当两种或更多种不能混溶的液体，通常水或基于水的溶液和疏水 有机液体(例如，油)混合，以使得一种液体在另一种液体中形成微 滴时可形成乳状液。液体中的任一中都可被分散在另一种液体中。例 如当油分散在水中时，该乳状液可被称为水包油(o/w)型乳状液。 相反的情况为油包水(w/o)型乳状液。可形成更复杂的乳状液，诸 如当例如在连续油相中的水微滴本身含分散的油微滴时可形成双重 乳状液。这种油包水包油型乳状液可被定义为o/w/o型乳状液。以相 同的方式可形成w/o/w型乳状液。
许多乳状液的一个问题是如果它们不稳定，例如通过添加表面活 性剂或乳化剂，它们易于集聚，形成乳状物层、聚结，并最终分开为 两相。如果向不能混溶的液体一方或双方加入表面活性剂或乳化剂 (有时被称作表面活性剂)，其中一种液体可形成连续相，而另一种液 体可保持微滴形式(“分散相或不连续相”)，该微滴分散于该连续相 中。当微滴尺寸减小到低于特定值时，可增加该乳状液的稳定程度。 例如，微滴尺寸为20微米的典型的o/w型乳状液仅是暂时稳定的(数 小时)，而微滴尺寸为1微米被认为“准永久的”稳定(数星期或更 长)。然而，当使用常规处理技术时，为了获得更小的微滴尺寸，乳 化系统和处理所需的能量消耗和动力显著增加，尤其在需要微滴尺寸 极小的高粘性乳状液和高产量的时候。例如，当使用常规处理技术时， 双倍的能量损耗(能量消耗)可导致降低平均微滴尺寸仅约25％。可 施加剪切力以克服界面张力从而使较大微滴破碎成较小微滴。然而， 随着微滴尺寸降低，保持微滴形状所需的界面张力趋于增加。能量消 耗可以各种形式发生，例如其可为在批处理中克服乳状液的剪切力的 搅拌器所需的能量，加热和冷却的能量，和/或在连续处理，如在均化 器中克服压力降的动力。当其中一相在室温不流动或流动缓慢时，乳 化作用通常需要加热。然而，由于连续相更低的粘度以及因此更小的 阻力，加热后的乳状液通常稳定性更低。阻力是停止或阻止微滴的运 动及聚结成较大、通常是不需要的微滴或微滴聚合物以及相分层的必 要条件。乳化后，微滴易于受浮力升起。同样地，需要立即的冷却， 这也消耗能量。
当前可用来制造乳状液许多方法的一个问题在于可适合于配制 产物的组合物范围收到限制。例如，当前可获得许多乳状液的问题涉 及在它们的配方中存在表面活性剂或乳化剂。这些表面活性剂或乳化 剂被需要用来稳定乳状液，但对于许多应用是不利的。例如，在乳化 处理中，通常希望无泡或沸腾加热，然而在一些情况中，当存在表面 活性剂或乳化剂时，泡核沸腾或由连续相中溶解气体形成气泡的开始 温度较低。沸腾可引起不希望的性质变化。气泡可造成泡沫和其他不 希望的特征。
对于在化妆品工业中的皮肤护理产品，人们通常希望乳状液具有 低表面活性剂或乳化剂浓度或不含这些表面活性剂或乳化剂。一些表 面活性剂或乳化剂的缺点在于它们易于与皮肤护理产品中的防腐剂 相互作用，例如，对羟基苯甲酸的酯。与使用表面活性剂或乳化剂常 常相关的皮肤刺激是另一个问题。消费者使用化妆品遇到的许多不良 皮肤反应都与存在表面活性剂或乳化剂相关。另一个例子涉及使用表 面活性剂或乳化剂的问题，其中需要防水性。例如，在基于水的皮肤 护理产品如防晒霜中，由于存在水溶性的表面活性剂或乳化剂，活性 成分不防水。
与许多药物化合物的使用相关的一个问题在于它们不溶或难溶 于水，因而限制了可使用的表面活性剂或乳化剂。这造成发现由于涉 及将该药物运送入身体的问题，临床不可用的药物。乳状液配方问题 对于静脉注射药物和化学治疗剂或抗癌剂的给药是一个问题。

至少在一个实施例中，本发明提供了针对一个或多个前述问题的 解决方案。在一个实施例中，可使用与在先技术相比相对较低的能量 水平制造乳状液。至少在一个实施例中，根据本发明方法制得的乳状 液可具有相对小微滴尺寸和相对均匀的微滴尺寸分布的分散相。在一 个实施例中，根据本发明方法制得的乳状液可表现出高度的稳定性。 在一个实施例中，根据本发明方法制得的乳状液可具有低表面活性剂 或乳化剂浓度或不含这些表面活性剂或乳化剂。在一个实施例中，根 据本发明方法制得的乳状液可用于例如作为皮肤护理产品，药物组合 物等。
在一个实施例中，本发明涉及一种方法，包括：使乳状液在处理 微通道中流动，所述乳状液包括连续相和分散相，所述连续相包括第 一液体，所述分散相包括第二液体；以及在处理微通道与热源和/或冷 源之间交换热量，使得在达约750毫秒的时间内使所述乳状液的温度 增加或降低至少约10℃。这个方法的优点包括改善乳状液的稳定性。 所述微滴尺寸分布可被设定，并且与所述乳状液被更缓慢冷却相比， 所述微滴能保持更长的时间。这个方法可具有能更好地控制变化的热 力学状态的优点。例如，可控制局部温度分布，以实现基于受控方式 的温度变化的相变。对于一些乳状液配方而言，在处理过程中进行相 转化可导致更小、更均匀的微滴尺寸分布。所述方法可提供对所述乳 化产物流变学的更好的控制。例如，所述乳化产物的最终粘度可以是 配方以及剪切力和温度历史的函数。通过仅仅变化在不同产品中的温 度处理历史，可使一种配方在相同的乳状液处理单元中制得多种产 品。本发明方法可提供最小化敏感配方处于高温度的时间的优点(例 如，最小化对蛋白质、聚合物等的结构变化)。这个方法可提供在处 理微通道壁和处理微通道总体流动之间最小化的热梯度的优点
在一个实施例中，所述分散相可以液体微滴的形式，所述液体微 滴具有在达约200微米的范围内的基于体积的平均直径，以及在从约 0.005至约10的范围内的跨度。
在一个实施例中，所述乳状液在处理微通道中的流量可至少约 0.01升每分钟。
在一个实施例中，所述乳状液在处理微通道中流动的表面速度为 至少约0.01米每秒。
在一个实施例中，所述第一液体和所述第二液体可在所述处理微 通道中进行混合以形成所述乳状液。
在一个实施例中，所述处理微通道可包括至少一侧壁和沿所述侧 壁的至少部分轴向长度延伸的至少一带孔区段，所述第二液体流动通 过所述带孔区段进入所述处理微通道中与所述第一液体接触以形成 乳状液。在一个实施例中，所述第二液体可从液体通道流动通过所述 带孔区段。
在一个实施例中，所述方法可在乳状液处理单元中进行，所述乳 状液处理单元包括多个所述处理微通道以及用于将流体分配至所述 处理微通道的至少一个顶管(header)，所述方法还包括将所述第一液 体和所述第二液体混合以在顶管中形成所述乳状液，所述乳状液从所 述顶管流入所述处理微通道。
在一个实施例中，所述顶管可包括至少一第一液体区域、至少一 第二液体区域，以及位于所述第一液体区域和所述第二液体区域之间 的带孔区段，所述第二液体从所述第二液体区域流动通过所述带孔区 段进入所述第一液体区域，与所述第一液体接触以形成所述乳状液， 所述乳状液从所述第一液体区域流入所述处理微通道。
在一个实施例中，所述第二液体流可与所述第一液体流在所述顶 管进行接触以形成所述乳状液。
在一个实施例中，所述第二液体流可与所述第一液体流在所述处 理微通道中进行接触以形成所述乳状液。
在一个实施例中，所述处理微通道包括形成于一个或多个内壁之 中和/或之上的表面特征，用于调节所述处理微通道中的流动和/或混 合。
在一个实施例中，所述液体通道包括形成于所述液体通道的一个 或多个内壁之中和/或之上的表面特征，用于调节所述液体通道中的流 动和/或混合。
在一个实施例中，所述热源和/或冷源包括至少一热交换通道，所 述热交换通道包括形成于所述热交换通道的一个或多个内壁之中和/ 或之上的表面特征，用于调节所述热交换通道中流动和/或混合。
在一个实施例中，本发明涉及一种制造乳状液的方法，包括：使 第一液体在处理微通道中流动，所述处理微通道具有与所述第一液体 的流动方向平行延伸的轴向长度，所述处理微通道具有至少一个带至 少一带孔区段的壁，所述带孔区段具有与所述处理微通道的轴向长度 平行延伸的轴向长度；使第二液体流动通过所述带孔区段、进入所述 处理微通道、与所述第一液体接触以形成所述乳状液，所述第一液体 形成连续相，第二液体形成分散在所述连续相中的微滴；以及保持所 述第二液体以沿所述带孔区段的所述轴向长度上基本不变的速率流 动通过所述带孔区段。
在一个实施例中，所述第二液体在液体通道中流动并从所述液体 通道流过所述带孔区段，所述液体通道与所述处理微通道平行，所述 带孔区段位于所述液体通道和所述处理微通道之间，所述第一液体在 所述处理微通道中流动时经受压力降，所述第二液体在所述液体通道 中流动时经受压力降，在所述处理微通道中流动的所述第一液体的所 述压力降与在所述液体通道中流动的所述第二液体的所述压力降基 本相同。在一个实施例中，所述液体通道包括微通道。
在一个实施例中，所述第二液体在液体通道中流动并从所述液体 通道流过所述带孔区段，所述液体通道与所述处理微通道平行，所述 带孔区段位于所述液体通道和所述处理微通道之间，所述第一液体在 所述处理微通道中流动时经受压力降，所述液体通道内的内部压力沿 所述液体通道的长度降低以提供跨越所述带孔区段的压力差，所述压 力差沿所述带孔区段的长度基本不变。在一个实施例中，所述液体通 道包括一个或多个，在一个实施例中，许多的内部流量限制装置以降 低所述液体通道内沿所述液体通道长度的所述内部压力。在一个实施 例中，所述液体通道包括一个或多个，在一个实施例中，许多的沿所 述液体通道的长度定位的内部区域，所述第二液体从所述液体通道流 动通过所述内部区域并通过所述带孔区段，所述内部区域内的压力沿 所述液体通道降低以提供跨越所述带孔区段沿所述带孔区段长度的 基本不变的压力差。
在一个实施例中，本发明涉及一种方法，包括：使乳状液在处理 微通道中流动，与在所述处理微通道的一个或多个内壁之中和/或之上 形成的表面特征相接触，所述乳状液包括连续相和分散相，所述连续 相包括第一液体，所述分散相包括第二液体的微滴，所述乳状液的流 动的表面速度足以降低所述微滴的平均尺寸。
附图说明
在附图中，相同的部件和结构具有相同的标记。
图1是可用于本发明方法的微通道的示意图。
图2是一乳状液处理单元的示意图，其中根据本发明第一液体和 第二液体可被结合以形成乳状液，所述乳状液处理单元包括含多个处 理微通道的微通道中心部分、用于向所述微通道中心部分分配流体的 顶管，以及从所述微通道中心部分移除流体的底管(footer)。
图3是图2所示乳状液处理单元的另一实施例的示意图，其中热 交换流体流动通过所述微通道中心部分并与所述第一液体、第二液体 和/或产物乳状液进行热交换。
图4是可用于图2或图3所示乳状液处理单元的微通道重复单元 的示意图，其中所述第一液体在处理微通道中流动，并与从相邻液体 通道流动进入所述处理微通道的第二液体进行混合，所述第二液体流 动通过所述处理微通道的侧壁内的带孔区段。
图5是图4所示微通道重复单元的另一实施例的示意图，其中热 交换通过与所述处理微通道相邻。
图6是可用于图2或图3所示的乳状液处理单元的微通道重复单 元的示意图，其中所述第一液体在处理微通道中流动并与从相邻液体 通道流动进入所述处理微通道的第二液体进行混合，所述第二液体流 动通过所述处理微通道的侧壁内的带孔区段，所述液体通道包含多个 内部区域，所述内部区域沿所述液体通道的轴向长度定位，以控制跨 越所述带孔区段的压力差。
图7是图6所示微通道重复单元的另一实施例的示意图，其中热 交换通道与所述处理微通道相邻。
图8可用于图2或图3所示乳状液处理单元的微通道重复单元的 示意图，其中所述第一液体流动通过处理微通道，并与从相邻液体通 道流动进入所述处理微通道的第二液体进行混合，所述第二液体流动 通过所述处理微通道的侧壁内的带孔区段，所述液体通道含多个流量 限制装置以降低沿所述液体通道的轴向长度的液体通道内的内部压 力。
图9是图8所示微通道重复单元的另一实施例的示意图，其中热 交换通过与所述处理微通道相邻。
图10是一多孔不锈钢基片的扫描电子显微镜(SEM)图像，所述 多孔不锈钢基片可用于形成在可用于本发明方法的处理微通道的一 个或多个侧壁内的带孔区段，所述SEM图像是在该基片被热处理之 前获得。
图11是图10所示的基片在热处理后的SEM图像。
图12是加工后的多孔基片的SEM图像，所述加工后的多孔基片 可用于形成在可用于本发明方法的处理微通道的一个或多个侧壁内 的带孔区段。
图13是带孔薄片的俯视图，所述带孔薄片可用于形成在可用于本 发明方法的处理微通道的一个或多个侧壁内的带孔区段。
图14是带孔薄片或板的俯视图，所述带孔薄片或板可用于形成在 可用于本发明方法的处理微通道的一个或多个侧壁内的带孔区段。
图15是相对薄的带孔薄片叠置在相对厚的带孔薄片或板上的示 意图，其可用于形成在可用于本发明方法的处理微通道的一个或多个 侧壁内的带孔区段。
图16是相对薄的带孔薄片叠置在相对厚的带孔薄片或板上的示 意图，其可用于形成在可用于本发明方法的处理微通道的一个或多个 侧壁内的带孔区段。
图17是可用于本发明方法使用的处理微通道的一个或多个侧壁 内的带孔区段中的孔的示意图，所述孔被涂覆材料部分填充。
图18是显示在本发明方法的一个实施例的操作中的微滴形成的 示意图。
图19是可用于进行本发明方法的乳状液处理单元的示意图。
图20是图19所示乳状液处理单元的液体通道插入物的示意图。
图21是用于图19所示乳状液处理单元的液体通道和带孔区段的 示意图。
图22是用于图19所示乳状液处理单元的液体通道、带孔区段，及 处理微通道的示意图。
图23是图22所示液体通道、带孔区段，及处理微通道的另一实施 例的示意图，其中四种处理微通道与液体通道和带孔区段结合使用。
图24是显示在本发明方法的一个实施例的操作中的微滴形成的 示意图。
图25是根据本发明方法的一个实施例制得的水包油型乳状液的 剪切响应图，其中在该乳状液中存在表面活性剂。
图26是显示对于根据本发明方法的一个实施例制得的牛顿流体 (水)和非牛顿流体(护手霜乳状液)，两者的轴向速度分布与距处理 微通道中的带孔区段的距离的关系的比较的曲线图。
图27是显示根据本发明方法的一个实施例制得的乳状液的流变 学的曲线图(在温度恒定下粘度与剪应力的函数关系)。
图28-图31是显示跨越用于本发明方法的一个实施例的处理微通 道的高度或宽度(间隔)的速度(图28)、剪应力(图29)、剪切速率 (图30)和粘度(图31)的分布曲线图。
图32和图33是根据本发明方法的一个实施例制得的乳状液的放 大图像。
图34是是根据本发明方法的一个实施例制得的乳化微滴的力图。
图35是显示连续力平衡模型与实验数据的比较图，该图示出对于 根据本发明方法的一个实施例的流动条件，微滴分离直径为处理微通 道的带孔区段的孔尺寸的函数。
图36是可用于形成在本发明方法可以使用的处理微通道的一个 或多个侧壁中的带孔区段的激光钻孔基片的显微照片。
图37是显示根据本发明方法的一个实施例，测量的粘度用作计算 功能动力学(CFD)模型的输入值的曲线图。
图38是显示CFD模型区域和三维几何形状的示意图。
图39是显示可用于本发明方法的乳状液处理单元的细节的示意 图。
图40示出了对图39所示乳状液处理单元的流动速度分布的比较。 图40A中的图表示对于在乳化表面上带支撑槽体的通道。图40B中的 图表示对于不带槽体的通道。图40C中的图表示对于无槽体且无入口 影响的选择的单层流动区域。
图41是显示根据本发明方法以5ml/min油流量和0.001N/m表面张 力形成微滴的结果图解。
图42是显示根据本发明方法以30ml/min油流量和0.001N/m表面 张力形成微滴的结果图解。
图43是显示根据本发明方法以5ml/min油流量和0.02N/m表面张 力形成微滴的结果图解。
图44-图49示出了根据本发明方法从分离的开始(图44)，微滴的 伸长(图45)，完全分离(图46)，微滴的下游平流(图47)，微滴的 破裂(分支)(图48)，以及微滴扩散入连续相(图49)的形成微滴的 过程。
图50是显示对于根据本发明方法在处理微通道中使用的7微米、4 微米、1微米和0.1微米的孔尺寸的带孔区段而言，横流速度对微滴尺 寸的影响图，其中表面张力为0.02牛顿每米(N/m)。
图51是显示对于根据本发明方法在处理微通道中使用的4微米、1 微米、和0.1微米的孔尺寸的带孔区段而言，壁剪应力对微滴尺寸的影 响图，其中横流速度为1.67米每秒(m/s)，表面张力为0.02N/m。
图52是显示对于根据本发明方法在处理微通道中使用的4微米、1 微米、和0.1微米的孔尺寸的带孔区段而言，表面张力对微滴尺寸的影 响图。
图53示出在具有图39所示结构的处理微通道内进行测试运转的 微滴尺寸分布图。
图54-58是可在用于本发明方法的通道(例如，处理微通道、液体 通道、热交换通道)中形成的表面特征的示意图。
图59是用于根据本发明方法的一个实施例的方法的示意图，其中 所述乳状液的分散相的微滴尺寸受乳状液处理单元内的控制压力控 制。
图60和图61是本发明方法的一个实施例的示意图，其中沿其侧壁 之一具有带孔区段的处理微通道的轴向长度的压力受到控制。
图62-图64是根据本发明的一个实施例可的装置的示意图，所述装 置包括构成液体通道的侧壁的带孔管状区段，位于所述带孔管状区段 的外表面并以所述带孔管状区段相同的轴向方向纵向延伸的一列处 理微通道，以及一列与处理微通道相邻的热交换通道，乳状液的连续 相流动通过所述处理微通道，乳状液的分散相从所述液体通道流动通 过所述带孔区段进入所述处理微通道以形成所述乳状液，并且所述热 交换通道提供了所述乳状液的加热或冷却。
图65和图66是可相互叠加并用于形成在可用于本发明方法的处 理微通道的一个或多个侧壁内的带孔区段的带孔薄片的示意图。
图67示出了三个带孔平行板，其可用于形成在可用于本发明方法 的处理微通道的一个或多个侧壁内的带孔区段，所述带孔板可以相互 移动，以控制分散相的微滴大小。
图68和图69是使用化学镀方法的镀有铂的激光钻孔圆板放大400 倍的显微照片，所述铂镀层降低了该圆板中的孔尺寸，该圆板可用于 形成在可用于本发明方法的处理微通道的一个或多个侧壁内的带孔 区段。
图70和图71是可在带孔区段上形成的表面特征的示意图，所述带 孔区段可用于本发明方法中使用的处理微通道的一个或多个侧壁中。
图72是显示微滴流动通过带孔区段的示意图，所述带孔区段在可 用于本发明方法的处理微通道的一个或多个侧壁中，所述带孔区段具 有图70所示的表面特征。
图73是显示在一材料表面形成的去离子水微滴的示意图，所述材 料可用于制造可用于本发明方法的处理微通道的内壁，左边的微滴形 成于未涂覆的不锈钢样品上，右边的微滴形成于涂覆了疏油涂覆材料 的不锈钢样品上。
图74是本发明方法的一个实施例的示意图，其中所述连续相与带 孔区段(或基片)上的碰撞体接触流动，以及所述分散相流动通过所 述带孔区段(或基片)从而与所述连续相接触以形成乳状液。
图75是本发明方法的一个实施例的示意图，其中所述分散相由毛 细作用通过作为带孔区段的多孔或纤维膜被吸入(即，诱导了表面流 动)，小喷嘴与基片面垂直制造、从处理微通道中隔出一通道，所述 连续相的流动可通过喷射孔被局部地加速并使流动通过所述膜进入 所述喷射通道的分散相的很小微滴分离。
图76是图74所示方法的示意图，其中喷嘴(图中未示出)被用于 使连续相以任意所需角度与所述带孔区段碰撞接触。
图77是本发明方法的示意图，其中在所述处理微通道的一侧壁设 有带孔区段，所述处理微通道的相对侧壁为具有成递升排列(tiered) 或分层表面的斜坡通道形式。
图78是与图77所示处理微通道类似的处理微通道的示意图，例外 之处是带孔区段或基片用波状的或波纹形的结构装配。
图79是使用微漩涡(microcyclone)制造乳状液的方法的示意图， 其中连续相以切线方向被导入至圆柱形腔中，使用漩涡引导器(vortex finder)迫使绕圆柱腔的旋转流动，以及将所述分散相通过位于圆柱 腔侧壁的带孔区段(或多孔材料)被导入圆柱腔中。
图80是图79所示微漩涡的另一实施例的示意图，其中所述连续相 被导入一壳管设计的环形区域，并且较高的角速度旋转，分散相向下 轴向地流过基片的长度，所述基片位于中空的圆柱体中，带有从中心 线入口向外径向指向的孔。
