CN106492717B - 一种柱排微反应通道及微反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柱排微反应通道及微反应器，所述柱排微反应通道包括微反应单元(1)，所述微反应单元包括进口段(11)、出口段(12)和位于二者之间的扩张段(13)，且在所述进口段(11)与所述扩张段(13)之间形成有流通面积先减小、后增大的第一弯道部分(14)，且在所述第一弯道部分(14)处设置有至少一个第一分流柱(2)。通过本发明能够在该第一弯道部分提高流体的流速，且通过高速的流体撞击至第一分流柱上，能增加流体的横向流速，增大流体的湍流程度，增加了流体间的混合充分程度，有效地提高了微反应通道的反应收率。

Description

一种柱排微反应通道及微反应器

技术领域

本发明属于化工、医药机械技术领域，具体涉及一种柱排微反应通道及微反应器。

背景技术

在化工或医药生产过程中，流体之间的反应工作大多是通过微反应器来进行混合实现的，而对两种流体进行混合是微反应器最常进行的工作。微反应器是一种建立在连续流动基础上的微管道式反应器，用以替代传统反应器，如玻璃烧瓶、漏斗，以及工业有机合成中常用的反应釜等传统间歇反应器。在微反应器中有大量的以精密加工技术制作的微型反应通道，它可以提供极大的比表面积，传质传热效率极高。另外，微反应器以连续流动代替间歇操作，使准确控制反应物的停留时间成为可能。这些特点使有机合成反应在微观尺度上得到精确控制，为提高反应选择性和操作安全性提供了可能。

目前生产中所使用的微反应器对两种流体进行混合是依次将两种流体注入到混合空间内，使两种流体在混合空间内进行混合，流体注入的通道结构比较简单。由于两种流体在进入混合空间后都是处于静态自然混合，容易出现两种流体的混合不充分，导致反应物的收率不高。

由于现有技术中的微反应器存在流体混合不充分、导致反应物收率较低等技术问题，因此本发明研究设计出一种柱排微反应通道及微反应器。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的微反应器存在流体混合不充分的缺陷，从而提供一种柱排微反应通道及微反应器。

本发明提供一种柱排微反应通道，其包括微反应单元，所述微反应单元包括进口段、出口段和位于二者之间的扩张段，其中在所述进口段与所述扩张段之间形成有流通面积先减小、后增大的第一弯道部分，且在所述第一弯道部分处设置有至少一个第一分流柱。优选地，所述扩张段的流通截面积分别大于所述进口段和所述出口段的流通截面积。

优选地，所述第一分流柱为多个，且沿流体流向布置成多排；相邻两排所述分流柱之间，成相互交错地布置。

优选地，在所述扩张段中靠近所述第一分流柱的位置还设置有沿流体流向延伸的一个以上的分流挡板，所述分流挡板将流体分隔成两个以上的第一排形分流通道；优选地，所述分流挡板为两个以上时，两个以上的所述分流挡板均相互平行地设置。

优选地，在所述出口段与所述扩张段之间也形成有流通面积先减小、后增大的第二弯道部分，且在所述第二弯道部分处设置有沿流体流向布置的多排第二分流柱。

优选地，所述第一分流柱和/或所述第二分流柱为圆柱状结构，其轴线方向沿与流体流向相垂直的方向延伸。

优选地，所述微反应通道还包括“口”形通道，所述“口”形通道包括进口管路、出口管路和位于二者之间的两支分流管路，两支所述分流管路在与所述进口管路相接处将流体一分为二，且在两支所述分流管路与所述出口管路相接处将流体合二为一；

所述微反应单元形成于所述进口管路、和/或所述出口管路、和/或至少一个所述分流管路的部分。

优选地，两支所述分流管路包括第一分流管路和第二分流管路，在所述第一分流管路、所述第二分流管路和所述出口管路共同相交处还设置有沿来流方向平行延伸地设置的至少两排的第二分流挡板，所述第二分流挡板将流体分隔成两个以上的第二排形分流通道，并在两排中间进行汇合并流至所述出口管路。

