CN111250011A - 带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器 - Google Patents
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Abstract
一种带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，在透明的微反应器主板内制作有反应物微通道a，反应物微通道a的入口位于微反应器主板的一个表面上、出口位于微反应器主板与入口相对的另一个表面上，在反应物微通道a的外围制作有换热微通道b，换热微通道b的入口和反应物微通道a的入口位于微反应器主板的同一个平面上、出口和反应物微通道a的出口位于微反应器主板的同一个平面上，在反应物微通道a的入口和出口内壁上各加工有1道卡槽c、入口与出口之间内壁上至少加工有1道卡槽c，每道卡槽c内设1个磁体或导磁体，磁体或导磁体外表面设置有防腐层，一个磁体或导磁体与相邻一个磁体或导磁体之间设负载或不负载催化剂的催化剂载体。
Description
技术领域
本发明属于化学化工生产设备或装置技术领域，具体涉及到一种微通道化学反应器。
背景技术
传统的化学产业长期存在设备庞大、污染严重、能耗高、效率低等诸多的技术问题，随着社会对环保节能的重视，对现有化工生产设备提出了越来越高的要求。与电子工业类似，传统化工设备向集成化、小型化发展是摆脱目前困境的必然趋势。微反应器作为集成化、小型化的化学反应设备引起众多化学研究者的关注。微反应器是将化学反应的场所限制在毫米甚至微米纳米尺度的化学反应装置，其基本结构是具有数量庞大的微型管道，管道的空间布局对于微反应器性能有较大影响，开发高效多功能的微通道系统是目前微反应器研究的重要方向。
专利200610117935.3、专利201711293622.8涉及使用玻璃刻蚀烧结技术和玻璃铸造腐蚀技术制备玻璃微通道的方法，这些方法只能用于二维平面结构的微通道加工，不适用于复杂的三维立体结构微通道的加工。
专利201120276238.9、专利201120276016.7涉及一种毛虫型微反应器和混沌型微反应器，虽然上述两种微反应器的反应通道结构新颖，但是其反应通道的流体混合催化剂载体固定不变，对于各类不同传质要求的化学反应适用性差；另外上述微反应器都采用盖板结构，相对于一体烧结的玻璃结构其密闭性能较差。微反应器的换热模式仅能通过平板正面传导热量，换热效率较低。
专利CN201821623951.4、专利CN201910843748.0都涉及到一种带有固载催化剂的微反应器，其共同点是催化剂固载到微通道的内壁上，虽然解决了微反应器内非均相催化的问题，但是其催化剂类型不易更换，适用的催化类型有限。
上述微反应器的另外一个最主要的缺点是固体反应物和固体催化剂无法通过微通道，在反应过程中产生大量固体产物，微通道极易堵塞，不能随时进行检修，需停产检修，不能进行连续生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种反应速度快、产物收率高、维修方便、能连续生产、适用范围广、能适应不同物质进行化学反应的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：
在透明的微反应器主板内制作有反应物微通道a，反应物微通道a的入口位于微反应器主板的一个表面上、出口位于微反应器主板与入口相对的另一个表面上，在反应物微通道a的外围制作有换热微通道b，换热微通道b的入口和反应物微通道a的入口位于微反应器主板的同一个平面上、出口和反应物微通道a的出口位于微反应器主板的同一个平面上，在反应物微通道a的入口和出口内壁上各加工有1道卡槽c、入口与出口之间内壁上至少加工有1道卡槽c，每道卡槽c内设置有1个磁体或导磁体，磁体或导磁体外表面设置有防腐层，一个磁体或导磁体与相邻一个磁体或导磁体之间设置有催化剂载体，催化剂载体上负载或不负载催化剂。
本发明的反应物微通道a的几何形状为包含有直段与弯曲段连通的弯曲形，卡槽c制作在反应物微通道a的出口和入口以及直段或弯曲段内壁。
本发明的卡槽c的深度为0.5～2mm，截面为圆形凹槽或矩形。
本发明的反应物微通道a的垂直截面为矩形或圆形。
本发明的反应物微通道a矩形内截面的长为1～9mm、宽为1～8mm，圆形截面的内径为2～6mm。
本发明的换热微通道b为:与反应物微通道a不相联通一根直管段外围的换热微通道b与相邻一根直管段外围的换热微通道b连为一体，换热微通道b为螺旋形或S形或菱形或相互联通的圆环形，螺旋形的螺距为3～8mm，换热微通道b为矩形管道或圆形管道,矩形管道截面长为3～8mm，宽为0.5～3mm,圆形管道的内径为2～6mm。
