CN214210448U

CN214210448U - 一种微通道反应器

Info

Publication number: CN214210448U
Application number: CN202022601542.8U
Authority: CN
Inventors: 杜恒; 蔡世美
Original assignee: Shanghai Pengsen Chemical Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Jiezi continuous flow technology Co.,Ltd.
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2030-11-11

Abstract

本实用新型涉及化学混合反应装置技术领域，特别是涉及一种微通道反应器，其流道包括若干个第一混合单元和第二混合单元；第一混合单元包括凸起，凸起与第一混合单元的外轮廓形成第一反应通路，其依次设置有高压区、低压区和射流口；第二混合单元包括X型突起，X型突起与第二混合单元的外轮廓形成第二反应通路，第二反应通路依次设置有冲击区、第一折流区、保持区、第二折流区和混合区。本实用新型解决现有技术中反应器流道只能单向流动的问题。上述微通道反应器的第一混合单元和第二混合单元均为对称型的流道单元，加工成器件后流体可以从任意口输入，从另一口输出，对传质效果均无影响，极大方便了设计、生产、安装和使用。

Description

一种微通道反应器

技术领域

本实用新型涉及化学混合反应装置技术领域，特别是涉及一种微通道反应器。

背景技术

微通道反应器主要应用于化学实验室和化工生产领域进行化学反应的微通道反应器，在反应器内进行强化的传质、传热，精确控制反应。

微通道反应器是指利用精密加工技术制造的化学反应器，其反应通道的尺寸通常在微米至毫米级别。微通道反应器相比较传统反应釜有着非常大的换热比表面，通常是反应釜的上千倍，对于化学反应的温度控制十分有利，特别是对于温度敏感的化学反应和剧烈放热的反应，有着明显的优势。

微通道反应器的反应通道的形式是经过特殊设计的，反应液以一定的速度经过反应通路的单元，可以对反应液进行切割、冲击、混合等物理过程，起到了加强传质的作用。设计良好的微通道反应器的传质效率可以达到反应釜的数百倍至上千倍，尤其对于液液非均相、气液非均相反应是非常有利的。微通道反应器中物料在反应条件下保持的时间比较一致，有效地抑制了串联副反应的发生，对于一些易产生串联杂质的反应，微通道反应器往往会带来意想不到的效果。微通道反应器持液量仅有反应釜的数百分之一，持液量小意味着危险性减小，再加上良好的传质传热效果，微通道反应器是化学化工本质安全的重要装备。

近年来许多厂家推出不同形式的微通道反应器，基本的结构是相似的，都是若干个结构单元进行串并联组合。如图5所示，每个结构单元包含了射流口、挡板、冲击区、折流区、混合区几个结构特征或区域。主要原理是液流在压力的推动下，经过射流口，液体被加速，撞击在挡板上，形成强烈的剪切力，射流在冲击区与周围的液体形成较大的速度差，产生强烈的湍流效果，在经过折流区改变液体流向，再进入混合区使分开的两路重新汇聚，依次循环。

按照这个原理设计的反应器一个共有的问题是：如果要加强传质效果，射流的速度必须高，高的射速就必须要更细的射流口，同样流速下射流口越细，产生的射速越大，但同时产生的压差就要越大。由于微通道反应器是由成百上千的单元串联而成的，这些压差就会累积起来，要推动通道内的液体，就需要更高压力的输送泵。通道前端的压力很大，往往达到 30～40kg/cm²，这对管道耐压、反应器的材质、密封带来极大地挑战。

目前绝大多数的反应器流道单元都是有方向的，即液体只能从一端进入，从另一端输出，是因为射流、挡板、混合都是有方向的。这就带来设计、加工、安装使用的一系列麻烦，从设计上来讲会出现很多镜像工件产生，出现差错的几率增加。每一块流道封闭好后较难判断通道的方向，容易导致安装错误，在使用过程中使用人员也要辨别流道方向，带来一系列麻烦。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种微通道反应器，用于解决现有技术中反应器流道只能单向流动的问题。上述微通道反应器包括第一混合单元和第二混合单元，第二混合单元中包括X型突起，这种特殊的流道设计使得流体在相同的速度下，以较低的压差达到相同的混合效果。上述微通道反应器的第一混合单元和第二混合单元均为对称型的流道单元，加工成器件后流体可以从任意口输入，从另一口输出，对传质效果均无影响，极大方便了设计、生产、安装和使用。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种微通道反应器，所述微通道反应器的流道包括若干个第一混合单元和第二混合单元；所述第二混合单元的进料端与所述第一混合单元的出料端连接；

