CN109464973A - 微通道模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微通道模块，包括至少两层相对叠置的流层，其中至少一流层上分布设有至少一列流道a，至少一流层上分布设有至少一列流道b，所述的流道a与所述的流道b相对层叠布置。所述流道a包括多个相间分布的单元腔道a，所述流道b包括多个相间分布的单元腔道b。所述的单元腔道b顺次地对应在相邻的两个单元腔道a之间而使所述的单元腔道a顺次导通。流体由某个单元腔道a流至相邻的单元腔道a的途径中会被强制分割为多股。该微通道模块，借助所设计的具有新颖性结构的复合流道，赋予其对流体实现有效且可靠的分割的能力，进而促进流体混合效率、并强化流体的通过性，促进了流体的混合反应程度，而且能适用于产生固体的反应中。

Description

微通道模块

技术领域

本发明涉及微通道反应器领域，具体涉及一种具备分割流体的能力，提高流体混合效率、强化流体通过性，以及流体混合均匀程度的通道模块。

背景技术

微(通道)反应器在化工工艺过程的研究与开发中具有广泛的应用，商业化生产中的应用正日益增多。其主要应用领域包括有机合成过程，微米和纳米材料的制备和日用化学品的生产。微反应器具有高速且高质量的混合能力、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。

微反应器的微结构普遍存在的缺点是固体物料无法通过微通道，如果反应中有大量固体产生，微通道极易堵塞，导致生产无法连续进行，所以多适用于纯净的流体反应过程。还存在单位长度的通道混合效率较低、混合充分性较差的问题。

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。

本专利所提供的微通道模块，借助所设计的具有新颖性结构的复合流道，赋予其对流体实现有效且可靠的分割的能力，进而促进流体混合效率、并强化流体的通过性，促进了流体的混合反应程度，而且能适用于产生固体的反应中。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种微通道模块，包括至少两层相对叠置的流层，其中至少一流层上分布设有至少一列流道a，至少一流层上分布设有至少一列流道b，所述的流道a与所述的流道b相对层叠布置。所述流道a包括多个相间分布的单元腔道a，所述流道b包括多个相间分布的单元腔道b。所述的单元腔道b顺次地对应在相邻的两个单元腔道a之间而使所述的单元腔道a顺次导通。流体由某个单元腔道a流至相邻的单元腔道a的途径中会被强制分割为多股。

在上述实施方案中，所谓的“列”并非仅指直线分布的列，其还包括呈环状或弧线状或折线状或波浪状的情形。且所谓的列为直线列时，其不仅仅包括相对其承载板体的长度或宽度方向平行的情形，还包括相对其承载板体的长度或宽度方向倾斜的情形。

例如仅有两个层流时，其中一个流层上分布设有至少一列的流道a，另一个流层上分布设有至少一列的流道b，可使同处一竖直面内的该列流道a与该列流道b上下相对叠置布设，构成流道b的各单元腔道b与构成流道a的各单元腔道a相错布置，即相对设置在相邻的两单元腔道a之间的单元腔道b，相对该两个单元腔道a处于二者的左下方和右下方(假设流通方向沿左右向)。

有四个层流时：应该至少有一个流层上分布设有流道a，其他流层上分布设有流道b，同处一竖直面内的一列流道a与流道b上下相对叠置布设；或者至少有一个流层上分布设有流道b，其他流层上分布设有流道a，同处一竖直面内的一列流道a与流道b上下相对叠置布设。当设有多个包含流道a的流层时，且有两个包含流道a的流层被上下相邻地叠置，则该两个流层内的单元腔道a沿流通方向相错布置，相临近的两个或多个(处于不同流层中的)单元腔道a有交叉连通的部分，此时该具有直接相连通关系的两个或多个单元腔道a，在表述与单元腔道b的关系时，应视为一个单元腔道a，即“所述的单元腔道b顺次地对应在相邻的两个单元腔道a之间而使所述的单元腔道a顺次导通”中所指“相邻的两个单元腔道a”包括单元腔道a实际上个数为两个的情形(如上段所指的仅有两个流层的实施例中)，也包括实际上含有的单元腔道a的个数为大于两个的情形，但是属于本段所指的被视为两个单元腔道a的情形。

