CN207237948U - 一种微反应通道、基板以及微反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微反应通道、基板以及微反应器，通道包括若干个依次连通的通道单元，每个通道单元包括至少两条子通道和一个强化混合反应区，强化混合反应区包括耦合的延长通道和分流通道，延长通道为一等截面通道，为两个子通道流入的介质提供碰撞和一次混合反应的独立场所，延长通道末端延展为两个独立的分流通道，使介质因结构变化引起湍动而再次强化混合及反应。本实用新型具有通用性强、通道结构简单、使用物料范围广、高效节能、清洗维护方便、加工难度小的优点。

Description

一种微反应通道、基板以及微反应器

技术领域

本实用新型涉及一种微反应通道、基板以及微反应器。

背景技术

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、得到强化的传质和传热过程，并且可一定程度节省反应试剂用量，让反应过程更加安全可靠，通过众多的微反应通道进行的数增放大，可简单、灵活得实现工业放大，从而实现连续、高效、安全的化工生产。

同时，从本质上讲，微反应器是一种连续流动的管道式反应器，将包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能高度集成于一身。同时，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；且其结构简单、无放大效应、操作条件易于控制、内在安全等优点，也引起了各领域专家学者的广泛关注。

如上所述，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微米甚至纳米。

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。

如本领域技术人员所理解的，微通道结构如果非常简单，会存在传热、传质及混合效率不高，达不到生产要求的情况，但如果微通道结构复杂，也会引起其他的附加问题。

例如，CN101873890B公开了一种过程加强的微流体装置，其采用多个相继的腔室，并进一步公开了“多个相继的腔室中的每一个紧接地相继有所述腔室中的另一个腔室，并还包括逐渐变窄的出口和分割改向壁，所述逐渐变窄的出口形成所述相继的腔室的相应的变窄的进口……”。上述设计，采用逐渐变窄的进口在实现流体混合的过程中，仅能通过分流和改变流向的作用实现流体混合。其缺点在于：腔室缺乏稳定的混合反应区，使用的物料范围窄，通道结构复杂，不能灵活地改变参数，同时清洗、维护工作存在不便，加工难度及成本高。

CN106492719A公开了一种微反应器，其通过设置连通的第一反应腔室和第二反应腔室，通过反冲结构使从第二反应腔室流出的流体改变流向，并形成至少两股支流，且至少两股支流的流向相对于出射方向偏转至少90度，以加快反应腔室内的流速变化，提高混合效果。其缺点在于：通道结构复杂，不连贯且断点多，在通道的精密加工、光刻或刻蚀过程中，加工工艺比较复杂，要求高，且无相对独立、稳定的混合反应区。

因此，在保证传热、传质及混合效率及要求的前提下，研究能够通用性更强、适应物料范围更广、更高效节能、通道结构更简单、清洗维护方便、加工难度小的微反应器技术方案具有重要意义，且具有较大的困难。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种微反应通道、基板以及微反应器，本实用新型具有通用性强、通道结构简单、使用物料范围广、高效节能、清洗维护方便、加工难度小的优点。

本实用新型的第一目的是提供一种微反应通道，该微反应通道通过子通道和强化混合反应区相对于底板独立且相互连通，能够为通道的介质提供一个稳定的区域和反应时间，使其发生两次强化反应，实现充分反应，提高混合效率。

本实用新型的第二目的是提供一种微反应基板，该微反应基板基于多组上述微反应通道，通过各个微反应通道之间的耦合与组配，为微反应器底板提供具备大的比表面积、得到强化的传质和传热过程的反应区域，实现数增放大。

本实用新型的另一目的是提供一种微反应器，该反应器具有多层、多级强化混合的反应区，具有较强的通用性，且可处理的介质种类广泛，易于加工的优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种微反应通道，包括若干个依次连通的通道单元，所述通道单元的出口处通过一延长通道和由所述延长通道延展出的两个分流通道进行过渡，与下一级通道单元的入口相连通。