优选地，在所述第一分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第一弯折管段、在所述第二分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第二弯折管段，

且所述第一弯折管段与所述第二弯折管段共同形成“W”形的汇流管段。

优选地，所述通道包括至少两个所述的“口”形通道，至少两个所述的“口”形通道成串联连接；和/或成并联连接。

本发明还提供一种微反应器，其包括前述的柱排微反应通道。

本发明提供的一种柱排微反应通道及微反应器具有如下有益效果：

1.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过将在所述进口段与所述扩张段之间形成有流通面积先减小、后增大的第一弯道部分，且在所述第一弯道部分处设置有至少一个第一分流柱，能够在该第一弯道部分提高流体的流速，且通过高速的流体撞击至第一分流柱上，能够增加流体的横向流速(即沿进口段延伸方向相垂直的方向)，增大流体的湍流程度，增加了流体间的混合充分程度，有效地提高了微反应通道的反应收率；

2.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过在所述第一弯道部分处设置有至少一个第一分流柱，还可以通过该第一分流柱有效地抵消弯道部分离心力对流体流动的影响，使得流过弯道部分的流体分布均匀；

3.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过在扩张段位于第一分流柱下游端设置一个以上的分流挡板的结构形式，能够对第一分流柱分流混合后的流体进行扩张并进一步的分流作用，能够进一步更大程度地提高流体之间再次混合时的混合充分程度，进一步有效地提高了微反应通道的反应收率；

4.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过在所述出口段与所述扩张段之间也形成有流通面积先减小、后增大的第二弯道部分，且在所述第二弯道部分处设置有沿流体流向布置的多排第二分流柱，能够使得流体能够从出口段逆向地流向朝扩张段、对于不确定流动方向或需要逆流的场合，使得流体在可逆通道内的正流、逆流下的流动状态完全一样，杜绝了因进出方向接反而造成的混合不充分的可能，节省了需要逆流时的反向安装过程，从而实现了流体在正流转逆流过程中的连续化；

5.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过还包括“口”形通道、且所述微反应单元形成于所述进口管路、和/或所述出口管路、和/或至少一个所述分流管路的部分的方式，能够通过“口”形通道对流体起到分流后再次汇流的作用，加大流体的混合充分程度，同时利用前述的微反应单元，能够加大进口管路、和/或述出口管路、和/或至少一个分流管路处流体的混合充分程度，进一步有效且高效地提高流体的混合充分程度，提高反应物的收率；

6.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过第一分流管路、所述第二分流管路和所述出口管路共同相交处还设置有沿来流方向平行延伸地设置的至少两排的第二分流挡板，能够在出口管路的进流处对流体进行分流和混合，进一步有效地提高流体的混合充分程度，使得从出口管路流出的流体混合和反应更为充分，提高流体反应物的收率；

7.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过在第一分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第一弯折管段、在所述第二分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第二弯折管段，能够对流经该两处的流体产生弯折的流动，减小离心力的作用对流体均匀分流的不良影响，离心力使大部分流体沿外壁流动，在“S”形曲线弯折段的作用下使流体尽可能均匀分流；

8.本发明的柱排微反应通道及微反应器，通过所述通道包括至少两个所述的“口”形通道，至少两个所述的“口”形通道成串联连接；和/或成并联连接，能够在不减小通量的情况下，使每个排型通道的尺寸都达到微米级，充分利用了微通道内流体在传质、传热方面的巨大优势；可以根据实际使用要求自由组合各混合单元，灵活性强，种类多，适用范围广；组合后的各种混合结构中，都含有多次的分流、汇流区域，实现流体的多次分流、混合，混合效果极佳。

附图说明

图1是本发明的柱排微反应通道的第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明的柱排微反应通道的第二实施方式的结构示意图；

