迷你通道和微通道中的局部沸腾

相关申请

本申请要求提交于2004年11月3日的优先权临时申请No.60/624,860的权益。

技术领域

本发明一般涉及方法、设备和体系(其中，体系由含有一种或多种流体的设备构成，并且可进一步由参数如压力、温度等表征)，其中，在迷你通道和微通道中存在液体的局部沸腾。迷你通道具有至少一个10mm以下的尺寸。微通道的至少一种尺寸为2mm或更小，在某些情况下是1mm或更小，在某些情况下是0.5mm或更小，在某些情况下是0.01-2mm。虽然迷你通道和微通道通常具有上述尺寸，但在某些优选的实施方式中，微通道的直径D_h＜2mm，式中D_h是水力直径，并且迷你通道定义为直径D_h为2-10mm。

背景技术

局部沸腾理论

沸腾已知为高效的传热机制，提供基于表面积和体积的高热通量密度。存在若干不同的沸腾方式，包括低蒸汽质量流(low vapor quality flow)、核沸腾、薄膜沸腾和过渡沸腾。核沸腾在工业应用中最为普遍。沸腾可发生在流体流(流动沸腾)和流体池(池沸腾)两者的传热表面上，或者该流体(溢料)的体积中。通过流体的相变，在发生相变的同时，流动沸腾具有达到等温散热的潜力。流动沸腾可达到非常高的对流传热系数，并且与等温流体的结合使得传热壁沿流动方向保持在准恒定的温度。对于许多热、核和化学过程应用，这都是理想的传热状态。

在许多化学工艺如放热化学反应器中，反应速率主要依赖于局部温度(localtemperature)。整个反应区的最优温度通常导致最大产率、转化率和所需的选择性。因此，沸腾传热用在各种反应的工艺控制或热控制中以保持等温热条件(其中，放热反应释放热量)。与沸腾工艺控制相比，通过单相流体对流的冷却系统在缺乏将蒸气保持在恒定温度并增加对流热通量所需的大流率的情况下，通常不能达到用于反应的近似(near)等温的边界条件。

迄今，在微通道中的沸腾不曾被用于热控制和微通道化学反应过程的控制，这是因为各种假设的或实际的技术问题，包括：

1.微通道中的流动沸腾与其流动模式相关，其流动模式不同于普通流体通道中发现的流动模式(其中，汽泡小于通道直径，并且通道壁通常被液体很好地润湿)。微通道的水力直径一般小于汽泡的特征直径，，这样，因为毛细管效应，蒸汽汽泡和液体汽泡通过通道的固定位置连续地流动(图1)。对该流动模式的预测方法和设计标准还没有很好地建立。

2.其它理想的流动模式如气泡流动和环状流动仅仅在非常窄的流体参数范围之内或有限的操作条件下才是可能的，或者可能不存在。

3.由于蒸汽汽泡的存在，壁的局部热点和由此导致的温度不均匀可能会因为低蒸汽-壁传热速率而发生。

4.由于蒸汽汽泡的存在，在微通道沸腾中可能会发生剧烈的流动和压力波动。可能即刻发生整个冷却系统的不稳定。

5.由于蒸发引起的和单相蒸汽对流引起的传热系数之间的巨大差异，甚至在低热负荷时也可能产生传热临界。其特征是临界热通量(CHF)，它可以非常低并导致不等温传热(图1)。

6.在具有两相流动的微通道阵列(array)中的流动分布和集流(manifolding)是非常困难的，而要使加工能力达到所需状态，通常需要大量的集成微通道。

根据本发明的方法，可使用集成于单元操作中的微通道中的流动沸腾，以实现用于放热反应的稳定的等温边界条件。因此，该反应过程可热控制，以在最优条件下操作。

术语“平衡质量X_eq”也称为质量或“X”，定义如下：

$>>>X>eq>>=>>>z>·>>q>>\prime >\prime >>>·>P>>>A>·>G>·>>h>fg>>>>->->->>(>1>)>>>$