CN108212046A - 一种蜂窝型通道微反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蜂窝型通道微反应器，其包括：基体(1)，在所述基体上设置有微反应通道(10)，所述微反应通道(10)的一侧设置有两个以上的反应流体进口、所述微反应通道(10)的另一侧设置混合流体出口，两种以上的流体通过反应流体进口流进所述基体(1)、经由基体上的微反应通道(10)混合并反应后、从所述混合流体出口流出，且所述微反应通道(10)至少部分为蜂窝型微反应通道(101)。通过本发明能够使得流体在流经蜂窝型通道时经过多次混合，出口处的体积分数已经基本均匀，达到更加优异的混合效果，提高微反应的充分程度。

Description

一种蜂窝型通道微反应器

技术领域

本发明属于化工、医药机械技术领域，具体涉及一种蜂窝型通道微反应器。

背景技术

微反应器是利用精密加工技术制造的特征尺寸在10微米-300微米(或者10微米-1000微米)之间的反应器。微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，微型化工设备也逐渐发展起来，如微混合器、微反应器、微化学分析、微换热器、微萃取器、微型泵和微型阀门等，其中微反应器的应用前景最为广泛。微反应器具有结构简单、无放大效应、操作条件易于控制、反应选择性好、内在安全等优点，引起了众多研究者包括化学工程及其相关领域人士的极大关注。但是目前微反应器行业内，使用的设备通用性低，结构复杂，功能不健全，降低了微反应器的适用性。

由于现有技术中的微反应器存在反应物的混合反应效果不是很好，混合效果还有待提高等技术问题，因此本发明研究设计出一种蜂窝型通道微反应器。

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反应物的混合反应效果较低的缺陷，从而提供一种蜂窝型通道微反应器。

本发明提供一种蜂窝型通道微反应器，其包括：

基体，在所述基体上设置有微反应通道，所述微反应通道的一侧设置有两个以上的反应流体进口、所述微反应通道的另一侧设置混合流体出口，两种以上的流体通过反应流体进口流进所述基体、经由基体上的微反应通道混合并反应后、从所述流体出口流出，且所述微反应通道至少部分为蜂窝型微反应通道。

优选地，

所述蜂窝型微反应通道包括多个多边形状，多边形状的每一条边构成所述蜂窝型微反应通道的一个微通道单元，使得流体能在该单元中流过，且相邻两个多边形状共用一条边，并且所述多边形状的边为直线边或曲线边。

优选地，

所述多边形状的多条边中的至少一条边为直线边，或，所述多边形状的多条边中的至少一条边为曲线边。

优选地，所述多边形状中的多条边均为直线，或所述多边形状中的多条边均为曲线边；和/或，所述多边形状为六边形状；和/或，所述微通道单元内设置有阻碍装置。

优选地，

所述基体包括内筒体和外筒体，所述微反应通道设置在所述内筒体的外周面上，所述外筒体套设在所述内筒体的外周、以对所述内筒体外周面上的微反应通道进行密封。

优选地，

还包括第一流体入口接管和第二流体入口接管，所述第一流体入口接管的一端连通至所述内筒体和所述外筒体之间、与一个反应流体进口连通，另一端穿设出所述外筒体并连通至所述外筒体的外部；

所述第二流体入口接管的一端连通至所述内筒体和所述外筒体之间、与另一个反应流体进口连通，另一端穿设出所述外筒体并连通至所述外筒体的外部；

还包括混合流体出口接管，所述混合流体出口接管的一端连通至所述内筒体和所述外筒体之间、与混合流体出口连通，另一端穿设出所述外筒体并连通至所述外筒体的外部。

优选地，

所述内筒体和所述外筒体均为圆筒体、所述外筒体的内径等于所述内筒体的外径，且所述内筒体和所述外筒体的轴线沿竖直方向设置。

优选地，

所述微反应通道包括主混合通道和预分布通道，所述预分布通道位于所述主混合通道的上游、且所述预分布通道中的流体出来后进入所述主混合通道中，并且所述主混合通道为所述蜂窝型微反应通道；

