CN109745931A - 一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化学反应工程领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用。该微型反应装置的主要功能区含有中空泡沫材料，该材料的结构在宏观上由三维连通的支撑骨架网络构建而成，支撑骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道。采用本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其主要功能区的宏观三维连通开孔尺寸、三维连通的中空微通道内腔尺寸、中空微通道管壁厚度均可调控。该微型反应装置具有如下优势特点：宏观三维连通开孔网络内进行高效的物质传递和热量传递，中空微通道的管壁本体能够将反应过程中的反应物富集相与产物富集相进行有效隔离，反应生成或需要的热量跨过中空微通道管壁本体进行传递或交换。
Description
技术领域
本发明涉及化学反应工程领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用。
背景技术
微反应装置是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构元件。通常，其含有小的通道尺寸(当量直径小于500μm)和通道多样性，流体在这些通道中流动，并要求在这些通道中发生所要求的反应。由于其内部的微结构使得微反应装置具有极大的表面积/体积比率，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍，微反应装置有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。其体积小、反应效率高、反应过程绿色环保、可持续发展等诸多优点，已受到国内外学术界和工业界的广泛关注，在针对生物工程、分析检测、精细化学品制备、制药等领域的化工工艺过程的研究与开发中具有重要的研究价值和应用前景。
目前，微型反应装置的发展主要面临着两个需要改进的关键技术问题：(1)其核心反应功能区的结构多采用微通道平行流管形式，在化学反应过程中，流动状态和反应效率受到平行流管形式的限制而无法大范围调控；(2)其核心反应功能件主要是采用精密加工技术制备而得，受加工制备方法限制，其构成材质多采用金属类材料，致使反应装置在应用过程中不可避免地面临金属材料的化学腐蚀问题；(3)采用精密加工技术制备的微通道，绝大多数为基于金属材料的沟槽类结构，此类结构不易于催化涂层的负载，限制了现有的微反应器的研究与应用主要集中在均相化学反应，难于应用于多相催化反应。因此，针对微型反应装置的深入研究与推广应用应主要围绕如何解决上述两个技术问题展开。
中空泡沫材料是一种特殊的多孔材料。其宏观结构特征是以多边形封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成的三维连通网络；微观结构特征为中空纤维结构(或中空微通道) 结构的三维网络化。此类中空泡沫材料的构成材质选择范围广。因此，中空泡沫材料，尤其是具有致密结构的微通道管壁的中空泡沫材料能够在反应领域拥有较广的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用，解决现有技术中有效反应面积较低、传质效率低、不易负载催化剂、耐腐蚀性差、制备工艺复杂等问题。
本发明的技术方案：
一种基于中空泡沫材料的微型反应装置，该微型反应装置以中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微反应单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微反应单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区构成；作为该微型反应装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其在宏观上由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，中空微通道管壁本体为致密的或多孔的。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区，形成基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件；微反应单元组件中设置一个或两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微反应功能区，中空泡沫微反应功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，微反应单元组件采用如下基础构型之一或两种：
(1)微反应单元组件的基础构型(一)的结构设计：
流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个或两个以上的流体分流密封层；
两个以上流体分流密封层之间的区域设置中空泡沫微反应功能区，其构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置两个或两个以上的流体引接口，供流体相①输入至三维连通的开孔(b)网孔内和流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出；其中，流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；
连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相③输入至中空微通道(c)内腔和流体相④从中空微通道(c)内腔的输出；其中，流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④，流体相④与流体相③在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；
(2)微反应单元组件的基础构型(二)的结构设计：
流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个流体分流密封层；
连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相①依次经由流体引接管和集流空腔输入至中空微通道(c)内腔；
流体相①在中空微通道(c)内腔中穿过中空微通道管壁本体后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；
流体分流密封层连接中空泡沫微反应功能区，该功能区的构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置一个或两个以上的流体引接口，供流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，构成该微型反应装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；
作为微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上由支撑骨架(a)形成的三维连通网络结构的开孔(b)的网孔尺寸(d1)为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道(c)的外径尺寸(d3)为0.1mm～10mm，内径尺寸(d2)为0.02mm～9mm。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，构成该基于中空泡沫材料的微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的，或为各向异性的，中空微通道的管壁的内壁表面或/和外壁表面状态为以下形态的一种或两种以上：
(1)中空微通道的管壁本体在宏观上为致密结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；
(2)致密结构的中空微通道管壁外壁表面原位生成催化活性中心；
(3)致密结构的中空微通道管壁内壁表面原位生成催化活性中心；
(4)致密结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面均原位生成催化活性中心；
