CN106140050A - 反应器单元及双面型微反应器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应器单元及双面型微反应器系统，该反应器单元包括混合通道，混合通道两端分别设有至少两个入口通道和至少两个出口通道；至少两个入口通道与混合通道连通处形成第一汇集处，第一汇集处为反应物撞击区；至少两个出口通道与混合通道连通处形成第二汇集处，第二汇集处为反应物涡街区；形成涡街所需的绕流柱设置在靠近第二汇集处一侧的混合通道内。该双面型微反应器系统，包括反应板，反应板上设有若干个前述的反应器单元。本发明能够解决微反应器在使用过程中，流体“滞点”造成的反应物停滞、积累和阻塞流道等问题，还能解决在加工过程中，由于多个反应器单元设置不对称所造成的变形问题，以及在使用过程中两侧温度不均所产生的变形问题。

Description

反应器单元及双面型微反应器系统

技术领域

本发明涉及微反应器领域，尤其通过介观尺度撞击流及绕柱流动，强化混合，优化控制化学反应过程的反应器单元及双面型微反应器系统。

背景技术

微反应器是通过精密加工技术制造的小型反应系统，内部的流道尺寸在微米至几毫米量级。微反应器的主要作用是对质量和热量传递过程的强化及流体流动方式的改进，其主要强化的是传递特性。在微反应器内，随着线尺度减小，一些物理量的梯度很快增加，从而导致传质、传热推动力的增加，扩大了单位体积或单位面积的扩散通量，这对于化学反应十分重要。

由于流体厚度的减小，相应的面积体积比会显著提高，也强化了反应过程。微反应器的体积急剧减小，原先大规模的间歇反应过程可以用连续反应过程来替代，提高了设备的安全性和反应过程的选择性。

微反应器的一个重要特征是由多个基本单元进行串联或并联操作，即微反应器单元的大量重复，组成的系统可以灵活地满足生产量变化的需求和快速地工程放大。

现有的微反应器，如，专利200880107030.5公开了过程加强的微流体装置，流体在该装置中流动，通过“改向壁”产生反向流动的两股流体，可以在保持装置引起的压降在相同的水平或设置降低压降的基础上，提高混合性能和产量，但仍存在以下问题：

1、流体“滞点”，造成反应物料停滞，不断积累，阻塞通道问题出现；

2、在基板的一侧加工流体通道，由于基板材料内受应力作用，使得反应板在加工过程中，产生变形。同时在使用过程中，反应板两侧温度不均，产生变形，影响使用效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种反应器单元，能够解决微反应器在使用过程中，流体“滞点”造成的反应物停滞、积累和阻塞流道问题。

本发明的另一目的是提供一种双面型微反应器系统，能够解决在加工过程中，由于多个反应器单元设置不对称所造成的变形问题，以及在使用过程中两侧温度不均所产生的变形问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种反应器单元，包括：

一混合通道，所述混合通道两端分别设有至少两个用于反应物流入的入口通道和至少两个用于反应物流出的出口通道；

至少两个所述入口通道与所述混合通道连通处形成第一汇集处，所述第一汇集处为反应物撞击区；

至少两个所述出口通道与所述混合通道连通处形成第二汇集处，所述第二汇集处为反应物涡街区；

一绕流柱，所述绕流柱设置在靠近所述第二汇集处一侧的所述混合通道内；

反应物在所述撞击区撞击混合后流入所述混合通道内，经所述绕流柱绕流后，形成涡街，即所述涡街区，并从所述出口通道流出。

优选地，所述入口通道的数量为两个，分别为第一入口通道和第二入口通道，所述第一入口通道和所述第二入口通道分设在所述混合通道两侧，且均与所述混合通道垂直连通。

优选地，所述出口通道的数量为两个，分别为第一出口通道和第二出口通道，所述第一出口通道和所述第二出口通道分设在所述混合通道两侧，且均与所述混合通道垂直连通。

优选地，所述绕流柱为圆柱形结构，所述圆柱形结构垂直设置在所述混合通道内，使流入所述混合通道内的反应物从所述绕流柱的前部经两侧流过，到达所述绕流柱的后部形成的所述涡街区内。

