CN106622064B - 微混合芯片和微通道反应系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微混合芯片和微通道反应系统，该微混合芯片，包括至少两个物料入口和一条反应工艺管道，每个所述物料入口分别通过一条物料预热管道连通于所述反应工艺管道的同一端，该反应工艺管道的另一端形成有一物料出口，所述物料预热管道和反应工艺管道曲线延伸并形成多个U形转角。本发明提供的微通道反应器装置由于比表面积大，在工艺放大过程中步骤简化，节约了人力物力，且具有传质传热均匀、设备占地面积小、能耗小、连续化过程操作、安全系数高等优点。且微反应芯片配置灵活，换热器独立，能适应多种物料，多步复杂工艺的连续化生产过程。

Description

微混合芯片和微通道反应系统

技术领域

本申请涉及一种化学反应器，特别是涉及一种微混合芯片和微通道反应系统，属于微流控技术领域。

背景技术

化学反应器是实现化学反应过程的设备，广泛应用于精细化工、制药、石油化工、冶金、轻工等行业。常用的反应设备如间歇式反应釜，灵活简单，能够满足各种各样的反应工艺的需求。然而，由于间歇式反应釜比表面积小，在工艺放大过程中需要多步优化，对人力物力消耗极大，且存在传质传热不均匀、设备占地面积大、能耗高、连续化生产困难、安全系数低等缺点。21世纪，随着微流控技术的兴起及飞速发展，整个化工行业也将伴随着工业4.0的革新及升级换代，而基于微流控技术的微通道反应器正是这场革新中的核心与关键所在。

微通道反应器是指特征尺度在数百微米以下的化学反应过程装备，其具有比表面积大、传质传热效率高、返混几率小及流动状态接近平推流等优点，从而可以很精确地控制反应停留时间，使反应温度范围分布变窄，加快化学反应速率，提高化学反应的选择性，展现了高效、安全、稳定、节能环保、自动化连续化生产等无可比拟的优势。

然而，现有的微通道反应器主要存在以下问题：

1、现有的微通道反应器灵活度不够，对许多化学工艺的适应性不是很好，尤其对多种物料、多步温区的反应工艺适应性不够；

2、反应模块与换热模块集成化太高，从而对于许多仅常温就可以进行的反应而言，设备造价成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微混合芯片和微通道反应系统，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开一种微混合芯片，包括至少两个物料入口和一条反应工艺管道，每个所述物料入口分别通过一条物料预热管道连通于所述反应工艺管道的同一端，该反应工艺管道的另一端形成有一物料出口，所述物料预热管道和反应工艺管道曲线延伸并形成多个U形转角。

优选的，在上述的微混合芯片中，所述反应工艺管道内阵列分布有多个混合凸柱。

优选的，在上述的微混合芯片中，所述物料入口和物料出口位于同一直线上，且位于所述微混合芯片同一侧的同一边缘。

本申请实施例还公开了一种微通道反应系统，包括：

至少一个所述的微混合芯片；

夹具，与所述微混合芯片的一个边缘固定，夹具上设有与所述物料入口、物料出口分别连通的流道过孔；

换热器，具有供所述微混合芯片插置的插槽。

优选的，在上述的微通道反应系统中，所述夹具包括夹具底板和夹具盖板，该夹具底板和夹具盖板之间可拆卸固定，所述夹具底板和夹具盖板之间形成有对所述微混合芯片边缘进行容纳的卡槽，所述流道过孔开设于所述卡槽上。

优选的，在上述的微通道反应系统中，所述夹具底板和夹具盖板之间通过紧固螺栓固定。

优选的，在上述的微通道反应系统中，所述换热器包括两块互为镜像的换热器外板、以及两块互为镜像的换热器内板，所述换热器内板夹持于两块所述换热器外板之间，两块所述换热器内板之间形成有芯片插置槽，所述换热器内板与所述换热器外板之间形成有由折流板围成的流道。

