CN107261996A - 一种金属与透明塑料复合结构的微反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微化工技术领域，具体公开了一种金属与透明塑料复合结构的微反应器及其应用。所述微反应器中吸收‑反应微通道上方使用透明塑料作为上封板，该上封板即为微反应器的视窗，所述吸收‑反应微通道周边刻有凹槽，凹槽用密封垫嵌入进行密封，防止板间漏液；该微反应器在吸收‑反应微通道下面还设置有换热通道，除视窗外其余结构为导热金属材料。本发明采用金属与透明塑料的复合结构，能实现微反应器内均匀温度场(温差小于0.5℃)下的流体流动或反应状况的实时观测，有利于研究微反应器内流体行为，并可进一步研究微通道内流动、反应与传热性能。

Description

一种金属与透明塑料复合结构的微反应器及其应用
技术领域
本发明属于微化工技术领域，具体涉及一种金属与透明塑料复合结构的微反应器及其应用。
背景技术
微化工技术作为一门新兴化工过程强化技术，受到普遍关注，微混合器、微反应器等微化工设备为其核心设备，其通道特征尺寸多在几十至几百微米范围，并与其他配套设备组成连续化生产工艺。
微通道反应器，由于其通道特征尺寸在微米到毫米级的尺度，具有很高的传质传热特性，液体的传热系数高达103～105W·m-2·K-1。与常规换热器相比，微通道换热器具有设备体积小，传热系数大，传热效率高。酸性气体(如CO2)的脱除工艺是工业过程中非常重要的一个技术。目前，许多研究者对其过程进行研究，从而获得该过程基本的过程特性。吕等(DOI:10.1021/ef400976j)采用双搅拌釜吸收装置研究MEA/离子液体混合液吸收CO2过程动力学特性，由于双搅拌釜设备体积大，传质传热系数低，导致局部温度差异大，影响分析结果；叶等(DOI:10.1016/j.cej.2013.03.053)采用不锈钢微反应器研究MEA吸收CO2过程性质，通过将其装置浸没在水浴中实现均匀温度场，由于采用浸没水浴和不锈钢微反应器，从而无法获知其反应器内部流体的真实情况。在实验室研究过程中，特别是精细化工、纳米材料、酸性气体脱除实验室研究过程中，需要观测流体的行为并对其流体温度精确控制，需要具有可视化功能的微反应器,并具有非常均匀的温度场条件。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种金属与透明塑料复合结构的微反应器，该微反应器的结构可以实时观察与研究微反应器内流动行为及流动、反应与换热能力之间的内在关系,并且实现均匀的温度场条件，该微反应器结构简单，易于封装，密封性好，可以实现微反应器内部流体流动与反应状况的实时观察。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种金属与透明塑料复合结构的微反应器，包括透明板作为微反应器的视窗，所述透明板使用透明塑料制备而成；微反应器还包括反应微通道板和换热通道板，透明板设置在反应微通道板之上，换热通道板设置在反应微通道板之下；
透明板设有至少两个进料孔和一个出料孔；反应微通道板上设有吸收-反应微通道以及与透明板进料孔和出料孔相对应的吸收-反应流体入口及吸收-反应流体出口，沿吸收-反应微通道周边刻有凹槽，凹槽用密封垫嵌入进行密封，防止透明板和反应微通道板间漏液；换热通道板上设有换热微通道以及换热微通道的进出口；
微反应器设置或不设置下封板，所述下封板设置于换热通道板之下。
透明板为透明塑料，所述透明塑料包括聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚芳砜(PASF)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中一种或两种以上的材料。
反应微通道板和换热通道板均为导热金属材料，所述导热金属材料选自铜、不锈钢、铝或哈氏合金中的一种或两种以上；所述密封垫的材质为氟橡胶、全氟橡胶、聚四氟乙烯或与透明板相同的透明塑料。
所述透明板采用的透明塑料的透光率不小于88％，所述透明板采用的透明塑料的厚度为5～15mm。