两个分流通道的延伸方向不同，且延伸方向的夹角为120°-180°。

一种微反应通道，包括若干个依次连通的通道单元，每个通道单元包括至少两条子通道和一个强化混合反应区；

所述强化混合反应区包括耦合的延长通道和分流通道，所述延长通道为两个子通道流入的介质提供碰撞和一次混合反应的独立场所，所述延长通道末端延展为两个独立的分流通道，使介质因结构变化引起湍动而再次强化混合及反应。

每个子通道与延长通道的连接处具有一定的夹角，夹角范围为[25°-155°]，优选[120°-150°]或[30°-60°]。

这种设计结构可以增加流体的湍动程度，对混合是有正面的促进作用。

进一步的，每个子通道的出口与强化混合反应区的延长通道连通，强化混合反应区的出口与下一通道单元子通道的入口连通。

进一步的，所述子通道为等截面通道。

优选的，所述子通道的截面形状包括但不限于矩形、圆形、正方形或三角形等。

优选的，所述子通道的截面面积范围为2.5×10^-4mm²-80mm²。

优选的，当所述子通道的截面形状为矩形或方形截面时通道宽度范围为0.005mm-4mm，对于其他截面通道当量直径范围为0.006-5mm。

进一步的，两个子通道为对称结构，沿强化混合反应区的延长通道的延长线为对称轴对称设置。

进一步的，所述子通道的轮廓线为具有一相对于中心对称轴向外延展的变径曲线。

优选的，所述子通道由若干段直径不同的弧形曲状通道首尾相接而成。

优选的，所述子通道包括第一直通道和第二直通道，且第一直通道和第二直通道之间通过弧形通道连接，所述第一直通道、弧形通道和第二直通道等截面。

优选的，所述子通道为U型，且两个端部不等长。

当然，本领域技术人员在本实用新型的工作原理的启示下，将子通道的形状变换为多种其他形式，如心形、V型或椭圆形等，在保证等截面的情况下，子通道的轮廓线可任意变化，这些均为本领域技术人员容易想到的常规替换，理应属于本实用新型的保护范围。

进一步的，所述延长通道截面形状与子通道截面形状相同。

优选的，所述延长通道与子通道的流道底面圆滑衔接，延长通道等截面当量直径与子通道等截面直通道当量直径的比值范围为0.2～4。

进一步的，所述延长通道截面形状与子通道截面形状相似，且延长通道与子通道深度方向尺寸相同，宽度方向尺寸成比例，延长通道的宽度与子通道等截面直通道宽度的比值范围为0.1～5。

进一步的，所述分流通道的剖面轮廓线一侧为直线，另一侧为圆弧，两侧向同一方向延展。

优选的，所述分流通道的直线轮廓线与下一通道单元的子通道相切，圆弧的弧度为子通道宽度的0.1-3倍。

优选的，所述微反应通道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，镍基合金：哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍等，特殊的有色金属：钛、钽、铌、锆等或非金属材质如SiC、亚克力、石英等其中一种或多种的组合。

不同的通道材质可以根据不同的反应要求进行更换，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。

一种微反应基板，所述基板上设有若干组并排设置的上述的微反应通道，每两个相邻组的微反应通道之间依次连接。

进一步的，每个组包括若干个并列设置的微反应通道，且每组微反应通道的首端共用一个引流口。

进一步的，所述相邻的两个微反应通道的设置方向不同。

进一步的，所述相邻的两个微反应通道的设置方向相同。

优选的，不同组的微反应通道的通道单元相同。当然，作为另一种优选方案，不同组的微反应通道的通道单元不同，在同一个微反应单元，可以包括多种不同类型的通道单元形成的微反应通道。

