CN115945148A - 一种微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微通道反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体一侧设有若干相互连通的物料入口，另一侧设有物料出口；所述反应器壳体内设有反应微通道，所述反应微通道与所述物料入口以及所述物料出口连通；所述反应器壳体上设有上保温板和下保温板，所述上保温板、下保温板之间形成有空腔，所述反应微通道位于所述空腔内；所述上保温板上开有与所述空腔连通的导热介质入口，所述下保温板上开有与所述空腔连通的导热介质出口；本发明提供的微通道反应器能够有效提高传质传热效率，提高流体混合程度和效率，且能根据反应类型和物料种类改变流道结构，具有广泛的适应性和实用性。

Description

一种微通道反应器

技术领域

本发明涉及化工设备领域，具体涉及一种微通道反应器。

背景技术

微反应器也被称作是微通道反应器，是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器、微萃取器、微化学分析等一系列的微型化工设备的统称；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)的特征尺寸在亚微米与亚毫米之间；微反应器与常规反应设备(如反应釜，管式反应器)相比特征尺寸要小得多，这使其具备大的比表面积，而且随着尺寸的减小，一些物理量的梯度的增加会加快，例如温度梯度、压力梯度、浓度梯度及密度梯度等，这对于化学反应尤其重要；梯度增加将导致传质、传热推动力的增加，从而扩大单位体积或单位面积的扩散通量，强化传质和传热过程。

中国专利文献CN110813207A提供了一种丙烯酸酯树脂合成用连续通道反应器及聚合反应装置和应用，该反应器的传质换热器包括板体和多个腔体单元，所述腔体单元包括腔体、圆弧形射流挡板、扰流柱、物料进口和物料出口；但是该反应器由单一的腔体单元连接而成，传质、传热效果受限，流体容易出现分层现象。

现如今市面上有各种各样设计结构的微通道反应器，存在传热效果不好、混合不均匀、混合效率低等问题，此外，还缺乏一种可以根据反应类型和物料种类改变流道结构的反应器；因此有必要研发一种传质传热效果好，混合效率高且实用性强的微通道反应器。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种微通道反应器，用于解决现有技术中物料混合不均匀、不充分、效率低的问题，本发明提供的微通道反应器能够有效提高传质传热效率，提高流体混合程度和效率，且能根据反应类型和物料种类改变流道结构，具有广泛的适应性和实用性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微通道反应器，包括反应器壳体1，所述反应器壳体1一侧设有若干相互连通的物料入口21，另一侧设有物料出口22；所述反应器壳体1内设有反应微通道3，所述反应微通道3与所述物料入口21以及所述物料出口22连通；所述反应器壳体上设有上保温板41和下保温板42，所述上保温板41和下保温板42之间形成有空腔5，所述反应微通道3位于所述空腔5内；所述上保温板41上开有与所述空腔5连通的导热介质入口61，所述下保温板42上开有与所述空腔5连通的导热介质出口62。

优选的，所述反应微通道3包括若干微通道组7，每个微通道组7由若干个混流结构8和一个稳流结构9组成。

优选的，所述混流结构8由弧形内壁81以及折流区82组成；相邻两个混流结构8通过直通道10连通；所述弧形内壁81由三个半径为R1的圆弧相交而成，三段圆弧的圆心组成等边三角形的顶点；所述折流区82由分流弧821和折流弧822组成；所述分流弧821与弧形内壁81共圆心且半径为r1，所述折流弧822与相邻两个分流弧821相切且半径为r2。

优选的，所述弧形内壁81半径R1为4～8mm，圆弧所对应的圆心角为210°；所述分流弧821的半径r1为弧形内壁81半径R1的0.2～0.8倍；所述折流弧822半径r2为弧形内壁81半径R1的1.4～2倍。

优选的，所述稳流结构9半径R2为5～10mm，稳流结构9内均匀分布有若干挡流柱91，所述挡流柱91的半径r3为稳流结构9半径R2的0.1～0.5倍，所述挡流柱91数量为3～7个；所述稳流结构9与混流结构8通过直通道10连通。