(5)致密结构的中空微通道管壁内壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(6)致密结构的中空微通道管壁外壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(7)致密结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/或含量是相同或不同的催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(8)中空微通道的管壁本体为多孔结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；
(9)多孔管壁结构的中空微通道管壁外壁表面是负载有催化活性涂层的，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(10)多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面是负载有催化活性涂层的，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(11)多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/ 或含量是相同或不同的催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(12)中空微通道的多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；
(13)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁外壁表面负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(14)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁内壁表面负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(15)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的，多孔结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面同时负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂，中空微通道多孔管壁本体内、中空微通道管壁内壁表面、中空微通道管壁外壁表面这三个区域的第二载体、催化活性组分、催化助剂的构成物质种类和/或含量是相同或相互不同的。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，微反应单元组件的结构采用如下结构之一：
(1)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个圆底面式集流空腔和一个圆柱外侧壳式集流空腔，另设置一个圆柱中心轴向微通道流体分流密封层和一个圆柱外侧壳式微通道流体分流密封层，形成微通道流体径向流动，宏观网孔内流体轴向流动的圆柱式微反应单元组件；
(2)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个圆底面式集流空腔，另设置一个圆柱中心轴向宏观网孔流体分流密封层和两个圆柱外侧流体引接口，形成微通道流体轴向流动，宏观网孔内流体径向流动的圆柱式微反应单元组件；
(3)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个圆底面式集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，另在圆柱外侧靠两端处设置两个流体引接口，形成微通道流体轴向流动，宏观网孔内流体轴向逆向流动的圆柱式微反应单元组件；
(4)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的板式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个矩形集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，另在板式单元组件两侧分别设置一个流体引接口，形成微通道流体水平X轴向流动，宏观网孔内流体-X轴向流动的板式微反应单元组件；
(5)微反应单元组件为基于所述的基础构型(二)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个圆底面式集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，另在圆柱轴向中心处设置一个微通道流体分流密封层，并与流体引接口连通，形成微通道流体轴向流动，并在流动过程中跨过中空微通道管壁参与化学反应，反应后流体相进入宏观网孔内沿轴向流动的圆柱式微反应单元组件；
(6)微反应单元组件为基于所述的基础构型(二)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个圆柱外侧桶壁式集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，圆柱上下圆底面分别设置一个微反应流体引接口，并与中空泡沫材料的宏观网孔连通，形成微通道流体径向流动，并在流动过程中跨过中空微通道管壁参与化学反应，反应后流体相进入宏观网孔内沿轴向流动的圆柱式微反应单元组件。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，在该微型反应装置的应用过程中，反应模式为以下模式中的一种或两种以上的组合：
(1)反应物为流体相①和流体相③中的一相或两相，生成物为流体相③和流体相④中的一相或两相；
(2)流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一相或两相以上是由单一物种组成，或由两种以上物种组成的混合物；
(3)输入的流体相中，是具有化学反应活性的物质，或者是惰性物质；
(4)中空微通道(c)内的流体相与宏观开孔(b)网孔内的流体的相互流动方向是如下方式中的一种或者两种以上：顺流、逆流、错流；
(5)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的物种以流体流动和扩散方式中的一种或两种，跨过中空微通道管壁本体实现中空微通道(c) 内与宏观三维连通开孔(b)网孔内的相互物质传递；
(6)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的物种参与化学反应，发生化学反应的微区是以下位置中的一种或两种以上：宏观三维连通开孔(b)孔内、中空微通道(c)内、中空微通道管壁外壁表面、中空微通道管壁内壁表面、中空微通道管壁本体孔隙内、中空微通道管壁本体所含孔隙的孔隙壁面、宏观三维连通开孔 (b)孔内所含的催化活性位点处、中空微通道(c)内所含的催化活性位点处、中空微通道管壁外壁表面所含的催化活性位点处、中空微通道管壁内壁表面所含的催化活性位点处、中空微通道管壁本体孔隙内所含的催化活性位点处、中空微通道管壁本体所含孔隙的孔隙壁面所含的催化活性位点处；
(7)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的流体相的流动方向与权利要求3中所述的流体相的流动方向相反。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，三维连通中空微通道(c)内的或宏观三维连通开孔(b)网孔内的流体相是以下流体类型中的一种或者两种：气体、液体、超临界流体、超超临界流体、等离子体。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身，利用如下方法中的一种或两种以上进行表面改性以调节微通道管壁的物理、化学性质：浆料循环挂浆法、溶液浸渍法、粉末冶金法、高温固相反应烧结法、热浸镀法、电镀法、化学镀法、溶液刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法、水热反应法、蒸汽相转化法、 Langmuir-Blodgett法、物理气相沉积、化学气相沉积。
