CN108404830A - 一种微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微反应器技术领域，特别是涉及一种微通道反应器，包括壳体和设置于壳体底部的底盘，所述壳体上水平固定有第一换热主管道和第二换热主管道，所述底盘上设置有多个反应模块，每个反应模块包括两个换热单元和设置在两个换热单元之间的反应单元，所述换热单元的进口连接第一换热主管道的分支出口，换热单元的出口连接第二换热主管道的分支进口，位于相邻反应模块的反应单元通过连接管道串联连接，每两个反应单元之间的连接管道上设置有传感目视组件。本发明保证微通道中反应介质恒速、恒压、恒温，反应介质浓度处处相等，提高每一步化学反应数据的精准度，使实验数据更科学、可靠。

Description

一种微通道反应器

技术领域

本发明属于微反应器技术领域，特别是涉及一种微通道反应器。

背景技术

微通道反应器是核心的化学反应过程，主要将一种或者几种物质转化为所需物质，或从一组分混合物中脱出某一组分。近年来，随着科技技术迅速发展，合成物质所出现的不理想结果，则主要来自药物反应过程中初始数据是在管式反应器上抽样采集而来，管式反应器所存在的问题是：（1）、管式反应器的材料选择为单一的1CR18Ni9Ti合金钢，作为反应介质管道，其对强腐蚀物质如氯仿、王水，则是短板。如果本材质作为换热用材料，能达到耐压，高强度，在高温下具有耐压、耐酸碱、耐磨性等优点。然而在强氧化物质和多数介质的腐蚀下作反应用材料十分局限。（2）、目前国产管式反应器体积远超出实验室配置，最小体积为1.5³m³，造成物料浪费，成本增高。（3）、管式反应器在化学反应过程中，微观上是以分子为单位参与的物质变化过程，在宏观上分为容积反应过程和表面反应过程，为此加大了一定的容积，在数据偏差对接工业中，对市场产生容接风险。（4）、反应过程中总是伴有热效应，因此反应过程伴有热量传递过程，则需要向反应相提供热量或由反应相导出热量，所以流体的流动、传质、传热等是管式反应器内管与管的换热难以避免的过程，它将伴随着化学反应过程。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种微通道反应器，体积较小，保证微通道中反应介质恒速、恒压、恒温，反应介质浓度处处相等，提高每一步化学反应数据的精准度，使实验数据更科学、可靠。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种微通道反应器，包括壳体和设置于壳体底部的底盘，所述壳体上水平固定有第一换热主管道和第二换热主管道，所述底盘上设置有多个反应模块，每个反应模块包括两个换热单元和设置在两个换热单元之间的反应单元，所述换热单元的进口连接第一换热主管道的分支出口，换热单元的出口连接第二换热主管道的分支进口，位于相邻反应模块的反应单元通过连接管道串联连接，每两个反应单元之间的连接管道上设置有传感目视组件。

进一步地，所述第一换热主管道的进口与高低温循环装置的出口连通；所述第二换热主管道的出口与高低温循环装置的进口连通。

进一步地，所述传感目视组件包括温度传感器和目视镜。

进一步地，在第一换热主管道与换热单元之间的换热管道上设置有智能温控仪，所述智能温控仪的输入端与温度传感器连接，所述智能温控仪的输出端与高低温循环装置连接。

进一步地，所述换热单元包括由换热板组成的换热壳体，在换热壳体内部设置有多根首尾相接的U型换热介质通道；所述换热板和U型换热介质通道采用不锈钢材料制成。

进一步地，所述反应单元包括由反应通道板块组成的反应壳体，在反应壳体内部设置有多根首尾相接的U型反应微通道；在反应单元与换热单元之间设置有反应通道隔板。

进一步地，所述反应通道板块、U型反应微通道和反应通道隔板均采用无压烧结碳化硅陶瓷板制成。

进一步地，在U型反应微通道中增设有多个阻流曲线塞子。

进一步地，在第一个反应模块的反应单元的进口设置有定量压力控制阀和气体置备换接三通阀；在最后一个反应模块的反应单元的出口设置有三通反应介质返程阀。

进一步地，所述定量压力控制阀、气体置备换接三通阀和三通反应介质返程阀的材质均采用无压烧结碳化硅陶瓷材料制成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的一种微通道反应器，反应介质在反应器内具有均匀速度分布，通过定量压力控制阀控制反应介质在反应器内处于恒压，通过智能温控仪控制反应介质在反应器内处于恒温，通过阻流曲线塞子使反应介质在反应微通道内逆向瞬间混合，达到反应介质浓度在轴向不随时间而变化，使化学反应条件恒定，反应结果更加精确唯一。

