第五孔隙，该至少的第五孔隙与第六平板的至少一个槽相连，第七平板与第三平板、第四平板、第五平板和第六平板共同操作，从而形成由第四平板的至少一个槽、第五平板的至少一个第二槽和第六平板的至少一个槽所限定的多个通道；(h)一个第八平板，该平板与第七平板相邻，第八平板包括：(i)一个第一槽，该第一槽进一步包括一个槽口，该槽口与第七平板的第二孔隙相连，(ii)至少一个第二槽，该至少的一个第二槽与第一槽相连；以及(iii)一个第四孔隙，该第四孔隙与第七平板的第四孔隙相连；(i)一个第九平板，该平板与第八平板相邻，并包括第二、第四孔隙，第九平板与第七平板和第八平板共同操作，从而形成由第八平板的第一槽所限定的第一通道和由第八平板的至少的一个第二槽所限定的至少一个第二通道。
上述多通道设备中，由第二平板的至少一个第二槽所限定的至少一个第二通道进一步包括催化剂。
上述多通道设备中，由第八平板的至少一个第二槽所限定的至少一个第二通道进一步包括催化剂。
上述多通道设备中，至少一个第五平板的第二槽进一步包括舌状物。
上述多通道设备中，该第一平板通过并包括第九平板，每一个平板进一步包括第一孔隙和第三孔隙，该设备进一步包括：(a)一个第十平板，该平板与第九平板相邻，第十平板包括：(i)一个第一槽，该第一槽进一步包括一个槽口，该槽口与第九平板的第一孔隙相连，(ii)至少一个第二槽，该至少的一个第二槽与第一槽相连，(iii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第九平板的第二孔隙相连，(iv)一个第三孔隙，该第三孔隙与第九平板的第三孔隙相连，以及(v)一个第四孔隙，该第四孔隙与第九平板的第四孔隙相连；(b)一个第十一平板，该平板与第十平板相邻，第十一平板包括：(i)至少一个第一孔隙，该至少一个第一孔隙与第十平板的槽口相连，(ii)至少一个第二孔隙，该至少一个第二孔隙与第十平板的槽口相连，(iii)至少一个第三孔隙，该至少一个第三孔隙与第十平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十平板的第四孔隙相连，(v)至少一个第五孔隙，该至少一个第五孔隙与第十平板的至少一个第二槽相连，以及(vi)至少一个第六孔隙，该至少一个第六孔隙与第十平板的至少一个第二槽相连；(c)一个第十二平板，该平板与第十一平板相邻，第十二平板包括：(i)一个第一槽，该第一槽进一步包括一个槽口，该槽口与第十一平板的第三孔隙相连，(ii)至少一个第二槽，该至少一个第二槽与第一槽相连，并与第十一平板的至少一个第六孔隙相连，(iii)至少一个第五孔隙，该至少一个第五孔隙与第十一平板的至少一个第五孔隙相连，(iv)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十一平板的第一孔隙相连，(v)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十一平板的第二孔隙相连，(vi)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十一平板的第四孔隙相连；(d)一个与第十二平板相邻的第十三平板，第十三平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十二平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十二平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第十二平板的槽口相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十二平板的第七孔隙相连，(v)一个第五孔隙，该第五孔隙与第十二平板的第五孔隙相连，第十三平板与第十一平板和第十二平板共同操作，从而形成由第十二平板的第一槽和第十二平板的至少一个第二槽所限定的多个通道；(e)一个第十四平板，该平板与第十三平板相邻，第十四平板包括：(i)第一、第二、第三和第四孔隙，每一个孔隙分别与第十三平板的第一、第二、第三和第四孔隙相连，(ii)至少一个槽，该至少一个槽与第十四平板的边缘相连，并与第十三平板的至少一个第五孔隙相连，(f)一个第十五平板，该平板与第十四平板相邻，第十五平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十四平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十四平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第十四平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十四平板的第四孔隙相连，(v)至少一个槽，该至少一个槽与第十四平板的至少一个槽相连；(g)一个第十六平板，该平板与第十五平板相邻，第十六平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十五平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十五平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第十五平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十五平板的第四孔隙相连，(v)至少一个槽，该至少一个槽与第十五平板的至少一个槽相连；(h)一个第十七平板，该平板与第十六平板相邻，第十七平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十六平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十六平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第十六平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十六平板的第四孔隙相连，(v)至少一个第五孔隙，该至少一个第五孔隙与第十六平板的至少一个槽相连，第十七平板