CN108686594B - 连续流微通道反应模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续流微通道反应模块，其包括拼合的两板，至少其中一个板的端面上设有纵向延伸的复合流体通道，而且复合流体通道由并列的三条流道构成，每条流道内相间地分布设有多个凹部，相邻两凹部之间形成凸部。两侧所设流道的凹部对应于中间所设流道的凸部，两侧所设流道的凸部对应中间所设流道的凹部，相邻位置处的中间所设流道的凹部与两侧所设流道的凹部之间形成连通二者的间隙。其借助其复合流体通道的新颖结构，形成相对密集的、连续分布的流体切割、汇聚混合单元，通道具有极大的比表面积，因此其具有强化流体混合行为的能力，能获得高反应物混合效率，能够通过具有流动性的固体颗粒，能被用于含有固体颗粒的多相反应中。

Description

连续流微通道反应模块
技术领域
本发明涉及微通道反应器领域，更具体地，涉及一种具有较好的通过性，能够通过具有流动性的固体颗粒，能被用于含有固体颗粒的多相反应，具有强化流体混合过程能力的连续流微通道反应模块。
背景技术
微通道反应器是对微反应器、微换热器、微控制器等微通道流体装置的统称。被应用于化学反应过程、物理过程及生物过程。相比较常规的釜式反应装置，微通道反应器具有高速且高质量的混合、高效的传热、精确且窄的停留时间、重复性好、无放大效应、便于自动化控制和连续生产、设备体积小、热量便于回收，能耗低等优点。微通道反应系统为反应体系提供更宽泛的反应温度及压力范围，其极小的反应体积提供了高的安全性。
目前主流的微通道反应器主要有以下几种类型：
(1)主动混合器，如机械搅拌、超声混合等加延时管路和换热装置的组合。
(2)被动混合器，如星型混合器、错流混合器、T型混合器、对撞流混合器等加延时管路和换热装置的组合。
(3)被动混合、反应、换热整体式反应器，如带换热结构的静态混合器作为反应管路、康宁心形反应器等。
现有的微通道反应器在流道内要保持特定的流形，因而采用了过细的通道，使得其不太能够适用于高通量的精细化学品制备，通道容易堵塞，不便于维护，适用于纯净的流体时一般不存在堵塞问题。在功能上其仅起到简单的引流作用，混合效率较低，单位长度的通道混合单元数量过少，混合充分性较差。
发明内容
本发明是为了解决上述问题及其他尚未被解决的技术问题。
作为为了解决上述问题而进行的创新设计，本发明所提供的连续流微通道反应模块，借助所设计的具有新颖结构的流道，其具有强化流体混合行为的能力，能获得高反应物混合效率，能够通过具有流动性的固体颗粒，能被用于含有固体颗粒的多相反应中。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种连续流微通道反应模块，包括上板和下板，所述下板朝向所述上板的端面上设有纵向延伸的复合流体通道。所述复合流体通道由并列的三条流道构成，每条流道内相间地分布设有多个凹部，相邻两凹部之间形成凸部。两侧所设流道上的凹部一一对应于中间所设流道上的凸部，两侧所设流道上的凸部一一对应于中间所设流道上的凹部，且在相邻位置处中间所设流道的凹部与两侧所设流道的凹部之间形成连通二者的间隙。
上述所设的连续流微通道反应模块，在上板与下板相对连接成整体后，上板将所述的复合流体通道的上端口封堵住，使得复合流体通道形成密封的管道结构，流体由复合流体通道的纵向一端进入复合流体通道内后，会由中间所设流道的凹部向两侧分流而进入相邻的下游位置处的两侧位置所设流道的凹部。因为中间位置的流道凹部与两侧位置的流道凹部沿纵向交错地排列，所以在流体由中间所设流道的凹部进入两侧所设流道的凹部过程中，会不断地受到流道凸部边缘的切割，且在复合流体通道内连续地循环实施分流、汇合的混流行为，这种流道结构具有能够防止固体颗粒停滞同时获得高混合效率。