所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，该微型反应装置作为基于中空泡沫材料的微反应器、基于中空泡沫材料的微通道反应器、基于中空泡沫材料的微型反应器、基于中空泡沫材料的微小型反应器中的一种或两种以上，应用于如下领域：化学工程、能源工程、生物工程、食品工程、制药工程、精细化工、精细有机合成、药物合成、农药合成、冶金工业、环境工程、石油化工、动力工程、消费电子、汽车工业、船舶工业、航空航天。
本发明的设计思想是：
本发明创造性地将中空泡沫材料作为微型反应装置(或微型反应单元组件)的主要功能区，研制出基于中空泡沫材料的微型反应装置。采用该中空泡沫材料作为核心反应功能区部件的基于中空泡沫材料的微型反应装置能够综合利用三维连通网孔的特殊孔型和中空微通道的结构尺寸特点，有利于调控反应过程中反应物流体或者产物流体的流动状态，提高反应效率。同时，也有利于制备耐腐蚀性能优异的微型反应装置，拓展微型反应装置的应用领域。因此，结合中空泡沫材料结构优点和实际应用中微型反应装置技术发展需求，将中空泡沫材料引入微型反应装置的结构设计中，成功研制出基于中空泡沫材料的微型反应装置，并针对其反应单元组件提出结构设计与实际应用方向，是本发明的主要创新点之一。
本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，构成其主要反应功能区的中空泡沫材料同时拥有宏观三维连通开孔网孔和三维连通的中空微通道。该基于中空泡沫材料的微型反应装置综合利用这两种类型孔隙，有利于调控反应过程中反应物流体或者产物流体的流动状态，提高反应效率。
2、本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，可以在主要反应功能区实现高效率的化学反应-反应热原位转移、化学反应-产物原位分离、化学反应-产物原位萃取、化学反应-反应物原位混合等过程的集成。
3、本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的构成材质种类广泛，具有耐腐蚀等特点。
4、本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，催化涂层易在微通道区域的负载，有利于微型反应装置在多相催化反应领域的应用。
5、本发明技术工艺简单，无需复杂设备。对应的微型反应装置系统可以模块化生产与组装。
6、本发明微型反应装置具有如下优势特点：宏观三维连通开孔网络内进行高效的物质传递和热量传递，中空微通道的管壁本体能够将反应过程中的反应物富集相与产物富集相进行有效隔离，反应生成或需要的热量跨过中空微通道管壁本体进行传递或交换，单位体积的主要功能区具有较大的反应面积。
附图说明
图1为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的宏观形貌；a为三维连通的支撑骨架，b为三维连通的开孔，c为支撑骨架内的中空微通道，d1为三维连通的开孔的网孔孔径，d2为中空微通道的内径，d3为中空微通道的外径。
图2为本发明所述的中空泡沫微反应单元组件的基础构型示意图(一)；图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空微通道管壁微反应区域；6 宏观三维连通开孔网孔；7中空微通道；①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入；④为由流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④的输出。
图3为本发明所述的中空泡沫微反应单元组件的基础构型示意图(二)；图中，1流体引接口；2集流空腔；3流体分流密封层；4流体密封阻挡层；5中空微通道管壁微反应区域；6 宏观三维连通开孔网孔；7中空微通道；①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出。
图4为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(1)：具有致密管壁结构的中空微通道管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的，a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁内壁表面；c为致密结构的中空微通道管壁外壁表面。
图5为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(2)：a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为经过原位生成催化活性中心的致密结构的中空微通道管壁的外壁表面。
图6为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(3)：a为中空微通道内腔；b为经过原位生成催化活性中心的致密结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为致密结构的中空微通道管壁的外壁表面。
图7为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(4)：a为中空微通道内腔；b为经过原位生成催化活性中心的致密结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为经过原位生成催化活性中心的致密结构的中空微通道管壁的外壁表面。
图8为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(5)：a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁的内壁表面负载的催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；c为致密结构的中空微通道管壁本体。
图9为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(6)：a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁本体；c为致密结构的中空微通道管壁的外壁表面负载的催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)。
图10为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(7)：a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁的内壁表面负载的催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；c为致密结构的中空微通道管壁本体；d为致密结构的中空微通道管壁的内壁表面负载的催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)，b催化涂层与d催化涂层的构成物质种类和/或含量是相同或不同的。
图11为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(8)：具有多孔管壁结构的中空微通道管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的，a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面。
图12为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(9)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面；c为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面。
图13为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(10)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c 为多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面。
图14为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(11)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c 为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面；b催化涂层与c催化涂层的构成物质种类和/或含量是相同或不同的。
