CN114588847A - 一种具有双层微通道散热芯片的微反应器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层通道微散热芯片强化传热微反应器及其制备方法，该微反应器包括双层通道微散热芯片、微反应芯片、上下盖板、换热介质进出口管道和反应物料进出口管道。双层通道微散热芯片包括双层传热微通道、折流器、换热介质分布腔和汇集腔、换热介质进出口穿孔和反应物料进出口穿孔。微反应芯片包括微反应芯片底板和反应物料密封片。将单数或复数片所述双层通道微散热芯片组成的散热单元和微反应芯片交替排列于上下盖板之间且通过焊接使各层之间紧固贴合。本发明双层通道微散热芯片结构能有效强化微反应器散热性能，且可忽略其给微反应器散热系统带来额外泵功消耗，进而提高微反应器反应性能和安全性。

Description

一种具有双层微通道散热芯片的微反应器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微化工技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有双层通道微散热芯片的强化传热微反应器及其制备方法。

背景技术

20世纪90年代以来，在化学工程领域，随着科学与工程技术的发展，化工设备向着小型化和微型化的方向发展，微反应器是这一时代科技发展的产物。微反应器核心组件是由利用精密加工技术制造的特征尺寸通常在10～1000μm的微通道组成。在微反应器内进行化学反应具有如下优势：由于微反应器内通道尺寸在微米级别，在通道尺寸约束下，反应物料初始混合时空距离也在微尺度，将微通道设计成弯曲或者设置折流器控制反应物料流体动力学可加速反应物料混合进程，使得反应物料在短停留时间内实现快速均匀混合；微反应器具有巨大传热比表面积，传热性能优异，可以降低反应物料温度梯度从而提高反应选择性和转化率，同时避免反应热点的产生，提高化工过程安全性；参与反应的物料持有量小，过程易于控制；微反应器提供相对封闭反应系统，所以适合于腐蚀性物质、反应性物质、其他危险物等，或伴随着危险的反应的处置。整体而言，基于微反应器以上几点优势，在化工过程开发中可以有效避免放大效应，缩短产品工艺研发周期，为企业带来巨大经济利益，同时，利用微反应器进行化学反应的安全性，有效保障人民生命财产安全，有利于维护社会稳定。

由于微反应器具有巨大换热比表面积，散热性能优异，同时微反应器内通道尺寸过小阻碍了传统温度传感器对温度的测量，许多研究者将微通道内反应流体视为等温流体，忽视微通道热管理问题。然而，Westermann et al.,Org.Process Res.Dev.2016,20,487-494表明微反应器进行快速放热有机合成，反应不是在等温下进行，热点容易在微反应器前端形成，忽视热管理问题会导致对反应结果严重误判。因此，进一步强化微反应器散热性能，对于提高微反应器运行热稳定性具有重大意义。

单层通道微散热器(single-layered microchannel heat sink，SL-MCHS)首次由D.B.Tuckerman,R.F.W.Pease,IEEE Electron Dev.Lett.EDL 2(1981)126–129提出。由于它的尺寸小、单位体积热负荷低、换热介质需求量低和运行成本低，被普遍认为是提高传热性能最具应用前景的方法之一。近年来，单层通道微散热器已广泛应用于超大规模集成(very-large-scale integrated，VLSI)电路和微电子机械系统(microelectromechanicalsystems，MEMSs)等传热空间受限设备冷却。现有技术通常为在金属平板单面刻蚀传热微通道的微通道散热器芯片结构，这种微通道换热器芯片结构的优点是传热微通道内换热介质具有良好分布性，传热性能较高。但是对于单片微散热芯片而言，传热微通道依旧为单层，传热性能也局限于单层传热通道的传热性能，而且当对复数片微通道散热器芯片简单堆叠时往往会使得微反应器散热系统产生很大的压降。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种设计新颖、制作简单且传热性能高、传热系统压降小的微反应器及其制备方法，既能突破单层传热通道微散热芯片传热性能局限，增强微反应器散热能力，同时又可解决单层传热通道结构设计给微反应器散热系统带来额外泵功消耗。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双层通道微散热芯片强化散热微反应器结构，包括：散热单元、微反应芯片、上盖板、下盖板、换热介质进口管道、换热介质出口管道、反应物料进口管道和反应物料出口管道，所述散热单元包括至少一个双层通道微散热芯片；散热单元中的双层通道微散热芯片数量可根据散热需求调变，若为复数片双层通道微散热芯片，各双层通道微散热芯片的微传热通道之间应设置换热介质隔板；