本发明还提供了一种双面型微反应器系统，包括：

反应板，以及设置在所述反应板的正反两侧的第一换热板和第二换热板；

所述反应板的正面设有若干个第一反应器单元，反面设有若干个第二反应器单元，所述第一反应器单元和所述第二反应器单元均为前述的反应器单元；

所述第一反应器单元和所述第二反应器单元交错排列，每个所述第二反应器单元的出口通道与所述每个所述第一反应器单元的入口通道连通；

所述反应板的表面上设有进料口和出料口；

反应物从所述进料口进入所述反应板的反面的某一个所述第二反应器单元的入口通道，并经所述第二反应器单元后从所述第二反应器单元的出口通道进入所述反应板的正面某一个所述第一反应器单元的入口通道，依次经过若干个所述第二反应器单元和所述第一反应器单元后，到达所述出料口。

优选地，所述第一换热板和所述第二换热板与所述反应板之间均设有隔层，所述隔层用于密封所述反应板上设置的所述第一反应器单元和所述第二反应器单元并用于传热。

优选地，若干个所述第一反应器单元排列成若干排第一反应通道，相邻所述第一反应通道起始端的所述第一反应器单元之间通过第一改变通道进行连通；

所述第一改变通道设置在所述反应板的反面表面上，且所述第一改变通道的两端分别与相邻所述第一反应通道起始端的所述第一反应器单元的入口通道连通。

优选地，若干个所述第二反应器单元排列成若干排第二反应通道，相邻所述第二反应通道尾端的所述第二反应器单元之间通过第二改变通道进行连通；

所述第二改变通道设置在所述反应板的正面表面上，且所述第二改变通道的两端分别与相邻所述第二反应通道尾端的所述第二反应器单元的出口通道连通。

优选地，所述第一改变通道和所述第二改变通道均为弧形状结构，所述弧形状结构的两端均设有用于反应物流入或流出的通孔。

进一步优选地，所述第一反应器单元和所述第二反应器单元均沿所述反应板的表面朝相对的方向凹陷。

通过本发明提供的一种反应器单元及双面型微反应器系统，能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明反应器单元利用了撞击流理论和介观尺度及低雷诺数圆柱绕流理论，实现微反应器单元内的过程强化。

2、本发明通过设置的两个用于反应物流入的入口通道，使两股等量流体同轴相向流动，并在两加速入口通道的中间相互撞击，形成一个湍流、浓度最高的撞击区，为强化热质传递提供了极好的条件。在两相密度有差别的体系中，因惯性可从一股流体渗入另一股反向流体中，并在开始渗入反向流的瞬间，相间相对速度达到最大值。渗入反向流后，又因反向流体的摩擦阻力而减速达到零速度后又被该流体反向加速向撞击面运动，随后渗入原来的流体中。如此减幅振荡往复运动若干次后，轴向速度逐渐消失，最后被撞击后转为径向流动，带出撞击区。这种传递方式的优点在于:(1)相间传递可以通过流体与反向流体间的相对速度大幅度增加；(2)流体在相向流体间往复渗透延长了它们在传递活性区中的停留时间，使得强化传递的条件在一定程度上得以延续。导致在撞击区强烈混合，造成温度和组成均化，有利于提高平均推动力，促进传递过程。

3、本发明通过在一定范围之间的雷诺数判别流体流动的状态，区分流体经过在混合通道内设置的绕流柱后的流动是层流或湍流，实现对绕流柱阻力的计算，进而通过实际需求确定绕流柱的直径大小。目的是使得反应物经过绕流柱后，形成涡街，进一步混合，并且不会产生“滞点”，有效地避免反应物停滞积累，阻塞流道。

4、本发明的双面型微反应器系统，在反应板的正反两侧表面上均设置若干个反应器单元，通过对称交叉设置的反应器单元，使得反应物在正反两侧的反应器单元中反复运动若干次后从出料口流出，增加了混合反应次数，延长了反应路径。在反应板正反两侧交叉流过，一方面可以达到过程强化，另一方面，可以避免反应板受应力不均发生变形。

5、本发明的双面型微反应器系统，由于是在反应板的正反两侧表面上设置反应器单元，不仅简化加工程序，还可以增加对反应板材料的选择，满足材料的选择不仅仅局限于现有的玻璃、陶瓷等材料，有效地降低生产成本，提高适用范围。

6、本发明通过反应板两侧设置的隔层来实现反应物在反应器中的流动，还可以将热量传递至连接的换热板，进而实现热量交换。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种反应器单元及双面型微反应器系统的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明中反应器单元的结构示意图；

