本實用新型涉及微流體反應器技術領域,尤其是具有文丘里結構的微反應器。
背景技術:
微流體反應器,是利用精密加工技術制造的特征尺寸在10到3000μm之間的微型反應器。
微反應器的“微”不是特指微反應器設備的外形尺寸大小;也不是指微反應器設備產(chǎn)品的產(chǎn)量??;而是表示工藝流體的通道在微米級別;微反應器中可以包含有成百萬上千萬的微型通道,因此也可以實現(xiàn)很高的產(chǎn)量。
微反應器比常規(guī)的管道式反應器的尺寸要小得多,但微反應器從本質(zhì)上來講仍是一種連續(xù)流動的管道式反應器。微反應系統(tǒng)通常包括換熱、混合、分離、分析和控制等高度集成單元。因為其具備大比表面積、微小反應體積和獨特的層流傳質(zhì)等特性,決定了其擁有常規(guī)反應器所不可比擬的優(yōu)良傳熱、傳質(zhì)和混合性能。良好的傳質(zhì)性能保證了物料的快速混合,傳熱效率的提高使得反應能在等溫條件下快速進行。
微反應器與傳統(tǒng)釜式反應器相比,具有如下優(yōu)勢:
1、高的熱傳導系數(shù),可以實現(xiàn)反應條件的精確控制;
2、毫秒或納微秒的混合時間縮小了反應器的體積;
3、高比表面積增大了強化反應過程
4、提高了產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率和收率;
5、無放大效應,減少中試環(huán)節(jié),縮短工藝開發(fā)周期;
6、良好的安全性能;
7、大量減少有毒、有污染溶劑的使用;
8、連續(xù)化生產(chǎn)。
現(xiàn)有技術的微反應器結構如圖1所示,為方形通道,流體經(jīng)過方形通道進行混合反應,其主要存在如下幾個技術問題:
1、通道為單通道,持液量小,處理量小,壓降大;
2、通道混合效果仍需要改進;
3、通道內(nèi)存在混合盲區(qū);
4、換熱效果不能滿足工藝快速反應的需要。
如何尋求一種持液量大,處理量大,壓降小,通道混合效果好,無混合盲區(qū),換熱效果好的微反應器,成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現(xiàn)要素:
有鑒于此,本實用新型的目的是提供一種微流體反應器,以解決現(xiàn)有技術的微反應器通道混合效果差、存在混合盲區(qū)等問題。
為解決上述技術問題,本實用新型采用技術方案的基本構思是:
一種微流體反應器,包括反應通道,在所述反應通道上設有若干個連續(xù)的反應腔室,至少其中一個所述反應腔室的入口與文丘里通道連接,并且對應所述文丘里通道的射流方向,在所述反應腔室的入口內(nèi)側設有文丘里壁,使自所述文丘里通道流出的流體在所述反應腔室的入口與所述文丘里壁之間形成緩沖區(qū),并沿著所述文丘里壁向兩側分流。
優(yōu)選地,所述文丘里壁正對應所述文丘里通道的表面設為內(nèi)凹部,使流體在所述內(nèi)凹部處形成所述緩沖區(qū)。
優(yōu)選地,所述文丘里壁與所述反應腔室內(nèi)壁之間形成流通通道,該流通通道沿著流體的流向的截面面積先縮小后擴大,使流體在反應腔室的內(nèi)壁與所述文丘里壁之間形成文丘里效應。
優(yōu)選地,所述文丘里壁的內(nèi)凹部在所述文丘里壁對應所述文丘里通道的表面的寬度以及與該表面垂直的深度的比例為(3-10):1。
優(yōu)選地,所述反應腔室為左右對稱結構,反應腔室的入口位于所述反應腔室的中心線上;
和或,所述文丘里壁為左右對稱結構,并且正對應所述文丘里通道的出口布置在所述反應腔室的中心線上。