与第十三平板、第十四平办、第十五平板和第十六平板共同操作，从而形成由第十四平板的至少一个槽、第十五平板的至少一个槽和第十六平板的至少一个槽所限定的至少一个通道；(i)一个第十八平板，该平板与第十七平板相邻，第十八平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十七平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十七平板的第二孔隙相连，(iii)一个第一槽，该第一槽包括一个槽口，该槽口与第十七平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十七平板的第四孔隙相连，(v)至少一个第二槽，该至少一个第二槽与第一槽相连，(vi)至少一个第五孔隙，该至少一个第五孔隙与第十七平板的第五孔隙相连，(j)一个第十九平板，该平板与第十八平板相邻，第十九平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第十八平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十八平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第十八平板的槽口相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十八平板的第四孔隙相连，(v)至少一个第五孔隙，该至少一个第五孔隙与第十八平板的至少一个第五孔隙相连，(vi)至少一个第六孔隙，该至少一个第六孔隙与第十八平板的至少一个第二槽相连，第十九平板与第十七平板和第十八平板共同操作，从而形成由第十八平板的第一槽所限定的第一通道，和由第十八平板的至少一个第二槽所限定的至少一个第二通道；(k)一个第二十平板，该平板与第十九平板相邻，第二十平板包括：(i)一个第一槽，该第一槽包括一个槽口，该槽口与第十九平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第十九平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第十九平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第十九平板的第四孔隙相连，(v)至少一个第二槽，该至少一个第二槽与第一槽相连，并与第十九平板的至少一个第五孔隙相连，并与第十九平板的至少一个第六孔隙相连；(1)一个第二十一平板，该平板与第二十平板相邻，第二十一平板包括：(i)一个第一孔隙，该第一孔隙与第二十平板的第一孔隙相连，(ii)一个第二孔隙，该第二孔隙与第二十平板的第二孔隙相连，(iii)一个第三孔隙，该第三孔隙与第二十平板的第三孔隙相连，(iv)一个第四孔隙，该第四孔隙与第二十平板的第四孔隙相连，第二十一平板与第十九平板和第二十平板共同操作，从而形成由第二十平板的第一槽所限定的第一通道，和由第二十平板的至少一个第二槽所限定的至少一个第二通道。
上述多通道设备中，第十五平板的至少一个槽进一步包括舌状物。
上述多通道设备中，由第十二平板的至少一个第二槽所限定的通道进一步包括催化剂。
上述多通道设备中，由第十八平板的至少一个第二槽所限定的通道包括催化剂。
本发明还包括一种叠层板设备，该叠层板设备包括：(a)一个第一平板，该第一平板包括至少一个孔隙；(b)一个第二平板，该第二平板包括一个槽，该槽包括一个槽口，其中第一槽口向该槽的名义上的边界延伸，该槽口与第一平板的至少一个孔隙相连；(c)一个第三平板，该第三平板与第一平板和第二平板共同操作，从而形成由第二平板的槽所限定的通道。
本发明还包括在包括至少一个内部通道的叠层板设备中，一种提供在设备外表面和至少一个内部通道间进行交换的方法，该方法包括如下步骤：(a)在外表面第一叠层板内形成孔隙；(b)在限定至少一个内部通道的一个内部叠层板内形成槽口，其中该槽口向至少一个内部通道的名义上的边界延伸，该至少一个内部通道通过第一叠层板孔隙与设备外表面相连。
附图说明
图1a为本发明的热交换器的透视图。
图1b为图1a所示热交换器的透视图中沿1b-1b剖开的透视图。
图1c为图1a所示热交换器的平面图。
图1d为图1a所示热交换器的透视示意图，示出了反向/同向流动操作。
图2a为根据本发明的另一实施例的交叉流动热交换器的透视图。
图2b为图2a所示交叉流动热交换器沿2b-2b剖开的透视图。
图2c为图2a所示交叉流动热交换器的透视示意图，示出了同向/交叉流动操作。
图3a为根据本发明的具有联合热交换部分和反应部分的MCT设备的剖视图。
图3b为根据本发明的具有联合热交换部分和反应部分的MCT设备的剖视图，示出了图3a中的MCT设备的相反方向。
图4为根据本发明的另一实施例的具有联合热交换部分和反应部分的MCT设备的剖视图。
图5为根据本发明的具有联合热交换部分和反应部分的MCT处理系统的剖视图。
图6a为根据本发明的MCT处理复合体的分解透视图。
图6b为根据本发明的另一实施例的MCT处理复合体反应部分的分解透视图。
图6c为根据本发明的另一实施例的MCT处理复合体燃烧部分的分解透视图。
图7a为图6a所示的MCT处理复合体的改良的反面剖视图，如图所示其中通道为固态区。
图7b为图7a所示MCT处理复合体的旋转改良的反面剖视图。
图8a为根据本发明的另一实施例的MCT处理堆的透视图。
图8b为图8a所示的MCT处理堆的旋转透视图。
图9为图8a所示的MCT处理堆的透视图，示出了流头和流体。
图10为实施例1中的热交换器的平面图，图中尺寸都为in.，单位长度10in.。
图11a为实施例1中的热交换器第一端的透视图。
图11b为实施例1中的热交换器第二端的透视图。
图12为实施例1中的体积流速、出口压力和流体组成数据。
图13为实施例1中的入口温度数据。
图14为实施例1中的出口温度数据。
图15为实施例1中的压降数据。
图16为根据本发明的热交换器实测数据和计算机模拟数据的对比表。
图17为水力直径对传热系数的关系图。
图18为热交换通道的排列方式，其中一种流体通过带热加强片的通道。
图19为热交换为通道的排列方式，其中没有热加强片。
数字说明
10   MCT热交换器
11a  第一壁面
11b  第二壁面
12a  第一微通道