在一些实施方式下，所述凹部呈现为V型槽状，对应地，所述凸部呈现为倒置的V型凸台状。与前述结构相近似地，在一些实施例中，所述凹部呈现为V型槽状，而对应的凸部呈现为梯形凸台状，且梯形凸台的短边朝上；或者所述凹部呈现为梯形槽状，且梯形槽的端面在下方，对应的凸部呈现为倒置的V型凸台状；或者所述凹部呈现为梯形槽状，且梯形槽的端面在下方，对应的凸部亦呈现为梯形凸台状，同时梯形凸台的短边朝上。
在一些实施方式下，同一流道的所述凹部与凸部构成交替起伏的波浪状或正弦曲线状或余弦曲线状。
在一些实施方式下，所述凹部呈现为半圆槽状，所述凸部为相邻两凹部的交叉边之间形成的脊。在一些实施例中，所述脊的顶部为横向延伸的边线或者长条状端面。
在一些实施方式下，所述凹部呈现为矩形槽，对应地所述凸部呈现为矩形台。中间所设流道中凹部的长度S1大于两侧所设流道中凸部的长度V2，同时，两侧所设流道中凹部的长度V1大于中间所设流道中凸部的长度S2。即，三列流道中的相邻两列中，一列的凹部长度总是大于另一列的凸部长度。当呈矩形槽状的凹部的两侧面相对竖直方向向外侧倾斜时，凹部与凸部便能够变形为梯形槽和梯形凸台交替排列的结构，也即与前述V型的凹槽和凸部的尖端被削去后形成的结构近似，仅在尺寸比例上有区别。
一种连续流微通道反应模块，包括一对端面上设有纵向延伸的复合流体通道的板。所述复合流体通道由并列的三条流道构成，每条流道内相间地分布设有多个凹部，相邻两凹部之间形成凸部。两侧所设流道上的凹部一一对应于中间所设流道上的凸部，两侧所设流道上的凸部一一对应于中间所设流道上的凹部，在相邻位置处中间所设流道的凹部与两侧所设流道的凹部之间形成连通二者的间隙。两板设有复合流体通道的端面相对，两板上的中间所设流道上的凸部一一相对接触，各侧所设流道上的凸部一一相对接触后，两板连接成整体。
在一些实施方式下，所述凹部呈现为V型槽状，对应地，所述凸部呈现为倒置的V型凸台状。与前述结构相近似地，在一些实施例中，所述凹部呈现为V型槽状，而对应的凸部呈现为梯形凸台状，且梯形凸台的短边朝上；或者所述凹部呈现为梯形槽状，且梯形槽的端面在下方，对应的凸部呈现为倒置的V型凸台状；或者所述凹部呈现为梯形槽状，且梯形槽的端面在下方，对应的凸部亦呈现为梯形凸台状，同时梯形凸台的短边朝上。
在一些实施方式下，同一流道的所述凹部与凸部构成交替起伏的波浪状或正弦曲线状或余弦曲线状。
在一些实施方式下，所述凹部呈现为半圆槽状，所述凸部为相邻两凹部的交叉边之间形成的脊。在一些实施例中，所述脊的顶部为横向延伸的边线或者长条状端面。
在一些实施方式下，所述凹部呈现为矩形槽，对应地所述凸部呈现为矩形台。中间所设流道中凹部的长度S1大于两侧所设流道中凸部的长度V2，同时，两侧所设流道中凹部的长度V1大于中间所设流道中凸部的长度S2。即，三列流道中的相邻两列中，一列的凹部长度总是大于另一列的凸部长度。当呈矩形槽状的凹部的两侧面相对竖直方向向外侧倾斜时，凹部与凸部便能够变形为梯形槽和梯形凸台交替排列的结构，也即与前述V型的凹槽和凸部的尖端被削去后形成的结构近似，仅在尺寸比例上有区别。
有益效果：本专利方案下的连续流微通道反应模块，借助其复合流体通道的新颖结构，具有相对密集的、连续分布的流体切割、汇聚混合单元，通道具有极大的比表面积，因此其具有强化流体混合行为的能力，能获得高反应物混合效率，能够通过具有流动性的固体颗粒，能被用于含有固体颗粒的多相反应中。
附图说明
图1示出了微通道反应模块在某种实施结构下内部构造结构的轴侧示意图；
图2示出了图1所示方案整体的局部透视示意图；
图3是示出了图1所示微通道反应模块的各部分中发生混流行为的原理示意图；
图4是示出了图1所示结构的纵向剖面示意图；
图5是示出了图1所示结构的俯视示意图；
图6为图5中A-A剖面结构示意图；
图7为图5中B-B剖面结构示意图；
图8示出了微通道反应模块在第二实施结构下的纵向局部剖面示意图；
图9示出了微通道反应模块在第三实施结构下的纵向剖面示意图；
图10示出了微通道反应模块在第四实施结构下的纵向剖面示意图；