優(yōu)選地,所述文丘里壁上設有若干個導流槽,使所述緩沖區(qū)的流體能夠沿著所述導流槽流出;優(yōu)選地,所述導流槽設有至少兩個,對稱分布在所述文丘里壁上。
優(yōu)選地,在所述文丘里壁與所述文丘里通道之間的通道里設有若干個第一擾流塊;優(yōu)選地,所述第一擾流塊沿著與流體流向呈角度的線性分布;優(yōu)選地,所述第一擾流塊對稱設置在所述文丘里壁與所述文丘里通道之間的通道里;優(yōu)選地,所屬第一擾流塊呈交叉狀分布;優(yōu)選地,若干個所述第一擾流塊對稱布置;優(yōu)選地,所述角度為30-90度。
優(yōu)選地,在所述文丘里壁與所述反應腔室的出口之間設有至少一個第二擾流塊,優(yōu)選地,所述第二擾流塊呈三角形,并且三角形的一個頂角指向所述反應腔室的出口或者指向所述文丘里壁;優(yōu)選地,所述第二擾流塊自所述文丘里壁向下延伸形成與所述文丘里壁一體成型的結構。
優(yōu)選地,連續(xù)的兩個反應腔室之間通過所述文丘里通道連通,并且所述兩個反應腔室的入口內(nèi)側均設有所述文丘里壁。
優(yōu)選地,所述反應通道設有至少兩個,反應通道并排布置,并且在相鄰的兩個反應腔室之間的側壁上設有混流口,使相鄰的兩個反應腔室之間連通。
采用上述技術方案后,本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果:
本實用新型采用文丘里通道結構,以及文丘里壁形成的緩沖區(qū),通過收縮 -擴張的形式,當流體在文丘里管里面流動,在管道的最窄處,動壓頭即速度頭達到最大值,靜壓頭即壓力頭達到最小值,流體的速度因為通流橫截面面積減小而上升。整個涌流都要在同一時間內(nèi)經(jīng)歷管道縮小過程,因而壓力也在同一時間減小。進而產(chǎn)生壓力差,這個壓力差給流體提供一個外在吸力,加快流體混合同時減少流體流動時的流動死區(qū),進而實現(xiàn)強化的混合反應,避免了反應盲區(qū)存在。
下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細的描述。
附圖說明
附圖用來提供對本實用新型的進一步理解,并且構成說明書的一部分,與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型,并不構成對本實用新型的限制。在附圖中:
圖1為現(xiàn)有技術的方形通道結構示意圖;
圖2為本實用新型實施例的一種微流體反應器的文丘里反應單元結構示意圖;
圖3為本實用新型實施例的一種微流體反應器的反應通道的結構示意圖;
圖4為本實用新型又一實施例的一種微流體反應器的反應通道的結構示意圖;
圖5為圖4的局部放大示意圖;
圖6A—圖6S為本實用新型實施例的微流體反應器的文丘里反應通道結構示意圖(其中6P-6S中的導流槽帶有錐度);
圖7為本實用新型實施例的一種微流體反應器的流體速度矢量示意圖;
圖8為現(xiàn)有技術的方形通道物料混合效果示意圖;
圖9為本實用新型實施例的一種微流體反應器的物料混合效果示意圖。