所述双层通道微散热芯片包括双层传热微通道、换热介质分布腔和换热介质汇集腔、换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔，所述换热介质分布腔和换热介质汇集腔设置在所述双层传热微通道两端，换热介质进口穿孔与换热介质分布腔连通，换热介质出口穿孔与换热介质汇集腔连通，换热介质从换热介质分布腔经双层传热微通道流通到换热介质汇集腔；所述微反应芯片包括微反应芯片底板和反应物料密封片，所述微反应芯片底板用于刻蚀反应微通道，所述微反应芯片底板和反应物料密封片上设有换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔；

所述散热单元和微反应芯片交替排列于上下两片盖板各层之间，通过焊接使其紧固贴合。

在进一步的优选方案中，所述双层传热微通道流动方向上通道结构可为任意已知通过调控传热介质流体动力学进一步强化传热结构构型如S-型、Z-型、Sin函数-型、波浪形和弯曲形或在微通道内嵌入或刻蚀折流器；同理，所述反应微通道流动方向上通道结构可为任意已知结构构型如心-型、伞-型、S-型、Z-型、Sin函数-型、波浪形和弯曲形或在微通道内嵌入或刻蚀折流器。

在进一步的优选方案中，将散热单元和微反应芯片交替排列，上下最外两层必须为散热单元，以保证所述微反应芯片两面都被散热单元紧贴。

在进一步的优选方案中，所述换热介质进出口管道和反应物料进出口管道都分别设置在微反应器上下盖板的对侧对边角域，且换热介质和反应物料进口管道同设置在微反应器一边，换热介质和反应物料出口管道同设置在微反应器另一边，即微反应器内换热介质和反应物料并流。

在进一步的优选方案中，所述双层传热微通道与反应微通道两者所处芯片平板区域重合，各层上的换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔层层对应。

在进一步的优选方案中，所述双层传热微通道上下两层微通道高度相同，且横截面位置上下对称。

在进一步的优选方案中，所述反应微通道横截面位置上下对称。

在进一步的优选方案中，所述双层通道微散热芯片平板厚度为0.2～4.0mm，更优选板厚为0.4～2mm，芯片平板两面刻蚀1对或2对以上的传热微通道，传热微通道水力直径为50～3000μm。

在进一步的优选方案中，所述微反应芯片底板厚度为0.2～4.0mm，更优选板厚为0.4～2mm，反应物料密封片厚度为0.1～1.0mm，更优选板厚为0.2～0.4mm，微反应芯片底板单面刻蚀1条或2条以上的反应微通道，反应微通道水力直径为50～3000μm。

在进一步的优选方案中，所述上下盖板厚度为2～20mm，更优选板厚为4～10mm。

在进一步的优选方案中，所述双层传热微通道深度与双层通道微散热芯片厚度比值为1/8～1/2，更优选比值为1/4～1/2，所述反应微通道深度为所述微反应芯片底板厚度的1/4～4/5，更优选比值为1/2～4/5，且所述双层传热微通道深度与反应微通道深度可为不同高度。

在进一步的优选方案中，所述双层通道微散热芯片与微反应芯片平板材质为铜、铝、青铜、玻璃、不锈钢、聚四氟乙烯、哈氏合金或碳化硅，两者可为不同材质的组合。

为了实现上述目的，本发明的另一技术方案是提供一种双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作双层通道微散热芯片：裁取一块合适尺寸平板，在平板两面刻出所需尺寸双层传热微通道，同时在双层传热微通道中嵌入或者刻蚀出折流器，独立于微通道的折流器为嵌入，与微通道是整体的为刻蚀，在双层传热微通道两端刻蚀出穿透芯片平板的换热介质分布腔和换热介质汇集腔，在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板的相同尺寸的换热介质进出口穿孔，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板的两个底面半径相等的反应物料进口穿孔和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔；