优选的，第一个微通道组7的稳流结构9与所述物料入口21连通；最后一个微通道组7的尾部混流结构8与所述物料出口22连通。

优选的，相邻两个微通道组7中，一个微通道组7的尾部混流结构8与另一个微通道组7的稳流结构9连通。

优选的，所述微通道组7呈轴对称设置。

本发明还要求保护一种利用所述微通道反应器的混合工艺，包括以下步骤：将多种流体分别通过物料入口21注入所述反应微通道中汇集形成混合流，混合流经过反应微通道3反复分割、混合后通过物料出口22导出；导热介质从导热介质入口61注入，经反应微通道3换热后，从导热介质出口62流出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明设置有大量弧形结构，在保证混流效果和流速的前提下减少了混合盲区，增加了反应装置的比表面积，使热传导系数和换热效果得到显著提升，从而获得极佳的传热效果。

2)当物料进入混流结构后，与折流区的分流弧碰撞接触，物料分成两股折流到弧形内壁，接下来依次与折流弧、弧形内壁碰撞，最后在出口流出，物料在流动的过程中不断与弧形结构进行接触换热，充分延长了物料的反应时间，保证了反应能够彻底进行，有效提高了产品的转化率和产率。

3)向物料入口泵送物料时，由于不同物料入口压力不同，物料直接进入混流结构会出现流体分层，从而导致反应不充分，因此本发明利用稳流结构中的挡流柱降低物料流速，使物料流体流动更加平稳、均匀，稳流后的流体再进入混合结构能够充分发挥混合结构的混合效果，使反应更加充分。

4)本发明通过设定内部弧形折流板的半径r1为弧形结构半径R1的1.4～2倍，设定内部圆弧半径r2为弧形结构半径R1的0.2～0.8倍，设定挡流柱的半径r3为稳流结构半径R2的0.1～0.5倍，使流体在经过反应微通道时能够充分形成漩涡，且在最大程度上延长了漩涡保持的时间，从而获得极佳的混合效果。

5)本发明通过稳流结构和混流结构顺次连接，不仅提高了混合效率而且提高了反应器的容量；稳流结构、混流结构可以根据反应类型和物料种类选择不同设计方案，有效增加了本发明微通道反应器的适应性和实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例示意图，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明微通道反应器设备结构侧面示意图；

图2为本发明微通道反应器的反应微通道整体结构示意图；

图3为本发明微通道反应器的微通道组结构示意图；

图4为本发明微通道反应器的混流结构示意图；

图5为本发明微通道反应器的立体结构示意图；

图6为本发明实施例2中微通道反应器的结构示意图；

图7为本发明实施例3中微通道反应器的结构示意图。

其中：1、壳体；21、物料入口；22、物料出口；3、反应微通道；41、上保温板；42、下保温板；5、空腔；61、导热介质入口；62、导热介质出口；7、微通道组；8、混流结构；81、弧形内壁；82、折流区；821、分流弧；822、折流弧；9、稳流结构；91、挡流柱；10、直通道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种微通道反应器，包括反应器壳体1，所述反应器壳体1一侧设有若干相互连通的物料入口21，另一侧设有物料出口22；所述反应器壳体1内设有反应微通道3，所述反应微通道3与所述物料入口21以及所述物料出口22连通；所述反应器壳体上设有上保温板41和下保温板42，所述上保温板41和下保温板42之间形成有空腔5，所述反应微通道3位于所述空腔5内；所述上保温板41上开有与所述空腔5连通的导热介质入口61，所述下保温板42上开有与所述空腔5连通的导热介质出口62；优选的，所述物料入口为2～3个；流体分别通过物料入口21注入所述反应微通道中汇集形成混合流，混合流经过反应微通道3进行反复分割、混合后通过物料出口22导出；导热介质从导热介质入口61注入，经反应微通道3换热后，从导热介质出口62流出。

作为本发明的一种特殊结构，如图2、图3所示，所述反应微通道3包括若干微通道组7，每个微通道组7由若干个混流结构8和一个稳流结构9组成；所述微通道组优选为6～12个，每个微通道组中混流结构优选为8～12个。