优选地，所述预分布通道为在侧面沿竖直方向上下排布的通道、或在顶面沿水平方向布置且从中间向四周扩散的通道，所述主混合通道为沿竖直方向上下排布的多层的蜂窝型微反应通道。

优选地，

还包括换热部件，所述换热部件能够与所述微反应器之间进行换热。

优选地，

当所述基体还包括内筒体和外筒体时：

所述换热部件包括换热夹套，所述换热夹套套设在所述外筒体的外周、且与所述外筒体的外周之间形成空腔，

还包括换热介质进管和换热介质出管，所述换热介质进管的一端与所述空腔相连通、另一端与外界连通以向所述空腔中通入换热介质，所述换热介质出管的一端与所述空腔相连通、另一端与外界连通以将换热介质导出所述空腔。

优选地，

所述换热介质进管连通于所述换热夹套的下部，与之相对地，所述换热介质出管连通于所述换热夹套的上部。

本发明提供的一种蜂窝型通道微反应器和微反应换热装置具有如下有益效果：

1.本发明的蜂窝型通道微反应器和微反应换热装置，通过将基体上的微反应通道设置成蜂窝型状的微反应通道，能够使得流体在流经蜂窝型通道时经过多次混合，达到更加优异的混合效果，从而提高微反应的反应充分度，经过多层混合后，出口处的体积分数已经基本均匀，混合效果好，提高微反应的充分程度；

2.本发明的蜂窝型通道微反应器和微反应换热装置，通过将蜂窝型通道均匀布置在内筒体的外表面上，打破了传统微通道反应器是平面结构的现状，使得各个通道之间的流道均是相互连通的，流体可以在各个通道之间进行流动混合，并且无死角，达到最好的混合效果；

3.本发明的蜂窝型通道微反应器和微反应换热装置，入口处的流道采用预分布通道进行预分配的方法，能够使得流体均匀流入各个分支的主混合通道中，保证了在蜂窝型通道内的混合效果；蜂窝型通道内设置矩形、圆形或两者相结合的阻碍装置，能有效引导流体的流动路线，增强混合效果，提高反应速度；通过多层的蜂窝型通道能够进一步提高混合反应效果。

附图说明

图1是本发明的蜂窝型微反应器的内部剖视截面图；

图2是本发明的蜂窝型微反应器的内筒体的立体结构图(具有预分布通道且为中心分散型)；

图3是本发明的蜂窝型微反应器的内筒体的展开结构图(具有预分布通道且为竖直上下型)；

图4是图3中的蜂窝型微反应通道的第一种替代结构形式的结构图；

图5是图3中的蜂窝型微反应通道的第二种替代结构形式的结构图；

图6是图3中的蜂窝型微反应通道的第三种替代结构形式的结构图；

图7是图3中的蜂窝型微反应通道的第四种替代结构形式的结构图；

图8是本发明的蜂窝型微反应器的流道内的流体体积分数分布图；

图9是本发明的蜂窝型微反应器具有预分布通道时流道内的流体体积分数立体分布图；

图10是本发明的蜂窝型微反应器不具有预分布通道时流道内的流体体积分数立体分布图。

图中附图标记表示为：

1、基体；10、微反应通道；101、蜂窝型微反应通道；102、多边形状；103、主混合通道；104、预分布通道；11、内筒体；12、外筒体；2、第一流体入口接管；3、第二流体入口接管；4、混合流体出口接管；5、换热部件；51、换热夹套；52、空腔；53、换热介质进管；54、换热介质出管；6、平盖；7、紧固螺栓；8、螺栓紧固法兰；9、阻碍装置。