图3是本发明的柱排微反应通道的第三实施方式的结构示意图；

图4是本发明的柱排微反应通道的第四实施方式的结构示意图；

图5是本发明图4的A部分的放大结构示意图；

图6是本发明的柱排微反应通道的第五实施方式的结构示意图(并联)；

图7是本发明的柱排微反应通道的第六实施方式的结构示意图；

图8是本发明的柱排微反应通道的第七实施方式的结构示意图(串联)。

图中附图标记表示为：

1—微反应单元，11—进口段，12—出口段，13—扩张段，14—第一弯道部分，15—第二弯道部分，2—第一分流柱，3—分流挡板，4—第一排形分流通道，5—第二分流柱，6—进口管路，7—出口管路，8—分流管路，81—第一分流管路，82—第二分流管路，9—第二分流挡板，91—第二排形分流通道，101—第一弯折管段，102—第二弯折管段。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供一种柱排微反应通道，其包括微反应单元1，所述微反应单元包括进口段11、出口段12和位于二者之间的扩张段13，其中所述扩张段13在与流体流动方向相垂直的流通截面积分别大于所述进口段11和所述出口段12的流通截面积；且在所述进口段11与所述扩张段13之间形成有流通面积先减小、后增大的第一弯道部分14，且在所述第一弯道部分14处设置有至少一个第一分流柱2。

本发明的柱排微反应通道，通过将在所述进口段与所述扩张段之间形成有流通面积先减小、后增大的第一弯道部分，且在所述第一弯道部分处设置有至少一个第一分流柱，能够在该第一弯道部分提高流体的流速，且通过高速的流体撞击至第一分流柱上，能够增加流体的横向流速(即沿进口段延伸方向相垂直的方向)，增大流体的湍流程度，增加了流体间的混合充分程度，有效地提高了微反应通道的反应收率；

还通过在所述第一弯道部分处设置有至少一个第一分流柱，还可以通过该第一分流柱有效地抵消弯道部分离心力对流体流动的影响，减小离心力的作用对流体均匀分流的不良影响，如果没有分流柱的话离心力使大部分流体沿外壁往下流动，增加了盲区、减小了混合程度，因此本发明在分流柱的共同作用下使流体在流过弯道部分能够尽可能地均匀分流。

优选地，所述第一分流柱2为多个，且沿流体流向布置成多排；相邻两排所述分流柱2之间，成相互交错地布置。这样能够有效地使得流体通过上游排分流柱之间的间隙后、流向相邻下游排分流柱的位置处，使得流体相互碰撞、增大横向流动速度(垂于流体流向)，从而能够进一步有效地提高流体的混合充分的程度，进一步增大流体反应物的收率。

优选地，在所述扩张段13中靠近所述第一分流柱2的位置还设置有沿流体流向延伸的一个以上的分流挡板3，所述分流挡板3将流体分隔成两个以上的第一排形分流通道4；优选地，所述分流挡板3为两个以上时，两个以上的所述分流挡板3均相互平行地设置。流体流入一次分流区(第一分流柱所处的管段位置)，在若干个分流柱的作用下，流体实现多次分流-混合；后在二次分流区(扩张段13位置)的作用下，流体再次被分流，最后在汇流区实现汇流，汇流后流入下级通道。

本发明的柱排微反应通道，通过在扩张段位于第一分流柱下游端设置一个以上的分流挡板的结构形式，能够对第一分流柱分流混合后的流体进行扩张并进一步的分流作用，能够进一步更大程度地提高流体之间再次混合时的混合充分程度，进一步有效地提高了微反应通道的反应收率。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上，优选地，本发明的柱排微反应通道还可设置成可逆混合反应通道，即在所述出口段12与所述扩张段13之间也形成有流通面积先减小、后增大的第二弯道部分15，且在所述第二弯道部分15处设置有沿流体流向布置的多排第二分流柱5。