本发明的催化剂载体为石英玻璃载体或陶瓷载体或分子筛载体或其它非金属载体。
本发明的磁体或导磁体的外侧面设置有弹片。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
由于本发明采用在反应物微通道内设置磁体或导磁体、负载有催化剂的催化剂载体，反应物微通道堵塞后可方便地更换催化剂载体，能适应不同反应物使用不同固体催化剂的要求，并对反应物微通道及时进行清洗，解决了微反应器维修困难的技术问题，延长了微反应器的使用寿命。在反应物微通道的外围制作有螺旋形换热微通道，增加了换热面积，提高了换热效率，导热油通过换热微通道对反应物微通道内的反应物进行加热，加快了反应速度，提高了产物的收率。本发明具有反应速度快、产物收率高、维修方便、能连续生产、适用范围广等优点，能适应不同物质的化学反应。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是图1的主视图。
图3是图1中反应物微通道a的示意图。
图4是图3中A-A剖视的放大示意图。
图5是图4中磁体2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2、3、4、5中，本实施例的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器由微反应器主板1、磁体2、催化剂载体3联接构成。
本实施例的微反应器主板1为石英玻璃板，在微反应器主板1内制作有反应物微通道a，反应物微通道a的出口和入口位于微反应器主板1的上表面，本实施例的反应物微通道a的几何形状为S形，反应物微通道a的垂直截面为矩形，矩形的长为7mm、宽3mm，也可制作成圆形，内径为5mm，根据化学反应物的流量在2～6mm范围内体确定，反应物微通道a出口和入口的几何形状和尺寸与反应物微通道a垂直截面的几何形状相同，反应物微通道a的入口位于微反应器主板1的上表面上、出口位于微反应器主板1的下表面上，化学反应物为液体也可以为带有固体颗粒的悬浊液，液体由微量泵将化学反应物从反应物微通道a的入口进入，在反应物微通道a内进行化学反应，化学反应的生成物从反应物微通道a的出口排出。在微反应器主板1内反应物微通道a的直管段外围制作有换热微通道b，换热微通道b的入口位于微反应器主板1的上表面上、出口位于微反应器主板1的下表面上，换热微通道b的截面为矩形管道，矩形长为6mm，宽为2mm，换热微通道b的截面也可以为圆形管道，内径为4mm，内径的具体尺寸应根据反应物微通道a的截面在2～6mm范围内具体确定，一根直管段外围的换热微通道b与相邻一根直管段外围的换热微通道b连为一体，换热微通道b与反应物微通道a不相联通，本实施例的换热微通道b为螺旋形，换热微通道b制作成左螺旋，也可制作成右螺旋，螺距为5mm。反应物微通道a和换热微通道b的制备方法按照专利申请号为2006101179353、发明名称为《一种刻蚀制作玻璃维反应器的方法》制备。换热微通道b与导热油加热器联通后，导热油流经换热微通道b，对反应物微通道a内的反应物进行加热，提高了化学反应速度，这种结构的换热微通道，增加了换热面积，换热效率提高30％以上。
在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及每个弯曲段内壁加工有1道卡槽c，也可在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及每个直段内壁加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为圆形凹槽，卡槽c的深度为1mm，在卡槽c内安装有1个磁体2，本实施例的磁体2为永久磁铁，在磁体2的外侧面上连为一体有弹片2-1，弹片2-1用于将磁体2固定在卡槽c内，磁体2的外表面包裹有防腐层，防腐层用于防止化学物质腐蚀磁体2，磁体2的竖截面积小于反应物微通道a的竖截面积，磁体2与反应物微通道a内壁之间留有间隙，以便反应物流过，磁体2的形状与卡槽c内的形状相同，即为圆柱体。安装磁体2时，在反应物微通道a外用一块外用永久磁铁吸引磁体2在反应物微通道a内移动到卡槽c内，弹片2-1弹出，将磁体2固定在卡槽c内，磁体2将反应物微通道a内分隔成几个区域；移走磁体2时，外用永久磁铁压缩弹片2-1，吸引磁体2脱离卡槽c，在反应物微通道a内移动。
