CN215939920U - 基于增材打印技术的微通道反应管及其微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工装置技术领域，具体涉及一种基于增材打印技术的微通道反应管及其微通道反应器。采用的技术方案是：微通道反应管为原柱形管，内部设有沿圆柱长度方向布置的反应腔体和热交换介质腔体，反应腔体和热交换介质腔体分别为多个，多个反应腔体和热交换介质腔体以内外嵌套的方式组成微通道反应管，反应腔体的内管壁或外管壁和热交换介质腔体的外管壁或内管壁为共用结构并作为热交换传递层，反应腔体在微通道反应管的一端设有反应物料进口，在微通道反应管的另一端设有反应物料出口。本发明采用增材打印技术实现了微通道反应器孔径流道数量及尺寸可控，换热效果好、物料混合均匀，同时可提高反应器制作材料的利用率、大大降低设备材料成本。

Description

基于增材打印技术的微通道反应管及其微通道反应器

技术领域

本发明涉及化工装置技术领域，具体涉及一种基于增材打印技术的微通道反应管及其微通道反应器。

背景技术

微通道反应器是微化工系统中重要的核心设备之一，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器件，通常具有小的通道尺寸和通道多样性特点。

微通道反应器又称微反应器或微流反应器等，其本质是使流体通过当量直径为微米至毫米尺度的机械通道，强制进行气-液、液-液、气-液-液等混合，以实现增大传质、传热界面，提高传质、传热和反应效率之目的。尽管与常规大体积反应器相比，微通道反应器具有高效率、高安全性和高灵活性等优点，但传统的微通道反应器最初都是利用金属材料通过两片合二为一，构造比较简单，且这种结构的微通道反应器在使用一段时间后，反应器管路通过反复热胀冷缩过程，会出现连接处渗漏现象。

为了达到物料尽可能的混合均匀，传统的微通道反应器多在反应通道的形状上做不同的设计和改变，易造成加工材料的不合理利用。同时，由于微通道反应器的特征尺寸在10~300μm或者1000μm之间的微型反应器，利用传统的精密加工制造技术很难实现微通道反应器内部的微小结构设计和制造，对一些条件要求比较严格的反应无法满足。随着当前社会环境安全形势和微反应器技术的不断发展，微通道反应器可实现在大直径传质与反应设备中较难实现的精准传质，特别是在光化学催化转化、硝化等危险反应等过程具有明显优势，因此逐渐受到许多有机合成行业的青睐，吸引越来越多的人关注研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于增材打印技术的微通道反应管及其微通道反应器，利用3D打印技术实现高复杂、高精度结构微通道反应器的制作，利于提高反应的传质传热效率。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

基于增材打印技术的微通道反应管，微通道反应管为原柱形管，内部设有沿圆柱长度方向布置的反应腔体和热交换介质腔体，反应腔体和热交换介质腔体分别为多个，多个反应腔体和热交换介质腔体以内外嵌套的方式组成微通道反应管，反应腔体的内管壁或外管壁和热交换介质腔体的外管壁或内管壁为共用结构并作为热交换传递层，反应腔体在微通道反应管的一端设有反应物料进口，在微通道反应管的另一端设有反应物料出口，热交换介质腔体在微通道反应管的一端设有介质进口，在微通道反应管的另一端设有介质出口。

作为优选，所述热交换介质腔体为两个，反应腔体为一个，其中一个热交换介质腔体处a于微通道反应管的中心位置，反应腔体环绕处于微通道反应管的中心位置的热交换介质腔体a，另一个热交换介质腔体b环绕反应腔体，热交换介质腔体a的外壁为反应腔体的内壁，反应腔体的外壁为热交换介质腔体b的内壁，反应腔体内设有连接其内壁和外壁的反应腔体支撑，热交换介质腔体b内设有连接其内壁和外壁的热交换腔支撑。

作为优选，所述热交换介质腔体为两个，反应腔体为一个，反应腔体和两热交换介质腔体的截面为矩形状，反应腔体处于中间，两热交换介质腔体处于反应腔体的中间位置，反应腔体的两侧侧壁与两热交换介质腔体的侧壁作为公用结构用来传递热量，反应腔体内设有连接其两侧壁间的反应腔体支撑，热交换介质腔体内设有连接其两侧内壁的热交换腔支撑。

作为优选，所述反应腔体支撑和热交换腔支撑为直线形、折线形或者弧形，并交替在各反应腔内布置，以固定各腔体之间的管壁结构，同时能够增大内壁面积加快传递。

作为优选，反应腔体和热交换介质腔体的内壁表面为“凹”“凸”不平的粗糙状。

由基于增材打印技术的微通道反应管组成的微通道反应器，包括多个微反应器模块单元2，每个微反应器模块单元2上设有横竖并排的多个微通道反应管，一个微反应器模块单元2上的微通道反应管间通过导通管道串联或并联，导通管内包括联通不同微通道反应管的反应腔体间的反应物料管、联通热交换介质腔体间的介质物料管，多个微反应器模块单元2间串联或并联，并端端部的微反应器模块单元2设置汇流进口和汇流出口。

