CN111715161A - 微通道反应及混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于微通道技术领域，涉及一种微通道反应及混合装置，微通道反应及混合装置包括流体混合单元，流体混合单元包括基板；基板的侧壁上至少设置有两个不同位置的流体入口；基板上设置有贯穿基板的中心孔；基板上设置有与流体入口的数量相对应的微通道主路；基板上设置有混合微通道以及微通道支路；流体入口通过微通道主路与中心孔相贯通；微通道主路通过混合微通道以及微通道支路与中心孔相贯通。本发明提供了一种增大混合面积、增强混合效果以及提高混合效率的微通道反应及混合装置。

Description

微通道反应及混合装置

技术领域

本发明属于微通道技术领域，涉及一种多通道混合结构，尤其涉及一种特别适用于多相流混合、反应器等领域的微通道反应及混合装置。

背景技术

微通道是通过光刻、蚀刻等特殊的微加工技术制造的用于换热、传质、多相混合的微小结构。微通道由于其体积小、比表面积大，换热效率高、热质传递能力强，能够在较短时间内实现物料均匀混合与高效传热等优势广泛应用于生物、化工、微电子等技术领域。目前，微混合结构发展较快，但仍然存在生产效率低，混合不均匀等问题。关于微通道的专利很多，如授权公告号为CN205055990U的专利文件公开的一种新型的微反应器反应通道结构，其结构包括基板。基板上设置有反应通道，反应通道上设置有混合腔，混合腔内设置有混合块。反应速率虽然比传统的微通道结构速率提高但其结构相对复杂，S型通道反应长度增长，流动阻力增加且周期长，工作效率下降且至多实现两种流体同时进行。流道处于同一空间平面内混合不均匀。

发明内容

为了解决背景技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种增大混合面积、增强混合效果以及提高混合效率的微通道反应及混合装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微通道反应及混合装置，所述微通道反应及混合装置包括流体混合单元，所述流体混合单元包括基板；所述基板的侧壁上至少设置有两个不同位置的流体入口；所述基板上设置有贯穿基板的中心孔；所述基板上设置有与流体入口的数量相对应的微通道主路；所述基板上设置有混合微通道以及微通道支路；所述流体入口通过微通道主路与中心孔相贯通；所述微通道主路通过混合微通道以及微通道支路与中心孔相贯通。

作为优选，本发明所采用的混合微通道整体呈圆形或正多边形；所述中心孔置于混合微通道的几何中心处；所述微通道支路沿混合微通道的轮廓方向均布并分别与中心孔相贯通。

作为优选，本发明所采用的混合微通道整体呈圆形时，所述微通道支路的数量是m条；所述微通道主路的数量是n条；所述m≥n。

作为优选，本发明所采用的混合微通道整体呈正多边形时，所述正多边形的边数是a；所述微通道主路的数量是a或2a；所述微通道支路的数量与微通道主路的数量相同。

作为优选，本发明所采用的流体入口的数量是3-12个。

作为优选，本发明所采用的微通道主路、微通道支路以及混合微通道的截面形状相同；所述微通道主路、微通道支路以及混合微通道的水力直径均是50μm-1000μm；中心孔的孔径是1-2mm。

作为优选，本发明所采用的流体混合单元还包括置于基板顶部的盖板；所述盖板与基板的形状相同；所述盖板上设置有盖板中心孔；所述盖板中心孔与中心孔相贯通且二者处于同一轴线上；所述盖板中心孔与中心孔形成混合流体通道。

作为优选，本发明所采用的流体混合单元是一层或多层；所述流体混合单元是多层时，多层流体混合单元自上而下依次叠加，多层流体混合单元中的混合流体通道形成连续的流体通道，处于最顶部的流体混合单元的盖板上的盖板中心孔是沉孔或盲孔。

作为优选，本发明所采用的微通道反应及混合装置包括与连续的流体通道相贯通的混合流体出口。

作为优选，本发明所采用的混合流体出口置于多层流体混合单元的最底部或置于多层流体混合单元的中间位置；所述混合流体出口置于多层流体混合单元的最底部时，所述混合流体出口置于最底部的流体混合单元的基板下表面并与最底部的流体混合单元的混合流体通道相贯通；所述混合流体出口置于多层流体混合单元的中间位置时，中间位置的多层流体混合单元的盖板上沿盖板径向设置有流体出流通道；所述流体出流通道与混合流体出口相贯通。