(2)制作微反应芯片：裁取一块合适尺寸平板作为微反应芯片底板，在平板单面刻蚀出所需尺寸和构型的反应微通道，之后在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板的相同尺寸的换热介质进出口穿孔，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板的两个底面半径相等的反应物料进口穿孔和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔，继续裁取一块合适尺寸平板作为反应物料密封片，在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板的相同尺寸的换热介质进出口穿孔，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板的两个底面半径相等的反应物料进口穿孔和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔，将两块刻蚀好的平板通过焊接使其紧固贴合；

(3)制作上下盖板：裁取合适尺寸两片平板作为上下盖板，在下盖板一角域刻蚀出穿透盖板平板的两个反应物料进口穿孔，在下盖板平板同一侧另一角域刻蚀出换热介质出口穿孔，在上盖板一角域刻蚀出穿透盖板平板的一个反应物料出口穿孔，在上盖板平板同一侧另一角域刻蚀出一个换热介质进口穿孔；

(4)制作换热介质进出口管道与反应物料进出口管道：截取两根适当长度且孔径同换热介质进出口穿孔相等的圆管与三根适当长度且孔径同反应物料进出口穿孔相等的圆管；

(5)制作微反应器：采用步骤(1)的方法制作复数片双层通道微散热芯片，取至少一个双层通道微散热芯片形成散热单元；同时采用步骤(2)的方法制作复数片微反应芯片，将散热单元1与微反应芯片6交替堆叠，并保证上下最外两层一定为散热单元，之后在最外两层散热单元上分别叠加步骤(3)中的上下盖板，而后通过焊接使得各层芯片及上下盖板之间紧固贴合，所述换热介质进口穿孔与两个反应物料进口穿孔位于同一侧，最后在上盖板焊接上换热介质进口管道与反应物料出口管道，在下盖板焊接上换热介质出口管道与反应物料进口管道，由此形成双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构整体。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、与单层通道微散热芯片相比，采用本申请双层通道微散热芯片结构设计给微反应器散热系统带来额外泵功消耗小到可忽略不计。

2、通过对每条传热微通道进行结构优化设计，调控微通道内传热介质流体动力学，可使每条传热微通道传热性能达到最优，同时微散热芯片的双层传热通道结构突破了单层通道微散热芯片传热能力极限，这都极大地增强微反应器传热系统对流传热性能，从而有效控制微反应器内反应物料温度梯度，进而提高化学反应的转化率与选择性，也避免反应热点产生，提高化工过程安全性。

3、本发明的双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构简单，实际加工容易，制备成本低，同时微反应器大小尺寸及双层传热微通道和微反应芯片的反应微通道尺寸可根据所要进行化学反应的类型和处理要求灵活设置，有利于化学工艺工业放大，缩短产品研发周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微反应器的爆炸结构示意图。

图2为本发明单片双层微通道散热芯片的结构示意图。

图3为本发明单片双层微通道散热芯片的横截面示意图。

图中标记：1-散热单元，2-双层传热微通道，3-换热介质分布腔，4-换热介质汇集腔，5-折流器，6-微反应芯片，7-微反应芯片底板，8-反应物料密封片，9-反应微通道，10-上盖板，11-下盖板，12-换热介质进口穿孔，13-换热介质出口穿孔，14-反应物料进口穿孔，15-反应物料出口穿孔，16-换热介质进口管道，17-换热介质出口管道，18-反应物料进口管道，19-反应物料出口管道。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。除另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1～3所示，一种双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构，包括散热单元1、微反应芯片6、上盖板10、下盖板11、换热介质进口管道16、换热介质出口管道17、反应物料进口管道18和反应物料出口管道19，所述散热单元1包括至少一个双层通道微散热芯片，所述双层通道微散热芯片包括双层传热微通道2、换热介质分布腔3、换热介质汇集腔4、折流器5、换热介质进口穿孔12，换热介质出口穿孔13、反应物料进口穿孔14和反应物料出口穿孔15，所述换热介质分布腔3和换热介质汇集腔4设置在所述双层传热微通道2两端，所述微反应芯片6包括微反应芯片底板7和反应物料密封片8，所述微反应芯片底板7用于刻蚀反应微通道9，将所述散热单元1与微反应芯片6交替堆叠，并保证上下最外两层一定为散热单元1，之后在最外两层散热单元1上分别叠加上盖板10和下盖板11，而后通过焊接使得各层之间紧固贴合，最后在上盖板10和下盖板11焊接上换热介质进口管道16、换热介质出口管道17、反应物料进口管道18和反应物料出口管道19，形成双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构整体。