具体实施例中，所述单元腔道a可为沿流通方向宽度均匀一致延伸的长槽状腔道或者圆形腔道或者椭圆形腔道。还可为沿流通方向收拢的腔道或沿流通方向扩散的腔道或者中部向外扩张的腔道或中部向内收拢的腔道。甚至为将前述提及的各类腔道部分地或全部地混合使用的状况。部分实施例中，所述单元腔道a的中心或侧壁上分布设有扰流部。所述扰流部可为扰流板或扰流块，如在中心位置，相对流通方向设置的反向月牙形挡板、反向V形挡板，或菱形挡块，或者由侧壁上向内延伸出的弧形挡板、或斜板。部分实施例中，所述单元腔道a内，于相对流通方向垂直方向上，至少设有一个分割板，或相间地设有多个分割板，将单元腔道a分割成两个或更多个单元。

在具体实施例中，所述单元腔道b由若干条形槽道构成。流体由某个单元腔道a流至与其相邻的单元腔道a的途径中，在经过于二者之间布设的单元腔道b时，被分配到各个条形槽中。由于所述流道a与所述流道b为(上下地相)叠置布设的，所以流体由单元腔道a相单元腔道b流动时，会发生垂直方向的折流，同时又受到强制分割作用，所以能够形成极强的湍流，而使流体在各个单元腔道a与各个单元腔道b之间的流动，间断地经历湍流、分割、混流过程，能够极大地促进流体的混合效率、混合反应程度，能够改善混合充分性，能够强化流体在流道内的通过性，所以适用于反应过程会产生固体的情形中时，不容易形成堵塞。

部分实施例中，构成所述单元腔道b的若干条形槽为相对平行延伸的多列槽。部分实施例中，构成所述单元腔道b的若干条形槽为呈弧形的弯槽，此时单元腔道b的两端可相对中间朝中心收拢。部分实施例中，构成所述单元腔道b的多列槽为沿流通方向逐渐分散的或逐渐聚合的或朝中间聚合后又分散的。部分实施例中，构成所述单元腔道b的多列槽为相互交叉的。部分实施例中，构成单元腔道b的各条形槽的中部设有将其连通的二次混流腔，流体由单元腔道a流入单元腔道b的各列槽前半段内，被强制分割，待流至单元腔道b中部的二次混合腔时，会再次进行混流，再次被强制分割，流入单元腔道b的各列槽的后半段内，最终进入相邻的另一单元腔道a内，并依次重复上述过程，此种设计，会使得单元腔道b的各列槽道的抗堵塞能力得到显著提升，整个反应流道的流通能力更强，混合充分性更好，反应效率得到进一步提升。各列槽的宽度可以部分地一致或者均匀一致，而且每个槽沿流通方向上的槽宽可以一致或者有所变化，如两端的一段相对中间的一段较窄，甚至两端的一段相对朝中间方向为逐渐变宽的。

在具体实施例中，所述流道a对应布设在所述流道b的正上方或正下方。此时，单元腔道a对应在单元腔道b的上方或下方，处于相邻的两个单元腔道a之间的单元腔道b，相对位于单元腔道a的斜下方或斜上方，单元腔道b的两端与两个单元腔道a对应连通。其他实施例中，流道a与流道b还可相错布设，即流道a相对设置在流道b的上方或下方的同时，还相对流道b的(宽度方向的，宽度为与流道b流通导向垂直的方向)中心线向左或向右偏移。该种相错布设的实施方式，特别适用于设置有多列流道a与多列流道b的情形，而且具体实施例中，可以采取一列流道b对应两列流道a或者两列流道b对应一列流道a的方式。采用相错布设的实施方式，还可使流道b中各个单元腔道b的中部形成弯折的腔部，使流体在单元腔道b中部再次经历分割，借助折流混合过程，形成强烈的湍流。