图11是示出了图10所示实施结构的俯视示意图；
图12为图11中C-C剖面结构示意图；
图13为图11中D-D剖面结构示意图；
图14示出了将图1所示结构并合使用时的纵向剖面结构示意图；
图15示出了将图8所示结构中的下板并合使用时的纵向剖面结构示意图；
图16示出了将图9所示结构中的下板并合使用时的纵向剖面结构示意图；
图17示出了将图10所示结构中的下板并合使用时的纵向剖面结构示意图；
图18为多个本专利方案所涉及的微通道反应模块连接使用的状态图；
图19为本专利方案所涉及的微通道反应模块的应用结构示意图。
具体实施方式
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本设计方案所涉及的连续流微通道反应模块有两种主要形式，一种是由下板11、21、31、41和上板12、22、32、42构成的板式通道结构，如图1至图13所示。另一种是由下板11、21、31、41和倒置板11′、21′、31′、41′构成的板式通道结构，如图14至图17所示，此时倒置板与对应的下板槽形结构是一致的。
本方案所涉及的连续流微通道反应模块中，所述下板11、21、31、41朝向所述上板12、22、32、42的端面上设有纵向延伸的复合流体通道。所述复合流体通道由并列的三条流道构成，即流道一13、流道二14和流道三15。每条流道内相间地分布设有多个凹部A1、B1、C1，相邻两凹部之间形成凸部A2、B2。两侧所设的流道14、15上的凹部B1、C1一一对应于中间所设流道13上的凸部A2，两侧所设流道14、15上的凸部B2(另一侧流道的凸部没有用标号标注)一一对应于中间所设流道13上的凹部A1，且在相邻位置处的中间所设流道13的凹部与两侧所设流道14、15的凹部之间形成连通二者的间隙43。
上述所设的连续流微通道反应模块，在上板与下板相对连接成整体后，上板将所述的复合流体通道的上端口封堵住，使得复合流体通道形成密封的管道结构，流体由复合流体通道的纵向一端进入复合流体通道内后，会由中间所设流道的凹部向两侧分流而进入相邻的下游位置处的两侧位置所设流道的凹部。因为中间位置的流道凹部与两侧位置的流道凹部沿纵向交错地排列，所以在流体由中间所设流道的凹部进入两侧所设流道的凹部过程中，会不断地受到流道凸部边缘的切割，且在复合流体通道内连续地循环实施分流、汇合的混流行为，这种流道结构具有能够防止固体颗粒停滞同时获得高混合效率。
该连续流微通道反应模块内形成的微通道中通过凹、凸式结构形成了连续的多个强制切割、分流、汇流的细微流体控制单元，且单元密集(单位长度下，本专利方案所设的混合单元数远大于现有的反应、混合模块内能设置的最大混合单元数)，无间隙的遍布整个流体通道，能有效的强化流体混合过程。通道相对于平推流反应通道、其他类似设计的通道、传统的釜式反应器具有极大的比表面积，能强化了换热效率。特别适合于液体均相、液-液非均相、气-液非均相、部分的液-固非均相、气-液-固非均相的化学、物理、生物等过程。其可根据工况用金属、陶瓷、玻璃、聚合物等材料制造。
中间所设流道的横向宽度d1与两侧所设流道的横向宽度d2、d3间的比可以互为整数倍关系，如前者(d1)是后者(d2、d3)的10倍或后者(d2、d3)是前者(d1)的10倍。两侧所设流道的横向宽度(d2、d3)一般设置为一致大小，其也可以设置为一定倍数关系。
下面结合几个具体实施例对由上板和下板构成的连续流微通道反应模块进行说明。
如图1至图7所示的连续流微通道反应模块10，其中间位置的流道一13，以及分布设置在流道一13两侧位置的流道二14和流道三15内的凹部A1、B1、C1呈现为V型槽状，对应地，所述凸部A2、B2(流道三14的凸部没有设置标号)呈现为倒置的V型凸台状。更具体地，所述流道一13中的凹部A1，与流道二14、流道三15中的凹部B1、C1的外形尺寸参数在一些实施例中可以一致，甚至流道的所有凸部与凹部的外形尺寸参数都可以是一致的。