第一混合单元，所述第一混合单元包括凸起，所述凸起与第一混合单元的外轮廓形成第一反应通路，所述第一反应通路依次设置有高压区、低压区和射流口，所述凸起将高压区分隔成两部分；

第二混合单元，所述第二混合单元包括X型突起，所述X型突起与第二混合单元的外轮廓形成第二反应通路，所述第二反应通路依次设置有冲击区、第一折流区、保持区、第二折流区和混合区。

上述微通道反应器包括第一混合单元和第二混合单元，第二混合单元中包括X型突起，这种特殊的流道设计使得流体在相同的速度下，以较低的压差达到相同的混合效果。上述微通道反应器的第一混合单元和第二混合单元均为对称型的流道单元，加工成器件后流体可以从任意口输入，从另一口输出，对传质效果均无影响，极大方便了设计、生产、安装和使用。

流体经过凸起时分流成两路，凸起两侧形成高压区，经过凸起后形成低压区，两股液体相互碰撞，形成强烈的湍流，形成一次混合。如果流体为液液非均相，经过此单元，被混合的液体在湍流的作用下进行切割、碰撞；如果为气液非均相，经过此单元气泡已经被拉长，并在湍流作用下分割成小气泡。经过第一混合单元混合的流体在极短的时间内进入到第二混合单元。

第二混合单元包括X型突起，外轮廓是类似芭蕉扇的对称型，配合对称的X突起，形成了对称的第二反应通路。第一折流区和第二折流区均设计呈弧线形式，在折流过程中形成离心力，流体的流动方向和冲击区相反，不同比重的流体会在冲击区和折流区形成相反的离心趋势，使不同比重的液体或气液在折流过程中形成交叉，再次加强传质效果。保持区扩大了通径，降低了流速，有利于增加持液量，同时有利于消除输送泵的细微脉冲产生的物料不均一而导致的物料浓度差。物料进入混合区后由于通径变小，流速加快，在混合区再次进行碰撞，进入下一组单元。

第一混合单元和第二混合单元一般是交替排列，利用第一混合单元产生的湍流效果，流体在湍流状态下进入到第二混合单元的冲击区，在不需要很高射流速度的情况下达到了同样的传质效果。

于本实用新型的一实施例中，所述第一混合单元的进料端与第一混合单元的出料端、第二混合单元的出料端或输入管的出料端连接；所述输出管的进料端与所述第一混合单元的出料端连接。

微通道板块设计方面，微通道反应板块可以设计成串联形式，输入口和输出口可互换，没有方向之分，在设计、制造和使用中到来极大地方便。在不同材质的基板上雕刻输入管和输出管，输入管和输出管均与第一混合单元连接，在相邻的两列之间是两个第一混合单元通过管道连接。微通道反应器的流道雕刻完成后，再用平板将流道进行密封，即可得到微通道板块。

由于流道形式和尺度大小、流道单元多少不统一，没有统一标准对反应器进行比较，但经过对反应板块的压力测试。设计的反应板块，包含了混合单元1共126个，混合单元2共 112个，以水为介质，在50ml/min流速下压降为0.08mPa，100ml/min流速下为1.2mPa。如以传质效果要求最高的气液两相反应为例，经过在透明流道的模拟实验，在水流速50ml/min，空气流速50ml/min下示，空气被单元1分割，在冲击区形成细微颗粒，在保持区汇聚成直径为1mm的气泡，满足气液非均相反应的传质要求。

