CN219942772U - 一种变径腔体及其微通道反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种变径腔体及其微通道反应器，变径腔体包括首尾连接的宽通道和窄通道，宽通道的纵截面为心形，宽通道的轴向上设置一横向的如意形状的导流部件，导流部件将流体分离成两股流体，两股流体沿宽通道的内侧壁和导流部件流动，两股流体在流体运动方向的窄通道和宽通道的交接位置汇合，进入窄通道；宽通道的进口端的宽度为a，导流部件与进口端的轴心位置距离为b，窄通道与宽通道的交点与宽通道的最近的外侧壁的切线的距离为e；窄通道的出口端的内径为a；窄通道的宽度自宽度c沿长度d逐渐变窄至宽度a；a、b、c、d和e满足一定的条件。本实用新型的变径腔体能够提高微通道反应器的传热、传质及混合特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种变径腔体及其微通道反应器。
背景技术
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。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有的微通道反应器混合效果不佳等技术问题，提供了一种变径腔体及微通道反应器。本实用新型的变径腔体通过采用特定的结构设计比例，并配合特定形状的导流部件和宽通道，能够提高微通道反应器的传热、传质及混合特性。
本实用新型提供了一种变径腔体，所述变径腔体包括首尾连接的宽通道和窄通道；
所述宽通道的纵截面为心形，所述宽通道的轴向上设置一横向的如意形状的导流部件；所述导流部件，用于将流体分离成两股流体，所述两股流体沿所述宽通道的内侧壁和所述导流部件流动，所述两股流体在流体运动方向的所述窄通道和所述宽通道的交接位置汇合，进入所述窄通道；
所述宽通道的进口端的宽度为a，所述导流部件与所述进口端的轴心位置距离为b，所述导流部件距离所述宽通道的内侧壁的距离为b，所述窄通道与所述宽通道的交点与所述宽通道的最近的外侧壁的切线的距离为e；
所述窄通道的出口端的内径为a；所述窄通道的宽度自宽度c沿长度d逐渐变窄至宽度a；
其中，所述a、b、c、d和e满足以下条件：
a：b＝1：(0.5～2)；
a：c＝1：(3～10)；
c：d＝1：(1～5)；
a：e＝1：(0.5～2.5)。
本实用新型中，所述a：b优选地为1：(0.7～1.5)，更优选地为1：(0.8～1.1)，例如为1：0.6，1：1.67或1：1。
本实用新型中，所述a：c优选地为1：(3～7)，更优选地1：(3～5)，例如1：4，1：8.33或1：5。
本实用新型中，所述c：d优选地为1：(1.5～3)，更优选地为1：(1.5～2)，例如1：1.5，1：3或1：2。
本实用新型中，所述a：e优选地为1：(0.5～1.5)，更优选地为1：(0.7～1.4)，例如1：0.6，1：1.67或1：1.5。
本实用新型中，所述a优选地为0.5～2mm；更优选地为0.9～1.5mm，特别地为0.9～1.1mm，例如0.5，1.2或1mm。
本实用新型中，所述b优选地为0.25～4mm；更优选地为0.63～2.25mm，特别地为0.72～1.21mm，例如0.3，2或1mm。
本实用新型中，所述c优选地为1.5～20mm；更优选地为2.7～10.5mm，特别地为2.7～5.5mm，例如2，10或5mm。
本实用新型中，所述d优选地为1.5～100mm；更优选地为4.05～31.5mm，特别地为4.05～11mm，例如3，30或10mm。
本实用新型中，所述e优选地为0.25～5mm；更优选地为0.45～2.25mm，特别地为0.63～1.54mm，例如0.3，2或1.5mm。
本实用新型中，所述宽通道的长度为f，所述f和所述d优选地满足条件：f：d＝1：(1～4)，例如为1：3。所述f优选地为1～12mm，更优选地为1～3mm，特别地为1～1.5mm，例如为1，3.3或10mm。
本实用新型中，所述窄通道的横截面优选地为圆形、椭圆形或多边形。
本实用新型中，所述宽通道的横截面可为本领域常规，一般为矩形；所述矩形的短边长度可为1～3mm，优选1～1.5mm，例如1mm。所述矩形的短边长度即为通道的深度。
本实用新型中，所述宽通道与所述导流部件形成的流体通道的横截面可为本领域常规，一般为矩形。