在卡槽c内两块磁体2之间固定有催化剂载体3，催化剂载体3的外表面负载有固体催化剂，本实施例催化剂载体3的几何形状为球形，也可为棱柱形，也可为圆柱形，也可为锥形，还也可为环状形，催化剂载体3的材料为石英玻璃，也可为陶瓷。催化剂载体3也可采用分子筛，催化剂成分可以负载在催化剂载体3上，催化剂的种类应按照化学反应的材料来确定，其功能与现有催化剂的功能相同，催化剂载体3负载催化剂时，不但可以起到催化作用，还可以增加反应物料的混沌对流效果使物料混合更均匀。
实施例2
本实施例带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器的微反应器主板1为石英玻璃板，在微反应器主板1内制作有反应物微通道a，本实施例的反应物微通道a的几何形状为S形，反应物微通道a的垂直截面为矩形，矩形的长为1mm、宽为1mm。在微反应器主板1内反应物微通道a的直管段外围制作有换热微通道b，换热微通道b的截面为矩形管道，矩形长为3mm，宽为0.5mm，换热微通道b为螺旋形，换热微通道b制作成左螺旋，也可制作成右螺旋，螺距为3mm。
在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及每个弯曲段内壁加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为圆形凹槽，卡槽c的深度为0.5mm，在卡槽c内安装有1个磁体2，本实施例的磁体2为在永久磁铁，在磁体2的外表面包裹有防腐层，磁体2的结构以及几何形状与实施例1相同。在两个磁我体2之间固定有催化剂载体3，催化剂载体3的外表面负载有固体催化剂，催化剂载体3的几何形状和种类与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器的微反应器主板1为高硼硅玻璃板，在微反应器主板1内制作有反应物微通道a，本实施例的反应物微通道a的几何形状为S形，反应物微通道a的垂直截面为矩形，矩形的长为9mm、宽9mm。在微反应器主板1内反应物微通道a的直管段外围制作有换热微通道b，换热微通道b的截面为矩形管道，矩形长为8mm，宽为3mm，换热微通道b为螺旋形，换热微通道b制作成左螺旋，也可制作成右螺旋，螺距为8mm。
在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及每个弯曲段内壁加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为环状矩形，卡槽c的深度为2mm，在卡槽c内安装有1个磁体2，本实施例的磁体2为永久磁铁，在磁体2的外表面包裹有防腐层，磁体2的几何形状以及结构与实施例1相同。在两块磁体2之间固定有催化剂载体3，催化剂载体3的外表面负载有和固体催化剂，催化剂载体3和的几何形状和种类与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
在以上的实施例1～3中，在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及反应物微通道a的每个弯曲段内壁加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为圆形凹槽，卡槽c的几何形状与相应的实施例相同。在卡槽c内安装有1个磁体2，本实施例的磁体2为导磁体，导磁体的材料为铁，也可以为含有铁分子的混合物，在磁体2的外表面包裹有防腐层，磁体2的几何形状以及结构与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例5
在以上的实施例1～4中，在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及反应物微通道a的每个弯曲段内壁加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为圆形凹槽，卡槽c的几何形状与相应的实施例相同。在卡槽c内安装有1个磁体2，磁体2的几何形状和结构以及材料与相应的实施例相同，在卡槽c内2个磁体2之间安装有催化剂载体3，催化剂载体3上不负载催化剂，催化剂载体3可以增加反应物料的混沌对流效果使物料混合更均匀。
其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例6
