CN113198403A - 一种微通道反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道反应器，包括包括盖板，基板和换热板，所述盖板设置在反应器的两端，所述基板中设置有第一混合腔，第二混合腔和中心混合腔。本发明中，通过流体混合流道对流体入口导入的流体进行分流，从而使得进入基板后的流体得到进一步的细分，而进过细分后的流体通过第一混合腔进行混合交汇，并将交汇后的流体导入对应的第二混料腔进行二次充分混合，混合后的流体再次送入中心混合腔体中进行碰撞对冲，完成三次混合，之后通过导管导出，完成整个混料反应过程，可以显著地地提高化学反应的完成度。

Description

一种微通道反应器
技术领域
本发明涉及化工制药领域，具体涉及一种微通道反应器。
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，其内部结构的特征尺寸在亚米和亚毫米之间。微反应器与常规反应设备相比，其特征尺寸要小的多，这使其具备大的比表面积、得到强化的传质和传热过程，并且可一定程度节省反应试剂用量，让反应过程更加安全可靠，通过众多的微反应通道进行的数增放大，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。
目前，市场上使用的微通道形式有多种样式，如窄型或心形通道等形式，但是，其在混合效率上仍然存在一定的缺陷,而混合效率对于化学反应的最终收率有着显著的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供微通道反应器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种微通道反应器，包括盖板，基板和换热板，所述盖板设置在反应器的两端，基板和换热板按照盖板-换热板-(基板-换热板)N-盖板的顺序上下堆叠，其中N为1-10的整数。所述基板包括第一流体入口和第二流体入口。所述第一流体入口与第一微通道连通，所述第一微通道在基板内分裂成两个第一分流微通道。所述第二流体入口与第二微通道连通，所述第二微通道在基板内分裂成两个第二分流微通道。所述第一分流微通道和所述第二分流微通道在各自的通道端部汇合并流入第一混合微通道。所述第一混合微通道的另一端连接第一混合腔。所述第一混合腔的另一端经过第二混合微通道连接至第二混合腔，所述第二混合腔设置在中心混合腔中。
优选的，所述中心混合腔的中心设置流体导管，所述流体导管穿过换热板将各基板中的所述中心混合腔联通，位于最下层的基板中的导管穿过位于最下层的换热板和盖板后与出液管连通。
优选的，所述第一分流微通道的流体截面是相等的，所述第二分流微通道的流体截面是相等的。因此，二者能够分别均等地分流来自第一微通道和第二微通道的流体。
优选的，所述第一混合微通道在沿着靠近第一混合腔的方向上流道逐渐收窄。这样可以提高流体冲入第一混合腔的速度。而加快的流体速度利于流体在所述第一混合腔中充分混合。
优选的，所述第一混合腔为倒梯形结构，其内部设置两个第一分流块，所述第一分流块沿着所述第一混合微通道的中轴线对称设置使得所述第一分流块之间形成第一冲击流道；在两个所述的第一分流块之间设置大致为三角形结构的第二分流块，所述第二分流块将所述第一冲击流道分割为两个第二冲击流道；所述第一分流块和所述第一混合腔的上壁及侧壁之间分别形成第一分流流道和第二分流流道，所述第二分流流道和第二冲击流道在出口处形成第一交汇区；所述第二分流块与第一混合腔的底壁之间形成第第三分流流道。经过交汇的流体通过第三分流流道相互混合进入所述第二混合微通道中。
优选的，所述第一分流块的被构造成使得所述第一分流流道的在流体流动方向上逐渐收窄，并在与所述第二分流流道连接的区域逐渐扩张。
优选的，第一冲击流道的进口的宽度Cw1和第一混合微通道的出口的宽度Hw1的比值Cw1/Hw1为0.5-0.8；第一冲击流道的进口和第一混合微通道123之间距离即为Ds1，所述Ds1和所述Cw1的比值为1.8-2.5。
优选的，所述第二分流流道的出口和第二冲击流道的出口以70-90°的角度互相交汇。