图15为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(12)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面；c为多孔管壁结构的中空微通道管壁外壁表面；d为均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的中空微通道多孔管壁本体。
图16为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(13)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂) 的多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面；d为均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的中空微通道多孔管壁本体。
图17为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(14)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c 为多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面；d为均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的中空微通道多孔管壁本体。
图18为构成本发明所述中空泡沫微反应单元组件主要功能区的中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构(15)：a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c 为负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面；d为均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的中空微通道多孔管壁本体，b催化涂层、c催化涂层、d区域催化活性组分(包含助剂)这三个催化活性区域的构成物质种类和/或含量是相同或相互不同的。
图19为本发明所述基于中空泡沫微反应单元组件是基础构型(一)的中空泡沫材料的微通道反应装置的中空泡沫微反应单元组件的原理示意图(圆柱式1)；其中，(a)为左视图， (b)为主视图，(c)右视图，(d)图为(b)图的A-A剖视图，(e)图为(a)图的B-B剖视图，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入；④为由流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④的输出。
图20为本发明所述基于中空泡沫微反应单元组件是基础构型(一)的中空泡沫材料的微通道反应装置的中空泡沫微反应单元组件的原理示意图(圆柱式2)；其中，(a)为左视图，(b)为主视图，(c)右视图，(d)图为(b)图的A-A剖视图，(e)图为(a)图的B-B剖视图，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入；④为由流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④的输出。
图21为本发明所述基于中空泡沫微反应单元组件是基础构型(一)的中空泡沫材料的微通道反应装置的中空泡沫微反应单元组件的原理示意图(圆柱式3)；其中，(a)为主视图， (b)为右视图，(c)图为(a)图的A-A剖视图，(d)图为(b)图的B-B剖视图，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入；④为由流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④的输出。
图22为本发明所述基于中空泡沫微反应单元组件是基础构型(一)的中空泡沫材料的微通道反应装置的中空泡沫微反应单元组件的原理示意图(板式)；其中，(a)为主视图，(b) 为右视图，(c)图为(a)图的A-A剖视图，(d)图为(b)图的B-B剖视图，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入；④为由流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④的输出。
图23为本发明所述基于中空泡沫微反应单元组件是基础构型(二)的中空泡沫材料的微通道反应装置的中空泡沫微反应单元组件的原理示意图(圆柱式)；其中，(a)为左视图，(b) 为主视图，(c)图为(b)图的A-A剖视图，(d)图为(a)图的B-B剖视图，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出。
图24为本发明所述基于中空泡沫微反应单元组件是基础构型(二)的中空泡沫材料的微通道反应装置的中空泡沫微反应单元组件的原理示意图(圆柱式)；其中，(a)为左视图，(b) 为主视图，(c)图为(b)图的A-A剖视图，(d)图为(a)图的B-B剖视图，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入。
具体实施方式
在基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用的具体实施方式中，本发明以具有不同物理/化学结构、不同材质的中空泡沫材料为反应主要功能区构成材料，通过采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体密封阻挡层、中空泡沫材料微通道管壁反应区，设计本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件，并列举相应的应用具体实施方式如下：
如图1所示，从宏观形貌看出，微型反应装置以中空泡沫材料为主要功能区构成材料，作为该微型反应装置的主要核心功能区域主要构成材料的中空泡沫材料，其宏观结构由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状。
如图2所示，中空泡沫微反应单元组件的基础构型示意图(一)显示：本发明通过采取不同构型的流体引接口1、集流空腔2、流体分流密封层3、流体密封阻挡层4、中空微通道管壁微反应区域5，形成基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件。微反应单元组件中设置两个以上集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相邻集流空腔2之间为中空微通道管壁微反应区域5，中空微通道管壁微反应区域5设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔6。中空泡沫骨架的外表面为中空微通道管壁外壁表面，中空泡沫骨架的内表面为中空微通道管壁内壁表面，中空泡沫骨架上设置中空微通道管壁自身内孔隙，中空泡沫骨架中心为中空微通道7。其中，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出；③为流体相③的输入；④为由流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④的输出。
如图3所示，中空泡沫微反应单元组件的基础构型示意图(二)显示：本发明通过采取不同构型的流体引接口1、集流空腔2、流体分流密封层3、流体密封阻挡层4、中空微通道管壁微反应区域5，形成基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件。微反应单元组件中设置两个以上集流空腔2、流体分流密封层3和流体密封阻挡层4，集流空腔2通过流体分流密封层3和流体密封阻挡层4形成，流体引接口1分别与集流空腔2相连通，相邻集流空腔2之间为中空微通道管壁微反应区域5，中空微通道管壁微反应区域5设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔6。中空泡沫骨架的外表面为中空微通道管壁外壁表面，中空泡沫骨架的内表面为中空微通道管壁内壁表面，中空泡沫骨架上设置中空微通道管壁自身内孔隙，中空泡沫骨架中心为中空微通道7。其中，①为流体相①的输入；②为由流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②的输出。
