CN115245801B - 一种圆形旋流式微反应通道、微反应器及微反应系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆形旋流式微反应通道,所述微反应通道为分层通道结构,包括若干个反应单元,以及按上、下位置分别沿切线方向连通相邻的两个反应单元的上层切向流道和下层切向流道,且连通同一个反应单元的上层切向流道和下层切向流道的位置位于所述反应单元的相对的两侧,以使所述上层切向流道和下层切向流道在竖直和水平方向上均交错设置。本发明通过巧妙的空间构造,在流体不断分离组合破碎的同时,辅助以壁面碰撞,流体碰撞,最终实现高效传质,同时,由于大弯角强壁面撞击现象以及紧缩变径结构的大大减少,压力降也得到了改善,利于工业化放大。
Description
技术领域
本发明属于微反应器技术领域,具体的说,是关于一种应用在化工、医药等领域、可使反应介质充分混合并进行物理或化学反应的圆形旋流式微反应通道、微反应器及微反应系统。
背景技术
20世纪90年代以来,微型化是自然科学与工程技术发展的一个重要趋势,微型化工设备也逐渐发展起来。微反应器的传热、传质能力强,在化学、化工、制药、能源、环境等领域应用前景广泛,具有结构简单、无放大效应、操作条件易于控制、反应选择性好、内在安全等优点。
微反应器区别于其他反应器的一个重要特点,是将化学或物理反应控制在尽量微小的空间内,反应空间的尺寸数量级一般为毫米甚至微米。因此,如何设计非常微小尺寸的反应通道,以实现在微反应器内布置成百上万的微型反应通道,使其具备更高的效率、可实现更大的产量,进一步提高微反应器的传热、传质及混合特性,是本领域技术人员面临的重大问题。
在微反应器的设计中,分离重组是一种典型的混合设计思想,一方面通过流体分离破坏层流边界,一方面通过重组进行流体碰撞。这种设计在流速较低时具有良好的混合效率,但是,随着流速/流量的提升,其混合效率提升幅度相对较弱,容易造成通道内存在流动死区;同时,分离重组型混合结构在流速提升的过程中,压降显著增加,也进一步的影响了反应器的效率。
发明内容
本发明的目的就在于针对传统的分离重组类反应器结构所存在的缺点,提供一种圆形旋流式微反应通道、微反应器及微反应系统,能够在内部流速提升时,混合效率提高明显,且通道内部基本不存在流动死区。
为实现上述目的,本发明的第一个方面,提供了一种圆形旋流式微反应通道,所述微反应通道为分层通道结构,包括若干个反应单元,以及按上、下位置分别沿切线方向连通相邻的两个反应单元的上层切向流道和下层切向流道,且连通同一个反应单元的上层切向流道和下层切向流道的位置位于所述反应单元的相对的两侧,以使所述上层切向流道和下层切向流道在竖直和水平方向上均交错设置。
优选的,所述反应单元为圆筒状,以使流体进入反应单元后能够形成旋转流动。
进一步的,所述上层切向流道和下层切向流道均为直形通道或弧形通道。
根据本发明,所述上层切向流道和下层切向流道的横截面积相等,即两者为等截面通道。
进一步的,所述上层切向流道和下层切向流道的截面形状为矩形、圆形、椭圆形、或不规则形。
根据本发明的优选实施例,所述反应单元与上层切向流道的连接处设置于反应单元一侧的靠近顶部的位置,以保证流体由上层切向流道从上层切向流入下一反应单元,或者由反应单元旋转流动后切向流入上层切向流道。
根据本发明的优选实施例,所述反应单元与下层切向流道的连接处设置于反应单元一侧的靠近底部的位置,以保证流体从反应单元旋转流动后切向流入下层切向流道,或者由下层切向流道从下层切向流入下一反应单元。
本发明的第二个方面,提供了一种微反应器,包括反应板以及设置于所述反应板内的微反应通道,其中,所述微反应通道为如上所述的微反应通道。
根据本发明的优选实施例,所述微反应通道具有多列,且相邻两列微反应通道末端的上层切线通道或下层切线通道之间以列间通道相互连通,形成串联连接,最外侧的两列微反应通道的末端分别通过流道连接物料入口和物料出口。