进一步的，所述微反应通道在基板上的深度范围为0.005～5mm，优选0.01～ 3mm。

一种微反应器，包括若干层上述微反应基板。

进一步的，所述微反应器还包括设置于第一层基板上的流体流入口和设置于最后一层基板上的流体流出口。

进一步的，所述微反应器还包括换热部件。

本实用新型通过待混合介质进入微反应通道后，通过子通道汇入强化混合反应区进行强化混合，在强化混合反应区的等截面通道段入口处介质碰撞实现一次混合及反应，并在等截面段流动使刚实现混合得介质有更多的时间反应，在强化混合反应区的分流通道形成的分流区，介质因结构变化引起湍动程度加强而再次强化混合及反应，在强化混合反应区经过二次强化混合后的介质再次流入子通道中，在狭长的等截面子通道中，有足够的时间实现通道单元内两次强化混合后介质的充分反应。充分反应后的介质再依次进入以下各级通道单元进行充分混合及反应。

由于通道基本是等截面的若干段相接，平滑过渡，整个结构基本没有障碍，流体流动曲线顺畅，流动死角少甚至没有流动死角，因此清洗维护方便，结构简单了加工也会相应降低；等截面的通道对于物料的限制相对较小，也不易堵，对粒径的要求比收缩扩张类的要小，对粘度要求更宽泛，通用性强，物料范围广。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过子通道和强化混合反应区的配合，使得流道流动死区减少，同时通过调节通道结构和流速，通常情况下均能达到混合反应无死区的效果，且整体结构为弧线、流线型结构，能够减少死角，对于反应介质的粘稠度要求低，具有通用性强的优点；

(2)本实用新型通过子通道和延长通道的等截面设置，且分流通道的配合，使得每个通道单元压降仅为1kpa-3.5kpa，压降小；

(3)本实用新型通过分流通道和下一通道单元的子通道的延展配合，延长了介质的混合反应流经的路径长度，增加了混合反应时间，提升混合效果，经过试验，10个连续的通道单元可达到混合效果98％以上；

(4)本实用新型通过强化混合反应区的入口和分流通道的设计，使得介质在延长通道的狭长路径内充分汇流，一次混合，继而在分流通道处引起介质的湍动而再次强化混合及反应，在每一个通道单元就至少经过两次强化混合过程，使得混合效果明显提高，从而快速实现两种以上介质的均匀混合；

(5)本实用新型通用性强，应用范围广，对携带粒径小于60um固体颗粒的物料亦适用；

(6)本实用新型结构简单，清洗维护便捷，且微反应通道的基本构成为等截面通道，便于加工制造；

(7)本实用新型的子通道和强化混合反应区连通，且均为相对于基板/底板来说相对独立、连贯，构造了一个独立、稳定的混合反应区，在加工时没有多余的断点，便于通道的精密加工、光刻或刻蚀过程。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型的通道单元的结构示意图；

图2是本实用新型的微反应基板的结构示意图；

图3(a)-图3(d)是本实用新型的几种子通道的典型结构示意图；

图4(a)-图4(d)是本实用新型的几种强化混合反应区的典型结构示意图；

图5是本实用新型另一种实施例微反应通道的局部结构示意图；

图6是本实用新型的另一种实施例微反应基板的局部结构示意图；

其中，1、子通道，2、强化混合反应区，3、延长通道，4、分流通道，5、圆角，6、直线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。

术语解释部分：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。

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。

本实用新型的微反应器可以是上述中的任何一种。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的微反应器的腔室存在缺乏稳定的混合反应区，使用的物料范围窄，通道结构复杂，不能灵活地改变参数，同时清洗、维护工作存在不便，加工难度及成本高的问题，为了解决上述问题，本实用新型提供了一种微反应通道、基板以及微反应器。

本实用新型的首先提供一种微反应通道，该微反应通道通过子通道1和强化混合反应区2相对于底板独立且相互连通，能够为通道的介质提供一个稳定的区域和反应时间，使其发生两次强化反应，实现充分反应，提高混合效率。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种微反应通道，该包括若干个依次连通的通道单元，每个通道单元包括至少两条子通道1和一个强化混合反应区2，强化混合反应区2包括耦合的延长通道3和分流通道4，延长通道3为一等截面直通道，为两个子通道1流入的介质提供碰撞和一次混合反应的独立场所，延长通道3末端延展为两个独立的分流通道4，使介质因结构变化引起湍动而再次强化混合及反应。