在具体实施过程中，本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用，可以是由一个中空泡沫微反应单元组件独立构成，也可以是由多个或多种结构的中空泡沫微反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成。所述的微反应单元组件主要由如下功能区构成：流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区。其中：
(1)构成该微型反应装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；
(2)作为微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上由支撑骨架(a)形成的三维连通网络结构的开孔(b)的网孔尺寸(d1)为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道(c)的外径尺寸(d3)为0.1mm～10mm，内径尺寸(d2)为0.02mm～9mm；
(3)构成该基于中空泡沫材料的微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的，或为各向异性的，中空微通道的管壁的内壁表面或/和外壁表面状态为以下几种形态的一种或两种以上(见图4-图18)：
(a)如图4所示，中空微通道的管壁本体在宏观上为致密结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；
(b)如图5所示，致密结构的中空微通道管壁外壁表面原位生成催化活性中心；
(c)如图6所示，致密结构的中空微通道管壁内壁表面原位生成催化活性中心；
(d)如图7所示，致密结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面均原位生成催化活性中心；
(e)如图8所示，致密结构的中空微通道管壁内壁表面负载催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；
(f)如图9所示，致密结构的中空微通道管壁外壁表面负载催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；
(g)如图10所示，致密结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/或含量是相同或不同的催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；
(h)如图11所示，中空微通道的管壁本体为多孔结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；
(i)如图12所示，多孔管壁结构的中空微通道管壁外壁表面是负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的；
(j)如图13所示，多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面是负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的；
(k)如图14所示，多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/或含量是相同或不同的催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；
(l)如图15所示，中空微通道的多孔管壁本体自身是均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的；
(m)如图16所示，中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁外壁表面负载有催化活性涂层 (包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；
(n)如图17所示，中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁内壁表面负载有催化活性涂层 (包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)；
(o)如图18所示，中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的，多孔结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面同时负载有催化活性涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)，这三个区域的催化活性组分(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)的构成物质种类和/或含量是相同或相互不同的。
在该微型反应装置的应用过程中，反应模式为以下模式中的一种或两种以上的组合：
(1)反应物为流体相①和流体相③中的一相或两相，生成物为流体相③和流体相④中的一相或两相；
(2)流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一相或两相以上是由单一物种组成，或由两种以上物种组成的混合物；
(3)输入的流体相中，可以是具有化学反应活性的物质，也可以是惰性物质；
(4)中空微通道(c)内的流体相与宏观开孔(b)网孔内的流体的相互流动方向是如下方式中的一种或者两种以上：顺流、逆流、错流；
(5)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的物种以流体流动和扩散方式中的一种或两种，跨过中空微通道管壁本体实现中空微通道(c) 内与宏观三维连通开孔(b)网孔内的相互物质传递；
(6)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的物种参与化学反应，发生化学反应的微区是以下位置中的一种或两种以上：宏观三维连通开孔(b)孔内、中空微通道(c)内、中空微通道管壁外壁表面、中空微通道管壁内壁表面、中空微通道管壁本体孔隙内、中空微通道管壁本体所含孔隙的孔隙壁面、宏观三维连通开孔 (b)孔内所含的催化活性位点处、中空微通道(c)内所含的催化活性位点处、中空微通道管壁外壁表面所含的催化活性位点处、中空微通道管壁内壁表面所含的催化活性位点处、中空微通道管壁本体孔隙内所含的催化活性位点处、中空微通道管壁本体所含孔隙的孔隙壁面所含的催化活性位点处；
(7)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的流体相的流动方向与权利要求3中所述的流体相的流动方向相反；
在所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用过程中，三维连通中空微通道(c)内的或宏观三维连通开孔(b)网孔内的流体相是以下流体类型中的一种或者两种：气体、液体、超临界流体、超超临界流体、等离子体。
在所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用过程中，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身，利用如下方法中的一种或两种以上进行表面改性以调节微通道管壁的物理、化学性质：浆料循环挂浆法、溶液浸渍法、粉末冶金法、高温固相反应烧结法、热浸镀法、电镀法、化学镀法、溶液刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法、水热反应法、蒸汽相转化法、Langmuir-Blodgett法、物理气相沉积、化学气相沉积。
该微型反应装置作为基于中空泡沫材料的微反应器、基于中空泡沫材料的微通道反应器、基于中空泡沫材料的微型反应器、基于中空泡沫材料的微小型反应器中的一种或两种以上，应用于如下领域：化学工程、能源工程、生物工程、食品工程、制药工程、精细化工、精细有机合成、药物合成、农药合成、冶金工业、环境工程、石油化工、动力工程、消费电子、汽车工业、船舶工业、航空航天。
下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。
实施例1
