CN206382010U - 一种微反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微反应器，设有反应通道，所述反应通道具有多个反应腔(12)，各所述反应腔(12)内设有分流体(15)和扰流体(16)，各所述反应腔(12)呈矩形，其出口包括宽度逐渐变窄的V形通道(17)以及宽度相等的线性通道(18)，所述线性通道(18)的宽度a为0.002mm～6mm，所述扰流体(16)到V形通道(17)两边的距离b与所述线性通道(18)的宽度a的比值为0.93～2.2。该反应器具有高比表面积来增大强化反应过程，持液量和处理量得到进一步加大，可有效提高产品转化率和产率，同时热传导系数和换热效果得到显著提升，而且，介质在经过其通道时的压降大大降低，从而有利于对反应条件进行精确控制和降低能耗。

Description

一种微反应器

技术领域

本实用新型涉及反应设备技术领域，特别是在化工、医药等行业所使用的微通道反应器，其介质可以是气体的、液体的或者弥散的，用于反应物在其通道内进行物理反应或化学反应。

背景技术

微反应器，即微通道反应器，是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构元件。微反应器通常含有小的通道尺寸和通道多样性，流体在这些通道中流动，并在这些通道中发生所要求的反应。

微反应器的“微”不是特指微反应器设备的外形尺寸大小，也不是指微反应器设备产品的产量小，而是表示工艺流体的通道在微米级别，微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。

微反应器比常规的管道式反应器的尺寸要小得多，但微反应器从本质上来讲仍是一种连续流动的管道式反应器。微反应系统通常包括换热、混合、分离、分析和控制等高度集成单元。因具备大比表面积、微小反应体积和独特的层流传质等特性，决定其拥有常规反应器所不可比拟的优良传热、传质和混合性能。良好的传质性能保证了物料的快速混合，传热效率的提高使得反应能在等温条件下快速反应。

如图1所示，使用此微反应器相对于传统的釜式反应器具有明显的技术优势，但同时也存在以下问题：

首先，其反应通道2'的内壁沿流体走向全程设计为流线形，在单位面积内，固体基质1'上的“留白”区域面积过大，即所形成的通道面积较小，而非通道面积较大，通道面积与单位面积的比值小，直接导致持液量和处理量受到限制，影响了产品转化率和产率的进一步提高，通道混合效率有改进空间；而且由于反应通道2'面积较小，导致热传导系数和换热效果也会受到一定影响，有进一步提升的空间。

其次，不耐压，不能进行高压反应，例如一些流体在低压状态下可能会汽化，因此需要在高压条件下进行反应。若采用上述微反应器，会导致无法完成混合或反应。

再者，微反应器的特征尺寸一般在10到3000μm之间，其流线型构造需采用特殊的加工工艺和模具，增加了加工制造难度和成本，不利于规模化生产。

因此，如何设计一种新的微反应器，以克服上述缺陷，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种微反应器。该反应器具有高比表面积来增大强化反应过程，持液量和处理量得到进一步加大，可有效提高产品转化率和产率，同时热传导系数和换热效果得到显著提升，而且，介质在经过其通道时的压降大大降低，从而有利于对反应条件进行精确控制和降低能耗。

为实现上述目的，本实用新型提供一种微反应器，设有反应通道，所述反应通道具有多个反应腔，各所述反应腔内设有分流体和扰流体，各所述反应腔的入口下游设有分流体，各所述反应腔的出口上游设有扰流体，各所述反应腔呈矩形，其出口包括宽度逐渐变窄的V形通道以及宽度相等的线性通道，所述线性通道的宽度a为0.002mm～6mm，所述扰流体到V形通道两边的距离b与所述线性通道的宽度a的比值为0.93～2.2。