优选的，在上述的微通道反应系统中，两块所述换热器内板之间还形成有温度传感器探头插入槽。

优选的，在上述的微通道反应系统中，所述换热器内板材质为铝，所述换热器外板材质为树脂，表面喷金属漆。

优选的，在上述的微通道反应系统中，还包括：

至少一个微反应芯片，微反应芯片与微混合芯片之间连通，每个所述微反应芯片分别包括一个反应物入口和一个反应物出口，所述反应物入口和一个反应物出口之间连通有反应管道，该反应管道曲线延伸并形成多个U形转角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的微通道反应器装置由于比表面积大，在工艺放大过程中步骤简化，节约了人力物力，且具有传质传热均匀、设备占地面积小、能耗小、连续化过程操作、安全系数高等优点。且微反应芯片配置灵活，换热器独立，能适应多种物料，多步复杂工艺的连续化生产过程。本发明中，预热管道是为了使反应发生之前，多种物料充分预热，达到反应所需要的热力学能量值(活化能)，之后混合、反应能迅速进行，提高效率；弯曲管道是可以增大流体的湍动，进而增大对流传热的传热膜系数，提高传热效率。

反应芯片与换热器之间随时插入随时取出，极大地提高了灵活性，换热器与反应器采用对流传热，可以根据需求设置多个温区(多个换热器)。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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。

图1所示为本发明具体实施例中微混合芯片的结构示意图；

图2所示为本发明具体实施例中微反应芯片的结构示意图；

图3所示为本发明具体实施例中夹具底板的结构示意图；

图4所示为本发明具体实施例中夹具盖板的结构示意图；

图5所示为本发明具体实施例中换热器内板一面的结构示意图；

图6所示为本发明具体实施例中换热器内板另一面的结构示意图；

图7所示为本发明具体实施例中换热器外板的结构示意图；

图8所示为本发明第一实施例中微芯片的连接示意图；

图9所示为本发明第二实施例中微芯片的连接示意图；

图10所示为本发明第三实施例中微芯片的连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中，微通道反应系统包括微芯片、夹具和独立换热器，微芯片包括微混合芯片和微反应芯片。

结合图1所示，微混合芯片100包括至少两个物料入口101和一条反应工艺管道102，每个物料入口101分别通过一条物料预热管道103连通于反应工艺管道102的同一端，该反应工艺管道102的另一端形成有一物料出口104，物料预热管道103和反应工艺管道102曲线延伸并形成多个U形转角。

结合图2所示，反应工艺管道102内阵列分布有多个混合凸柱105。优选的，混合凸柱105靠近预热管道103的出口处。

进一步地，物料入口101和物料出口104位于同一直线上，且位于所述微混合芯片同一侧的同一边缘。

结合图2所示，微反应芯片200分别包括一个反应物入口201和一个反应物出口202，所述反应物入口201和一个反应物出口202之间连通有反应管道203，该反应管道203曲线延伸并形成多个U形转角。

该技术方案中，物料预热管道103、反应工艺管道102和反应管道203采用“方便面结构”的连续圆弧管道结构，具有很强的传质和混合效果。

结合图3和图4所示，夹具用于与微混合芯片或微反应芯片的一个边缘固定，包括夹具底板301和夹具盖板302，该夹具底板301和夹具盖板302之间通过紧固螺栓可拆卸固定。

夹具底板上形成有对微混合芯片或微反应新品边缘进行容纳的卡槽303，卡槽303上开设有流道过孔304，流道过孔304与芯片的物料出口对应，流道过孔304的四周形成有密封圈槽305。流道过孔304的另一端连通有UNF内螺纹孔。

该技术方案中，夹具的结构设计，简单有效，且使用方便，与芯片的连接密封良好，且安装拆卸极其方便。

结合图5至7所示，换热器包括两块互为镜像的换热器外板401、以及两块互为镜像的换热器内板402，相贴合的两块换热器内板402夹持于两块所述换热器外板401之间，两块所述换热器内板402之间形成有芯片插置槽403，换热器内板402与所述换热器外板401之间形成有由折流板404围成的流道405。

换热器外板401上开设有流道G内螺纹孔407，流道G内螺纹孔407与流道405连通。

进一步地，两块所述换热器内板之间还形成有温度传感器探头插入槽406。温度传感器探头优选为Pt100。

换热器外板和换热器内板之间通过紧固螺栓固定。

该技术方案中，换热器外板及内板采用镜像方式安装使用，工艺过程稳定、密封良好，且提供了极大的灵活性，使得微芯片可以选择多种温度区域，适应多种化学反应工艺过程。换热器与微芯片的连接方式独树一帜，即插即用，非常方便。

