CN108837782A - 一种具有复杂内部通道结构的微反应管及其制造方法 - Google Patents

一种具有复杂内部通道结构的微反应管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有复杂内部通道结构的微反应管及其制造方法；其管体的内部通道截面为矩形壁面；在矩形壁面相对应的两个壁面上，沿着管体的轴向方向依次分布有若干个四棱锥台，它们整合在一起构成了通道内壁面上相互连通交汇的微沟槽结构；其中，沿管体径向方向每两个彼此对应壁面上的四棱锥台径向端点之间的间隔距离为0.2mm～0.3mm；而沿管体轴向方向同一侧壁面上各相邻四棱锥台之间的轴向端点彼此衔接或者重合。这种结构大大增强了液体在通道内的混合程度。采用激光选区熔化成型工艺，不仅提高了液体工质在微反应管通道的混合反应效率，还降低了微反应管通道在制备工艺上的难度。

Description

一种具有复杂内部通道结构的微反应管及其制造方法
技术领域
本发明涉及微反应管，尤其涉及一种具有复杂内部通道结构的微反应管及其制造方法。
背景技术
微通道反应管具有高效的混合能力和传热传质能力，可以对快速反应和强放热反应进行有力的强化，大幅提高反应速率，缩小所需的反应容器体积。微反应管可极大地减少单位体积内滞留的热量和反应物，从而有效地降低高温反应、涉及不稳定中间体等反应的爆炸可能性和事故危害性。微通道反应管内反应物的停留时间可通过调节通道的长度和流体的流速这两个参数来实现精确控制。鉴于以上原因，微通道反应管在微反应工业化生产技术领域具有广阔的应用前景。
目前微通道反应管的制作方法，首先将反应管分为两半，再加工出各部分的内部通道，其密封性依赖于加工精度和接合技术水平，增加了工序的复杂性。其各部分的加工方法包括LIGA加工、精密机械加工等方法，其中LIGA加工等只能进行平面形状的加工，精密机械加工虽可加工出较复杂的空间几何结构，但由于是接触式加工，易产生变形，目前该方法主要适用于简单形状的微反应管。这些问题严重限制了微反应管的质量与生产推广。
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术能够直接制造冶金结合、组织致密、尺寸精度高和力学性能良好的金属零件，可以成型小批量、个性化、具有复杂表面及内部结构的金属零件。SLM相比传统的减材、铸造等制造方式，更适用于具有复杂结构的微通道反应器的成型。
因此，采用激光选区熔化技术成型具有复杂内部流道结构的微通道反应管，能够避免上述已有加工方式的不足，无需分两半加工避免两半接合时产生的密封性问题，进而提高新型微反应管通道的成型效果以及混合反应效率，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种具有复杂内部通道结构的微反应管及其制造方法。不仅提高了液体工质在微反应管通道的混合反应效率，还降低了微反应管通道在制备工艺上的难度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种具有复杂内部通道结构的微反应管，该微反应管包括管体1；管体1的内部通道截面为正方形壁面；
在正方形壁面相对应的两个壁面上，沿着管体1的轴向方向依次分布有若干个四棱锥台2，它们整合在一起构成了通道内壁面上相互连通交汇的微沟槽结构，即引流促混通道结构；
其中，沿管体1径向方向每两个彼此对应壁面上的四棱锥台2径向端点之间的间隔距离为0.2mm～0.3mm；而沿管体1轴向方向同一侧壁面上各相邻四棱锥台2之间的轴向端点彼此衔接或者重合。
所述四棱锥台2的每一个面与水平面的夹角均为45°～90°；四棱锥台2腰上的四条棱中，有两条相对的棱沿管体1轴线方向分布，另外两条相对的棱沿着垂直于管体1轴线方向分布。
所述管体1的一端为凸榫结构3，另一端为凹榫结构4；当多根管体1衔接时，其中一根管体1端部的凸榫结构3与另一根管体1端部的凹榫结构4嵌合对接，使各管体1头尾之间通过榫卯连接结构实现整体连通；嵌合对接处之间的缝隙采用焊接或者采用密封胶密封。