由于实施例1的微反应单元中的流体流动具有一定的方向性，适用于流动方向单一、明确且能明显区分的场合，流体一旦逆流，混合效果将大大降低。因此，对于不确定流动方向或需要逆流的场合，就需要一种可逆的混合结构。本发明提出一种可逆混合结构，流体在可逆通道内的正流、逆流下的流动状态完全一样，杜绝了因进出方向接反而造成的混合不充分的可能，节省了需要逆流时的反向安装过程，从而实现了流体在正流转逆流过程中的连续化。

通过在所述出口段与所述扩张段之间也形成有流通面积先减小、后增大的第二弯道部分，且在所述第二弯道部分处设置有沿流体流向布置的多排第二分流柱，能够使得流体能够从出口段逆向地流向朝扩张段(由于流体的流向通常一定是先经过分流柱、再经过分流挡板。分流柱的作用就是使流体在分流挡板处实现相对均匀的分流)、对于不确定流动方向或需要逆流的场合，使得流体在可逆通道内的正流、逆流下的流动状态完全一样，杜绝了因进出方向接反而造成的混合不充分的可能，节省了需要逆流时的反向安装过程，从而实现了流体在正流转逆流过程中的连续化。

优选地，所述第一分流柱2和/或所述第二分流柱5为圆柱状结构，其轴线方向沿与流体流向相垂直的方向延伸。这是本发明的柱排微反应通道中的第一和/或第二分流柱的优选形状和具体结构。

实施例3

如图3所示，在实施例1或2的基础上，优选地，本发明的微反应通道还包括“口”形通道，所述“口”形通道包括进口管路6、出口管路7和位于二者之间的两支分流管路8，两支所述分流管路在与所述进口管路相接处将流体一分为二，且在两支所述分流管路与所述出口管路相接处将流体合二为一；

所述微反应单元形成于所述进口管路6、和/或所述出口管路7、和/或至少一个所述分流管路8的部分。

通过还包括“口”形通道、且所述微反应单元形成于所述进口管路、和/或所述出口管路、和/或至少一个所述分流管路的部分的方式，能够通过“口”形通道对流体起到分流后再次汇流的作用，加大流体的混合充分程度，同时利用前述的微反应单元，能够加大进口管路、和/或述出口管路、和/或至少一个分流管路处流体的混合充分程度，进一步有效且高效地提高流体的混合充分程度，提高反应物的收率。

实施例4

如图4-5所示，在实施例3的基础上，优选地，本发明的微反应通道的两支所述分流管路8包括第一分流管路81和第二分流管路82，在所述第一分流管路81、所述第二分流管路82和所述出口管路7共同相交处还设置有沿来流方向平行延伸地设置的至少两排的第二分流挡板9，所述第二分流挡板9将流体分隔成两个以上的第二排形分流通道91，并在两排中间进行汇合并流至所述出口管路。

流体由上级通道流入一次分流区，实现一分二的分流；被分的两股流体分别进入各自下游的二次分流区，在若干个圆柱形分流柱的作用下，流体实现多次分流-混合；在三次分流区的作用下，流体再次被分流，后在一次汇流区实现汇流；汇流后的两股流体各自流至分流对冲区两侧，经由四次分流区分流后，对应的分流通道内的流体在对冲区对冲混合，汇集后流入下级通道，形成柱排并联+分流对冲型反应通道。根据流过的流体流量，对冲区可呈一定角度，参见图4所示。

流体各自流至分流对冲区两侧，经由分流区分流后，对应的分流通道内的流体在对冲区对冲混合，汇集后流入下级通道，形成分流对冲型反应通道。根据流过的流体流量，对冲区可呈一定角度，参见图5所示。

通过第一分流管路、所述第二分流管路和所述出口管路共同相交处还设置有沿来流方向平行延伸地设置的至少两排的第二分流挡板，能够在出口管路的进流处对流体进行分流和混合，进一步有效地提高流体的混合充分程度，使得从出口管路流出的流体混合和反应更为充分，提高流体反应物的收率。

