CN107551967B - 用于微反应器的微通道装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于微反应器的微通道装置，包括：微通道和设置于微通道内的至少一个挡板，其中：挡板等间距沿微通道轴向分布，挡板的外接圆直径与微通道内径相同；在微反应器内混合的流体流入设有挡板的微通道；所述的挡板，按微通道内1～500个/米进行设置，相邻两个挡板的间距为2～500mm；所述的挡板沿微通道的径向截面形状为一字形、十字形或者米字形，挡板的轴向投影面积为微通道径向截面面积的30～95％，沿微通道的轴向厚度为0.1～2.0mm；本发明利用挡板结构有效强化了微通道内流体的混合及传质速率，并且管程压降较填充式微通道更小。本发明方法适用于气‑液、液‑液反应体系，可应用于化学、化工和医药等众多行业。

Description

用于微反应器的微通道装置
技术领域
本发明涉及的是一种微反应器设计领域的技术，具体是一种用于微反应器的微通道装置。
背景技术
微反应器技术起始于微机电系统(MEMS)，能有效强化传递或混合控制的化学反应过程。目前，微通道内强化混合的方式主要分为两种，包括主动混合和被动混合。主动混合的主要方式为引入外加的能量输入，使微通道内的流体形成局部二次流；被动混合的主要方式包括在微通道中填充网状结构的多孔金属或石英填料等，利用所形成的附加阻力强化微反应器内的流体混合。这两种方式都在一定程度上有效强化的微通道内的混合及传质过程，但是，主动混合由于引入了外界能量导致总体能耗明显增大，且装置较复杂，不易多通道并行放大；被动混合由于填料间距不易调控，导致系统压降较高，同时多孔填料中易出现流体死区导致微通道体积利用率不高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于微反应器的微通道装置，通过在微通道内设置多个一字形、十字形或者米字形内构件作为挡板结构，将混合流体分散成微小流体微团、液滴或者气泡，实现强化流体间混合和传质，在尽可能低的能耗前提下有效强化反应器传递性能，适用于气-液反应过程、液-液反应过程。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：微通道和设置于微通道内的至少一个挡板，其中：挡板等间距沿微通道轴向分布，挡板的外接圆直径与微通道内径相同；在微反应器内混合的流体流入设有挡板的微通道。
所述的挡板，按微通道内1～500个/米进行设置。
所述的相邻两个挡板的间距为2～500mm。
所述的挡板材质为不锈钢、PFA、PEA、PMMA或PTFE。
所述的微通道的径向截面形状为三角形、矩形或者圆形。
所述的微通道的内径为0.25～6.0mm。
所述的微通道的材质为不锈钢、PFA、PEA、PMMA或PTFE。
所述的挡板沿微通道的径向截面形状为一字形、十字形或者米字形。
所述的挡板的轴向投影面积为微通道径向截面面积的30～95％。
所述的挡板沿微通道的轴向厚度为0.1～2.0mm。
所述的微通道、挡板和流体所在的反应器系统的压降小于2MPa。
技术效果
与现有技术相比，本发明利用在微通道内设置不同形状的内构件，使微通道内的流体在层流条件下，形成混沌对流，流体层发生拉伸、分割、扭曲、折叠等现象，增加流体间的接触面积，缩短流体间的传递距离，从而提高混合效率和传质速率；且可以根据不同的处理量来设置不同结构或间距的内构件，在有效提高混合和传质性能的同时，控制系统压降在较低水平。
附图说明
图1为本发明侧视图；
图2为不同截面形状的挡板示意图；
图中：(a)为一字形，(b)为十字形，(c)为米字形；
图中：1微通道、2挡板。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例包括：T型微混合器、微通道和设置于微通道内的至少一个挡板，其中：挡板等间距沿微通道轴向分布，挡板的外接圆直径与微通道内径相同；T型微混合器与微通道的前端相连；在T型微混合器内混合的流体流入设有挡板的微通道。
所述的微通道和挡板均采用3D打印技术加工制造。
所述的微混合器的内径为1.0mm。
所述的微通道长度为150mm，内径为1.0mm。
所述的微通道的径向截面形状为三角形、矩形或者圆形。
如图2所示，所述的挡板沿微通道的径向截面形状为一字形、十字形或者米字形。
本实施例采用化学探针技术表征反应体系的混合性能。
所述的反应体系为：H2BO3 -+H+→H3BO3，5I-+IO3 -+6H+→3I2+3H2O；
生成的碘会进一步与I-反应生成I3 -：
Figure BDA0001376195210000021
用紫外吸收光谱检测I3 -的浓度，进而算出分隔指数：
Figure BDA0001376195210000022
其中：Xs为分隔指数，Ci为组分i物质的量浓度，单位mol/L；V为含H2BO3 -、I-和IO3 -溶液的体积流量，单位为mL/min；ni为组分i物质的量，单位mol；角标O表示初始状态下的数值。
所述的分隔指数值越小，表明混合性能越好；理想混合时，Xs＝0；混合性能极差时，Xs＝1。
操作时，所述的两股流体分别为浓度为0.02mol/L的硫酸水溶液(A)和含有0.1mol/L H2BO3 -、0.03mol/L I-、0.006mol/L IO3 -的水溶液(B)。
本实施例进行七组实验，实验1为无挡板微通道的对照实验，实验结果如表1所示。
表1实验操作条件、结构参数、混合表征结果和系统压降表
Figure BDA0001376195210000031
所述的流体A和流体B的体积流量均为5mL/min。
由表1可见，本实施例所提出的在微通道内设置一定间距的挡板式内构件能有效提高混合性能，且产生的压降并不明显。
实施例2
本实施例进行七组传质性能测试实验，实验1为无挡板微通道的对照实验，实验结果如表2所示。其中，实验2-7中
所述的传质性能测试实验的分散相为水，由A流体进口管进入微混合器，连续相为含1.8％丁二酸的正丁醇溶液，由B流体进口管进入微混合器，并且分散相和连续相在传质实验前互相饱和，以保证在油-水两相间仅发生丁二酸的传递。采用微通道内的总体积传质系数(ka)作为评估的参数。A流体和B流体的体积流量均为6mL/min。
表2实验操作条件、结构参数、总体积传质系数表
Figure BDA0001376195210000041
由表2可见，本实施例提出的微通道内设置一定间距的挡板式内构件能有效提高传质性能。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种用于微反应器的微通道装置，其特征在于，包括：微通道和设置于微通道内的至少一个挡板，其中：挡板等间距沿微通道轴向分布，挡板的外接圆直径与微通道内径相同；在微反应器内混合的流体流入设有挡板的微通道；
所述的微通道的径向截面形状为三角形、矩形或者圆形；
所述的挡板沿微通道的径向截面形状为一字形、十字形或者米字形；挡板按微通道内1~500个/米进行设置，相邻两个挡板的间距为2~500mm，挡板的轴向投影面积为微通道径向截面面积的30~95%，使微通道内的流体在层流条件下，形成混沌对流，流体层发生拉伸、分割、扭曲、折叠现象；
所述的微通道的内径为0.25~6.0mm；
所述的挡板沿微通道的轴向厚度为0.1~2.0mm；
所述的微通道、挡板和流体所在的反应器系统的压降小于2MPa。
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