如图4至图7所示，流道二14上的凹部二B1及流道三15上的凹部三C1一一对应于流道一13上的凸部一A2两侧。流道二14的凸部二B2及流道三15上的凸部一一对应于流道一13上的凹部一A1两侧。同时，所述流道一13上的凹部一A1的横向中线Ⅰ1与流道二14、流道三15上的凸部B2的横向中线Ⅱ2重合，所述流道一13上的凸部一A2的横向中线Ⅰ2与流道二14、流道三15上的凹部B1、C1的横向中线Ⅱ1重合。进而在纵向相邻位置处，流道一13的凹部一A1分别与流道二14的凹部二B1、流道三15的凹部三C1之间形成连通二者的呈三角缺口状的间隙。三角缺口的具体夹角大小及深度可以通过调整凹部及凸部的外形参数具体设定。因为连通各个凹部的间隙具体为三角状缺口，即间隙的大小自尖角端向另一端是变化的，所以能够最大限度地阻止流体中的固体颗粒停滞，而造成堵塞。同时流体是沿凸部爬行至间隙位置的，能够进一步强化流体的混合过程。
如图8所示的连续流微通道反应模块20，其同一流道的所述凹部与凸部构成正弦曲线状或余弦曲线状。
在呈正弦或余弦曲线状时，其循环周期可以灵活设置。同样，中间所设流道的循环周期，在一些实施例中可以与两侧所设流道的循环周期一致，只是在布置时相对中间所设流道沿纵向方向错开，保证中间所设流道的凹部与两侧所设流道的凹部之间能够形成适当的连通间隙即可。两侧所设流道的循环周期原则上是要求一致的，但在一些实施方式下，为具体使用环境考虑，可以使循环周期有减小的不同。在一些实施例中，中间所设流道的循环周期也可以与两侧所设流道的循环周期有较小的差异，差值大小一般控制在二者循环周期中较小的一个的1/5以内。
如图9所示的连续流微通道反应模块30，其凹部呈现为半圆槽状，凸部为相邻两凹部的交叉边之间形成的脊，图示中所述脊的顶部为横向延伸的边线。在一些实施例中，也可适当增大纵向相邻的两凹部之间的距离，使得所述脊的顶部形成长条状端面。图示中，中间所设流道的凹部深度与两侧所设流道的凹部深度一致。同样的，在一些实施例中，中间所设流道的凹部深度还可以大于或小于两侧所设流道的凹部深度。
如图10至图13所示的连续流微通道反应模块40，其凹部A1、B1呈现为矩形槽，对应地其凸部A2、B2呈现为矩形台。中间所设流道中的凹部一A1的长度S1大于两侧所设流道中凸部B2的长度V2，同时，两侧所设流道中凹部B1的长度V1大于中间所设流道中凸部A2的长度S2，进而在凹部一A1与凹部二B1的交叉边界处形成条状的间隙43。
如图14至图17所示，为下板11、21、31、41与倒置板11ˊ、21ˊ、31ˊ、41ˊ所构成的连续流微通道反应模块10ˊ、20ˊ、30ˊ、40ˊ。所述倒置板11ˊ、21ˊ、31ˊ、41ˊ的复合流体通道结构，与相对应的下板11、21、31、41的的复合流体通道结构一致。具体地，该种连续流微通道反应模块10ˊ、20ˊ、30ˊ、40ˊ包括一对端面上设有纵向延伸的复合流体通道的板(即下板和倒置板)。所述复合流体通道由并列的三条流道构成，每条流道内相间地分布设有多个凹部，相邻两凹部之间形成凸部。两侧所设流道上的凹部一一对应于中间所设流道上的凸部，两侧所设流道上的凸部一一对应于中间所设流道上的凹部，在相邻位置处中间所设流道的凹部与两侧所设流道的凹部之间形成连通二者的间隙。两板设有复合流体通道的端面相对，两板上的中间所设流道上的凸部一一相对接触，各侧所设流道上的凸部一一相对接触后，两板连接成整体。
如图14所示的连续流微通道反应模块10′，其凹部呈现为V型槽状，对应地，其凸部呈现为倒置的V型凸台状。相近似地，在一些实施例中凹部呈现为V型槽状，而对应的凸部呈现为梯形凸台状，且梯形凸台的短边朝上。或者凹部呈现为梯形槽状，且梯形槽的端面在下方，对应的凸部呈现为倒置的V型凸台状。或者所述凹部呈现为梯形槽状，且梯形槽的端面在下方，对应的凸部亦呈现为梯形凸台状，同时梯形凸台的短边朝上。