实施例5

如图6所示，在实施例3的基础上，优选地，在所述第一分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第一弯折管段101(优选为朝向所述第一分流管路的方向进行弯折)、在所述第二分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第二弯折管段102(优选为朝向所述第二分流管路的方向进行弯折)，

且所述第一弯折管段101与所述第二弯折管段102共同形成“W”形的汇流管段。

微反应通道形成于“口”形通道的第一分流管路81和第二分流管路82处以及出口管路7处：流体由上级通道流入一次分流区，实现一分二的分流；被分的两股流体分别进入各自下游的二次分流区，在若干个圆柱形分流柱的作用下，流体实现多次分流-混合；在三次分流区的作用下，流体再次被分流，后在一次汇流区实现汇流；一次汇流后的两股流体经过“S”形曲线段后在二次汇流处实现二次汇流；二次汇流后的流体流入四次分流区，在若干个圆柱形分流柱的作用下，流体实现多次分流-混合；后在五次分流区的作用下，流体再次被分流，后在三次汇流区实现汇流，汇流后流入下级通道，参见图6所示。

通过在第一分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第一弯折管段、在所述第二分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第二弯折管段，能够对流经该两处的流体产生弯折的流动，减小离心力的作用对流体均匀分流的不良影响，离心力使大部分流体沿外壁流动，在“S”形曲线弯折段和分流柱的共同作用下使流体尽可能均匀分流。

实施例6

如图7-8所示，在实施例3的基础上，优选地，所述通道包括至少两个所述的“口”形通道，至少两个所述的“口”形通道成串联连接；和/或成并联连接。

如图7所示，两“口”形通道相串联：微反应单元形成于“口”形通道的出口管路7处：流体由上级通道流入一次分流区，实现一分二的分流；被分的两股流体分别进入各自下游的二次分流区，实现二分四的分流；后在一次汇流区实现四合二的汇流；汇流后的两股流体各自流至二次汇流区，实现二合一的汇流；汇流后的流体流入三次分流区，在若干个圆柱形分流柱的作用下，流体实现多次分流-混合；后在四次分流区的作用下，流体再次被分流，后在三次汇流区实现汇流，汇流后流入下级通道。

如图8所示，两“口”形通道串联：流体由上级通道流入一次分流区，实现一分二的分流；被分的两股流体分别进入各自下游的二次分流区，在若干个圆柱形分流柱的作用下，流体实现多次分流-混合；在三次分流区的作用下，流体再次被分流，后在一次汇流区实现汇流；一次汇流后的两股流体在二次汇流处实现二次汇流。

由此完成一个分流-混合循环，后进入下一个完全一样的分流-混合单元，经由若干次这样的循环后，最终达到流体的充分混合。

通过所述通道包括至少两个所述的“口”形通道，至少两个所述的“口”形通道成串联连接；和/或成并联连接，能够在不减小通量的情况下，使每个排型通道的尺寸都达到微米级，充分利用了微通道内流体在传质、传热方面的巨大优势；可以根据实际使用要求自由组合各混合单元，灵活性强，种类多，适用范围广；组合后的各种混合结构中，都含有多次的分流、汇流区域，实现流体的多次分流、混合，混合效果极佳。