图2是本发明中双面型微反应器系统中反应板的立体结构示意图；

图3是本发明双面型微反应器系统的总体层状结构的示意图；

图4是本发明双面型微反应器系统中反应板的正面结构示意图；

图5是本发明双面型微反应器系统中反应板的反面结构示意图。

附图标号说明：

撞击区 A；涡街区 B；

混合通道 100；第一入口通道 101；第二入口通道 102；第一出口通道 103；

第二出口通道 104；绕流柱 105；

反应板 200；第一换热板 201；第二换热板 202；第一反应器单元 203；第二反应器单元 204；进料口 205；出料口 206；第一改变通道 207；第二改变通道 208；通孔 209。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形，其中，附图1中带箭头的线条表示反应物的流动方向。

在本发明的反应器单元的实施例一中，参看图1所示，一种反应器单元，包括一混合通道100，在混合通道100的两端分别设有至少两个用于反应物流入的入口通道和至少两个用于反应物流出的出口通道。本申请中优选为两个入口通道和两个出口通道，且在两个入口通道与混合通道100的连通处形成第一汇集处，第一汇集处为两个入口通道两股等量流体流动相撞形成一个个湍流、浓度最高的撞击区A。同时优选地出口通道也为两个，且在两个出口通道与混合通道100连通处形成第二汇集处，第二汇集处为反应物涡街区B。

具体运用时，在混合通道100内设置一绕流柱105，且将绕流柱105设置在靠近第二汇集处(即涡街区B)一侧的混合通道100内，这样当反应物通过两个入口通道流入后在撞击区A撞击混合，并径向流入混合通道100内，在混合通道100内经绕流柱105绕流后，在绕流柱105后，形成涡街，即在涡街区B内进行再次混合，最终从两个出口通道流出。

在本实施例一中，优选地，设置的两个入口通道分别为第一入口通道101和第二入口通道102，且将第一入口通道101和第二入口通道102分设在混合通道100的两侧，同时与混合通道100垂直连通，可以保证从第一入口通道101和第二入口通道102流入的两股等量流体能够同轴相向流动，并在撞击区A混合，可以强化热质传递。

在本实施例二中，在实施例一的基础上进一步优选地，设置的两个出口通道分别为第一出口通道103和第二出口通道104，且将第一出口通道103和第二出口通道104同样的分设在混合通道100的两侧，同时将其与混合通道100垂直连通，这样可以使得在涡街区B内再次混合的反应物从两个出口通道流出。

在上述反应器单元的两个实施例中，设置的绕流柱105起到了至关重要的作用，混合通道100内的反应物从绕流柱的前部(即靠近入口通道的一侧)经两侧流过，达到绕流柱的后部(即靠近出口通道的一侧)形成涡街，即在涡街区B进行强化混合，能够有效地避免反应物在混合通道100内产生“滞点”，造成反应物停滞积累，阻塞流道，保证流道的畅通性。依此，本申请中优选地，将绕流柱105设置为圆柱形结构，同时将圆柱形结构垂直设置在混合通道100内，具体的设置在混合通道100的中心轴线位置或附近处均可，能够满足反应物流体在绕流柱的后面形成涡街，即在涡街区B进行再次强化混合。

应说明的是，涡街区B的形成是采用格子Boltzmann(波尔兹曼)方法对圆柱形结构的绕流柱105进行模拟得到。具体的对雷诺数在10至80范围的流体进行了多组模拟，得到了临界雷诺数Re＝46。当雷诺数小于临界雷诺数时，流动形式为稳态，流场发展为对称；而当雷诺数高于临界雷诺数时，流场呈现出不对称性，形成卡门涡街现象。具体的采用雷诺数Re＝26和Re＝66下的圆柱形结构的绕流柱105绕流进行了模拟，并采用非对称初场引入非对称性。当雷诺数Re＝26时，经过充分流动，最终发展为稳态；而当雷诺数Re＝66时，流场呈现非对称性，并且不会随流动的进展而消失，随时间的变化，流场呈现出不同的非对称样式，形成非稳态流动。本申请中将雷诺数设置在大于100，在绕流柱的后部(即远离撞击区A的一侧)产生卡门涡街现象形成涡街区B，流场呈现出不同的非对称样式，形成非稳态流动，可以有利于反应物料的进一步混合，并且不会产生“滞点”，造成反应物停滞积累，阻塞流道。

本发明还提供了一种双面微反应器系统，参看图2-5所示，具体如下：

在本发明双面型微反应器系统的实施例一中，双面型微反应器系统，包括反应板200，以及设置在反应板200的正反两侧的第一换热板201和第二换热板202，见图3所示。同时，在反应板200的正面设有若干个第一反应器单元203，见图4所示，且在反应板200的反面设有若干个第二反应器单元204，见图5所示。其中，第一反应器单元203和第二反应器单元204均沿反应板200的表面朝相对的方向凹陷，这样与第一换热板201和第二换热板202之间，通过隔层密封连接形成反应物流动的流通腔。