2、为实现原子经济反应，从源头不生成副产物或废物，实现废物“零排放”，在原子经济性理论基础上，设计高效利用微通道原子的化学合成反应，称为化学反应绿色化。本发明的换热单元采用不锈钢材料，换热过程，不产生任何副作用，反应单元采用无压烧结碳化硅陶瓷材料，该材料与各种药剂不起任何作用，从而实现无副产物排出，绿色环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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发明的一些实施例，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是本发明的一种微通道反应器的结构示意图；

图2是反应模块的结构示意图；

图3是本发明的一种微通道反应器的反应介质及热交换介质的流向图。

图中序号所代表的含义是：1.壳体，2.底盘，3.第一换热主管道，4.第二换热主管道，5.反应模块，6.换热单元，7.反应单元，8.第一换热主管道的分支出口，9.第二换热主管道的分支进口，10.连接管道，11.传感目视组件，12.第一换热主管道的进口，13.第二换热主管道出口，14.温度传感器，15.目视镜，16.智能温控仪，17.换热壳体，18.U型换热介质通道，19.反应壳体，20.U型反应微通道，21.反应通道隔板，22.阻流曲线塞子，23.定量压力控制阀，24.气体置备换接三通阀，25.三通反应介质返程阀。

具体实施方式

实施例一，如图1所示，本实施例的一种微通道反应器，包括壳体1和设置于壳体1底部的底盘2，所述壳体1上水平固定有第一换热主管道3和第二换热主管道4，所述底盘2上设置有多个反应模块5，本实施例中反应模块5的数量为十个，每个反应模块5包括两个换热单元6和设置在两个换热单元6之间的反应单元7，所述换热单元6的进口连接第一换热主管道的分支出口8，换热单元6的出口连接第二换热主管道的分支进口9，位于相邻反应模块5的反应单元7通过连接管道10串联连接，每两个反应单元7之间的连接管道10上设置有传感目视组件11，所述连接管道10采用四氟管，压力达到0.15MPa/cm²，并具有优质的耐腐蚀性，能容纳像氯仿、王水这样的强腐蚀介质，使用温度范围在-100～250℃。

所述第一换热主管道的进口12与高低温循环装置的出口连通；所述第二换热主管道的出口13与高低温循环装置的进口连通，高低温循环装置为微通道反应器提供恒定冷、热源。

经过改进后的壳体1体积为0.45m³，结构紧凑、合理、美观，使用时直接将本仪器推入实验室，体积小并且保险系数高。壳体1采用99.3%的高频合金铝型材，重量轻，撞击后不产生火花，由于铝不易污染药物且相对密度为2.7kg/m³，具有耐腐蚀性，易加工，塑性高等优点。

进一步地，所述传感目视组件11包括温度传感器14和目视镜15，温度传感器14用于将实时检测的反应介质的温度传送给智能温控仪16，目视镜15用于查验每个反应单元7的反应效果，目视镜15采用高硼硅玻璃和特氟龙密封组件特制而成。在第一换热主管道3与换热单元6之间的换热管道上设置有智能温控仪16，所述智能温控仪16的输入端与温度传感器14连接，所述智能温控仪16的输出端与高低温循环装置连接，智能温控仪16用于控制热交换介质的温度保持在设定的实验温度。

如图2所示，所述换热单元6包括由换热板组成的换热壳体17，在换热壳体17内部设置有多根首尾相接的U型换热介质通道18，U型换热介质通道18内有热交换介质；所述换热板和U型换热介质通道18采用304不锈钢材料制成，耐腐蚀性、韧性优良，相对密度为7.93kg/m³，热导率为500℃时，21.5W/(M·℃)，且耐压0.2MPa/cm²，换热过程中不产生任何副作用。

如图2所示，所述反应单元7包括由反应通道板块组成的反应壳体19，在反应壳体19内部设置有多根首尾相接的U型反应微通道20，U型反应微通道20内有反应介质；在反应单元7与换热单元6之间设置有反应通道隔板21。所述反应通道板块、U型反应微通道20和反应通道隔板21均采用无压烧结碳化硅陶瓷板制成。无压烧结碳化硅陶瓷板使用黑金刚石，钙铬榴石，金刚砂和辅料添加合成及辅酶催化后，在没有压力的高温挥发模内烧制而成，高温结熔可使该板密度为3.15～3.53 kg/m³，硬度10度，该材质经配比试制，各种物质的超临界试验验证，本材质与各种药剂不起任何作用，保证反应介质不受外界因素影响。所述温度传感器14的外套管也是采用碳化硅陶瓷材料制成，插入反应介质的连接管道10中。