图81是类似于图80所示的微漩涡的制作乳状液的微漩涡的示意 图，例外之处是所述内部的带孔区段或基片以与所述连续相的环形流 相反的方向径向旋转。
图82是本发明方法的示意图，其中分散相流动通过一带孔区段或 基片，所述带孔区段或基片含带将分散相注入连续相的毛细孔的小柱 体。
图83是形成微尺寸微滴的方法的示意图，其中乳状液的连续相和 分散相都被分散在惰性气体介质(如氮气)中，随后使用碰撞喷嘴或 静态混合物进行结合，随后将气体从所得的乳状液形式的产物中分 离。
图84是使用图67所示带孔平行板的用于形成乳状液的乳状液处 理单元以及一发动机的示意图，当分散相流动通过带孔板与连续相接 触时，所述发动机提使各板中的至少一个相对于其他板中的一个或多 个向上和向下的运动，以在分散相中产生剪切力。
图85-图87是降低在本发明方法中形成的乳状液分散相微滴尺寸 的方法的示意图，所述方法在迫使分散相通过带孔区段或多孔板之 后，使用旋转设备将分散相切削成小微滴，随后分散相与连续相结合。
图88、图89和图96是乳状液处理单元的示意图，各乳状液处理单 元包括一微通道中心部分，所述微通道中心部分含用于本发明方法的 处理微通道、将流体分配至处理微通道的顶管，以及从处理微通道中 移出流体的底管。
图90和图91是可用于图88、图89或图96所示乳状液处理单元的微 通道中心部分的微通道重复单元的示意图。
图92是根据本发明方法可用于制作乳状液的乳状液处理单元的 微通道重复单元的示意图。
图93是用于容纳如图92所示一种或多种微通道重复单元的乳状 液处理单元示意图。
图94和图95是示出使用本发明乳化方法的测试运转的微滴尺寸 分布图。
图97至图99是可用于本发明方法的用于在处理微通道一个或多 个侧壁上支撑带孔区段的肋状物设计的示意图。

术语“微通道”是指至少高度或宽度之一的内部尺寸达约10毫 米(mm)，在一个实施例中达约5mm，在一个实施例中达约2mm， 在一个实施例中达约1mm的通道。通过该微通道的流体的总体流动 可沿与该微通道的高度和宽度垂直的方向上沿该微通道的轴向长度 进行。在图1中示出了可用于本发明方法的微通道的一个实施例。在 图1中示出的微通道100具有高度(h)，宽度(w)和轴向长度(l)。 所述高度或宽度的最小者有时可被称作间隙。在微通道100中流动的 液体的总体流动路径可以在箭头102和104所示的方向中沿所述微通 道的轴向长度进行。根据本发明的一个实施例可使用的处理微通道在 其一个或多个侧壁中具有至少一个带孔区段；所述带孔区段的轴向长 度可以所述处理微通道的轴向长度相同的方向进行测量。所述微通道 的高度(h)或宽度(w)可在约0.05至约10mm的范围内，以及在 一个实施例中约0.05至约5mm，以及在一个实施例中约0.05至约 2mm，以及在一个实施例中约0.05至约1.5mm，以及在一个实施例 中约0.05至约1mm，以及在一个实施例中约0.05至约0.75mm，以 及在一个实施例中约0.05至约0.5mm。高度或宽度的另一个尺寸可为 任何尺寸，例如，达约3米，以及在一个实施例中约0.01至约3米， 以及在一个实施例中约0.1至约3米。所述微通道的轴向长度(l)可 为任何尺寸，例如，达约10米，以及在一个实施例中在约0.05至约 10米的范围内，以及在一个实施例中约0.1至约10米，以及在一个 实施例中约0.2至约6米，以及在一个实施例中约0.2至约3米。尽 管图1中示出的微通道100具有矩形横截面，应当理解的是所述微通 道可具有任意形状的横截面，例如方形、圆形、半圆形、梯形等等。 所述微通道的横截面的形状和/或尺寸可沿其长度变化。例如，沿所述 微通道的长度，所述高度或宽度可从相对大的尺寸逐渐变细为相对小 的尺寸，或相反。
短语“保持第二液体以沿带孔区段长度的基本不变的速率流动通 过所述带孔区段”是指与沿带孔区段长度上任一其他点的流量相比， 第二液体在沿带孔区段长度的任一点上通过带孔区段的流量变化以 体积计仅约25％，以及在一个实施例中以体积计仅约20％，以及在 一个实施例中以体积计仅约15％，以及在一个实施例中以体积计仅约 10％，以及在一个实施例中以体积计仅约5％，以及在一个实施例中 以体积计仅约2％，以及在一个实施例中以体积计仅约1％，以及在 一个实施例中以体积计仅约0.5％。
短语“第一液体流动通过所述处理微通道的压力降与第二液体在 液体通道内流动的压力降基本相同”是指与第二液体在液体通道内流 动的压力降相比，第一液体流动通过所述处理微通道的压力降变化仅 约25％，以及在一个实施例中仅约20％，以及在一个实施例中仅约 15％，以及在一个实施例中仅约10％，以及在一个实施例中仅约5％， 以及在一个实施例中仅约2％，以及在一个实施例中仅约1％，以及 在一个实施例中仅约0.5％。
短语“沿带孔区段长度基本恒定的跨越带孔区段的压力差”是指 与沿带孔区段长度的任一其他点处的压力差相比，沿带孔区段轴向长 度任一点处跨越带孔区段的压力差变化仅约50％，以及在一个实施例 中仅约25％，以及在一个实施例中仅约10％，以及在一个实施例中 仅约5％，以及在一个实施例中仅约2％，以及在一个实施例中仅约1 ％，以及在一个实施例中仅约0.5％。
当涉及一通道的位置相对于另一通道的位置时，术语“相邻的” 是指一壁分隔所述两通道的直接相邻。所述壁的可具有不同的厚度。 然而，“相邻的”通道不被干扰通道之间热传递的居间通道隔开。
术语“表面特征”是指在通道壁上的凹陷和/或从通道壁伸出的突 起，其改变通道内的流动和/或促进通道内的混合。所述表面特征可为 圆形、椭圆形、方形、矩形、方格图案(checks)、V形(chevrons)、 波纹形等形状。所述表面特征可包含亚特征，其中表面特征的主壁进 一步包含更小的表面特征，所述更小的表面特征可以是槽口、波纹、 凹槽、孔洞、毛口、方格图案、扇贝形等形状。所述表面特征具有深 度、宽度，对于非圆形表面特征元件而言具有长度。在图54-图58中 示出了实施例。所述表面特征可形成于本发明方法使用的处理微通道 的内侧壁的一或多个之上或之中。所述表面特征可形成于本发明方法 使用的液体通道和/或热交换通道的一或多个内侧壁的之上或之中。所 述表面特征可被称为被动表面特征或被动混合特征。
表示流体在通道内流动的速度的术语“表面速度”是指在标准压 力和温度下，体积流量除以通道的开口横截面积。
术语“不混溶的”是指在25℃下，一种液体不溶于另一种液体中 或仅溶解达约1毫升每升。
术语“水不溶的”是指在25℃下一材料不溶于水，或在25℃下 溶于水达约0.1克每升的浓度。
术语“流体”是指气体、液体、含分散固体的气体或液体、含液 滴的气体、含气泡的液体、含液滴和分散固体的气体，或者含气泡和 分散固体的液体。
术语“上游”和“下游”是指在本发明方法中使用的通道，包括 微通道内的位置，其相对于流体流动通过通道的方向。例如，朝一位 置流动通过一通道的部分流体尚未到达的该通道内的该位置为该部 分流体的下游。远离一位置流动通过一通道的部分流体已经通过的该 通道内的该位置为该部分流体的上游。术语“上游”和“下游”不是 必须指垂直位置，因为在本发明方法中使用的通道的朝向可为水平、 垂直，或具有一定的倾角。
术语“热源”是指发出热量以及可用于加热另一物质或装置的物 质或装置。所述热源可以为其中具有热交换流体的热交换通道的形 式，其向另一物质或装置传递热量；所述另一物质或装置为，例如通 道，其相邻于或足够邻近所述热交换通道以接收从所述热交换通道传 递的热量。所述热交换流体可包含在热交换通道内和/或其可流动通过 所述热交换通道。所述热源可以加热元件的形式，例如，电加热元件 或电阻加热器。
术语“冷源”是指吸收热量并可用于冷却其他物质或装置的物质 或装置。所述冷源可以为其中具有热交换流体的热交换通道的形式， 其吸收来自另一物质或装置的热量；所述另一物质或装置为，例如通 道，其相邻于或足够邻近所述热交换通道以将热量传递至所述热交换 通道。所述热交换流体可包含在热交换通道内和/或其可流动通过所述 热交换通道。所述冷源可以冷却元件的形式，例如，非流体冷却元件。
术语“热源和/或冷源”是指可散发热量或吸收热量的物质或装置。 所述热源和/或冷源可以为其中具有热交换流体的热交换通道的形式， 当另一物质或装置需要被加热时，其将热量传递至相邻或邻近所述热 交换通道的另一物质或装置，或者当另一物质或装置需要被冷却时， 其吸收来自相邻或邻近所述热交换通道的另一物质或装置的热量。用 作热源和/或冷源的所述热交换通道可有时起加热通道的作用，有时起 冷却通道的作用。所述热交换通道的一部分或多部分可起加热通道的 作用，而所述热交换通道的另一部分或多部分可起冷却通道的作用。
术语“热交换通道”是指其中具有可散发热量和/或吸收热量的热 交换流体的通道。
术语“热交换流体”是指可散发热量和/或吸收热量的流体。
参考图2和图3，所述方法可使用乳状液处理单元110进行，所 述乳状液处理单元110包括微通道中心部分112，第一液体顶管114， 第二液体顶管116，以及产物底管118。图3中示出的乳状液处理单 元110A与在图2中示出的乳状液处理单元110相同，例外之处是乳 状液处理单元110A包括热交换歧管120。乳状液处理单元110中的 微通道中心部分112包含多个处理微通道和相邻的液体通道。乳状液 处理单元110A中的微通道中心部分112与乳状液处理单元110中的 微通道中心部分112相同，例外之处是乳状液处理单元110A中的微 通道中心部分112包括多个热交换通道。所述液体通道和/或热交换通 道可为微通道。所述处理微通道、液体通道和可选的热交换通道可以 多层相互堆叠，或并排排列。第一液体顶管114可以设置一用于使第 一液体以其流量均匀或基本均匀地分配至处理微通道的方式流入处 理微通道的通道。此处使用的术语“基本均匀”是指质量指标不低于 约25％。所述质量指标在公开号为US 2005/0087767 A1的美国专利 中公开，其通过引用成为本说明书的一部分。第二液体顶管116设置 有一通道，以使第二液体以其流量均匀或基本均匀地分配至液体通道 的方式流入液体通道。产物底管118为产物乳状液以相对高的流量快 速从处理微通道流出提供通道。如箭头122所示，第一液体通过顶管 114流入乳状液处理单元110或110A。如箭头124所示，第二液体通 过第二液体顶管116流入乳状液处理单元110或110A。第一液体和 第二液体流入微通道中心部分112，并被混合以形成产物乳状液。如 箭头126所示，产物乳状液从微通道中心部分112流动穿过产物底管 118，并从产物底管118流出。在一个实施例中，所述乳状液可任意 次循环返回通过微通道中心部分112，例如，一、二、三、四次，等 等。对于乳状液处理单元110A，如箭头128所示，热交换流体流入 热交换歧管120，并从热交换歧管120通过微通道中心部分112内的 热交换通道，然后返回热交换歧管120，并如箭头130所示从热交换 歧管120流出。乳状液处理单元110和110A可与未在图中显示的贮 存容器、泵、阀门、流量控制装置等等相联，但它们对于本领域普通 技术人员而言是显而易见的。微通道中心部分112可包括一个或多个 微通道重复单元。所述微通道重复单元有用的实施例在图4-图9中示 出。
参考图4，微通道重复单元200包括处理微通道210、带孔区段 240和液体通道270。处理微通道210具有相对的侧壁212和214。带 孔区段240在侧壁212内。带孔区段240可被称作多孔区段或多孔基 片。带孔区段240可包括具有延伸穿过其中的多个孔244的薄片或板 242。下面将详细讨论带孔区段240的另它实施例。液体通道270通 过带孔区段240对处理微通道210开口。液体通道270为具有箭头275 所示的出口的流动通过(flow-through)通道。处理微通道210具有混合 区域216，以及可具有混合区域216上游和/或下游的非孔化区域(图 中未示出)。混合区域216与带孔区段240相邻。在一个实施例中， 混合区域216可具有受限的横截面以促进混合。操作中，如方向箭头 218所示，第一液体流入处理微通道210，进入混合区域216。如方向 箭头272所示，第二液体流入液体通道270，随后如箭头274所示， 流动通过带孔区段240，进入混合区域216。在混合区域216内，第 二液体与第一液体接触并混合以形成乳状液。第二液体可在第一液体 内形成不连续相或微滴。第一液体可形成连续相。如箭头220所示， 所述乳状液从混合区域216流出处理微通道210。在一个实施例中， 如箭头275所示，部分第二液体可流动通过液体通道270，并循环回 收至第二液体顶管116，而其余的第二液体流动通过带孔区段240， 如前所述。可形成的乳状液包括油包水型乳状液、水包油型乳状液， 及其类似物。可形成的乳状液在下文中被更详细的讨论。加热或冷却 为可选的。
在一个实施例中，当其从处理微通道入口流向处理微通道出口 时，流动通过处理微通道210的流体经历一压力降。作为这个压力降 的结果，处理微通道210内的内部压力从处理微通道入口附近的较高 值逐渐地下降至处理微通道出口附近的较低值。为了产生尺寸相对均 匀的乳状液微滴，这就希望，至少在本发明的一个实施例中，保持沿 带孔区段240的轴向长度、跨越带孔区段240的基本不变的压力差。 为了达到这个目的，液体通道270内的内部压力可沿其轴向长度降低， 以配合处理微通道210中由于液体通过处理微通道的流动引起的内部 压力降。这可通过以微通道形式设置液体通道270，并以使得在液体 通道内流动的第二液体经历的压力降与液体流动通过处理微通道210 的压力降相似而解决。
在一个实施例中，带孔区段240可包括沿带孔区段的轴向长度的 多个不连续的送料导入点，而不是连续导入第二液体。不连续送料导 入点的数量可为任意数量，例如2、3、4、5、6、7、8、10、20、50、 100等。
在图5中示出的微通道重复单元200A与图4中示出的微通道重 复单元200相同，例外之处是微通道重复单元200A包括热交换通道 290。如箭头292所示，当需要加热或冷却时，热交换流体流动通过 热交换通道290，加热或冷却在处理微通道210和液体通道270内的 液体。加热或冷却的程度可在处理微通道210和液体通道270的轴向 长度上变化。在处理微通道210和液体通道270的某些部分，加热或 冷却可以忽略不计或不存在，而在其他部分可为中等或相对较高。如 箭头292所示的热交换流体在热交换通道290内的流动与液体通过处 理微通道210的流动呈并流。可选地，热交换流体可相对于液体在处 理微通道210内的流动以逆流或错流的方向流动。可选地，可使用加 热或冷却介质而不是热交换流体起加热或冷却的效果。例如，可使用 电加热元件起加热效果。可使用非流体冷却元件起冷却效果。所述电 加热元件和/或非流体冷却元件可用于形成处理微通道210和/或液体 通道270的一个或多个壁。所述电加热元件和/或非流体冷却元件可用 于做成处理微通道210和/或液体通道270的一个或多个壁的组成部 分。沿处理微通道210的轴向长度可设有多个加热或冷却区域。类似 地，沿处理微通道210的长度可使用多种温度不同的热交换流体。
图6示出的微通道重复单元200B与图4示出的微通道处理单元 200相同，例外之处是在微通道重复单元200B中的液体通道270包 括位于沿液体通道270的轴向长度上的内部区域276、276a、276b、 276c、276d、276e和276f。这些内部区域分别具有受限的开口278、 278a、278b、278c、278d、278e和278f，将它们与液体通道270的其 余部分隔开。所述受限的开口可包括任何流量限制装置，包括被动或 主动的流量限制装置。这些流量限制装置包括节流孔及其类似物。受 限的开口278至278f可相同，或者从受限的开口278至受限的开口 278f逐渐地更加限制。内部区域276、276a、276b、276c、276d、276e 和276f向带孔区段240开口。尽管示出了七个内部区域，其可设有任 意数量的内部区域。内部区域的数量可少于七，例如一、二、三、四、 五或六个内部区域。沿液体通道270的轴向长度内部区域的数量可大 于七，例如八、九、十、几十、几百、几千等数量的内部区域。在操 作中，如箭头218所示，第一液体流入处理微通道210，进入混合区 域216。如箭头272所示，第二液体流入液体通道270，并从液体通 道270分别通过受限的开口278、278a、278b、278c、278d、278e和 278f，进入内部区域276、276a、276b、276c、276d、276e和276f。 如箭头274所示，第二液体从内部区域276、276a、276b、276c、276d、 276e和276f流动通过带孔区段240，进入处理微通道210，在这里其 与第一液体混合以形成产物乳状液。如箭头220所示，产物乳状液流 出处理微通道。在一个实施例中，当其从处理微通道入口流向处理微 通道出口时，流动通过处理微通道210的液体经历一压力降。作为这 个压力降的结果，处理微通道210内的内部压力从处理微通道入口附 近的较高值逐渐地下降至处理微通道出口附近的较低值。为了产生尺 寸相对均匀的乳化微滴，这就希望，至少在本发明的一个实施例中， 保持沿带孔区段240的轴向长度、跨越带孔区段240的基本不变的压 力差。为了达到这个目的，液体通道270内的内部压力可沿其轴向长 度降低，以配合处理微通道210中由于液体通过处理微通道的流动引 起的内部压力降。这可通过在内部区域276、276a、276b、276c、276d、 276e和276f内提供逐渐降低的内部压力，以配合在处理微通道210 中的压力降而实现。因而，例如，内部区域278中的内部压力可相对 较高，下一个内部区域278a中的压力可较低，并且在随后内部区域 276b、276c、276d、276e和276f中的压力可逐渐更低，以内部区域 276f中的内部压力为最低。在内部区域276、276a、276b、276c、276d、 276e和276f中逐渐降低的压力可通过液体通道270中由于液体通道 270内的第二液体流动造成的压力降以及第二液体通过受限的开口 278、278a、278b、278c、278d、278e和278f造成的压力降而实现。
图7中示出的微通道重复单元200C与图6中示出的微通道重复 单元200B相同，例外之处是微通道重复单元200C包括热交换通道 290。当需要加热或冷却时，如箭头292所示，热交换流体流动通过 热交换通道290，加热或冷却处理微通道210和液体通道270中的流 体。加热或冷却的程度可在处理微通道210和液体通道270的轴向长 度上变化。在处理微通道210和液体通道270的某些部分，加热或冷 却可以忽略不计或不存在，以及在其他部分可为中等或相对较高。如 箭头292所示，热交换流体在热交换通道290内的流动与液体通过处 理微通道210的流动呈并流。可选地，热交换流体可相对于流体在处 理微通道210内的流动以逆流或错流的方向流动。可选地，可使用加 热或冷却介质而不是热交换流体起加热或冷却的效果。例如，可使用 电加热元件起加热效果。可使用非流体冷却元件起冷却效果。所述电 加热元件和/或非流体冷却元件可用于形成处理微通道210和/或液体 通道270的一个或多个壁。所述电加热元件和/或非流体冷却元件可用 于做成处理微通道210和/或液体通道270的一个或多个壁的组成部 分。沿处理微通道210的轴向长度可设有多个加热或冷却区域。类似 地，沿处理微通道210的长度可使用多种温度不同的热交换流体。
