CN104096525A - 一种实现规模化生产的微通道反应器 - Google Patents

Abstract

一种实现规模化生产的微通道反应器，属于化学化工微观结构反应装置技术领域。其特征在于：反应器主体包括过盈配合的外壳体（10）和内壳体（13），内壳体（13）和外壳体（10）之间设有至少一条微通道反应线（11），反应器主体的顶部设内外两层密室分别为内原料聚集仓（5）和外原料聚集仓（4），内原料聚集仓（5）中央位置开设第一原料入口（1）；反应器主体的底部设成品聚集仓（12）；微通道反应线（11）上下连通外原料聚集仓（4）和成品聚集仓（12），反应器主体内外均设有冷却系统。本发明消除了微通道反应器的“放大效应”，在确保每一条反应线都具备微尺度的同时以增加其总的反应量，从而能实现工业化量产。

Description

一种实现规模化生产的微通道反应器

技术领域

一种实现规模化生产的微通道反应器，属于化学化工微观结构反应装置技术领域。

背景技术

20世纪90年代初，可持续与高新技术发展的需要促进了微化工技术的研究，其主要研究对象为特征尺度在微米级的微通道，由于尺度的微细化使得微通道中化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高，即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。

从本质上说， 微通道反应器是一种连续流动的管式反应器，目前的微通道反应器大多为实验室实验级别的小型反应器。传统的微通道反应器基本为“平板”式结构，微通道反应器的通道一般设在两夹板之间，通道尺寸在 10um ~ 3mm 的范围，通过多层夹板叠加作为一个功能单元。这种结构很难将反应通道增加到一定数量从而实现量产，同时平板和平板之间的“贴合”往往需要真空扩散焊等昂贵的加工手段，这极大的限制了它的工业化应用和增加了加工成本。这种小型管式反应器由于诸多原因不能工业化放大生产，而且一旦堵塞很难处理。虽然微通道反应器的处理能力可通过增加通道数目这一容易想到的方向来提高，但却无法真正实现。 传统设想中通道数目的放大有两种方法： 方法一是通过增加微通道反应器的数量来实现 ；方法二是将增加的功能单元放在单个微通道反应器，使单个微通道反应器外尺寸扩大。 方法一在工业运行中会造成系统控制点多，精度要求高，生产成本高的问题，得不偿失。方法二存在 “放大效应”的问题，即每个功能单元的位置与进料处距离不等， 进入每个功能单元的流体性能不均等，影响整体混合和反应效果。在微通道反应器的高效率反应下，尤其在强放热反应和快速反应时放出的大量热量难以及时脱离反应体系，造成较大的安全隐患，无法正常投入生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种实现工业化放大生产、反应效果好且容易拆卸，生产安全的一种实现规模化生产的微通道反应器，特别适用于强放热、快速等危险化学反应的工业化安全生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该实现规模化生产的微通道反应器，包括反应器主体，其特征在于：反应器主体包括套筒状外壳体和过盈插入外壳体内腔的内壳体，外壳体和内壳体均为回转体圆柱面，内壳体和外壳体之间设有至少四条等距排布的微通道反应线，反应器主体的顶部设内外两层密室分别为内原料聚集仓和外原料聚集仓，内原料聚集仓顶面中央位置开设第一原料入口；反应器主体的底部设成品聚集仓；微通道反应线上下连通两原料聚集仓和成品聚集仓并通过通孔连接内原料聚集仓，反应器主体内外均设有冷却系统。

本发明的反应器主体以外壳体和内壳体过盈配合形成，使外壳体和内壳体间保持一个较大的相互压力，使外壳体和内壳体间自然贴合紧密，无需真空扩散焊等昂贵的加工手段加工。成功解决传统的微通道反应器制备成本昂贵的问题。微通道反应线在两层外壳体和内壳体间，外壳体和内壳体的内外表面形成足够大的散热面积，保持了微通道反应线比表面积大的优势，同时在反应器主体内外的冷却系统冷却下得到更好的散热，使本发明的微通道反应器尤其适用于强放热快速等危险化学反应的工业化安全生产。本发明的原料聚集仓在反应器主体顶部，能够利用重力自动向微通道反应线内加料。内原料聚集仓中央位置开设第一原料入口，结合回转体圆柱面结构，各微通道反应线到第一原料入口的距离都相等，即每个功能单元的位置与进料处距离相同， 保证进入每个功能单元的流体性能相同，消除了整体混合和反应效果的差异。在微通道反应器的高效率反应下，尤其在强放热反应和快速反应时放出的大量热量能够及时的同步处理，消除安全隐患。

