CN110090607A - 一种微反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微反应通道，涉及化工设备领域，包括沿中心对称轴左右对称的强化混合腔，所述强化混合腔出口部设置汇流混合区，所述强化混合腔中具有分割体，所述分割体与所述强化混合腔的内壁形成对称的第一子通道和第二子通道，所述第一子通道和所述第二子通道相对于所述中心对称轴向外延展至越过所述强化混合腔的进口部后再连接所述汇流混合区。其优点在于：比表面积较大，可以达到一至五万m2/m3；通道内流体属于平推流，无漩涡，无返混；可有效的避免因进料泵的脉冲引起的通道内混合效果不好，不均匀的情况；压降小，混合效果好；相同基板面积下，能够布置的通道面积大，无浪费区域，因此持液量大，停留时间长。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备领域，尤其涉及一种微反应器。
背景技术
通常所说的微反应器是指在制造技术上至少部分采用了微反应技术或超精密加工技术，其内部结构(如流道)的特征尺寸在亚微米与亚毫米之间。微反应器与常规反应设备(如反应釜，管式反应器)相比特征尺寸要小得多，这使其具备大的比表面积，而且随着尺寸的减小，一些物理量的梯度的增加会加快，例如温度梯度、压力梯度、浓度梯度及密度梯度等，这对于化学反应尤其重要。梯度增加将导致传质、传热推动力的增加，从而扩大单位体积或单位面积的扩散通量，强化传质和传热过程。此外还可一定程度节省反应试剂用量，让反应过程更加安全可靠，通过众多的微反应腔室进行的数增放大，可简单、灵活得实现工业放大，从而实现连续、高效、安全的化工生产。
在一种现有的微流体装置中，其采用的通道外形趋于圆形，导致在相同平面内，布置的通道数量较少，导致持液量的下降，因此影响停留时间，且在装置中分割改向壁和柱中间，存在较大面积的流动死区，且流体在通过分割改向壁流向柱后，受到冲击会造成大量的返混，破坏了平推流状态，在一些化学反应中，会造成副产物的发生。
在另一种现有的微反应器中，其采用的“所述反应腔呈矩形，其出口包括宽度逐渐变窄的V形通道以及宽度相等的线性通道”，这种矩形的通道对流经绕流体的流体产生了直接的冲击，直接将流体的运动方向改变大于90°，这种正冲回造成大量的能量损失，且矩形不符合流体的流线，在转弯处必定会存在大量的死区。
上述两个现有技术中均未考虑泵对微反应器功能的影响，因微反应器系统中通常采用的泵，通常为高压小流量耐腐蚀的泵(如柱塞泵、隔膜泵等)，这种泵的工作原理导致流体的流速和压力脉冲存在振荡，当同时泵送两股流体时，容易导致进入微反应器的流体量不能在每一个时刻都完全相同，这将导致同时时刻，反应通道内不同腔室内的每一种流体的浓度和比例都不相同，会对反应稳定性造成影响。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提出一种无流动死区，流体压力及流速稳定，无返混，混合效果好的反应通道结构。
为实现上述目的，本发明提供了一种微反应通道，包括沿中心对称轴左右对称的强化混合腔，所述强化混合腔出口部设置汇流混合区，所述强化混合腔中具有分割体，所述分割体与所述强化混合腔的内壁形成对称的第一子通道和第二子通道，所述第一子通道和所述第二子通道相对于所述中心对称轴向外延展至最高点高于所述强化混合腔的进口部后再连接所述汇流混合区。
进一步地，所述第一子通道和所述第二子通道的出口分别设置第一文丘里喷嘴结构和第二文丘里喷嘴结构。
进一步地，所述第一文丘里喷嘴结构和所述第二文丘里喷嘴结构的半径相等，所述第一子通道和所述第二子通道的直径相等，所述半径范围与所述直径的比值为0.15至0.35。
进一步地，所述分割体的开口角度为60°至120°。
进一步地，还包括：脉冲阻尼池，所述脉冲阻尼池内进口部设置分布体，出口部设置第二绕流体，第一绕流体设置在所述分布体和所述第二绕流体之间；
所述脉冲阻尼池与所述强化混合腔连接。
进一步地，其特征在于，所述第一绕流体具有多个等间距竖直设置的绕流板，所述绕流板为连续并弯曲的波纹结构，使反应通道内形成多个并联的狭缝。
进一步地，所述第二绕流体为圆形。
进一步地，所述脉冲阻尼池的出口部被设置为“V”形，角度范围为60°至150°。
进一步地，所述分布体为三个或以上等角度设置的挡板结构，所述挡板间具有空隙。
进一步地，所述微反应通道具有多个所述脉冲阻尼池，第一脉冲阻尼池的进口连接物料进口，两个所述脉冲阻尼池之间依次连接多个所述强化混合腔。
进一步地，所述分割体的第二面设置破涡街尖角。
本发明还提供了一种微反应器，包括前述任一项微反应通道。
进一步地，所述微反应通道被加工在基板上。
本发明以连续过程替代间歇过程，通过对内部的强化混合的通道结构的不断改进优化与强化，可将反应转化率大幅度提高，有效地提高产品的转化率、选择性及转化速率等，如果利用传质效率高且均匀的特点，在高分子聚合反应中还可以实现高聚物分子量均一。对于产能需求，传统反应通常依靠增加反应器尺寸来提高产量，而微反应器的生产规模的扩大是通过数目放大的方法，确保了安全性。