于本实用新型的一实施例中，所述第一混合单元的进料端与第一混合单元的出料端通过串联管连接。在相邻的两列之间是两个第一混合单元通过串联管连接。

于本实用新型的一实施例中，所述串联管为U型管。

于本实用新型的一实施例中，所述凸起与第一混合单元的外轮廓形成同心圆环反应通路，所述同心圆环反应通路的进料端和出料端均安装有直管。

于本实用新型的一实施例中，所述凸起的直径为0.5～5mm，所述第一混合单元的外轮廓的直径为1～20mm，所述直管的长度为1～10mm。直径为根据流道设计的尺度不同，凸起和第一混合单元的外轮廓的直径之差形成第一反应通路。

于本实用新型的一实施例中，所述第二反应通路包括对称设置的两个∑型通道，所述∑型通道依次设置有冲击区、第一折流区、保持区、第二折流区和混合区所述射流口、第一折流区、保持区和第二折流区的直径比为1：(1～3)：(2～5)：(1～3)。第二反应通路的尺度是经过设计的，以射流口的通径为1，第一折流区的通径为1：3倍，保持区的通径一般为2～5 倍，第二折流区与第一折流区保持一致。

于本实用新型的一实施例中，所述冲击区与所述第一混合单元的出料端连接，所述混合区与所述第一混合单元的进料端连接。

于本实用新型的一实施例中，所述X型突起包括对称设置的两个∑型突起，所述∑型突起依次包括第一冲击扰流曲线、反应保持曲线和第二冲击扰流曲线。

于本实用新型的一实施例中，所述第一冲击扰流曲线、反应保持曲线和第二冲击扰流曲线均为抛物线、弧线或双曲线。曲线的形式是为了使流体在局部停留时间延长，形成强烈的扰流、剪切效果。由于输入第二混合单元的流体已经经理了一次混合(第一混合单元混合)，紧接着再被冲击在扰流曲线上，进一步增强了混合效果。

如上所述，本实用新型的一种微通道反应器，具有以下有益效果：上述微通道反应器包括第一混合单元和第二混合单元，第二混合单元中包括X型突起，这种特殊的流道设计使得流体在相同的速度下，以较低的压差达到相同的混合效果。上述微通道反应器的第一混合单元和第二混合单元均为对称型的流道单元，加工成器件后流体可以从任意口输入，从另一口输出，对传质效果均无影响，极大方便了设计、生产、安装和使用。

附图说明

图1显示为本实用新型实施例中一种微通道反应器的整体示意图一。

图2显示为本实用新型实施例中图1的A处放大示意图。

图3显示为本实用新型实施例中一种微通道反应器的整体示意图二(与图1的区别在于流向相反，此时输出管和输入管的位置互换)。

图4显示为本实用新型实施例中一种微通道反应器的X型突起的示意图。

元件标号说明

1-凸起；2-直管；3-高压区；4-低压区；5-射流口；6-X型突起，601-第一冲击扰流曲线，602-反应保持曲线，603-第二冲击扰流曲线；7-冲击区；8-第一折流区；9-保持区；10-第二折流区；11-混合区；12-输入管；13-输出管；14-串联管。

图5显示为现有技术中微通道反应器的示意图。

元件标号说明

①-混合单元，②-射流口，③-挡板，④-冲击区，⑤-折流区，⑥-混合区。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

请参阅图1或3，本实用新型提供一种微通道反应器，所述微通道反应器的流道包括78 个第一混合单元和72个第二混合单元；所述第二混合单元的进料端与所述第一混合单元的出料端连接；所述第一混合单元的进料端与第一混合单元的出料端、第二混合单元的出料端或输入管12的出料端连接；所述输出管13的进料端与所述第一混合单元的出料端连接；在相邻的两列之间是两个第一混合单元通过串联管14(U型管)连接，即所述第一混合单元的进料端与第一混合单元的出料端通过串联管14(U型管)连接；

请参阅图2，第一混合单元，所述第一混合单元包括凸起1，所述凸起1与第一混合单元的外轮廓形成第一反应通路(同心圆环反应通路)，所述同心圆环反应通路的进料端和出料端均安装有直管2；所述第一反应通路依次设置有高压区3、低压区4和射流口5，所述凸起 1将高压区3分隔成两部分；所述凸起1的直径为0.5～5mm，所述第一混合单元的外轮廓的直径为1～20mm，所述直管2的长度为1～10mm；