优选的，所述第二混合腔包括两个第三分流块，两个挡流块和一个第四分流块；两个所述第三分流块沿着所述第二混合微通道的中轴线对称设置使得所述第三分流块之间形成第三冲击流道；两个所述挡流块分别对称地设置在所述第二混合微通道的两侧，并且使得挡流块和第三分流块之间形成第四分流流道；所述第四分流块包括分流锥和沿着分流锥向两侧展开的分流臂，所述分流锥设置在第三冲击流道的出口外侧且与第三冲击流道的中轴线对齐，所述分流锥和所述第三分流块之间形成第五分流流道；所述分流臂与所述挡流块之间形成第六分流流道，所述第四分流流道和第五分流流道在出口处形成第二交汇区。经过交汇的流体最终通过第六分流通道流入中心混合腔中，并通过导管经出液管流出装置。
优选的，换热板设置在基板的上下两侧对其进行加热，所述换热板左右两侧分别设置流体入口和流体出口，而相邻的换热板中的流体入口和流体出口的位置相反。换热板通过这种设置，可以有效地对基板进行均匀加热。
优选的，所述第三分流块被构置成使得所述第三冲击流道在流体流动方向上逐渐收窄，所述挡流块为弧形结构。逐渐收窄的流体通道可以加到流体流出的冲击力，使得经过第五分流流道的流体能够顺利与经过第四分流流道的流体交汇并且使得交汇的流体能够顺利地沿着第六分流流道流出第二混合腔。弧形结构的挡流块利于更加流体更稳定第流入所述第四分流流道。
优选的，第三冲击流道的进口的宽度Cw2和第二混合微通道125的出口的宽度Hw2的比值Cw2/Hw2为0.7-0.9；第三冲击流道的进口和第一混合微通道125之间距离记为Ds2，所述Ds2与所述Cw2的比值为0.8-1.2。
优选的，沿混合后流体流动方向，流体导管的内径从上到下依次增大，以便与更好的导出混合后的流体，保证流体的稳定排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中，通过流体混合流道对流体入口导入的流体进行分流，从而使得进入基板后的流体得到进一步的细分，而进过细分后的流体通过第一混合腔进行混合交汇，并将交汇后的流体导入对应的第二混料腔进行二次充分混合，混合后的流体再次送入中心混合腔体中进行碰撞对冲，完成三次混合，之后通过导管导出，完成整个混料反应过程，可以显著地地提高化学反应的完成度。
附图说明
图1为微通道反应器的整体视图。
图2为微通道反应器中基板的结构示意图。
图3为微通道反应器中第一混合腔的结构示意图。
图4为微通道反应器中第二混合腔的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
一种微通道反应器，包括盖板11，基板12和换热板13，所述盖板11设置在反应器的两端，基板12和换热板13按照盖板11-换热板13-(基板12-换热板13)N-盖板11的顺序上下堆叠，其中N为1-10的整数。说明可以在本微通道反应器中最多设置10块用于发生微通道反应的基板12。
所述基板12包括第一流体入口121和第二流体入口122。所述第一流体入口121与第一微通道1211连通，所述第一微通道1211在基板12内分裂成两个第一分流微通道1212。所述第二流体入口122与第二微通道1221连通，所述第二微通道1221在基板12内分裂成两个第二分流微通道1222。
所述第一分流微通道1212和所述第二分流微通道1222在各自的通道端部汇合并流入第一混合微通道123。所述第一混合微通道123的另一端连接第一混合腔124。所述第一混合腔124的另一端经过第二混合微通道125连接至第二混合腔126，所述第二混合腔126设置在中心混合腔127中。
所述中心混合腔127的中心设置流体导管128，所述流体导管128穿过换热板13将各基板12中的所述中心混合腔联通，位于最下层的基板12中的导管穿过位于最下层的换热板13和盖板11后与出液管14连通。
所述第一分流微通道1212的流体截面是相等的，所述第二分流微通道1222的流体截面是相等的。因此，二者能够分别均等地分流来自第一微通道1211和第二微通道1221的流体。
所述第一混合微通道123在沿着靠近第一混合腔124的方向上流道逐渐收窄。这样可以提高流体冲入第一混合腔的速度。而加快的流体速度利于流体在所述第一混合腔124中充分混合。