本发明具有以下技术效果：
(1)比表面积较大，可以达到10000～50000m2/m3；
(2)通道内流体属于平推流，无漩涡，无返混；
(3)可有效的避免因进料泵的脉冲引起的通道内混合效果不好，不均匀的情况；
(4)压降小，混合效果好；
(5)相同基板面积下，能够布置的通道面积大，无浪费区域，因此持液量大，停留时间长。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的微反应器结构示意图；
图2为本发明一实施例的强化混合腔的流体速度矢量图。
附图标记说明：100-第一物料入口；101-第二物料入口；102-物料出口；200-脉冲阻尼池；201-分布体；202-第一绕流体；203-第二绕流体；300-强化混合腔；301-第一子通道；302-第二子通道；303-分割体；304-第一文丘里喷嘴结构；305-第二文丘里喷嘴结构；306-破涡街尖角；307-汇流混合区。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明由多个强化混合腔300构成反应通道。可选的，反应通道可与脉冲阻尼池200构成反应通道组，包括依序相连的一个脉冲阻尼池200和若干个强化混合腔300。本实施例中包括7组反应通道组，每组强化混合腔300的数量为5至6个。
物料从第一反应通道组的脉冲阻尼池200的进口进入，物料通常为两个以上并通过不同入口进入微反应器，脉冲阻尼池200的出口部依次连接若干个强化混合腔300后，再与第二反应通道组的脉冲阻尼池进口连通，如此重复后，反应后的物料由物料出口102流出。
微反应器整体包括两个基板，反应通道通过微制造手段在两个基板中间加工形成，可以分别加工在基板上，或者也可加工在一侧基板上。
脉冲阻尼池200外轮廓为普通釜形，在此不作限定，包括分布体201，第一绕流体202和第二绕流体203，其作用是减小管路流量的不均匀，减少惯性损失，用于缓解因泵的原因造成的通道左右两侧的压力不均匀，最终导致反应不充分或不稳定的缺陷，使后续强化混合腔内的流体流动更平稳更均匀。脉冲阻尼池200虽然不能起到强制混合的效果，但通过分布体201和波纹绕流体202结合，可以防止非均相流体因为混合强度不够而导致在脉冲阻尼池内发生分离，有效避免已经混合好的流体发生分层。
分布体201为三个或以上等角度设置的挡板结构，其间具有空隙，并被设置在脉冲阻尼池200进口处，用于将带有一定脉冲的两股物料分割为三股或三股以上的分散的支流，形成层厚为数十或数百微米的多层流体系。
流体被分割后流向第一绕流体202，由多个等间距竖直设置的绕流板构成，每个绕流板为连续并弯曲的波纹结构，使反应通道内形成多个并联的狭缝，将之前已经分散的多个支流再次分散。流体在经过狭缝时，被强制相互接触与渗透，且第一绕流体202为曲折的结构，狭缝内的流体被强制的多次改变流向，不断的和波纹结构发生碰撞，并形成类似湍流的流动形态，从而实现高效的混合。
流体流过第一绕流体202后，与被设置在脉冲阻尼池200出口靠近第一绕流体202位置的第二绕流体203接触，物料再次发生混合。此外第二绕流体203两侧的流体流通阻力与其周围的流通阻力相似，避免发生流体沿中间位置流出，造成两侧短路，或流体不均匀的现象。本实施例中第二绕流体203的形状为圆形。
流体经过第二绕流体203后已经完成初步混合，流动方向发生了一定变化，其变化小于90°，而且流动方向不是中心对称，为了保证流体在后续的强化混合腔300内可以稳定均匀的流动，并且避免脉冲阻尼池200内存在流体流动死区，导致流体滞留，因此将脉冲阻尼池200的末端出口设置为收缩的出口，脉冲阻尼池200的出口部被设置为“V”形，其角度与流量有关，针对反应通道内的不同介质、不同流量，角度范围设定为60°至150°，优选为100°。“V”形出口部之后再设置一段流通面积不变的路径。流体慢慢从流通面积大的区域进入流通面积小的出口，发生重新组合，原本被切割成多股的流体，在出口处汇聚成一股并被挤出出口进入强化混合腔300，再次发生强制渗透和混合。
强化混合腔300为沿中心对称轴左右对称的强化混合腔，其出口部设置汇流混合区307。强化混合腔中具有分割体303，与强化混合腔300的内壁形成对称的第一子通道301和第二子通道302，第一子通道301和第二子通道302相对于中心对称轴向外延展至越过强化混合腔300的进口部后再连接汇流混合区307。
进一步地，强化混合腔300外轮廓为左右对称的“黑桃形”，其出口部设置汇流混合区307。强化混合腔300的内部包括分割体303，具有与强化混合腔300进口部相对的第一面，开口角度为60°至120°。分割体303的角中心线与强化混合腔300的进口部共线。分割体303与强化混合腔300的内壁形成左右两条直径相等的第一子通道301和第二子通道302。第一子通道301和第二子通道302沿强化混合腔300的中心对称轴左右对称，并且外轮廓均为“U”形，“U”形的开口部分别朝向强化混合腔300的中心，其最高点均高于强化混合腔300的进口部。第一子通道301和第二子通道302沿既定方向延伸并且在通道出口分别设置第一文丘里喷嘴结构304和第二文丘里喷嘴结构305，流体通过喷嘴结构后再进入汇流混合区307。