图8示出的微通道重复单元200D与图4示出的微通道处理单元 200相同，例外之处是在微通道重复单元200B中的液体通道270包 括位于沿液体通道270的轴向长度上的内部流量限制装置280，280a， 280b，280c、280d和280e。这些流量限制装置可包括任何流量限制 装置，包括被动或主动的流量限制装置。这些流量限制装置包括节流 孔及其类似物。所述流量限制装置可相同，或者从流量限制装置280 至流量限制装置280e逐渐地更加限制。尽管图示了六个流量限制装 置，可设有任意数量的流量限制装置。流量限制装置的数量可少于六， 例如一、二、三、四或五。沿液体通道270的内部流量限制装置的数 量可大于六，例如七、八、九、十、几十、几百、几千等数量的内部 流量限制装置。在操作中，如箭头218所示，第一液体流入处理微通 道210，进入混合区域216。如箭头272所示，第二液体流入液体通 道270，并从液体通道270通过流量限制装置280，280a，280b，280c， 280d和280e。如箭头274所示，第二液体从液体通道270流动通过 带孔区段240，进入处理微通道210，在这里其与第一液体混合以形 成产物乳状液。如箭头220所示，产物乳状液流出处理微通道。在一 个实施例中，当其从处理微通道入口流向处理微通道出口时，流动通 过处理微通道210的液体经历一压力降。作为这个压力降的结果，处 理微通道210内的内部压力从处理微通道入口附近的较高值逐渐地下 降至处理微通道出口附近的较低值。为了产生尺寸相对均匀的乳化微 滴，这就希望，至少在本发明的一个实施例中，保持沿带孔区段240 的轴向长度、跨越带孔区段240的基本不变的压力差。为了达到这个 目的，液体通道270内的内部压力沿其轴向长度可降低，以配合处理 微通道210中由于液体通过处理微通道的流动引起的内部压力降。这 可通过在液体通道270中使第二液体流动通过流量限制装置280， 280a，280b，280c，280d和280e而达到。因而，例如，流量限制装 置280上游的液体通道270中的内部压力可相对较高，在流量限制装 置280和280a之间的压力可较低，流量限制装置280b、280c、280d 和280e下游的液体通道270部分的压力可逐渐更低，并以流量限制 装置280e下游的内部压力为最低。
图9中示出的微通道重复单元200E与图8中示出的微通道重复 单元200D相同，例外之处是微通道重复单元200A包括热交换通道 290。当需要加热或冷却时，如箭头292所示，热交换流体流动通过 热交换通道290，加热或冷却处理微通道210和液体通道270中的液 体。加热或冷却的程度可在处理微通道210和液体通道270的轴向长 度上变化。在处理微通道210和液体通道270的某些部分，加热或冷 却可以忽略不计或不存在，以及在其他部分可为中等或相对较高。如 箭头292所示，热交换流体在热交换通道290内的流动与液体通过处 理微通道210的流动呈并流。可选地，热交换流体可相对于流体在处 理微通道210内的流动以逆流或错流的方向流动。可选地，可使用加 热或冷却介质而不是热交换流体起加热或冷却的效果。例如，可使用 电加热元件起加热效果。可使用非流体冷却元件起冷却效果。所述电 加热元件和/或非流体冷却元件可用于形成处理微通道210和/或液体 通道270的一个或多个壁。所述电加热元件和/或非流体冷却元件可用 于做成处理微通道210和/或液体通道270的一个或多个壁的组成部 分。沿处理微通道210的轴向长度可设有多个加热或冷却区域。类似 地，沿处理微通道210的长度可使用不同温度的多种热交换流体。
带孔区段(240)可位于处理微通道(210)的一个或多个侧壁中。 带孔区段可沿部分或沿整个处理微通道(210)的轴向长度延伸。在 一个实施例中，带孔区段可沿处理微通道的轴向长度的至少约1％延 伸，以及在一个实施例中处理微通道的轴向长度的至少约5％，以及 在一个实施例中处理微通道的轴向长度的至少约10％，以及在一个实 施例中处理微通道的轴向长度的至少约20％，以及在一个实施例中处 理微通道的轴向长度的至少约35％，以及在一个实施例中处理微通道 的轴向长度的至少约50％，以及在一个实施例中处理微通道的轴向长 度的至少约65％，以及在一个实施例中处理微通道的轴向长度的至少 约80％，以及在一个实施例中处理微通道的轴向长度的至少约95％， 以及在一个实施例中处理微通道的轴向长度的约1％至约100％，以 及在一个实施例中处理微通道的轴向长度的约5％至约100％，以及 在一个实施例中处理微通道的轴向长度的约10％至约90％，以及在 一个实施例中处理微通道的轴向长度的约20％至约80％。所述带孔 区段可沿处理微通道的一个或多个侧壁的整体宽度和/或高度的部分 或全部延伸。
在一个实施例中，液体通道270为流动通过通道，第二液体如箭 头275所示离开液体通道，并可被循环回收入液体通道。可允许额外 的选择元件，以控制处理微通道210和液体通道270之间的总体压力 差，还允许修正沿带孔区段240的轴向长度的压力分布。在本发明方 法的操作中可允许更加灵活的控制这两个参数。沿带孔区段240的轴 向长度上，第二液体通过带孔区段240的流动可为非均匀的。这可归 应于跨越带孔区段240的变化的压力差。例如，当高粘度的第一液体 与低粘度的第二液体在处理微通道210中混合时，由于所得的乳状液 中第二液体的浓度增大，沿处理微通道210的轴向长度上的流体混合 物的粘度变小。这可造成沿带孔区段240的轴向长度上的非线性的压 力降。可导致第二液体通过液体通道270出口附近的带孔区段240的 流量比通过入口附近的带孔区段240的流量更高。这降低了混合相在 处理微通道中的总滞留时间，导致比预期更大的乳状液微滴尺寸。在 图60和图61中示出的方法可用于建立沿带孔区段240的轴向长度的 更加均匀的压力差，以及造成第二液体更加均匀的流动通过带孔区段 240进入处理微通道210。所述设计方案包括用于第二液体的流动通 过系统，所述流动通过系统可具有半独立于处理微通道210的压力控 制。这可给予设计者和操作者更多选择以修正不同流体和带孔区段的 方法的操作。所述设计涉及两种选择。图60中示出的选择1使用反 馈压力控制阀以控制第二液体(分散相)离开设备的压力。通过第二 液体的流量和粘度、液体通道270的几何形状、输入量、以及施加于 液体通道出口处的反馈压力，可测定沿液体通道的长度的压力降曲 线。流动穿过带孔区段240(基片)的第二液体(分散相)的量取决 于第二液体的性质和沿带孔区段240轴向长度的压力差。这可通过对 操作中的第二液体(分散相)贮存容器称重而测量。图61中示出的 选择2，通过使用两个高压正排量泵(positive displacement pumps)控 制进入和离开液体通道270的分散相的量，可允许更加精确输送已知 量的第二液体(分散相)的方法。
在一个实施例中，本发明方法可在例如图88-图91或96中所示 的乳状液处理单元中进行。在这个实施例中，第一液体和第二液体在 处理微通道上游的进料流顶管中混合，而不是在处理微通道中混合。 参考图88，所述方法可使用乳状液处理单元600进行，其包括微通道 中心部分602、进料流顶管604、产物底管606和热交换歧管608。在 图89中示出的乳状液处理单元600A与在图88中示出的乳状液处理 单元600相同，例外之处是乳状液处理单元600A设有进料流顶管 604A而不是进料流顶管604。在图96中示出的乳状液处理单元600B 与在图88中示出的乳状液处理单元600相同，例外之处是乳状液处 理单元600B设有进料流顶管604B而不是进料流顶管604。进料流顶 管604、604A和604B在设计和操作上类似。下面将更加详细的描述 这些顶管的设计和操作。乳状液处理单元600、600A和600B中的微 通道中心部分602可含有一个或多个分别如图90和91所示的微通道 重复单元610和/或614。
进料流顶管604包括第一液体区域620、第二液体区域622和624， 以及带孔区段623和625。带孔区段623位于第一液体区域620和第 二液体区域622之间。带孔区段625位于第一液体区域620和第二液 体区域624之间。进料流顶管604A为类似的结构，包括第一液体区 域620A、第二液体区域622A和624A，以及带孔区段623A和625A。
在操作中，如箭头630所示，第一液体流入第一液体区域620。 如箭头632和634所示，第二液体分别流入第二液体区域622和624。 如箭头633所示，第二液体从第二液体区域622流动通过带孔区段623 进入第一液体区域620。如箭头635所示，第二液体还从第二液体区 域624流动通过带孔区段625进入第一液体区域620。在第一液体区 域620内，第二液体分散入第一液体中形成乳状液。在第一液体区域 620中形成的乳状液可具有带形成连续相的第一液体的连续相，以及 带形成分散相的第二液体的分散相。所述分散相可为分散在连续相中 的液体微滴形式。所述乳状液流动通过微通道中心部分602，其在这 里被处理(即，加热、冷却和/或经受另外的混合)。如箭头636所示， 乳状液流入产物底管606并流出乳状液处理单元600。如箭头637所 示，热交换流体进入热交换歧管608，循环通过微通道中心部分602， 返回热交换歧管608，然后如箭头638所示离开热交换歧管608。
乳状液处理单元600A的操作与乳状液处理单元600的类似。如 箭头630所示，第一液体流入第一液体区域620A。如箭头632和634 所示，第二液体分别流入第二液体区域622A和624A。如箭头633所 示，第二液体从第二液体区域622A流动通过带孔区段623A进入第 一液体区域620A。如箭头635所示，第二液体还从第二液体区域624A 流动通过带孔区段625A进入第一液体区域620A。在第一液体区域 620内，第二液体分散入第一液体中形成乳状液。在第一液体区域中 620形成的乳状液可具有带形成连续相的第一液体的连续相，以及带 形成分散相的第二液体的分散相。所述分散相可为分散在连续相中的 液体微滴形式。所述乳状液流动通过反应区域602，其在这里被处理 (即，加热、冷却和/或经受另外的混合)。如箭头636所示，乳状液 流入产物底管606并流出乳状液处理单元600。如箭头637所示，热 交换流体进入热交换歧管608，循环通过微通道中心部分602，返回 热交换歧管608，然后如箭头638所示离开热交换歧管608。
进料流顶管604B包括液体区域620B。在操作中，如箭头630所 示一第一液体流流入液体区域620B。如箭头632和634所示，第二 液体流流入液体区域620B。第二液体与第一液体接触并分散入第一 液体中形成乳状液。在一个实施例中，可使用喷嘴、喷雾装置及其类 似物将第二液体注入第一液体中。在液体区域620B中形成的乳状液 可具有带形成连续相的第一液体的连续相，以及带形成分散相的第二 液体的分散相。所述分散相可为分散在连续相中的液体微滴形式。所 述乳状液流动通过微通道中心部分602，其在这里被处理(即，加热、 冷却和/或经受另外的混合)。如箭头636所示，乳状液流入产物底管 606并流出乳状液处理单元600B。如箭头637所示，热交换流体进入 热交换歧管608，循环通过微通道中心部分602，返回热交换歧管608， 然后如箭头638所示离开热交换歧管608。
乳状液处理单元600、600A和600B可与一个或多个贮存容器、 泵、阀门、歧管、微处理器、流动控制装置等结合使用，它们未在附 图中显示，但对于本领域普通技术人员是现而易见的。
在图90和图91中示出了用于微通道中心部分602的微通道重复 单元。参考图90，重复单元610包括处理微通道640和热交换通道 642。如箭头646所示，乳状液从进料流顶管604、604A或604B流 入处理微通道640。乳状液在处理微通道640中被处理(即，加热、 冷却和/或经受另外的混合)。如箭头648所示，乳状液流出处理微通 道640。热交换流体在热交换通道642中流动，与处理微通道640进 行热交换。热交换通道642和处理微通道640之间的热交换可造成处 理微通道640的冷却和/或加热。热交换流体可以相对于流体在处理微 通道640内的流动方向以并流、逆流或错流的方向流动。
图91示出的重复单元614与图90示出的重复单元610相似，例 外之处是重复单元614包括两个处理微通道660和660A而不是一个 处理微通道。重复单元614包括处理微通道660和660A以及热交换 通道662。在操作中，如箭头666和666A所示，乳状液从进料流顶 管604、604A或604B分别流入处理微通道660和660A。乳状液流 动通过处理微通道660和660A并在其中被处理(即，加热、冷却和/ 或经受另外的混合)。如箭头668和668A所示，乳状液流出重复单元 614。如箭头636所示，乳状液从重复单元614流动通过产物底管606， 然后流出乳状液处理单元600、600A或600B。
在一个实施例中，本发明的方法可在例如图92和93所示的乳状 液处理单元中进行。参考图92，使用包括处理微通道672和672A、 以及热交换通道676和676A的重复单元670可进行本发明。重复单 元670还包括入口歧管671，其包括第一液体区域675和675A以及 第二液体区域677。带孔区段674和674A分别位于第二液体区域677 和第一液体区域675和675A之间。重复单元670还包括产物底管678 和678A。操作中，如箭头680和680A所示，第一液体流入第一液体 区域675和675A。如箭头681所示第二液体流入第二液体区域677， 从这里通过带孔区段674和674A分别进入第一液体区域675和675A。 乳状液在第一液体区域675和675A中形成。所述乳状液可包含连续 相形式的第一液体，以及分散相形式的第二液体。所述分散相可为的 液体微滴形式。所述乳状液流动通过处理微通道672和672A，其在 这里被处理(即，加热、冷却和/或经受另外的混合)。如箭头682和 682A所示，乳状液流入产物底管678和678A并流出重复单元。
图92中未示出可位于处理微通道672和672A的一个或两侧壁上 的表面特征。可选地，位于热交换通道676和767A之间可仅有一处 理微通道672。可选地，位于热交换通道676和767A之间可有三条 或更多条处理微通道672。在一个实施例中，当处理微通道包含扰动 流动场及搅拌乳状液以降低微滴尺寸的表面特征时，在处理微通道 672中可形成小乳化微滴(体积平均值小于约10微米)。
图93中示出了可用于容纳一个或多个如图92所示的微通道重复 单元670的乳状液处理单元690。在乳状液处理单元690中，第一液 体如箭头691所示进入乳状液处理单元690，第二液体如箭头692所 示进入。乳状液如箭头693所示离开乳状液处理单元690。热交换流 体如箭头694所示流入乳状液处理单元690，并如箭头695所示离开 乳状液处理单元690。
尽管在图4-图9和图90-图92中每一图仅示出一个微通道重复单 元，实际上对于可用于进行本发明方法的乳状液处理单元中的微通道 重复单元的数量无上限。例如，可使用一、二、三、四、五、六、八、 十、二十、五十、一百、几百、一千、几千、一万、几万、十万、几 十万、百万等如上所述的乳化形成单元。在一个实施例中，各微通道 重复单元可为倍增。倍增可通过将大管道、管线或导管与各单元相连 而实现。可选地，通过在各单元之间制造相对相等的压力降环路，许 多微通道重复单元可内在地在包括微通道重复单元的乳状液处理单 元内倍增。另一方面，在各单元之间的压力降可不相等，因为某些流 量分配不均可不影响产物质量。在一个实施例中，达约50％的流量分 配不均在使用本发明方法形成乳状液中是可接受的。在一个实施例 中，流量分配不均可小于约20％，以及在一个实施例中小于约10％， 以根据乳状液的类型保持第一液体和第二液体的所需负载。在一个实 施例中，例如对于水包油型乳状液而言，如果油方的流量分配不均进 行配合，水方流量分配不均可大于约20％，但小于约50％，以使得 在各处理通道内的实际负载在目标或所需负载的约20％内。所述处理 微通道，以及相联的液体通道和热交换通道可并排或叠放排列。这些 乳状液处理单元可具有适当的歧管、阀门、导管线、管道、控制机构 等，以控制处理液体和热交换流体的输入和输出，这些元件未在图4- 图9和图90-图92中示出，但可由本领域普通技术人员提供。例如， 在包含微通道重复单元的乳状液处理单元的入口和出口处，倾斜的顶 管和底管可用于连接导管线或管道以避免与处理微通道的尺寸相关 的不需要的压力降。
在一个实施例中，多个微通道重复单元(200、200A、200B、200C、 200D、200E、610、614、670)可被叠放，以形成单元的按比例增加 至所需大容量的中心。所述按比例增加的单元可具有倾斜的顶管和底 管，作为用于形成乳状液的液体以及乳状液产物的歧管。通过在处理 或分散相或热交换通道的入口处增加孔板或其他带孔区域，还可促使 流量分配更加均匀。结构部分可用于把持和密封乳状液形成单元。
各处理微通道(210、640、660、660A)可具有任意构型的横截 面，例如方形、矩形、圆形、环形、椭圆形、梯形等。所述处理微通 道可为管状的。所述处理微通道可以由平行间隔的并排或叠放定位的 薄片或板形成。术语“薄片”是指厚达约5mm的壁。术语“板”是 指厚达约5mm或更高的壁。薄片可以卷的形式供应给使用者，而板 以材料的平片的形式供应给使用者。各处理微通道与通过处理微通道 的流体流动正交的一内部尺寸(例如，高度、宽度或直径)在约10mm 的范围内，以及在一个实施例中达约5mm，以及在一个实施例中达约 2mm。这个尺寸可在约0.05至约10mm的范围内，以及在一个实施 例中约0.05至约5mm，以及在一个实施例中约0.05至约3mm，以及 在一个实施例中约0.05至约2mm，以及在一个实施例中约0.05至约 1.5mm，以及在一个实施例中约0.05至约1mm，以及在一个实施例 中约0.05至约0.5mm。与通过处理微通道的液体流动正交的另一内部 尺寸(例如，高度或宽度)可为任意值，例如，其可在约0.01cm至 约100cm的范围内，以及在一个实施例中约0.01cm至约75cm，以及 在一个实施例中约0.1cm至约50cm，以及在一个实施例中约0.2cm 至约25cm。各处理微通道的长度可为任意值，例如，在约0.05cm至 约1000cm的范围内，以及在一个实施例中约0.1cm至约500cm，以 及在一个实施例中约0.1cm至约250cm，以及在一个实施例中约1cm 至约100cm，以及在一个实施例中约1cm至约50cm，以及在一个实 施例中约2cm至约25cm。
在一个实施例中，处理微通道(210)在其混合区域(216)上游 入口处可具有非孔化或非多孔区域(未在图中示出)，以提供第一液 体在处理微通道内均匀分配的流量。当复合处理微通道并排和/或叠放 排列，且第一液体流入多重处理微通道的流量是非均匀的时候，这是 有用的。这些非孔化区域的供应可在第一液体到达混合区域(216) 之前稳定第一液体的流动。在一个实施例中，在带孔区域上游的处理 微通道中可使用表面特征(在表面特征区域)，以在带孔区域中导入 第二液体之前造成近活塞流动流体分布，以使得第二液体与第一液体 的混合可快速发生以促生均一的乳状液并抑制不需要的乳状液相的 形成。乳化混合物的混合不足可造成局部区域的浓度与整体不同，从 而可促生不需要的或亚稳的乳状液相、沉淀物，或其他不利的化学作 用。当处理微通道(210)具有圆形横截面(即管状几何结构)时， 非孔化区域的使用具有优势。在一个实施例中，从处理微通道(210) 的入口至混合区域(216)的入口的非孔化区域的长度相对于非孔化 区域中的处理微通道(210)的最小内部尺寸的比例在约0.0001至约 10000之间的范围内，以及在一个实施例中约0.001至约1000。