反应器的内外原料聚集仓和内外冷却系统处设立压力、流量或者温度测量仪表。

所述的外壳体和内壳体的材质为不锈钢，实现良好的导热能力，及时将热量导出，对反应温度能够精密控制，同时耐腐蚀。具有足够的韧性，在过盈配合后保持长期稳定的相互压力。

所述的微通道反应线为内壳体的外表面上纵向开设的凹槽。本发明在内壳体的外表面上开设微通道反应线，保证外壳体的完整，相处外壳体的集中应力，保证外壳体的耐久度。

所述的微通道反应线在内壳体的水平横截面圆周上相间隔的弧度为2o~90o。

由于本发明具有更好的冷却散热能力，本发明反应器微通道反应线能够在内壳体的外表面上以相对较大的密度开设，仍能够得到较好的控制。本发明同时增加了功能单元的数量和尺寸，并消除了放大效应。

所述微通道反应线的凹槽深度为0.2mm~2mm，凹槽宽度为0.2mm~2mm。本发明的微通道反应线的管径可以较传统微通道反应线宽。本发明的反应器整体体积是传统微通道反应器体积的数倍甚至数十倍，具备实现更多、更长的微通道反应线，配合本发明强大地散热冷却能力，能适应更多的物料同时进行强放热反应和/或快速反应，具备实现工业化量产的条件。

所述的冷却系统包括内冷却系统和外冷却系统，内冷却系统为内壳体的密闭内腔，外冷却系统为设置在外壳体外壁的夹套层，内冷却系统和外冷却系统连接有冷却水进出管线。本发明的冷却比表面积较传统的反应釜有着数量级的提高，再通过循环冷却介质（水或低温盐水等）强制循环冷却，能实现强大的换热能力，并能精确控制反应温度。

所述的内冷却系统为设置在内壳体内壁的夹套层。冷却系统以夹套的形式贴附在反应器主体内外，能够增加单位时间内内冷却系统横截面的流速，换热效率更高。

外原料聚集仓180度角对称设立两个第二原料入口。

本发明在结构设计方面，通过将多条微通道反应线集中在回转体圆柱面上，便于工业化量产和便于生产加工和降低加工成本。而本发明所具有的回转体圆柱面的结构便于车床、镗床、磨床等加工机床的加工，而微型反应线可通过激光、电火花等进行加工，而且可以在回转体表面密集分布，节省了材料和空间。同时在反应线的内外表面增加冷却系统，保证了冷却效果和节约了冷却成本。

本发明在单个使用时可实现少量生产，多个并联在一起使用可实现工业化量产，多个串联在一起使用，可实现多原料反应。

与现有技术相比，本发明的一种实现规模化生产的微通道反应器所具有的有益效果是：本发明通过单条微通道反应线将反应物料在微尺度内混合，对于两种不能互溶的反应物料，通过微通道特有的流体力学特性，使在微尺度内能实现自然的充分接触以实现充分反应的目的，极大的提高了宏观条件下两种不互溶的流体间的混合效果，一些对反应条件的要求非常苛刻的反应也可以在相对宽松的条件下实现，而且对提高反应产物的收率和纯度效果明显，实现宏观尺度内无法实现的效果；另一个效果是可以将强放热反应的反应量减小，以降低其在反应时的放热量；同时因为微通道反应器自身所具有的超过传统反应器几个数量级的冷却比表面积，可以通过冷却系统精确的控制反应温度，可以从根本上解决一些温度容易失控从而导致爆炸等危险发生的强放热反应的安全生产问题。本发明的反应器结构比较容易拆卸便于定期检查、检修，如果通道有堵塞现象也相对方便处理。本发明的核心是将多条微通道反应线并联在一起，在确保每一条反应线都具备微尺度的同时以增加其总的反应量，从而能实现工业化量产。

附图说明

图1是本发明一种实现规模化生产的微通道反应器的结构示意图。

图2是本发明外壳体和内壳体成型微通道反应线的局部示意图。

图3是本发明内壳体与微通道反应线间通孔部分的局部示意图。

其中：1、第一原料入口  2、第二原料入口  3、成品出口  4、外原料聚集仓  5、内原料聚集仓  6、内冷却系统  7、外冷却系统  8、冷却水进入管线  9、冷却水流出管线  10、外壳体  11、微通道反应线  12、成品聚集仓  13、内壳体  14、通孔。

具体实施方式

附图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。

参照附图1、3：本发明的一种实现规模化生产的微通道反应器，包括外原料聚集仓4、内原料聚集仓5、内冷却系统6、外冷却系统7、外壳体10、微通道反应线11、成品聚集仓12、内壳体13；外壳体10和内壳体13过盈配合，内壳体13插入圆形套筒状的外壳体10的内腔中，外壳体10和内壳体13均为回转体圆柱面，在形状结构上，充分考虑微通道反应的原理效果，同时在结构设计上通过回转体结构设计降低其加工难度和加工成本。内壳体13的外表面上纵向开设的凹槽形成在内壳体13和外壳体10之间的至少四条微通道反应线11，微通道反应线11在内壳体13的水平横截面圆周上相间隔的弧度为2o~90o。微通道反应线11的凹槽深度为0.2mm~2mm，凹槽宽度为0.2mm~2mm；通过将强放热反应的局部反应量降低以减小其冷却难度和加工风险来实现安全的工业化量产。反应器顶部设内外两层密室分别为内原料聚集仓5和外原料聚集仓4，内原料聚集仓5中央位置开设第一原料入口1，各微通道反应线到第一原料入口的距离都相等， 保证进入每个功能单元的流体性能相同，消除了整体混合和反应效果的差异，内原料聚集仓5与微通道反应线11间联通有通孔14。外原料聚集仓4的侧面上开设第二原料入口2。反应器底部设成品聚集仓12；成品聚集仓12的底部中央开设成品出口3，微通道反应线11上下连通两原料聚集仓和成品聚集仓12，内冷却系统6为内壳体13的密闭内腔，外冷却系统7为设置在外壳体10外壁的夹套层，内冷却系统6和外冷却系统7连接有冷却水进入管线 8、冷却水流出管线9，冷却水进入管线 8和冷却水流出管线9连接至冷凝池，冷却水进入管线 8上设有水泵。