优选地，所述分流体两侧到所述反应腔两侧的距离c与所述线性通道的宽度a的比值为0.84～2.5。

优选地，所述分流体呈开口迎向反应腔入口的V形，所述入口末端到其开口底部弧形区域的距离d与所述线性通道的宽度a的比值为0.98～5.3。

优选地，所述分流体V形开口两端的外侧分别平行于反应腔两侧的内壁，与所述内壁之间形成等宽的通道。

优选地，所述分流体厚度为0.002mm～3mm，其V形开口两端的顶部尖角高于其所对应的反应腔入口末端。

优选地，所述分流体的开口角度α为30度～160度，所述V形通道的角度β为30度～160度。

优选地，所述分流体的开口角度α为60度～120度，所述V形通道的角度β为60度～120度。

优选地，所述反应腔主腔体的长度为0.05mm～50mm、宽度为0.05mm～ 50mm，其长宽比为0.1～10。

优选地，在同一分流单元内，包括至少两道并行的所述反应通道，相邻所述反应通道之间设有共用的中间壁，并在所述中间壁上设有连通其反应腔的混流口。

优选地，所述混流口的长度为0.002mm～6mm，宽度为0.002mm～3mm。

优选地，包括以层叠方式组成所述微反应器的一层通道板、两层隔板和两层散热板；所述通道板处于中间位置，其两面均设有所述反应通道；两层所述散热板分别位于所述通道板的上层和下层，其上分别设有换热通道；两层所述隔板分别位于所述通道板与所述散热板之间。

优选地，包括组成所述微反应器的通道板；所述通道板的上下两面分别设有所述反应通道和散热通道。

本实用新型在现有技术的基础上作了进一步改进，其反应腔的内壁不再全程设计为流线形，而是设计为直角部位均倒圆滑过渡的矩形。这样，在保证混流效果和流速，避免出现混合盲区的前提下，可大幅减小单位面积内非通道区域的面积，增大流通通道的面积，从而获得高比表面积来增大强化反应过程，进一步加大了持液量和处理量，可有效提高产品转化率和产率，同时热传导系数和换热效果也得到显著提升。此外，本实用新型将各反应腔的出口设计为逐渐变窄的V形通道以及宽度相等的线性通道两部分，并将线性通道的宽度a控制在0.002mm～6mm范围内，还设定扰流体到V形通道两边的距离b与线性通道的宽度a的比值为0.93～2.2，采用这样的构造之后，介质在经过反应通道时遇到的阻力最小，能够充分的形成漩涡，并最大程度上增大了漩涡保持的时间，从而获得最好的混合效果，而且，在单位长度内，介质压降大大降低，有利于对反应条件进行精确控制和降低能耗。

附图说明

图1为现有微反应器的反应通道示意图；

图2为本实用新型所提供微反应器的外部结构示意图；

图3为本实用新型所提供微反应器的反应通道示意图；

图4为图3中I部位的局部放大图；

图5为图3所示反应通道的流体速度矢量图；

图6为分流体与扰流体连为一体的另一种反应通道示意图；

图7为本实用新型所提供另一种微反应器的外部结构示意图；

图8为同一块基板的上下两面分别设有微反应通道和换热通道的结构示意图。

图1中：

固体基质1' 反应通道2'

图2至图8中：

1.通道板 2.隔板 3.散热板 4.反应器入口 5.反应器出口 6.第一大分流装置7.第一小分流装置 8.第二大分流装置 9.第二小分流装置 10.第三大分流装置 11.第三小分流装置 12.反应腔 13.出口 14.入口 15.分流体 16.扰流体 17.V形通道 18.线性通道 19.混流口 20.反应通道 21.反应原料进口 22.反应产物出口 30.散热通道 31.散热介质进口 32.散热介质出口 33.密封板

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图2、图3、图4，图2为本实用新型所提供微反应器的外部结构示意图；图3为本实用新型所提供微反应器的反应通道示意图；图4为图3 中I部位的局部放大图。

在一种具体实施例中，本实用新型所提供的微反应器设计为反应片形式，主要由通道板1、隔板2及散热板3三大部分层叠组成，其中，通道板1的厚度为0.1mm～50mm，其上刻有微反应通道，隔板2的厚度为0.01mm～ 5mm，散热板3的厚度为0.1mm～50mm，其上刻有散热通道，隔板2位于通道板1与散热板3之间，与通道板1限定形成反应通道，与散热板3限定形成散热通道。

如图3所示，反应片一端开有两个(也可以是一个或多个)与反应通道连通的反应器入口4，用于同时进一股物料或者多股物料，反应片同一端或其他端开有一个反应器出口5。

物料从反应器入口4进入，一开始为单通道，逐渐变为双通道，最后变为四通道，每条通道宽度为0.05mm-50mm，通道内设有用于分流的第一大分流装置6、第一小分流装置7、第二大分流装置8、第二小分流装置9、第三大分流装置10、第三小分流装置11，以每四通道为一组，反应片内以蛇形的方式一共形成有九个(可以根据使用要求设定个数)首尾相连的分流单元A，每一个分流单元A均为四通道结构形式。