更为具体的，如图3、图4所示，所述混流结构8由弧形内壁81以及折流区82组成；相邻两个混流结构8通过直通道10连通；所述弧形内壁81由3个半径为R1的圆弧相交而成，三段圆弧的圆心组成等边三角形的顶点；所述折流区82由分流弧821和折流弧822组成；所述分流弧821与弧形内壁81共圆心且半径为r1，所述折流弧822与相邻两个分流弧821相切且半径为r2。

其中，所述弧形内壁81半径R1为4～8mm，圆弧所对应的圆心角为210°；所述分流弧821的半径r1优选为弧形内壁81半径R1的0.2～0.8倍；所述折流弧822半径r2优选为弧形内壁81半径R1的1.4～2倍；本发明提供的微通道反应器中设置有大量弧形结构，减少了混合盲区，增加了反应装置的比表面积，使热传导系数和换热效果得到显著提升；流体在与弧形结构碰撞时能够充分形成漩涡，且在最大程度上延长了漩涡保持的时间，从而获得极佳的混合效果。

其中，如图3所示，所述稳流结构9半径R2为5～10mm，稳流结构9内均匀分布有若干挡流柱91，所述挡流柱91的半径r3优选为稳流结构半径R2的0.1～0.5倍，所述挡流柱91数量优选为3～7个；所述稳流结构9与混流结构8通过直通道10连通；本发明利用稳流结构9中的挡流柱91降低物料流速，使物料流体流动更加平稳、均匀，稳流后的流体再进入混合结构8能够充分发挥混合结构8的混合效果，使反应更加充分。

此外，第一个微通道组7的稳流结构9与所述物料入口21连通；最后一个微通道组7的尾部混流结构8与所述物料出口22连通；相邻两个微通道组7中，一个微通道组7的尾部混流结构8与另一个微通道组7的稳流结构9连通；所述微通道组7呈轴对称设置；物料通过物料入口21进入稳流结构9，之后经过若干混流结构8，通过通道与相邻微通道组7的稳流结构9连通，经过若干微通道组7，直到从最后一个微通道组7的末尾混流结构8导出。

本发明提供的微通道反应器的工作原理如下：将多种流体分别通过物料入口注入反应微通道中汇集形成混合流，通过稳流结构内的挡流柱降低流体流速，防止多股流体因泵压不同而分层，混合流进入混流结构后与折流区的分流弧碰撞接触，流体分成两股并折流到弧形内壁，接下来依次与折流弧、弧形内壁碰撞，最后在出口处加速，以高速进入下一个混流结构；混合流经过串联的微通道组进行反复分割、混合后通过物料出口导出。

针对微通道反应器的结构，在Fluent软件中进行数值模拟，选取的两混合溶剂都为乙醇，利用下列方程计算混合指数γ评价混合效率：

式中：W_i为出口面上第i个网格对应的溶剂质量分数；

为出口面上溶剂的平均质量分数；A_i为出口面上第i个网格对应的面积。

实施例1

一种微通道反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体一侧设有2个相互连通的物料入口，另一侧设有物料出口；所述反应器壳体内设有反应微通道，所述反应微通道与所述物料入口以及所述物料出口连通；所述反应器壳体上设有上保温板和下保温板，所述上保温板和下保温板之间形成有空腔，所述反应微通道位于所述空腔内；所述上保温板上开有与所述空腔连通的导热介质入口，所述下保温板上开有与所述空腔连通的导热介质出口。

所述反应微通道包括12个微通道组，每个微通道组由9个混流结构和1个稳流结构组成。

所述混流结构由弧形内壁以及折流区组成；相邻两个混流结构通过直通道连通；所述弧形内壁由3个半径为4.6188mm的圆弧相交而成，圆弧所对应的圆心角为210°，三段圆弧的圆心组成等边三角形的顶点；所述折流区由分流弧和折流弧组成；所述分流弧与弧形内壁共圆心且半径为1.0716mm，所述折流弧与相邻两个分流弧相切且半径为6.9284mm。