流体进入强化混合腔300后撞击分割体303，分成均匀的两股流体，并通过第一子通道301和第二子通道302发生两次80°至100°的流动方向转向，分别进入第一文丘里喷嘴结构304和第二文丘里喷嘴结构305。此时流体压力能被转化为速度能，通过提高流速降低垂直于流动方向的扩散长度，起到强化混合的效果，流体沿喷嘴被喷出，两股流体在强化混合腔300出口部“V”形的汇流混合区307汇合后，进入随后连接的第二强化混合腔。
进一步地，文丘里喷嘴的半径范围与子通道直径的比值为0.15至0.35，优选为0.25，在此范围内流体不会引起过大的流动阻力，又能起到较好的混合效果。
根据卡门涡街原理，在一定条件下的定常来流绕过物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。发明人在进行流体测试时发现，当通道内雷诺数≈50时，流体绕过分割体303，发生边界层分离，在之后产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡；雷诺数超过50时，对称旋涡不断增长；雷诺数≈70时，这对不稳定的对称旋涡，最后会形成旋转方向相反、上下交替脱落的旋涡，这种旋涡会导致流体在通道内形成不断的返流，对于一些一旦返混就会发生副反应的化学反应，会带来负面影响，而且不规则旋涡一旦形成，会造成后续强化混合通道内左右两侧子通道的压力或介质浓度不均匀，容易造成混合效果不稳定、不可控的问题；并且许多反应需要严格的控制反应停留时间，由于旋涡的形成，造成无法准确计算流体的停留时间，影响收率。
因此在分割体303的第二面设置了破涡街尖角306，此处第二面是指与强化混合腔300出口部相对的面。利用破涡街尖角306可以打破旋涡的运动路径，避免流体在绕过分割体后就产生旋涡，使流体保持原有的流动方向流出强制混合腔300，进入后续的强制混合腔，根据图2可以看出，流体在通道内以完全对称的流形向前流动。
进一步地，当脉冲阻尼池200除去内部结构的剩余面积与强制混合腔300的面积的比值大于1.5时，可以有效地减少强制混合腔300内的流体脉冲。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (13)
1.一种微反应通道，其特征在于，包括沿中心对称轴左右对称的强化混合腔，所述强化混合腔出口部设置汇流混合区，所述强化混合腔中具有分割体，所述分割体与所述强化混合腔的内壁形成对称的第一子通道和第二子通道，所述第一子通道和所述第二子通道相对于所述中心对称轴向外延展至越过所述强化混合腔的进口部后再连接所述汇流混合区。
2.如权利要求1所述的微反应通道，其特征在于，所述第一子通道和所述第二子通道的出口分别设置第一文丘里喷嘴结构和第二文丘里喷嘴结构。
3.如权利要求2所述的微反应通道，其特征在于，所述第一文丘里喷嘴结构和所述第二文丘里喷嘴结构的半径相等，所述第一子通道和所述第二子通道的直径相等，所述半径范围与所述直径的比值为0.15至0.35。
4.如权利要求1所述的微反应通道，其特征在于，所述分割体的开口角度为60°至120°。
5.如权利要求1所述的微反应通道，其特征在于，还包括：脉冲阻尼池，所述脉冲阻尼池内进口部设置分布体，出口部设置第二绕流体，第一绕流体设置在所述分布体和所述第二绕流体之间；
所述脉冲阻尼池与所述强化混合腔连接。
6.如权利要求5所述的微反应通道，其特征在于，所述第一绕流体具有多个等间距竖直设置的绕流板，所述绕流板为连续并弯曲的波纹结构，使反应通道内形成多个并联的狭缝。
7.如权利要求5所述的微反应通道，其特征在于，所述第二绕流体为圆形。
8.如权利要求5所述的微反应通道，其特征在于，所述脉冲阻尼池的出口部被设置为“V”形，角度范围为60°至150°。
9.如权利要求5所述的微反应通道，其特征在于，所述分布体为三个或以上等角度设置的挡板结构，所述挡板间具有空隙。
10.如权利要求1至9任一项所述的微反应通道，其特征在于，所述微反应通道具有多个所述脉冲阻尼池，第一脉冲阻尼池的进口连接物料进口，两个所述脉冲阻尼池之间依次连接多个所述强化混合腔。
11.如权利要求1至9任一项所述的微反应通道，其特征在于，所述分割体的第二面设置破涡街尖角。
12.一种微反应器，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的微反应通道。
13.如权利要求12所述的微反应器，其特征在于，所述微反应通道被加工在基板上。
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