12b  第二微通道
12c  第三微通道
14   长度
15a  微通道12a的高度
15b  微通道12a的宽度
16a  微通道12b的高度
16b  微通道12b的宽度
17a  微通道12c的高度
17b  微通道12c的宽度
18   第一壁面11a的高度
19   第二壁面11b的宽度
16   高度
18   宽度
20   第一流体流
22   第二流体流
24   第三流体流
30   MCT热交换器
32a  第一微通道
32b  第二微通道
32c  第三微通道
33   肋条
34   第一边
36   第二边
38   第三边
40   第四边
42   第一流体流
44   第二流体流
46   第三流体流
50   MCT处理单元
52   反应器微通道
54   第一反应器热交换微通道
56   反应微通道
58   第二反应器热交换微通道
60   反应催化剂
62   燃烧器微通道
64   第一燃烧器热交换微通道
66   燃烧微通道
68   第二燃烧器热交换微通道
70   燃烧催化剂
72   氧化剂微通道
74   孔隙
75   反应物流体
76   产物流体
77   燃料流体
78   氧化剂流体
79   排放流体
80   MCT处理单元
82   反应器微通道
84   第一反应器热交换微通道
86   反应微通道
88   第二反应器热交换微通道
90   反应催化剂
92   燃烧器微通道
94   第一燃烧器热交换微通道
96   燃烧微通道
98   第二燃烧器热交换微通道
100  燃烧催化剂
102  氧化剂微通道
104  孔隙
110  MCT处理系统
111  MCT处理单元
112  第一反应器微通道
113  第二反应器微通道
114  第一反应器热交换微通道
115  第二反应器热交换微通道
116  第一反应微通道
117  第二反应微通道
118  第三反应器热交换微通道
120  反应催化剂
122  第一燃烧器微通道
123  第二燃烧器微通道
124  第一燃烧器热交换微通道
125  第二燃烧器热交换微通道
126  第一燃烧微通道
127  第二燃烧微通道
128  第三燃烧器热交换微通道
130  燃烧催化剂
132  第一氧化剂微通道
133  第二氧化剂微通道
134  孔隙
136  第一终端微通道
138  第二终端微通道
140  反应器微通道舌状物
142  燃烧器微通道舌状物
210  MCT处理复合体
212  第一反应物支管
213  第一反应物支管的突出部
213a 反应物通气管
214  第二反应物支管
215  第二反应物支管的突出部
216  产物支管
217  产物支管的突出部
217a 产物通气管
218  第一燃料支管
219  第一燃料支管的突出部
219a 燃料通气管
220  第二燃料支管
221  第二燃料支管的突出部
222  第一氧化剂支管
223  第一氧化剂支管的突出部
223a 氧化剂通气管
224  第二氧化剂支管
225  第二氧化剂支管的突出部
310  MCT处理堆
312  反应物总管
314  产物总管
316  燃料总管
318  氧化剂总管
320  排放总管
具体实施方式
术语“毫通道”是指至少一个高或宽的内部尺寸约为10mm的通道。
术语“微通道”是指至少一个高或宽的内部尺寸约为2mm的通道，在一些实施例中从0.1mm到2mm，在另一些实施例中从0.1mm到1mm。长度约为5m或更长。较好的长度为1m或更小；更好的长度为0.5m或更小。微通道也是毫通道。
毫通道可与微通道一起用于仪器中，既可以用于热交换器，也可以用于热交换器和反应器的联合体。毫通道的优点是能降低压降，缺点是其较低的传热系数和表面积，包括IPHTAP类型的面积。这里有一些实例说明用于多个流体处理流的包括毫通道和微通道的工艺是有利的。其中一个例子如下，在单个设备中，如果需要将大于70％的较大部分的热量从流体A传递到流体B，同时较小部分的热量从流体A传递到流体C，那么流体C的通道可以采用毫通道级的通道。包括一个或流体毫通道有利于交换器和反应器的联合体的应用。又比如，对一种或多种流体的较低压降的限制，诸如燃烧空气，这种通道可以设计成毫通道级。在热交换器应用中，如果流体要求较低的压降，则必须使用毫通道。又比如，用天然气进行家庭取暖或发电的工艺不能超过供给线的允许的背压，通常为几个psi(磅/平方英寸)。毫通道和微通道联合的工艺的另一个优势是，附加的预热和回收热量的热交换器的均匀燃烧的联合应用。对燃烧中热量的回收可以采用流动的或静态的热水的形式。对于许多烃类燃料，在微通道中实现均匀燃烧是一个难题，因为临界烃的淬火直径通常远大于微通道，但恰好小于毫通道的限制。例如，甲烷在室温的淬火直径大于2mm，所以不能在微通道中燃烧。随着临界尺寸从微通道到较宽的毫通道范围的增加，整个设备的尺寸也随之变大。对一些没有空间限制的应用来说，这并不是缺点。本领域技术人员可以理解，通过联合微通道和毫通道来满足特殊需要的性能是有利于许多应用的。
当术语“微通道”或“MCT”应用于设备、工艺、系统或类似的仪器时，就意味着这些设备、工艺、或系统包括至少一个微通道。
术语“MCT处理单元”是指微通道设备，该设备具有至少一个反应器部分和至少一个热交换器部分的联合。
术语“MCT处理系统”是指多个MCT处理单元的联合。
术语“MCT处理复合体”是指多个MCT处理系统的联合。
术语“MCT处理堆”是指多个MCT处理复合体的联合。
术语“总中心体积V”是指整个微通道体积总和加上分离微通道的壁面的体积，但特殊情况下还包括支管或总管的体积。因此，定义设备外部尺寸的外壁面不包括在内。参考图1a和1b，以此为例，设备的总中心体积V的计算公式如下：
V＝[(高15a)×(宽15b)+(高16a)×(宽16b)+(高17a)×(宽17b)+(高18)×(宽17b)+(高15a)×(宽19)]×[长14]
本领域技术人员可以理解，总中心体积V的计算遵循立体几何的基本原理，不同的构型可采用不同的方式计算。
术语“总热能密度”是指冷流体获得的热量除以总中心体积V。