具体实施方式

实施例1

如图1-4所示，本发明提供一种蜂窝型通道微反应器，其包括：

基体1，在所述基体上设置有微反应通道10，所述微反应通道10的一侧设置有两个以上的反应流体进口、所述微反应通道10的另一侧设置混合流体出口，两种以上的流体通过反应流体进口流进所述基体1、经由基体上的微反应通道10混合并反应后、从所述混合流体出口流出，且所述微反应通道10至少部分为蜂窝型微反应通道101。

通过将基体上的微反应通道设置成蜂窝型状的微反应通道，相比起现有技术中的其他微反应通道的形状结构，能够使得流体在流经蜂窝型通道时经过多次混合，达到更加优异的混合效果，从而提高微反应的反应充分度，经过多层混合后，出口处的体积分数已经基本均匀，混合效果好，有效地提高了微反应的充分程度。

参见图2-7，优选地，

所述蜂窝型微反应通道101包括多个多边形状102，多边形状102的每一条边构成所述蜂窝型微反应通道101的一个微通道单元，使得流体能在该单元中流过，且相邻两个多边形状102共用一条边，并且所述多边形状的边为直线或曲线。

这是本发明的蜂窝型微反应通道的具体结构形式，通过多边形的边作为流体流通的蜂窝型微反应通道的微反应单元，能够使得流体能沿着该多边形的边中进行流动，并且相邻多边形共用一条边、进而使得流体在一个多边形的一条边流动后可以分成两路、一路进入原有的多边形中、另一路进入相邻的多边形中，从而完成分流，并且进一步地从多边形的两条边分别流下的流体在同时与该两边相邻的边中完成汇合，从而实现汇流作用，本发明的蜂窝型微反应通道模仿的就是蜂巢或蜂窝的形状结构，通过该结构能够使得流体混合的更为充分，提高混合反应程度。并且这里需要强调一点的是，本发明所提及的多边形状并不限制在其边只为直线边，本发明的多边形状的边可以为直线边(参见图2)，也可以为曲线边(参见图3)，曲线边的结构是本发明的第一种替代形式，蜂窝型通道的边缘采用曲线(优选为波浪形)，可以增强扰流，从而增强混合效果和化学反应速度。

进一步优选地，

所述多边形状102的多条边中的至少一条边为直线边，或，所述多边形状102的多条边中的至少一条边为曲线边；这是本发明的蜂窝型微反应通道的进一步的优选结构形式，再进一步优选地，所述多边形状102中的多条边均为直线，或所述多边形状102中的多条边均为曲线边；和/或，所述多边形状为六边形状，六边形形状是本发明的优选形状，通过六边形能够从上面的边进流、再通过左右两侧的边进行分流、进而再与相邻的边汇流，再向下汇流，从而形成多个多边形形状流体之间的汇流和分流的动作，从而极大地提高了微反应流体之间的混合充分程度，提高了微反应的效果，进一步优选其为正六边形；

和/或，所述微通道单元内设置有阻碍装置(参见图4-6)，可以对蜂窝型通道内进行相应的改良和变化，内设置矩形块的阻碍(替代方式二，如图4)，可以设置圆形阻碍(替代方式三，如图5)，矩形块+圆形阻碍(替代方式四，如图6)及其他形式的阻碍，蜂窝型通道内设置矩形、圆形或两者相结合的阻碍装置，能有效引导流体的流动路线，以增加通道的弯曲程度，增强混合效果，提高反应速度。

实施例2

如图1，本实施例是在实施例1的基础上做出的进一步改进，优选地，

所述基体包括内筒体11和外筒体12，所述微反应通道10设置在所述内筒体11的外周面上，所述外筒体12套设在所述内筒体11的外周，以对所述内筒体11外周面上的微反应通道10进行密封。

通过将蜂窝型通道均匀布置在内筒体的外表面上，打破了传统微通道反应器是平面结构的现状，使得各个通道之间的流道均是相互连通的，不会存在例如平面结构中两边的流体受到限制、而无法连通汇合，使得流体可以在各个通道之间进行流动混合，并且无死角，达到最好的混合效果，蜂窝型通道均匀分布在圆筒的外表面，整个圆筒从各个角度来看，流动情况保持一致，保证了各个部位流动的均衡性。