所述稳流结构为半径6.0000mm的圆形，稳流结构内均匀分布有7个挡流柱，挡流柱半径为1.0000mm；所述稳流结构与混流结构通过直通道连通，直通道宽度为2.0000mm，长度为2.0000mm。

第一个微通道组的稳流结构与所述物料入口连通；最后一个微通道组的尾部混流结构与所述物料出口连通；相邻两个微通道组中，一个微通道组的尾部混流结构与另一个微通道组的稳流结构通过U型管道连通，所述U型管道宽度为2.0000mm；所述微通道组呈轴对称设置。

采用实施例1所述的微通道反应器将乙醇和乙醇按照1：1的比例在不同流速下进行混合测试，以γ作为混合指数评价混合效率。当模拟12个微通道组时，不同流速下的混合指数已达100％；而当只模拟1个微通道组时，流速在40mL/min、60mL/min、80mL/min、100mL/min下，对应的混合指数依次为0.6450、0.6869、0.6998、0.7088。

实施例2

一种微通道反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体一侧设有2个相互连通的物料入口，另一侧设有物料出口；所述反应器壳体内设有反应微通道，所述反应微通道与所述物料入口以及所述物料出口连通；所述反应器壳体上设有上保温板和下保温板，所述上保温板、下保温板、反应微通道之间形成有空腔；所述上保温板上开有与所述空腔连通的导热介质入口，所述下保温板上开有与所述空腔连通的导热介质出口。

所述反应微通道包括10个微通道组，每个微通道组由8个混流结构和1个稳流结构组成。

如图6所示，所述混流结构由弧形内壁以及折流区组成；相邻两个混流结构通过直通道连通；所述弧形内壁由3个半径为4.6188mm的圆弧相交而成，圆弧所对应的圆心角为210°，三段圆弧的圆心组成等边三角形的顶点；所述折流区由分流弧和折流弧组成；所述分流弧与弧形内壁共圆心且半径为1.0000mm，所述折流弧与相邻两个分流弧相切且半径为4.0000mm。

所述稳流结构为半径6.0000mm的圆形，稳流结构内均匀分布有3个挡流柱，挡流柱半径为2.0000mm；所述稳流结构与混流结构通过直通道连通，直通道宽度为2.0000mm，长度为2.0000mm。

第一个微通道组的稳流结构与所述物料入口连通；最后一个微通道组的尾部混流结构与所述物料出口连通；相邻两个微通道组中，一个微通道组的尾部混流结构与另一个微通道组的稳流结构通过U型管道连通，所述U型管道宽度为2.0000mm；所述微通道组呈轴对称设置。

采用实施例2所述的微通道反应器将乙醇和乙醇按照1：1的比例在不同流速下进行混合测试，以γ作为混合指数评价混合效率。当模拟10个微通道组时，不同流速下的混合指数已达100％；而当只模拟1个微通道组时，流速在40mL/min、60mL/min、80mL/min、100mL/min下，对应的混合指数依次为0.6430、0.6754、0.6957、0.7093。

实施例3

一种微通道反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体一侧设有2个相互连通的物料入口，另一侧设有物料出口；所述反应器壳体内设有反应微通道，所述反应微通道与所述物料入口以及所述物料出口连通；所述反应器壳体上设有上保温板和下保温板，所述上保温板、下保温板、反应微通道之间形成有空腔；所述上保温板上开有与所述空腔连通的导热介质入口，所述下保温板上开有与所述空腔连通的导热介质出口。

所述反应微通道包括10个微通道组，每个微通道组由10个混流结构和1个稳流结构组成。

如图7所示，所述混流结构由弧形内壁以及折流区组成；相邻两个混流结构通过直通道连通；所述弧形内壁由3个半径为4.1688mm的圆弧相交而成，圆弧所对应的圆心角为210°，三段圆弧的圆心组成等边三角形的顶点；所述折流区由分流弧和折流弧组成；所述分流弧与弧形内壁共圆心且半径为1.6000mm，所述折流弧与相邻两个分流弧相切且半径为6.7880mm。