在本发明实施例中，所述双层传热微通道2流动方向上通道结构可为任意已知通过调控传热介质流体动力学进一步强化传热结构构型如S-型、Z-型、Sin函数-型和波浪形或在微通道内设置折流器；同理，所述反应微通道9流动方向上通道结构可为任意已知结构构型如心-型、伞-型、S-型、Z-型、Sin函数-型、波浪形和弯曲形或在微通道内设置折流器；附图以嵌入折流器为例。

在本发明实施例中，将所述散热单元1和微反应芯片6交替排列，最外层必须为所述散热单元1，以保证所述微反应芯片6两面都被所述散热单元1紧贴；附图以散热单元1包括一个双层通道微散热芯片为例。

在本发明实施例中，所述换热介质进出口管道16和17与反应物料进出口管道18和19都分别设置在微反应器上下盖板10和11的对侧对边角域，且换热介质进口管道16和反应物料进口管道18同设置在微反应器一侧，换热介质出口管道17和反应物料出口管道19同设置在微反应器另外一侧，即微反应器内换热介质和反应物料并流。

在本发明实施例中，所述双层传热微通道2与所述反应微通道9两者所处芯片平板区域重合；各层上的换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔的位置都层层对应。

在本发明实施例中，所述双层传热微通道2上下两层微通道高度相同，且位置上下对称。

在本发明实施例中，所述反应微通道9横截面上下对称。

在本发明实施例中，所述双层通道微散热芯片厚度为0.2～4.0mm，更优选板厚为0.4～2mm，平板两面刻蚀流体通道为1对或2对以上的传热微通道2，微通道水力直径为50～3000μm。

在本发明实施例中，所述微反应芯片底板7厚度为0.2～4.0mm，更优选板厚为0.4～2mm；反应物料密封片8厚度为0.1～1.0mm，更优选板厚为0.2～0.4mm；微反应芯片底板7刻蚀流体通道为1条或2条以上的反应微通道9，微通道水力直径为50～3000μm。

在本发明实施例中，所述上下盖板10和11厚度为2～20mm，更优选板厚为4～10mm。

在本发明实施例中，所述双层传热微通道2深度与双层通道微散热芯片厚度比值为1/8～1/2，更优选比值为1/4～1/2；所述反应微通道9深度为所述微反应芯片底板7厚度的1/4～4/5，更优选比值为1/2～4/5；所述双层传热微通道2深度与反应微通道9深度可为不同值。

在本发明实施例中，双层通道微散热芯片与微反应芯片6平板材质为铜、铝、青铜、玻璃、不锈钢、聚四氟乙烯、哈氏合金或碳化硅，还可以采用其它材质材料，并且两者可为不同材质的组合。

如图1～3所示，一种双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构的制备方法，以双层通道微散热芯片散热单元中双层通道微散热芯片数量为单片为例，包括以下步骤：

(1)制作双层通道微散热芯片：裁取一块合适尺寸芯片平板，在平板两面刻出所需尺寸双层传热微通道2，同时在双层传热微通道2中嵌入或者刻蚀出折流器5，在双层传热微通道2两端刻蚀出穿透芯片平板的换热介质分布腔3和换热介质汇集腔4，在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板相同尺寸的换热介质进口穿孔12和换热介质出口穿孔13，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板两个底面半径相等的反应物料进口穿孔14和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔15；