优选地，

所述内筒体11和所述外筒体12均为圆筒体，所述外筒体12的内径大于或等于所述内筒体11的外径，且所述内筒体11和所述外筒体12同轴线且轴线沿竖直方向设置。这是本发明的外筒体和内筒体的优选结构形式，通过圆筒体能够使得微反应通道在内筒体外周面上光滑均匀地分布，使得流体流动(包括汇流和分流)更为均匀，提高流体的混合充分程度，并且沿竖向布置、使得流体从上端沿着重力自由落入微反应通道中、从而进行混合和反应，最后再从底部流出，使得反应可以自动进行、减小外力的提供，减小了使用成本。

优选地，

还包括第一流体入口接管2和第二流体入口接管3，所述第一流体入口接管的一端连通至所述内筒体11和所述外筒体12之间、与一个反应流体进口连通，另一端穿设出所述外筒体12并连通至所述外筒体12的外部；

所述第二流体入口接管3的一端连通至所述内筒体11和所述外筒体12之间、与另一个反应流体进口连通，另一端穿设出所述外筒体12并连通至所述外筒体12的外部；

还包括混合流体出口接管4，所述混合流体出口接管4的一端连通至所述内筒体11和所述外筒体12之间、与混合流体出口连通，另一端穿设出所述外筒体12并连通至所述外筒体12的外部。

这是本发明的内、外筒体的连接结构形式，通过第一流体入口接管能够引入第一流体于蜂窝型微反应通道中，通过第二流体入口接管能够引入第二流体于蜂窝型微反应通道中，并通过混合流体出口接管能够将混合反应完成后的流体导出，通过以上所述的接管能够方便其与外界进行接口，由于该类型微反应器和外界接口方便，可以根据实际工况采用串联或者并联的方式，用于增加停留时间或提高产量，无放大效应。

实施例3

如图2-3所示，本实施例是在实施例1和/或2的基础上做出的进一步的改进，优选地，

所述微反应通道10包括主混合通道103和预分布通道104，所述预分布通道104位于所述主混合通道103的上游、且所述预分布通道104中的流体出来后进入所述主混合通道103中，并且所述主混合通道103包括所述蜂窝型微反应通道101；通过入口处的流道采用预分配的方法，能够使得流体均匀流入各个分支的主混合通道中，保证了在蜂窝型通道内的混合效果。

优选地，所述预分布通道104为在侧面沿竖直方向上下排布的通道(参见图3)、或在顶面沿水平方向布置且从中心向四周扩散的通道(即向四周分散开来的通道)(参见附图2)，所述主混合通道103为沿竖直方向上下排布的多层的蜂窝型微反应通道。

参见图2和图9，从中心向四周分散开来的通道为对预分布通道进行的补充发明改进，将反应流体通过第一流体入口接管2和第二流体入口接管3混合后进入预分布通道104(从中间扩散的通道)，预分布通道104将反应流体预混合分布后再流入到主混合通道，对反应流体进行预混合作用，混合反应效果好，相对于上下排布的通道以及其他通道而言，具有更好的混合效果、混合更为均匀。

参见图10，或者不采用预分布通道，而将将反应流体通过第一流体入口接管2分布到主混合通道，通过第二流体入口接管3分布到相邻的主混合通道，反应流体在主混合通道中反应。