在具体实施例中，包括三层相对叠置的流层，其中两层流层上分布设有流道a，另一流层上分布设有流道b，且设有流道b的流层置于两个设有流道a的流层之间。两层设有流道a的流层中，所设单元腔道a沿流通方向交错布置。设有流道b的流层中，所设单元腔道b置于分布在不同流层中相邻的两单元腔道a之间，将二者连通。这样的设计能够使得流体在三个流程之间不断折返，能够进一步强化折流、分割效能，使流体的湍流性更强烈，流通能力更强，混合充分性更好，反应效率更高。

在具体实施例中，包括三层相对叠置的流层，其中一层流层上分布设有流道a，另两流层上分布设有流道b，且设有流道a的流层置于两个设有流道b的流层之间。两层设有流道b的流层中，所设单元腔道b沿流通方向交错布置。设有流道a的流层中，所设单元腔道a置于分布在不同流层中相邻的两单元腔道b之间，将二者连通。这样的设计能够使得流体在三个流程之间不断折返，大大增加强制切割的次数，能够进一步强化折流、分割效能，使流体的湍流性更强烈，流通能力更强，混合充分性更好，反应效率更高。部分实施例中，可至少使设有流道b的两个流层中所包含的单元腔道b的形状、形式不一致。在其他的实施例中，也可以使同一流层中所设的单元腔道b的形状、形式不一致。

在具体实施例中，设有流道a的流层和/或设有流道b的流层外部设有换热流层。

附图说明

图1为本专利方案的某种实施例的立体剖面结构示意图：

图2为本专利某种实施例中同列的流道中对应(两)流层的流道展开分布结构示意图：

图3为本专利某种实施例中某列流道中流层A上的流道分布结构示意图：

图4为本专利某种实施例中同列的流道中对应(两)流层的流道展开分布结构示意图：

图5为本专利某种实施例中同列的流道中对应(两)流层的流道展开分布结构示意图：

图6为本专利另一实施例下流层间(上下地)相对应分布的结构示意图：

图7为本专利其他实施例下流层间(上下地)相对应分布的结构示意图：

图8至图16为本专利的多种实施例中，同列的流道中相对应(两)流层的流道分布结构示意图：

图17为本专利实施方案中，流层A上布设的流道形式的多种实施结构示意图：

图18为本专利实施方案中，流层B上布设的流道形式的多种实施结构示意图：

图19为本专利某实施例下同列的流道中对应(三)流层的流道分布结构示意图：

图20为本专利某实施例下同列的流道中对应(三)流层的流道分布结构示意图。

其中：1流层A，11流道a，11a扰流部，2流层B，21流道b，21a二次混合流腔，3换热流层

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。

如图1至图5所示的微通道模块，包括有两层相对叠置的流层，即，流层A 1和流层B2。其中，流层A 1上分布设有至少一列流道a11，流层B 2上分布设有至少一列流道b21，所述的流道a11与所述的流道b21相对层叠布置。图1表示有多列流道a11和流道b21，图2至图5表示有一列流道a11和流道b21。再如图8至图16所示，为单列的流道a11和单列的流道b21组合的多种实施例，流道a11布设在流道b21的正上方(即流层B 2处于流层A 1的正下方)。图1中，流层A 1的上方、流层B 2的下方分别设有换热流层3。

如图2至图5、图8至图16所示，所述流道a11包括多个相间分布的单元腔道a，所述流道b21包括多个相间分布的单元腔道b。所述的单元腔道b顺次地对应在相邻的两个单元腔道a之间而使所述的单元腔道a顺次导通。流体由某个单元腔道a流至相邻的单元腔道a的途径中会被强制分割为多股。图示中，是借助单元腔道b的多股流道对流体进行强制分割的，在其他具体实施方式中，还可另在单元腔道a与单元腔道b向衔接的位置设分流栅板或网状板，将流体进行强制分割。