发明人在结构设计比例的研究中发现，若a：b和a：c的比例变大，会导致流体在单元上半部分流动困难，从而增加反应器的压力损失；若其比例变小会导致流体在单元下半部分的流速过慢，从而降低混合效果。若c：d的比例变大，在c不变的情况下，导致单元下半部分体积变大，导致混合效率变差。
本实用新型提供一种微通道反应器，其包括首尾连接的若干个如前所述的变径腔体。
本实用新型中，优选地，至少一个所述的变径腔体首尾相连形成一变径腔体阵列；相邻的所述变径腔体阵列通过U型管连接，并反向平行排列。
本实用新型中，优选地，第一个所述变径腔体的宽通道进口端与至少一个所述微通道反应器的进料口相连，最后一个所述变径腔体的窄通道出口端与所述微通道反应器的出料口相连。
本实用新型中，优选地，当所述进料口为两个时，第一进料口与第一个所述变径腔体的宽通道进口端通过第一管路相连，第二进料口与所述第一进料口通过第二管路相连。更优选地，所述第二管路设于所述第一管路的外围，所述第二管路的末端与所述第一管路的末端连通，汇集后再与所述微通道反应器的出料口连通。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
本实用新型所用试剂和原料均市售可得。
本实用新型的积极进步效果在于：
本实用新型的变径腔体通过采用特定的结构设计比例，并配合特定形状的导流部件和宽通道，能够提高微反应器的传热、传质及混合特性。本实用新型的微通道反应器的混合效果Xs值为0.01～0.07。
附图说明
图1为实施例1的微通道反应器的结构示意图。
图2为实施例1的变径腔体的结构示意图。
图3为对比例1的变径腔体的结构示意图。
附图标记说明：
A1第一进料口
A2第二进料口
B出料口
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例1提供一种微通道反应器，其结构示意图如图1所示，其包括首尾连接的若干个变径腔体。变径腔体首尾相连形成一变径腔体阵列；相邻的变径腔体阵列通过U型管连接，并反向平行排列。第一个变径腔体的宽通道进口端与两个微通道反应器的进料口相连，最后一个变径腔体的窄通道出口端与微通道反应器的出料口B相连。进料口为两个，第一进料口A1与第一个变径腔体的宽通道进口端通过第一管路相连，第二进料口A2与第一进料口通过第二管路相连。第二管路设于第一管路的外围，第二管路的末端的窄通道出口端与第一管路的末端连通。
变径腔体的结构示意图如图2所示。变径腔体包括首尾连接的宽通道和窄通道，宽通道的纵截面为心形，宽通道的轴向上设置一横向的如意形状的导流部件，导流部件，用于将流体分离成两股流体，两股流体沿宽通道的内侧壁和导流部件流动，两股流体在流体运动方向的窄通道和宽通道的交接位置汇合，进入窄通道；
宽通道的进口端的宽度为a，导流部件与进口端的轴心位置距离为b，所述导流部件距离所述宽通道的内侧壁的距离为b，窄通道与宽通道的交点与宽通道的最近的外侧壁的切线的距离为e；
窄通道的出口端的内径为a；窄通道的宽度自宽度c沿长度d逐渐变窄至宽度a；
所述宽通道的长度为f；
其中，a、b、c、d、e和f满足以下条件：
a：b＝1：0.6；
a：c＝1：4；
c：d＝1：1.5；
a：e＝1：0.6；
f：d＝1：3。
其中：a＝0.5mm；b＝0.3mm；c＝2mm；d＝3mm；e＝0.3mm；f＝1mm。
通道深度为1mm。
实施例2
实施例2和实施例1的微通道反应器区别在于，a＝1.2mm；b＝2mm；c＝10mm；d＝30mm；e＝2mm；f＝10mm；其他条件与实施例1相同。
实施例3
实施例3和实施例1的微通道反应器区别在于，a＝1mm；b＝1mm；c＝5mm；d＝10mm；e＝1.5mm；f＝3.3mm；其他条件与实施例1相同。
对比例1
对比例1和实施例1的微通道反应器区别在于，变径腔体的结构不同，其变径腔体的结构示意图如图3所示。对比例1的变径腔体和实施例1的区别在于，变径腔体的宽通道的纵截面为平椭圆形，所述导流部件为呈“倒三角形”的导流部件；其余条件均与实施例1相同。
效果实施例
试验实施例1-3以及对比例1的微通道反应器的混合效果，具体试验过程如下：
用去离子水，配置流体1，其为H3BO3、NaOH、KI、KIO3混合溶液，其浓度分别为0.25mol/L、0.125mol/L、0.0116mol/L、0.00233mol/L。