本实施例采用圆柱式微反应单元组件的结构设计，具体见附图19。主要反应功能区由如图4所示的物理结构或化学结构为各向同性的中空微通道管壁的中空泡沫材料构成，中空泡沫材料圆柱的宏观尺寸为φ200mm，高500mm。其中，a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁内壁表面；c为致密结构的中空微通道管壁外壁表面。中空微通道管壁本体材质为不锈钢，中空微通道外径为2mm，内径为1mm。由该反应单元组件构成的微型反应装置，其用途为乙醛酸的制备，流体相①为混合溶液，溶剂为叔丁醇，溶质为马来酸酐、钨酸，pH＝5.5，入口温度为45℃，在流体相①入口处的集流空腔中向流体相①中滴加30％过氧化氢。流体相③和流体相④均为叔丁醇，③标示的入口处的流体相③温度为45℃。在流体相②标示的出口处，获得乙醛酸的产率为50％。
实施例2
本实施例采用圆柱式微反应单元组件的结构设计，具体见附图20。主要反应功能区由中空泡沫材料构成，该中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构为如图5所示。中空泡沫材料圆柱的宏观尺寸为φ300mm，高600mm。其中，a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为经过原位生成催化活性中心的致密结构的中空微通道管壁的外壁表面。中空微通道管壁本体的材质为纯质碳化硅，外壁表面经原位水热合成反应制备的 ZSM-5分子筛催化涂层。中空微通道外径为3mm，内径为1.5mm。由该反应单元组件构成的微型反应装置应用于甲醇制烯烃反应，整个微反应单元被加热至480℃，流体相①为纯水，入口温度为95℃，②标示处的出口温度为490℃。流体相③为甲醇和水的混合气体，入口温度为250℃，④标示的出口处的温度为480℃。在流体相④标示的出口处，获得甲醇转化率100％，丙烯的收率为40％，丙烯(质量):乙烯(质量)(P/E)＝6。
实施例3
本实施例采用圆柱式微反应单元组件的结构设计，具体见附图21。主要反应功能区由中空泡沫材料构成，该中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构为如图9所示。中空泡沫材料圆柱的宏观尺寸为φ250mm，高500mm。其中，a为中空微通道内腔；b为致密结构的中空微通道管壁本体，材质为纯质碳化硅；c为致密结构的中空微通道管壁的外壁表面负载的催化活性涂层，组成为Na-W-Mn/SiO2。由该反应单元组件构成的微型反应装置应用于甲烷氧化偶联制乙烯反应，整个微反应单元被加热至800℃，流体相①为N2，入口温度为300℃，②标示处的出口温度为800℃。流体相③为甲烷和氧气的混合气体，烷氧比(摩尔比)＝2。入口温度为500℃，④标示的出口处的温度为800℃。在流体相④标示的出口处，获得甲烷转化率43％，乙烯的收率为20％。
实施例4
本实施例采用板式微反应单元组件的结构设计，具体见附图22。主要反应功能区由中空泡沫材料构成，该中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构为如图11所示。板状中空泡沫材料的宏观尺寸为600mm(长)×300mm(宽)×200mm(厚)。其中，a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面；多孔管壁结构的中空微通道管壁本体材质为纯质不锈钢。由该反应单元组件构成的微型反应装置应用于谷氨酸有氧发酵反应，整个微反应单元被恒温至30-36℃，流体相①为O2，入口温度为36℃，②标示处的出口温度为30℃。流体相③为含有谷氨酸棒杆菌的葡萄糖溶液，pH＝7.2，入口温度为30℃，④标示的出口处的温度为36℃。在流体相④标示的出口处，获得葡萄糖转化率99％，谷氨酸的收率为90％。
实施例5
本实施例采用圆柱式微反应单元组件的结构设计，具体见附图23。主要反应功能区由中空泡沫材料构成，该中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构为如图15所示。中空泡沫材料圆柱的宏观尺寸为φ300mm，高500mm。其中，a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面；c为多孔管壁结构的中空微通道管壁外壁表面；d 为均匀分布有催化活性组分和助剂组分的中空微通道多孔管壁本体，作为一次载体的多孔管壁结构的中空微通道管壁本体，其材质为纯质碳化硅，管壁本体自身内的孔隙中负载的催化剂为Pt-Sn/SiO2，其中Pt为催化活性中心，Sn为助剂，SiO2为二次载体。由该反应单元组件构成的微型反应装置应用于丁烯醛的选择性加氢反应，整个微反应单元被恒温至90-120℃，恒压至1MPa-5MPa的H2气氛中，流体相①为丁烯醛/异丙醇溶液，入口温度为90℃，②标示处的出口温度为120℃，在②标示的出口处，流体相②中获得丁烯醛转化率95％，选择性 95％。
实施例6
本实施例采用圆柱式反应单元组件的结构设计，具体见附图24。主要反应功能区由中空泡沫材料构成，该中空泡沫材料的中空微通道管壁的结构为如图16所示。中空泡沫材料圆柱的宏观尺寸为φ100mm，高300mm。其中，a为多孔管壁结构的中空微通道内腔；b为多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面；c为负载有Cu/α-MoC1-x催化剂的的多孔管壁结构的中空微通道管壁的外壁表面；d为均匀分布有含有2.3wt％La的CuO-ZnO催化剂的中空微通道多孔管壁本体；中空微通道管壁本体的材质主体为高纯氧化铝。中空微通道外径为3mm，内径为1.5mm。由该反应单元组件构成的微型反应装置，其用途为水煤气变换制氢反应，宏观三维连通开孔网孔的入口①处为温度为150℃的氮气，出口②温度为H2、N2、CO2、H2O、 CO，温度为250℃，③标示处的中空微通道引接口处为水煤气(H2O+CO)的入口，温度为200℃。结果显示，CO转化率为98％。
实施例结果表明，本发明所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用，可以是由一个反应单元组件独立构成，也可以是由多个或多种反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成。所述的反应单元组件主要由如下功能区构成：流体引接口、集流空腔、流体密封阻挡层、中空泡沫材料微通道管壁反应区。作为该微型反应装置的主要核心功能区域主要构成材料的中空泡沫材料，其宏观结构由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，其中空微通道管壁本体为致密或多孔结构的，在中空微通道的内壁表面、外壁表面、或中空微通道管壁本体内孔隙的孔壁面，可负载具有催化活性的涂层(包含第二载体、催化活性组分、催化助剂)。按照本发明所述的结构设计，所制备的基于中空泡沫材料的微型反应装置，创新点在于该基于中空泡沫材料的微型反应装置能够综合利用宏观三维连通开孔(b)网孔和三维连通的中空微通道(c)或/和中空微通道管壁本体内的孔隙结构，有利于催化剂的负载进而进行多相催化反应，提高反应效率。同时，可以在主要反应功能区实现高效率的化学反应-反应热原位转移、化学反应-产物原位分离、化学反应-产物原位萃取、化学反应-反应物原位混合等过程的集成。
Claims (10)
1.一种基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，该微型反应装置以中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微反应单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微反应单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区构成；作为该微型反应装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其在宏观上由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，中空微通道管壁本体为致密的或多孔的。
2.按照权利要求1所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区，形成基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件；微反应单元组件中设置一个或两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微反应功能区，中空泡沫微反应功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔。