液体通道(270)可为微通道，尽管其可具有不能使之定性为微 通道的更大的尺寸。这些通道中的每一个可具有任何构型的横截面， 例如方形、矩形、圆形、环形、椭圆形、梯形等。所述液体通道可为 管状的。所述液体通道可以由平行间隔的并排或叠放定位的薄片或板 形成。各液体通道与通过液体通道的液体流动正交的一内部尺寸(例 如，高度、宽度或直径)在达约100cm的范围内，在一个实施例中约 0.05mm至约100cm的范围内，在一个实施例中约0.05mm至约50cm， 在一个实施例中约0.05mm至约10cm，在一个实施例中约0.05mm至 约5cm，在一个实施例中约0.05mm至约10mm，在一个实施例中约 0.05mm至约5mm，在一个实施例中约0.05mm至约2mm，在一个实 施例中约0.05mm至约1mm。与通过液体通道的液体流动正交的另一 内部尺寸(例如，高度或宽度)可在约0.01cm至约100cm的范围内， 在一个实施例中约0.01cm至约75cm，在一个实施例中约0.1cm至约 50cm，在一个实施例中约0.2cm至约25cm。各液体通道的长度可为 任意值，例如，在约0.05cm至约1000cm的范围内，在一个实施例中 约0.1cm至约500cm，在一个实施例中约0.1cm至约250cm，在一个 实施例中约1cm至约100cm，在一个实施例中约1cm至约50cm，在 一个实施例中约2cm至约25cm。各处理微通道和邻近的液体通道之 间或者相邻的液体通道之间的间隔在约0.05mm至约50mm的范围 内，在一个实施例中约0.1至约10mm，在一个实施例中约0.2至约 2mm。
所述热源和/或冷源可用于冷却、加热或冷却和加热。所述热源和 /或冷源可包括一个或多个热交换通道。所述热源可包括一个或多个电 加热元件或电阻加热器。所述冷源可包括一个或多个非流体冷却元 件。其可与处理微通道和/或第二或第三流体流通道相邻。在一个实施 例中，所述热源和/或冷源可不接触或相邻于所述处理微通道和/或第 二或第三流体流通道，而可以是远离处理微通道和/或第二或第三流体 流通道中的任之一或两者，但是与处理微通道和/或第二或第三流体流 通道足够接近，以在热源和/或冷源与处理微通道和/或第二或第三流 体流通道之间传递热量。所述电加热元件、电阻加热器和/或非流体冷 却元件可用于形成处理微通道(210，640，660，660A)和或液体通 道(270)的一个或多个壁。所述电加热元件、电阻加热器和/或非流 体冷却元件可被做成处理微通道(210，640，660，660A)、第二液体 流通道和/或第三流体流通道的一个或多个壁的组成部分。所述电加热 元件和/或电阻加热器可为嵌入处理微通道和/或液体通道的壁中的薄 片、棒杆、线丝、盘碟或其他形状的结构。所述电加热元件和/或电阻 加热器可以附着在处理微通道壁和/或液体通道壁上的箔或线丝的形 式。使用珀耳帖型(Peltier-type)电热冷却和/或加热元件可起加热和 /或冷却的作用。沿处理微通道、第二液体通道和/或第三流体流通道 的长度上可设有多重加热和/或冷却区域。类似地，沿处理微通道、第 二流体流通道和/或第三流体流通道的长度上可使用一个或多个热交 换通道中的不同温度的热交换流体。所述热源和/或冷源可用于在处理 微通道、第二流体流通道和/或第三流体流通道内提供精确的温度控 制。
热交换通道(290，642，662)可为微通道，尽管其可具有不能 使之通常定性为微通道的更大的尺寸。这些通道可具有任何构型的横 截面，例如方形、矩形、圆形、环形、椭圆形、梯形等。所述热交换 通道可为管状的。所述热交换通道可以平行间隔的并排或叠放定位的 薄片或板形成。各热交换通道与通过热交换通道的热交换流体流动正 交的一内部尺寸，例如高度、宽度或直径，在达约50mm的范围内， 以及在一个实施例中达约10mm，以及在一个实施例中达约2mm。这 个尺寸可在约0.05mm至约50mm范围内，以及在一个实施例中约0.05 至约10mm，以及在一个实施例中约0.05至约5mm，以及在一个实 施例中约0.05mm至约2mm，以及在一个实施例中约0.5mm至约 1mm。与通过热交换通道的热交换流体流动正交的另一内部尺寸，例 如高度或宽度，可为任意值，例如在约0.01cm至约100cm的范围内， 以及在一个实施例中约0.01cm至约75cm，以及在一个实施例中约 0.1cm至约50cm，以及在一个实施例中约0.2cm至约25cm。各热交 换通道的长度可为任意值，例如，在约0.1cm至约500cm的范围内， 以及在一个实施例中约0.1cm至约250cm，以及在一个实施例中约 1cm至约100cm，以及在一个实施例中约1cm至约50cm，以及在一 个实施例中约2cm至约25cm。各处理微通道或液体通道和邻近热交 换通道之间的间隔在约0.05mm至约50mm的范围内，以及在一个实 施例中约0.1至约10mm，以及在一个实施例中约0.2至约2mm。在 一个实施例中，热交换通道可与一、二或更多个处理微通道和/或液体 通道进行热交换，例如，三、四、五、六或更多个处理微通道和/或液 体通道。来自一个处理微通道和/或液体通道的热量可通过一个或多个 处理微通道和/或液体通道传至热交换通道。
如方向箭头所示，图4-9中示出的热交换通道290适于热交换流 体以与通过处理微通道(210)和液体通道(270)的液体流动平行和 并流的方向流动通过通道。可选地，热交换流体可以与图4-图9所示 的方向相反的方向流动通过热交换通道，从而与通过处理微通道 (210)和液体通道(270)的液体流动呈逆流流动。可选地，热交换 通道(290)可相对于处理微通道(210)和液体通道(270)被定向， 以使得热交换流体以与通过处理微通道和液体通道的液体流动呈错 流的方向流动。热交换通道(290)可具有迂回的构型以提供错流和 并流或逆流的结合。
在一个实施例中，通过使用形成于这些管道的一、二或更多个内 壁上的表面特征，可改变在处理微通道(210，640，660，660A)、液 体通道(270)，和/或热交换通道(290，642，662)内的流动和/或混 合。这些表面特征可以是从一个或多个通道壁上的凹陷和/或突起的形 式。这些表面特征可以相对于通过通道的流动方向有角度地定位。相 对于流动方向，所述表面特征可以约1°至约89°的角度排列，在一个 实施例中的约30°至约75°。定位的角度可为倾斜角度。带角度的表面 特征可朝流动的方向或逆流动方向进行排列。与表面特征接触的流体 的流动可迫使一种或多种流体进入表面特征中的凹陷，而剩余流体可 在表面特征之上流动。在表面特征内的流动可与表面特征一致，并可 与通道内的总体流动方向呈一角度。对于总体流动在z方向上的x，y， z坐标系而言，当流体离开表面特征时，其可在x和y方向上施加动 量。这可造成流体流动的搅拌或旋转。由于给予的速度梯度可造成流 体剪应力，该流体剪应力破碎其中一个相，使之成为细小和良好分散 的微滴，这种式样可有助于混合两相流动。
在一个实施例中，处理微通道(210，640，660，660A)内的两 个或更多个表面特征区域可连续地设置，以使得使用第一表面特征区 域，伴随至少一个采用不同流动式样的第二表面特征区域，可达到流 体混合以形成乳状液。所述第二流动式样可用于从乳状液中分离一种 或多种液体或气体。在第二表面特征区域中，可使用造成离心力的流 动式样，所述离心力驱使一种液体朝向处理微通道的内壁而其他流体 保留在流体中心。可造成强中心涡流的表面特征的一种式样包括在处 理微通道的顶部和底部的一对有角度的狭槽。表面特征的这种式样可 用于制造中心涡流流动式样。
在一个实施例中，带孔区段(240)可包括形成各处理微通道的 一个或多个内壁的部分的内部部分。一表面特征薄片可覆盖在该带孔 区段的内部部分上。表面特征可在表面特征薄片之中和/或之上形成。 第二液体可流动通过带孔区段和表面特征薄片，进入处理微通道。部 分第二液体可从表面特征薄片的表面分开，同时部分可在表面特征薄 片的表面特征内流动。所述表面特征薄片可包含带角度的表面特征， 其具有相对总体流动长度较小的宽度或间距。所述表面特征薄片可对 带孔区段提供机械支持。所述表面特征可给予处理微通道中的流体以 涡流流动的式样，促进两相的良好混合或促进小乳状液微滴的形成。 所述涡流流动的式样可给予流动通过带孔区段的第二液体以剪应力， 从而降低在总体流动路径中的微滴的尺寸。
图54-图58中示出了表面特征的实施例。所述表面特征可具相互 叠置在各自顶部的或以三维形式缠绕的两层或更多层。在各离散层的 式样可相同或不同。流动可在各层或仅在一层旋转或平流。不与通道 的总体流动路径相邻的亚层可用于产生另外的表面区域。所述流动可 在表面特征的第一层旋转，并分子地扩散进入第二或更多的亚层以促 进反应。通过金属铸造、光化学加工、激光切割、蚀刻、磨削，或其 他方法可制造三维的表面特征，其中变化的式样可被分裂成不连续的 平面，相当于叠放在彼此的顶部。三维表面特征设在微通道内相邻于 总体流动路径，其中所述表面特征具有不同的深度、形状，和/或位置， 伴随具有不同深度、形状和/或位置的式样的亚特征。
使用表面特征或具有式样的充分地蚀刻的平板可有利于向用于 形成带孔区段的薄的或脆弱的带孔板或薄片提供结构支持。在一个实 施例中，所述带孔薄片可由聚合材料制成，所述聚合材料具有非常小 的平均孔径(小于1微米)但不能经受迫使第二液体通过带孔区段进 入处理微通道所需的高压力差(大于约10psi，或大于约50psi，或大 于约100psi，或更大)。结构支撑所需的无支架的跨距可从处理微通 道的横截面减少至表面特征的无支架的跨距，并沿表面特征的长度。 如果带孔薄片或板的机械完整性降低，表面特征的跨距可依需要做成 更小。所述表面特征的一个优点在于，在表面特征内部可发生对流， 以使得在带孔区段的壁可产生足够的剪应力，从而有助于细小微滴的 分离。
图55是三维表面特征结构俯视图的示意图。图56中示出了三维 表面特征结构的后视图的一个实施例，其中在相邻于微通道的总体流 动路径的界面处设有凹陷的V形。在所述V形的下面是一连串的三 维结构，所述三维结构与相邻于总体流动路径的表面特征相连但由多 样混合的形状、深度，和/或位置的结构制成。这还有利于提供亚层通 道，所述亚层通道不直接位于处理微通道内相邻于总体流动路径的开 放表面特征之下，而是通过一个或多个弯曲的二维或三维通道连接。 这个方法有利于造成在微通道中修改的滞留时间分布，其中可希望获 得更宽而不是更窄的滞留时间分布。
图57是一三维表面特征的主视图，其中凹陷的V形邻接微通道 内的总体流动路径，在其后面还具有不同深度和位置的另外的不同形 状的表面特征。
表面特征的长度和宽度可以与微通道的长度和宽度相同的方式 限定。所述深度可为表面特征下沉或突起于微通道表面的距离。所述 表面特征的深度可相应于叠加带在薄片表面之上或之中形成的表面 特征的叠置或结合的微通道装置的方向。所述表面特征的尺寸可以指 表面特征的最大尺寸；例如圆形的凹槽的深度可以指最大深度，即凹 槽底部的深度。
所述表面特征的深度可小于约2mm，在一个实施例中小于约 1mm，在一个实施例中在约0.01至约2mm的范围内，在一个实施例 中在约0.01至约1mm的范围内，以及在一个实施例中在约0.01至约 0.5mm的范围内。表面特征的宽度可足以近乎横跨微通道宽度(如在 箭尾形的设计中所示)，但在一个实施例中(如填充特征)可横跨微 通道宽度的约60％或更少，在一个实施例中约50％或更少，在一个 实施例中约40％或更少，在一个实施例中从微通道宽度的约0.1％至 60％，在一个实施例中从微通道宽度的约0.1％至50％，在一个实施 例中从微通道宽度的约0.1％至40％。表面特征的宽度可在约0.05mm 至约100cm的范围内，在一个实施例中在约0.5mm至约5cm的范围 内，在一个实施例中在约1至约2cm的范围内。
在一个微通道内可包括多重表面特征或表面特征区域，包括以不 同深度凹入一个或多个微通道壁的表面特征。凹陷的间距可在约 0.01mm至约10mm的范围内，以及在一个实施例中在约0.1至约1mm 的范围内。所述表面特征可存在于微通道的整个长度上或者存在于微 通道的部分或区域中。具有表面特征的部分或区域可为间断的，从而 促进在修整区域的所需的混合或单元操作(例如，分离、冷却等)。 例如，微通道的一厘米部分可具有紧密间隔排列的表面特征，随后为 四厘米的无表面特征的平坦通道，随后为两厘米部分的疏松间隔的表 面特征。术语“疏松间隔的表面特征”用于指带倾斜度或表面特征与 表面特征之间的距离大于约五倍的表面特征宽度的表面特征。
在一个实施例中，所述表面特征可在一个或多个表面特征区域 中，所述表面特征区域基本延伸通道的整个轴向长度。在一个实施例 中，通道可具有延伸其轴向长度约50％或更少的表面特征，以及在一 个实施例中沿其轴向长度的约20％或更少。在一个实施例中，所述表 面特征可沿通道轴向长度的约10％至约100％延伸，以及在一个实施 例中约20％至约90％，以及在一个实施例中约30％至约80％，以及 在一个实施例中通道轴向长度的约40％至约60％。
图54和图58示出了可用于表面特征的若干不同的式样。这些式 样不旨在限制本发明，仅用于说明若干的可能性。对于任何表面特征 而言，该式样可以用于微通道的不同轴向或侧向部分。
在一个实施例中，处理微通道(210，640，660，660A)，液体通 道270和/或热交换通道(290，642，662)的内壁可以涂覆一疏油涂 层(相同的涂层还可提供疏水性)以降低表面能量。特氟纶(Teflon) 是涂覆材料的一个实例，其可显示疏油和疏水两种倾向性。朝向处理 微通道210内部的带孔区段240的表面可涂覆有疏油涂层，以降低微 滴阻力并促进更小微滴的形成。带孔区段上的涂层可降低从带孔区段 的表面分离微滴所需的能量。此外，当微滴分离期间以及当流过处理 微通道中的下游带孔区段时，施加于第二液体上的阻力可更小。在一 个实施例中，可将疏水涂层应用于带孔区段以帮助分离水微滴进入油 相。流体可不润湿涂覆有疏油涂层的表面。同样地，流体可滑过所述 表面，从而消除或降低流体对壁的通常非滑边界条件。由于流体滑过， 降低的阻力造成局部摩擦系数降低，通道每单位长度相应的压力降也 降低。与通过滞留膜的传导热传递相反，涂覆表面上的强制对流造成 局部热量传递速率增加。对于牛顿流体，相对于流速或对壁的剪切速 率，粘度为常数。同样地，摩擦力的降低作为流量的函数可为恒定(例 如，如为层流，则f＝64/Re)。涂层的作用对不同类型的非牛顿流体 具有不同的影响。对于假塑性(幂定律的)的情况，无屈服的流体在 剪切速率上可表现牛顿性，所述剪切速率取决于流体。当所述剪切速 率低于某一值时，流体的粘度可更高。如果由于涂覆后的壁所述剪切 速率局部升高，那么与未使用涂层相比，所述流体能被更加容易地剪 切为微滴，以更少能量运动(更低的泵要求)，以及更好的热传递性 能。对于假塑性(幂定律的)的情况，屈服的流体仍然可具有屈服应 力，使用疏油性涂层可极大地降低壁处的屈服应力。如果表观屈服低， 使用涂层时与不使用涂层时相比，可促进热传递和摩擦性能。非牛顿 流体比牛顿流体剪切相关的影响更显著。图73示出使用疏油性表面 能量降低涂层的优势。在图73中，去离子水滴置于未涂覆的不锈钢 (左)和涂覆有疏油性表面能量降低涂层的不锈钢(右)上。水滴未 润湿涂覆的表面并自由流动。
将特氟纶涂层涂覆至多孔基片，并对含蜡的水包油型乳状液的形 成进行测试。由于多孔基片表面化学性质的变化，微滴尺寸的平均值 从大于5微米降低至小于2微米。
在一个实施例中，处理微通道(210，640，660，660A)，液体通 道(270)和热交换通道(290，642，662)可具有方形或矩形的横截 面，并可以由平行间隔的薄片或板形成。这些通道可以垂直定向的交 错的板并肩排列，或者以水平定向的交错的板叠放排列。这些可称为 平行板结构的结构有许多优点。例如与环形管相比，平行板结构造成 较小的压力降，同时对于在相同的连续相质量流量时的高度或宽度， 或直径，可实现相同的剪切力。例如，当矩形通道的纵横比接近约10 时，即接近平行的薄片或板结构时，其压力降可仅为相同条件下圆形 通道的约50％。具有平行板结构的处理微通道、液体通道和热交换通 道可容易地布置在紧凑的装置中，以按比例放大。同样地，与环形管 相比，平行板结构可使乳状液形成方法达到更高的容量每单位体积。
使用平行板结构的优势在于与环形管相比，这些结构具有更大的 流体/壁材料比率，因而更紧凑而具有产生较高的容量或产量的潜力。 以相同的速度(从而，类似的剪切力和微滴尺寸)和如图7所示相同 的尺寸d、D、L和W可进行比较。比较结果为：连续相流量G管＝D π/[8(D+d)]G板。当D＝d时，G管＝0.196G板。当d＝D/2时，G管＝0.262G 板。这表示对于相同流量/容量和系统体积，管的内径必须增大 (1/0.196)0.5＝2.25倍或(1/0.262)0.5＝1.954倍。然而，管直径的增大导致 更低的剪切力，从而造成更大的微滴大小。在这种情况中，由于乳化 作用区域具有如下关系，组装密度更低：当D＝d时，A管＝0.39A板； 当d＝D/2时，A管＝0.52A板。
在一个实施例中，处理微通道(210，640，660，660A)，液体通 道(270)和可选的热交换通道(290，642，662)可以是同心排列的 环形管形式。处理微通道和液体通道以一通道位于环形的空间、另一 通道位于中央空间或相邻的环形空间，而彼此相邻。在一个实施例中， 本发明方法有用的微通道混合器可包括多个交替交错的同心管状的 处理微通道、液体通道，和可选的热交换通道，所述微通道混合器为 圆柱形。
孔(244)尺寸足以允许第二液体通过带孔区段(240)。所述带 孔区段可被称为多孔基片。所述孔可被称为细孔。带孔区段(240) 厚度在约0.01至约50mm的范围内，以及在一个实施例中约0.05至 约10mm，以及在一个实施例中约0.1至约2mm。孔(244)的平均 直径在达约50微米的范围内，以及在一个实施例中在约0.001至约 50微米范围内，以及在一个实施例中约0.05至约50微米，以及在一 个实施例中约0.1至约50微米。在一个实施例中，所述孔的平均直径 在约0.5至约10纳米(nm)的范围内，以及在一个实施例中约1至 约10nm，以及在一个实施例中约5至约10nm。带孔区段的孔数量可 在约10至约5×108孔每平方厘米范围内，在一个实施例中约1至约 1×106孔每平方厘米。所述孔可相互隔离或不隔离。部分或全部的孔 可与带孔区段内的其他孔进行流体传递。带孔区段(240)的厚度与 带孔区段沿液体流动通过处理微通道(210)的流动路径的长度的比 率可在约0.001至约1范围内，以及在一个实施例中约0.01至约1， 以及在一个实施例中约0.03至约1，以及在一个实施例中约0.05至约 1，以及在一个实施例中约0.08至约1，以及在一个实施例中约0.1 至约1。
带孔区段(240)可由提供足够强度和体积稳定性以允许本发明 方法操作的任意材料构成。这些材料包括：钢(例如，不锈钢、碳钢 等)；蒙耐合金；英科耐尔合金；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；黄 铜；任何前述金属的合金；聚合物(例如热固性树脂)；陶瓷；玻璃； 包括一种或多种聚合物(例如热固性树脂)和玻璃纤维的复合物；石 英；硅；包括碳纳米管或碳分子筛的微孔碳；沸石；或其两种或更多 种的组合。所述孔可采用已知技术形成，如激光钻孔、微电加工系统 (MEMS)、平版印刷电沉积成型(LIGA)、电火花、光化学加工 (PCM)、电化学加工(ECM)、电化学蚀刻等。可采用用于制造结构 塑料的技术，如挤压，或采用膜，如排列碳纳米管(CNT)膜，来形 成所述孔。使用如烧结或压缩金属粉末或微粒以形成曲折的相互连接 的毛细管道的技术以及膜加工技术，可形成所述孔。通过在孔内侧壁 上涂覆涂层以部分填充该孔，孔大小都可以由这些方法中任一种提供 的尺寸进一步减小。所述选择性的涂覆还可形成多孔外部的薄层，其 提供相邻于连续流动路径的最小孔径。根据所需的乳状液微滴尺寸， 最小平均孔开口在约1纳米至约几百微米范围内。通过热处理以及在 孔的内侧壁上形成氧化物层或进行涂覆的方法，可降低所述孔的尺 寸。这些技术可用于使所述孔部分阻塞以降低流动开口的尺寸。图10 和图11示出了不锈钢多孔基片的SEM表面特征在热处理前后在相同 放大倍数和相同位置下的比较。图10示出热处理前的表面，图11示 出热处理后的表面。热处理后的多孔材料表面具有显著更小的间隙和 开口尺寸。开口之间的平均距离相应地增大。