术语“流体间平面热传递面积百分比”(IPHTAP)涉及最大传热效益，是指除去肋条、散热片和表面积增强器的通道设备中分开交热交换量的两种流体的表面积与通道的总的内表面积的百分比，该通道的总的内表面积也包括肋条、散热片和表面积增强器。也就是说，它是不同的流动的流体的热量传递到邻近通道的面积与通道总面积的比值。参考图18，示出了热交换通道的排列方式，其中共有三种流体，流体A、流体B和流体C。流体A同时与流体B和流体C热交换。通道A包括图18所示的热增强散热器(N/in.)。IPHTAP的计算式为：[2a/(2a+2b+2c)]×100。在一个典型的紧凑式热交换器中，上式中的a＝2.0in.，b＝0.5in.，N＝20fins/in.，计算出IPHTAP等于16％。IPHTAP值为100％的几何形状非常有用，因为所有可用的面积都被用于与周围不同流体进行热交换。这个例子假设在通道的两个长边进行热交换。如果通道在通道的末端，并且仅在一边进行热交换，则IPHTAP等于8％。相反地(图19)，在微通道中，其中a＝2.0in.，b＝0.025in.，d＝0.040in.，e＝0.98in.，则IPHTAP将会是：
流体A的通道＝[2a/(2a+2b)]×100＝49％；
流体B的通道＝[8c/(8c+8b)]×100＝95％；
流体C的通道＝[2e/(4e+4b)]×100＝49％。
当用于微通道和流体的详细说明时，术语“反应器”、“反应”、“燃烧器”、“燃烧”、“氧化剂”及类似词语，仅仅是名义上的。这可以理解为，在本发明的范围和主旨内，在上述的微通道内没有反应或任何反应、没有燃烧或任何类似的燃烧或放热反应发生。仅举例来说，反应包括如下所述的催化过程：乙酰化，加成反应，烷基化，脱烷基化，加氢脱烷基化，还原烷基化，胺化，芳构化，芳基化，自热重整，羰基化，脱羰基化，还原羰基化，羧基化，还原羧基化，还原耦合，浓缩，裂化，加氢裂化，环化，环化低聚，脱卤，二聚作用，环氧化，酯化，交换，费-托合成，卤化，加氢卤化，均裂，水合，脱水，氢化，脱氢，氢羧基化，加氢甲酰基化，氢解，氢金属化，硅氢化，水解，加氢处理，加氢脱硫/加氢脱氮(HDS/HDN)，异构化，甲烷化，甲醇合成，甲基化，脱甲基化，复分解，硝化，氧化，部分氧化，聚合作用，还原，Sabatier还原，蒸汽和二氧化碳重整，磺化，调节聚合反应，酯交换反应、三聚作用，水汽转移(WGS)和反水汽转移(RWGS)。另外，相态的变化诸如浓缩和蒸发也包括在本发明中，如吸收和吸附操作所示。
参考图1a-1d，本发明的MCT热交换器10有总中心体积V，并包括一个第一微通道12a、一个第二微通道12b和至少一个第三微通道12c。操作时，一种第一流体20、一种第二流体22和至少一种第三流体24分别流经第一微通道12a、第二微通道12b和至少的第三微通道12c。当图1d示出的是一个单通道、平行逆流/顺流流动模式时，本领域技术人员可以理解流动模式可以是任何适合的方式。多通道流体以及顺流和交叉模式(如图2a-2c所示)是可能的。重要的是，这些设备的总热能密度可为1W/cc到40W/cc或更多。总压降可为0.25磅/平方英寸(psi/in.)或更小，流体间平面热传递面积百分比大于10％。特别要注意第一微通道12a、第二微通道12b和至少的第三微通道12c的形状、大小和间距。通过改变微通道布局和分隔微通道的壁面的尺寸和整体设计形式，流体间的热能流动就可以无限制地改变。当微通道间有较少的金属，则可以提供较高的每单元体积的热传递速率以及每水力半径的较高的热传递系数。因此，
h～f(Dh)，其中h是热传递系数，Dh是水力直径；
Dh＝4A/P，其中A是横截面积，P是润周。
例如，如图16所示，热传递系数h随水力直径Dh的降低而升高。
我们必须首先考虑设备的整体尺寸：长、宽和高。较大的整体尺寸能形成较高的整体热容量和相对较少的热损失(Qloss/Qtotal)，但也会导致分流和流体分配的困难。在逆流流动的热交换器中，较大的热交换器长度将会提供在冷热流体间的较小的平均渐近温度，即T热出口-T冷进口。然而，较小的渐近温度也意味着流体间有较小的传热通量。接下来我们要考虑的是设备的热性能，包括热传导率、比热和密度。较高的热传导率能带来较高的传热率，但同时有较高的纵向热传导。前者将加快相邻通道内的流体间的热传递，后者则不符合要求，因为较高的渐近温度降低了热交换性能。对于给定的微通道热交换器的结构和尺寸来说，我们可以确定它的最佳热传导率。例如可参阅T.Stief等人在AIChE 2000春季会议(3月2-9日，2000)发表的Numerical Investigations on Optimal Heat Conductivity inMicro Heat Exchangers(关于微热交换器的最佳热传导率的数值研究)一文。较高的比热和密度将会导致较大的热惯性，和由此产生的操作状态的缓慢过渡，比如开启和关闭。下一步我们要考虑单个流体的总体流速或容量。通常流速的提高会导致整个交换器的热流体有较小的温降(或冷流体的较小的温升)。这也意味着所有流体的整体渐近温度将会提高。如果其它流体的流速保持不变，则通过提高一种流体的流速，局部热通量将会增加。微通道尺寸变小将会使传热系数增大，反过来，微通道内的流体和微通道壁面间的热通量将变小。对冷流体来说，其出口温度与减少微通道尺寸前的相同物质通量的冷流体相比将会较高。由于与其它流体的传热数量增加，整体传热效益将会提高。然而，与其它流体的传热数量的增加通常小于微通道尺寸减小后流体的传热数量的增加。但是实际上有一个低限，因为微通道尺寸越小，压降就会越大。本发明中，带有矩形横截面的微通道是优选的，因为与正方形或圆形的通道相比，这种几何形状能提供较高的热传递系数和用较少的固体材料。特别是，具有非常小的微通道的特宽的微通道能在热交换中将特殊流体与其它流体分隔开。流体内或流体间的隔板或肋条可以充当散热片以改善流体和固体壁面间的热传递，反过来，也改善了与其它流体的热传递。当温度低于局部壁面的温度时，在不同流体间的肋条、连接板和隔板中也发现了这一效果。然而，增加连接板、肋条、隔板和周边金属的尺寸的效果之一是将增加不必要的金属横截面积和轴向传导。当需要在两种流体间进行热传递时，增加不同流体间的连接板的尺寸的另一效果是将增加横向热传导的阻力。这两种效果降低了不同流体间的横向热通量，因此也就降低了热交换性能。
正如本领域技术人员所理解的，微通道横截面的选择不限于矩形；在本发明范围内，也可以选用别的多边形，甚至圆形或椭圆形横截面。