需要说明的是，在上述实施方案中，所谓的“列”并非仅指直线分布的列，其还包括呈环状或弧线状或折线状或波浪状的情形。且所谓的列为直线列时，其不仅仅包括相对其承载板体的长度或宽度方向平行的情形，还包括相对其承载板体的长度或宽度方向倾斜的情形。总之，所谓的“列”需按照前述描述作扩大解释进行理解。

如图2、图5，所述单元腔道a可为沿流通方向(图示的左右向)腔道宽度均匀一致的长槽状腔道(或说型槽)，或者如图5所示的圆形腔道，或者如图12至图14所示的椭圆形腔道。还可为沿流通方向收拢的腔道(如图8、9、11，图17中的A1至A4)，或沿流通方向扩散的腔道(如图10)，或者中部向外扩张的腔道(如图12至14，图17中的A5至A8)，或中部向内收拢的腔道(如图3、15、16，图17中的A9至A12)。甚至为单列中将前述提及的各类腔道(或说型槽)，部分地或全部地混合使用的状况。

如图4、图5、图8至图11、图13及图14所示，所述单元腔道a的中心或侧壁上分布设有扰流部11a。所述扰流部11a可为扰流板或扰流块，如在中心位置，相对流通方向设置的反向V形挡板(图4、图10)、反向月牙形挡板(图11)，或菱形挡块，或者由侧壁上向内延伸出的挡板(图5、图14)、或斜板。

部分实施例中，可在所述单元腔道a内，于相对流通方向垂直方向上，至少设有一个分割板，或相间地设有多个分割板，将单元腔道a分割成两个或更多个单元。

如图2、图4至图5、图8至图16所示，所述单元腔道b由若干个条形槽道构成。流体由某个单元腔道a流至与其相邻的单元腔道a的途径中，在经过于二者之间布设的单元腔道b时，被分配到各个条形槽中。

由于所述流道a与所述流道b为上下地相叠置布设的(O1-O1与O1′-O1′垂直地布设在同一竖直面内，其他的还有O2-O2与O2′-O2′、O3-O3与O3′-O3′，且图8至图16中的中心线即为垂直分布面)。所以流体由单元腔道a向单元腔道b流动时，会发生竖直方向的折流，同时又受到强制分割作用，所以能够形成极强的湍流，而使流体在各个单元腔道a与各个单元腔道b之间的流动，间断地经历上下折流、湍流、分割及混流等过程，能够极大地促进流体的混合效率、混合反应程度，能够改善混合充分性，能够强化流体在流道内的通过性，所以适用于反应过程会产生固体的情形中时，不容易形成堵塞。具体地，以图2为例，流体由流道a11最右侧的单元腔道a流入后，会向下折流流入流道b21最右侧的单元腔道b中，被强制分割为多股液流，并由该单元腔道b的左端向上折流流入右侧居二位置的单元腔道a内混合。按照前述方式，依次流至最左侧的单元腔道a。

如图2、图18的B1所示，构成所述单元腔道b的若干条形槽为相对平行延伸的多列槽(条长条槽)。构成所述单元腔道b的若干条形槽还可为略微弯曲的弧形弯槽，如图4。构成所述单元腔道b的若干条形槽还可为弯曲弧度较大的弯槽，如图18的B2，此时单元腔道b的两端可相对中间朝中心收拢。如图18所示，构成所述单元腔道b的多列槽为沿流通方向逐渐分散的布置形式，如B3-B5；或逐渐聚合的布置形式，如B6；或朝中间聚合后又分散的布置形式，如B7、B9、B10。构成所述单元腔道b的多列槽还可为相互交叉的布置形式，如图5或图18的B8。