本发明的有益效果是：

1）通过在微反应通道内外分别设置热交换腔体、各腔体之间设有多层固定连接挡板，可有效提高反应的传质传热效率，降低工业生产能量消耗、避免各层物料的返混现象发生、提高反应速率和产品质量、利于安全及环境保护，降低过程风险；

2）利用3D打印“层层叠加”的制造工艺固有的成型原理，增加了微通道反应器表面的粗糙程度，有效增加微界面反应接触面积、避免反应层内涡流扩散现象发生，从而使得传质阻力减小、反应相界面更易破碎，大大增加传质传热效果；

3）同时本发明采用增材打印技术实现了微通道反应器孔径流道数量及尺寸可控，换热效果好、物料混合均匀，同时可提高反应器制作材料的利用率、大大降低设备材料成本。

附图说明

图1：微通道反应管结构示意图；

图2：微通道反应管截面结构示意图；

图3：微反应通道管壁表面放大示意图。

图4：微通道反应器模块单元示意简图；

图5：多个微通道反应器模块单元串联结构示意图，

图6：导通管连接两相邻微通道反应管结构示意图，

其中，1、微通道反应管，101、热交换介质腔体a，102、反应腔体,103、热交换介质腔体b，104、反应腔体支撑，105.换热介质腔体a进（出）口，106、反应物料（进）出口，107、换热介质腔体b进（出）口，108、热交换腔支撑，2.反应器模块单元，201、汇流进口，202、汇流出口，3导通管，301、反应物料管，302、介质物料管。

具体实施方式

为了更进一步地说明本发明的积极意义，下面结合具体的说明书附图及具体实施对发明内容进行解释。

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，并非用以限定本发明可实施的限定条件，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，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。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，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本实用新型基于增材打印技术的微通道反应管，微通道反应管1为原柱形管，内部设有沿圆柱长度方向布置的反应腔体102和热交换介质腔体，反应腔体102和热交换介质腔体分别为多个，多个反应腔体102和热交换介质腔体以内外嵌套的方式组成微通道反应管1，反应腔体102的内管壁或外管壁和热交换介质腔体的外管壁或内管壁为共用结构并作为热交换传递层，反应腔体102在微通道反应管1的一端设有反应物料进口，在微通道反应管1的另一端设有反应物料出口，热交换介质腔体在微通道反应管1的一端设有介质进口，在微通道反应管1的另一端设有介质出口。微通道反应器各腔体通道直径φ范围可以为100μm~1000μm。反应腔体102和热交换介质腔体的内壁表面为“凹”“凸”不平的粗糙状。

微通道反应管1的一种实施例，如图1所示，

热交换介质腔体为两个，反应腔体102为一个，其中一个热交换介质腔体处a于微通道反应管1的中心位置，反应腔体102环绕处于微通道反应管1的中心位置的热交换介质腔体a，另一个热交换介质腔体b环绕反应腔体102，热交换介质腔体a的外壁为反应腔体102的内壁，反应腔体102的外壁为热交换介质腔体b的内壁，反应腔体102内设有连接其内壁和外壁的反应腔体支撑104，热交换介质腔体b内设有连接其内壁和外壁的热交换腔支撑108。反应腔体支撑104和热交换腔支撑108为直线形、折线形或者弧形，并交替在各反应腔内布置，以固定各腔体之间的管壁结构，同时能够增大内壁面积加快传递。

内外包围的反应腔体及热交换腔体结构相较于传统的单层换热结构，该构造设计更利于提高换热效率和降低能耗。

微通道反应管1的另一种实施例，

所述热交换介质腔体为两个，反应腔体102为一个，反应腔体102和两热交换介质腔体的截面为矩形状，反应腔体102处于中间，两热交换介质腔体处于反应腔体102的中间位置，反应腔体102的两侧侧壁与两热交换介质腔体的侧壁作为公用结构用来传递热量，反应腔体102内设有连接其两侧壁间的反应腔体支撑104，热交换介质腔体内设有连接其两侧内壁的热交换腔支撑108。

并排的反应腔体及热交换腔体结构，公用的壁结构相较于传统的单层换热结构面积更大，该构造设计更利于提高换热效率和降低能耗。

反应腔体支撑104和热交换腔支撑108为直线形、折线形或者弧形，并交替在各反应腔内布置，以固定各腔体之间的管壁结构，同时能够增大内壁面积加快传递，提高体系传质传热速率。