在以上的实施例1～5中，在反应物微通道a的出口和入口1～3mm处以及每个弯曲段内壁加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为圆形凹槽，卡槽c的几何形状与相应的实施例相同。在卡槽c内安装有1个磁体2，本实施例的磁体2为导磁体或非导磁体，磁体2的外侧面不设置弹片2-1，导磁体的材料与相应的实施例相同，在磁体2的外表面包裹有防腐层，磁体2的几何形状与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例7
在以上的实施例1～6中，在反应物微通道a的入口和出口1～3mm处内壁以及一个弯曲段内壁各加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为圆形凹槽，卡槽c的几何形状与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例8
在以上的实施例1～7中，在反应物微通道a的入口和出口1～3mm处内壁以及一个弯曲段内壁各加工有1道卡槽c，卡槽c的截面为矩形凹槽，卡槽c的槽深状与相应的实施例相同。在卡槽c内安装有1个磁体2，本实施例的磁体2的几何形状为四棱拄体，卡槽c的截面也可以为其他形状，磁体2的几何形状与卡槽c的几何形状相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
实施例9
在以上的实施例1～8中，在反应物微通道a的外围制作有换热微通道b，一根直管段外围的换热微通道b与相邻一根直管段外围的换热微通道b连为一体，换热微通道b为S形，也可制作成菱形，还可以制作成相互联通的圆环形。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
Claims (8)
1.一种带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，在透明的微反应器主板(1)内制作有反应物微通道(a)，反应物微通道(a)的入口位于微反应器主板(1)的一个表面上、出口位于微反应器主板(1)与入口相对的另一个表面上，其特征在于：在反应物微通道(a)的外围制作有换热微通道(b)，换热微通道(b)的入口和反应物微通道(a)的入口位于微反应器主板(1)的同一个平面上、出口和反应物微通道(a)的出口位于微反应器主板(1)的同一个平面上，在反应物微通道(a)的入口和出口内壁上各加工有1道卡槽(c)、入口与出口之间内壁上至少加工有1道卡槽(c)，每道卡槽(c)内设置有1个磁体(2)或导磁体，磁体(2)或导磁体外表面设置有防腐层，一个磁体(2)或导磁体与相邻一个磁体(2)或导磁体之间设置有催化剂载体(3)，催化剂载体(3)上负载或不负载催化剂。
2.根据权利要求1所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于：所述的反应物微通道(a)的几何形状为包含有直段与弯曲段连通的弯曲形，卡槽(c)制作在反应物微通道(a)的出口和入口以及直段或弯曲段内壁。
3.根据权利要求1或2所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于：所述的卡槽(c)的深度为0.5～2mm，截面为圆形凹槽或矩形。
4.根据权利要求1或2所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于：所述的反应物微通道(a)的垂直截面为矩形或圆形。
5.根据权利要求4所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于：所述的反应物微通道(a)矩形内截面的长为1～9mm、宽为1～8mm，圆形截面的内径为2～6mm。
6.根据权利要求1所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于所述的换热微通道(b)为:与反应物微通道(a)不相联通一根直管段外围的换热微通道(b)与相邻一根直管段外围的换热微通道(b)连为一体，换热微通道(b)为螺旋形或S形或菱形或相互联通的圆环形，螺旋形的螺距为3～8mm，换热微通道(b)为矩形管道或圆形管道,矩形管道截面长为3～8mm，宽为0.5～3mm,圆形管道的内径为2～6mm。
7.根据权利要求1所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于：所述的催化剂载体(3)为石英玻璃载体或陶瓷载体或分子筛载体或其它非金属载体。
8.根据权利要求1所述的带有换热器和催化剂载体的微通道化学反应器，其特征在于：所述的磁体(2)或导磁体的外侧面设置有弹片(2-1)。
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