应说明的是，第一反应器单元203和第二反应器单元204均为前述两个实施例中的反应器单元，该反应器单元包括一混合通道100，在混合通道100两端分别设有至少两个用于反应物流入的入口通道和至少两个用于反应物流出的出口通道。

在本发明双面型微反应器系统的实施例一中，设置的若干个第一反应器单元203和若干个第二反应器单元204交错排列，且每个第二反应器单元204的出口通道与每个第一反应器单元203的入口通道连通。同时在反应板200的一表面上设有用于反应物进入的进料口205和用于反应物流出的出料口206，其中，应说明的是，本申请中将进料口205设置在反应板的正面，出料口206设置在反应板的反面，当然在其他实施例中，进料口205和出料口206可以设置在反应板200的同一表面上均可。

具体运用时，反应物从进料口205进入反应板200的反面某一个第二反应器单元204的入口通道，并经第二反应器单元204后从第二反应器单元204的出口通道进入反应板200的正面某一个第一反应器单元203的入口通道，依次经过若干个第二反应器单元204和第一反应器单元203后到达出料口206实现过程加强。

在本发明双面型微反应器系统的实施例一中，优选地，在第一换热板201和反应板200之间，以及第二换热板202和反应板200之间均设有隔层(图中未标示)，该隔层用于密封反应板200上设置的第一反应器单元203和第二反应器单元204，使其形成反应物流动的流通腔，并用于与换热板进行热量转换，有效地提高换热效率。

本发明双面型微反应器系统作为一个具体的实施例，参看图4所示，若干个第一反应器单元203排列成若干排第一反应通道，尾排第一反应通道尾端的第一反应器单元203的出口通道与出料口206连通，且相邻第一反应通道起始端的第一反应器单元203之间通过第一改变通道207进行连通。

应说明的是，在图4中若干排第一反应通道从左到右纵向排列，最左端的一排为首排，最右端的一排为尾排。其中，尾排的尾端的第一反应器单元203即为最右端的一排最下面的一个第一反应器单元203。另外，相邻第一反应通道起始端即为左右相邻排第一反应通道最上面为起始端。

具体运用时，将第一改变通道207设置在反应板200的反面表面上，见图5所示，且第一改变通道207的两端分别与相邻第一反应通道起始端的第一反应器单元203的入口通道连通。这样可以将流经第一反应器单元203的反应物，通过第一改变通道207流入反应板200的反面第二反应器中。通过设置的第一改变通道207，不仅能够实现第一反应器单元203和第二反应器单元204之间的连通，还能实现相邻两排第一反应通道之间的连通，进而保证反应物在有限的范围内做连续的流动，进一步实现过程强化。

本发明双面型微反应器系统作为一个具体的实施例中，参看图5所示，优选地，将若干个第二反应器单元204排列成若干排第二反应通道，首排第二反应通道起始端的第二反应器单元204的入口通道与进料口205连通，且相邻第二反应通道尾端的第二反应器单元204之间通过第二改变通道208进行连通。

应说明的是，在图5中若干排第二反应通道从右到左纵向排列，最右端的一排为首排，最左端的一排为尾排。其中，首排的起始端的第二反应器单元204即为最右端的一排最上面的一个第二反应器单元204。另外，相邻第二反应通道尾端即为左右相邻排第二反应通道最下面为尾端。

具体运用时，将第二改变通道208设置在反应板200的正面表面上，见图4所示，且第二改变通道208的两端分别与相邻第二反应通道尾端的第二反应器单元204的出口通道连通。这样可以将流经第二反应器单元204的反应物，通过第二改变通道208流入反应板200的正面第一反应器单元203中。通过设置的第二改变通道208，不仅能够实现，第一反应器单元203和第二反应器单元204之间的连通，还能实现相邻两排第二反应通道之间的连通，进而保证反应物在有限的范围内做连续的流动，进一步的实现过程强化。更优的是反应物均能在反应板200的正反两面流动，使得反应板200的正反两面受力均匀，避免使用过程中发生变形；同时此设置方式简化了在反应板200上设置反应器单元的加工程序，避免对反应板200加工时，导致的变形，且突破了以往仅采用玻璃、陶瓷等材料作为反应板200，而运用本申请中的上述设置方式，可以有效地扩大反应板200的适用范围，反应板200可采用除玻璃、陶瓷以外的钢板材料均可，可以有效地降低了生产成本。