所述稳流结构为半径6.0000mm的圆形，稳流结构内均匀分布有7个挡流柱，挡流柱半径为1.0000mm；所述稳流结构与混流结构通过直通道连通，直通道宽度为2.0000mm，长度为2.0000mm。

第一个微通道组的稳流结构与所述物料入口连通；最后一个微通道组的尾部混流结构与所述物料出口连通；相邻两个微通道组中，一个微通道组的尾部混流结构与另一个微通道组的稳流结构通过U型管道连通，所述U型管道宽度为2.0000mm；所述微通道组呈轴对称设置。

采用实施例2所述的微通道反应器将乙醇和乙醇按照1：1的比例在不同流速下进行混合测试，以γ作为混合指数评价混合效率。当模拟10个微通道组时，不同流速下的混合指数已达100％；而当只模拟1个微通道组时，流速在40mL/min、60mL/min、80mL/min、100mL/min下，对应的混合指数依次为0.6342、0.6741、0.6913、0.7024。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微通道反应器，其特征在于，包括反应器壳体(1)，所述反应器壳体(1)一侧设有若干相互连通的物料入口(21)，另一侧设有物料出口(22)；所述反应器壳体(1)内设有反应微通道(3)，所述反应微通道(3)与所述物料入口(21)以及所述物料出口(22)连通；所述反应器壳体上设有上保温板(41)和下保温板(42)，所述上保温板(41)和下保温板(42)之间形成有空腔(5)，所述反应微通道(3)位于所述空腔(5)内；所述上保温板(41)上开有与所述空腔(5)连通的导热介质入口(61)，所述下保温板(42)上开有与所述空腔(5)连通的导热介质出口(62)。

2.根据权利要求1所述的一种微通道反应器，其特征在于，所述反应微通道(3)包括若干微通道组(7)，每个微通道组(7)由若干个混流结构(8)和一个稳流结构(9)组成。

3.根据权利要求2所述的一种微通道反应器，其特征在于，所述混流结构(8)由弧形内壁(81)以及折流区(82)组成；相邻两个混流结构(8)通过直通道(10)连通；所述弧形内壁(81)由三个半径为R1的圆弧相交而成，三段圆弧的圆心组成等边三角形的顶点；所述折流区(82)由分流弧(821)和折流弧(822)组成；所述分流弧(821)与弧形内壁(81)共圆心且半径为r1，所述折流弧(822)与相邻两个分流弧(821)相切且半径为r2。

4.根据权利要求3所述的一种微通道反应器，其特征在于，所述弧形内壁(81)半径R1为4～8mm，圆弧所对应的圆心角为210°；所述分流弧(821)的半径r1为弧形内壁(81)半径R1的0.2～0.8倍；所述折流弧(822)半径r2为弧形内壁(81)半径R1的1.4～2倍。

5.根据权利要求2所述的一种微通道反应器，其特征在于，所述稳流结构(9)半径R2为5～10mm，稳流结构(9)内均匀分布有若干挡流柱(91)，所述挡流柱(91)的半径r3为稳流结构(9)半径R2的0.1～0.5倍，所述挡流柱(91)数量为3～7个；所述稳流结构(9)与混流结构(8)通过直通道(10)连通。

6.根据权利要求2所述的一种微通道反应器，其特征在于，第一个微通道组(7)的稳流结构(9)与所述物料入口(21)连通；最后一个微通道组(7)的尾部混流结构(8)与所述物料出口(22)连通。

7.根据权利要求2所述的一种微通道反应器，其特征在于，相邻两个微通道组(7)中，一个微通道组(7)的尾部混流结构(8)与另一个微通道组(7)的稳流结构(9)连通。

8.根据权利要求2所述的一种微通道反应器，其特征在于，所述微通道组(7)呈轴对称设置。

9.一种利用权利要求1～8中任一项所述微通道反应器进行物料混合的工艺，其特征在于，包括以下步骤：将多种流体分别通过物料入口(21)注入所述反应微通道中汇集形成混合流，混合流经过反应微通道(3)反复分割、混合后通过物料出口(22)导出；导热介质从导热介质入口(61)注入，经反应微通道(3)换热后，从导热介质出口(62)流出。

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