CN114505025B - 一种高效微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工技术领域，具体为一种高效微通道反应器，其包括：微反应室，输送管路，微反应室安装板，相邻两组微反应室之间通过输送管路连接，输送管路的一端设有反应液输入口，输送管路的另一端设有反应液输出口，微反应室的上端设有顶板，顶板的中部开设有反应液入口，微反应室的底部开设有反应液出口，微反应室包括：顶板、上层反应室、下层反应室，顶板位于上层反应室的上端，上层反应室位于下层反应室的上端，本发明的微反应室的分隔壁和分液体的结构为板状和三棱柱状，相对于现有技术的微反应器而言，结构简单，更易于微反应器的加工。

Description

一种高效微通道反应器

技术领域

本发明涉及化工技术领域，尤其涉及一种高效微通道反应器。

背景技术

微化工技术由于其超强的传热、传质能力,将在化学、化工、能源、环境等领域得到广泛应用。其核心部件为完全或部分采用微加工技术制造出的微型化工系统,通道特征尺度在数微米至数百微米范围。针对不同的应用背景,已派生出具有各种功能的微化工器件，如微全分析系统、微换热器、微混合器、微通道反应器等。

微小型化学化工机械系统将在越来越多的领域发挥重要作用,过程强化技术是微小型化学化工机械系统的重要基础。加强对微观流体力学在化学合成和过程处理中的理论和应用研究,对深入了解在微小型化学化工机械系统中连续流动的微反应过程是非常重要的。在微尺度反应器中,混合对反应过程有极其重要的影响。

“微反应器(microreactor)”最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器,其尺寸约为10 mm。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域,前缀“micro”含义发生变化,专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器,但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化,更重要的是它具有一系列新特性,随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。微反应器有一个根本特点,那就是把化学反应控制在尽量微小的空间内,化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米。微反应器必须要确保反应物能充分混合,反应室的精度要高;微反应器的外壳及内部的反应通道要耐腐蚀能力强,强度高,耐压能力强,耐磨损性好﹔微反应器的接口要耐压能力强,与设备适配性强,易拆装,易清洗﹔微反应器的整个结构要易于制造。

发明内容

因此，本发明正是鉴于以上问题而做出的，本发明的目的在于利用流道多次分合的设计，解决混合效率低和压降高的问题。本发明是通过以下技术方案实现上述目的：

一种高效微通道反应器，包括：微反应室，输送管路，微反应室安装板，相邻两组微反应室之间通过输送管路连接，输送管路的一端设有反应液输入口，输送管路的另一端设有反应液输出口，微反应室的上端设有顶板，顶板的中部开设有反应液入口，微反应室的底部开设有反应液出口，微反应室包括：顶板、上层反应室、下层反应室，顶板位于上层反应室的上端，上层反应室位于下层反应室的上端，上层反应室包括：上层通道壁、分隔壁一、分液体一、混合口，上层反应室的上端环绕设有上层通道壁，上层反应室的内部设有两个分隔壁一，两组分隔壁一之间垂直设有分液体一，分隔壁一和上层通道壁之间的中部开设有混合口，下层反应室包括：反应液出口、下层通道壁、分隔壁二、分液体二，下层反应室的上端环绕设有下层通道壁，下层反应室的内部设有两个分隔壁二，两个分隔壁二之间开设有反应液出口，下层通道壁与下层反应室之间的中部设有分液体二，微反应室和输送管路均安装在微反应室安装板上。

优选的，两个分隔壁一之间平行且对称设置在上层反应室内部。

优选的，分液体一为倒放的三棱柱型结构，分液体一位于反应液入口的下方。

优选的，下层通道壁和分隔壁二的设置与上层通道壁和分隔壁一的设置完全相同。

优选的，分液体二为倒放的三棱柱型，分液体二设置在混合口的下方。

优选的，微反应室安装板包括输送管路安装板一、上层反应室安装板，下层反应室安装板，输送管路安装板二。

优选的，输送管路安装板一、上层反应室安装板，下层反应室安装板，输送管路安装板二自上而下依次排列，输送管路设置在输送管路安装板一和输送管路安装板二上，上层反应室设置在上层反应室安装板上，下层反应室设置在下层反应室安装板上。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的上层反应室和下层反应室的设置，使得反应液流体经过一个流体一分二，二分四，四合二，再二分四，四合二，二合一的流体流动的混合过程提高了反应液流体的混合效率。

2.本发明的上层反应室和下层反应室的设置，使流体的汇合的过程均为相对冲撞汇合，流体的相对冲撞过程能够提升流体的混合效率。

3.本发明的两个分隔壁一之间形成的流道的出口处的口径缩小，使得A流和B流流出两个分隔壁一之间形成的流道时的速度增大，然后速度增大的A流和B流分别与上层通道壁121冲撞并分为四个支流，A1流、A2流、B1流、B2流，速度增大的A流和B流分别与上层通道壁冲撞能够提升反应液流体的混合效。