其中,1、反應腔室,2、流體入口,3、流體出口,4文丘里通道,5、文丘里壁,6、導流槽,9、小文丘里壁,10、擾流結構,11、大第二擾流塊, 12、小第一擾流塊,13、反應通道,14、單通道,15、雙通道,17、混流口, 25、第一流體入口,26、第二流體入口,27、第三大分流裝置,28、第三小分流裝置,29、第二大分流裝置,30、第二小分流裝置,31、第一大分流裝置, 32、第一小分流裝置,33、四通道。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚,下面將結合本實用新型具體實施例及相應的附圖對本實用新型技術方案進行清楚、完整地描述。顯然,所描述的實施例僅是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。
首先需要指出,本實用新型的實施例僅僅公開幾個優(yōu)選的實施方式,不應該理解成對本實用新型實施的限制,本實用新型的保護范圍仍以權利要求書所公開的內(nèi)容為準。
如圖2所示,本實用新型實施例公開了一種微流體反應器,該反應器包括反應通道13,在反應通道13上設有若干個連續(xù)的反應腔室1,至少其中一個反應腔室1的入口與文丘里通道4(文丘里通道是先收縮而后逐漸擴大的管道) 連接,并且對應文丘里通道4的射流方向,在反應腔室1的入口內(nèi)側設有文丘里壁5,使自文丘里通道4流出的流體在反應腔室1的入口與所述文丘里壁5 之間形成緩沖區(qū),并沿著所述文丘里壁5向兩側分流。通過收縮-擴張的形式,當流體在文丘里管里面流動,在管道的最窄處,動壓頭即速度頭達到最大值,靜壓頭即壓力頭達到最小值,流體的速度因為通流橫截面面積減小而上升。整個涌流都要在同一時間內(nèi)經(jīng)歷管道縮小過程,因而壓力也在同一時間減小。進而產(chǎn)生壓力差,這個壓力差給流體提供一個外在吸力,加快流體混合同時減少流體流動時的流動死區(qū),進而實現(xiàn)強化的混合反應,避免反應盲區(qū)存在,另外通過設置文丘里壁形成的緩沖區(qū),使物料混合更加均勻。
作為上述實施例的優(yōu)選,上述實施例中的文丘里壁5正對應所述文丘里通道4的表面設為內(nèi)凹部,使流體在所述內(nèi)凹部處形成緩沖區(qū)。使用時,流體由文丘里通道中流出,經(jīng)過一次文丘里效應進行混合后,在該內(nèi)凹的緩沖區(qū)中形成緩沖,進一步對流體進行混合后,沿著內(nèi)凹部向文丘里壁的邊緣流動,進而實現(xiàn)向文丘里壁兩側的分流。優(yōu)選地,本實施例中,文丘里壁的內(nèi)凹部在所述文丘里壁對應所述文丘里通道的表面的寬度以及與該表面垂直的深度的比例為 (3-10):1,優(yōu)選為5:1。這種比例的設計可以更好的實現(xiàn)流體的緩沖混勻,同時流體的局部壓力損失較小。文丘里壁的長度為0.1-20mm,寬度為 0.1-20mm,長寬比為0.1~10,文丘里壁上表面光滑設置,這種角度和形狀的設置,可以減小物料流體在文丘里壁上的局部壓力損失,壓降小,有效保證流體混合均勻。
在本實用新型的另一實施例中,文丘里壁5與反應腔室1內(nèi)壁之間形成的截面面積為中部小于兩端,使流體在反應腔室1的內(nèi)壁與文丘里壁5之間形成文丘里效應。即流體在經(jīng)由文丘里壁上表面緩沖區(qū)的緩沖混合及分流后,進入文丘里壁與反應腔室的內(nèi)壁之間,由于文丘里壁與反應腔室內(nèi)壁之間形成的截面面積為中間小,兩端大,因此,流體在流經(jīng)該通道時,也會與文丘里通道一樣,經(jīng)歷收縮—擴張這一形式,產(chǎn)生了壓力差,進而實現(xiàn)了二次的強化混合反應過程,進一步保證流體的混合均勻和反應完全程度,避免反應盲區(qū)。