反应腔体102和热交换介质腔体的内壁表面为“凹”“凸”不平的粗糙状。利于增大微界面反应面积，更有助于提高物料的反应速率，促进分子扩散的平流体反应进行；

微通道反应通道顶部或底部进口和出口通过相应管线与物料或换热介质储罐建立对应连接，可实现各物质在对应腔体通道内精准注入或流出。

本实用新型中由基于增材打印技术的微通道反应管组成的微通道反应器，结构如图5所示，包括多个微反应器模块单元2，每个微反应器模块单元2上设有横竖并排的多个微通道反应管1，一个微反应器模块单元2上的微通道反应管1间通过导通管3道串联或并联。导通管3如图6所示，导通管3内包括联通不同微通道反应管1的反应腔体102间的反应物料管301、联通热交换介质腔体间的介质物料管302，多个微反应器模块单元2间串联或并联，端部的微反应器模块单元2设置汇流进口201和汇流出口202。

本实用新型微通道反应器通过增材打印技术制造，可以选择为不锈钢合金、聚四氟乙烯、陶瓷或碳化硅等材质中的任意一种、两种或多种的组合材料。

本实用新型微通道反应器可以作为单独作为一个反应装置使用，亦可作为反应的一个单元进行多级并联或串联使用，应用于实际的规模化工业生产中。

本实用新型基于增材打印技术的微通道反应管及其微通道反应器，其制作过程是根据需要将微通道反应器结构通过3D模型软件设计成相对应的增材打印模型，分别选择适合的材质用作制作基板和打印材料，通过预先设置好的自动控制程序进行微通道反应器的增材打印制作。

同时，根据实际反应进行程度和所需产量规模，可通过延长反应微通道长度、串联或者并联的方式达到工业目的。

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 (6)

1.一种基于增材打印技术的微通道反应管，其特征是，微通道反应管（1）为原柱形管，内部设有沿圆柱长度方向布置的反应腔体（102）和热交换介质腔体，反应腔体（102）和热交换介质腔体分别为多个，多个反应腔体（102）和热交换介质腔体以内外嵌套的方式组成微通道反应管（1），反应腔体（102）的内管壁或外管壁和热交换介质腔体的外管壁或内管壁为共用结构并作为热交换传递层，反应腔体（102）在微通道反应管（1）的一端设有反应物料进口，在微通道反应管（1）的另一端设有反应物料出口，热交换介质腔体在微通道反应管（1）的一端设有介质进口，在微通道反应管（1）的另一端设有介质出口。

2.根据权利要求1所述的基于增材打印技术的微通道反应管，其特征是，所述热交换介质腔体为两个，反应腔体（102）为一个，其中一个热交换介质腔体a处于微通道反应管（1）的中心位置，反应腔体（102）环绕处于微通道反应管（1）的中心位置的热交换介质腔体a，另一个热交换介质腔体b环绕反应腔体（102），热交换介质腔体a的外壁为反应腔体（102）的内壁，反应腔体（102）的外壁为热交换介质腔体b的内壁，反应腔体（102）内设有连接其内壁和外壁的反应腔体支撑（104），热交换介质腔体b内设有连接其内壁和外壁的热交换腔支撑（108）。

3.根据权利要求1所述的基于增材打印技术的微通道反应管，其特征是，所述热交换介质腔体为两个，反应腔体（102）为一个，反应腔体（102）和两热交换介质腔体的截面为矩形状，反应腔体（102）处于中间，两热交换介质腔体处于反应腔体（102）的中间位置，反应腔体（102）的两侧侧壁与两热交换介质腔体的侧壁作为公用结构用来传递热量，反应腔体（102）内设有连接其两侧壁间的反应腔体支撑（104），热交换介质腔体内设有连接其两侧内壁的热交换腔支撑（108）。

4.根据权利要求2或3所述的基于增材打印技术的微通道反应管，其特征是，所述反应腔体支撑（104）和热交换腔支撑（108）为直线形、折线形或者弧形，并交替在各反应腔内布置，以固定各腔体之间的管壁结构，同时能够增大内壁面积加快传递。

5.根据权利要求1所述的基于增材打印技术的微通道反应管，其特征是，反应腔体（102）和热交换介质腔体的内壁表面为“凹”“凸”不平的粗糙状。

6.一种由基于增材打印技术的微通道反应管组成的微通道反应器，其特征是，包括多个微反应器模块单元（2），每个微反应器模块单元（2）上设有横竖并排的多个微通道反应管（1），一个微反应器模块单元（2）上的微通道反应管（1）间通过导通管（3）道串联或并联，导通管（3）内包括联通不同微通道反应管（1）的反应腔体（102）间的反应物料管（301）、联通热交换介质腔体间的介质物料管（302），多个微反应器模块单元（2）间串联或并联，端部的微反应器模块单元（2）设置汇流进口（201）和汇流出口（202）。

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