CN114471399A - 一种基于用于强化液液混合的撞击喷射结构的微反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于用于强化液液混合的撞击喷射结构的微反应器，该微反应器是多个撞击喷射结构的集成。该撞击喷射结构包含折流、撞击和喷射三个腔室。这三个腔室针对流体不同部分进行混合强化，首先，为了加强流体边界层的扰动，在折流腔室的流动壁面上设立折流板，进而改变流体边界层的流动状态。其次，在撞击腔室的流道中间设立矩形撞击柱，以干扰流道中心最高流速流体，使其发生撞击扰动。最后，流体在喷射腔室渐扩口的作用下速度增加，此时出口处设立的梯形分流切割板又将整束流体切割成多股流体，这样撞击喷射结构的左右两侧由于流体流向相反，可以发生喷射完成最后的混合强化。

Description

一种基于用于强化液液混合的撞击喷射结构的微反应器

技术领域

本发明涉及微反应器领域，尤其涉及一种基于用于强化液液混合的撞击喷射结构的微反应器。

背景技术

微反应器这个概念最早是由80年代初为解决集成电路热障问题的微通道散热器演变的^[1]，直到2003年第一届“微通道和微小型通道”国际会议后才具体限定微反应器的特征尺度在10μm-3.0mm区域内。目前微反应器是化工生产中重要的强化设备，相比于间歇式反应器，连续式微反应器具有以下特点：微米级的通道提供更大的比表面积和更高的传热系数，这样有利于物料和热量均匀扩散；反应器体积虽然微型化，但是依旧可以使化工生产过程的集成度提高，而且小的持液量能够确保生产时的本质安全；此外微反应器可以通过串并联的形式实现更高生产效率的连续化制备。

2021年新型微通道反应器装备及连续流工艺技术由于其基于微尺度下可控及混合传递高效的特点被工业和信息化部鼓励推广应用与石油化工行业。微反应器由于微米级通道提供了更大的比表面积和更高的传热系数，促进了物料和热量的均匀扩散降低了生产时的危险性。

如果化学反应想要在微反应器内更好的发生并且获得较为满意的收率结果，那么就需要反应流体在通道中流动时能够更好的混合，这样才能促进分子扩散更加便捷。微反应器中的混合问题是复杂的，有时是违反直觉的，因为其结果是由流体力学、传质和反应之间的强耦合过程产生的。所以如果想要物料得到较强的混合就需要选择合适的几何结构来促进物料在分子扩散层面进行混合。但是由于微型化设计，分子扩散时间较短，不利于反应通道内物料之间的充分混合。

发明内容

为了解决上述现有技术中微反应器内液液混合不充分的缺陷，本发明提出了一种基于用于强化液液混合的撞击喷射结构的微反应器。

本发明采用以下技术方案：

一种用于强化液液混合的撞击喷射结构，撞击喷射结构包括折流腔室，撞击腔室和喷射腔室，折流腔室设立折流板；撞击腔室内设立撞击柱；喷射腔室对称设置喷射口，且每个喷射口均设立多组等腰梯形切割分流板，等腰梯形切割分流板的短边位于喷射口，长边位于喷射腔室内。

进一步的，折流板是镶嵌在流道壁面；撞击柱是设立在流道中间。

进一步的，流道两侧折流板是交叉等距排布在折流腔室；撞击柱在撞击腔室中以流道中线呈轴对称。

进一步的，喷射腔室末端设有垂直朝下的渐扩口。

进一步的，折流板选择矩形结构，撞击柱选择矩形柱，等腰梯形切割分流板的个数为四组。

进一步的，折流腔室在流体进入后，通过设置的交叉折流板的作用下不断地改变流动方向，使流体经过多次的折叠作用后流入撞击腔室，完成了流体第一阶段的混合；撞击腔室将进入流体在撞击柱的撞击下形成局部湍流并挤压壁面流体，进而完成第二阶段的混合；经过撞击后的流体最后流入喷射腔室，在喷射腔室的渐缩的喷射口作用下流体动能加强，并且通过等腰梯形分流切割板将流体切割成多股高速分流体流出喷射腔室。

进一步的，撞击喷射结构在流体在刚进入时，通过设置T型分叉口的撞击作用分成左右两股流体，进而流入左右两侧各自的折流腔室，撞击腔室和喷射腔室；从喷射腔室出来后，两侧多股分流体会形成喷射撞击加强混合。