在一个实施例中，通过在带孔区段上加工突起特征，同时消除或 减少所述突起特征之下的孔，可降低乳状液的微滴尺寸。这可引导第 二液体流动通过带突起结构的孔并进入剪切流。通过使用激光在带孔 区段(如金属多孔基片)的某些区域进行蚀刻，未蚀刻区域(带突起 结构)的多孔结构可保留其孔径，而蚀刻区域的多孔结构或降低或被 激光封闭。
在一个实施例中，可用化学镀(electroless plating)制造带孔区段 240。通过使用化学镀镀以金属，激光钻孔的薄片或板的孔或细孔尺 寸可从约10至约15微米降低至约2微米。多孔材料已被广泛用于分 离、过滤、重量降低、控制渗透性、绝缘、流体分散、乳化等。一个 通常的难点在于提供在亚微米至几微米的范围内的均匀孔径。更加困 难的是使小孔具有直通道，以提供具有跨越带孔区段的低压力降的带 孔区段240。激光钻孔可提供笔直的通道，但孔径通常大于7.5微米。 金属的化学镀可用于将表面孔尺寸降低至约1至约2微米。带孔区段 240中的孔越小可造成本发明方法所制成的乳状液微滴尺寸越小。用 于镀覆的金属可为任何过渡金属、珍贵金属、贵金属或元素周期表的 第IIIB、IVB或VB族金属。这些金属包括Pt、Pd、Ag、Au、Ni、 Sn、Cu及其两种或更多种的组合。
化学镀可涉及使用含金属化合物和还原化学试剂的水溶液。在特 定条件下，所述还原化学试剂可将金属化合物还原为金属。在镀溶液 中，可加入配位剂以避免还原溶液中的金属离子，同时允许还原吸附 在基片表面的离子。以较高的温度和/或较高的浓度可加速所述还原过 程。涂层的厚度可通过还原速率和时间而控制。通常地，根据镀覆条 件和金属，涂层厚度可从亚微米变化至几百微米。
可以通过化学镀形成带孔区段240的基片可为多孔陶瓷或金属材 料。包括不锈钢和Ni基合金。在化学镀处理之前，可对化学镀的材 料表面进行处理。这可涉及铝化和/或热处理。所述基片可具有平的表 面或具有各种几何形状加工的结构(例如，细孔、微通道等)。所述 基片的一个表面可覆盖胶带、环氧树脂、蜡，或任何其他可除去的材 料。镀覆之后，覆盖的材料可被除去。该表面孔尺寸不会变化，而另 一面由于进行镀覆而变小。用这种方法，孔尺寸可沿通道减小，可最 小化压力降的增量。
所述金属化合物可为水溶性盐。可包括铂化合物，例如 Pt(NH3)2(NO2)2，PtCl2(NH3)2，Pt(NH3)2(OH)2，(NH4)2PtCl6，(NH4)2PtCl4， Pt(NH3)Cl4，H2PtCl6，PtCl2，K2Pt(NO2)4，Na2Pt(OH)6，Pt(NH3)4(OH)2， Pt(NH3)4(NO3)2，或其一种或更多种的组合。所述配位剂可包括氢氧化 铵、氯化羟胺、二氯肼，或其两种或更多种的混合物。所述还原化学 试剂可为肼化合物(如，N2H4·H2O)、甲醛、硼氢化钠、硼烷胺相关 化合物(如二甲基胺硼烷)、次磷酸盐，或其两种或更多种的组合。
溶液中少量催化金属离子(如，Pd或Sn离子)或基片表面存在 或预沉积的一些金属，可催化该还原过程。所述催化金属可包括Cu、 Ni、Fe、Co、Au、Ag、Pd、Rh，及其两种或更多种的混合物。化学 镀之后，所述基片可在高温进行热处理以使所镀的金属烧结，从而提 供更光滑的表面。
通过化学镀使激光钻孔的带约10至约15微米孔的不锈钢圆板镀 上铂。该圆板在己烷中超声清洗30分钟，随后在20％HNO3中超声 清洗30分钟。所述圆板用水和甲醇进行漂洗。圆板在100℃冷却1 小时。在空气中以600℃煅烧该圆板10小时。将圆板冷却至室温。该 圆板的一面以胶带覆盖。将圆板置于含Pt(NH3)4(OH)2(1％Pt)和1 ％N2H4·H2O水镀液中。用醋酸将pH调至11-12.7。化学镀进行1天。 圆板用水漂洗并干燥。这种化学镀过程重复5次。化学镀后，除去胶 带。该圆板的一面涂有Pt。将该圆板在空气中以500℃煅烧2小时。 Pt镀层的厚度为7微米。图68和图69示出具有镀层的圆板(图68) 和无镀层的圆板(图69)的显微照片。镀后圆板的孔尺寸约2微米， 而未镀表面的孔尺寸为10-15微米。
带孔区段(240)可由金属或非金属多孔材料制成，所述多孔材 料具有平均孔尺寸在约0.01至约200微米范围内的相互连通的管道或 细孔。这些细孔可起孔(244)的作用。所述多孔材料可由粉末或微 粒制成，以使得平均孔间距与平均孔尺寸相似。当使用非常小的孔尺 寸时，所述孔间距也可为非常小，微滴可在处理微通道(210)或液 体通道(270)一侧的表面融合形成不需要的较大液滴。化学蒸气沉 积镍来修整所述多孔材料，以阻塞较小的细孔，降低较大细孔的孔尺 寸，因而增加孔间距。同样地，可降低或消除微滴的融合，并允许较 小微滴的形成。在图12中示出了修整后基片或带孔区段的SEM图像。
用作带孔区段(240)，具有足够小的微尺度孔或细孔(244)以 提供具有小于约1微米的微滴尺寸的乳状液的基片的制造有一定难 度。其原因之一在于未处理的诸如通过压缩和/或烧结粉末/微粒制成 的金属多孔基片的常规多孔材料存在相对高的表面粗糙度。当给定的 标称孔尺寸小于某一值时，这些金属多孔材料在表面区域通常不具有 所需的孔尺寸。尽管多孔材料的整体可具有规定的标称孔尺寸，所述 表面区域通常以更大尺寸的融合的孔和洞为特征。通过修整这些基片 以在所述表面区域提供所需的孔尺寸和孔间距可克服这个问题。这可 通过从多孔基片上除去表面层并加上带更小开口的光滑的新表面而 解决。用这些修整后的基片形成的乳状液中的微滴尺寸可降低，而不 会增加跨越基片的压力降。由于直接打磨或加工所述多孔表面可造成 表面特征的涂抹并封闭细孔，可将所述多孔结构填充以液态填充物， 再进行凝固和机械打磨/抛光。随后除去所述填充物，重获材料的多孔 结构。所述填充物可为低熔点的金属，如锌或锡或聚合物的前体，如 环氧树脂。使用真空可有助于所述液态填充和除去步骤。可使用打磨 机和打磨粉，进行打磨/抛光。通过熔化和真空抽吸或酸蚀刻可进行金 属填充物的移除。通过溶剂溶解或在空气中烧除，可移除环氧树脂或 其他聚合物。
在一个实施例中，第二液体流动通过带孔区段240的压力降可大 于用来制造所述带孔区段的材料的机械强度。在这种情况下，可用具 有足够机械强度能经受所述压力降所造成的应力的支撑结构支撑所 述带孔区段。图97-图99中示出了这些支撑结构的合适的设计。
在一个实施例中，所述带孔区段(240)可具有约0.1微米的标称 孔或细孔尺寸和约0.010英寸(0.254mm)的厚度。这些带孔区段可 由不锈钢316L构成，并由CT(美国康奈提格州)法明顿的Mott公 司供应，目录号1110-12-12-018-01-A。
参考图13-图15，在一个实施例中，可用含多个较小孔302的较 薄薄片300，和含多个与孔302同轴对齐或连接的较大孔312的较厚 薄片或板310，来建造带孔区段(240)。较薄薄片300覆盖并结合至 较厚薄片310，较薄薄片300面向处理微通道(210)的内部且较厚薄 片310面向液体通道(270)的内部。可使用任何适当的方法(如扩 散结合)使较薄薄片300与较厚薄片310结合，从而提供具有增强的 机械强度的复合结构314。较薄薄片300的厚度可在约0.001至约 0.5mm的范围内，以及在一个实施例中约0.05至约0.2mm。较小孔 302可为任何形状，例如圆形、三角形或矩形。较小孔302的平均直 径在约0.05至约50微米的范围内，以及在一个实施例中约0.05至约 20微米。较厚薄片或板310的厚度在约0.1至约5mm的范围内，以 及在一个实施例中约0.1至约2mm。较大孔312可为任何形状，例如 圆形、三角形或矩形。较大孔312的平均直径在约0.1至约4000微米 的范围内，以及在一个实施例中约1至约2000微米，以及在一个实 施例中约10至约1000微米。薄片300中的孔302和薄片或板310中 的孔312的数量可各包括约2至约10000孔每平方厘米，以及在一个 实施例中约2至约1000孔每平方厘米。薄片300和薄片或板310可 由如上所述用于构造带孔区段(240)的任何材料构成。孔302和312 可为同轴排列或以流动通过带孔区段的液体先流动通过孔312，然后 通过孔302的方式相连。相比于如果孔中的通道长度等于孔302和312 长度之和而产生的压力降，用于液体流动通过较小孔302的较短通道 使得液体以较低的压力降流通通过孔302。
在图16所示的实施例中，复合结构314a具有图15所示相同的 设计，例外之处是设有覆盖孔312的较薄薄片300的凸起部分304。 凸起部分304在相邻通道内提供增大的局部剪切力。图16中的方向 箭头320示出了流体在相邻于孔302的通道中的流动。如箭头322所 示，较高的剪切力导致流动通过孔302的液体的较小的微滴尺寸。
在图17所示的实施例中，在薄片或板330的表面及孔332的内 侧壁338上沉积了表面涂层336。该涂层有助于降低孔(244)的直径。 用于形成涂层336的涂层材料可为氧化铝、镍、金，或聚合材料(如 特氟纶)。涂层336可用已知的技术涂覆于薄片或板330上，包括化 学蒸气沉积、物理蒸发沉积、金属溅射、金属镀、烧结、溶胶涂覆等。 通过控制涂层336的厚度可控制孔(244)的直径。
在一个实施例中，带孔区段(240)可由不均匀的多孔材料形成， 例如具有多层烧结微粒的多孔材料。层的数量可为二、三，或更多。 这些多层基片的优点在于提供增强的耐用性和附着力。其实例包括一 面具有较大细孔及另一面具有较小细孔的烧结陶瓷。所述较小细孔的 直径在约2至约10nm范围内。所述较小细孔可位于多层基片的较薄 层中。所述较薄层的厚度在约1至约10微米的范围内。具有较小孔 的一边面向连续相流动(即，处理微通道的内部)放置，以利用较高 的剪切力除去刚形成的较小的乳状液微滴。
孔尺寸和间距较差的均一性和缺少足够小的孔尺寸限制了用于 制造带孔区段240的多孔基片。传统的机械制造方法不能产生足够小 的孔尺寸和/或均匀的分布。常规的方法，如钻孔或冲压，及其后的降 低孔径的涂覆方法可制得可接受的结构。然而，在约0.1至约5微米 范围内的孔或洞通常只能在非常薄的材料中机械地加工，通常那些材 料的厚度大于约孔径的一倍。这些薄的结构需要加强以提供刚度。这 可通过结合具有接连的较大孔或洞孔径的薄片而实现。尽管一面结合 较大孔的一些孔可被薄片或垫片中的固体区域封闭时，但测定开孔的 数量。净效果为一种结构，所述结构一面具有均匀的孔间距和尺寸， 为内部多孔的，在结构上有刚性，能用于微通道装置并能经受大于另 一侧压力的一侧压力，以及还可通过化学蒸气沉积(CVD)方法进行 处理以缩小整个结构中的孔尺寸。如图65和图66所示，各层的间距 和孔径是可变的。因此，在一个实施例中，所述带孔区段可包括至少 两个相互叠置的薄片，第一薄片中具有第一孔阵列，第二薄片中具有 第二孔阵列，在第一薄片中的孔大于在第二薄片中的孔，第二薄片至 少部分封闭第一薄片中的一些孔。
图18中示意性地示出了本发明方法中液体微滴的形成。参考图 18，第二液体以液体微滴350的形式从带孔区段353中的孔352中产 生并进入处理微通道354，在处理微通道354中所述微滴被分散在第 一液体356中。当附着于孔352内的流体茎部358时，所述液体微滴 可增大尺寸，例如至孔尺寸的约10倍或更大。最后，在流体茎部358 的基座处的剪切力使微滴从孔352处分开，并将所述微滴分散在第一 液体356中。在一个实施例中，通过孔352的较高压力降或通过相邻 于带孔区段353的液体通道的相应地高第二液体流速不是实现第二反 应物在第一反应物中分散的必要条件。由于在微滴从孔分离之前第二 液体流动通过带孔区段的较低惯性可降低微滴的生长，较低的压力降 或较低的流速可导致更小的微滴。
在一个实施例中，当迫使第二液体通过带孔区段240的孔时，通 过剪切第二液体可制得所述乳状液。第二液体向前通过孔，同时一剪 切力以90°角从开孔处将其拉出。第二液体被拖拉直至其变弱和断裂， 形成微滴。乳状液的质量可由微滴尺寸测定，较小的微滴为较高的质 量。通过在带孔区段的内壁上增加表面特征而降低微滴尺寸可提供微 滴以可倚靠的支持体，通过弱化第二液体的不同部分使得剪切过程更 加容易。可使用的表面特征如图70和图71所示。图72示意性地示 出了第二液体流动通过孔并倚靠在所述表面特征上。
图19-图22示出了可用于乳状液处理单元400的微通道重复单元 200、200A、200B、200C、200D或200E。在这些图中示出了微通道 重复单元200B。乳状液处理单元400包括微通道中心部分410、第一 液体顶管420、第二液体顶管430，和产物底管440。第一液体通过导 管422进入乳状液处理单元400。第一液体流动通过顶管420并从顶 管420进入处理微通道中心部分410的处理微通道210。第二液体流 动通过导管432进入顶管430。第二液体从顶管430流入液体通道270。 第二液体在液体通道270中流动，流向并通过带孔区段240，进入处 理微通道210。第一液体和第二液体在处理微通道210内混合以形成 所需的乳状液。所述乳状液从处理微通道210流入并通过产物底管 440，并从产物底管440流入并通过导管442，流出微通道混合器400。 图23示出了另一个实施例，其中四个处理微通道210安装了一单液 体通道270和一个带孔区段240。乳状液处理单元的规格可如下：
分散相压力：    1200psig
连续相压力：    300psig
带孔区段长度：  可变，在1.25英寸最大8
通道高度：      可变，0-0.125英寸
通道宽度：      可变，0-0.500英寸
两通道嵌入通道：0.219英寸宽×0.015英寸高
长度：          26.7英寸
宽度：          3.00英寸
高度：          3.04英寸
重量：          50磅
材料：          316/316L不锈钢
密封：    丁腈橡胶(Buna-N)和氟橡胶(Viton)密封
处理微通道(210，640，660，660A)、液体通道(270)和热交 换通道(290，646，662)以及相联的顶管、底管、歧管等可由能提 供足够强度、体积稳定性、抗腐蚀性和热交换性质以允许进行本发明 方法操作的任何材料制成。这些材料包括：钢(例如不锈钢、碳钢等)； 蒙耐合金；英科耐尔合金；铝；钛；镍；铂；铑；铜；铬；黄铜；任 何前述金属的合金；聚合物(例如热固性树脂)；陶瓷；玻璃；包括 一种或多种聚合物(例如热固性树脂)和玻璃纤维的复合物；石英； 硅；或其两种或更多种的组合。
图62-图64中示出了可使用的乳状液处理单元。这个单元使用了 圆柱形带孔区段或膜，以及“数量上增加”处理微通道以增加容量的 简单方法。这可被称为具有单程设计。所述方案可有多种变化，但都 由制造的壳体和圆柱形的膜组成。部件尺寸可为标准化的，并通过平 行增加乳状液处理单元增大整体容量。所述圆柱形膜中心(多孔性和 或孔数)可因具体应用而变化。如图62-图64所示，第二液体或分散 相流入膜的中心。第一液体或连续相在所述膜中心的外部流动，并被 外部套管容纳。剪切特性由连续相微通道尺寸所控制。在分散相一侧 对膜进行足够的密封以避免环绕膜的旁路是平面膜装置的一个问题。 膜的圆柱形特性消除了这个问题。食品或药物应用的部件可由不锈钢 合金制做，尽管可使用其他材料。法兰类型由应用决定。食品级的应 用可使用易排水和清洗的三苜蓿(Tri-Clover)型法兰。某些应用可需 要攻丝或管配件。可安装热电偶/热电偶套管和压力传感器以监控金属 或流体温度。然而，在大多数情况中，相对于乳状液处理单元，在处 理管道邻近的上游或下游安装处理仪器通常更有意义。
通过迫使分散相通过膜中心可形成微滴。如果需要，另外的分配 顶管可内部增加至膜组件(未示出)以改变沿该装置长度的流动和/ 或压力降。微通道可被加工入连续相壳体中(与内花键相似)。法兰、 同轴的管/顶管，以及密封法兰可焊接至连续相微通道管，以使得连续 相壳体称成为单一装配的组件。通过将“密封法兰”间隔置于对齐管 道/顶管内，可制成连续相流体的圆周顶管。在膜轴和连续相壳体组件 之间有单独的O型环密封。最小化连续相的旁流有两种方法。第一为 密封突起(sealing boss)，所述密封突起基本封闭在膜和壳体之间的 余隙区域内的连续相流动。第二方法实际上是向相连续相壳体上的肋 状物或相反地向膜的“不起作用”的区域增加“密封”材料。所述两 个主要部件可为锥形，以允许精确的金属配合。乳状液产物通过单独 的法兰离开还有助于从微通道流回大管道的转换。
用于分配的相流过的组件可以具有很多与如图62-图64所示的单 程设计相同的特征。所述入口端是相同的。出口端与所述入口端非常 相似。区别在于所述膜的构造使得分散相可被循环返回，以允许对分 散相进行基本独立的压力控制。所述膜组件完全通过所述连续相壳 体。可使用带有备用密封法兰的法兰上的螺纹形成产物流出法兰。与 单程设计相似，所述两主要构件可带有一定锥度以允许精确的金属配 合。
可采用备选的结构以使得连续相旁路被最小化并产生连续相剪 切通道。在一实施例中，可采用例如铝等柔软的材料以形成处理微通 道并且也作为用于金属密封的金属。在插入膜之前，单个的矩形的肋 状物可置于所述连续相壳体之内。所述处理微通道可通过加工进所述 连续相壳体和所述膜部分两者内来形成。在插入至所述壳体之前，衬 垫材料可涂覆到所述膜肋状物上。该构造可有益于膜孔是由激光钻孔 的情形。在一实施例中，所有的微通道加工被限于膜部分。衬垫材料 可涂覆到外部膜肋状物。这些方案可以与带锥度的膜和配合的锥状壳 体一起工作。
在一实施例中，为所述处理微通道的主动的热交换，所述膜和壳 体区域可被加长以合并法兰和顶管。有很多种潜在的制造壳体的方 法，所述壳体在构造和功能上与壳体和管热交换器相似。与所述处理 顶管相似，周围热交换顶管可被用于分散和收集冷却介质。一旦焊接 所述壳体，它就可成为具有最少密封的单部件组件。
在一实施例中，本发明方法可被用于形成含有较小的稳定的乳状 液微滴的乳状液。该方法对于化妆品、食品和药品工业是有价值的。 一种产生较小乳状液的方法就是将第二液体或分散相通过毛细基片 进入流经的第一液体或连续相。在附有微滴茎部的毛细孔的基部所受 的剪切力是决定微滴在成型的时刻的尺寸的一个因素。剪切率决定了 一个微滴在另一微滴之前所留驻的时间长度，这从而影响微滴凝结的 潜力。下面所描述的本发明的方案被设计成使得剪切速率和剪切应力 被最大化。
在一实施例中，第一液体或连续相可被成切线地引入一圆柱腔 (或微漩涡)，而在所述圆柱腔中心的出口孔上设有漩涡引导器，以 迫使在如图79所示的所述圆柱周围产生旋转流。所述分散相通过多 孔壁并以小微滴进入所述微漩涡圆柱腔，在此它们被连续相的旋转流 连续地扫开。最终，通过漩涡引导器将乳状液扫出微漩涡。所述旋转 流是通过施加跨越所述微漩涡的压差来产生的(即相对于漩涡引导器 中的出口压力，入口压力被升高)，并且该旋转流在所述壁上产生剪 切力，产生的剪切力与所述微漩涡的直径和压差成比例。因为流体在 旋转，作用于壁的剪切力增加。此外，在离开微漩涡前，由于旋转漩 涡在漩涡引导器中闭合，流体中已经乳化的部分被从壁上扫开，从而 在新的连续相在壁上连续地被扫除时可提供一种形式的混合。所述圆 柱腔可由多孔基片材料切割，或者只有部分壁由多孔基片材料制成， 或者附有带孔材料。具有平行送料口(feeds)的微漩涡阵列可被形成 在一单层内，并且应用堆叠板微通道制作技术来使用。如果除了漩涡 引导器(其将吸引更小的、密度更低的液滴和/或颗粒)外设有流动的 第二出口，一旦乳状液被形成，则漩涡可被用于隔离较大和较小的液 滴。因为使用极小直径的漩涡(或微漩涡)在壁上导致高得多的剪切 力，从而允许与使用常规技术相比，在乳状物中形成较小微滴，所以 这使其区别于现有技术。壁上的多孔基片可包含大于一个孔尺寸，或 者大于一个区域，每一区域具有不同的孔尺寸，以使得微滴尺寸分布 最优化或者适合在微漩涡内不同位置可能发生的不同的剪切力。