本发明的优点是：

本发明通过改变微通道内部结构和形状的设计，增大混合面积来增强混合效果，提高混合效率。本发明所提供的新型微通道结构，通过改变微通道的通道结构来增加混合效果，可以实现多条微通道内多相多组分的同时混合，减小了流动阻力解决了流量分配不均的问题，大大提高微反应器的生产效率。在实现流体的快速混合与均匀性方面具有重要意义。本发明所提供的微通道反应及混合装置的结构和大自然中的雪花类似，正多边形通道使得扰流增大、混合更加均匀。本发明提供的微通道混合装置属于被动性混合，节省能源，成本较低，在反应器、多相多组分混合等方面具有很大优势。本发明提供的微通道反应及混合装置，支持多种不同流体混合。其结构包括下基板、盖板。基板上加工有成一定角度分布的主路微通道及支路微通道。每条主路微通道的入口一端在基板侧面，出口一端汇聚在基板中心。基板上还设置有多条正多边形的微通道，多边形通道与主路微通道及支路微通道在相交处连通。基板和盖板组成一个流体混合单元，多个这样的单元相互叠加，组成一个完整的微通道混合装置。本发明所提供的微通道反应及混合装置的材料可以为金属或非金属材料，如硅、铝合金、玻璃、PMMA、PDMS等，可以广泛应用于多相流混合、反应器等，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明所采用的流体混合单元的三维结构示意图；

图2是本发明所采用的基板的结构示意图；

图3是本发明所采用的盖板的俯视结构示意图；

图4是本发明所提供的微通道反应及混合装置的液体流动示意图；

图5是本发明所提供的微通道反应及混合装置的剖视图及流动示意图；

图6是本发明所提供的微通道反应及混合装置（含多层流体混合单元）的结构透视图；

图7是本发明所采用的流体混合单元（圆形结构）的结构示意图；

图8是本发明所采用的流体混合单元（正五边形结构）的结构示意图；

图9是本发明所采用的流体混合单元（正三角形结构）的结构示意图；

其中：

11-基板；12-混合微通道；13-盖板；14-流体入口；15-中心孔；16-微通道支路；17-微通道主路；18-混合流体出口；31-盖板中心孔；32-定位装置。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。这些附图均为示意图，以示意本发明的基本结构。本发明的目的是这样实现的：

本发明提供了一种微通道反应及混合装置，该微通道反应及混合装置包括流体混合单元，流体混合单元包括基板11；基板11的侧壁上至少设置有两个不同位置的流体入口14；基板11上设置有贯穿基板11的中心孔15；基板11上设置有与流体入口14的数量相对应的微通道主路17；基板11上设置有混合微通道12以及微通道支路16；流体入口14通过微通道主路17与中心孔15相贯通；微通道主路17通过混合微通道12以及微通道支路16与中心孔15相贯通。

混合微通道12整体呈圆形或正多边形；中心孔15置于混合微通道12的几何中心处；微通道支路16沿混合微通道12的轮廓方向均布并分别与中心孔15相贯通。

混合微通道12整体呈圆形时，微通道支路16的数量是m条；微通道主路17的数量是n条；m≥n。以圆形为例，微通道主路17的数量是两条时，当两条微通道主路17呈直线型（夹角是180°），则圆形的混合微通道12上的微通道支路16可以是2条，也可以是大于2条，均布在整个圆形混合微通道12上。

混合微通道12整体呈正多边形时，正多边形的边数是a；微通道主路17的数量是a或2a；微通道支路16的数量与微通道主路17的数量相同。以正三角形为例，微通道主路17的数量是3条，分别接入正三角形的三个顶角或三条边的中线位置，此时，微通道支路16间隔设置在相邻两个微通道主路17之间，即3条微通道支路16；微通道主路17的数量是6条，分别接入正三角形的三个顶角以及三条边的中线位置，此时微通道支路16间隔设置在相邻两个微通道主路17之间，即6条微通道支路16。

流体入口14的数量是3-12个。微通道主路17、微通道支路16以及混合微通道12的截面形状相同；微通道主路17、微通道支路16以及混合微通道12的水力直径均是50μm-1000μm；中心孔15的孔径是1-2mm。

流体混合单元还包括置于基板11顶部的盖板13；盖板13与基板11的形状相同；盖板13上设置有盖板中心孔31；盖板中心孔31与中心孔15相贯通且二者处于同一轴线上；盖板中心孔31与中心孔15形成混合流体通道。混合后的流体直接通过盖板13上表面的盖板中心孔31和/或基板11下表面的中心孔15收集混合液体。盖板13与基板11通过热键合联接，键合前要确保定位准确、表面平整，以确保密封性。