優(yōu)選地,反應腔室1為左右對稱結構,反應腔室1的入口位于所述反應腔室1的中心線上;和或,所述文丘里壁5為左右對稱結構,并且正對應所述文丘里通道4的出口布置在所述反應腔室1的中心線上。上述的反應腔室1左右對稱結構的設置,是為了保證流體在反應腔室的左右側的流動、混合和反應情況相同,保證流體反應的一致性和均勻性;文丘里壁的設置位置和左右對稱結構,也是為了保證流體在文丘里壁形成的緩沖區(qū)中混合均與,以及分流時產(chǎn)生的兩個分流的流量和流速保持一致,進一步保證流體混合的均勻性和反應的一致性,同時避免流體流動時的流動死區(qū)。
作為上述任一實施例的優(yōu)選,微流體反應器中,文丘里壁5上設有若干個導流槽6,使所述緩沖區(qū)的流體能夠沿著所述導流槽6流出;優(yōu)選地,所述導流槽6設有至少兩個,對稱分布在所述文丘里壁5上。導流槽6將文丘里壁5 分隔成若干的小文丘里壁9,導流槽6的設置可以使壓降減小,物料混合效果更好。同時導流槽可以設置成中間截面小于兩端截面的形狀,從而使得流體在流過導流槽時,也產(chǎn)生收縮—擴張的狀態(tài),產(chǎn)生文丘里效應。進一步保證物料的混合均勻和反應完全。導流槽主要是能夠?qū)α黧w產(chǎn)生一定的噴射作用,或者加強流體混合的作用;實際這個通道經(jīng)過的流體不是很多。
為了更進一步的增加物料流體的混合程度,避免反應死角,還可以在反應腔室1內(nèi)設置擾流結構10,例如,在所述文丘里壁5與所述文丘里通道4之間的通道里設有若干個第一擾流塊12;優(yōu)選地,所述第一擾流塊12沿著與流體流向呈角度的線性分布;優(yōu)選地,所述第一擾流塊對稱設置在所述文丘里壁與所述文丘里通道之間的通道里;優(yōu)選地,所述第一擾流塊呈交叉狀分布;優(yōu)選地,若干個所述第一擾流塊對稱布置;優(yōu)選地,所述角度為30-90度。第一擾流塊12可以為小三角形結構,多個小三角形排布在反應腔室內(nèi),進一步對流體進行擾流混合。第一擾流塊的分布形狀沒有特定的要求,其尖角位置也不是固定的,可以靈活調(diào)整。另外一種擾流結構為,在文丘里壁5與所述反應腔室 1的出口之間設有至少一個第二擾流塊11,優(yōu)選地,所述第二擾流塊11呈三角形,并且三角形的一個頂角指向所述反應腔室的出口或者指向所述文丘里壁,這里需要解釋一下,其擺放方位給擾流效果有如下影響:如圖6A舉例,正放的三角比倒放的三角好,正放的三角會在三角形底部的兩個角處再次形成文丘里通道結構;當然,如果文丘里壁5結構呈一定角度旋轉(zhuǎn),第二擾流塊11也可以旋轉(zhuǎn)一定角度或改變結構以達到最好的擾流效果;第二擾流塊11可以多個;優(yōu)選地,所述第二擾流塊11自所述文丘里壁向下延伸形成與所述文丘里壁一體成型的結構。這種結構的擾流塊可以與上一結構的擾流塊同時存在,使擾流混合效果得到增強。
具體地,本實用新型實施例所提供的微反應器中,文丘里壁5和擾流結構 10,以及其在反應腔室1內(nèi)的布置位置可以進行多種調(diào)整,包含并不限于如圖 6A-圖6N所示的多種文丘里壁和擾流結構安置位置,均可以用于本實用新型,其中,圖6B、圖6I、圖6K的結構為文丘里壁5與擾流結構10結合在一起的情況,圖6C、圖6D、圖6E、圖6F、圖6H、圖6J、圖6M、屬于多個小文丘里壁組合在一起的情況,圖6D、圖6E、圖6F、圖6H、圖6G、圖6I、圖6J、圖6N 屬于具有由第二擾流塊形成的X形結構的擾流結構的情況。實際設置時,可以根據(jù)反應物料的流動情況等對文丘里壁和擾流結構進行具體設置,以物料混合均勻,反應腔室內(nèi)不留反應盲區(qū)為標準。