每个子通道1的出口与强化混合反应区2的延长通道3连通，强化混合反应区2的分流通道4与下一通道单元的子通道1的入口连通。

子通道1为等截面通道，且其截面形状包括但不限于矩形、圆形、正方形或三角形等。当子通道的截面形状为矩形或方形截面时通道宽度范围为 [0.005,4]mm，对于其他截面通道当量直径范围为[0.006,5]mm。

如图3(a)-图3(d)所示，两个子通道1为对称结构，沿强化混合反应区 2的延长通道3的延长线为对称轴对称设置，这样的设计能够保证两个子通道1 的介质(如流体)流动的进程和速度差不多一致，进一步提高混合的效率。

如图3(a)-图3(b)所示，子通道1的轮廓线为具有一相对于中心对称轴向外延展的变径曲线。

如图3(a)所示，子通道1为U型，且两个端部不等长。

如图3(c)所示，子通道1包括第一直通道和第二直通道，且第一直通道和第二直通道之间通过弧形通道连接，且第一直通道、弧形通道和第二直通道等截面。且第一直通道和第二直通道为狭长的通道，通过上述几种方式的子通道的设置，使得其在同样的纵向长度的通道单元内，尽可能的延长了子通道1 的长度和弯曲程度，延长了介质经过上一级通道单元的混合后，尽可能的在子通道内进行反应混合，延长反应时间。

如图3(d)所示，子通道1由若干段直径不同的直线通道首尾相接而成。

当然，本领域技术人员在本实用新型的工作原理的启示下，将子通道1的形状变换为多种其他形式，如心形、V型或椭圆形等，在保证等截面的情况下，子通道1的轮廓线可任意变化，这些均为本领域技术人员容易想到的常规替换，理应属于本实用新型的保护范围。

如图4(c)、图4(d)所示，延长通道3的截面形状与子通道1的截面形状相同。

延长通道3与子通道2的流道底面圆滑衔接，延长通道3的等截面当量直径与子通道1等截面直通道当量直径的比值范围为[0.2,4]。

如图4(a)、图4(b)中所示，延长通道3的截面形状与子通道1的截面形状相似，且延长通道3与子通道1深度方向尺寸相同，宽度方向尺寸成比例，延长通道3的宽度与子通道等截面直通道宽度的比值范围为[0.1，5]。

如图5所示，分流通道4的剖面轮廓线一侧为直线6，另一侧为圆弧5，且分流通道的直线6轮廓线与下一通道单元的子通道2相切，圆弧5的弧度为子通道宽度的[0.1，3]倍。

微反应通道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，镍基合金：哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍等，特殊的有色金属：钛、钽、铌、锆等或非金属材质如SiC、亚克力、石英等其中一种或多种的组合。

不同的通道材质可以根据不同的反应要求进行更换，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。在不同的化学反应或物理反应时，可以进行更换。

本申请的另一种实施例中，提供一种微反应通道，该微反应通道的下一级的通道单元的子通道1的最外沿处高于本级通道单元的强化混合反应区2的延长通道3或分流通道4。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种微反应通道，该微反应通道的子通道1与强化混合反应区2的延长通道3或分流通道4皆为等径、等截面直通道。

本实用新型的另一个典型实施方式中，如图2所示，提供一种微反应基板，该微反应基板基于多组微反应通道，通过各个微反应通道之间的耦合与组配，为微反应器底板提供具备大的比表面积、得到强化的传质和传热过程的反应区域，实现数增放大。

微反应器通道可以由一种或者多种通道单元组成，例如图6所示，(通道之间的连通未画出)，包含了三种通道单元类型。基板上设有若干组并排设置的微反应通道，每两个相邻组的微反应通道之间依次连接。