在一实施例中，可使用如图80所示的切线角流动。此方案是对 微漩涡方案的一个变型，借此，第一液体或连续相被引入壳管设计的 一环形区域，并且以较高的角速度旋转。第二液体或分散相向下轴向 地流过带孔区段或基片的长度，所述带孔区段或基片制成在中空的圆 柱体中，其中孔从中心轴径向向外指向。跨过所述基片表面的流动的 角加速度促使切线壁剪切力被升高。产物乳状液流移出系统采用如下 设计，即当由带有分散相的目标负载使得连续相获得恰当的粘度时， 其角动量可产生流体轨道，该流体轨道可将其精确地送至产物移出 槽。
在一实施例中，可使用如图81所示的反旋转带孔区段或基片。 这是切线角流动方案的一个变型，借此，内部基片半径以与连续相的 环形流体的方向相反的方向旋转。
在一实施例中，可使用如图82所示毛细带孔区段或基片柱体。 壁剪切应力由与通道壁正交的速度梯度来驱动。在纯切线流体内，接 近壁表面的发展的边界层速度可与通道中心中的总体流动的速度为 一数量级，或者低于通道中心中的总体流动的速度。如果例如圆柱状 柱体的突出物延伸进入高速流动区域，那么局部剪切应力可被大幅度 地提高。此方案使用带有埋设在内部的毛细孔的小柱体，以允许分散 相注入高速流动区域。所述柱体的较小的、紧凑的、圆形特征在柱体 顶部产生很小的流动扰动，从而获得高流过(flow-by)速度。顶部表 面的出现可获得较高的局部速度梯度。这两个因素都可以导致高的局 部剪切应力。
产生非常小的均匀乳状液微滴尺寸的一种方法是使分散相(如矿 物油)通过多孔基片进入流过的连续相(如可选地带有表面活性剂的 水)。该连续相的流动引起剪应力作用于微滴茎部的基部。最终，积 累的施加作用力和颈部的细化导致微滴的分离和平流的下游。微滴上 的基础力平衡模型以及实验都表明在连续相和分散相之间界面处的 基片表面上不断增加的剪应力导致形成更小的乳状液微滴。基片表面 上较高的局部剪切比率可导致微滴集聚的可能性更小。这根据的事实 是：非常接近的两微滴的滞留时间与剪切速率成反比。为了最大可能 限度的顺利地形成微小、稳定的乳状液，人们希望提供一种能最大化 局部壁剪应力和基片表面剪切速率的微通道装置。下面将描述一系列 单独方案，以实现最大化剪应力和剪切速率的目的。
在一个实施例中，可使用图74所示的单元方案。连续相流体的 流动局限于很小的区域从而增加局部壁剪应力。该连续相可以或者如 图74所示碰撞在带孔区段或基片上，或者与带孔区段或基片成切线 地流动。该单元可以或者设置在平行网络中，从而总连续相和分散相 的流动被所有单独的单元中分割，或者串联设置以使得一单元的产物 流可用作下一单元的连续相输入流。
在一个实施例中，可使用图75所示带毛细喷射孔的毛细膜 (wicking membrane)。分散相经由毛细作用通过多孔或纤维膜而“通 过毛细作用被传送(wicked)”(即，被诱导表面流动)。小喷射通道 可与基片面垂直制作(如激光钻孔)，其将产物通道与连续相贮存容 器或通道分开。连续相的流动可通过喷射孔被局部地加速并使分散相 的极小的微滴分离，所述分散相侧向地穿过膜进入喷射通道。
在一个实施例中，可使用如图76所示的成角的喷嘴。这个方案 是上面讨论的单元方案的变型，其中使用喷嘴(图76中未示出)以 任意所需的角度将连续相导入所述单元中。所述喷嘴孔可为圆形、方 形、矩形、带圆形特征的狭槽，或可导致在基片壁上有大的碰撞射流 引起高局部剪应力的其他任何几何形状。
在一个实施例中，可使用如图77所示的斜坡通道。所述斜坡通 道方案类似于使相对于基片对面的连续相通道壁上的成递升排列或 层叠的表面。重叠的层可如图77所示定位，以使得流动可被导向基 片的表面，从而增加局部壁剪应力。
在一个实施例中，可使用诸如如图78所示的波纹带孔区段或基 片。可使用“波状的”或“波纹形的”结构的带孔区段，以使得流体 流可被导向带孔区段而不是仅仅与带孔区段的整个长度的表面成切 线地通过。
在一个实施例中，可使用诸如如图83所示的喷雾微滴混合器。 在惰性气体介质(如氮气)中，微喷雾器产生连续相和流动相的微米 尺寸的微滴。可使用，例如碰撞射流或静态混合器，使两种流体结合。 随后，例如通过离心分离可将该气体从液体产物中分离并回收供进一 步处理。
在一个实施例中，可通过迫使分散相通过如图67所示的移动带 孔的平行板造成的开口，降低乳状液微滴尺寸。在至少两板上的开口 为偏移的，以使得当一平板以一方向移动时，其打开孔隙使第二液体 或分散相流动通过。当其以相反方向移动，其切断流动并造成微滴。 图84示出了使用移动板制造乳状液的乳状液处理单元，该单元使用 马达来使板上下移动。
在一个实施例中，在迫使分散相通过多孔基片或板之后，使用旋 转工具或刀片将分散相切割成小微滴，可降低乳状液微滴的尺寸。这 在图85-图87中示出。在这个实施例中，可由分散相的流量、多孔板 中的孔尺寸、多孔板和切割刀片之间的距离、切割刀片的数量和间距， 以及涡轮旋转的速率，确定微滴尺寸。
第一液体和第二液体可相互不混溶。第一液体和/或第二液体可为 非牛顿流体。各液体可为有机物，含水物，或其组合。例如，第一液 体可为苯，第二液体可为甘油，或相反。液体之一可为离子性液体(例 如，1-丁基-3-甲基咪唑鎓盐)而其他可为有机液体。液体之一可包括 水，其他液体可包括疏水有机液体，如油。由本发明方法制得的乳状 液可被称为油包水型(w/o)或水包油型(o/w)乳状液。说明书全文 以及权利要求书中，术语“油”有时用于指乳状液的有机相，尽管该 有机物材料可能是或不是油。在本发明方法制得的乳状液中存在的第 一液体的浓度在约0.1至约99.9重量％的范围内，以及在一个实施例 中约1至约重量99％，以及在一个实施例中约5至约重量95％。在 本发明方法制得的乳状液中存在的第二液体的浓度在约99.9至约0.1 重量％的范围内，在一个实施例中约99至约1重量％，在一个实施 例中约95至约重量5％。
第一液体和/或第二液体可包括一种或多种液态碳氢化合物。术语 “碳氢化合物”表示具有烃或主要为烃性质的化合物。这些碳氢化合 物包括下列物质：
(1)纯碳氢化合物；即，脂肪族化合物(例如烷烃或烯烃)、脂 环族化合物(例如环烷烃，环烯烃)、芳香族化合物、脂肪族和脂环 族取代的芳香化合物、芳香族取代的脂肪族化合物和芳香族取代的脂 环族化合物，以及类似物。实例包括己烷、十二烷、环己烷、乙基环 己烷、苯、甲苯、二甲苯、乙基苯、苯乙烯等。
(2)取代的碳氢化合物；即，含不改变该化合物的主要为碳氢 化合物特性的非碳氢化合物取代基的碳氢化合物。非碳氢化合物取代 基的实例包括羟基、酰基、硝基、卤素等。
(3)杂取代的碳氢化合物；即，尽管主要显示碳氢化合物性质， 但在链或环中含否则由碳原子组成的碳原子以外的其他原子的碳氢 化合物。该杂原子包括，例如，氮、氧和硫。
第一液体和/或第二液体可包括天然的油、合成的油，或其混合物。 所述天然油包括动物油和植物油(例如，蓖麻油，猪油)以及矿物油， 诸如液态石油和溶剂处理或酸处理的石蜡的、环烷的或混和的石蜡- 环烷型矿物油。所述天然油包括源于煤或页岩的油。所述油可为来自 甘油三酯家族的可皂化的油，例如，豆油、芝麻油、棉籽油、红花油， 以及类似的油。所述油可为硅油(例如，  环甲基硅酮、硅甲基硅酮 (silicon methicones))。所述油可为脂肪族的或环烷的碳氢化合物如 凡士林、角鲨烷、鲨烯，或者一种或多种二烷基环己烷，或其两种或 更多种的混合物。合成油包括碳氢化合物油，如聚合的和互聚的烯烃 (例如，聚丁烯、聚丙烯、丙烯异丁烯共聚物等)；聚(1-己烯)，聚- (1-辛烯)，聚(1-癸烯)等等，及其混合物；烷基苯(例如，十二烷 基苯、四癸基苯、二壬基苯、二-(2-乙基己基)苯，等等)；聚苯(例 如，联苯、三苯、烷基聚苯，等等)；烷化联苯酯和烷化联苯硫化物 及其衍生物、类似物和同系物，以及类似的物质。末端羟基被酯化、 醚化等等的烯烃氧化物的聚合物和互聚物及其衍生物为可使用的合 成油。所述合成油可包括聚α-烯烃或费-托合成的碳氢化合物。
第一液体和/或第二液体可包括常规液态碳氢化合物燃料，例如， 蒸馏燃料如美国材料实验协会规格(ASTM Specification)D439限定 的动力汽油，或美国材料实验协会规格D396限定的柴油或燃料油。
第一液体和/或第二液体可包括脂肪醇、脂肪酸酯，或其混合物。 所述脂肪醇可为吉布特醇(Guerbet alcohol)。所述脂肪醇可含约6至 约22个碳原子，在一个实施例中约6至约18个碳原子，在一个实施 例中约8至约12个碳原子。所述脂肪酸酯可为约6至约22个碳原子 的直链脂肪酸和约6至约22个碳原子的直链或支链脂肪醇的酯，约6 至约13个碳原子的支链羧酸和约6至约22个碳原子的直链或支链脂 肪醇的酯，或其混合物。实例包括肉豆蔻酸肉豆蔻酯、棕榈酸肉豆蔻 酯、硬脂酸肉豆蔻酯、异硬脂酸肉豆蔻酯、油酸肉豆蔻酯、山嵛酸肉 豆蔻酯、芥子酸肉豆蔻酯、肉豆蔻酸鲸蜡酯、棕榈酸鲸蜡酯、硬脂酸 鲸蜡酯、异硬脂酸鲸蜡酯、油酸鲸蜡酯、山嵛酸鲸蜡酯、芥子酸鲸蜡 酯、肉豆蔻酸硬脂酯、棕榈酸硬脂酯、硬脂酸硬脂酯、异硬脂酸硬脂 酯、油酸硬脂酯、山嵛酸硬脂酯、芥子酸硬脂酯、肉豆蔻酸异硬脂酯、 棕榈酸异硬脂酯、硬脂酸异硬脂酯、异硬脂酸异硬脂酯、油酸异硬脂 酯、山嵛酸异硬脂酯、芥子酸异硬脂酯、肉豆蔻酸油酯、棕榈酸油酯、 硬脂酸油酯、异硬脂酸油酯、油酸油酯、山嵛酸油酯、芥子酸油酯、 肉豆蔻酸山嵛酯、棕榈酸山嵛酯、硬脂酸山嵛酯、异硬脂酸山嵛酯、 油酸山嵛酯、山嵛酸山嵛酯、芥子酸山嵛酯、肉豆蔻酸芥酯(erucyl myristate)、棕榈酸芥酯、硬脂酸芥酯、异硬脂酸芥酯、油酸芥酯、山 嵛酸芥酯和芥子酸芥酯。所述脂肪酸酯可包括：约18至约38个碳原 子的烷基羟基羧酸和约6至约22个碳原子的直链或支链脂肪醇的酯 (例如苹果酸二辛酯)；约6至约22个碳原子的直链或支链脂肪酸和 多羟基醇(例如，丙烯乙二醇，二聚二醇或三聚三醇)和/或吉布特醇 的酯；基于一种或多种约6至约18个碳原子的脂肪酸的甘油三酯； 基于一种或多种约6至约18个碳原子的脂肪酸的甘油单酯、双酯和/ 或三酯的混合物；一种或多种约6至约22个碳原子的脂肪醇和/或吉 布特醇和一种或多种芳香羧酸(例如苯甲酸)的酯；一种或多种约2 至约12个碳原子的二羧酸和一种或多种含1至约22个碳原子的直链 或支链醇，或者一种或多种含2至约10个碳原子和2至约6个羟基 的多元醇，或者这些醇和多元醇的混合物的酯；一种或多种约2至约 12个碳原子的二羧酸(例如邻苯二甲酸)和一种或多种1至约22个 碳原子的醇(例如丁醇、己醇)的酯；苯甲酸和约6至约22个碳原 子的直链和/或支链醇的酯；或者其两种或更多种的混合物。
第一液体和/或第二液体可包括：一种或多种约6至约22个碳原 子的支链伯醇；一种或多种约6至约22个碳原子的直链和/或支链脂 肪醇碳酸酯；一种或多种基于一种或多种约6至约22个碳原子的脂 肪醇的吉布特碳酸酯；一种或多种二烷基(例如，二乙基己基)萘酯， 其中各烷基含1至约12个碳原子；一种或多种每烷基含约6至约22 个碳原子的直链或支链，对称或非对称的二烷基醚；一种或多种约6 至约22个碳原子的环氧化的脂肪酸酯与含2至约10个碳原子和2至 约6个羟基的多元醇的开环产物；或其两种或更多种的混合物。
第一液体和/或第二液体可包括水。所述水可来自任何方便的水 源。所述水可为使用渗透或蒸馏方法获得去离子水或纯化水。
尽管本发明的一个或多个实施例不需要乳化剂和/或表面活性剂， 在形成本发明方法制得的乳状液中可使用一种或多种乳化剂和/或表 面活性剂。所述乳化剂和/或表面活性剂可与第一液体和/或第二液体 之任一种进行预混合。所述乳化剂和/或表面活性剂可包括在Griffin’s (格里芬)系统中亲水亲油平衡值(HLB)在0至约18范围内的离 子或非离子化合物，在一个实施例中约0.01至约18。所述离子化合 物可为阳离子或两性化合物。实例包括在McCutcheons Surfactants and Detergents，1998，北美和国际版中公开的那些。因其公开了这些乳化 剂，北美版的第1-235页和国际版的第1-199页通过引用并入本申请。 可使用的乳化剂和/或表面活性剂包括烷醇胺、烷基芳基磺酸盐、氧化 胺、聚(氧化烯)化合物，包括含氧化烯(alkylene oxide)重复单元 的嵌段共聚物、羧化醇乙氧基化物、乙氧基化醇、乙氧基化烷基酚、 乙氧基化胺和酰胺、乙氧基化脂肪酸、乙氧基化脂肪酯和油、脂肪酯、 脂肪酸酰胺、甘油酯、乙二醇酯、山梨聚糖酯、咪唑啉衍生物、卵磷 脂及其衍生物、木质素及其衍生物、甘油单酯及其衍生物、烯基磺酸 盐、磷酸酯及其衍生物、丙氧基化和乙氧基化脂肪酸或醇或烷基酚、 山梨聚糖衍生物、蔗糖酯及其衍生物、硫酸盐或醇或乙氧基化醇或脂 肪酯、十二烷基和十三烷基苯或稠合萘或石油的磺酸盐、磺化琥珀酸 酯及其衍生物，以及十三烷基和十二烷基苯磺酸。所述乳化剂和/或表 面活性剂可包括：一种或多种聚烷撑二醇；一种或多种甘油或山梨聚 糖和含约12至约22个碳原子的脂肪酸的偏酯；或其混合物。所述乳 化剂和/或表面活性剂可包括制药上可接受的材料如卵磷脂。这些乳化 剂和/或表面活性剂在由本发明方法制得的乳状液中的浓度可在占乳 状液重量的达约20％的范围内，以及在一个实施例中在约0.01至约5 ％的范围内，以及在一个实施例中约0.01至约2％。在一个实施例中， 浓度可达约2％，以及在一个实施例中达约1％，以及在一个实施例 中达约0.5％。
由本发明方法制得的乳状液可含一种或多种下列添加剂。这些添 加剂可与第一液体和/或第二液体进行预混合。这些添加剂包括：UV 保护因子(例如，3-亚苄基樟脑及其衍生物、4-氨基苯甲酸衍生物、 水杨酸酯、苯甲酮衍生物、亚苄丙二酸的酯、三嗪衍生物、2-苯基苯 并咪唑-5-磺酸及其盐、苯甲酮的磺酸衍生物及其盐、苯甲酰甲烷衍生 物)；蜡(例如，蜡大戟蜡、巴西棕榈蜡、日本蜡、软木蜡、米糠油 蜡、甘蔗蜡、蜂蜡、矿脂蜡、聚烯烃蜡、聚烷撑二醇蜡)；稠度因子 (例如，脂肪醇、羟基脂肪醇；偏甘油酯、脂肪酸、羟基脂肪酸)； 增稠剂(例如，诸如黄原胶、瓜尔豆胶和羧甲基纤维素的多糖，聚烷 撑二醇单酯和二酯，聚丙烯酸酯，聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，聚乙烯吡 咯烷酮)；富脂剂(例如，羊毛脂、卵磷脂、脂肪酸多元醇酯、甘油 单酯、脂肪酸链烷醇酰胺)；稳定剂(例如脂肪酸的金属盐，如硬脂 酸或蓖麻醇酸的镁、铝或锌盐)；聚合物(例如，诸如阳离子纤维素 衍生物、阳离子淀粉的阳离子聚合物、二烯丙基铵盐和丙烯酰胺的共 聚物、季铵化的乙烯基吡咯烷酮/乙烯基咪唑聚合物、聚乙烯亚胺 (polyethyeneimine)、阳离子有机硅聚合物、聚氨基聚酰胺化合物 (polyaminopolyamides)；阴离子的、两性离子的、两性的和非离子 的聚合物)；有机硅化合物(例如，二甲基聚硅氧烷；甲基苯基聚硅 氧烷；环硅树脂；氨基-、脂肪酸-、醇-、聚醚-、环氧-、氟-、糖苷- 和/或烷基-修饰的有机硅化合物；西甲硅油(simethicones)；二甲硅油 (dimethicones))；脂肪；蜡；卵磷脂；磷脂；生源剂(biogenic agent) (例如，生育酚、抗坏血酸、脱氧核糖核酸、视黄醇、氨基酸、植物 提取物、维生素复合物)；抗氧化剂(例如，氨基酸、咪唑、肽、类 胡萝卜素、胡萝卜素、脂酮酸及其衍生物，金硫葡萄糖、丙基硫尿嘧 啶、硫代二丙酸二月桂酯，亚磺酰亚胺(sulfoximine)化合物，诸如 α-羟基脂肪酸，α-羟基酸如柠檬酸或乳酸，腐殖酸，胆汁酸，EDTA， EGTA，叶酸及其衍生物的金属螯合剂，诸如维生素A、C或E的维 生素复合物，1，2-二苯乙烯及其衍生物)；除臭剂；止汗剂；去屑剂； 膨胀剂(例如，膨润石，粘土矿物)；杀虫剂；自鞣剂(selftanning agents) (例如，二羟基丙酮)；酪氨酸抑制剂(脱色剂)；助水溶物(例如， 乙醇，异丙醇，以及诸如甘油和烷撑二醇的多元醇，用于改善流动性 能)；增溶剂；防腐剂(例如，苯氧乙醇，甲醛溶液，对羟苯甲酸类 (parabens)，戊二醇，山梨酸)，芳香油(例如，花，果皮，根，树 木，药草和草，针叶和树枝的提取物，树脂和香脂，以及包括酯，醚， 醛，酮，醇和碳氢化合物的合成香料)；染料；以及类似物。在本发 明乳状液中各添加剂的浓度可达约20重量％，以及在一个实施例中 约0.01至约10重量％；以及在一个实施例中约0.01至约5重量％， 以及在一个实施例中约0.01至约2重量％，以及在一个实施例中约 0.01至约重量1％。
本发明的乳状液可包含一种或多种的微粒固体。其可与第一液体 进行预混合。所述微粒固体可为有机的、无机的及其组合。所述微粒 固体可包括催化剂(例如，燃烧催化剂如CeO2/BaAl12O19，Pt/Al2O3 等，聚合反应催化剂，以及类似物)，色素(例如，TiO2，碳黑，铁 氧化物等)，填充剂(例如，云母，硅石，滑石，硫酸钡，聚乙烯， 聚四氟乙烯，尼龙粉末，甲基丙烯酸甲酯粉末)，等等。所述微粒固 体可包括纳米尺寸的微粒。所述微粒固体的平均微粒直径可在约 0.001至约10微米的范围内，以及在一个实施例中从约0.01至约1 微米。所述微粒固体在乳状液中的基于乳状液重量的浓度范围达约70 重量％，以及在一个实施例中约0.1至约30％。
在一个实施例中，当与使用常规乳化方法制得的乳状液相比时， 使用本发明方法制得的乳状液可具有很窄的微滴尺寸分布。窄微滴尺 寸分布的优点包括，例如，活性成分在施用表面如皮肤上的均匀分布， 以及排除了当使用宽分布的乳状液时会发生的不需要的小微滴对小 尺寸表面结构的渗入。另一个优点在于降低了表面活性剂的使用，因 为如果乳状液微滴尺寸分布范围较宽，例如约2至约20微米，由于 存在极小的微滴，过量的表面活性剂通常被用来保持稳定的乳状液。 窄的微滴尺寸分布能使得更精确的测定恰好需要的表面活性剂的量， 从而降低或消除了不需要的表面活性剂的使用。在本发明的一个实施 例中，当微滴尺寸分布足够窄时，例如小于约0.5的跨度，使用的表 面活性剂的量可显著降低，这是因为乳状液不含不需要的小微滴，在 生产完成之后所述小微滴需要在整体乳状液中较高的表面活性剂浓 度。
在一个实施例中，通过本发明方法制得的乳状液包括分散在连续 相中的不连续相。所述不连续相可包括具有达约200微米的基于体积 的平均直径的微滴，以及在一个实施例中约0.01至约200微米，以及 在一个实施例中约0.01至约100微米，以及在一个实施例中约0.01 至约50微米，以及在一个实施例中约0.01至约25微米，以及在一个 实施例中约0.01至约10微米，以及在一个实施例中约0.01至约5微 米，以及在一个实施例中约0.01至约2微米，以及在一个实施例中约 0.01至约1微米，以及在一个实施例中约0.01至约0.5微米，以及在 一个实施例中约0.01至约0.2微米，以及在一个实施例中约0.01至约 0.1微米，以及在一个实施例中约0.01至约0.08微米，以及在一个实 施例中约0.01至约0.05微米，以及在一个实施例中约0.01至约0.03 微米，以及在一个实施例中约0.1至约200微米，以及在一个实施例 中约0.1至约100微米，以及在一个实施例中约0.1至约50微米，以 及在一个实施例中约0.1至约25微米。在一个实施例中，所述不连续 相包括水，所述连续相包括有机液体。在一个实施例中，所述不连续 相包括有机液体，所述连续相包括水或其他有机液体。所述连续相可 包含分散在或悬浮在连续相中的微粒固体。所述不连续相可包含包在 不连续相中的微滴内的微粒固体和/或微滴。本发明的优点在于，至少 在一个实施例中，所述微滴以具有相对窄的微滴尺寸分布为特征。在 一个实施例中，不连续相中的微滴尺寸可绘制成正态分布曲线。