这是本发明的预分布通道和主混合通道的优选排布方式，将预分布通道沿竖向上下排布、能够使得流体沿着竖向的重力方向进行预混合作用，实现自动混合，无需借助外力，将主混合通道设置为竖向多层排布的蜂窝型微反应通道，层定义为两种流体经过蜂窝型通道的竖直通道，两种流体混合一次，这就叫一层。根据设备通量的不同，蜂窝型通道沿圆周方向的个数不同，最小为5个，沿着圆柱方向的层数最少为5层，能达到较好的混合效果。根据实际反应的需要，可串联几个该类型的反应器，以增加停留时间，进一步提高混合和反应效果。蜂窝型通道的结构经过多次混合，能达到较好的混合效果，如图2-3所示。由图8-10可知，经过多层混合后，出口处的体积分数已经基本均匀，混合效果较好。

本发明的整个微通道反应器由平盖6，紧固螺栓7，螺栓紧固法兰8，第一流体入口接管2，第二流体入口接管3，外筒体12，内筒体11，混合流体出口接管4，换热介质进管53，换热介质出管54及换热夹套11构成，见图1。其中，内筒体11是核心部件，其外表面分布有特殊形式的微反应通道10，其通道包括矩形、蜂窝型或蜂窝型的变形形式。第一流体A和第二流体B分别通过第一流体入口接管2和第二流体入口接管3进入到内筒外表面，经过入口分布后，进入蜂窝型通道内部进行混合，最后从下部的混合流体出口接管4流出。详见图1。

内筒体11外表面分布有蜂窝型形式的微流体通道，如图2所示。第一流体A入口位于上部，经过环绕内筒外表面的通道进行分布，然后进入第二流体B的分布通道，进行混合，两种流体共同在蜂窝型流道内流动，达到混合、反应的目的，经过混合后的产物经过流体出口流出，流体出口位于设备的底部。

平盖6和螺栓紧固法兰8之间可以用螺栓连接，也可以使用其他的连接形式，如快开连接等。

基体设备可以为亚克力材质、金属材质(包括不锈钢、哈氏合金等)、碳化硅材质。通道形式说明如下：

主要混合通道是蜂窝型，蜂窝型微反应通道在内筒体11的外表面上均匀分布；蜂窝型微反应通道的宽度在0.2mm到20mm之间，深度在0.2mm到20mm之间；

流体A和流体B的入口通道分布在蜂窝型通道之前，进行流体的预分布和预混合，该通道尺寸在2mm到50mm之间，如图2所示。

蜂窝型通道的具体尺寸，相邻两条边的夹角在90度-180度之间，优选为正六边形的120度。

实施例4

如图1所示，本实施例是在实施例1-3中任一的基础上做出的进一步的改进，优选地，还包括换热部件5，所述换热部件5能够与所述微反应器之间进行换热。通过设置换热部件能够对基体上微反应通道中流体混合反应产生的热量进行导出，或是对流体混合反应需要吸热而提供热量。

优选地，

当所述基体1还包括内筒体11和外筒体12时：

所述换热部件5包括换热夹套51，所述换热夹套套设在所述外筒体的外周、且与所述外筒体的外周之间形成空腔52，

还包括换热介质进管53和换热介质出管54，所述换热介质进管53的一端与所述空腔52相连通、另一端与外界连通以向所述空腔52中通入换热介质，所述换热介质出管54的一端与所述空腔52相连通、另一端与外界连通以将换热介质导出所述空腔52。

这是本发明的换热部件的优选结构形式，通过换热夹套的设置、使其与外筒体之间产生能够容许换热介质流过的空腔，换热介质在该空腔中能够实现与外筒之间的吸热或放热作用，换热介质进管53和换热介质出管54均沿着换热夹套的切向方向，提高换热效果。换热夹套51可以通入冷却流体或者加热流体，进行冷却及时将反应产热换出或者进行加热保证反应所需要的温度。

优选地，

所述换热介质进管53连通于所述换热夹套51的下部，与之相对地，所述换热介质出管54连通于所述换热夹套51的上部。通过这样的设置使得换热介质的运动方向为从下至上流动，与反应流体从上至下的方向相反，从而使得换热介质与反应流体之间形成大温差换热，提高了换热效率。

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)