每个组包括若干个并列设置的微反应通道，且每组微反应通道的首端共用一个引流口。

相邻的两个微反应通道的设置方向可以不同或相同。

本实用新型还提供一种微反应器，该反应器具有多层、多级强化混合的反应区，具有较强的通用性，且可处理的介质种类广泛，易于加工的优点。

待混合介质进入微反应通道后，通过子通道汇入强化混合反应区进行强化混合，在强化混合反应区的等截面通道段入口处介质碰撞实现一次混合及反应，并在等截面段流动使刚实现混合得介质有更多的时间反应，在强化混合反应区的分流通道形成的分流区，介质因结构变化引起湍动程度加强而再次强化混合及反应，在强化混合反应区经过二次强化混合后的介质再次流入子通道中，在狭长的等截面子通道中，有足够的时间实现通道单元内两次强化混合后介质的充分反应。充分反应后的介质再依次进入以下各级通道单元进行充分混合及反应。

同时，微反应器的反应介质可以是气体的、液体的或者弥散的，用于反应物在该通道内进行物理反应(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)。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种微反应通道，包括若干个依次连通的通道单元，其特征是：所述通道单元的出口处通过一延长通道和由所述延长通道延展出的两个分流通道进行过渡，与下一级通道单元的入口相连通。

2.如权利要求1所述的一种微反应通道，其特征是：所述延长通道截面形状与子通道截面形状相似，且延长通道与子通道深度方向尺寸相同，宽度方向尺寸成比例，延长通道的宽度与子通道等截面直通道宽度的比值范围为0.1～5；

或，所述延长通道为等截面直通道；

或，所述分流通道的剖面轮廓线一侧为直线，另一侧为圆弧，两侧向同一方向延展；

或，所述分流通道的直线轮廓线与下一通道单元的子通道相切，圆弧的弧度为子通道宽度的0.1-3倍。

3.一种微反应通道，包括若干个依次连通的通道单元，其特征是：每个通道单元包括至少两条子通道和一个强化混合反应区；

所述强化混合反应区包括耦合的延长通道和分流通道，所述延长通道为两个子通道流入的介质提供碰撞和一次混合反应的独立场所，所述延长通道末端延展为两个独立的分流通道，使介质因结构变化引起湍动而再次强化混合及反应。

4.如权利要求1或3所述的一种微反应通道，其特征是：每个子通道的出口与强化混合反应区的延长通道连通，强化混合反应区的出口与下一通道单元子通道的入口连通；

或所述子通道为等截面通道。

5.如权利要求1或3所述的一种微反应通道，其特征是：两个子通道为对称结构，沿强化混合反应区的延长通道的延长线为对称轴对称设置；

或，所述子通道的轮廓线为具有一相对于中心对称轴向外延展的变径曲线；

或，所述子通道由若干段直径不同的弧形曲状通道首尾相接而成。

6.如权利要求3所述的一种微反应通道，其特征是：所述子通道包括第一直通道和第二直通道，且第一直通道和第二直通道之间通过弧形通道连接，所述第一直通道、弧形通道和第二直通道等截面；

或，所述延长通道截面形状与子通道截面形状相同，且所述延长通道与子通道的流道底面圆滑衔接，延长通道等截面当量直径与子通道等截面直通道当量直径的比值范围为0.2～4。

7.一种微反应基板，其特征是：所述基板上设有若干组并排设置的如权利要求1-6任一项所述的微反应通道，每两个相邻组的微反应通道之间依次连接。

8.如权利要求7所述的一种微反应基板，其特征是：每个组包括若干个并列设置的微反应通道，且每组微反应通道的首端共用一个引流口；

或，所述相邻的两个微反应通道的设置方向不同或相同。

9.一种微反应器，其特征是：包括若干层如权利要求7或8中任一项所述的微反应基板。

10.如权利要求9所述的一种微反应器，其特征是：还包括设置于第一层基板上的流体流入口和设置于最后一层基板上的流体流出口。