本實用新型的又一優(yōu)選實施例中,連續(xù)的兩個反應腔室1之間通過所述文丘里通道4連通,并且所述兩個反應腔室1的入口內(nèi)側均設有所述文丘里壁5。形成的反應通道13類似糖葫蘆的結構,流體在反應通道13中依次通過文丘里通道4的文丘里效應,以及文丘里壁5的緩沖效應,然后在經(jīng)過文丘里壁5和反應腔室1內(nèi)壁之間的縫隙,該縫隙也可以為中部小,兩端大的結構,也同時產(chǎn)生文丘里效應,流體在連續(xù)的反應腔室中依次重復上述的結構,流體混合效果好,避免反應死角的產(chǎn)生。
本實用新型的又一優(yōu)選實施例中,微流體反應器的反應通道13設有至少兩個,反應通道13并排布置,并且在相鄰的兩個反應腔室1之間的側壁上設有混流口17,使相鄰的兩個反應腔室之間連通。
上述實施例中,反應通道13可以包括單通道14、雙通道15和/或多通道;其中,如圖3所示,單通道14為依次連接的反應腔室1,相鄰的反應腔室中,前一反應腔室的流體出口3通過文丘里通道4連通后一反應腔室的流體入口2,該單通道14可以設置兩個或多個流體入口2,分別進入不同的物料流體,圖3 所示的流體入口2包括第一流體入口25和第二流體入口26,即物料流體分別由兩個流體入口2進入,然后進行依次順序連接的反應腔室和文丘里通道中進行混合反應,反應完成后,由流體出口3排出微流體反應器。
雙通道15和多通道均需要通過分流裝置實現(xiàn),具體地,雙通道15需要分流裝置具有兩個分流出口,兩個單通道14分別連接兩個分流出口,形成并列排布的兩列單通道14;多通道需要分流裝置具有多個分流出口,多個單通道 14分別連接多個分流出口;優(yōu)選地,所述雙通道15和多通道之間還設置有混流口17,所述混流口17將連接自不同分流出口的相鄰的所述單通道14連通;進一步優(yōu)選地,所述混流口17長度為0.002mm-6mm,寬度為0.002mm-3mm。
上述實施例中,根據(jù)反應物料的需要,可以將反應通道設置成單獨的單通道、雙通道或多通道,還可以將三種通道交叉使用,即一個反應通道包含單通道、雙通道和多通道中的兩種或多種,可以在一個反應通道中僅使用圖6A-圖 6N中任意一種,也可以如圖6O所示,或者將6A-圖6N中的結構任意自由組合,即將具有不同結構的文丘里壁和擾流結構的文丘里反應單元串聯(lián)連接在一個反應通道內(nèi)。
實施例1
本實施例所公開的微流體反應器,在設計過程中,更多的考慮工藝流體流動的形式及流體流動的合理性。例如混合盲區(qū)的產(chǎn)生會導致反應物料濃度局部分布不均,進而導致副產(chǎn)物量的增加。改進前流體在通道內(nèi)存在的混合盲區(qū)如圖1所示,在方形塊背側的黑色區(qū)域存在明顯的流動死區(qū),不利于混合。本實施例的微通道反應器的反應通道內(nèi)流體流動過程中基本不存在流動死區(qū),混合湍動效果好,如圖7所示。圖7為本實用新型的通道形式的流體速度矢量圖;圖中左邊的數(shù)字表示流體的速度矢量(單位m/s)。從速度矢量圖可見,兩種流體在1m/s速度下進料,在文丘里結構處,速度均有提高,反應腔室可認為得到了充分利用,基本沒有流動死區(qū)。而且,在文丘里結構擴張段,因高速流體噴出,增強流體湍流程度,可有效提高混合效果,從而有利于反應充分進行。計算模擬結果顯示,達到相同的混合效果,方形片需要的混合長度更長,所需混合速度更大,而本實施例的微流體反應器則很快實現(xiàn)了兩種流體的均勻混合。
實施例2