本发明双面型微反应器系统作为一个具体的实施例中，再次参看图4、5所示，设置的第一改变通道207和第二改变通道208均为弧形状结构，即优选为半圆形，且在弧形状结构的两端均设有用于反应物流入或流出的通孔209，即一端流入时，另一端流出，反之一端作为流出时，另一端作为流入。其中，通孔209的数量和设置的位置与反应器单元中设置的入口通道和出口通道的相对应，这样通过设置的第一改变通道207和第二改变通道208能够实现第一反应器单元203和第二反应器单元204之间的连通，还能实现相邻两排第一反应通道，第二反应通道之间的连通，进而延长反应物流通路径，从而实现过程强化。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应器单元，其特征在于，包括：

一混合通道，所述混合通道两端分别设有至少两个用于反应物流入的入口通道和至少两个用于反应物流出的出口通道；

至少两个所述入口通道与所述混合通道连通处形成第一汇集处，所述第一汇集处为反应物撞击区；

至少两个所述出口通道与所述混合通道连通处形成第二汇集处，所述第二汇集处为反应物涡街区；

一绕流柱，所述绕流柱设置在靠近所述第二汇集处一侧的所述混合通道内；

反应物在所述撞击区撞击混合后流入所述混合通道内，经所述绕流柱绕流后流入所述涡街区内，并从所述出口通道流出。

2.根据权利要求1所述的反应器单元，其特征在于：

所述入口通道的数量为两个，分别为第一入口通道和第二入口通道，所述第一入口通道和所述第二入口通道分设在所述混合通道两侧，且均与所述混合通道垂直连通。

3.根据权利要求1或2所述的反应器单元，其特征在于：

所述出口通道的数量为两个，分别为第一出口通道和第二出口通道，所述第一出口通道和所述第二出口通道分设在所述混合通道两侧，且均与所述混合通道垂直连通。

4.根据权利要求1所述的反应器单元，其特征在于：

所述绕流柱为圆柱形结构，所述圆柱形结构垂直设置在所述混合通道内，使流入所述混合通道内的反应物从所述绕流柱的前部经两侧流过，到达所述绕流柱的后部形成的所述涡街区内。

5.一种双面型微反应器系统，其特征在于，包括：

反应板，以及设置在所述反应板的正反两侧的第一换热板和第二换热板；

所述反应板的正面设有若干个第一反应器单元，反面设有若干个第二反应器单元，所述第一反应器单元和所述第二反应器单元均为权利要求1-4任一项所述的反应器单元；

所述第一反应器单元和所述第二反应器单元交错排列，每个所述第二反应器单元的出口通道与所述每个第一反应器单元的入口通道连通；

所述反应板的表面上设有进料口和出料口；

反应物从所述进料口进入所述反应板的反面某一个所述第二反应器单元的入口通道，并经所述第二反应器单元后从所述第二反应器单元的出口通道进入所述反应板的正面某一个所述第一反应器单元的入口通道，依次经过若干个所述第二反应器单元和所述第一反应器单元后，到达所述出料口。

6.根据权利要求5所述的双面型微反应器系统，其特征在于：

所述第一换热板和所述第二换热板与所述反应板之间均设有隔层，所述隔层用于密封所述反应板上设置的所述第一反应器单元和所述第二反应器单元并用于传热。

7.根据权利要求5所述的双面型微反应器系统，其特征在于：

若干个所述第一反应器单元排列成若干排第一反应通道，相邻所述第一反应通道起始端的所述第一反应器单元之间通过第一改变通道进行连通；

所述第一改变通道设置在所述反应板的反面表面上，且所述第一改变通道的两端分别与相邻所述第一反应通道起始端的所述第一反应器单元的入口通道连通。

8.根据权利要求7所述的双面型微反应器系统，其特征在于：

若干个所述第二反应器单元排列成若干排第二反应通道，相邻所述第二反应通道尾端的所述第二反应器单元之间通过第二改变通道进行连通；

所述第二改变通道设置在所述反应板的正面表面上，且所述第二改变通道的两端分别与相邻所述第二反应通道尾端的所述第二反应器单元的出口通道连通。

9.根据权利要求8所述的双面型微反应器系统，其特征在于：

所述第一改变通道和所述第二改变通道均为弧形状结构，所述弧形状结构的两端均设有用于反应物流入或流出的通孔。

10.根据权利要求5-9任一项所述的双面型微反应器系统，其特征在于：

所述第一反应器单元和所述第二反应器单元均沿所述反应板的表面朝相对的方向凹陷。