根据一个并列的方案,所述最外侧的两列微反应通道的末端所设的物料入口有两个,所述两个物料入口与微反应通道之间分别设有一段由直形通道和弧形通道组成的流道,两流道的末端形成汇流口,汇流口进一步连通微反应通道的上层切向通道或下层切向通道。
进一步的,所述两个物料入口中的第一个物料入口连接的流道为单股流道,第二个物料入口连接的流道则是在经过第一个物料入口的单股流道的区域分成两股,沿该单股流道的两侧延伸,至汇流口汇合。
本发明的第三个方面,提供了一种微反应器系统,由两个或更多个如上项所述的微反应器串联或并联而形成。
本发明的圆形旋流式微反应通道、微反应器以及微反应系统具有以下有益效果:
1、本发明利用流体的惯性力作用,流体通过上层切向流道进入反应单元,在反应单元内按顺时针方向保持旋转流动,并进入下层切向流道,然后切向进入下一反应单元内部,按逆时针方向不断旋转流动,然后通过上层切向流道流入下一反应单元,仍然按顺时针方向保持旋转流动,周而复始,流体不断的流动,不存在流动死区。
2、本发明通过巧妙的空间构造,在流体不断分离组合破碎的同时,辅助以壁面碰撞,流体碰撞,最终实现高效传质,同时,由于大弯角强壁面撞击现象以及紧缩变径结构的大大减少,压力降也得到了改善,利于工业化放大。
3、本发明加工简单,微反应器可以采取机械加工、激光雕刻或3D打印等方式实现。
4、本发明提供的微反应系统,可以通过串联或并联微反应器,增加反应时间或增加通量,保证工业化生产的需求。
附图说明
图1是实施例1的圆形旋流式微反应通道的结构示意图。
图2是图1的微反应通道的原理图。
图3是实施例2的微反应器的结构示意图。
图4是实施例3的微反应器的结构示意图。
图5为传质性能比较实验的结果。
图号说明:
1-上层切向流道;2-反应单元;3-下层切向流道;4-列间通道;5-流道;
6、6’-物料入口;7、7’-物料出口;8-汇流口;10-反应板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中,术语如“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词,并非特指本发明中任一部件或元件,不能理解为对本发明的限制。
本发明中,术语如“相连”、“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义,不能理解为对本发明的限制。
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(如流道)的特征尺寸一般在微米至数毫米量级。
广义上的微反应器是指以反应为主要目的,以一个或多个微反应器为主,同时还可能包括有微混合、换热、分离、萃取等辅助装置以及微传感器和微执行器等关键组件的一个微反应系统。
本发明的微反应器可以是上述中的任何一种。
另外,本发明所指的物料、介质等,均是指参加混合/反应的物质,可以是流体。
本发明提供的微反应器的反应介质/物料可以是气体的、液体的或者弥散的,用于反应物在该通道内进行物理反应或化学反应。
正如背景技术中提到的,现有的分离重组型混合结构在流速较低时具有良好的混合效率,但是随着流速/流量的提升,其混合效率提升幅度相对较弱,而压降却显著增加,给设备的运行带来了较大的负担。
实施例1、微反应通道
如图1所示,为本实施例的圆形旋流式微反应通道的结构。如图所示,本实施例的微反应通道为分层通道结构,具体的,所述微反应通道包括若干个反应单元2,以及按上、下位置分别沿切线方向连通相邻的两个反应单元2的上层切向流道1和下层切向流道3,且连通同一个反应单元2的上层切向流道1和下层切向流道3的位置位于所述反应单元2的相对的两侧,以使所述上层切向流道1和下层切向流道3在竖直和水平方向上均交错设置。