流体混合单元是一层或多层；流体混合单元是多层时，多层流体混合单元自上而下依次叠加，多层流体混合单元中的混合流体通道形成连续的流体通道，处于最顶部的流体混合单元的盖板13上的盖板中心孔31是沉孔或盲孔。微通道反应及混合装置包括与连续的流体通道相贯通的混合流体出口18。

混合流体出口18置于多层流体混合单元的最底部或置于多层流体混合单元的中间位置；混合流体出口18置于多层流体混合单元的最底部时，混合流体出口18置于最底部的流体混合单元的基板11下表面并与最底部的流体混合单元的混合流体通道相贯通；混合流体出口18置于多层流体混合单元的中间位置时，中间位置的多层流体混合单元的盖板13上沿盖板13径向设置有流体出流通道；流体出流通道与混合流体出口18相贯通。

参见图6，一种微通道反应及混合装置，该微通道反应及混合装置由多个流体混合单元叠加排列组成。每个流体混合单元为正3~12边形或圆形结构，由厚度为2mm~5mm基板11和盖板13两部分组成，基板11和盖板13的几何中心加工有直径为1-2mm的中心孔15，中心孔15周围加工有3到12条微通道主路17，向四周呈放射状排列，可以实现3-12种不同流体混合，同时每条微通道主路17的另外一端还加工有流体入口14，用于多组分流体的流入。最上方的盖板13为一盲板，其他流体混合单元基板与盖板的形状相同，尺寸可根据工况决定。微通道主路17的横截面形状可以为梯形、矩形、圆形、三角形等，通道纵向截面形状可以为锯齿形、矩形等变截面通道，通道流动路线可以为Z字型、S型等其他路径流道。

多条微通道成一定角度分布，夹角可以相等或不等。流体入口14设置在基板11侧面，多个流体入口14由一根总管进行供液，出口汇聚在基板中心处。

多条通道的出口和入口之间还设置有多条正多边形微通道（混合微通道12），这些正多边形通道间距（混合微通道12）相等。正多边形通道（混合微通道12）和与中心孔15相连的多条微通道相连通，组成蛛网状结构，其通道尺寸可根据具体工况决定。微通道主路17上还设置有多条微通道支路16与中心孔15相通，增加了出口数量，减小系统内部压力。

基板11与盖板13的形状相同，可以是圆形结构（如图7）、正五边形结构（如图8）以及证三角形结构（如图9），基板11与盖板13通过定位销进行定位，然后通过键合相互叠加，使这些中心孔组成连续的通道。微通道流体混合单元中，中间位置的盖板不同于其他位置的盖板，中间位置的盖板设置有混合流体出口18，经过混合后的流体通过中间位置的盖板上的流道进入收集装置。多个流体混合单元同时工作，可以实3~12种流体混合及反应，大大提高生产效率。

本发明所提供的微通道反应及混合装置，由于其结构的特殊性，使得混合速率、混合均匀性都显著提高。

参见图1，是本发明中一个流体混合单元的三维结构示意图。每个流体混合单元由盖板13以及基板11组成。基板11上加工有六条尺寸相同，互成一定角度的微通道。各条微通道的入口14设置在基板的侧面，最多同时支持六种流体混合。流体从微通道六个入口14进入第一层流体混合单元，然后通过与六条微通道相连通的正六边形微通道12进行第一次混合。混合后的流体经过微通道支路16和微通道主路17流出，通过中心孔15进入下一个流体混合单元。参见图2，基板上加工有六条成一定角度的主路微通道及六条微通道支路，多条正六边形微通道。微通道横截面形状可以为矩形、圆形、梯形等。通道结构特征参数包括：通道的数量n、水力直径d、通道间距离H、通道中心线夹角α，通道尺寸和数量可根据具体工况确定。流体在内部流动方向如图2所示。参见图3，盖板形状与基板相同，中心处为盖板中心孔31。若干个盖板中心孔31和基板上的中心孔15组成一条连续的通道。基板11与盖板13通过定位装置32进行定位。参见图4，各相流体从各层的入口进入系统，经过混合后的流体进入中心孔进行再次混合，最后经中间层的出口流出。参见图5，流体相从基板侧面的微通道入口进入系统，经基板上的正六边形通道、支路微通道及中心孔组成的微通道，最后由出口流出。参见图6，各相流体从基板侧面的流体入口14进入系统，经过微通道主路17到达外层的混合微通道12，将微通道主路17内的流体分成3条支流。经第二层正六边形微通道各支流再次分为三条支流，以此往复，最后经六条微通道主路17及六条微通道支路16出口进入中心孔15，由与微通道尺寸相同的中心孔进入下一层流体混合单元。经过充分混合及反应的混合相通过中间流体混合单元的盖板上的微通道流出，进入收集装置。正六边形微通道的层数由具体工况决定。