(2)制作微反应芯片6：裁取一块合适尺寸芯片平板作为微反应通道底板7，在平板单面刻蚀出所需尺寸和构型的反应微通道9，之后在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板相同尺寸的换热介质进口穿孔12和换热介质出口穿孔13，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板两个底面半径相等的反应物料进口穿孔14和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔15；

继续裁取一块合适尺寸平板作为反应物料密封片8，在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板相同尺寸的换热介质进口穿孔12和换热介质出口穿孔13，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板两个底面半径相等的反应物料进口穿孔14和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔15，将刻蚀好的两块微反应通道底板7和反应物料密封片8通过焊接使其紧固贴合制成微反应芯片6；

(3)制作上下盖板10和11：裁取两块合适尺寸盖板平板，在上盖板10平板一角域刻蚀出穿透盖板平板的一个反应物料出口穿孔15，在上盖板10平板同一边另一角域刻蚀出换热介质一个进口穿孔12，在下盖板11平板一角域刻蚀出穿透盖板平板的两个反应物料进口穿孔14，在下盖板平板同一边另一角域刻蚀出换热介质一个出口穿孔13；

(4)制作换热介质进口管道16和换热介质出口管道17与反应物料进口管道18和反应物料出口管道19：截取两根适当长度且孔径同换热介质进口穿孔12和换热介质出口穿孔13相等的圆管与三根适当长度且孔径同反应物料进口穿孔14和反应物料出口穿孔15相等的圆管；

(5)制作微反应器：采用步骤(1)的方法制作复数片双层通道微散热芯片，取至少一个双层通道微散热芯片形成散热单元1；采用步骤(2)的方法制作复数片微反应芯片6；将散热单元1与微反应芯片6交替堆叠，并保证上下最外两层一定为散热单元1，之后在最外两层散热单元1上分别叠加步骤(3)中的上盖板10和下盖板11，而后通过焊接使得各层芯片及上下盖板之间紧固贴合，最后在上盖板10焊接上换热介质进口管道16与反应物料出口管道19，在下盖板11焊接上换热介质出口管道17与反应物料进口管道18，由此形成双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构整体。

本发明的双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构制备简单，相比于单层通道微散热芯片，其给微反应器散热系统带来额外泵功消耗小到可忽略；突破单层通道微散热芯片传热能力，极大地增强微反应器传热系统对流传热性能，从而有效控制微反应器内反应物料温度梯度，进而提高化学反应的转化率与选择性，也避免反应热点产生，提高化工过程安全性。

以处理量200ml/min甲苯硝化为例，微反应器各平板平面尺寸为100×160mm，散热单元包括一个双层通道微散热芯片。

其中，双层通道微散热芯片制作方法如下：裁取一块平面尺寸为100×160mm，厚度为2mm的不锈钢平板，在平板两面中心区域刻蚀出12对横截面尺寸为2×0.75mm，长度为60mm的双层传热微通道2，同时在传热微通道内每间隔10mm设置横截面尺寸2×0.75mm，长度为1mm的矩形折流组件5；在双层传热微通道2两端刻蚀出穿透双层通道微散热芯片平板的换热介质分布腔3和换热介质汇集腔4；在双层通道微散热芯片平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出底面半径为6mm穿透平板的换热介质进出口穿孔12和13，在双层通道微散热芯片平板其余角域刻蚀出穿透平板两个底面半径为3mm的反应物料进口穿孔14和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔15；采用同样的方法制成7片这样的双层通道微散热芯片。

微反应芯片6选用类型如下：裁取一块平面尺寸为100×160mm，厚度为1mm的不锈钢平板作为微反应芯片底板7，在平板刻蚀出在反应物料进口段强化物料混合的结构和后段为增加反应停留时间段的反应微通道9，反应物料可在反应微通道9反应完全，反应微通道深度9为0.75mm；在微反应芯片底板7一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出一个底面半径为6mm穿透平板的换热介质进出口穿孔12和13，在微反应芯片底板7其余角域刻蚀出穿透平板两个底面半径为3mm的反应物料进口穿孔14和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔15；继续裁取一块平面尺寸为100×160mm，厚度为0.25mm的不锈钢平板作为反应物料密封片8，在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透芯片平板相同尺寸的换热介质进出口穿孔12和13，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板两个底面半径相等的反应物料进口穿孔14和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔15，将两块刻蚀好的平板通过焊接使其紧固贴合制成微反应芯片6；采用同样的方法制成6片这样的微反应芯片6。