3.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，微反应单元组件采用如下基础构型之一或两种：
(1)微反应单元组件的基础构型(一)的结构设计：
流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个或两个以上的流体分流密封层；
两个以上流体分流密封层之间的区域设置中空泡沫微反应功能区，其构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置两个或两个以上的流体引接口，供流体相①输入至三维连通的开孔(b)网孔内和流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出；其中，流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；
连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相③输入至中空微通道(c)内腔和流体相④从中空微通道(c)内腔的输出；其中，流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④，流体相④与流体相③在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；
(2)微反应单元组件的基础构型(二)的结构设计：
流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个流体分流密封层；
连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相①依次经由流体引接管和集流空腔输入至中空微通道(c)内腔；
流体相①在中空微通道(c)内腔中穿过中空微通道管壁本体后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；
流体分流密封层连接中空泡沫微反应功能区，该功能区的构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置一个或两个以上的流体引接口，供流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出。
4.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，构成该微型反应装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；
作为微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上由支撑骨架(a)形成的三维连通网络结构的开孔(b)的网孔尺寸(d1)为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道(c)的外径尺寸(d3)为0.1mm～10mm，内径尺寸(d2)为0.02mm～9mm。
5.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，构成该基于中空泡沫材料的微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的，或为各向异性的，中空微通道的管壁的内壁表面或/和外壁表面状态为以下形态的一种或两种以上：
(1)中空微通道的管壁本体在宏观上为致密结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；
(2)致密结构的中空微通道管壁外壁表面原位生成催化活性中心；
(3)致密结构的中空微通道管壁内壁表面原位生成催化活性中心；
(4)致密结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面均原位生成催化活性中心；
(5)致密结构的中空微通道管壁内壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(6)致密结构的中空微通道管壁外壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(7)致密结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/或含量是相同或不同的催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(8)中空微通道的管壁本体为多孔结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；
(9)多孔管壁结构的中空微通道管壁外壁表面是负载有催化活性涂层的，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(10)多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面是负载有催化活性涂层的，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(11)多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/ 或含量是相同或不同的催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(12)中空微通道的多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；
(13)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁外壁表面负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(14)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁内壁表面负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；
(15)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布(或径向部分分布)有催化活性组分和助剂组分的，多孔结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面同时负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂，中空微通道多孔管壁本体内、中空微通道管壁内壁表面、中空微通道管壁外壁表面这三个区域的第二载体、催化活性组分、催化助剂的构成物质种类和/或含量是相同或相互不同的。
6.按照权利要求3所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，微反应单元组件的结构采用如下结构之一：
(1)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个圆底面式集流空腔和一个圆柱外侧壳式集流空腔，另设置一个圆柱中心轴向微通道流体分流密封层和一个圆柱外侧壳式微通道流体分流密封层，形成微通道流体径向流动，宏观网孔内流体轴向流动的圆柱式微反应单元组件；
(2)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个圆底面式集流空腔，另设置一个圆柱中心轴向宏观网孔流体分流密封层和两个圆柱外侧流体引接口，形成微通道流体轴向流动，宏观网孔内流体径向流动的圆柱式微反应单元组件；
(3)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个圆底面式集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，另在圆柱外侧靠两端处设置两个流体引接口，形成微通道流体轴向流动，宏观网孔内流体轴向逆向流动的圆柱式微反应单元组件；
(4)微反应单元组件为基于所述的基础构型(一)而得的板式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个矩形集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，另在板式单元组件两侧分别设置一个流体引接口，形成微通道流体水平X轴向流动，宏观网孔内流体-X轴向流动的板式微反应单元组件；