优选的,所述反应单元2为圆筒状,以使流体进入反应单元2后能够形成旋转流动。进一步的,所述上层切向流道1连接所述反应单元2的位置位于反应单元2一侧的靠近顶部的位置,以保证流体由上层切向流道1从上层切向流入下一反应单元2,或者由反应单元2旋转流动后切向流入上层切向流道1;进一步的,所述下层切向流道3连接所述反应单元2的位置则位于反应单元2一侧的靠近底部的位置,以保证流体从反应单元2旋转流动后切向流入下层切向流道3,或者由下层切向流道3从下层切向流入下一反应单元2。
本实施例中,所述圆筒状的反应单元2的直径、厚度以及上层切向流道1和下层切向流道3的长度、宽度和厚度等参数,均可以根据实际工况进行调整;通过改变反应部件的尺寸,可以对微反应器进行一系列的拓展。当需要提高反应流量时,可以增加圆筒状反应单元2的直径和厚度,同时扩大上层切向流道1和下层切向流道3的大小和长度;反之亦然。
本实施例中,所述上层切向流道1和下层切向流道3均为直形通道,当然,也可以是弧形通道。优选的,所述上层切向流道1和下层切向流道3的横截面积相等,即两者为等截面通道。并且,其截面的形状可以是矩形、圆形、椭圆形等,当然,也可以是不规则的截面形状。
图2显示了本实施例的微反应通道的流体流动混合原理。如图中的箭头方向所示,物料首先由上层切向流道1沿切线方向进入反应单元2,由于流体的惯性力作用,流体进入反应单元2后按顺时针方向形成旋流流动混合,然后进入下层切向流道3,沿切线方向进入下一个反应单元2内,按逆时针方向形成旋流流动,然后进入下一个上层切线流道1,并沿切线方向进入下一个反应单元2内,开始下一个周期的流动混合。
如图1所示的微反应通道仅为单列通道,在实际应用中,可以采用连续串联的形式或分组并联的形式,将该通道密布在通道板上。
进一步的,所述微反应通道的大致延展方向可以是直线,也可以是曲线,如S形、之字形、回字形等等。
实施例2、微反应器及微反应系统
如图3所示,为使用实施例1的微反应通道的微反应器的示意图。如图所示,所述微反应器包括反应板10以及并列设置于反应板10内的若干列实施例1所述的微反应通道,相邻两列微反应通道末端的上层切线通道1或下层切线通道3之间以列间通道4相互连通,形成串联连接,最外侧的两列微反应通道的末端分别通过流道5连接物料入口6和物料出口7。物料经入口6进入后,由流道5进入微反应通道,经过最后一个微反应通道的反应单元后,经由流道5从物料出口7流出。
优选的,本实施例的微反应器,其物料入口6和物料出口7分别位于反应板10的不同的两个面上。
根据实际工况的需要,可以采用串联或者并联的方式,用于增加停留时间或提高产量。例如,当需要增加反应时间时,可以将两个或更多个反应板10层叠设置,以形成微反应系统。当两块反应板10层叠设置时,第二块反应板10的物料入口6与第一块反应板10的物料出口7位置相对应,以使经第一块反应板10流出的物料由第二块反应板10的物料入口6直接进入第二块反应板10。当需要叠置更多个反应板时以此类推,此种方式无放大效应或放大效应较小。
实施例3、微反应器及微反应系统
如图4所示,为使用实施例1的微反应通道的另一构型的微反应器,相比实施例2的微反应器,差别在于其具有两个物料入口6、6’,所述物料入口6、6’与微反应通道之间分别设有一段由直形通道和弧形通道组成的流道5、5’,两流道5、5’的末端形成汇流口8,汇流口8进一步连通微反应通道的上层切向通道1或下层切向通道3。进一步的,所述物料入口6连接的流道5为单股流道,物料入口6’连接的流道5’则是在经过流道5的区域分成两股,沿流道5的两侧延伸,至汇流口8汇合。其中,所述由直形通道和弧形通道组成的流道5、5’的各个部分都是平滑或圆滑设计,以有效地减少阻力,减少流动死区。两股物料分别由物料进口6、6’进入后,其中一股物料经由两侧的流道5’流动,另一股物料则经由中间的流道5流动,至汇流口8汇合后进入微反应通道。