请参阅图2，第二混合单元，所述第二混合单元包括X型突起6，所述X型突起6与第二混合单元的外轮廓形成第二反应通路，所述第二反应通路包括对称设置的两个∑型通道，所述∑型通道依次设置有冲击区7、第一折流区8、保持区9、第二折流区10和混合区11，所述射流口5、第一折流区8、保持区9和第二折流区10的直径比为1：(1～3)：(2～5)： (1～3)，所述冲击区7与所述第一混合单元的出料端连接，所述混合区11与所述第一混合单元的进料端连接；请参阅图4，所述X型突起6包括对称设置的两个∑型突起，所述∑型突起依次包括第一冲击扰流曲线601、反应保持曲线602和第二冲击扰流曲线603，所述第一冲击扰流曲线601、反应保持曲线602和第二冲击扰流曲线603均为抛物线、弧线或双曲线。

上述微通道反应器的工作原理：流体从输入管12进入第一混合单元，流体经过凸起1时分流成两路，凸起1两侧形成高压区3，经过凸起1后形成低压区4，两股液体相互碰撞，形成强烈的湍流，形成一次混合。如果流体为液液非均相，经过此单元，被混合的液体在湍流的作用下进行切割、碰撞；如果为气液非均相，经过此单元气泡已经被拉长，并在湍流作用下分割成小气泡。经过第一混合单元混合的流体在极短的时间内进入到第二混合单元。流体再依次经过冲击区7、第一折流区8、保持区9、第二折流区10和混合区11，在折流过程中形成离心力，不同比重的流体会在冲击区7和折流区形成相反的离心趋势，使不同比重的液体或气液在折流过程中形成交叉；保持区9扩大了通径，降低了流速，有利于增加持液量，同时有利于消除输送泵的细微脉冲产生的物料不均一而导致的物料浓度差；物料进入混合区11后由于通径变小，流速加快，在混合区11再次进行碰撞，进入下一个第一混合单元。最后从输出管13中流出。

综上所述，本实用新型的微通道反应器包括第一混合单元和第二混合单元，第二混合单元中包括X型突起6，这种特殊的流道设计使得流体在相同的速度下，以较低的压差达到相同的混合效果。上述微通道反应器的第一混合单元和第二混合单元均为对称型的流道单元，加工成器件后流体可以从任意口输入，从另一口输出，对传质效果均无影响，极大方便了设计、生产、安装和使用。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种微通道反应器，其特征在于，所述微通道反应器的流道包括若干个第一混合单元和第二混合单元；所述第二混合单元的进料端与所述第一混合单元的出料端连接；

2.根据权利要求1所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述第一混合单元的进料端与第一混合单元的出料端、第二混合单元的出料端或输入管的出料端连接，输出管的进料端与所述第一混合单元的出料端连接。

3.根据权利要求2所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述第一混合单元的进料端与第一混合单元的出料端通过串联管连接。

4.根据权利要求3所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述串联管为U型管。

5.根据权利要求1或2所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述凸起与第一混合单元的外轮廓形成同心圆环反应通路，所述同心圆环反应通路的进料端和出料端均安装有直管。

6.根据权利要求5所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述凸起的直径为0.5～5mm，所述第一混合单元的外轮廓的直径为1～20mm，所述直管的长度为1～10mm。

7.根据权利要求1所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述第二反应通路包括对称设置的两个∑型通道，所述∑型通道依次设置有冲击区、第一折流区、保持区、第二折流区和混合区，所述射流口、第一折流区、保持区和第二折流区的通道宽度比为1：(1～3)：(2～5)：(1～3)。

8.根据权利要求1或7所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述冲击区与所述第一混合单元的出料端连接，所述混合区与所述第一混合单元的进料端连接。

9.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X型突起包括对称设置的两个∑型突起，所述∑型突起依次包括第一冲击扰流曲线、反应保持曲线和第二冲击扰流曲线。

10.根据权利要求9所述的一种微通道反应器，其特征在于：所述第一冲击扰流曲线、反应保持曲线和第二冲击扰流曲线均为抛物线、弧线或双曲线。