所述反应微通道板材料的导热系数为10～200W/(m2·K)，所述反应微通道板的厚度为0.1～1cm。
所述透明板、反应微通道板和换热通道板之间用螺栓固定。
所述吸收-反应微通道周边凹槽与反应微通道平行设置，凹槽形状根据吸收-反应微通道的形状进行改变；
吸收-反应微通道包括T型微通道、Y型微通道、S型微通道、Z型微通道；
凹槽形状包括直通道型，90度弯折型，半圆弯折型，矩形弯折型。
一种上述微反应器于实时观察微反应器内部流体流动或反应状况中的应用。
该微反应器用于精细化工、纳米材料、酸性气体脱除过程中的流动行为或反应与传热的可视化研究；具体应用在有机胺溶液吸收CO2过程，CO2有机胺溶液解吸过程，纳米粒子合成过程，芳烃或醇类硝化反应、磺化反应过程等一系列的吸收或反应过程中。
使用时可于微反应器正上方设置高速相机用于捕捉记录吸收-反应微通道内的流体情况。
由金属与透明塑料复合结构的微反应器的应用方法包括：采用所述的可视化微反应器，两股反应物分别从进料孔进入到反应微通道中，在反应微通道中进行两股物料的混合或吸收或反应；换热流体从进口高速流入换热微通道，通过金属导热与对流传热对反应微通道中的流体进行快速换热，构建均一的流体温度场；由于金属材质的反应微通道的不透光性，利用光的反射原理，通过高速相机捕捉记录视窗内反应微通道内的流体情况。
本发明所提供的金属与透明塑料复合结构的微反应器具有下述优点：
一可实现微反应器内部流体流动或反应状况的实时观测，二可实现均一温度场下(温差小于0.5℃)微反应器内部流体流动或反应状况的实时观测，三可用于研究微反应器内反应行为与传热的关系。
附图说明
图1为金属与透明塑料复合结构的微反应器的主体结构示意图，不包括接头及下封板，该示意图提供了一种本发明所述微反应器的一种可能情况，但并不限制于本发明所要保护的范围。其中，1为透明板，材质为透明塑料，1.1、1.3为进料孔，1.2为出料孔；2为反应微通道板，材质为导热金属材料，2.1、2.3为吸收-反应流体通道入口，2.2为一种可能情况的吸收-反应流体通道出口，局部放大示意图中2.4为T型微通道，2.5为流体通道周围的凹槽；3为换热通道板，3.1为换热通道入口，3.3为换热通道出口，3.2为一种可能情况的换热通道。
图2为本发明微反应器内部拍摄流体流动示意图，其中，2.1为一股流体，2.2为另一股流体。
图3为本发明微反应器的温度图。
图4为密封垫凹槽结构图,该密封垫即图1中的2.5,其中,1为直通道型，2为90°弯折型，3为半圆弯折型，4为矩形弯折型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示金属与透明塑料复合结构的微反应器，包括透明板、反应微通道板、换热通道板；透明板的材料为PMMA，通过机械加工制成，板上开设有进料孔1.1、1.3以及出料孔1.2；反应微通道板的材料为316不锈钢，通过机械加工制成，板上刻有T型微通道2.4以及相应的流体通道周围的凹槽2.5，凹槽通过四氟垫密封；换热通道板上通过机械加工出多级换热通道3.2，板上开设出换热通道进出口3.1、3.3，所述换热通道板的材质为不锈钢。
通过丝锥分别在进料孔1.1、1.3，出料孔1.2以及换热通道进出口3.1、3.3内部加工内螺纹，安装管路接头。透明板、反应微通道板和换热通道板相互平行叠加在一起，从而保证进料孔1.1、1.3和出料孔1.2与2号板上的T型通道的进出口2.1、2.3、2.2紧密相接。T型通道周围相应加工出直通道型凹槽，通过四氟垫进行密封，用于防止吸收-反应液从反应微通道板与透明板的缝隙中渗漏。
在该微反应器具体应用时，两股吸收/反应液分别从进料孔1.1、1.3进入到T型通道中，在T型通道中进行两股料液的混合、吸收或反应，透明板选用透明塑料，由于透明塑料具有非常好的透光性，从而从外部可以清晰观测到T型通道内的流体情况，反应微通道板为金属加工而成，由于金属的不透光性，利用光的反射原理，通过高速相机记录T型通道内的流体情况，所述高速相机根据需要可以设置在微反应器的正上方。换热流体从换热通道板的3.1进口高速流入换热通道，经过多级微通道，从出口3.3流出换热通道，所述换热通道采用多级微通道，均匀分布换热流体，通过换热通道板对其T型通道中的流体进行换热，具有高传热系数，达到对其T型通道内流体的温度控制。
