CN109331758B - 微孔管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法 - Google Patents

微孔管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微流控领域，具体涉及一种管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法，本管式微反应器包括：微孔内管以及贴附于微孔内管外壁上的微反应通道，其中通入所述微孔内管的流体经过所述管壁微孔进入所述微反应通道中，以使该流体与从微反应通道入口进入的流体混合。本发明的管式微反应器，通过将注入微孔内管内的流体经过管壁微孔进入微反应通道内，以与微反应通道内的流体相互混合，增大了多股流体的接触面积，在强化彼此传质、提高混合效率的同时，增大了流体通量。

Description

微孔管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法
技术领域
本发明涉及微流控领域，具体涉及一种微孔管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法。
背景技术
现有技术中的微反应器是将两种或以上的流体通过不断交互混合发生相应化学反应。微反应器的混合效果和流体通量存在一定的矛盾，即混合效果好，流体通量会下降；流体通量上升，混合效果会变差。
因此，如何能在高通量基础上保持高效的混合率是本领域的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种管式微反应器、微流体混合方法及其制备方法。
本发明提供了一种管式微反应器，包括：
微孔内管以及贴附于微孔内管外壁上的微反应通道，其中
通入所述微孔内管的流体经过所述管壁微孔进入所述微反应通道中，以使该流体与从微反应通道入口进入的流体混合。
作为优选，所述微反应通道沿所述微孔内管的长度方向直线设置或者沿所述微孔内管的长度方向螺旋盘绕在所述微孔内管外壁上。
作为优选，所述微反应通道包括微反应通道单元；
所述微反应通道单元包括：两个上下层叠设置的微流道，并且两微流道相互连通，以使两微流道内的流体相互混合；
位于下层的所述微流道贴合在所述微孔内管的外壁上并且通过所述管壁微孔与所述微孔内管连通。
作为优选，两微流道之间设有一组对流孔，所述一组对流孔包括两个对流孔，以使两微流道内的流体往返交叉混合。
作为优选，所述微流道呈L型；以及
在上下层叠的两个微流道中，
位于上部的所述微流道的拐点处与位于下部的所述微流道的端部通过一对流孔连通；
位于下部的所述微流道的拐点处与位于上部的所述微流道的端部通过另一所述对流孔连通。
作为优选，所述微流道呈L型，并且一微流道的流通尽头处设置有一个与另一微流道相互连通的引流端头，
在上下层叠的两个微流道中，
位于下部的所述微流道的流体适于通过一对流孔经引流端头流至上部的所述微流道中；以及
位于上部的微流道中的流体适于通过另一对流孔经引流端头流至所述位于下部的所述微流道中。
作为优选，所述微反应通道的外圈套设有导热管。
本发明的有益效果是，本发明的管式微反应器，通过将注入微孔内管内的流体经过管壁微孔进入微反应通道内，以与微反应通道内的流体相互混合，增大了多股流体的接触面积，在强化彼此传质、提高混合效率的同时，增大了流体通量。
本发明还提供了一种微流体混合方法，即
微反应通道贴附于微孔内管外壁上；
在微孔内管内压力大于微反应通道内压力时，通入微孔内管的流体经过所述管壁微孔进入所述微反应通道中，以使该流体与从微反应通道入口进入的流体混合。
作为优选，在微反应通道的外侧套设有导热管，以调节微反应通道内的混合反应温度。
本发明的有益效果是，本发明的微流体混合方法，通过微孔内管、管壁微孔和微反应通道之间的配合，实现微孔内管中的流体从管壁微孔注入微反应通道中，并在导热管的作用下，可以调节流体的反应温度，从而促进融合，提高反应效率。
本发明还提供了一种管式微反应器的制备方法，即