其他实施方式，基本结构和连接关系同上述附图1、3所示。不同的是：微通道反应线11的凹槽为深度0.2mm~2mm圆弧形凹槽；内冷却系统6为设置在内壳体13内壁的夹套层。

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，其中实施例1为最佳实施例。

实施例1

基本结构和连接关系同上述附图1、3所示。具体的，微通道反应线11在内壳体13的水平横截面圆周上相间隔的弧度为15o；微通道反应线11的反应线的凹槽深度为0.5mm，凹槽宽度为0.5mm。在该形势下能够适应绝大多数强放热、快速等危险化学反应的工业化安全生产。

实施例2

基本结构和连接关系同上述附图1、3所示。具体的，微通道反应线11在内壳体13的水平横截面圆周上相间隔的弧度为45o；微通道反应线11的反应线的凹槽深度为0.3mm，凹槽宽度为0.3mm。在该形势下适合放热更剧烈、更快速的危险化学反应的工业化安全生产。

实施例3

基本结构和连接关系同上述附图1、3所示。具体的，微通道反应线11在内壳体13的水平横截面圆周上相间隔的弧度为90o；微通道反应线11的反应线的凹槽深度为0.2mm，凹槽宽度为0.2mm。在该形势下对放热更剧烈、更快速的危险化学反应的工业化生产，控制更加准确，安全性保证达到最强。

实施例4

基本结构和连接关系同上述附图1、3所示。具体的，微通道反应线11在内壳体13的水平横截面圆周上相间隔的弧度为2o；微通道反应线11的反应线的凹槽深度为2mm，凹槽宽度为2mm。在该形势下适应放热强度相对平和的不互溶的反应物的工业化生产，反应效率达到最大。

具体使用方法为：将粘度较大，流动状态不好的一种原料由第一原料入口加入内原料聚集仓5，另一种原料由第二原料入口2加入外原料聚集仓4，两种原料在重力/和外加压力的作用下同步进入各微通道反应线11，并在微通道反应线11的微环境内相互接触，反应开始进行，通过调节冷却系统的介质流量调节冷却能力，对反应器内的反应进行温度调节。反应产物进入成品聚集仓12收集，并由成品出口3排出储存或利用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现规模化生产的微通道反应器，包括反应器主体，其特征在于：反应器主体包括套筒状外壳体（10）和过盈插入外壳体（10）内腔的内壳体（13），外壳体（10）和内壳体（13）均为回转体圆柱面，外壳体（10）和内壳体（13）之间设有至少四条等距排布的微通道反应线（11），反应器主体的顶部设内外两层密室分别为内原料聚集仓（5）和外原料聚集仓（4），内原料聚集仓（5）顶面中央位置开设第一原料入口（1）；反应器主体的底部设成品聚集仓（12）；微通道反应线（11）上下连通外原料聚集仓（4）和成品聚集仓（12）并通过通孔（14）连接内原料聚集仓（5），反应器主体内外均设有冷却系统。

2.根据权利要求1所述的一种实现规模化生产的微通道反应器，其特征在于：所述的外壳体（10）和内壳体（13）的材质为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种实现规模化生产的微通道反应器，其特征在于：所述的微通道反应线（11）为内壳体（13）的外表面上纵向开设的凹槽。

4.根据权利要求3所述的一种实现规模化生产的微通道反应器，其特征在于：所述的微通道反应线（11）在内壳体（13）的水平横截面圆周上相间隔的弧度为2o~90o。

5.根据权利要求1或3所述的一种实现规模化生产的微通道反应器，其特征在于：所述微通道反应线（11）的凹槽深度为0.2mm~2mm，凹槽宽度为0.2mm~2mm。

6.根据权利要求1所述的一种实现规模化生产的微通道反应器，其特征在于：所述的冷却系统包括内冷却系统（6）和外冷却系统（7），内冷却系统（6）为内壳体（13）的密闭内腔，外冷却系统（7）为设置在外壳体（10）外壁的夹套层，内冷却系统（6）和外冷却系统（7）连接有冷却水进出管线。

7.根据权利要求6所述的一种实现规模化生产的微通道反应器，其特征在于：所述的内冷却系统（6）为设置在内壳体（13）内壁的夹套层。