(5)微反应单元组件为基于所述的基础构型(二)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个圆底面式集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，另在圆柱轴向中心处设置一个微通道流体分流密封层，并与流体引接口连通，形成微通道流体轴向流动，并在流动过程中跨过中空微通道管壁参与化学反应，反应后流体相进入宏观网孔内沿轴向流动的圆柱式微反应单元组件；
(6)微反应单元组件为基于所述的基础构型(二)而得的圆柱式结构设计：微反应单元组件的流体引接口采用管状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个圆柱外侧桶壁式集流空腔及对应的微通道流体分流密封层，圆柱上下圆底面分别设置一个微反应流体引接口，并与中空泡沫材料的宏观网孔连通，形成微通道流体径向流动，并在流动过程中跨过中空微通道管壁参与化学反应，反应后流体相进入宏观网孔内沿轴向流动的圆柱式微反应单元组件。
7.一种权利要求1～6之一所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，其特征在于，在该微型反应装置的应用过程中，反应模式为以下模式中的一种或两种以上的组合：
(1)反应物为流体相①和流体相③中的一相或两相，生成物为流体相③和流体相④中的一相或两相；
(2)流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一相或两相以上是由单一物种组成，或由两种以上物种组成的混合物；
(3)输入的流体相中，是具有化学反应活性的物质，或者是惰性物质；
(4)中空微通道(c)内的流体相与宏观开孔(b)网孔内的流体的相互流动方向是如下方式中的一种或者两种以上：顺流、逆流、错流；
(5)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的物种以流体流动和扩散方式中的一种或两种，跨过中空微通道管壁本体实现中空微通道(c)内与宏观三维连通开孔(b)网孔内的相互物质传递；
(6)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的物种参与化学反应，发生化学反应的微区是以下位置中的一种或两种以上：宏观三维连通开孔(b)孔内、中空微通道(c)内、中空微通道管壁外壁表面、中空微通道管壁内壁表面、中空微通道管壁本体孔隙内、中空微通道管壁本体所含孔隙的孔隙壁面、宏观三维连通开孔(b)孔内所含的催化活性位点处、中空微通道(c)内所含的催化活性位点处、中空微通道管壁外壁表面所含的催化活性位点处、中空微通道管壁内壁表面所含的催化活性位点处、中空微通道管壁本体孔隙内所含的催化活性位点处、中空微通道管壁本体所含孔隙的孔隙壁面所含的催化活性位点处；
(7)在微反应过程中，流体相①、流体相②、流体相③、流体相④中的一种或两种以上的流体相的流动方向与权利要求3中所述的流体相的流动方向相反。
8.按照权利要求7所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，其特征在于，三维连通中空微通道(c)内的或宏观三维连通开孔(b)网孔内的流体相是以下流体类型中的一种或者两种：气体、液体、超临界流体、超超临界流体、等离子体。
9.按照权利要求7所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，其特征在于，对中空微通道管壁的内壁表面、外壁表面或管壁自身，利用如下方法中的一种或两种以上进行表面改性以调节微通道管壁的物理、化学性质：浆料循环挂浆法、溶液浸渍法、粉末冶金法、高温固相反应烧结法、热浸镀法、电镀法、化学镀法、溶液刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法、水热反应法、蒸汽相转化法、Langmuir-Blodgett法、物理气相沉积、化学气相沉积。
10.按照权利要求7所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置的应用，其特征在于，该微型反应装置作为基于中空泡沫材料的微反应器、基于中空泡沫材料的微通道反应器、基于中空泡沫材料的微型反应器、基于中空泡沫材料的微小型反应器中的一种或两种以上，应用于如下领域：化学工程、能源工程、生物工程、食品工程、制药工程、精细化工、精细有机合成、药物合成、农药合成、冶金工业、环境工程、石油化工、动力工程、消费电子、汽车工业、船舶工业、航空航天。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110512154A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-29 | 大连理工大学 | 一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法 |
| CN112058192A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-11 | 湖南大学 | 一种连续流微反应器、制作方法及应用 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6824689B2 (en) * | 2001-12-21 | 2004-11-30 | Battelle Memorial Institute | Carbon nanotube-containing structures, methods of making, and processes using same |
| CN102101785A (zh) * | 2009-12-18 | 2011-06-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 |
| CN103007853A (zh) * | 2011-09-23 | 2013-04-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 碳化硅微通道反应器及其在烃类裂解制低碳烯烃中的应用 |
| CN106423163A (zh) * | 2016-09-23 | 2017-02-22 | 中国科学院上海高等研究院 | 整体式催化剂及其制备方法与应用 |
-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6824689B2 (en) * | 2001-12-21 | 2004-11-30 | Battelle Memorial Institute | Carbon nanotube-containing structures, methods of making, and processes using same |
| CN102101785A (zh) * | 2009-12-18 | 2011-06-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种双尺度的碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法 |
| CN103007853A (zh) * | 2011-09-23 | 2013-04-03 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 碳化硅微通道反应器及其在烃类裂解制低碳烯烃中的应用 |
| CN106423163A (zh) * | 2016-09-23 | 2017-02-22 | 中国科学院上海高等研究院 | 整体式催化剂及其制备方法与应用 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110512154A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-11-29 | 大连理工大学 | 一种具有层状和空心陶瓷球复合结构的铝基复合材料及其制备方法 |
| CN112058192A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-12-11 | 湖南大学 | 一种连续流微反应器、制作方法及应用 |
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