在微孔内管外壁贴附微反应通道，以使微孔内管的管壁微孔作为微反应通道的底部，即所述管壁微孔适于将所述微孔内管与所述微反应通道连通。
本发明的有益效果是，本发明的管式微反应器的制备方法，制备快捷且制备效果好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为一种管式微反应器的结构示意图。
图2为一种管式微反应器的微孔内管和微反应通道的另一种结构示意图。
图3为图1的局部立体图。
图4是本发明一种微反应通道的一种实施例的结构示意图。
图5是本发明第一种实施例中的微反应通道单元的结构示意图。
图6是图5在A-A处的剖视图。
图7是图5在C-C处的剖视图。
图8是本发明第一种实施例所对应的两微流道中流体流向简图。
图9是本发明一种微反应通道的第二种实施例的结构示意图。
图10是本发明第二种实施例中的微反应通道单元的结构示意图。
图11是图10在A-A处的剖视图。
图12是图10在C-C处的剖视图。
图13是本发明第二种实施例流体流向简图。
图14是本发明第二种实施例流体混合实例的结果图。
图中：
微反应通道1
微反应通道单元10，微孔内管2，导热管3；
微流道100，上部的微流道100a、下部的微流道100b、拐点101，端部102；
对流孔200，引流端头300；
入液口6；出液口7。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例一
图1为一种管式微反应器的结构示意图。
图2为一种管式微反应器的微孔内管和微反应通道的另一种结构示意图。
图3为图1的局部立体图。
本实施例提供了一种管式微反应器，包括：微孔内管2以及固定在微孔内管2外壁上的微反应通道1；以及所述微孔内管2的侧壁上密布有管壁微孔，其中通入所述微孔内管2的流体适于从所述管壁微孔处注入所述微反应通道1中，以使该流体与通入所述微反应通道1中的流体混合。
本实施例所涉及的流体可以是液体，也可以是气体。
本发明的管式微反应器通过管壁微孔能够将微孔内管2内的液体均匀且连续的进入到微反应通道1与微反应通道1中的流体混合，所以流体混合均匀且高效，不容易产生副产物，提高混合效率。
其中，微反应通道1的设置形式如下两种：
第一种，所述微反应通道1沿所述微孔内管2的长度方向直线设置；其中，此处所指的微反应通道1沿导热管3的长度方向直线设置含义为，微反应通道1的长度方向与导热管3的长度方向平行设置。
第二种，沿所述微孔内管2的长度方向螺旋盘绕在所述微孔内管2外壁上。
螺旋分布的含义为，绕着导热管3呈螺旋状延伸。螺旋设置的好处是，延长微反应通道的混合长度，从而加强混合效果
在微反应通道1的数量为若干条时，能够提高本管式微反应器的整体反应通量，提高整体的反应效率。
图4是本发明一种微反应通道的一种实施例的结构示意图。
图5是本发明第一种实施例中的微反应通道单元的结构示意图。
作为微反应通道一种可选的实施方式，结合图4和图5，两微流道100之间设有一组对流孔200，一组对流孔200包括两个对流孔200，以使两微流道100内的流体往返交叉混合。微流道100可以呈L型（以图5虚线部分为界）；以及在上下层叠的两个微流道100中，位于上部的微流道100的拐点101处与位于下部的微流道100的端部102通过一对流孔200连通；位于下部的微流道100的拐点101处与位于上部的微流道100的端部102通过另一对流孔200连通，进而实现两微流道100内的流体往返交叉混合。
从图4和图5可以看出，上下叠层的两个微流道100从俯视图的角度呈U形，其L型的两微流道采用近似对称布设。
图6是图5在A-A处的剖视图。该剖视图为流体从下部的微流道100b流至上部的微流道100a。
图7是图5在C-C处的剖视图。该剖视图为流体从上部的微流道100流至下部的微流道100。
从图7和图6所示，能够清楚的看到两流体经过对流孔分别在上、下部的微流道100内反复交叉。
在图5中，为了更清楚的表示拐点101和端部102的具体位置，因此对流孔200未示出。