1.一种蜂窝型通道微反应器，其特征在于：包括：

基体(1)，在所述基体上设置有微反应通道(10)，所述微反应通道(10)的一侧设置有两个以上的反应流体进口、所述微反应通道(10)的另一侧设置混合流体出口，两种以上的流体通过反应流体进口流进所述基体(1)、经由基体上的微反应通道(10)混合并反应后、从所述混合流体出口流出，且所述微反应通道(10)至少部分为蜂窝型微反应通道(101)。

2.根据权利要求1所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

所述蜂窝型微反应通道(101)包括多个多边形状(102)，多边形状的每一条边构成所述蜂窝型微反应通道的一个微通道单元，使得流体能在该单元中流过，且相邻两个多边形状共用一条边，并且所述多边形状的边为直线或曲线。

3.根据权利要求2所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

所述多边形状(102)的多条边中的至少一条边为直线边，或，所述多边形状(102)的多条边中的至少一条边为曲线边；

优选地，所述多边形状(102)中的多条边均为直线，或所述多边形状(102)中的多条边均为曲线边；和/或，所述多边形状为六边形状；和/或，所述微通道单元内设置有阻碍装置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

所述基体包括内筒体(11)和外筒体(12)，所述微反应通道(10)设置在所述内筒体(11)的外周面上，所述外筒体(12)套设在所述内筒体(11)的外周，以对所述内筒体(11)外周面上的微反应通道(10)进行密封。

5.根据权利要求4所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

所述内筒体(11)和所述外筒体(12)均为圆筒体、所述外筒体(12)的内径等于所述内筒体(11)的外径，且所述内筒体(11)和所述外筒体(12)的轴线沿竖直方向设置。

6.根据权利要求4或5所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

还包括第一流体入口接管(2)和第二流体入口接管(3)，所述第一流体入口接管的一端连通至所述内筒体(11)和所述外筒体(12)之间、与一个反应流体进口连通，另一端穿设出所述外筒体(12)并连通至所述外筒体(12)的外部；

所述第二流体入口接管(3)的一端连通至所述内筒体(11)和所述外筒体(12)之间、与另一个反应流体进口连通，另一端穿设出所述外筒体(12)并连通至所述外筒体(12)的外部；

还包括混合流体出口接管(4)，所述混合流体出口接管(4)的一端连通至所述内筒体(11)和所述外筒体(12)之间、与混合流体出口连通，另一端穿设出所述外筒体(12)并连通至所述外筒体(12)的外部。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

所述微反应通道(10)包括主混合通道(103)和预分布通道(104)，所述预分布通道(104)位于所述主混合通道(103)的上游、且所述预分布通道(104)中的流体出来后进入所述主混合通道(103)中，并且所述主混合通道(103)包括所述蜂窝型微反应通道(101)；

优选地，所述预分布通道(104)为在侧面沿竖直方向上下排布的通道、或在顶面沿水平方向布置且从中心向四周扩散的通道，所述主混合通道(103)为沿竖直方向上下排布的多层的蜂窝型微反应通道。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

还包括换热部件(5)，所述换热部件(5)能够与所述微反应器之间进行换热。

9.根据权利要求8所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

当所述基体(1)还包括内筒体(11)和外筒体(12)时：

所述换热部件(5)包括换热夹套(51)，所述换热夹套套设在所述外筒体的外周、且与所述外筒体的外周之间形成空腔(52)，

还包括换热介质进管(53)和换热介质出管(54)，所述换热介质进管(53)的一端与所述空腔(52)相连通、另一端与外界连通以向所述空腔(52)中通入换热介质，所述换热介质出管(54)的一端与所述空腔(52)相连通、另一端与外界连通以将换热介质导出所述空腔(52)。

10.根据权利要求9所述的蜂窝型通道微反应器，其特征在于：

所述换热介质进管(53)连通于所述换热夹套(51)的下部，与之相对地，所述换热介质出管(54)连通于所述换热夹套(51)的上部。