所述引流促混通道结构根据扩散方程式为：
和雷诺数方程
式中，C为混合后溶液某局部位置的某组分的浓度，C0为其初始浓度，D为其在溶液中的扩散系数，t表示混合时间，r表示该局部位置到反应器壁的径向距离，erf是高斯误差函数的简写方式，ρ、μ表示反应器某过流截面的密度、动力粘度，U表示上述过流截面的平均速率，x表示反应器径向特征尺寸(即过流截面水力直径)，在本微反应管中，x受到反应器内壁边长a，前述四棱锥台2径向端点间距l以及前述四棱锥台2的棱与壁面夹角θ的约束，其关系为：
所述管体1的外壁截面形状为四边形，四边形外壁每一条棱边具有倒角，倒角与水平面的夹角为45°～90°。
所述管体1的壁厚为3mm以上。
所述管体1为镍基合金管体或者钴铬合金管体。
本发明所述具有复杂内部通道结构的微反应管，采用激光选区熔化设备直接制备成型；
成型过程中扫描成型策略采用分区加层间螺旋扫描方法；
成型过程中水平摆放样件，无需支撑结构，极大提高致密度和减少加工过程中产生的热应力变形和热内应力；
成型过程中水平摆放样件，引流促混通道结构中四棱锥台2的每个面与水平面的夹角均在45°～90°之间，使得在激光选区熔化时以水平横放的方式作业，作业过程中不加支撑，进而省略去除支撑的后处理工序。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明在管体1正方形壁面相对应的两个壁面上，沿着管体1的轴向方向依次分布有若干个四棱锥台2，它们整合在一起构成了通道内壁面上相互连通交汇的微沟槽结构，形成了引流促混通道结构。这种将引流促混通道结构设计成凹凸有致的空间几何体，使得二种以上液体在通道内同时流动时会被交汇的微沟槽不断地分成多股，然后又汇合，大大地提高了液体的混合效率，可达到传统的釜式搅拌反应器混合效率的1000到3000倍。
本发明引流促混通道结构中四棱锥台的每个面与水平面的夹角都在45°～90°之间，可以保证能用激光选区熔化工艺以水平横放的方式不加支撑地成型出，可以节省去除支撑的后处理工序，同时由于其轴向长度通常远大于其底面边长，水平横放可以比竖直摆放更省加工时间。
本发明管体1的一端为凸榫结构3，另一端为凹榫结构4；当需要延长或者多个反应器互通时，各管体1的头尾之间通过榫卯连接结构实现整体连通，不仅可以方便多个反应器相互连接，而且榫卯互相嵌合连接结构便于其内通道的对齐，提高管体1之间的同轴度，也增强了连接强度。
本发明管体1采用激光选区熔化设备直接制备成型；成型过程中扫描成型策略采用分区加层间螺旋扫描方法；成型过程中水平摆放样件，无需支撑结构，极大提高致密度和减少加工过程中产生的热应力变形和热内应力；成型过程中水平摆放样件，引流促混通道结构中四棱锥台2的每个面与水平面的夹角均在45°～90°之间，使得在激光选区熔化时以水平横放的方式作业，作业过程中不加支撑，进而省略去除支撑的后处理工序。本发明构建了可以使用常规激光选区熔化工艺一体化成型的复杂内通道结构和外部连接结构的新方案，不仅提高了液体工质在微反应管通道的混合反应效率，还降低了微反应管通道在制备工艺上的难度。
附图说明
图1为本发明具有复杂内部通道结构的微反应管平面结构透视示意图。
图2为微反应管立体结构透视示意图。
图3为微反应管截面结构视示意图。
图4为微反应管局部放大结构透视视示意图。
图5为微反应管激光选区熔化工艺成型步骤流程示意图。
图6为微反应管的加工扫描策略工艺步骤流程示意图。
图7为微反应管具体应用示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1-7所示。本发明公开了一种具有复杂内部通道结构的微反应管，该微反应管包括管体1；管体1的内部通道截面为正方形壁面；
在正方形壁面相对应的两个壁面上，沿着管体1的轴向方向依次分布有若干个四棱锥台2，它们整合在一起构成了通道内壁面上相互连通交汇的微沟槽结构，即引流促混通道结构；