如图15所示的连续流微通道反应模块20′，其同一流道(中间所设的流道或两侧所设的流道)的所述凹部与凸部构成交替起伏的波浪状或正弦曲线状或余弦曲线状。
如图16所示的连续流微通道反应模块30′，其凹部呈现为半圆槽状，凸部为相邻两凹部的交叉边之间形成的脊，所述脊的顶部为横向延伸的边线。
如图17所示的连续流微通道反应模块40′，其凹部呈现为矩形槽，对应地，其凸部呈现为矩形台。中间所设流道中凹部的长度S1大于两侧所设流道中凸部的长度V2，同时，两侧所设流道中凹部的长度V1大于中间所设流道中凸部的长度S2。
图18所示为本专利所涉及的连续流微通道反应模块X0的一种使用状态的展示，其被固定排列在基板1a上，端口通过通道1b串接。图19为另一种使用状态的展示，其中连续流微通道反应模块制作成微通道模块基板1，在微通道模块基板1的上、下部位附设了下夹板2和上夹板3。下夹板2和上夹板3可以选择带有换热或者保温结构的夹板。正如图1、图2所展示，该连续流微通道反应模块的端口是与复合流体通道中的中间所设流道的两端直接贯通的。在一些实施例中，该连续流微通道反应模块的端口也可与复合流体通道中的侧位所设流道的两端直接贯通或与三个流道分别贯通。
作为对本专利所涉及连续流微通道反应模块的扩展应用，在一个模块中可设置并列的多个复合流体通道，而且该种结构的设置也应落入本专利的保护范围。另外，在设置了多个复合流体通道的前提下，各复合流体通道的凹部与凸部的外形形式可以一致或不同(包括尺寸参数的不同和外表构形的不同)。
上述实施方式仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本发明还有许多方面可以在不违背总体思路的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，可对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思路下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种连续流微通道反应模块，其特征在于：包括上板和下板，所述下板朝向所述上板的端面上设有纵向延伸的复合流体通道；
所述复合流体通道由并列的三条流道构成，每条流道内相间地分布设有多个凹部，相邻两凹部之间形成凸部；
两侧所设流道上的凹部一一对应于中间所设流道上的凸部，两侧流道上的凸部一一对应于中间所设流道上的凹部，且在相邻位置处中间所设流道的凹部与两侧所设流道的凹部之间形成连通二者的间隙；
所述的连续流微通道反应模块，在上板与下板相对连接成整体后，上板将所述的复合流体通道的上端口封堵住，使得复合流体通道形成密封的管道结构，流体由复合流体通道的纵向一端进入复合流体通道内后，会由中间所设流道的凹部向两侧分流而进入相邻的下游位置处的两侧位置所设流道的凹部；中间位置的流道的凹部与两侧位置的流道的凹部沿纵向交错地排列，流体由中间所设流道的凹部进入两侧所设流道的凹部过程中，会不断地受到流道凸部边缘的切割，且在复合流体通道内连续地循环实施分流、汇合的混流，起到防止固体颗粒停滞且提升混合效率的作用。
2.根据权利要求1所述的连续流微通道反应模块，其特征在于：所述凹部呈现为V型槽状，对应地，所述凸部呈现为倒置的V型凸台状。
3.根据权利要求1所述的连续流微通道反应模块，其特征在于：同一流道的所述凹部与凸部构成交替起伏的正弦曲线状或余弦曲线状。
4.根据权利要求1所述的连续流微通道反应模块，其特征在于：所述凹部呈现为半圆槽状，所述凸部为相邻两凹部的交叉边之间形成的脊。
5.根据权利要求1所述的连续流微通道反应模块，其特征在于：所述凹部呈现为矩形槽，对应地，所述凸部呈现为矩形台；同时，中间所设流道中凹部的长度S1大于两侧所设流道中凸部的长度V2，两侧所设流道中凹部的长度V1大于中间所设流道中凸部的长度S2。
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