现在参考图2a-2c，在本发明的另一个实施例中，MCT热交换器至少有四个表面34、36(未示出)、38和40(未示出)，并且包括一个第一微通道32a、一个第二微通道32b和至少一个第三微通道32c。在操作中，一种第一流体42、一种第二流体44和至少一种第三流体46分别流经第一微通道32a、第二微通道32b和至少的第三微通道32c。例如，第三微通道32c可进一步包括多个内壁面或肋条33。正如本领域技术人员所理解的，肋条33使得设计非常灵活，并可允许水力直径无限制地结合。另外，在适当的情况下，当需要处理穿过分隔微通道的壁面的压差时，肋条33可以帮助提供附加的结构支撑。图2a-2c示出了单程流动模式，本领域技术人员可以理解流动模式可以是任何合适的方式。另外，本领域技术人员可以理解无需严格遵守图中所示的面与面之间的精确角度；根据本发明申请，许多其它的角度也是有效的。然而，重要的是，这种设备的总体热能密度可以达到21W/cc到40W/cc或更多。
正如本领域技术人员所理解的，本发明的使用并不限于图1a-1d和图2a-2c所示的特定结构。仅举例来说，各种微通道可以在数量、尺寸和复杂程度等方面加以改变。各个微通道的相对位置也可以随分隔各个微通道的壁面的厚度和固有的热传导率的变化而变化。参照上述讨论。
实施例1
现在参考图10-15，特别设计了一种热交换器来模拟根据本发明实施例的热交换器。该热交换器采用5种不同的流体，在图10-15中标注为流体A、B、C、D和E。流体C和D均被分成两股，并流经分开的微通道；流体A、B和E分别流经分开的微通道(分别为流体A、B和E)，因此在热交换器中共有7个微通道。如图10所示，流体C以流体C1和流体C2流经两个微通道。相似的，流体D以流体D1和流体D2流经两个微通道。实验结果显示了热交换器的性能，以及与计算机数值模拟相比较的结果。
再参考图10，热交换器包括7个矩形的微通道，每个长10英寸(in.)。流体A和B流经的微通道的高为0.020in.，流体E流经的微通道的高为0.040in.，流体D1和D2流经的每个微通道的高为0.020in.，流体C1和C2流经的微通道的高分别为0.030in.和0.020in.。如图10所示，7种流体在热交换器内的排序为C1、D1、A、B、E、C2和D2。(为了清楚和一致，热交换器微通道可以用流经它们的流体来命名。那么，流体C1流经微通道C1。)
热交换器由Inconnel 625构建，通过用矩形微通道内的电极“爆裂”(“popping”)一个直径为0.030in.的孔形成微通道。孔形成后，微通道通过电线放电加工(EDM)制成。如果微通道的宽度小于0.030in.，原圆孔的边缘部分仍将沿微通道的外部存在；可选择地，原圆孔的部分可以刻意地作为微通道的顶部和底部的偏差。如果微通道的宽度等于或大于0.030in.，圆孔部分将不会保留。
参考图11a和图11b，微通道C2的入口支管通过将流体C2直接导入设备来完成，而微通道C1的出口支管通过将流体C2直接排出设备来完成；通过从前后焊封微通道隔开其它的微通道。微通道C1的入口通过穿过热交换器侧面钻孔来形成支管。类似于微通道C2，微通道C1的出口直接从热交换器出来。在热交换器边缘的微通道D2在热交换器的内侧和外侧也形成支管。热交换器中心的其它微通道在热交换器的顶部和底部形成支管。进出口的孔的直径等于或小于通道的宽度，即0.020in.-0.040in.。通常情况下，每个这样的微通道有3到4个用做入口或出口的孔。
图12列出了每次试验中每种流体的准确组成和流速。在6种条件下测定了流速。除了进入热交换器的反应物和产物流体处于接近所需压力的一半外，最初的两个条件几乎相同。
在如图12和图13中所示的温度和压力下进行实验。图11a和11b示出了流体方向。流体A、C1和C2是同向流动，相对于流体B、D1、D2和E是逆向流动。
对热交换器进行了三组实验；如图12-15所示的试验X、Y和Z。一些流体的压降如图15所示；测试了流体在进出微通道前后所有的压降，因此，收缩和扩张损失包括在测定的压力损失内。单个流体的压力损失通过不同的压力表来测量，大部分压力表测定的最大不同压力值为5.4磅/平方in.，分辨率为0.1磅/平方in.。用量程为9.0磅/平方in.且分辨率为0.2磅/平方in.的仪表测定流体D1。
五流体热交换器证明了，多流体微通道热交换器能成功地在单个设备中加热和冷却多种流体。所构建的数值模拟也证明了这一点。试验值和数值模拟值的比较见图16。入口温度固定不变，出口温度通过计算得到。
渐近温度的计算式如下：
T m = Σ i = 1 n T i · m i · Cp i Σ i = 1 n m i · Cp i ,
其中：Tm是指在热交换器第一末端的热流体的平均温度，也常用于计算在第一末端的冷流体的平均温度、在第二末端的热流体的平均温度以及在第二末端的冷流体的平均温度。T1是指第i个热流体，mi是第i个热流体的质量流速(kg/s)，Cpi是第i个热流体的热容。在第一末端的热流体的平均温度为857℃，在第二末端的平均温度为250℃。在第一末端的冷流体的平均温度为730℃，在第二末端的平均温度为161℃。平均渐近温度为：在第一末端为126℃，在第二末端为89℃。
现在参考图3a说明本发明的另一个实施例，MCT处理单元50有一个总中心体积V(未示出)，并包括一个反应器微通道52、一个燃烧器微通道62和一个氧化剂微通道72。该反应器微通道52包含一个第一反应器热交换微通道54、一个反应微通道56和一个第二反应器热交换微通道58。可选择地，也可仅用一个反应器热交换微通道。此外，正如本领域技术人员所理解的，当反应器微通道52不再主要进行热交换，而是作为一个反映其使用时，精确点将很难确定，并且有些任意。例如，该反应器微通道52可在相同单元中与一个或多个其它微通道进行热交换。该反应微通道56可进一步包括一个反应催化剂60。该反应催化剂60可以包含任何合适的金属或半金属和/或包含一种或多种选自IIIA、IVA、V A、VIIA、VIIIA、IB、II B、IIIB、IVB、Ce、Pr、Sm、Tb、Th的元素的氧化物或它们的氧化物以其组合物。该反应催化剂60也可包含助剂，该助剂用于加强反应催化剂60的化学或物理性能，并可包含任何合适的金属、半金属或非金属，和/或它们的氧化物，其包括前面列表和/或I A、II A、V B、VIB中一种或多种元素以及它们的组合物。