同样的,本实施例的微反应器的物料入口和物料出口优选设置于不同的两个面上。
本领域的技术人员容易理解,本实施例的微反应器也可以采用串联或者并联的方式,以增加停留时间或提高产量。当需要增加停留时间时,除了将本实施例的两个或更多个反应板相互串联(如层叠设置)外,还可以将本实施例的反应板与一块或多块实施例2的微反应器串联连接以形成微反应系统。具体的,上层的反应板采用本实施例的反应板,下层反应板采用实施例2的反应板,且上层反应板的物料出口的位置与下层反应板的物料入口的位置对应,以使上层反应板流出的物料可直接由下层反应板的物料入口流入下层反应板的反应通道。
实施例4、传质性能比较实验
采用欧洲化学工程师协会(EFCE)推荐的典型液-液萃取体系“正丁醇-丁二酸-水”为考评体系,在油水两相相比为1的条件下,比较了实施例2的微反应器和某公司G1型微反应器的传质性能,结果如图5所示。
实验结果表明,在2-30s的停留时间内,本发明的微反应器的体积传质系数整体优于某公司G1型微反应器,体现出其优异的传质性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (11)
1.一种圆形旋流式微反应通道,其特征在于,所述微反应通道为分层通道结构,包括若干个反应单元,以及按上、下位置分别沿切线方向连通相邻的两个反应单元的上层切向流道和下层切向流道,且连通同一个反应单元的上层切向流道和下层切向流道的位置位于所述反应单元的相对的两侧,以使所述上层切向流道和下层切向流道在竖直和水平方向上均交错设置,
所述反应单元为圆筒状,以使流体进入反应单元后能够形成旋转流动。
2.根据权利要求1所述的微反应通道,其特征在于,所述上层切向流道和下层切向流道均为直形通道或弧形通道。
3.根据权利要求2所述的微反应通道,其特征在于,所述上层切向流道和下层切向流道的横截面积相等,即两者为等截面通道。
4.根据权利要求3所述的微反应通道,其特征在于,所述上层切向流道和下层切向流道的截面形状为矩形、圆形、椭圆形、或不规则形。
5.根据权利要求1所述的微反应通道,其特征在于,所述反应单元与上层切向流道的连接处设置于反应单元一侧的靠近顶部的位置,以保证流体由上层切向流道从上层切向流入下一反应单元,或者由反应单元旋转流动后切向流入上层切向流道。
6.根据权利要求1所述的微反应通道,其特征在于,所述反应单元与下层切向流道的连接处设置于反应单元一侧的靠近底部的位置,以保证流体从反应单元旋转流动后切向流入下层切向流道,或者由下层切向流道从下层切向流入下一反应单元。
7.一种微反应器,其特征在于,所述微反应器包括反应板以及设置于所述反应板内的微反应通道,其中,所述微反应通道为权利要求1-6中任一项所述的微反应通道。
8.根据权利要求7所述的微反应器,其特征在于,所述微反应通道具有多列,且相邻两列微反应通道末端的上层切线通道或下层切线通道之间以列间通道相互连通,形成串联连接,最外侧的两列微反应通道的末端分别通过流道连接物料入口和物料出口。
9.根据权利要求8所述的微反应器,其特征在于,所述最外侧的两列微反应通道的末端所设的物料入口有两个,两个物料入口与微反应通道之间分别设有一段由直形通道和弧形通道组成的流道,两流道的末端形成汇流口,汇流口进一步连通微反应通道的上层切向通道或下层切向通道。
10.根据权利要求9所述的微反应器,其特征在于,所述两个物料入口中的第一个物料入口连接的流道为单股流道,第二个物料入口连接的流道则是在经过第一个物料入口的单股流道的区域分成两股,沿该单股流道的两侧延伸,至汇流口汇合。
11.一种微反应器系统,其特征在于,由两个或更多个权利要求7-10中任一项所述的微反应器相互串联和/或并联而形成。
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