安装时，夹具底板的密封圈槽305装上相应的密封圈，再让微混合芯片或微反应芯片的物料进出口与夹具底板的流道过孔304相应地对齐，将微芯片放置在夹具底板的卡槽303上，盖上夹具盖板，夹具盖板的紧固螺栓过孔与夹具底板的紧固螺栓过孔对齐，用相应的螺栓与法兰螺母拧紧。在夹具底板的流道UNF内螺纹孔上接上相应的UNF外螺纹接头，便可通入工艺流体。

两块互为镜像的换热器内板密封圈槽位置装上相应的密封圈，两块互为镜像的换热器内板紧固螺栓过孔与两块互为镜像的换热器外板紧固螺栓过孔相应地对齐，底部的紧固螺栓过孔与L型角码连接，用相应的紧固螺栓和法兰螺母拧紧。在两块互为镜像的换热器外板的流道G内螺纹孔407上接上相应的G外螺纹接头，便可通入换热介质。在两块互为镜像的换热器内板的Pt100温度传感器探头插入槽406上插入相应的Pt100温度传感器探头，便可作业。

将安装好夹具的微芯片插入到换热器的微芯片插入槽403中，换热介质流过换热器时，由于换热器内板厚度小，换热介质会对换热器内板产生挤压力，换热器内板进而向内挤压，与涂有超导热硅脂的微芯片密封夹紧，由于整个微芯片表面和换热器内板表面都没有气泡并且是紧固的，同时，换热器内板为铝材质，换热器外板为表面喷金属漆的耐高温高分子树脂材质，所以微芯片和换热器工作时会产生很好的对流传热效果。

本案系统，可以根据需要设置至少一个微混合芯片，也可以是至少一个微混合芯片和至少一个微反应芯片之间的组合。

具体地，结合图8所示，在第一实施例中，包括一个微混合芯片和一个微反应芯片，物料A1与物料B1分别通过两个入口，在两个预热管道中分别预热，在混合凸柱处产生错流混合，反应工艺管道中进行紊流传质并反应，经微混合芯片出口流入微反应芯片入口中，在反应管道中延长反应时间，最后从微反应芯片出口得到产物C1，整个工艺过程中没有死体积。

结合图9所示，在第二实施例中，包括两个微混合芯片和一个微反应芯片。

物料A2与物料B2分别通过第一个微混合芯片的两个入口，在两个预热管道中分别预热，混合凸柱中产生错流扰动混合，反应工艺管道中进行紊流传质并反应，然后经其出口流入第二个微混合芯片的入口中，物料C2通过第二个微混合芯片另外一个入口，然后在其预热管道中预热，混合凸柱中与物料A2和物料B2的中间产物产生错流扰动混合，反应工艺管道中进行紊流传质并进一步反应，经其出口流入微反应芯片入口中，反应管道中延长反应时间，最后从出口得到产物D2。

结合图10所示，在第三实施例中，包括三个微混合芯片和一个微反应芯片，三个微混合芯片依次串联后与微反应芯片连通。

该实施例用以实现4种物料混料，其中第一个微混合芯片两个入口分别通入物料A3和B3，第二个微混合芯片两个入口分别通入物料C3和D3，第三个微混合芯片两个入口分别与第一和第二个微混合芯片的出口连通，第三个微混合芯片出口与微反应芯片入口连通，产物E3从微反应芯片出口流出。

综上所述，当需要5种及以上物料混合时，只要增加串联的微混合芯片数量即可。

本案原理在于：微芯片通过夹具的反应介质物料出入口进反应介质，介质在微芯片的管道中流动，将微芯片插入到微芯片插入槽中；换热器通入换热介质，下口进上口出，充分排掉里面的空气，换热介质在换热器内板里流动，由于流体流动过程中的剪应力存在，会对内板产生挤压，而使得换热器的换热槽(微芯片插入槽)变小，夹紧微反应芯片，由于微芯片在插入槽口之前表面先涂抹一层超导热硅脂，这时在挤压外力的作用下，使得换热器内板—微芯片—换热器内板实现无气泡紧固连接，而换热介质与反应介质之间实现了对流传热，由于两种流体流动过程中都易达到湍流，所以对流传热的传热膜系数很高，能达到理想的传热效果。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种微通道反应系统，其特征在于，包括：