一种完整的微反应通道由一种进口单元及至少一个按一定规律组合后的混合单元组成。所述组合及不局限于上述的其他组合结构，亦可根据混合需要再次组合使用。

本发明还提供一种微反应器，其包括前述的柱排微反应通道。

本发明的柱排微反应通道及微反应器具有以下有益效果：

1.柱形结构布置及设计，一方面可以抵消弯道部分离心力对流体流动的影响，使流过弯道部分的流体分布均匀；另一方面可以增加流体的横向流速，增大其湍流程度，利于混合。

2.多个排型通道并联的设计，在不减小通量的情况下，使每个排型通道的尺寸都达到微米级，充分利用了微通道内流体在传质、传热方面的巨大优势。

3.通道结构的布置方案，可以根据实际使用要求自由组合各混合单元，灵活性强，种类多，适用范围广。

4.组合后的各种混合结构中，都含有多次的分流、汇流区域，实现流体的多次分流、混合，混合效果极佳。

5.加工方面：区别于其他复杂通道只能使用一次成型的加工方法，此种混合结构不仅适合于一次成型加工，由于其多数结构为直通道，在机加工中也占有绝对的加工优势。

6.该通道结构既可用于实验室，亦可进行工业化放大，放大时只需增加排型通道及圆柱形障碍的并联数目，无放大效应。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柱排微反应通道，其特征在于：包括微反应单元(1)，所述微反应单元包括进口段(11)、出口段(12)和位于二者之间的扩张段(13)，其中，且在所述进口段(11)与所述扩张段(13)之间形成有流通面积先减小、后增大的第一弯道部分(14)，且在所述第一弯道部分(14)处设置有至少一个第一分流柱(2)，所述扩张段(13)的流通截面积分别大于所述进口段(11)和所述出口段(12)的流通截面积，在所述扩张段(13)中靠近所述第一分流柱(2)的位置还设置有沿流体流向延伸的一个以上的分流挡板(3)，所述分流挡板(3)将流体分隔成两个以上的第一排形分流通道(4)。

2.根据权利要求1所述的柱排微反应通道，其特征在于：所述第一分流柱(2)为多个，且沿流体流向布置成多排；相邻两排所述分流柱(2)之间，成相互交错地布置。

3.根据权利要求1所述的柱排微反应通道，其特征在于：所述分流挡板(3)为两个以上时，两个以上的所述分流挡板(3)均相互平行地设置。

4.根据权利要求1-2之一所述的柱排微反应通道，其特征在于：在所述出口段(12)与所述扩张段(13)之间也形成有流通面积先减小、后增大的第二弯道部分(15)，且在所述第二弯道部分(15)处设置有沿流体流向布置的多排第二分流柱(5)。

5.根据权利要求4所述的柱排微反应通道，其特征在于：所述第一分流柱(2)和/或所述第二分流柱(5)为圆柱状结构，其轴线方向沿与流体流向相垂直的方向延伸。

6.根据权利要求1-2之一所述的柱排微反应通道，其特征在于：所述微反应通道还包括“口”形通道，所述“口”形通道包括进口管路(6)、出口管路(7)和位于二者之间的两支分流管路(8)，两支所述分流管路在与所述进口管路相接处将流体一分为二，且在两支所述分流管路与所述出口管路相接处将流体合二为一；

所述微反应单元形成于所述进口管路(6)、和/或所述出口管路(7)、和/或至少一个所述分流管路(8)的部分。

7.根据权利要求6所述的柱排微反应通道，其特征在于：两支所述分流管路(8)包括第一分流管路(81)和第二分流管路(82)，在所述第一分流管路(81)、所述第二分流管路(82)和所述出口管路(7)共同相交处还设置有沿来流方向平行延伸地设置的至少两排的第二分流挡板(9)，所述第二分流挡板(9)将流体分隔成两个以上的第二排形分流通道(91)，并在两排中间进行汇合并流至所述出口管路。

8.根据权利要求7所述的柱排微反应通道，其特征在于：在所述第一分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第一弯折管段(101)、在所述第二分流管路上与所述出口管路相接的部位设置为成“S”形曲线形状的第二弯折管段(102)，

且所述第一弯折管段(101)与所述第二弯折管段(102)共同形成“W”形的汇流管段。

9.根据权利要求6所述的柱排微反应通道，其特征在于：所述通道包括至少两个所述的“口”形通道，至少两个所述的“口”形通道成串联连接；和/或成并联连接。

10.一种微反应器，其特征在于：包括权利要求1-9之一所述的柱排微反应通道。