图8是本发明第一种实施例所对应的两微流道中流体流向简图，该图主要反应上部的微流道100a内流体的流向分布，且通过两种箭头分别表示两种流体的流动方向，即当两种流体分别注入微流道100以后，上部的微流道100a、下部的微流道100b对应的两种流体可以在拐点101、端部102处分别流向下部的微流道100、上部的微流道100a以实现交叉混合，在拐点101处是垂直于纸面向下的方向，将上部的微流道100a的流体流入下部的微流道100b以实现混合，而在端部102处是垂直于纸面向上的方向，将下部的微流道100b流入上部的微流道100a以实现混合，在实现交叉混合的过程中，位于内管2中的流体会在压力的作用下，通过管壁微孔注入微流道100内，通过图6中的两种箭头示意可以很清楚的看出两种流体在上部的微流道100a进行混合；在混合之后流体再排出至串联设置的下一微反应通道单元10，重复上述过程。
作为微反应通道单元10另一种可选的实施方式。
图9是本发明一种微反应通道的第二种实施例的结构示意图。
图10是本发明第二种实施例中的微反应通道单元的结构示意图。
结合图9和图10所示，微流道100呈L型，并且一微流道100的流通尽头处设置有一个与另一微流道100相互连通的引流端头300。
图11是图10在A-A处的剖视图。该剖视图为流体从下部的微流道100b流至上部的微流道100a。
图12是图10在C-C处的剖视图。该剖视图为流体从上部的微流道100a流至下部的微流道100b。
从图11和图12所示，在上下层叠的两个微流道100中，位于下部的微流道100b的流体适于通过一对流孔200经引流端头300（位于上部的微流道100a的引流端头300）流至上部的微流道100a中；以及位于上部的微流道100a中的流体适于通过另一对流孔200经引流端头300（位于下部的微流道100b的引流端头300）流至位于下部的微流道100b中。
此处设置引流端头300，可以增大下部的微流道100中流体与进入上部的微流道100的流体的混合，极大的提高了混合效率。
见图9，当两种流体分别从第一入剂口501和第二入剂口502注入微流道100以后，并且结合微孔内管可以实现三种流体的混合，即三种流体分别在两个引流端头300处实现混合，而后，充分混合后的流体从出液口7中排出。
图13是本发明第二种实施例流体流向简图，该图主要反应上部的微流道100a内流体的流向分布；其中，位于上部的引流端头300即对应图中左侧的对流孔200处，流体是向上流动，即垂直于纸面朝上，而位于下部的引流端头300，即图中右侧的对流孔200处，流体是向下流动，即垂直于纸面朝下；通过两种箭头分别表示两种流体的流动方向，通过两种箭头示意可以很清楚的看出两种流体在上部的微流道100a进行混合。
在实现交叉混合的过程中，位于微孔内管2中的流体会在压力的作用下，通过管壁微孔注入微流道100内。
作为微反应通道1一种可选的结构，微反应通道1采用多层设置，且包括中间层和上、下层；其中上层对应上部的微流道100a，下层对应下部的微流道100b；在上、下层与中间层的接触面上分别开设有沿微流道100轨迹分布的凹槽；中间层上开设有一组对流孔200；以及上、下层在其凹槽与中间层贴合后形成两微流道100，且两微流道适于通过一组对流孔200使两种流体通过往返两微流道100实现交叉混合。
图14是本发明第二种实施例流体混合实例的结果图。
该流体混合模拟结果是在输入的流体流速为0.6m/s下进行的。
上层的微流道100a和下层的微流道100b均注入不同的流体，分别定义流体A、流体B，在第一个微反应通道单元10可以看出明显的流体交叉混合现象，其中两流体白色线条部分（图中用AB表示）表示两者进行混合反应；在位于后段的微反应通道中，明显白色线条部分增多，并且在最后，两种流体明显充分混合。
从上述结果可以看出，本微反应通道1能够在高流速的情况下实现快速均匀混合，比传统的微反应通道1的混合效率更高。
实施例二
参见图1至图14，在实施例1基础上，本实施例提供了一种微流体混合方法，即微反应通道1贴附于微孔内管2外壁上；在微孔内管2内压力大于微反应通道内压力时，通入微孔内管2的流体经过管壁微孔进入所述微反应通道1中，以使该流体与从微反应通道入口进入的流体混合。