上下盖板10和11制作方法如下：裁取一块平面尺寸为100×160mm，厚度为4mm的不锈钢平板作为上盖板10，在上盖板10一侧角域刻蚀出一个底面半径为6mm穿透平板的换热介质进口穿孔12，同时在同一侧另一角域刻蚀出一个底面半径为3mm穿透平板的反应物料出口穿孔15；在下盖板11一侧角域刻蚀出一个底面半径为6mm穿透平板的换热介质出口穿孔13，同时在同一侧另一角域刻蚀出两个底面半径为3mm穿透平板的反应物料进口穿孔14。

换热介质进口管道16和换热介质出口管道17与反应物料进口管道18和反应物料出口管道19制作方法如下：截取两根长度为6cm且内外半径分别为6mm和7.5mm的不锈钢圆管作为换热介质进口管道16和换热介质出口管道17；截取三根长度为6cm且内外半径分别为3mm和4.5mm的不锈钢圆管作为反应物料进口管道18和反应物料出口管道19。

最后，将7片双层通道微散热芯片和6片微反应芯片6两者交替堆叠，并保证最外两片一定为双层通道微散热芯片，之后在最外两片双层通道微散热芯片上分别叠加上盖板10和下盖板11，而后通过焊接使得各层芯片及上下盖板之间紧固贴合，最后在上盖板10焊接上换热介质进口管道16与反应物料出口管道19，在下盖板11焊接上换热介质出口管道17与反应物料进口管道18，由此形成双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构整体。

将制作好的双层通道微散热芯片强化传热微反应器结构应用于处理量200ml/min甲苯硝化反应，反应原料为甲苯与质量分数为90％浓硝酸。使用本发明双层通道微散热芯片强化传热微反应器，当微反应器散热系统以纯水为换热介质，换热介质进口通道纯水温度设定为60℃，并且维持换热介质进口通道纯水体积流量126.10L/min的散热工况下，与使用相同通道宽度和数量且未设置折流器单层直矩形微通道散热芯片相比，散热系统额外泵功消耗只增加0.8％，而传热性能(平均努塞尔数Nu)提高6.3％。此时，硝酸转化率40％提高到45％，同时，副产物间硝基甲苯含量由2.6％降低到1.2％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种具有双层微通道散热芯片的微反应器，其特征在于，包括：散热单元、微反应芯片、上盖板、下盖板、换热介质进口管道、换热介质出口管道、反应物料进口管道和反应物料出口管道；所述散热单元包括至少一个双层微通道散热芯片；

所述双层微通道散热芯片包括上下两层的传热微通道、换热介质分布腔、换热介质汇集腔、换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔；所述换热介质分布腔和换热介质汇集腔设置在所述双层传热微通道两端；所述微反应芯片包括微反应芯片底板和反应物料密封片，所述微反应芯片底板上刻蚀有反应微通道；所述微反应芯片底板和反应物料密封片上设有换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔；

所述上盖板和下盖板之间交替排列散热单元和微反应芯片，靠近上盖板和下盖板的一侧均为散热单元，各层之间通过焊接紧固贴合。

2.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述双层传热微通道流动方向上通道结构为S-型、Z-型、Sin函数-型或波浪形，或在微通道内设置折流器；所述反应微通道流动方向上通道结构可为心-型、伞-型、S-型、Z-型、Sin函数-型或波浪形，或在微通道内设置折流器。

3.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述换热介质进口管道和换热介质出口管道分别设置在微反应器上盖板和下盖板的斜对角区域，所述反应物料进口管道和反应物料出口管道分别设置在微反应器下盖板和上盖板的另一斜对角区域，且换热介质进口管道和反应物料进口管道设置在微反应器同一侧，换热介质出口管道和反应物料出口管道设置在微反应器另一侧，以实现微反应器内换热介质和反应物料并流。