所述第一混合腔124为倒梯形结构，其内部设置两个第一分流块1241，所述第一分流块1241沿着所述第一混合微通道123的中轴线对称设置使得所述第一分流块1241之间形成第一冲击流道1242；在两个所述的第一分流块1241之间设置大致为三角形结构的第二分流块1243，所述第二分流块1243将所述第一冲击流道1242分割为两个第二冲击流道1244；所述第一分流块1241和所述第一混合腔的上壁及侧壁之间分别形成第一分流流道1245和第二分流流道1246，所述第二分流流道1246和第二冲击流道1244在出口处形成第一交汇区1247；所述第二分流块1243与第一混合腔124的底壁之间形成第第三分流流道1248。经过交汇的流体通过第三分流流道1248相互混合进入所述第二混合微通道125中。
所述第一分流块1241的被构造成使得所述第一分流流道1245的在流体流动方向上逐渐收窄，并在与所述第二分流流道1246连接的区域逐渐扩张。
第一冲击流道1242的进口的宽度Cw1和第一混合微通道123的出口的宽度Hw1的比值Cw1/Hw1为0.5-0.8；第一冲击流道1242的进口和第一混合微通道123之间距离即为Ds1，所述Ds1和所述Cw1的比值为1.8-2.5。通过对Cw1，Hw1，和Ds1之间的距离进行限定，可以确保足够的流体能够进入到第一分流流道1245中，这对确保后续的流体交汇混合以及顺利排出的过程是至关重要的。
所述第二分流流道1246的出口和第二冲击流道1244的出口以70-90°的角度互相交汇。在该角度范围下实现流体交汇可以实现更好的混合效果。
所述第二混合腔126包括两个第三分流块1261，两个挡流块1262和一个第四分流块1263；两个所述第三分流块1261沿着所述第二混合微通道的中轴线对称设置使得所述第三分流块1261之间形成第三冲击流道1264；两个所述挡流块1262分别对称地设置在所述第二混合微通道125的两侧，并且使得挡流块1262和第三分流块1261之间形成第四分流流道1265；所述第四分流块1264包括分流锥1266和沿着分流锥1266向两侧展开的分流臂1267，所述分流锥1265设置在第三冲击流道1264的出口外侧且与第三冲击流道1264的中轴线对齐，所述分流锥1266和所述第三分流块1261之间形成第五分流流道1268；所述分流臂1267与所述挡流块1262之间形成第六分流流道1269，所述第四分流流道1265和第五分流流道1268在出口处形成第二交汇区。经过交汇的流体最终通过第六分流通道1269流入中心混合腔127中，并通过导管128经出液管14流出装置。
换热板13设置在基板12的上下两侧对其进行加热，所述换热板13左右两侧分别设置流体入口131和流体出口132，而相邻的换热板13中的流体入口131和流体出口132的位置对调。换热板132通过这种设置，可以有效地对基板12进行均匀加热。
所述第三分流块被构置成使得所述第三冲击流道1262在流体流动方向上逐渐收窄，所述挡流块1262为弧形结构。逐渐收窄的流体通道可以加到流体流出的冲击力，使得经过第五分流流道1268的流体能够顺利与经过第四分流流道1265的流体交汇并且使得交汇的流体能够顺利地沿着第六分流流道1269流出第二混合腔126。弧形结构的挡流块1262利于更加流体更稳定第流入所述第四分流流道。
第三冲击流道1264的进口的宽度Cw2和第二混合微通道125的出口的宽度Hw2的比值Cw2/Hw2为0.7-0.9；第三冲击流道1264的进口和第一混合微通道125之间距离记为Ds2，所述Ds2与所述Cw2的比值为0.8-1.2。通过对Cw2，Hw2，和Ds2之间的距离进行限定，可以确保足够的流体能够进入到第三冲击流道1264中，这对确保后续的流体交汇混合以及顺利排出的过程是至关重要的。
沿混合后流体流动方向，导管128的内径从上到下依次增大，以便与更好的导出混合后的流体，保证流体的稳定排出。
此外，本领域技术人员知晓，根据实际的需要，可以设置多个第一混合腔进行串联来提高混合效果，或是通过并联来提高反应通量。对于混合流体，也可以根据本发明公布的实施方式进行变形以适应更多组分的混合进行充分的微通道化学反应。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围包括所附权利要求及其等同物。

Claims (9)