单通道、双通道及四通道分流单元A的各反应通道均设有多个反应腔 12，且反应腔12依次首尾相连，其中上一反应腔的出口13形成下一反应腔的入口14，各反应腔的入口14下游设有分流体15，各反应腔的出口13上游设有扰流体16。

以分流单元A的其中一路通道为例，其各反应腔12大体呈直角部位均圆滑过渡(以避免形成混合盲区)的矩形，其出口大体呈漏斗形，分为宽度逐渐变窄的V形通道17以及宽度相等的线性通道18两部分，此出口13同时作为入口14伸入下一反应腔一定距离，线性通道18的宽度a为0.002mm～ 6mm(本实施例取值0.375mm)，扰流体16的断面呈圆形，其到V形通道 17两边的距离b与线性通道18的宽度a的比值为0.93～2.2(本实施例设定比值为2)。

分流体15呈开口迎向反应腔入口的V形，其底部设计为平面，开口两端的外侧分别平行于反应腔12两侧的内壁，与内壁之间形成等宽的通道，反应腔入口中心线与V形分流体的角平分线共线，反应腔入口13末端到分流体15开口底部弧形区域的距离d与线性通道18的宽度a的比值为0.98～5.3 (本实施例设定比值为5)，分流体15两侧到反应腔12两侧的距离c与线性通道18的宽度a的比值为0.84～2.5(本实施例设定比值为2)。

反应腔12的长度可控制在0.05mm～50mm、宽度可控制在0.05mm～50mm，其长宽比可控制在0.1～10(本实施例长度取值为6.2mm、宽度取值为6.0mm，长宽比约为1.03)，分流体15的开口角度α为30度～160度，优选60度～120度，V形通道17的角度β为30度～160度，优选60度～120 度(本实施例中，α和β的取值均为77度)。

在同一分流单元A内，相邻反应通道之间设有共用的中间壁，并在中间壁上设有连通其反应腔12的混流口19，以保证每条通道流速相同，混流口 19有多个，每个混流口19的长度可控制在0.002mm～6mm、宽度可控制在 0.002mm～3mm(本实施例长度取值为1.1mm、宽度取值为0.7mm)。

工作时，从反应器入口4进入反应片的物料在入口处由第一大分流装置 6分为两路，并在经过第一大分流装置6之后重新合并为一路，进入单通道，然后在双通道中又被分成两路，经过第一小分流装置7之后重新合并为一路，再依次经过各分流单元A，在每一个分流单元A的入口处均设有一个第二大分流装置8和两个第二小分流装置9，物料在经过第二大分流装置8之后被分成两路，然后每一条支路在经过第二小分流装置9之后又进一步被分成两路，共分为四路，在每一个分流单元A的出口处均设有两个第三小分流装置 11和一个第三大分流装置10，四路物料在经过两个第三小分流装置11之后合并为两路，再进一步经过第三大分流装置10之后合并为一路，然后经连通通道转向，进入下一分流单元A，依次经过其余八个分流单元A后，从反应器出口5向外输出。

分流体15的厚度为0.002mm～3mm，其V形开口两端的顶部尖角高于其所对应的反应腔入口13末端，物料在从入口13进入反应腔后，先由分流体15将其分流成左右两路，每一路分别进行大于90度的转向，然后分别沿分流体15与反应腔12内壁之间的通道向前输送，在经过扰流体16后重新合并为一路从出口进入下一反应腔12，每经过一个反应腔12都进行一次分流、转向、合流，在进行多次的分流、转向、合流过程中，完成所要求的混合、反应。

上述通道形式的微反应器在设计过程中，充分考虑工艺流体流动的形式及流体流动的合理性。例如混合盲区的产生会导致反应物料浓度局部分布不均，进而导致副产物量的增加。如图5所示，其通道内流体流动过程中基本不存在流动死区，混合湍动效果好，计算模拟结果显示，达到相同的混合效果，“心型”结构的微反应器需要的混合长度更长，混合速度更大，而本实用新型“箭型”结构的通道形式则很快实现了两种流体的均匀混合，在压力损失方面，同样尺寸等级、同样长度的“心型”结构的微反应器压力损失为 700Pa，而本实用新型“箭型”结构的微反应器压力损失仅为260Pa。

在保证混流效果和流速，避免出现混合盲区的前提下，本实用新型可大幅减小单位面积内非通道区域的面积，增大流通通道的面积，如图3所示，各分流单元A的反应腔12能够实现密集分布，反应腔之间仅薄壁结构为非通道区域，其余区域均为通道区域，与图1所示的“燕翼”形非通道区域相比，充分利用了基材面积，从而获得2500-50000(m²/m³)的高比表面积来增大强化反应过程，进一步加大了持液量和处理量，可有效提高产品转化率和产率，混合效果更好。