一种微反应器，在微反应器反应通道上设有多个撞击喷射结构形成混合结构，并设有进口结构，且多个撞击喷射结构之间设有温控区。

进一步的，撞击喷射结构设置在T型入口结构的支端。

进一步的，设置的多个撞击喷射结构采用突扩管道进行连接；在撞击喷射结构的串联过程中经历三次变向连接，使出口与进口能在同侧排列。

进一步的，进口结构、混合结构和温控区均在316L或者哈C276薄板上铣削形成。

本发明的相对于现有技术相比具有显著优点：

1、本发明提出的一种用于微反应器的强化液液混合结构，在整体结构上采用了分离再重组原则(SAR)，减小了流道内的通量，使其分别进行一系列的混合强化后，在重新汇聚时形成撞击增强混合；

2、本发明针对流体的不同部分设立不同的混合结构，首先为了加强流体边界层的扰动，在流动壁面上设立折流板，进而改变流体边界层的流动状态。其次在流道中间设立撞击柱，以干扰流道中心最高流速流体，使其发生撞击扰动。最后流体在渐括口的加持下第一次增大了动能，此时出口处设立的等腰梯形分流切割板既将整束流体切割成多股流体，又进行了第二次的动能增加，此时左右两侧由于流向相反，会发生高速喷射的状况增强混合；

3、本发明提出的一种微反应器，在反应流道的构成上以撞击喷射结构为单元结构进行串联进而形成一个多级撞击喷射微反应器，使得输入反应通道的物料经过多级撞击喷射以达到充分混合，从而提高了反应通道内的反应收率。

附图说明

图1为实施方式1提供的一种用于微反应器的强化液液混合的撞击喷射结构示意图。

图2为实施方式2提供的撞击喷射结构单元与进口结构连接示意图。

图3为实施方式3提供的多级撞击喷射结构单元的连续排列示意图。

图4为实施方式4提供的多级撞击喷射流道的整体示意图。

图5为实施方式5提供的多级撞击喷射微反应器组装示意图。

图中，100是折流腔室、101是矩形折流板；200是撞击腔室、201是矩形撞击柱；300是喷射腔室、301是等腰梯形切割分流板；400是T型进口；500是温控区域、501是温控进口、502是温控出口；600是反应板、601是密封槽；602是出口、603是温控口、604和605是进口；700是镜面板；800是压板；900是螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明

实施方式1

本实施例提出的一种用于微反应器的强化液液混合的撞击喷射结构，包括折流腔室(100)，撞击腔室(200)和喷射腔室(300)。

参照图1，折流腔室(100)设立矩形折流板(101)；撞击腔室(200)内设立矩形撞击柱(201)；喷射腔室(300)设立等腰梯形切割分流板(301)。流道两侧矩形折流板(101)是交叉等距排布在折流腔室(100)；矩形撞击柱(201)在撞击腔室(200)中以流道中线呈轴对称；等腰梯形切割分流板(301)亦是以流道中线为对称轴。

该撞击喷射结构具体工作时，流体准备进入撞击喷射结构时，由于T型分叉口的撞击作用分成左右两股流体，进而分别流入两侧各自的折流腔室(100)，撞击腔室(200)和喷射腔室(300)。待流体进入折流腔室(100)后，在交叉折流板(101)的作用下不断地改变流动方向，此时流体边界层亦在不停的被折叠拉伸，经过多次的折叠拉伸后的流体流入撞击腔室，此时流体完成了第一阶段的边界层强化混合。进入撞击腔室(200)的流体在撞击柱(201)的撞击下形成局部湍流并挤压壁面流体，为中心流体向边界层扩散提供了推动力，进而完成第二阶段中心流体的强化混合。最后流体流入喷射腔室(300)，在喷射腔室(300)渐缩口作用下流体动能加强，并且等腰梯形分流切割板(301)不仅将流体切割成多股分流体，而且再一次利用结构的特殊性为分流体进行了二次加速，进而高速喷出喷射腔室(300)。此时两侧喷射流体由于方向相反会形成剧烈撞击进而完成最后的整体喷射混合。

实施方式2

参照图2，本实施例中，用于混合的两股流体在进入撞击喷射结构前，利用T型进口(400)来汇流两股流体，并且撞击喷射结构与T形进口(400)之间采用等径直通道连接。

进口处的流动方式是，两股流体分别从T形的同水平口流入，并在T形出口形成撞击进而汇流。汇流的整束流体在进入撞击喷射结构时又遇到T形分岔口，此时经过撞击会又分成两股流体分别进入撞击喷射结构的左右两侧进行流动。