如图12至图14及图18的B7-B10，构成单元腔道b的各条形槽的中部设有将其连通的二次混流腔21a，流体由单元腔道a流入单元腔道b的各列槽前半段内，被强制分割，待流至单元腔道b中部的二次混合腔21a时，会再次进行混流，再次被强制分割，流入单元腔道b的各列槽的后半段内，最终进入相邻的另一单元腔道a内，并依次重复上述过程，此种设计，会使得单元腔道b的各列槽道的抗堵塞能力得到显著提升，整个反应流道的流通能力更强，混合充分性更好，反应效率得到进一步提升。

当单元腔道b为由多列条形槽构成的形式时，各列槽的宽度可以部分地一致或者均匀一致(如图18的B1)，而且单个槽沿流通方向上的槽宽可以一致(如图18的B1的各单槽宽大小为上下一致的)或者有所变化，如两端的一段相对中间的一段较窄，甚至两端的一段相对朝中间方向为逐渐变宽的，或者如图18的B4的单个槽的宽度，中部弯折处相对窄一些，即两端的一段相对中间的一段较宽。

在具体实施例中，所述流道a11对应布设在所述流道b21的正下方，如图1至图5、图8至图16所示。此时，单元腔道a对应在单元腔道b的上方。处于相邻的两个单元腔道a之间的单元腔道b，相对位于单元腔道a的斜下方，单元腔道b的两端与两个单元腔道a对应连通。

其他实施例中，流道a11与流道b21还可相错布设，其相区别于图1至图5、图8至图16，即流道a相对设置在流道b的上方的同时，还相对流道b的(宽度方向的，宽度为与流道b流通导向垂直的方向)中心线向左或向右偏移，以图8为例，流道a的宽度向居中线相对流道b的宽度向居中线，表现为向左或向右偏移(图示中为重合在中心虚线处)。

上述相错布设的实施方式，特别适用于设置有多列流道a与多列流道b的情形。而且具体实施例中，可以采取一列流道b对应两列流道a或者两列流道b对应一列流道a的方式。采用相错布设的实施方式，还可使流道b中各个单元腔道b的中部形成弯折的腔部，使流体在单元腔道b中部再次经历分割，借助折流混合过程，形成强烈的湍流。

如图6、图19所示，涉及的微通道模块包括三层相对叠置的流层，其中两层为流层A1，一层为流层B 2，且流层B 2置于两个流层A 1之间，各流层的中心线O4′-O4′与O4″-O4″和O4″′-O4″′处于过O4-O4的竖直面内。流层A 1中所设的单元腔道a沿流通方向(上下方向)交错布置。流层B 2中所设的单元腔道b置于分布在不同流层A 1中且相邻的两单元腔道a之间，将二者连通。这样的设计能够使得流体在三个流程之间不断折返，能够进一步强化折流、分割效能，使流体的湍流性更强烈，流通能力更强，混合充分性更好，反应效率更高。

如图7、图20所示，涉及的微通道模块包括三层相对叠置的流层，其中一层为流层A1，另两流层为流层B 2，且流层A 1置于两流层B 2之间。两流层B 2中，所设单元腔道b沿流通方向交错布置。流层A 1中所设的单元腔道a置于分布在不同流层B 2中并相邻的两单元腔道b之间，将二者连通。这样的设计能够使得流体在三个流程之间不断折返，大大增加强制切割的次数，能够进一步强化折流、分割效能，使流体的湍流性更强烈，流通能力更强，混合充分性更好，反应效率更高。部分实施例中，可至少使两流层B 2中各层所包含的单元腔道b的形状、形式不一致，如图20。在其他的实施例中，也可以使同一流层的流层B 2中所设的单元腔道b的形状、形式不一致。

