CN109647307A - Y型组合式微通道结构 - Google Patents

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张敏弟
郑辰
邱思聪
黎汉生
黄彪
黄国豪
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors

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  • Organic Chemistry (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种Y型组合式微通道结构，属于微通道加工领域。该装置包括：凸件、凹件。该装置内部具有特殊设计的流道，能够大大加强通入的流体的混合效果，促进不同相间流体的混合效应，从而保证通入的化学反应物产生良好的混合效果，增强反应速率，在化工领域有着显著的使用优势。本发明结构简单、体积小巧、安装方便且造价低廉，具有广泛的应用潜力。

Description

Y型组合式微通道结构
技术领域
本发明涉及一种Y型组合式微通道结构，属于微通道加工领域。
背景技术
微反应器是微加工技术制造的微缩版化学反应容器。与传统反应器不同，微反应器结构内包括了低于毫米尺度级别的微通道网络，其比表面积较大，特征尺寸较小,化学反应区域被尽量控制在微小的范围之内，具有换热、混合、分离、分析和控制的功能。由于这些通道一般都是化学反应的发生区域，因此微反应器又称作微通道反应器，其特征尺寸对于内部流体的影响比普通反应器更加明显。
改变通道的形状、流动方向是现有的微通道设计方案中常用的设计方法。例如Jiang等人的“弯曲微通道中的螺旋流和无序混合(Helical Flows and Chaotic Mixingin Curved Micro Channels)”，其微通道结构相较于直管流动能够令流体进行雷诺数更高的流动，但无法令内部的流动形态产生质的变化，实现由层流流动发展为湍流流动的转变。层流流动中，对于涉及到多相流动的化学反应，不可避免的会出现因湍流度不足导致的反应物混合不均匀、反应效率低下等问题。
因此，现阶段的化工产业需要一类装置，该装置能够使得不同相之间的反应物能够在整个流动阶段均有着较高的雷诺数，不同相的反应物混合更充分，提高反应效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种Y型组合式微通道结构，该微通道结构能够大大加强通入的流体的混合效果，促进不同相间流体的混合效应，从而保证通入的化学反应物产生良好的混合效果，增强反应速率，在化工领域有着显著的使用优势。本发明结构简单、体积小巧、安装方便且造价低廉，具有广泛的应用潜力。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
Y型组合式微通道结构，包括：凸件和凹件。所述凸件的突出位置插入所述凹件的凹槽位置；
所述凸件包括：凸件入口、凸件出口以及若干凸件单元；所述凸件单元为Y型结构，Y型顶端和底端设有开口；若干凸件单元首尾相接，并与凸件入口和凸件出口连接构成微通道。
所述凹件包括：凹件入口、配合凹槽、凹件流道壁、流道凹槽、挡板、凹件单元和凹件出口；所述凹件流道壁外侧开设有配合凹槽，内侧开设有流道凹槽；所述配合凹槽与所述凸件完全配合，即所述凸件插入所述凹件的配合凹槽中；所述流道凹槽中设置有挡板；所述凹件入口和凹件出口中心开设有通孔；
所述挡板为V形结构，来流方向正对挡板的开口处；
所述凸件入口与凸件出口为类圆形结构，结构中心开有通孔；
所述通孔为阶梯通孔；
所述V形结构的角度为45°至90°；