4.本发明的微反应室和输送管路内可以开设螺旋槽，使得反应液流体在流动的过程中形成涡流，提高反应液流体的混合效率。

5.本发明的微反应室结构分为上层反应室和下层反应室，在微反应室内反应液流体从上到下的流动，不仅有效增加了反应器的持液量，而且压降也得到进一步降低。

6.本发明的流道的单位持液量内流道混合次数多，有利于该流道的放大设计。

7.本发明的微反应室的分隔壁和分液体的结构为板状和三棱柱状，相对于现有技术的微反应器而言，结构简单，更易于微反应器的加工。

附图说明

图1为本发明的平面示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明的微反应室的结构示意图。

图4为本发明的微反应室的反应液出口的结构示意图。

图5为本发明的上层反应室的细节结构示意图。

图6为本发明的上层反应室的反应液的流动方向示意图。

图7为本发明的下层反应室的细节结构示意图。

图8为本发明的下层反应室的反应液的流动方向示意图。

图9为本发明的微反应室安装板的内部结构示意图。

图10为本发明的微反应室安装板的整体结构示意图。

其中，1、微反应室，2、输送管路，3、微反应室安装板；11、顶板，12、上层反应室，13、下层反应室；111、反应液入口，121、上层通道壁，122、分隔壁一，123、分液体一，124、混合口，131、反应液出口，132、下层通道壁，133、分隔壁二，134、分液体二；21、反应液输入口，22、反应产物输出口；31、输送管路安装板一，32、上层反应室安装板，33、下层反应室安装板，34、输送管路安装板二。

具体实施方式

本发明的优选实施例将通过参考附图进行详细描述，这样对于发明所属领域的现有技术人员中具有普通技术的人来说容易实现这些实施例。然而本发明也可以各种不同的形式实现，因此本发明不限于下文中描述的实施例。另外，为了更清楚地描述本发明，与本发明没有连接的部件将从附图中省略。

如图1、图2、图9、图10所示，一种高效微通道反应器，包括：微反应室1，输送管路2，微反应室安装板3：微反应室1与微反应室1之间通过输送管路2串联连接，在本实施例中两种不同的反应液同时从反应液输入口21输入输送管路2，经过多个串联的微反应室1内的混合与反应后生成的产物从反应物输出口22输出，微反应室1和输送管路2均刻布在微反应室安装板3上；

如图3、图4所示，微反应室1为长方体型，长方体的四条高线均进行了圆角处理，使得反应液流体能够更易流过，减小压降；微反应室1的上端为顶板11，顶板11的中部开设有反应液入口111，输送管路2内的反应液通过反应液入口111进入微反应室1；微反应室1的下端开设有反应液出口131，经过微反应室1内进行混合和反应后的反应液流体从反应液出口131再次进入输送管路2内准备进入下一个微反应室1内进行下一步反应；

如图3-8所示，微反应室1，包括：顶板11，上层反应室12，下层反应室13；上层反应室12位于下层反应室13的上方，如图5、图6所示，上层反应室12，包括：上层通道壁121，分隔壁一122，分液体一123，混合口124；上层通道壁121环绕整个上层反应室12设置，在上层反应室12内平行设置且相对设置有两个分隔壁一122，分隔壁一122之间垂直设置有分液体一123，分液体一123为倒放的三棱柱型，分液体一123设置在反应液入口111的下方，在分隔壁一122和上层通道壁121之间的中部开设有与下层反应室13连通的混合口124，当反应液流体从反应液入口111进入微反应室1内时，反应液流体会被分液体一123分成两支流，A流和B流，A流和B流分别在两个分隔壁一122之间朝反方向进行流动相互远离，两个分隔壁一122之间形成的流道的出口处的口径缩小，使得A流和B流流出两个分隔壁一122之间形成的流道时的速度增大，然后速度增大的A流和B流分别与上层通道壁121冲撞并分为四个支流，A1流、A2流、B1流、B2流，速度增大的A流和B流分别与上层通道壁121冲撞能够提升反应液流体的混合度，然后四个支流分别经过微反应室1的四个圆角处的圆弧改变速度的方向，使得A1流和B1流朝着以图6所示的上方的混合口124移动，使得A2流和B2流朝着以图6所示的下方的混合口124移动，使得A1流和B1流在混合口124进行冲撞混合，A2流和B2流在另一个混合口124进行冲撞混合，提升反应液流体的混合度；然后反应液流体分别从两个混合口124流向下层反应室13；