其中，沿管体1径向方向每两个彼此对应壁面上的四棱锥台2径向端点之间的间隔距离为0.2mm～0.3mm；而沿管体1轴向方向同一侧壁面上各相邻四棱锥台2之间的轴向端点彼此衔接或者重合。
所述引流促混通道结构的形状由任意平面沿其法线方向扫描时，投影图形都会一直发生变化的空间几何形状；其具体的空间几何形状为一个经过计算变形程度而形成的四棱锥台2，四棱锥台2的每一个面与水平面的夹角均为45°～90°；四棱锥台2腰上的四条棱中，有两条相对的棱沿管体1轴线方向分布，另外两条相对的棱沿着垂直于管体1轴线方向分布。
所述管体1的一端为凸榫结构3，另一端为凹榫结构4；当多根管体1衔接时，其中一根管体1端部的凸榫结构3与另一根管体1端部的凹榫结构4嵌合对接，使各管体1头尾之间通过榫卯连接结构实现整体连通；嵌合对接处之间的缝隙采用焊接或者采用密封胶密封。
所述引流促混通道结构根据扩散方程式为：
和雷诺数方程
式中，C为混合后溶液某局部位置的某组分的浓度，C0为其初始浓度，D为其在溶液中的扩散系数，t表示混合时间，r表示该局部位置到反应器壁的径向距离，erf是高斯误差函数的简写方式，ρ、μ表示反应器某过流截面的密度、动力粘度，U表示上述过流截面的平均速率，x表示反应器径向特征尺寸(即过流截面水力直径)，在本实施例中，x受到反应器内壁边长a，前述四棱锥台2径向端点间距l以及前述四棱锥台2的棱与壁面夹角θ的约束，其关系为：
由上述方程可知液体的扩散时间的平方与液体流动宽度成反比且通道宽度的选择与雷诺数的大小密切相关，故设计为对称分布在微反应器通道的两侧，如上所述：沿管体1径向方向每两个彼此对应壁面上的四棱锥台2径向端点之间的间隔距离为0.2mm～0.3mm；而沿管体1轴向方向同一侧壁面上各相邻四棱锥台2之间的轴向端点彼此衔接或者重合。
所述管体1的外壁截面形状为四边形，四边形外壁每一条棱边具有倒角，倒角与水平面的夹角为45°～90°。
所述管体1的壁厚为3mm以上；可以承受5MPa及以下动压力所需的壁厚要求。
所述管体1为镍基合金管体或者钴铬合金管体。合金成型件的抗腐蚀性能和导热性能均优于其他金属或陶瓷材料制造的反应管道。
本发明所述具有复杂内部通道结构的微反应管，采用激光选区熔化设备直接制备成型；
成型过程中扫描成型策略采用分区加层间螺旋扫描方法；
成型过程中水平摆放样件，无需支撑结构，极大提高致密度和减少加工过程中产生的热应力变形和热内应力；
成型过程中水平摆放样件，引流促混通道结构中四棱锥台2的每个面与水平面的夹角均在45°～90°之间，使得在激光选区熔化时以水平横放的方式作业，作业过程中不加支撑，进而省略去除支撑的后处理工序。不加支撑有效地节省了合金粉末的使用以及加工所需的时间，降低了成型件的变形可能性，提高了产品的生产效率，降低了生产成本。
成型后，将成型样件由线切割从基板上切下，对其待连接位置进行打磨抛光处理，多个通道衔接处进行焊接处理固定整体结构，提高其密封性。
图6给出了扫描策略示意。激光扫描成型策略采用分区以及层间螺旋扫描方法，单层扫描的顺序按照图中8-23逐一进行，每扫描完成一层后，偏移30°进行下一层扫描，以螺旋式扫描完成样件，成型样件的力学强度包括抗拉强度等和使用寿命相较于单独分区扫描策略和层间螺旋扫描策略成型件的成型效果更加优异，加工过程中所产生的热应力变形和热内应力减少，利于在高内部压力作用下的化学反应顺利进行。
3D打印形成的成型件可具有复杂的内腔结构，极大地提高了液体间的混合效率和反应速率，提高了成型件的致密度和减少加工过程中的变形，同时减少通道上的连接点，保证了微反应管的密闭性和可靠性，通过对结构的优化，微反应管结构实现了对反应过程的控制，具有更高的可控性。
图7给出了微反应管二种以上液体混合反应的整体装置的应用实例。由反应物储存室24，流量控制装置25，检测装置26，恒压泵27，管体1(微反应管)，三通卡套接头28，直通卡套接头29，检测装置30以及生成物回收室31组成。