如图6所示，两流层A 1的外面布设有换热流层3。图7所示，两流层B 2的外部设有换热流层3。

本专利的应用思路还能够推广至设有四层以及更多层流层的方案中，此时包含有多层的流层A和多层的流层B，而且并不要求相邻的两层为一层为流层A、一层为流层B，其也可以是两层流层A相邻然后在于上方或下方设有一层或多层的流层B，或者是两层流层B相邻然后在于上方或下方设有一层或多层的流层A。

在本专利提供的方案中，各个流层上设置的单元腔道a或单元腔道b形式多样，能够适应不同的反应。单元腔道a、单元腔道b能够通过在流层承载板面上预先加工，然后将承载有不同流道的承载板相扣合，做密封处理即可形成微通道模块。在平面上加工不同形状、形式的单元腔道a、单元腔道b不仅方便、快捷，而且也精度容易控制，也易于通过精密机械进行加工。而且能够根据需要，随意地设计、改进、搭配单元腔道a与单元腔道b的配合应用形式。

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想的前提下进行改进，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想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 (13)

1.一种微通道模块，其特征在于：包括至少两层相对叠置的流层，其中至少一流层上分布设有至少一列流道a，至少一流层上分布设有至少一列流道b，所述的流道a与所述的流道b相对层叠布置；

所述流道a包括多个相间分布的单元腔道a，所述流道b包括多个相间分布的单元腔道b；所述的单元腔道b顺次地对应在相邻的两个单元腔道a之间，使所述的单元腔道a顺次导通；流体由某个单元腔道a流至相邻的单元腔道a的途径中会被强制分割为多股。

2.据权利要求1所述微通道模块，其特征在于：所述单元腔道a至少部分地为沿流通方向腔道宽一致的型槽。

3.据权利要求1所述微通道模块，其特征在于：所述单元腔道a至少部分地为沿流通方向腔道款收拢的型槽或沿流通方向扩散的型槽或者中部向外扩张的型槽或中部向内收拢的型槽。

4.据权利要求1所述微通道模块，其特征在于：至少部分所述单元腔道a的中心或侧壁上分布设有扰流部。

5.据权利要求1至4中任一项所述微通道模块，其特征在于：至少部分的所述单元腔道b由若干个条形槽道构成。

6.据权利要求5所述微通道模块，其特征在于：构成所述单元腔道b的若干条形槽为相对平行延伸的多列槽。

7.据权利要求5所述微通道模块，其特征在于：构成所述单元腔道b的多列槽沿流通方向逐渐分散，或逐渐聚合，或朝中间聚合后又分散，或相互交叉。

8.据权利要求5所述微通道模块，其特征在于：构成单元腔道b的各条形槽的中部设有将其两端连通的二次混流腔。

9.据权利要求1至4中任一项所述微通道模块，其特征在于：所述流道a对应布设在所述流道b的上方或下方。

10.据权利要求1所述微通道模块，其特征在于：

该微通道模块包括有三层相对叠置的流层，其中两层流层上分布设有流道a，另一流层上分布设有流道b，且设有流道b的流层置于两个设有流道a的流层之间；

两层设有流道a的流层中，所设单元腔道a沿流通方向交错布置；

设有流道b的流层中，所设单元腔道b置于分布在不同流层中相邻的两单元腔道a之间，将该相邻的两个单元腔道a连通。

11.据权利要求1所述微通道模块，其特征在于：

该微通道模块包括有三层相对叠置的流层，其中一层流层上分布设有流道a，另两流层上分布设有流道b，且设有流道a的流层置于两个设有流道b的流层之间；

两层设有流道b的流层中，所设单元腔道b沿流通方向交错布置；

设有流道a的流层中，所设单元腔道a置于分布在不同流层中相邻的两单元腔道b之间，将该相邻的两个单元腔道b连通。

12.据权利要求10或11所述微通道模块，其特征在于：至少部分的所述单元腔道b由若干个条形槽道构成。

13.据权利要求1或10或11所述微通道模块，其特征在于：设有流道a的流层和/或设有流道b的流层外部设有换热流层。