所述凹件单元与凸件单元对应组合为Y型微通道单元，Y型微通道单元来流处通道名为喉口，其宽度范围为0.8mm至3mm。
每个微通道单元都具有令流体分离后再汇聚的功能，能够大大增强内部流体的混合效果；凸件与凹件相结合时，凸件作为凹件流道的上壁面密封住内部流体，防止流体外泄。
本发明公开的Y型组合式微通道结构的工作方法为：将凹件与凸件上下合并，凸件对齐并插入凹件的配合凹槽。在凹凸件的内外固定孔处通过螺母与双头螺栓紧固凹凸件，保证凹件与凸件紧密结合。气相和液相流体分别通过凸件入口与凹件入口分别通入流道凹槽中。单个微通道单元由凸件单元与凹件单元共同组成。流道凹槽中的流体在流至凸件出口与凹件出口前将经过多个微通道单元，对于单个微通道单元中的流动，气相流体受到Y型微通道单元来流喉口处的挤压作用高速冲击挡板前部，在挡板的冲击碰撞作用下，较大的气泡将分裂为多个较小的气泡并分别流向左右两侧通道。小气泡形态将会大大增加其与液相的接触面积，即挡板前部不同反应物的接触面积增加，为发生反应的最主要区域。分裂后的小气泡进入左右两侧通道，由于管道宽度不变，两侧通道内气相的分裂、重组现象相较挡板前部并不明显。流体流至通道末端时左右两侧流体汇流至喉口前部，流道的横截面积增大，流速减慢，未反应完全的反应物在喉口前部进一步发生反应，并最终汇入下一微通道单元喉口处，重复上述流动过程，周而复始。最终在凹件出口与凸件出口处得到理想的产物。
有益效果
1、本发明的一种Y型组合式微通道结构，反应充分；每个微通道单元具有两处强混合效应区，物料在区域内进行充分混合，使整个反应过程高效进行。对于相同的反应体系，相较于传统反应器或普通微通道，该微通道结构所需原料更少，产出率更高。
2、本发明的一种Y型组合式微通道结构，制作原材料为透明有机玻璃，材质轻便且便于观察。
3、本发明的一种Y型组合式微通道结构，体积小；微通道单元间排布紧凑，占用空间小，上下组合式的拆分方式操作便捷，易于携带。
附图说明
图1为本发明公开的Y型组合式微通道结构示意图；
图2为凸件主视图；
图3为凹件主视图；
图4为凹件与凸件的连接处剖视图。
其中，1-凹件、2-凸件、3-凸件入口、4-凸件出口以及若干5-凸件单元；所述凹件包括：6-凹件入口、7-配合凹槽、8-凹件流道壁、9-流道凹槽、10-挡板、11-凹件单元和12-凹件出口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的一种Y型组合式微通道结构包括凹件1、凸件2。
如图2所示，所述凸件2包括：凸件入口3、凸件出口4以及若干凸件单元5；所述凸件单元5为Y型结构，Y型顶端和底端设有开口；若干凸件单元5首尾相接，并与凸件入口3和凸件出口4连接构成微通道。
如图3所示，所述凹件流道壁8外侧开设有配合凹槽7，内侧开设有流道凹槽9；所述配合凹槽7与所述凸件2完全配合，即所述凸件2插入所述凹件1的配合凹槽7中；所述流道凹槽9中设置有挡板10；所述凹件入口6和凹件出口12中心处开设有通孔；
如图4所示，将凹件1与凸件2上下合并，凸件2对齐并插入凹件1的配合凹槽7处。在固定孔处通过螺母与双头螺栓紧固，保证二者紧密结合。
所述挡板10为V形结构，来流方向正对挡板10的开口处；
所述凸件入口3与凸件出口4为类圆形结构，结构中心开有通孔；
所述通孔为阶梯通孔；
所述V形结构的角度为67.5°；
所述凹件单元11与凸件单元5对应组合为Y型微通道单元，Y型微通道单元来流处通道名为喉口，其宽度为1mm。
每个Y型微通道单元都具有令流体分离后再汇聚的功能，能够大大增强内部流体的混合效果；凸件2与凹件1相结合时，凸件2作为凹件1流道的上壁面密封住内部流体，防止流体外泄。