该反应催化剂60也可以选择任何适宜的载体，比如硅土、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化钇、氧化锫、氧化镧，碳或它们的组合物，这些物质或者能提供足够的表面积，或者能增强活性组分的化学的相互作用。仅举例来说，该反应催化剂60可以用作工业基质，诸如毛毡、泡沫、散热片、筛孔、薄纱、薄箔，该基质插入反应微通道56的壁面内的截至点(未示出)作为流动催化剂，也可插入反应微通道56作为流过催化剂，或可用于壁面或反应微通道56的壁面作为基面涂层。因此，该反应催化剂60可以以粉末或小球、块状物、壁面涂层或这些形式的组合的形式存在。当为粉末或块状物时，反应催化剂60可由骨架的、或Raney类型、金属组成。当为整体块状物时，反应催化剂60可以是在毛毡、泡沫、滤网、筛孔、薄纱或相似基质上的浆状物或基面涂层。当为壁面涂层时，反应催化剂60可以用作泥浆涂层或直接用作基面涂层，优选地作为壁面的前期处理，这种方式可以使黏附力和/或表面积最大。在一些情况下，反应催化剂60的成分可以部分或全部由壁面或整体合金中的天然材料组成。反应催化剂60也可以包括在反应微通道56的不同区域内的两种或多种不同的催化剂类型。可选择地，根据所期望的反应，反应微通道56可以不包括反应催化剂60。最后要说明的是，在反应微通道56中可能不发生反应，例如蒸发液体时。
燃烧器微通道62包括一个第一燃烧器热交换微通道62、一个燃烧微通道66和一个第二燃烧器热交换微通道68。与反应器微通道52一样，也可仅选择一个燃烧器热交换微通道。此外，与反应器微通道52一样，正如本领域技术人员所理解的，当燃烧器微通道62不再主要进行热交换，而是作为燃烧器时，精确点将很难确定，并且有些任意。实际上，燃烧和有效的热交换能在燃烧器微通道62的同一区域发生。例如，燃烧器微通道62可以在相同的设备中与一个或多个其它的微通道进行热交换。燃烧微通道66也可包括一种燃烧催化剂70。为提供更好的灵活性，第一燃烧器热交换微通道64和第二热交换微通道68也可以包括一种燃烧催化剂70，以便提供预先和随后的氧化反应。燃烧催化剂70可以包含任何合适的活性金属和/或金属氧化物，优选的包括IIIA、VIIIA或IB族、Ce、Pr、Sm中的一种或多种元素或它们的氧化物以及它们的组合物。燃烧催化剂70也可以选择任何适宜的载体，比如硅土、氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化镁、氧化钇、氧化锫、氧化镧，碳或它们的组合，这些物质或者能提供足够的表面积，或者能增强活性组分的化学相互作用。燃烧催化剂70可以以粉末或小球、块状物，壁面涂层或这些形式的组合的形式存在。当为粉末或块状物时，燃烧催化剂70可由骨架、或Raney类型，金属组成。当为整体块状物时，燃烧催化剂70可以是泡沫、毛毡、滤网、筛孔、薄纱或相似基质上的浆状物或基面涂层。当为壁面涂层时，燃烧催化剂70可以用作泥浆涂层或直接用作基面涂层，优选地作为壁面的前期处理，这种方式可以使黏附力和/或表面积最大。在一些情况下，燃烧催化剂70的成分可以部分或全部由壁面或整体合金中的天然材料组成。可选择地，根据所期望的燃烧，燃烧微通道66、第一燃烧器热交换微通道64和第二燃烧器热交换微通道68可以不包括燃烧催化剂70。正如本领域技术人员所理解的，燃烧可以用许多放热反应替代。仅举例说明，乙酰化，烷基化，加氢脱烷基化，环氧化，费-托合成，水合，脱水，氢化，氧化脱氢，水解，甲烷化，甲醇合成，复分解作用，氧化作用，聚合作用和水汽转移(WGS)。
氧化剂微通道72包括一个或多个孔隙74，氧化剂微通道72通过这些孔隙74与燃烧器微通道62进行流体交换。和燃烧器微通道62一样，氧化剂微通道72也可以为放热反应引入其它的反应物。
在操作中，仅举例说明，反应物流体75(例如甲烷和流体的的混合物)被导入第一反应器热交换微通道54的反应器微通道52中。燃料流体77(例如氢气或甲烷或其它的烃)被导入第一燃烧器热交换微通道64的燃烧器微通道62中，氧化剂流体78(例如空气)被导入氧化剂微通道72中。当反应物流体75流经反应微通道56时，它就会发生转化，例如在重整反应中，就会转化成产物流体58(例如流体、甲烷和氢气的混合物)。同时要使用反应催化剂60。当燃料流体77流经第一燃烧器热交换微通道64和燃烧微通道66时，它会与进入氧化剂微通道72的氧化剂78混合，随后通过一个或多个孔隙74进入燃烧器微通道64，最终燃烧形成排放流体79。我们也可用燃烧催化剂70。注意预氧化可以在第一燃烧器热交换微通道64内发生，从而预热反应物流体75。同样地，氧化反应可以继续进入第二燃烧器热交换微通道68，以便为燃烧微通道66的下游提供额外的热能。仅进一步举例说明，反应物流体75转化成产物流体76的反应是一个吸热反应，例如在流体甲烷重整或烃类脱氢过程中，燃料流体77是氢气或含碳燃料的混合物，氧化物流体78则是空气。
如本领域技术人员所理解的，这里所描述的本发明的实施例可用于仅有一个反应的单元操作。仅举例来说，反应器微通道52可以作为蒸发器。相似地，MCT设备可包括一个与第二燃烧器微通道进行热交换的第一燃烧器微通道，该燃烧器微通道由一个或多个氧化剂微通道支撑。如上所述，氧化燃烧不必是所包括的反应之一。为进一步说明本发明的灵活性，图3b示出了图3a的MCT处理单元50的一种改进。所有对图3a的描述都适应图3b，但是图3b的流动为逆流模式。
图4示出了本发明的另一个实施例。MCT处理单元80具有总中心体积V(未示出)，并包括一个反应器微通道82、一个燃烧器微通道92和一个氧化剂微通道102。反应器微通道82包括一个第一反应器热交换微通道84、一个反应微通道86和一个第二反应器热交换微通道88。我们也可仅用一个反应器热交换微通道。另外，如本领域技术人员所理解的，当反应器微通道82作为反应器或不作为反应器时，精确点是很难确定的，并且有些任意。例如，反应器微通道82可在相同的设备内与一个或多个其它的微通道进行热交换。反应微通道86可进一步包括反应催化剂90。可选择地，根据所需的反应，反应微通道86可不包括反应催化剂90。