由于具有高比表面积，因此热传导系数和换热效果也得到显著提升。本形式的微通道反应器可将反应产生的热量及时带走，因此实现反应温度的精确控制，在反应温度的精确控制方面比现有微反应器显示出更高的优势，对温度控制更加精确。

对于单个反应腔而言，其扰流结构和两侧边形成冲击流汇入下一级入口，在流体中插入一个柱状物，从柱状物两侧会交替地发生有规律的漩涡，其出口角度设计和两侧宽度决定撞击流效果。

其流动状态描述如下：流体由反应腔入口14以高速撞击分流体15，在分流体15的作用下，流速在分流体15上部产生多方向分流，并由两侧流向下部的腔室，在腔室内的扰流体16的作用下，流体在腔室内产生涡流，进一步增强混合效果，后经扰流体16两侧流至腔室出口13，在出口13区域加速，最终以高速流向下一混合结构。

如果其扰流体16到V形通道17两边的距离b与线性通道的宽度a的比值小于0.93，即b值过小而a值过大，则虽然可以降低压降，保证介质经过反应腔的流速，但却无法在反应腔12内有效的形成漩涡，或形成漩涡的保持时间较短，介质在从入口14进入反应腔12后，会以较快的流速从出口13 流出，不能够在反应腔12内进行充分的混合，使混合效果变差；如果其扰流体16到V形通道17两边的距离b与线性通道18的宽度a的比值大于2.2，即b值过大而a值过小，则虽然能够在反应腔12内有效的形成漩涡，且形成漩涡的保持时间较长，介质在反应腔12内能够进行充分的混合，混合效果较好，但是介质在流经反应腔时的压降较大，不利于对反应条件进行精确控制和降低能耗。

本实用新型在综合分析扰流和撞击流两种混合效果之后，将扰流体16 到V形通道17两边的距离b与线性通道18的宽度a的比值设定为0.93～2.2，采用这样的构造之后，能够在上述矛盾之间取得良好的平衡，既能够充分的形成漩涡，并最大程度上增大了漩涡保持的时间，从而获得最好的混合效果，又能够使介质在经过反应通道时遇到的阻力最小，在单位长度内，介质压降大大降低，有利于对反应条件进行精确控制和降低能耗。

此外，上述通道形式的微反应器由于采用四通道并联，其并联通道间设有混流口19，彼此之间可以混流，一方面保证了每条通道中流体流量相同，另一方面，进一步减小了单位长度反应通道的压力损失。

具体数据见表1。由表可以看出，新通道形式的微通道反应器由于采用四通道并联且联通的形式，持液量加大，单位长度压力降大大降低，从而可以减少能耗。

表1不同通道形式不同流量下单位长度压力降

注：--代表无相关数据

进一步地，V形分流体15距反应腔12两侧边的距离决定流通量和整体阻力，此结构是主流通结构，而且是V形壁产生漩涡后流通通道结构设计标准，本实施例将分流体15两侧到反应腔12两侧的距离c与线性通道18的宽度a的比值设定为0.84～2.5，能够保证阻力和形成漩涡以及漩涡保持时间最合理。

再进一步地，反应腔入口14宽度和入口距V形分流体15的尺寸，决定冲击力的大小，决定漩涡的形成效果，本实施例将入口14末端到分流体15 开口底部弧形区域的距离d与线性通道18的宽度a的比值为0.98～5.3，阻力最小，形成漩涡充分，混合效果最好，最大程度上增大了漩涡停留时间。

这里需要说明的是，从小试设备到工业化设备，直接放大要实现无放大效应具有较大难度。故提出放大理论：在反应结构中流体入口(12)及扰流结构(15)流通速度V存在关系：V_工业＝1～3V_小试(根据原料的浓度选择合适的参数)。根据分析和实验，工业化设备进口收口流速是小试设备1-3倍的时候，放大效果最好，可减少中试环节，缩短工艺开发周期。

请参考图6，图6为分流体与扰流体连为一体的另一种反应通道示意图。

在上述实施例中，V形分流体15和圆柱形扰流体16上下间隔布置，彼此相互独立，除此之外，V形分流体15还可以与圆柱形扰流体16连为一体，从而形成“Y”字形的分流扰流体，即分流体15与扰流体16既可以是一体式结构也可以是分体式结构，都能够实现本实用新型目的。