“相对跨度”通常被称为“跨度”。其是从体积分布计算得出的 无因次的参数。如同体积中值微滴尺寸(VMD)一样，D[v，0.1]和D[v，0.9] 是分别代表分散的液体体积的10％和90％处的直径，在该处的微滴 尺寸直径更小。所述跨度可定义为由D[v，0.9]减去D[v，0.1]，再除以 VMD(D[v，0.5])。通过本发明制得的乳状液的微滴跨度可在约0.005 至约10的范围内，以及在一个实施例中约0.01至约10，以及在一个 实施例中约0.01至约5，以及在一个实施例中约0.01至约2，以及在 一个实施例中约0.01至约1，以及在一个实施例中约0.01至约0.5， 以及在一个实施例中约0.01至约0.2，以及在一个实施例中约0.01至 约0.1。在一个实施例中，本发明方法可在单独的处理微通道中进行， 所述跨度可在约0.01至约0.5的范围内。在一个实施例中，本发明方 法可以在使用多个处理微通道的按比例放大的乳化方法进行，所述跨 度可在约0.01至约1的范围内。
在一个实施例中，通过本发明方法制得乳状液中微滴的基于体积 的直径范围可达约200微米，以及所述跨度在约0.005至约10的范围 内。在一个实施例中，基于体积的平均微滴直径可在约0.01至约100 微米范围内，所述跨度可在约0.01至约5的范围内。在一个实施例中， 基于体积的平均微滴直径可在约0.01至约50微米范围内，所述跨度 可在约0.02至约5的范围内。在一个实施例中，基于体积的平均微滴 直径可在约0.01至约10微米范围内，所述跨度可在约0.05至约2.5 的范围内。在一个实施例中，基于体积的平均微滴直径可在约0.01 至约5微米范围内，所述跨度可在约0.01至约2的范围内。在一个实 施例中，基于体积的平均微滴直径可在约0.01至约1微米范围内，所 述跨度可在约0.005至约1的范围内。在一个实施例中，基于体积的 平均微滴直径可在约0.1至约25微米范围内，所述跨度可在约1至约 5的范围内。
在一个实施例中，通过本发明方法制得的乳状液可在末端被过滤 或在线(in-line)过滤。这种过滤的使用尤其适于生产如药物组合物 的乳状液，其中灭菌问题很重要。通过这样的过滤，可除去大颗粒的 污染物(如，生物物质)。在一个实施例中，本发明方法包括在连续 封闭(即，无菌的)步骤中提供在线的产物乳状液的过滤。
至少在一个实施例中，本发明方法的优点在于处理微通道、液体 通道和热交换通道之间的间距可以相等，无论该方法旨在用于实验 室，还是用于试验工场或者用于全能力生产规模。因此，本发明方法 使用的微通道混合器制造的乳状液的微粒尺寸分布可基本相同，无论 该处理微通道混合器是建在实验室单位上，还是建在试验工场或者用 于全能力生产规模单位上。
液体控制单元(以离散形式)在速度u方向上的剪切力或剪应力 可通过公式Fx＝mu*du/dy计算，其中mu为粘度，du/dy为流体与带孔 区段垂直的液体流动的速度梯度。然而，由于在流体的某一位置中(由 控制单元代表)，速度通常有三个分量，因而剪切力也有三个分量。 对于在表面处或附近的通道流动，可做一方向的假定，Fx近似于在液 体的单元表面的净剪应力。使用计算流体动力学，包括诸如Fluent或 FEMLAB商业软件包，可用于求解所需的输送等式，以使得可计算表 面剪切力。所述表面剪切力或剪应力可沿通道长度，与流动方向平行 进行计算。在平行的通道之间的也可计算剪切力或剪应力，其中作为 具体通道和歧管几何形状的函数，考虑流量分配影响以测定进入各平 行通道的质量流量。可以在例如，魏茵海姆(Weinheim)的John Wiley & Son公司于1998出版的作者为B.R.Munson，D.F.Young和T.H. Okiishi的“流体力学基本原理(Fundamentals of Fluid Mechanics)”第 三版，中找到其它计算方法。
在一个实施例中，使用单处理微通道的方法的剪切力歧离因数 (SFDF)可在涉及多个处理微通道的按比例放大方法的SFDF的约 50％内。SFDF可通过下列公式进行计算：
SFDF＝(Fmax-Fmin)/(2Fmean)
其中：Fmax是特定液体在处理微通道中的最大剪应力；Fmin是该液体 在处理微通道中的最小剪应力；以及Fmean是液体在处理微通道的带孔 区段(140，140a，240，415，425，435，445，511，521，531，541) 表面的算术平均剪切力。在单处理微通道中，根据本发明的方法进行 操作，SFDF可小于约2，以及在一个实施例中小于约1，以及在一个 实施例中小于约0.5，以及在一个实施例中小于约0.2。
在一个实施例中，尽管采用了多个处理微通道，本发明方法可提 供相对均匀的剪切力。为了测量多个处理微通道中的剪切力的均匀 度，计算并比较了各通道的平均剪切力。Fmax是平均通道剪切力的最 大值，Fmin是平均剪切力的最小值。Fmean是全部通道的平均剪切力的 平均值。SFDF可通过这些值进行计算。在多个处理微通道中，至少 在本发明方法的一个实施例中，SFDF可小于约2，在一个实施例中 小于约1，在一个实施例中小于约0.5，在一个实施例中小于约0.2。
尽管不希望被理论束缚，人们相信，在一个实施例中，本发明方 法在处理微通道210内的带孔区段240的表面产生了分散相微滴。使 用本发明方法，在微滴发生形成和分离的带孔区段240壁处的剪切力 可被加强。这个方法还增大了在处理微通道总体流动中的剪切速率， 造成紧密靠近的微滴的滞留时间更少，从而降低了微滴结合的潜力。 所造成的剪切曲线相对于常规方法有许多优点，包括：(1)降低了乳 状液过剪切的潜力，(2)降低了对于相同或更小平均微滴尺寸的总能 量消耗，以及(3)增加了跨越处理微通道高度或宽度的剪切速率梯 度，从而迫使微滴向处理微通道的中心运输并依次降低了微滴在带孔 区段表面附近碰撞的机会。剪应力和剪切速率的作用大致如下。流体 中应力的全等式可以下列公式给出(作为向量)：
τ ‾ = μ ( T , γ . ) ▿ ‾ × u ‾ - - - ( 1 )
其中

μ＝粘度(Pa·s)

T＝局部温度(K)

剪应力的切线分量(平行于产生乳状液的带孔区段表面)可为导 致液体流动的连续平行层在相对彼此的其所属平面(即剪切平面)中 移动的应力分量。剪应力的该分量与乳状液微滴的形成相关，并可计 算如下：
τ yx = - μ ( T , γ . ) ∂ u x ∂ y
其中μx是在流动的x(轴)方向中的速度分量，y是以从乳化形成表 面进入通道总体流动中的正指向的测定的通道间距的尺寸。如图24 所示。
第二液体或分散相可通过带孔区段，其孔尺寸以直径计在一微米 的十分之一至百分之一的数量级。第一液体或连续相可与分散相通过 各个毛细孔的流动方向垂直流动，并迫使微滴在孔外的附着点附近分 离。可有助于微滴上总拖曳力的剪切力可为形成微滴的主要机制。
剪应力的一单元可为相关的剪切速率(剪切应变的速率)，具体 而言为与通道壁表面正交的切线速度梯度。剪切速率由符号 γ . = ∂ u x ∂ y 表 示。用于乳状液的许多配方为非牛顿型的，即剪应力比剪切速率的比 率不是常数的流体，如图25所举例。流体的粘度，所述粘度代表两 相邻分子相互间流动的趋势(或其缺乏)，可为剪应力与剪切速率的 比率。非牛顿流体可以是粘度随着施加的剪切力变化的流体。因此， 相比于代表固定的常数，粘度可为剪切速率和温度的函数。浓缩的乳 状液，如在化妆品或食品工业中通常使用的乳状液，其特征在于被称 为粘塑性的或应力屈服液体的某类非牛顿流体。这些流体可具有较低 和较高屈服应力限度，低于该值其表现为高粘度流体，高于该值其表 现为剪切变稀性质。
图26示出了牛顿和非牛顿流体在轴向速度分量量值内的差异，μx 为离基片表面距离y的函数。该微通道高度或宽度为0.9mm，长度为 2.5cm，连续相流动的平均速率为1.7m/s。产物可具有如图27所示的 流变图(在固定温度下粘度与剪切速率函数关系)。由于与常规对比 物相比，微通道具有相对小的高度或宽度尺寸，对于相同的平均流速， 所造成的与该表面正交的速度梯度更大。层流的，牛顿流体(30和 1000cP)的速度分布几乎相同，并具有特征性的抛物线分布。非牛顿 流体在总体流动中可具有更恒定的速度分布，并在处理微通道壁附近 可表现出更陡峭的速度梯度。速度梯度的这种增加可导致更高的局部 剪切力，导致更迅速的微滴分离和相应地更小的平均微滴尺寸。对于 微通道混合器而言，乳状液形成的处理微通道内的壁剪应力可大于总 体流体中的剪应力。所述壁剪应力可比沿处理微通道中心线的剪应力 至少大两倍，在某些情况下壁处比处理微通道中心线大五倍以上。
流体的速度分布图和流变学可确定最终剪切力分布。基于连续相 (第一液体)和分散相(第二液体)液体的测试流速的剪切速率、速 度和剪应力分布的计算绘制在图28-图31中。所得的分布图显示在带 孔区段壁处的剪切力大于流动总体中的剪切力。图32-图33中的乳状 液的显微图像说明该乳状液的微滴尺寸小而均匀。
在一个实施例中，基于处理参数可开发数字模型以预计微滴尺 寸。可使用两个不同水平的模型，即
●分析的力平衡模型，以预计刚从基片毛细孔分离的微滴直径， 以及
●计算流体动力学(CFD)模型，其使用流体方法体积进行随时 间的微滴形成和形态模拟。
在一个实施例中，所述力模型具有的优点是将大多相关的物理现 象学并入一个简单的分析工具中，以评定微滴分离尺寸，所述微滴分 离尺寸为下列参数的函数(1)微通道构造：水力直径，带孔区段粗 糙度特性和平均孔尺寸，壁附着接触角；(2)处理流动条件：连续和 分散相的流速；以及(3)流体性质：粘度，密度，界面表面张力。 CFD模型关注一单孔的性能，并代表了根据微通道流动的流体动力学 对乳状液形成的影响的更高水平的复杂化。
影响微粒分离尺寸的主要力的列表以相对值的降序排列如下：
1)曳力：由流过的连续液体施加在微滴表面上的液体动力。
2)界面张力：内聚性分子间作用力，该力作用于乳状液微滴和 周围连续相之间的界面上，以保持微滴为一个内聚的流体颗 粒。
3)毛细力：阻抗液体通过单个毛细孔流动的粘滞曳力。
4)动升力：连续相在悬浮的微滴体和毛细孔基部的附着颈部之 间通过导致的流体力学升力。
5)惯性力：当分散相流出毛细孔时施加在分散相上的与最初线 性动量相关的力(通常在量值上远小于前面四种力)。
下面给出了各力的数学描述，以及变量和其解释的完整清单：
曳力
F D = 3 π k x d d μ c v c ∞ ≈ 3 2 π k x d d D H τ w
作为近似值，壁剪切力，τW，从通过一管道的层流、牛顿流动的壁剪 切力表达式(郝根-普修页(Hagen-Poiseuille)方程)中估算：
τ w = 2 μ c v c ∞ D H
界面张力
Fσ＝πdnσ(t)cosθ
毛细力
F stat = F σ ( d n d d )
动升力
F L = ( 0.761 τ w 3 / 2 ρ c 1 / 2 μ c ) d d 3
微滴颈部直径，dd，可基于近似模型估算：
若- 4 < d d d p ≤ 5
在这些条件的不适用的情况下，则假定dd等于平均孔径dp。
线性动量作用力
F M = 1 4 πρ d v p 2 d n 2
下面是动力平衡模型的变量清单：
流体性质
ρc＝连续相密度(kg/m3)
μc＝连续相分子粘度(Pa·s)
σ＝界面表面张力(N/m)
流动变量
t＝时间(s)
VC＝连续相平均速度值(m/s)
Vρ＝分散相通过单孔的平均速度(m/s)
DH＝处理通道水力直径(m)
kx＝壁校正因子(约1.7)；无因次的
剪切/应力/壁附着变量
τw＝壁剪应力(Pa)

θ＝壁附着接触角(θ＝0基片为疏水的；θ＝180基片为亲水的)
微滴变量
dd＝微滴直径(m)
dn＝微滴颈部直径(m)
dp＝孔直径(m)
微滴直径dd可通过使用与这些力相关的扭矩平衡方程进行求解。 在考虑曳力、界面张力，毛细力和升力的情况中，在附着时刻的微滴 直径满足下式：
FDdd＝(Fσ+Fstat+FL)dp
上述等式可求出dd以获得分离微滴尺寸。
模型结果是对具有0.01英寸(0.254mm)乘以0.125英寸 (3.175mm)乘以10英寸(25.4cm)尺寸的处理微通道进行研究所得。 可通过幂定律的粘度方程，描述连续相流体的粘度
μ＝kγn
其中，n＝0.33及k＝2150.5。剪切速率γ以秒-1计，粘度μ以厘泊(cp) 计。幂定律流体的充分层流的剪切速率可使用下列速度分布计算：
1 v ( r ) V = ( 3 n + 1 n + 1 ) [ 1 - ( r R ) n + 1 n ]
V是总体横流的速度。R是微通道间距的一半。
图50示出了不同横流速度下四种不同孔尺寸水平的预计微滴尺 寸。当横流速度增大时，微滴尺寸减小。微滴尺寸的范围在孔尺寸值 相同的量级上。
图51示出了壁剪应力对预计的孔尺寸的影响。横流速度固定在 1.67m/s。通过变化幂定律粘度模型中的k值实现剪应力的变化。结果 显示当壁剪应力增大时微滴尺寸减小。图52示出了表面张力对微滴 尺寸的影响。当表面张力增大时，微滴尺寸增大。
在一个实施例中，最小的微滴尺寸可多达孔尺寸的三倍。这对于 牛顿流体有效。对于非牛顿流体，如此处使用的幂定律流体所示，可 观察到比预计尺寸更小的尺寸的微滴。对于相同的流速和相同的零剪 切速率粘度，幂定律流体的边界层可薄于其牛顿比照物的边界层。这 可通过幂定律流体的流动通道中心附近的拟合(flatter)速度曲线证 明。在与壁分离之前，微滴可位于边界层，微滴的顶部受到剪应力， 该剪应力可能与微滴的较低部分的剪应力不同。这可影响作用于微滴 上的总阻力，其依次影响微滴上的总力平衡。与牛顿流体相比，从壁 分离进入非牛顿流体的微滴可具有不同的尺寸。
当包括下列力的结合时，可分析扭矩平衡条件对实验数据的相对 精确性：
SM1：仅曳力和界面张力。
SM2：曳力、界面张力，及毛细力。
SM3：曳力、界面张力、毛细力，及动升力。
在力平衡方法中的详细的各连续水平的比较可与如图35中所示 的举例数据相比较。所有的结果都被认为是保守的(也就是说，他们 过高地预计了微滴的直径)，其原因很大程度上是只有常数平均值被 用于界面表面张力。在大多数应用中，表面活性物质被加到一或两个 相内，以降低整体表面的张力。当表面活性物质扩散进入乳状液微滴 内，这样表面张力降低，及微滴的尺寸减小。
所述CFD模型使用在FLUENT软件中的流体体积(VOF)模型 (volume-of-fluid model)，将一种表面追踪技术应用到一种固定的欧 拉网孔(Eulerian mesh)上。这被设计用于两种或者两种以上的不混 溶的流体上，其中在流体之间的界面位置被计算为遵循某些特定初始 条件的时间的函数。在流动模拟中，初始条件为的流过处理微通道区 域内充分展开的唯连续相的液流、以及流入带孔区段的毛细孔内并到 达处理微通道内的孔的出口的分散相。在VOF模型中，单组动量平 衡由流体所共享，而在各计算单元内的各流体的体积分数在整个域内 都能被追踪。
表1列出在测试条件下的用于CFD分析的输入参数。用于测试 的带孔区段是在图36中所示的显微镜图片中的薄的激光钻孔板。模 型的流体具有从护手霜乳化方法测量的性质。如图37所作的图，产 物乳状液为非牛顿型的。这是一种典型的假塑性物(剪切变稀)。
表1
  乳状液类型     O/W   连续相流量     1.156 LPM   连续相液体密度     990 kg/m3   连续相液体粘度     分布范围0.6-21l/s* kg/ms   分散相流量     30/15/5 ml/min   分散相液体密度     850 kg/m3   分散相液体粘度     0.026 kg/ms   处理通道高度     0.045 英寸   处理通道宽度     0.5** 英寸   处理通道长度     0.95 英寸   基片尺寸     0.5×1.0 平方英寸   孔尺寸     7.5/15 μm   孔数量     18380 →复检   界面张力     0.001-0.02** N/m   微滴尺寸     0.5-2.5 μm，SMD*其他因子
图38示出了单个孔的建模方法。关心的物理数值范围在以下几 个数量级变化：从紧密接近毛细孔的约0.1μm至处理微通道的长度 或宽度的1毫米(1000μm)的数量级长度。非均匀的计算网孔与靠 近微滴成型区域的精确的单位单元一起使用，并且一较为粗糙的网孔 用于剩余的流动领域，如图38所示。使用在连续相和分散相之间的 作为决定哪些单元需要改进的浓度梯度的连续的网孔适配(在先前方 案的结果的基础上的网孔改进)可被用于建立最终预测结果的独立栅 格(即，结果不是网孔改进水平的人造品)。
图39中绘制的乳状液处理单元500包括处理微通道510、带孔区 段540以及液体通道570。该处理微通道包括混合区域516。带孔区 段的尺寸为0.010英寸(0.254mm)乘以0.125英寸(3.175mm)乘以 10英寸(25.4cm)。在工作中，如方向箭头518所示，第一液体流入 处理微通道510，进入混合区域516。如方向箭头574所示，第二液 体流入液体通道570，然后流过带孔区段540，进入混合区域516。在 混合区域516，第二液体接触第一液体并且与其混合，以形成乳状液。 第二液体可在第一液体内形成不连续相或者微滴。第一液体可形成连 续相。如箭头520所示，乳状液从混合区域516流出处理微通道510。
乳状液处理单元500使用肋状物573为带孔区段540提供机械支 撑。这些肋状物将液体通道570分为如图39所示的9个独立的亚通 道。进行流量分配分析，以确保流经9个亚通道中的每个的分散相的 量基本相等，从而确保作为整个装置代表的一套流动条件。图40示 出了在实际通道和所选的单层流动区域(9个通道中的任何一个)之 间的比较。该跨通道速度分布致使单层(亚通道)流动域足以代表大 部分的实际处理微通道。根据其设计，由于流量分配的不相等，9通 观的不同流量。表2以如下定义的质量因 通道的流量分配列表：
Q j = max 1 ≤ i ≤ 5 { m . i } - m . j max 1 ≤ i ≤ 5 { m . i } - min 1 ≤ i ≤ 5 { m . i }
其中代表通过通道j的质量流量，Qj是其相关的质量因数。从表2 中可以看出，所有的质量因数都远低于1％，其被认为是良好的流量 分配。单槽的CFD模型足以代表分散相和流动相的流动。
表2分布相亚通道的流动质量因数
槽号 质量因数(％)
  1   0.55   2   0.82   3   0.58   4   0.0   5   0.41
在图41中，以分布相和流动相的等相线形式显示了一组微滴形 成的结果。这些结果是在与表1中的5ml/min的较低结合油相流量相 应的较低油速度范围内的选择时间给出。毛细孔直径为7.5μm。通过 计算由图41所示在纯分散相中预计微滴占据的单元体积，获得低于 1.0μm的平均直径。
在图42中，以与表1中30ml/min的最大油相流量相应的油速度 在特定时间的等相线形式示出了一组微滴形成的结果。其他条件与较 低油流量情况中保持一致。该微滴尺寸更大，即在2-20微米范围内。 这些发现符合在图53中记录的在实验微通道混合器中的三个不同测 试的结果。图53所报告的测试结果是在具有图39所示的结构的处理 微通道在如下的条件下获得的：
乳状液类型：            护手霜
通道间距：              10mm
带孔区段孔尺寸：        0.2微米
平均金属温度：          25℃
第一液体(连续相)流量：  95.9ml/min
送料温度：              25℃
送料压力：              270-300psig(磅/英寸)(18.4-20.4
                        atm(大气压)表压)
流体类型：              含水的
第二液体(分散相)流量：  40ml/min
送料温度：              25℃
送料压力：        270-300psig(18.4-20.4atm)
流体类型：        油
平均微滴尺寸：    10.564微米
中值微滴尺寸：    8.597微米
众数液滴尺寸：    8.71微米
液滴尺寸分布类型  单峰