燃烧器微通道92包括一个第一燃烧器热交换微通道94、一个燃烧微通道96和一个第二燃烧器热交换微通道98。与反应器微通道82一样，我们也可仅用一个燃烧器热交换微通道。另外，如本领域技术人员所理解的，与反应器微通道82一样，当燃烧器微通道92不再进行热交换，而是作为燃烧器时，精确点将很难确定，并且有些任意。例如，燃烧器微通道92可以在相同设备中与一个或多个其它的微通道进行热交换。燃烧微通道96也可包括燃烧催化剂100。为提供更好的灵活性，第一燃烧器热交换微通道94和第二热交换微通道98也可以包括燃烧催化剂100。燃烧催化剂100可以是不同类型的催化剂，也可以应用于不同的方法。可选择地，根据所期望的燃烧，燃烧微通道96，第一燃烧器热交换微通道94和第二燃烧器热交换微通道98也可以不包括燃烧催化剂100。
氧化剂微通道102包括一个和多个孔隙104，氧化剂微通道102通过这些孔隙104与燃烧器微通道92进行流体交换。
仅举例来说，MCT处理单元80的操作类似于以上描述的MCT处理单元50的操作。
如本领域技术人员所理解的，孔隙74(如图3a和3b所示)和孔隙104(如图4所示)增加了本发明的设计灵活性。通过改变多个孔隙74和多个孔隙104的位置、横截面、形状和大小，可特别灵活地合并两个或多个流体。相似地，形成孔隙74和孔隙104的材料的厚度也增加了设计的灵活性。通过这些改变，两种流体间的混合或流体交换就能得到单独控制。仅举例来说，在燃烧应用中，温度分布曲线和传递的热量能适应于特殊的应用和反应器设计。这是因为氧化剂流体78在燃烧反应中充当了限制剂的作用。因此，孔隙74和孔隙104的功能是将特定量的氧化剂流体78导入特定点，从而控制沿燃烧器微通道62和燃烧器微通道92的整个长度的燃烧反应的速度和程度。
现在参考图5，MCT处理系统110具有总中心体积V(未示出)，并包括多个MCT处理单元111、一个第一终端微通道136和一个第二终端微通道138。如本领域技术人员所理解的，终端方式的选择可根据MCT处理系统110的设计要求而改变。如上所述，为了实现MCT的优点，多个MCT处理单元111必须联合成一个一体化的系统，从而达到大规模操作的总生产量。MCT处理系统110通过使多个MCT处理单元111一体化来实现，其基本的技术如上面所介绍的。
每个MCT处理单元111包括一个第一反应器微通道112、一个第二反应器微通道113、一个第一燃烧器微通道122、一个第二燃烧器微通道123、一个第一氧化剂微通道132和一个第二氧化剂微通道133。第一反应器微通道112包括一个第一反应器热交换微通道114、一个第一反应微通道116和一个第三反应器热交换微通道118。第二反应器微通道113包括一个第二反应器热交换微通道115和一个第二反应微通道117，并与第三反应器热交换微通道118进行流体交换。第一反应微通道116也可包括一种反应催化剂120。第二反应微通道117也可包括一种反应催化剂120。如图5所示，优选地，还包括一个反应器微通道舌状物140。
第一燃烧器微通道122包括一个第一燃烧器热交换微通道124、一个第一燃烧微通道126和一个第三燃烧器热交换微通道128。第二燃烧器微通道123包括一个第二燃烧器热交换微通道125和一个第二燃烧微通道127，并与第三燃烧器热交换微通道128进行流体交换。第一燃烧微通道126也可包括一种燃烧催化剂130。第二燃烧微通道127也可包括一种燃烧催化剂130。如图5所示，优选地，还包括一个燃烧器微通道舌状物142。反应器微通道舌状物140和燃烧器微通道舌状物142能使流体稳定流动，若为非刚性的，能使流体均化，用以克服微通道尺寸的微小变化。
第一氧化剂微通道132包括至少一个孔隙134，第一氧化剂微通道132通过该空隙与第一燃烧器微通道126进行流体交换。第二氧化剂微通道133包括至少一个孔隙134，第二氧化剂微通道133通过该孔隙与第二燃烧器微通道123进行流体交换。
仅举例来说，每个MCT处理单元111的操作类似于上文描述的MCT处理单元50和MCT处理单元80的操作。
现在参考图6a，MCT处理复合体210具有总中心体积V(未示出)，并包括多个MCT处理系统110(如图5所示)、一个第一反应物支管212，一个第二反应物支管214、一个产物支管216、一个第一燃料支管218和一个第二燃料支管220。如本领域技术人员所理解的，每个支管的准确排列适应于不同的设计考虑，本发明也包括不超出本发明的范围和主旨的其它的排列方式。仅举例来说，第一燃料支管218、第二燃料支管220、第一反应物支管212和第二反应物支管214均在MCT处理复合体210的相同平面上，但沿MCT处理复合物210的外部平面的不同位置上终止，(参见图8a和8b)。如本领域技术人员所理解的，排放支管(未示出)也包括在内，用于收集第三燃烧器热交换微通道128排出的流体。为了进一步说明，图7a和7b示出了图6a中的微通道排列方式的部分反相线框剖视图。另外，对于多个MCT处理系统110，较好的是重复MCT处理复合体210以便形成具有高生产量的MCT处理堆310(如图8和图9所示)。
图6b和6c示出了本发明的各种微通道的支管的另一个实施例。例如，反应物通气管213a提供多个第一反应器微通道116和MCT处理复合体210的外表面之间的流体交换，该MCT处理复合体210的外表面经过第二反应物支管214和第二反应物支管突出部215。相似地，产物通气管217a提供多个第三反应器热交换微通道118的相似的流体交换，燃料通气管219a提供多个第一燃烧器微通道122的相似的流体交换，氧化剂通气管223a提供多个第一氧化剂微通道132和多个第二氧化极为通道133的相似的流体交换。如本领域技术人员所理解的，排放通气管可提供多个第三燃烧器热交换微通道128之间的流体交换，由此进一步说明了本发明设计的灵活性。另外，仅举例来说，第一反应物支管的突出部213、第一反应物支管212和多个第一反应器微通道116的方向相对于另一个是非常灵活的。因此，根据特殊应用允许有更好的设计灵活性。
现在参考图8a和8b，MCT处理堆310具有总中心体积V(未示出)，并包括多个MCT处理复合体210。图8a所示的是实质性线性排列的多个第一燃料支管218和第二燃料支管220、实质性线性排列的多个第一反应物支管212和第二反应物支管214；以及实质性线性排列的多个第三燃烧热交换器微通道128。图8b所示的是实质性线性排列的多个第一氧化剂支管222和第二氧化剂支管224；以及实质性线性排列的多个产物支管216。而图8a和8b示出了支管和多个第三燃烧器热交换微通道128的一种特定相关排列方式，本领域技术人员可以理解也可采用其它可能的排列方式。