上述实施例仅是本实用新型的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。如图 7所示，通道板1的数量为一块，其两面均有微反应通道，隔板2和散热板3 的数量均为两块，散热板3上设有换热通道，通道板1、隔板2和散热板3 按图示方式层叠组成微反应器，其中，隔板2的厚度为0.01mm～5mm，通道板1和散热板3的厚度为0.1mm～50mm，或者，如图8所示，也可以在一块板上下两面分别设有微反应通道20和散热通道30，反应通道20位于反应层之内，其一端为反应原料进口21，另一端为反应产物出口22；散热通道 30的一端为散热介质进口31，另一端为散热介质出32口，散热通道30由散热通道密封板33进行密封，其通道的宽度和高度基本保持不变，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

上述通道材质可以是金属材质不锈钢，如304不锈钢、316不锈钢、316L 不锈钢、双相钢、超级奥氏体不锈钢、超级双相不锈钢等；或者镍基合金，如哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍等；或者特殊的有色金属，如钛、钽、铌、锆等；或非金属材质，如SiC、亚克力、石英、peek、PTFE等其中一种或多种的组合。不同的通道材质可以适应不同的反应条件，如金属材质更耐高压，SiC材质更耐酸碱腐蚀。

此微反应器能够用于反应物在其通道内进行物理反应(混合、弥散、乳化、悬浮等)或化学反应(氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属交换及离子交换或者更具体的说聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属反应/均相催化剂反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱卤化氢；脱卤化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶合成；酮化；皂化；异构化；季胺化；甲酰化；相转移反应；甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化学反应；复分解；氢化硅烷化；偶联反应以及酶反应等)。

以上对本实用新型所提供的微反应器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种微反应器，设有反应通道，所述反应通道具有多个反应腔(12)，各所述反应腔(12)内设有分流体(15)和扰流体(16)，其特征在于，各所述反应腔(12)呈矩形，其出口包括宽度逐渐变窄的V形通道(17)以及宽度相等的线性通道(18)，所述线性通道(18)的宽度a为0.002mm～6mm，所述扰流体(16)到V形通道(17)两边的距离b与所述线性通道(18)的宽度a的比值为0.93～2.2。

2.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于，所述分流体(15)两侧到所述反应腔(12)两侧的距离c与所述线性通道(18)的宽度a的比值为0.84～2.5。

3.根据权利要求2所述的微反应器，其特征在于，所述分流体(15)呈开口迎向反应腔入口(14)的V形，所述入口(14)末端到其开口底部弧形区域的距离d与所述线性通道(18)的宽度a的比值为0.98～5.3。

4.根据权利要求3所述的微反应器，其特征在于，所述分流体(15)V形开口两端的外侧分别平行于所述反应腔(12)两侧的内壁，与所述内壁之间形成等宽的通道。

5.根据权利要求4所述的微反应器，其特征在于，所述分流体(15)厚度为0.002mm～3mm，其V形开口两端的顶部尖角高于其所对应的反应腔入口(14)末端。

6.根据权利要求5所述的微反应器，其特征在于，所述分流体(15)的开口角度α为30度～160度，所述V形通道(17)的角度β为30度～160度。

7.根据权利要求6所述的微反应器，其特征在于，所述分流体(15)的开口角度α为60度～120度，所述V形通道(17)的角度β为60度～120度。

8.根据权利要求1至7任一项所述的微反应器，其特征在于，所述反应腔(12)的长度为0.05mm～50mm、宽度为0.05mm～50mm，其长宽比为0.1～10。

9.根据权利要求1至7任一项所述的微反应器，其特征在于，在同一分流单元A内，包括至少两道并行的所述反应通道，相邻所述反应通道之间设有共用的中间壁，并在所述中间壁上设有连通其反应腔(12)的混流口(19)。

10.根据权利要求9所述的微反应器，其特征在于，所述混流口(19)的长度为0.002mm～6mm，宽度为0.002mm～3mm。

11.根据权利要求1至7任一项所述的微反应器，其特征在于，包括以层叠方式组成所述微反应器的一层通道板、两层隔板和两层散热板；所述通道板处于中间位置，其两面均设有所述反应通道；两层所述散热板分别位于所述通道板的上层和下层，其上分别设有换热通道；两层所述隔板分别位于所述通道板与所述散热板之间。

12.根据权利要求1至7任一项所述的微反应器，其特征在于，包括组成所述微反应器的通道板；所述通道板的上下两面分别设有所述反应通道和散热通道。