上述结果使用了0.001N/m的相对低的表面张力值。在图43中， 示出了相同流动条件而界面表面张力值显著更高，即0.02N/m的等相 线。该模型预计较高的表面张力(水相对油相)可导致显著较大的微 滴(在20μm量级或更大)。然而，微滴进入通道总体流动的水平对 流为相对缓慢的过程，尤其是对大尺寸微滴而言，在所述通道中剪切 速率较低。因此，大微滴继续存在于局部高剪切力的区域，在此微滴 的破裂更易于发生。在图44-图49中示出了连续的更长时间的模拟。 在图44-图49中所示的连续动作显示了分离的开始(图44)，微滴的 伸长(图45)，完全分离(图46)，微滴的下游平流(图47)，微滴的 破裂(分支)(图48)，以及微滴进入连续相的扩散(图49)。破裂之 后的这些微滴尺寸相对较大(3至5微米)。界面表面张力的该值可代 表使用少量至无表面活性剂的配方。在一个实施例中，本发明方法可 用于产生添加较少的表面活性剂的高质量的乳状液-在乳化方法中， 表面活性剂通常是关键成分。在一个实施例中，所述乳状液可以以不 添加表面活性剂为特征。
图94和图95示出通过使用如图19-图22公开的乳状液处理单元 制得的乳状液的微粒(即微滴)尺寸分布图。
在一个实施例中，乳状液处理单元可以避免污染以及避免系统过 压的方式开动。在使用和确保成功运转之前，此方法用于确保装置已 消毒。这个方法可清洁来自在先前运转中任何残留的第二液体或分散 相的管线、装置，以及带孔区段或多孔基质。其还阻止系统过压。例 如，如果运转已完成，系统已被关闭而目前希望重新运转。如果使用 的分散相为在低温为固体且不与水混溶的油混合物，以及如果在管线 内具有任何固体残留，则这个方法在乳化系统使用热矿物油-与分散 相混溶的液体，以开始系统进行新运转。
无论乳状液处理单元是否第一次启动、已进行运转后的启动，或 者等待模式后的启动，都可使用开动步骤。对于第一次或已进行运转 后的启动，该启动是类似的，例外之处是过程进行时间的不同(即， 压力需多久稳定)。
启动时，管线和装置的所有温度应当稳定在适当的温度，以使得 无固态油以及该油不会燃烧。一开始，关闭阀门以使连续相管线与系 统的其他部分隔绝。这可避免分散相污染连续相管线。打开分散相泵， 泵入热矿物油。这可流入连续相通道并从出口离开。允许压力稳定并 检查是否出口处的油不否含分散相。这表示系统足够清洁，可以继续。 同时，打开阀门并打开通入热去离子水的连续相泵，这可清除连续相 通道中过量的分散相。允许压力和温度稳定。该温度应当足够高以使 得该分散相不会相变为固体。在分散侧的压力应当高于连续侧的压 力，以使得不发生穿过带孔区段或多孔基片的返流。打开即将测试运 转的实际相的两个送料。允许压力稳定。分散侧的压力应当高于连续 侧的压力。
当需要预热等待时，加热器可调小至一温度，该温度可保持分散 相为液体但不使其燃烧。为开始下一个运转，将加热器调回至适当温 度，继续进行如上所述的步骤。
这个程序可清除管线、装置及多孔基片中的全部残余的分散相， 并允许新分散相在适当位置。其可避免带孔区段或基片或连续相管线 的污染。
在一个实施例中，在运转之间，可清洁所述乳状液处理单元。当 压力高于期望值时，这可用于对装置的故障检修，或者当使用不同的 化学物质时，这可用于清洁该装置。这个方法可用于清洁分散相的管 线、装置及带孔区段或多孔基片。例如，如果使用的分散相为较低温 度时为固体且不与水混溶的油混合物，该方法在乳化系统中使用热矿 物油，一混溶的流体。该步骤可用于乳化运转的末端。在这种情况中， 该分散相可为油混合物，该油混合物在较低温度时为固体且不与水混 溶。油相和水相都是可流动的，且装置的所有部分都在足以使全部相 为液体的温度上。贯穿清洁始终，应当保持所有的流体和系统部件在 这个温度。第一步骤是关闭第一液体(如，水)相的流动，以及将第 一液体的入口与装置隔开(即，通过球阀)。第二液体(如，油)相 泵可持续泵压，而送料将转换为热矿物油(或与分散相混溶的其他液 体)。该矿物油流量起初应当高于乳化操作期间第二液体的流量。监 控在第二液体侧的压力。当压力降低且稳定至少五分钟时，大部分分 散相可被清除。那时，打开将第一液体相与入口隔开的球阀，将热去 离子水泵入装置的第一液体侧并从产物侧离开。应当监控压力以确保 在第二液体侧的压力为第一液体侧压力的两倍或者至少大于约20psi， 以使得不发生通过带孔区段或多孔基片的逆流。一旦两侧的压力稳 定，可关闭该操作。
在一个实施例中，本发明方法用于形成具有特定预定微滴尺寸的 乳状液。图59中示出了控制微滴尺寸的方法。该方法允许操作者拨 入一微滴尺寸。这可通过由控制绝对压力而使用恒定特定的剪应力而 完成。第一液体或连续送料流速决定系统中的压力，主要通过压力降。 控制连续送料流速以达到特定压力以及剪应力。这通过在PID控制回 路中使用压力反馈以不断的调整连续的流速而实现。在完成上述事项 之后，在反馈回路中设定第二液体(如，油)的送料速度，在所述反 馈回路中其与连续送料率的设定以恒定实时输入输出(rtio)进行配 合。这允许第二液体的装载不变。可使用带两个输出的PID控制器。
所述热交换流体可为任何流体。包括空气、蒸气、液体水、气态 氮气、液氮、包括惰性气体、一氧化碳、二氧化碳的其他气体、熔盐、 诸如矿物油的油、气态碳氢化合物、液态碳氢化合物，以及热交换流 体，如可从Dow-Union Carbide公司获得的Dowtherm A和Therminol。
该热交换流体可包括用于制造乳状液的第一、第二或第三流体。 产物乳状液可用作热交换流体。这可提供工艺预热或预冷，并增加该 方法的总热效率。
在一个实施例中，所述热交换通道可包括处理通道，其中进行吸 热或放热作用。这些热交换处理通道可为微通道。可在热交换通道中 进行的吸热作用的实例包括蒸气重整和脱氢反应。在一个实施例中， 结合同步的吸热反应以提供改善的冷源可导致的典型的热通量高于 对流冷却热通量大致一个数量级或者以上。可在热交换通道中进行的 放热反应的实例包括水-气转变反应，甲醇合成反应和合成氨反应。
在一个实施例中，当流动通过热交换通道时，热交换流体经历相 变。这个相变提供从处理微通道或液体通道超过对流加热或冷却所提 供的额外的热量增加或移除。对于液态热交换流体被蒸发的情况，从 处理微通道中转移出的额外热量来自热交换流体所需的蒸发潜热。这 中相变的实例为经受泡核沸腾的油或水。在一个实施例中，煮沸相变 流体的蒸气质量分数值可达约100％，以及在一个实施例中达约75％， 以及在一个实施例中达约50％。
当乳状液的产生与处理通道中的化学反应配合时，使用来自相变 或化学反应的增大的热传递更有优势。在一个实施例中，乳状液可为， 例如，聚合反应或其他同样需要另外热交换的反应单体。
在微通道混合器中对流热交换或对流冷却的热通量可在约0.01 至约125瓦特每平方厘米的微通道混合器内处理微通道表面积 (W/cm2)范围内，在一个实施例中约0.1至约50W/cm2，在一个实 施例中约1至约25W/cm2，在一个实施例中约1至约10W/cm2。相 变热交换的热通量可在约1至约250W/cm2范围内，在一个实施例中 约1至约100W/cm2，在一个实施例中约1至约50W/cm2，在一个实 施例中约1至约25W/cm2，在一个实施例中约1至约10W/cm2。
所述热交换通道可用于在使用本发明方法形成乳状液期间提供 无菌条件。不同于批次混合器，本发明方法可与环境隔绝并不需惰性 气体覆盖以隔绝环境。所述热交换通道，其可相邻于处理微通道或液 体通道，可提供相对短的热传递和扩散距离，这允许位于微通道混合 器中的液体以降低的温度梯度快速加热和冷却。结果，不适于长时间 加热或在高温度梯度下易分解的乳状液可使用本发明方法制备。在一 个实施例中，在处理微通道壁和位于处理微通道中相同轴向位置的处 理微通道内总体流动之间温度梯度小于约5℃，在一个实施例中小于 约2℃，在一个实施例中小于约1℃。
接近带加热控制和/或冷却控制的处理微通道和/或液体通道的热 交换通道可提供多个处理微通道之间均匀的温度分布。与常规处理设 备如混合罐可获得速率相比，这能以更快速率均匀地加热和冷却。在 多通道的微通道混合器中，在沿处理流动长度至少某些轴向位置上， 处理微通道之间的温度差异小于5℃，在一个实施例中小于约2℃， 在一个实施例中小于约1℃。
与处理微通道、液体通道或两者相邻的热交换通道可使用沿这些 通道长度的温度区域。在一个实施例中，将在处理通道入口附近的第 一区域的温度保持在高于在处理微通道末端附近的第二区域的第二 温度的温度。将冷却或骤冷区域结合至处理微通道中以快速冷却和稳 定乳状液。可有许多热分布的组合，允许沿处理微通道的长度对热分 布进行修饰，包括处理微通道中混合区域之前和/或之后的部分的可能 性，以加热和/或冷却物料和或乳状液产物。
液体通过处理微通道(210)的流量可在约0.001至约500lpm(升 /分)的范围内，在一个实施例中约0.001至约250lpm，以及在一个实 施例中约0.001至约100lpm，以及在一个实施例中约0.001至约 50lpm，以及在一个实施例中约0.001至约25lpm，以及在一个实施例 中约0.001至约10lpm。液体在处理微通道中流动的速度可在约0.01 至约100m/s的范围内，以及在一个实施例中约0.01至约75m/s，以 及在一个实施例中约0.01至约50m/s，以及在一个实施例中约0.01至 约30m/s，以及在一个实施例中约0.02至约20m/s。液体在处理微通 道中流动的雷诺数可在约0.0001至约100000的范围内，以及在一个 实施例中约0.001至约10000。进入处理微通道的液体温度可在约0 ℃至约300℃的范围内，以及在一个实施例中约20℃至约200℃。处 理微通道内的压力可在约0.01至约100大气压的范围内，以及在一个 实施例中约1至约10大气压。在本发明方法中，跨越带孔区段(240) 的相对高的压力降或通过液体通道(270)的相应高的分散相液体流 量不象通常的情况那样，例如在高压均化器中，是获得分散相所需重 量负载的必要条件。由于分散相流动通过孔的更小的惯性在微滴破裂 之前降低了微滴的生长，使用本发明方法，较低的流量和较低的压力 降可导致更小的微滴尺寸。
在一个实施拉中，液体在处理微通道中流动的表面速度可至少约 0.01米每秒(m/s)，在一个实施例中在约0.01至约50m/s的范围内， 在一个实施例中在约0.01至约10m/s的范围内，在一个实施例中在约 0.01至约1m/s的范围内，在一个实施例中在约0.05至约0.5m/s的范 围内。
液体在液体通道(270)内流动的流量可在约0.05至约5000ml/s 的范围内，在一个实施例中约0.1至约500ml/s。液体在液体通道内流 动的速度可在约0.0001至约0.1m/s的范围内，在一个实施例中约 0.0001m/s至约0.05m/s。液体在液体通道内流动的雷诺数可在约 0.0000001至约1000的范围内，在一个实施例中约0.0001至约100。 进入液体通道的液体温度可在约-20℃至约250℃的范围内，在一个实 施例中约20℃至约100℃。液体通道内的压力可在约1至约200大气 压的范围内，以及在一个实施例中约1至约100大气压。液体流动通 过孔(244)的压力降可在约0.05至约200大气压的范围内，以及在 一个实施例中约1至约150大气压。
跨越液体通道270和处理微通道210之间的带孔区段240的压力 差可在达约40大气压的范围内，以及在一个实施例中约1至约40大 气压，以及在一个实施例中约2至约20大气压。
离开处理微通道(210)的乳状液的温度可在约-20℃至约300℃ 的范围内，以及在一个实施例中约0℃至约200℃。
进入热交换通道(290)的热交换流体的温度可在约-50℃至约300 ℃的范围内，以及在一个实施例中约-10℃至约200℃的范围内，以及 在一个实施例中约0℃至约100℃的范围内。离开热交换通道的热交 换流体的温度可在约0℃至约200℃的范围内，以及在一个实施例中 约10℃至约200℃的范围内。当流动通过热交换通道时，热交换流体 的压力降可在约0.01至约20大气压的范围内，以及在一个实施例中 约0.1至约20大气压。热交换流体在热交换通道中的流动可为平流或 转变流，以及在一个实施例中其为平流。在热交换通道中流动的热交 换流体流动的雷诺数可在达约100000的范围内，以及在一个实施例 中达约10000，以及在一个实施例中在约20至约10000的范围内，以 及在一个实施例中约100至约5000。
使用任意类型的热交换装置，包括微通道热交换器或热导管，在 微通道混合器中或在进入微通道混合器之前，可对第一液体和/或第二 液体进行预热。在一个实施例中，第一液体可在混合区域(216)的 上游的处理微通道(210)的非孔化区域进行预热。使用任意类型的 热交换装置，包括微通道热交换器，对在微通道混合器中制得的乳状 液在微通道混合器中或刚离开微通道混合器时进行冷却。在一个实施 例中，骤冷乳状液以稳定乳状液或将其锁定。在一个实施例中，在混 合区域(216)上游的处理微通道(210)的非孔化区域对乳状液进行 骤冷。在一个实施例中，乳状液可被冷却至室温或骤冷一段在达约10 分钟范围内的时间，所述时间段在一个实施例中达约5分钟，以及在 一个实施例中达约1分钟，以及在一个实施例中达约30秒，以及在 一个实施例中达约10秒，以及在一个实施例中低于约1秒。
本发明方法的一个实施例的优点在于乳状液可在处理微通道中 相对快速地进行加热或冷却。这提供的优点是能加热乳状液至所需的 温度以提供乳状液以所需的性能(例如，微滴尺寸降低，提高微滴的 分散度，等等)，以及随后能快速冷却乳状液或骤冷乳状液以锁定这 些性质。在一个实施例中，在时间间隔达约750毫秒(ms)内，乳状 液的温度可升高或降低至少约10℃，在一个实施例中在时间间隔达约 500ms内至少约20℃。
本发明方法可用于以至少约0.01升每分钟的速率产生乳状液，以 及在一个实施例中至少约1升每分钟。在一个实施例中，该方法可用 于以至少1升每秒的速率产生乳状液。
在一个实施例中，多重的分散相液体贮存容器或室可围绕处理微 通道210构建。可分隔单个的贮存容器或室，并可使其具有自己的入 口控制机械装置如阀门。在这种结构中，根据所需产物乳状液的不同 配方可控制和改变两相的体积比率(组装密度)，而无需变化其他元 件，如带孔区段的孔或细孔尺寸，或者连续相或分散相的单独流量。 这对“单程处理”(即，无再循环)非常有用。在这个实施例中，可 生产具有多峰的微滴尺寸分布和/或多成分的分散相的产物乳状液。在 这个实施例中，有可能使两种或更多种第二液体通过不同带孔区段进 入处理微通道。这种布置可用于提供用于按顺序加入的成分的多个送 料点。
在一个实施例中，可调节在处理微通道中的光学的或热光学特 征。用于测量和/或调节这些光学或热光学特征的技术的实例包括：用 于包括平均微滴尺寸和跨度的乳状液质量的控制和分析的在线LSD (激光散射衍射)探测；测定产物粘度和固体负载的粘度计；使用照 片对微滴尺寸测量的光学测量；包括通过调节乳状液性质的干涉测量 法的全息成像；以及类似的方法。
在一个实施例中，在处理微通道中可进行液体吸附过程，液-气吸 附过程，液体分离过程，凝固过程，或气化过程。
在一个实施例中，在处理微通道中可生产应用于示踪带电微粒的 乳状液。
在一个实施例中，在处理微通道中可进行化学反应。可进行的化 学反应的实例包括聚合反应(例如，甲基丙烯酸甲酯乳状液聚合反 应)，催化聚合反应(例如，在水溶液中以中性镍(II)复合物作为催 化剂的乙烯聚合反应)，共聚物和三元共聚物的生成，催化和非催化 的液相氧化反应(例如，脂肪酸的生成)或气-液相反应以及催化和非 催化的液-液反应(例如，苯硝化反应或烯烃烷基化反应)。
在一个实施例中，可在处理微通道中进行一生物过程。这种生物 处理的实例包括使用乳化去垢剂的生物修复(清洁)过程。
在一个实施例中，根据本发明方法制备的乳状液提供的优点是能 使生产者以浓缩的形式供应乳状液，从而使终端使用者能添加另外的 成分，如水或油，以获得最终的配制完全的产品。
根据本发明方法制得的乳状液具有许多应用。包括希望降低乳化 剂或表面活性剂浓度的个人皮肤护理产品(例如，防水防晒霜，防水 护手霜或乳液)。
根据本发明方法制得的乳状液可用作油漆或涂料。这包括具有强 耐气候性的防水乳胶涂料。该乳状液可用作粘合剂、胶水、填塞剂、 防水密封剂，以及类似物。由于在这些组合物中包含水相，可降低在 这些产品中挥发性有机化合物(VOC)的问题。
本发明方法可用于各种食品处理应用，尤其是连续处理操作。
本发明方法可用在农业化学物质的生产中，其中使用具有窄的微 滴尺寸分布的分散相有利于该化学物质在叶片上的分布，并以较小的 化学物质浓度提供增强的防水性。在一个实施例中，本发明方法可用 与生产农业化学物质，如杀虫剂，其中需要使用小于可见光波长的分 散相尺寸。
本发明方法可用于生产乳化的滑润剂和燃料。这些可包括诸如用 于柴油发动机的车载燃料乳化系统。
本发明方法可用于乳化聚合反应过程。例如，可以催化剂将单体 在表面活性剂中溶解。
本发明方法可用于制造含沥青的快凝乳状液。这些乳状液可用作 水泥或沥青表面如道路、车道等的表面敷料(surface dressing)。这些 乳状液可含约60至约70重量％的沥青，并可被喷在被处理的表面上。 可在这些表面敷料上分撒碎屑并碾平以保证适当的包埋和排列。这提 供了水不可渗透的表面密封，以及改进的表面纹路。
根据本发明方法制得的乳状液可为有机硅乳状液。这些乳状液可 用于处理纤维或其他基质以改变其疏水性。
本发明方法可用于结晶过程，例如连续的结晶过程。这个方法可 用于分离、纯化和/或制造特定尺寸的粉末。这些结晶的例子包括高精 制的糖。在乳化结晶中，熔化物可在乳状液的微滴中结晶，以使得以 比大块熔化中更低的速率形成均一的晶核。这个方法可以无溶剂进 行，因而具有低投入和低操作成本的优点。
本发明方法可用于制造液晶。由于分散相可被“锁定”在适当的 位置，在本方法中形成的液晶可有助于降低乳化剂和/或表面活性剂的 使用。
本发明方法可用于制造蜡乳状液，所述蜡乳状液用于粘合剂、液 体肥皂、洗衣去垢剂、纺织或纤维涂层等等。
本发明方法可用于药物的生产，其中优点在于分散的油相具有较 窄的微滴尺寸分布。它们可包括口服或可注射的组合物以及皮肤病学 的乳霜、乳液和眼霜(opthalmics)。根据本发明方法获得的微滴尺寸 和分布可增加药物功效，并降低所需治疗的药物使用水平。其另外的 优点是避免或限制非水溶剂成分的使用，所述非水溶剂成分易于溶解 包装材料中使用的有机物。这些应用的分散油相的微滴尺寸可达约 0.5微米，为了避免被脾脏或肝脏清除，在一个实施例中在约0.01至 约0.2微米的范围内，以及在一个实施例中0.01至约0.1微米。根据 本发明方法生产的乳状液可用作不溶或难溶药物(例如，异丁苯丙酸、 细胞毒素、维生素E、α-生育酚等)的乳状液赋性剂。在使用本发明 方法制备药物组合物中，可使用公开在公布号为2003/0027858A1的 美国专利申请中的许多药物化合物或药物、油类和表面活性剂；因其 公开这些化合物或药物、油类和表面活性剂，该专利公开文件通过引 用并入此处。使用本发明方法的优点涉及下述事实：它避免了与使用 常规高剪切力混合设备为试图获得窄微滴尺寸分布的小微滴，且同时 保持无菌环境相关的许多问题。
尽管本发明以具体实施例进行了解释，应当理解的是在阅读本说 明书的基础上，对于本领域普通技术人员而言对其的各种改进是显而 易见的。因此，应当理解的是此处公开的本发明旨在覆盖落入所附权 利要求范围的这些改进。
本申请基于35 U.S.C.§119(e)要求2004年11月17日提交的美国 临时申请60/628,639，2005年7月8日提交的美国临时申请 60/697,900，2005年10月13日提交的美国临时申请60/727,126，以 及2005年10月27日提交的美国专利60,731,596的优先权。这些在 先申请的公开内容通过引用以其整体内容并入此处。