现在参考图9，MCT处理堆310包括多个MCT处理复合体210、一个反应物总管312、一个产物总管314、一个燃料总管316、一个氧化剂总管318和一个排放总管320。如本领域技术人员所理解的，每个支管的准确排列适应于不同的设计考虑，本发明也包括不超出本发明的范围和主旨的其它的排列方式。
MCT处理堆310的制造是已知技术。MCT处理复合体210作为第一组件。总管312、314、316和318可通过传统的焊接方法焊接到组件的外部。焊接时的传热速度必须随时监控，以确保很高的质量水平；热点可能毁坏组件，包括分层。另外，对于总管312、314、316和318的焊接，组件本身可被焊接到任何形式的基础结构上。仅举例来说，这种基础结构可以用做外部保护、在空间固定设备、安全防护壳、保温材料、冷却套和提升点。
仅举例来说，操作时，一种反应物流体75被导入反应物总管312，一种产物流体76从产物总管314中放出，一种燃料流体77被导入燃料总管316，一种氧化剂流体78被导入氧化剂总管318，排放流体79从排放总管320排放。如图8a-9所示的实施例示出了多个一体化的热交换器和反应器的联合体。这里有5种不同的流体：反应物流体75，产物流体76，氧化剂流体78，燃料流体77和排放流体79。如图所示，经每个第三燃烧器热交换微通道128，排放流体79直接从MCT处理复合体210排出。可选择地，任何其它的流体也可以由每个MCT处理复合体210直接收集。排放流体79需选择，从而使氧化剂流体78-燃料流体77-排放流体79的系统的总压降最小化。四种剩余流体在每个MCT处理复合体210的一侧和MCT处理堆310的一侧收集。每种流体沿每个MCT处理复合体210长度方向的不同的位置点进入或排出。因此，对于多流体设备，流体可以在MCT处理复合体210的不同位置点上进入或排出，这样就允许热曲线有更多的设计灵活性。例如，进入的流体比别的流体热，就可被选择在较远的长度处收集，或流向设备更热的区域。因此，得到单调递增的温度曲线是设备的优点。支管的高度选择是为了使整体压降最小化，而仍能在微通道的内部排列间形成好的流体分布。当可以承受较高的压降时，我们也可选择较小的高度。
本发明已经详细阐述了相关的各种实施例，本领域技术人员可以理解，根据本发明的详细说明提出的各种改进都将是显而易见的。因此，本发明这里所披露的是为了包括所附权利要求范围内的改进是可以理解的。

Claims (13)

1.一种用于在三种或多种流体之间进行热能交换的微通道热交换器，该热交换器包括：
一个第一表面；
一个第二表面，该表面与第一表面基本相对，并与其相间隔；
一个用于第一流体流动的第一微通道，该微通道包括一个壁面，具有一个入口和一个出口，并限定第一表面与第二表面间的通道；
一个用于第二流体流动的第二微通道，该微通道包括一个壁面，具有一个入口和一个出口，并限定第一表面与第二表面间的通道；以及
至少一个用于至少的第三流体流动的第三微通道，该微通道包括一个壁面，具有一个入口和一个出口，并限定第一表面与第二表面间的通道；其中：
每个入口和每个出口分别不同于其它的入口或出口；并且
第一微通道有一个高度和宽度，所述高度和宽度至少不同于第二微通道的高度和宽度。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于至少一个微通道的流体间平面传热面积百分比为30或更多。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于第一流体流过第一微通道的停留时间少于500ms。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于至少一个微通道有至少一个2mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于至少一个微通道有至少一个0.1mm或更小的内部的宽度或高度尺寸。
6.一种根据权利要求1的在设备中进行至少三种流体间的热交换的工艺，该工艺包括：
(a)第一流体流过第一微通道，该流体具有第一温度；
(b)第二流体流过第二微通道，该流体具有第二温度；
(c)至少一种第三流体流过至少的第三微通道，该流体具有第三温度。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于第一流体以雷诺数为4000或更小。
8.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于第一流体的停留时间为500ms或更小。
9.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于第一流体为气态流体，并以压降约为15psi或更小流过第一微通道。
10.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于至少一个微通道的流体间平面热传递面积百分比为30或更多。
11.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于总热功率密度大于1W/cc。
12.根据权利要求1所述的热交换器，其中至少的第三微通道包括：
一个第三微通道；
一个第四微通道；
一个第五微通道；
一个第六微通道；以及
一个第七微通道，每个微通道限定第一末端和第二末端之间的通道，其中每个微通道与至少一个其它的微通道进行热交换，并且第一微通道有一个至少不同于第二微通道的横截面积。
13.一种用于在三种或多种流体之间进行热能交换的微通道热交换器，该热交换器包括：
一个第一表面；
一个第二表面，该表面与第一表面基本相对，并与其相间隔；
一个第三表面，该表面与第一表面基本正交；
一个第四表面，该表面与第三表面基本相对，并与其相间隔；
一个用于第一流体流动的第一微通道，该微通道包括一个壁面，具有一个入口和一个出口，并限定第一表面与第二表面间的通道；
一个用于第二流体流动的第二微通道，该微通道包括一个壁面，具有 一个入口和一个出口，并限定第一表面与第二表面间的通道；以及
至少一个用于至少的第三流体流动的第三微通道，该微通道包括一个壁面，具有一个入口和一个出口，并限定第三表面与第四表面间的通道；以及其中：
每个入口和每个出口分别不同于其它的入口或出口；
第一微通道有一个至少与第二微通道或至少的第三微通道不同的横截面积。 
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