1.一种微通道反应器，其特征在于，包括盖板，基板和换热板，所述盖板设置在反应器的两端，基板和换热板按照盖板-换热板-(基板-换热板)N-盖板的顺序上下堆叠，其中N为1-10的整数；所述基板包括第一流体入口和第二流体入口；所述第一流体入口与第一微通道连通，所述第一微通道在基板内分裂成两个第一分流微通道；所述第二流体入口与第二微通道连通，所述第二微通道在基板内分裂成两个第二分流微通道；所述第一分流微通道和所述第二分流微通道在各自的通道端部汇合并流入第一混合微通道；所述第一混合微通道的另一端连接第一混合腔；所述第一混合腔的另一端经过第二混合微通道连接至第二混合腔，所述第二混合腔设置在中心混合腔中；所述中心混合腔的中心设置流体导管，所述流体导管穿过换热板将各基板中的所述中心混合腔联通，位于最下层的基板中的导管穿过位于最下层的换热板和盖板后与出液管连通。
2.如权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述第一分流微通道的流体截面是相等的，所述第二分流微通道的流体截面是相等的；优选的，所述第一混合微通道在沿着靠近第一混合腔的方向上流道逐渐收窄。
3.如权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述第一混合腔为倒梯形结构，其内部设置两个第一分流块，所述第一分流块沿着所述第一混合微通道的中轴线对称设置使得所述第一分流块之间形成第一冲击流道；在两个所述的第一分流块之间设置大致为三角形结构的第二分流块，所述第二分流块将所述第一冲击流道分割为两个第二冲击流道；所述第一分流块和所述第一混合腔的上壁及侧壁之间分别形成第一分流流道和第二分流流道，所述第二分流流道和第二冲击流道在出口处形成第一交汇区；所述第二分流块与第一混合腔的底壁之间形成第第三分流流道；经过交汇的流体通过第三分流流道相互混合进入所述第二混合微通道中。
4.如权利要求3所述的微通道反应器，其特征在于，所述第一分流块的被构造成使得所述第一分流流道的在流体流动方向上逐渐收窄，并在与所述第二分流流道连接的区域逐渐扩张；优选的，第一冲击流道的进口的宽度Cw1和第一混合微通道的出口的宽度Hw1的比值Cw1/Hw1为0.5-0.8；第一冲击流道的进口和第一混合微通道123之间距离即为Ds1，所述Ds1和所述Cw1的比值为1.8-2.5；优选的，所述第二分流流道的出口和第二冲击流道的出口以70-90°的角度互相交汇。
5.如权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，所述第二混合腔包括两个第三分流块，两个挡流块和一个第四分流块；两个所述第三分流块沿着所述第二混合微通道的中轴线对称设置使得所述第三分流块之间形成第三冲击流道；两个所述挡流块分别对称地设置在所述第二混合微通道的两侧，并且使得挡流块和第三分流块之间形成第四分流流道；所述第四分流块包括分流锥和沿着分流锥向两侧展开的分流臂，所述分流锥设置在第三冲击流道的出口外侧且与第三冲击流道的中轴线对齐，所述分流锥和所述第三分流块之间形成第五分流流道；所述分流臂与所述挡流块之间形成第六分流流道，所述第四分流流道和所述第五分流流道在出口处形成第二交汇区；经过交汇的流体最终通过第六分流通道流入中心混合腔中，并通过导管经出液管流出装置。
6.如权利要求5所述的微通道反应器，其特征在于，所述第三分流块被构置成使得所述第三冲击流道在流体流动方向上逐渐收窄，所述挡流块为弧形结构；使得经过第五分流流道的流体与经过第四分流流道的流体交汇并且使得交汇的流体沿着第六分流流道流出第二混合腔；弧形结构的挡流块利于更加流体更稳定第流入所述第四分流流道。
7.如权利要求5所述的微通道反应器，其特征在于，第三冲击流道的进口的宽度Cw2和第二混合微通道125的出口的宽度Hw2的比值Cw2/Hw2为0.7-0.9；第三冲击流道的进口和第一混合微通道125之间距离记为Ds2，所述Ds2与所述Cw2的比值为0.8-1.2。
8.如权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，沿混合后流体流动方向，流体导管的内径从上到下依次增大。
9.如权利要求1所述的微通道反应器，其特征在于，换热板设置在基板的上下两侧对其进行加热，所述换热板两侧分别设置流体入口和流体出口，而相邻的换热板中的流体入口和流体出口的位置相反。
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