实施方式3

参照图3，本实施例中，撞击喷射结构单元是通过渐括口顺序排列的。流体在流出喷射腔室(300)时由于喷射撞击的作用流体会有更大的动能，采用渐扩口流道降低流速可以减小连接处的压降。每次流体是以高压状态流入撞击喷射结构进行混合，然后在渐扩口下以低压流出进行一个缓冲。

实施方式4

参照图4，本实施例中，撞击喷射结构单元连续阵列在反应板(600)并经过三次变向，使流道出口与进口在同一侧。此外当化学反应在流道中进行时，流体温度是需要监控的，因此在反应板(600)上设立温控腔室(500)，流体经过温控腔室(500)时，从进口(501)流进，从出口(502)流出，这样的折流方式使温控腔室(500)中汇聚部分液体，进而可以测温。反应板(600)中除了铣削出流道，还铣削出密封槽(601)用于安放密封圈。

实施方式5

参照图5，本实施例中，一种微反应器的组装包含三块板，反应板(600)、镜面板(700)和压板(800)，这三块板是通过螺栓固定的，螺栓孔(900)均匀分布在四周。反应板(600)上设立了两个物料进口(604和605)，一个物料出口(602)和一个温控口(603)。

本实施例中提供的一种微反应器，其反应流道设有本发明提供的用于液液混合强化的多级撞击喷射结构。

如此，通过强化混合结构提供的三种不同腔室，使流体的不同部分均能达到充分混合，提高了物料在进入反应通道后的收率。

本实施例中，反应通道和密封槽均是在反应板上铣削形成。

以上仅为本发明创造的优选实施方式，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则内所做的任何修改、均应包含在本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于强化液液混合的撞击喷射结构，其特征在于，所述撞击喷射结构包括折流腔室(100)，撞击腔室(200)和喷射腔室(300)，折流腔室(100)设立折流板(101)；撞击腔室(200)内设立撞击柱(201)；喷射腔室(300)对称设置喷射口，且每个喷射口均设立多组等腰梯形切割分流板(301)，等腰梯形切割分流板(301)的短边位于喷射口，长边位于喷射腔室(300)内。

2.如权利要求1所在的用于微反应器的强化液液混合结构，其特征在于，折流板(101)是镶嵌在流道壁面；撞击柱(201)是设立在流道中间。

3.如权利要求2所在的用于强化液液混合的撞击喷射结构，其特征在于，流道两侧折流板(101)是交叉等距排布在折流腔室(100)；撞击柱(201)在撞击腔室(200)中以流道中线呈轴对称，喷射腔室(300)设有垂直朝下的渐扩口。

4.如权利要求3所在的用于强化液液混合的撞击喷射结构，其特征在于，折流板(101)选择矩形结构，撞击柱(201)选择矩形柱，等腰梯形切割分流板(301)的个数为四组。

5.如权利要求4所在的用于强化液液混合的撞击喷射结构，其特征在于，折流腔室(100)在流体进入后，通过设置的交叉折流板(101)的作用下不断地改变流动方向，使流体经过多次的折叠作用后流入撞击腔室，完成了流体第一阶段的混合；撞击腔室(200)将进入流体在撞击柱(201)的撞击下形成局部湍流并挤压壁面流体，进而完成第二阶段的混合；经过撞击后的流体最后流入喷射腔室(300)，在喷射腔室(300)的渐缩的喷射口作用下流体动能加强，并且通过等腰梯形分流切割板(301)将流体切割成多股高速分流体流出喷射腔室(300)。

6.如权利要求5所在的用于强化液液混合的撞击喷射结构，其特征在于，撞击喷射结构在流体在刚进入时，通过设置T型分叉口的撞击作用分成左右两股流体，进而流入左右两侧各自的折流腔室(100)，撞击腔室(200)和喷射腔室(300)；从喷射腔室(300)出来后，两侧多股分流体会形成喷射撞击加强混合。

7.一种微反应器，其特征在于，在微反应器反应通道上设有多个如权利要求1至6任一项所述的撞击喷射结构形成混合结构，并设有进口结构，且多个撞击喷射结构之间设有温控区。

8.如权利要求7所述的微反应器，其特征在于，撞击喷射结构设置在T型入口结构(400)的支端。

9.如权利要求7所述的微反应器，其特征在于，设置的多个撞击喷射结构采用突扩管道进行连接；在撞击喷射结构的串联过程中经历三次变向连接，使出口与进口能在同侧排列。

10.如权利要求7所述的微反应器，其特征在于，进口结构、混合结构和温控区均在316L或者哈C276薄板上铣削形成。

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