图2和图3分别为微反应器内部拍摄流体流动示意图和微反应器的温度图，通过测试得出本发明微反应器可以实现均一的温度分布的同时，实现了实时观测微反应器内部流体流动或反应状况。
图4为本发明邻近吸收-反应微通道的密封凹槽的截面形状，密封凹槽与反应微通道平行设置，其形状随吸收-反应微通道形状的改变而改变，本发明中所述的吸收-反应微通道结构可以选自任一已知的微通道形状，包括T型微通道、Y型微通道、S型微通道、Z型微通道。

Claims (10)

1.一种金属与透明塑料复合结构的微反应器，其特征在于：微反应器包括透明板(1)作为微反应器的视窗，所述透明板使用透明塑料制备而成；微反应器还包括反应微通道板(2)和换热通道板(3)，透明板(1)设置在反应微通道板(2)之上，换热通道板(3)设置在反应微通道板(2)之下；
透明板设有至少两个进料孔和一个出料孔；反应微通道板上设有吸收-反应微通道以及与透明板进料孔和出料孔相对应的吸收-反应流体入口及吸收-反应流体出口，沿吸收-反应微通道周边刻有凹槽，凹槽用密封垫嵌入进行密封，防止透明板和反应微通道板间漏液；换热通道板上设有换热微通道以及换热微通道的进出口；
微反应器设置或不设置下封板，所述下封板设置于换热通道板之下。
2.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于：透明板为透明塑料，所述透明塑料包括聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚芳砜(PASF)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)中一种或两种以上的材料。
3.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于：反应微通道板和换热通道板均为导热金属材料，所述导热金属材料选自铜、不锈钢、铝或哈氏合金中的一种或两种以上；所述密封垫的材质为氟橡胶、全氟橡胶、聚四氟乙烯或与透明板相同的透明塑料。
4.根据权利要求1或2所述的微反应器，其特征在于：所述透明板采用的透明塑料的透光率不小于88％，所述透明板采用的透明塑料的厚度为5～15mm。
5.根据权利要求1或3所述的微反应器，其特征在于：所述反应微通道板材料的导热系数为10～200W/(m2·K)，所述反应微通道板的厚度为0.1～1cm。
6.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于：所述透明板、反应微通道板和换热通道板之间用螺栓固定。
7.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于：所述吸收-反应微通道周边凹槽与反应微通道平行设置，凹槽形状根据吸收-反应微通道的形状进行改变；
吸收-反应微通道包括T型微通道、Y型微通道、S型微通道、Z型微通道；
凹槽形状包括直通道型，90度弯折型，半圆弯折型，矩形弯折型。
8.一种权利要求1-7任一所述微反应器于实时观察微反应器内部流体流动或反应状况中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：该微反应器用于精细化工、纳米材料、酸性气体脱除过程中的流动行为或反应与传热的可视化研究；具体应用在有机胺溶液吸收CO2过程，CO2有机胺溶液解吸过程，纳米粒子合成过程，芳烃或醇类硝化反应、磺化反应过程等一系列的吸收或反应过程中。
10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于：
于微反应器正上方设置高速相机用于捕捉记录吸收-反应微通道内的流体情况。
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