4.如权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述传热微通道与反应微通道所处芯片区域重合；所述换热介质进口穿孔、换热介质出口穿孔、反应物料进口穿孔和反应物料出口穿孔层层相对。

5.如权利要求1-4任意一项所述的微反应器，其特征在于，所述上下两层的传热微通道深度相同，且横截面位置上下对称；所述反应微通道横截面位置上下对称。

6.如权利要求1-4任意一项所述的微反应器，其特征在于，所述双层微通道散热芯片厚度为0.2～4.0mm，更优选板厚为0.4～2mm，芯片两面刻蚀1对或2对以上的双层传热微通道；所述双层传热微通道水力直径为50～3000μm。

7.如权利要求1-4任意一项所述的微反应器，其特征在于，所述微反应芯片底板厚度为0.2～4.0mm，更优选板厚为0.4～2mm，反应物料密封片厚度为0.1～1.0mm，更优选板厚为0.2～0.4mm；微反应芯片底板一面刻蚀1条或2条以上的反应微通道；所述反应微通道水力直径为50～3000μm。

8.如权利要求1-4任意一项所述的微反应器，其特征在于，所述上盖板和下盖板厚度为2～20mm，更优选板厚为4～10mm。

9.如权利要求1-4任意一项所述的微反应器，其特征在于，所述双层传热微通道深度与双层微通道散热芯片厚度的比值为1/8～1/2，更优选比值为1/4～1/2；所述反应微通道深度与微反应芯片底板厚度的比值为1/4～4/5，更优选比值为1/2～4/5。

10.一种具有双层通道微散热芯片的微反应器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制作双层通道微散热芯片：裁取一块平板，在平板两面对称刻蚀传热微通道，形成双层传热微通道；在双层传热微通道两端刻蚀出穿透平板的换热介质分布腔和换热介质汇集腔；在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透平板的相同尺寸的换热介质进口穿孔和换热介质出口穿孔，换热介质进口穿孔与换热介质分布腔连通，换热介质出口穿孔与换热介质汇集腔连通；在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板的两个底面半径相等的反应物料进口穿孔和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔；

(2)制作微反应芯片：裁取一块平板作为微反应芯片底板，在平板单面刻蚀出反应微通道；在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透平板的相同尺寸的换热介质进口穿孔和换热介质出口穿孔；在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板的两个底面半径相等的反应物料进口穿孔和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔；

裁取一块平板作为反应物料密封片，在平板一侧角域和另一侧对边角域分别刻蚀出穿透平板的相同尺寸的换热介质进口穿孔和换热介质出口穿孔，在平板其余角域分别刻蚀出穿透平板的两个底面半径相等的反应物料进口穿孔和一个相同尺寸的反应物料出口穿孔；将刻蚀好的微反应芯片底板和反应物料密封片通过焊接紧固贴合；

(3)制作上下盖板：裁取两片平板作为上盖板和下盖板，在上盖板一角域刻蚀出穿透平板的一个反应物料出口穿孔，在上盖板同一边另一角域刻蚀出一个换热介质进口穿孔；在下盖板一角域刻蚀出穿透平板的两个反应物料进口穿孔，在下盖板同一边另一角域刻蚀出一个换热介质出口穿孔；

(4)制作换热介质进出口管道与反应物料进出口管道：截取两根孔径同换热介质进出口穿孔相等的圆管与三根孔径同反应物料进出口穿孔相等的圆管；

(5)制作微反应器：将散热单元与微反应芯片交替堆叠，在最外层散热单元上分别叠加步骤(3)中的上盖板和下盖板，通过焊接使得各层及上盖板、下盖板之间紧固贴合；所述散热单元至少包括一个双层微通道散热芯片；在上盖板相应穿孔处焊接换热介质进口管道与反应物料出口管道，在下盖板相应穿孔处焊接换热介质出口管道与反应物料进口管道，得到具有双层通道微散热芯片的微反应器。

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