带混合反应物由反应物储存室24流出，通过流量控制装置25改变其流量流速，经检测装置26检查其流动特性后输入恒压泵27，再由三通卡套接头28将两路反应物导入微反应管1中进行不同种液体间的混合和反应，生成物经直通卡套接头29引出至反应物监测装置30中检测反应物的纯度及生成质量后储存在生成物回收室31中。
管体1与三通卡套接头28和直通卡套接头29之间均通过机械式嵌合连接，保证了连接可靠性和可拆卸性。
实验中，采用工业自来水洗脱四氟苯菊酯反应液中的水溶性盐，采用内边长为4mm通道的管体1；工业自来水进料量1L/分钟，四氟苯菊酯反应液进料量2L/分钟，两种流体经过微反应器处理除盐率为99.6％。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：该微反应管包括管体(1)；管体(1)的内部通道截面为正方形壁面；
在正方形壁面相对应的两个壁面上，沿着管体(1)的轴向方向依次分布有若干个四棱锥台(2)，它们整合在一起构成了通道内壁面上相互连通交汇的微沟槽结构，即引流促混通道结构；
其中，沿管体(1)径向方向每两个彼此对应壁面上的四棱锥台(2)径向端点之间的间隔距离为0.2mm～0.3mm；而沿管体(1)轴向方向同一侧壁面上各相邻四棱锥台(2)之间的轴向端点彼此衔接或者重合。
2.根据权利要求1所述具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：所述四棱锥台(2)的每一个面与水平面的夹角均为45°～90°；四棱锥台(2)腰上的四条棱中，有两条相对的棱沿管体(1)轴线方向分布，另外两条相对的棱沿着垂直于管体(1)轴线方向分布。
3.根据权利要求2所述具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：所述管体(1)的一端为凸榫结构(3)，另一端为凹榫结构(4)；当多根管体(1)衔接时，其中一根管体(1)端部的凸榫结构(3)与另一根管体(1)端部的凹榫结构(4)嵌合对接，使各管体(1)头尾之间通过榫卯连接结构实现整体连通；嵌合对接处之间的缝隙采用焊接或者采用密封胶密封。
4.根据权利要求3所述具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：所述引流促混通道结构根据扩散方程式为：
和雷诺数方程
式中，C为混合后溶液某局部位置的某组分的浓度，C0为其初始浓度，D为其在溶液中的扩散系数，t表示混合时间，r表示该局部位置到反应器壁的径向距离，erf是高斯误差函数的简写方式，ρ、μ表示反应器某过流截面的密度、动力粘度，U表示过流截面的平均速率，x表示反应器径向特征尺寸，x受到反应器内壁边长a，四棱锥台2径向端点间距l以及四棱锥台2的棱与壁面夹角θ的约束，其关系为：
5.根据权利要求3所述具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：所述管体(1)的外壁截面形状为四边形，四边形外壁每一条棱边具有倒角，倒角与水平面的夹角为45°～90°。
6.根据权利要求5所述具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：所述管体(1)的壁厚为3mm以上。
7.根据权利要求6所述具有复杂内部通道结构的微反应管，其特征在于：所述管体(1)为镍基合金管体或者钴铬合金管体。
8.权利要求7所述具有复杂内部通道结构的微反应管的制备方法，其特征在于：由激光选区熔化设备直接成型；
成型过程中扫描成型策略采用分区加层间螺旋扫描方法；
成型过程中水平摆放样件，无需支撑结构，极大提高致密度和减少加工过程中产生的热应力变形和热内应力；
成型过程中水平摆放样件，引流促混通道结构中四棱锥台(2)的每个面与水平面的夹角均在45°～90°之间，使得在激光选区熔化时以水平横放的方式作业，作业过程中不加支撑，进而省略去除支撑的后处理工序。
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