氮气和水分别通过凸件入口3与凹件入口6分别通入流道凹槽9中。单个微通道单元由凸件单元5与凹件单元11共同组成。流道凹槽9中的氮气与水在流至凸件出口4与凹件出口12前将经过多个微通道单元，对于单个微通道单元中的流动，氮气受到Y型微通道单元来流喉口处的挤压作用高速冲击挡板10前部，在挡板10的冲击碰撞作用下，较大的氮气气泡将分裂为多个较小的气泡并分别流向左右两侧通道。氮气的小气泡形态将会大大增加其与水的接触面积，即挡板10前部氮气与水的接触面积增加。分裂后的氮气进入左右两侧通道，由于管道宽度不变，两侧通道内氮气的分裂、重组现象相较挡板10前部并不明显。流体流至通道末端时左右两侧流体汇流至喉口前部，流道的横截面积增大，流速减慢，氮气与水进一步混合，并最终汇入下一微通道单元喉口处，重复上述流动过程，周而复始。最终在凸件出口4与凹件出口12处得到气液共存态流体，该状态下氮气以小气泡形式均匀分散在水中，呈现为乳白色，证明氮气与水混合极为充分。
当需要终止实验时，凸件入口3与凹件入口6处停止通入氮气与水。分别拆卸螺母与双头螺柱，分离凹件1、凸件2，完成实验。
作为优选，微通道单元数为33，分为3列，每列的微通道单元数为11。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.Y型组合式微通道结构，其特征在于：包括：凸件和凹件；所述凸件的突出位置插入所述凹件的凹槽位置；
所述凸件包括：凸件入口、凸件出口以及若干凸件单元；所述凸件单元为Y型结构，Y型顶端和底端设有开口；若干凸件单元首尾相接，并与凸件入口和凸件出口连接构成微通道；
所述凹件包括：凹件入口、配合凹槽、凹件流道壁、流道凹槽、挡板、凹件单元和凹件出口；所述凹件流道壁外侧开设有配合凹槽，内侧开设有流道凹槽；所述配合凹槽与所述凸件完全配合，即所述凸件插入所述凹件的配合凹槽中；所述流道凹槽中设置有挡板；所述凹件入口和凹件出口中心开设有通孔。
2.如权利要求1所述的Y型组合式微通道结构，其特征在于：所述挡板为V形结构，来流方向正对挡板的开口处。
3.如权利要求1所述的Y型组合式微通道结构，其特征在于：所述凸件入口与凸件出口为类圆形结构，结构中心开有通孔。
4.如权利要求3所述的Y型组合式微通道结构，其特征在于：所述通孔为阶梯通孔。
5.如权利要求2所述的Y型组合式微通道结构，其特征在于：所述V形结构的角度为45°至90°。
6.如权利要求1所述的Y型组合式微通道结构，其特征在于：所述凹件与凸件单元对应位置为Y型微通道单元，Y型微通道单元来流处通道名为喉口，其宽度范围为0.8mm至3mm。
7.如上述任意一项权利要求所述的Y型组合式微通道结构，其特征在于：所述Y型组合式微通道结构的工作方法为：将凹件与凸件上下合并，凸件对齐并插入凹件的配合凹槽；在凹凸件的内外固定孔处通过螺母与双头螺栓紧固凹凸件，保证凹件与凸件紧密结合；气相和液相流体分别通过凸件入口与凹件入口分别通入流道凹槽中；单个微通道单元由凸件单元与凹件单元共同组成；流道凹槽中的流体在流至凸件出口与凹件出口前将经过多个微通道单元，对于单个微通道单元中的流动，气相流体受到Y型微通道单元来流喉口处的挤压作用高速冲击挡板前部，在挡板的冲击碰撞作用下，较大的气泡将分裂为多个较小的气泡并分别流向左右两侧通道；小气泡形态将会大大增加其与液相的接触面积，即挡板前部不同反应物的接触面积增加，为发生反应的最主要区域；分裂后的小气泡进入左右两侧通道，由于管道宽度不变，两侧通道内气相的分裂、重组现象相较挡板前部并不明显；流体流至通道末端时左右两侧流体汇流至喉口前部，流道的横截面积增大，流速减慢，未反应完全的反应物在喉口前部进一步发生反应，并最终汇入下一微通道单元喉口处，重复上述流动过程，周而复始；最终在凹件出口与凸件出口处得到理想的产物。
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