由于混合所需的一种流体是经过微孔内管2进入到各微反应通道1内的，由于微孔内管2内加压是持续均匀的，所以进入各微反应通道1内的流体混合反应也是均匀持续，且各微反应通道1的混合反应过程是相同的，故能够使各微反应通道1混合同步，产生的混合流体副产物少，且品质相同。
在微反应通道1的外侧设有导热管3，以调节微反应通道1内的混合反应温度。导热管3可以采用包裹的方式，也可以采用部分贴附的方式。
本发明的微流体混合方法，在导热管3的作用下，可以起到对流体温度控制，从而促进反应融合；通过微孔内管2、管壁微孔和微反应通道1之间的配合，实现微孔内管2中的流体从管壁微孔注入微反应通道中。
在本实施例中微流道100的具体结构和工作原理在上述实施例1已经详细描述，此处不再赘述。
实施例3
在实施例1基础上，本实施例3还提供了一种管式微反应器的制备方法，
在微孔内管2外壁贴附微反应通道1，以使微孔内管2的管壁微孔作为微反应通道1的底部，即所述管壁微孔适于将所述微孔内管2与所述微反应通道1连通。
本发明的管式微反应器的制备方法，制备快捷且制备效果好。
综上所述，本管式微反应器将微孔内管3与微反应通道1结合在一起，可以在微孔内管2外壁上布设有若干微反应通道1，提高本管式微反应器的整体通量，提供微反应的产量，并且由于微孔内管3可以在一定压力下推动其内流体跟随微反应通道1内中的流体均匀、持续进入微反应通道1内，降低副产物的生成率，使反应直接且有效，并且可以在在导热管3的作用下，控制微反应通道内的反应温度，进而提高混合速度；本管式微反应器还利用双层设置的微流道100与对流孔200实现流体的上、下交叉混合，采用立体的方式增大了微反应通道的长度，在相同微反应芯片上能够实现更长的微流道100反应通道布局，提高了微反应效果，并且无需在每个微反应通道单元10结束处均设有收窄的出口，进而保证了流体的高流速，并在保证混合效率的同时，提高了产量。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种管式微反应器，其特征在于，包括：
微孔内管以及贴附于微孔内管外壁上的微反应通道，其中
通入所述微孔内管的流体经过其管壁微孔进入所述微反应通道中，以使该流体与从微反应通道入口进入的流体混合；
所述微反应通道沿所述微孔内管的长度方向直线设置或者沿所述微孔内管的长度方向螺旋盘绕在所述微孔内管外壁上；
所述微反应通道包括若干微反应通道单元；
所述微反应通道单元包括：两个上下层叠设置的微流道，并且两微流道相互连通，以使两微流道内的流体相互混合；
位于下层的所述微流道贴合在所述微孔内管的外壁上并且通过所述微孔内管的管壁微孔与所述微孔内管连通；
两微流道之间设有两组对流孔，所述每组对流孔包括两个对流孔，以使两微流道内的流体往返交叉混合；
所述微流道呈L型；以及
在上下层叠的两个微流道中，位于上部的所述微流道的拐点处与位于下部的所述微流道的端部通过一对流孔连通；
位于下部的所述微流道的拐点处与位于上部的所述微流道的端部通过另一所述对流孔连通；
一微流道的流通尽头处设置有一个与另一微流道相互连通的引流端头，
在上下层叠的两个微流道中，
位于下部的所述微流道的流体适于通过一对流孔经引流端头流至上部的所述微流道中；以及
位于上部的微流道中的流体适于通过另一对流孔经引流端头流至所述位于下部的所述微流道中；
所述微反应通道的外圈套设有导热管。
2.一种应用如权利要求1所述的管式微反应器的微流体混合方法，其特征在于，
微反应通道贴附于微孔内管外壁上；
在微孔内管内压力大于微反应通道内压力时，通入微孔内管的流体经过所述管壁微孔进入所述微反应通道中，以使该流体与从微反应通道入口进入的流体混合。
3.一种如权利要求1所述的管式微反应器的制备方法，其特征在于，
在微孔内管外壁贴附微反应通道，以使微孔内管的管壁微孔作为微反应通道的底部，所述管壁微孔适于将所述微孔内管与所述微反应通道连通。
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