本发明所提供的微通道反应及混合装置的材料为金属或者非金属，例如硅、玻璃、PMMA、PDMS、合金等。可以使用微米级铣削加工、蚀刻、光刻、超声等特种加工。本发明的微通道反应及混合装置结构简单，易加工，形式多样，通过增加通道数量和改变内部结构使得混合、反应等方面效率更高。所以在节约能源方面有较强的优势，具有较高的开发前景和工程应用的潜力。

上面结合附图对本发明实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施例，上述的具体实施方式只是示意性的。本领域的技术人员因为在本发明的启示下，在不脱离本发明的权力要求所保护的范围情况下，在此基础上做出的多种样式或简单修改都属与本发明所保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微通道反应及混合装置，其特征在于：所述微通道反应及混合装置包括流体混合单元，所述流体混合单元包括基板（11）；所述基板（11）的侧壁上至少设置有两个不同位置的流体入口（14）；所述基板（11）上设置有贯穿基板（11）的中心孔（15）；所述基板（11）上设置有与流体入口（14）的数量相对应的微通道主路（17）；所述基板（11）上设置有混合微通道（12）以及微通道支路（16）；所述流体入口（14）通过微通道主路（17）与中心孔（15）相贯通；所述微通道主路（17）通过混合微通道（12）以及微通道支路（16）与中心孔（15）相贯通。

2.根据权利要求1所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述混合微通道（12）整体呈圆形或正多边形；所述中心孔（15）置于混合微通道（12）的几何中心处；所述微通道支路（16）沿混合微通道（12）的轮廓方向均布并分别与中心孔（15）相贯通。

3.根据权利要求2所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述混合微通道（12）整体呈圆形时，所述微通道支路（16）的数量是m条；所述微通道主路（17）的数量是n条；所述m≥n。

4.根据权利要求3所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述混合微通道（12）整体呈正多边形时，所述正多边形的边数是a；所述微通道主路（17）的数量是a或2a；所述微通道支路（16）的数量与微通道主路（17）的数量相同。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述流体入口（14）的数量是3-12个。

6.根据权利要求5所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述微通道主路（17）、微通道支路（16）以及混合微通道（12）的截面形状相同；所述微通道主路（17）、微通道支路（16）以及混合微通道（12）的水力直径均是50μm-1000μm；中心孔（15）的孔径是1-2mm。

7.根据权利要求6所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述流体混合单元还包括置于基板（11）顶部的盖板（13）；所述盖板（13）与基板（11）的形状相同；所述盖板（13）上设置有盖板中心孔（31）；所述盖板中心孔（31）与中心孔（15）相贯通且二者处于同一轴线上；所述盖板中心孔（31）与中心孔（15）形成混合流体通道。

8.根据权利要求7所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述流体混合单元是一层或多层；所述流体混合单元是多层时，多层流体混合单元自上而下依次叠加，多层流体混合单元中的混合流体通道形成连续的流体通道，处于最顶部的流体混合单元的盖板（13）上的盖板中心孔（31）是沉孔或盲孔。

9.根据权利要求8所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述微通道反应及混合装置包括与连续的流体通道相贯通的混合流体出口（18）。

10.根据权利要求9所述的微通道反应及混合装置，其特征在于：所述混合流体出口（18）置于多层流体混合单元的最底部或置于多层流体混合单元的中间位置；

所述混合流体出口（18）置于多层流体混合单元的最底部时，所述混合流体出口（18）置于最底部的流体混合单元的基板（11）下表面并与最底部的流体混合单元的混合流体通道相贯通；所述混合流体出口（18）置于多层流体混合单元的中间位置时，中间位置的多层流体混合单元的盖板（13）上沿盖板（13）径向设置有流体出流通道；所述流体出流通道与混合流体出口（18）相贯通。

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