微混合芯片，包括至少两个物料入口和一条反应工艺管道，每个所述物料入口分别通过一条物料预热管道连通于所述反应工艺管道的同一端，该反应工艺管道的另一端形成有一物料出口，所述物料预热管道和反应工艺管道曲线延伸并形成多个U形转角；

夹具，与所述微混合芯片的一个边缘固定，夹具上设有与所述物料入口、物料出口分别连通的流道过孔；

换热器，具有供所述微混合芯片插置的芯片插置槽，所述换热器包括两块互为镜像的换热器外板、以及两块互为镜像的换热器内板，所述换热器内板夹持于两块所述换热器外板之间，两块所述换热器内板之间形成有芯片插置槽，所述换热器内板与所述换热器外板之间形成有由折流板围成的流道，

换热介质在换热器内板里流动，会对换热器内板产生挤压，而使得换热器的芯片插置槽变小，夹紧微混合芯片，

换热介质与反应介质之间实现了对流传热。

2.根据权利要求1所述的微通道反应系统，其特征在于：所述夹具包括夹具底板和夹具盖板，该夹具底板和夹具盖板之间可拆卸固定，所述夹具底板和夹具盖板之间形成有对所述微混合芯片边缘进行容纳的卡槽，所述流道过孔开设于所述卡槽上。

3.根据权利要求2所述的微通道反应系统，其特征在于：所述夹具底板和夹具盖板之间通过紧固螺栓固定。

4.根据权利要求1所述的微通道反应系统，其特征在于：两块所述换热器内板之间还形成有温度传感器探头插入槽。

5.根据权利要求1所述的微通道反应系统，其特征在于：所述换热器内板材质为铝，所述换热器外板材质为树脂，表面喷金属漆。

6.根据权利要求1所述的微通道反应系统，其特征在于：还包括：

至少一个微反应芯片，微反应芯片与微混合芯片之间连通，每个所述微反应芯片分别包括一个反应物入口和一个反应物出口，所述反应物入口和一个反应物出口之间连通有反应管道，该反应管道曲线延伸并形成多个U形转角。

7.一种微通道反应系统，其特征在于，包括：

微混合芯片，包括至少两个物料入口和一条反应工艺管道，每个所述物料入口分别通过一条物料预热管道连通于所述反应工艺管道的同一端，该反应工艺管道的另一端形成有一物料出口，所述物料预热管道和反应工艺管道曲线延伸并形成多个U形转角，所述反应工艺管道内阵列分布有多个混合凸柱；

夹具，与所述微混合芯片的一个边缘固定，夹具上设有与所述物料入口、物料出口分别连通的流道过孔；

换热器，具有供所述微混合芯片插置的芯片插置槽，所述换热器包括两块互为镜像的换热器外板、以及两块互为镜像的换热器内板，所述换热器内板夹持于两块所述换热器外板之间，两块所述换热器内板之间形成有芯片插置槽，所述换热器内板与所述换热器外板之间形成有由折流板围成的流道，

换热介质在换热器内板里流动，会对换热器内板产生挤压，而使得换热器的芯片插置槽变小，夹紧微混合芯片，

换热介质与反应介质之间实现了对流传热。

8.一种微通道反应系统，其特征在于，包括：

微混合芯片，包括至少两个物料入口和一条反应工艺管道，每个所述物料入口分别通过一条物料预热管道连通于所述反应工艺管道的同一端，该反应工艺管道的另一端形成有一物料出口，所述物料预热管道和反应工艺管道曲线延伸并形成多个U形转角，所述物料入口和物料出口位于同一直线上，且位于所述微混合芯片同一侧的同一边缘；

夹具，与所述微混合芯片的一个边缘固定，夹具上设有与所述物料入口、物料出口分别连通的流道过孔；

换热器，具有供所述微混合芯片插置的芯片插置槽，所述换热器包括两块互为镜像的换热器外板、以及两块互为镜像的换热器内板，所述换热器内板夹持于两块所述换热器外板之间，两块所述换热器内板之间形成有芯片插置槽，所述换热器内板与所述换热器外板之间形成有由折流板围成的流道，

换热介质在换热器内板里流动，会对换热器内板产生挤压，而使得换热器的芯片插置槽变小，夹紧微混合芯片，

换热介质与反应介质之间实现了对流传热。