用去离子水，配置流体2，其为将98％浓硫酸稀释成0.036mol/L的稀硫酸。
使用计量泵将流体1以50ml/min的流速从入口A1送入微通道反应器中。
使用计量泵将流体2以50ml/min的流速从入口A2送入微通道反应器。
等待反应器内流体稳定后，从出口B取样，并用紫外分光光度计在波长为353nm处测量I3-的浓度，它的浓度高低代表不理想混合的程度。
定义分隔因子XS作为表征混合理想程度的标准。通过下式计算Xs：
当混合完全理想时，XS＝0；当混合速率极慢时，XS＝1。
表1各实施例和对比例的参数设置及Xs值
| 反应温度/℃ | 平均停留时间/s | Xs | |
| 实施例1 | 25(室温) | 4.8 | 0.01 |
| 实施例2 | 25(室温) | 4.8 | 0.07 |
| 实施例3 | 25(室温) | 4.8 | 0.03 |
| 对比例1 | 25(室温) | 4.8 | 0.2 |
与对比例1相比，实施例1-3中得到的Xs要明显小于对比例1中的数值，且远小于1，这说明实施例1-3的微通道反应器结构的混合效果要明显好于对比例1微通道反应器结构的混合效果。
Claims (10)
1.一种变径腔体，其特征在于，所述变径腔体包括首尾连接的宽通道和窄通道；
所述宽通道的纵截面为心形，所述宽通道的轴向上设置一横向的如意形状的导流部件；所述导流部件，用于将流体分离成两股流体，所述两股流体沿所述宽通道的内侧壁和所述导流部件流动，所述两股流体在流体运动方向的所述窄通道和所述宽通道的交接位置汇合，进入所述窄通道；
所述宽通道的进口端的宽度为a，所述导流部件与所述进口端的轴心位置距离为b，所述导流部件距离所述宽通道的内侧壁的距离为b，所述窄通道与所述宽通道的交点与所述宽通道的最近的外侧壁的切线的距离为e；
所述窄通道的出口端的内径为a；所述窄通道的宽度自宽度c沿长度d逐渐变窄至宽度a；
其中，所述a、b、c、d和e满足以下条件：
a：b＝1：(0.5～2)；
a：c＝1：(3～10)；
c：d＝1：(1～5)；
a：e＝1：(0.5～2.5)。
2.如权利要求1所述的变径腔体，其特征在于，所述a、b、c、d和e满足以下条件中的一种或多种：
①所述a：b为1：(0.7～1.5)；
②所述a：c为1：(3～7)；
③所述c：d为1：(1.5～3)；
④所述a：e为1：(0.5～1.5)。
3.如权利要求2所述的变径腔体，其特征在于，所述a、b、c、d和e满足以下条件中的一种或多种：
①所述a：b为1：(0.8～1.1)；
②所述a：c为1：(3～5)；
③所述c：d为1：(1.5～2)；
④所述a：e为1：(0.7～1.4)。
4.如权利要求1所述的变径腔体，其特征在于，所述a、b、c、d和e满足以下条件中的一种或多种：
①所述a为0.5～2mm；
②所述b为0.25～4mm；
③所述c为1.5～20mm；
④所述d为1.5～100mm；
⑤所述e为0.25～5mm。
5.如权利要求1所述的变径腔体，其特征在于，所述宽通道的长度为f，所述f和所述d满足以下条件中的一种或多种：
①f：d＝1：(1～4)；
②所述f为1～12mm。
6.如权利要求1所述的变径腔体，其特征在于，所述变径腔体满足以下条件中的一种或多种：
①所述窄通道的横截面为圆形、椭圆形或多边形；
②所述宽通道的横截面为矩形；
③所述宽通道与所述导流部件形成的流体通道的横截面为矩形；所述矩形的短边长度为1～3mm。
7.一种微通道反应器，其特征在于，其包括首尾连接的若干个如权利要求1-6任一项所述的变径腔体。
8.如权利要求7所述的微通道反应器，其特征在于，至少一个所述的变径腔体首尾相连形成一变径腔体阵列；相邻的所述变径腔体阵列通过U型管连接，并反向平行排列。
9.如权利要求7所述的微通道反应器，其特征在于，第一个所述变径腔体的宽通道进口端与至少一个所述微通道反应器的进料口相连，最后一个所述变径腔体的窄通道出口端与所述微通道反应器的出料口相连。
10.如权利要求9所述的微通道反应器，其特征在于，当所述进料口为两个时，第一进料口与第一个所述变径腔体的宽通道进口端通过第一管路相连，第二进料口与所述第一进料口通过第二管路相连，所述第二管路设于所述第一管路的外围，所述第二管路的末端与所述第一管路的末端连通，汇集后再与所述微通道反应器的出料口连通。
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