如图7、图8所示，下层反应室13，包括：反应液出口131，下层通道壁132，分隔壁二133，分液体二134；下层通道壁132和分隔壁二133的设置与上层通道壁121和分隔壁一122的设置完全相同，分隔壁二133之间的中部开设有反应液出口131，反应液出口131用于向微反应室1外输出反应液流体，在分隔壁二133和下层通道壁132之间的中部垂直设置有分液体二134，分液体二134为倒放的三棱柱型，分液体二134设置在混合口124的下方，当反应液流体从两个混合口124分别进入下层反应室13内时，分别从两个混合口124进入下层反应室13的反应液流体分别被两个分液体二134分为两个支流，A3流和B3流以及A4流和B4流；A3和A4分别沿着下层通道壁132和分隔壁二133形成的流道向两个分隔壁二形成的通道的开口处靠近，并且A3流和A4流在两个分隔壁二形成的通道的开口处相撞汇流成A5流并向右进入两个分隔壁二形成的通道，B3和B4分别沿着下层通道壁132和分隔壁二133形成的流道向两个分隔壁二形成的通道的开口处靠近，并且B3流和B4流在两个分隔壁二形成的通道的开口处相撞汇流成B5流并向左进入两个分隔壁二形成的通道，A5流和B5流在反应液出口131的上端相撞并汇流成一股流提升了反应液的混合度，然后汇成一股流的反应液流体从反应液出口131排出微反应室1；

如图9、图10所示，微反应室1和输送管路2均刻布在微反应室安装板3上，输送管路安装板一31、上层反应室安装板32，下层反应室安装板33，输送管路安装板二34自上而下依次排列，优选的作为一种可实施方式可以在微反应室安装板3内部或者外部设置导热体或者导热液以提升微反应器的散热效果，输送管路2主要刻布在输送管路安装板一31和输送管路安装板二34上，并且贯穿刻布在上层反应室安装板32和下层反应室安装板33以联通各个微反应室1；上层反应室12主要刻布在上层反应室安装板32上，下层反应室13主要刻布在下层反应室安装板33上；

优选的作为一种可实施方式，可以在微反应室1和输送管路2内开设螺旋槽，使得反应液流体在流动的过程中形成涡流，提高反应液流体的混合度；

工作原理：两种不同的反应液同时从反应液输入口21输入输送管路2，然后反应液流体从反应液入口111进入微反应室1，在上层反应室12和下层反应室13内，流体出现分支，经过一个流体一分二，二分四，四合二，再二分四，四合二，二合一的流体流动的混合过程，再进入输送管路2并再次进入下一个微反应室1，重复上述过程直到反应完成，再将反应产物从反应产物输出口22输出。

Claims (6)

1.一种高效微通道反应器，包括：微反应室（1），输送管路（2），微反应室安装板（3）；其特征在于：相邻两组微反应室（1）之间通过输送管路（2）连接，所述输送管路（2）的一端设有反应液输入口（21），所述输送管路（2）的另一端设有反应液输出口（22），所述微反应室（1）的上端设有顶板（11），所述顶板（11）的中部开设有反应液入口（111），所述微反应室（1）的底部开设有反应液出口（131），所述微反应室（1）包括：顶板（11）、上层反应室（12）、下层反应室（13），所述顶板（11）位于上层反应室（12）的上端，所述上层反应室（12）位于下层反应室（13）的上端，所述上层反应室（12）包括：上层通道壁（121）、分隔壁一（122）、分液体一（123）、混合口（124），所述上层反应室（12）的上端环绕设有上层通道壁（121），所述上层反应室（12）的内部设有两个分隔壁一（122），两个分隔壁一（122）之间平行且对称设置在上层反应室（12）内部，两组所述分隔壁一（122）之间垂直设有分液体一（123），所述分隔壁一（122）和上层通道壁（121）之间的中部开设有混合口（124），上层反应室（12）与下层反应室（13）通过混合口（124）连通，所述下层反应室（13）包括：反应液出口（131）、下层通道壁（132）、分隔壁二（133）、分液体二（134），所述下层反应室（13）的上端环绕设有下层通道壁（132），所述下层反应室（13）的内部设有两个分隔壁二（133），两个分隔壁二（133）之间开设有反应液出口（131），所述下层通道壁（132）与所述下层反应室（13）之间的中部设有分液体二（134），所述微反应室（1）和输送管路（2）均安装在微反应室安装板（3）上，所述下层通道壁（132）和分隔壁二（133）的设置与上层通道壁（121）和分隔壁一（122）的设置完全相同。

2.根据权利要求1所述的一种高效微通道反应器，其特征在于：所述分液体一（123）为倒放的三棱柱型结构，分液体一（123）位于反应液入口（111）的下方。

3.根据权利要求1所述的一种高效微通道反应器，其特征在于：所述分液体二（134）为倒放的三棱柱型，分液体二（134）设置在混合口（124）的下方。

4.根据权利要求1所述的一种高效微通道反应器，其特征在于：所述微反应室安装板（3）包括输送管路安装板一（31）、上层反应室安装板（32），下层反应室安装板（33），输送管路安装板二（34）。

5.根据权利要求4所述的一种高效微通道反应器，其特征在于：所述输送管路安装板一（31）、上层反应室安装板（32），下层反应室安装板（33），输送管路安装板二（34）自上而下依次排列。

6.根据权利要求4所述的一种高效微通道反应器，其特征在于：所述输送管路（2）设置在输送管路安装板一（31）和输送管路安装板二（34）上，所述上层反应室（12）设置在上层反应室安装板（32）上，所述下层反应室（13）设置在下层反应室安装板（33）上。