在第一个反应模块5的反应单元7的进口设置有定量压力控制阀23和气体置备换接三通阀24；在最后一个反应模块5的反应单元7的出口设置有三通反应介质返程阀25。所述定量压力控制阀23、气体置备换接三通阀24和三通反应介质返程阀25的材质均采用无压烧结碳化硅陶瓷材料制成，保证反应介质的纯净度。定量压力控制阀23用于压力调节，控制反应介质在反应器内处于恒压。

本实施例的微通道反应器的承压高达0.2MPa/cm²，工作压力保证在0.15 MPa/cm²，高于管式反应器10倍压力，大幅度提高物质的超临界反应，从而使原来可能性不大的反应转变为可能性较大的反应，例如，近临界水（加热到250～300℃并加压到0.05～0.10MPa/cm²）中存在大量的氢氧离子，使它能够溶解有机化合物，这些离子还可充当催化剂，则显示出绿色溶剂。

在反应器的反应微通道的各个径向截面上，反应介质浓度不随时间而变化，由于径向具有严格均匀的速度分布，也就是在径向不存在浓度变化，所以反应速率随空间位置的变化将只限于轴向，在U型反应微通道20中增设有多个阻流曲线塞子22，使反应介质质点在反应器内逆向瞬间混合，达到反应介质在反应微通道内所有参数如浓度、温度、流速等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量，则反应微通道中反应介质浓度、温度处处相等并且等于反应器出口反应介质的浓度、温度。为此，反应微通道的直径为50～300μm。

如图3所示，微通道反应器的换热流程是：高低温循环装置的出口连接本仪器第一换热主管道的进口12，从第一换热主管道的分支出口8进入智能温控仪16的进口，智能温控仪16的出口连接换热单元6的U型换热介质通道18的进口，U型换热介质通道18的出口连接第二换热主管道的分支进口9，第二换热主管道的出口13连接高低温循环装置的进口。

如图3所示，微通道反应器的反应介质流程是：反应介质经净化加压，进入定量压力控制阀23的进口，定量压力控制阀23的出口连接气体置备换接三通阀24的进口，气体置备换接三通阀24的出口连接第一个反应模块5的反应单元7的U型反应微通道20的进口，U型反应微通道20的出口连接传感目视组件11的进口，传感目视组件11的出口连接第二个反应模块5的反应单元7的U型反应微通道20的进口，依次类推，第十个反应模块5的反应单元7的U型反应微通道20的出口连接传感目视组件11的进口，传感目视组件11的出口连接三通反应介质返程阀25的进口，三通反应介质返程阀25的出口连接产物分析仪的进口，进入下步程序。为了维持反应介质有一定的浓度以便于控制温度及转化率和效率，同时使反应介质在反应器内有足够的时间并具有一定的线速度，采用将部分反应过的介质加到进料中进行循环的操作，可提高转化率和效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种微通道反应器，包括壳体和设置于壳体底部的底盘，其特征在于，所述壳体上水平固定有第一换热主管道和第二换热主管道，所述底盘上设置有多个反应模块，每个反应模块包括两个换热单元和设置在两个换热单元之间的反应单元，所述换热单元的进口连接第一换热主管道的分支出口，换热单元的出口连接第二换热主管道的分支进口，位于相邻反应模块的反应单元通过连接管道串联连接，每两个反应单元之间的连接管道上设置有传感目视组件。

2.根据权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述第一换热主管道的进口与高低温循环装置的出口连通；所述第二换热主管道的出口与高低温循环装置的进口连通。

3.根据权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述传感目视组件包括温度传感器和目视镜。

4.根据权利要求3所述的微通道反应器，其特征在于，在第一换热主管道与换热单元之间的换热管道上设置有智能温控仪，所述智能温控仪的输入端与温度传感器连接，所述智能温控仪的输出端与高低温循环装置连接。

5.根据权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述换热单元包括由换热板组成的换热壳体，在换热壳体内部设置有多根首尾相接的U型换热介质通道；所述换热板和U型换热介质通道采用不锈钢材料制成。

6.根据权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述反应单元包括由反应通道板块组成的反应壳体，在反应壳体内部设置有多根首尾相接的U型反应微通道；在反应单元与换热单元之间设置有反应通道隔板。

7.根据权利要求6所述的微通道反应器，其特征在于，所述反应通道板块、U型反应微通道和反应通道隔板均采用无压烧结碳化硅陶瓷板制成。

8.根据权利要求6所述的微通道反应器，其特征在于，在U型反应微通道中增设有多个阻流曲线塞子。

9.根据权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，在第一个反应模块的反应单元的进口设置有定量压力控制阀和气体置备换接三通阀；在最后一个反应模块的反应单元的出口设置有三通反应介质返程阀。

10.根据权利要求9所述的微通道反应器，其特征在于，所述定量压力控制阀、气体置备换接三通阀和三通反应介质返程阀的材质均采用无压烧结碳化硅陶瓷材料制成。