本實施例所公開的微流體反應器,在設計過程中,充分考慮了混合效率。圖8為現(xiàn)有技術的方形微通道反應器的混合效果圖,圖中左邊的數(shù)字表示流體的體積分數(shù)值。以兩種液體物料混合反應為例,以物料2在通道中體積分數(shù)來解釋混合效果,物料1在通道中某處的體積分數(shù)即為1減去物料2所占的體積分數(shù)。0表示某處物料2的體積分數(shù)為0;1表示某處物料2的體積分數(shù)為 100%。對于方形通道,物料需要經(jīng)過12塊以上的反應腔組合才能實現(xiàn)完全混合,并且,方形通道結構增強湍流程度的效果不夠好。
圖9為本實用新型的微流體反應器的混合效果圖,圖中左邊的數(shù)字表示流體的體積分數(shù)值。以兩種液體物料混合反應為例,以物料2在通道中體積分數(shù)來解釋混合效果,物料1在通道中某處的體積分數(shù)即為1減去物料2所占的體積分數(shù)。0表示某處物料2的體積分數(shù)為0;1表示某處物料2的體積分數(shù)為100%。對于方形通道,物料大約需要經(jīng)過9塊的反應腔組合即可實現(xiàn)完全混合。而且,本實用新型的新通道結構形式在第4塊反應腔中的混合程度已經(jīng)超過方形通道在第10塊反應腔中的混合程度。文丘里結構使流體在流動過程中動量不斷發(fā)生變化,流體也因在縮頸的部分速度提高而在擴張取出現(xiàn)噴射趨勢,湍流程度高、混合效果好,縮短了混合反應時間,與方形微通道反應器相比,大大提高了混合效率。
實施例3
如圖4,圖5所示,本實施例提供的微流體反應器,物料分別由第一流體入口和第二流體入口進入,一開始為單通道14,然后變?yōu)殡p通道15,最后變成四通道33。流體入口處通過第三大分流裝置27進行分流混合后進入單通道 14,雙通道15處采用第三小分流裝置28進行分流混合,在四通道33先采用第一大分流裝置31和第一小分流裝置32分流為兩個流路,然后在轉(zhuǎn)彎處,采用第二小分流裝置30和第二大分流裝置29混合成一個流路。四通道33和兩通道 15中,并列排布的相鄰兩個通道之間開設混流口17,以保證每條通道的流速相同,混流口17設置多個,優(yōu)選地,將兩個相鄰的核心反應腔采用混流通道連通?;炝骺诨蚧炝魍ǖ赖拈L度在0.002mm-6mm之間,寬度在0.002mm-3mm之間。
本實用新型實施例所公開的微流體反應器,反應介質(zhì)可以為氣體、液體或彌散介質(zhì),可以用于反應物在反應通道內(nèi)進行混合、彌散、乳化、懸浮等物理反應,也可以用于各種化學反應,如氧化、還原、取代、消除、加成、配體交換、金屬交換、離子交換、聚合、烷基化、脫烷基化、硝化、過氧化、磺化氧化、環(huán)氧化、氨氧化、氫化、脫氫、有機金屬反應、貴金屬反應、均相催化劑反應、羰基化、硫羰基化、烷氧基化、鹵化、脫鹵化氫、脫鹵化、加氫甲?;?、羧化、脫羧、胺化、芳基化、肽偶聯(lián)、醇醛縮合、環(huán)化縮合、脫氫環(huán)化、酯化、酰胺化、雜環(huán)合成、脫水、醇解、水解、氨解、醚化、酶合成、酮化、皂化、異構化、季胺化、甲?;?、相轉(zhuǎn)移反應、甲硅烷化、腈合成、磷酸化、臭氧分解、疊氮化學反應、復分解、氫化硅烷化、偶聯(lián)反應以及酶反應。
根據(jù)不同的反應需求,反應通道選用不同的材質(zhì),如金屬材質(zhì)更耐高壓, SiC材質(zhì)更耐酸堿腐蝕。具體地,可以為金屬材質(zhì)不銹鋼:如304不銹鋼、316 不銹鋼、316L不銹鋼、雙相鋼、超級奧氏體不銹鋼、超級雙相不銹鋼等;可以為鎳基合金:如哈氏合金、蒙乃爾合金、因科鎳等;可以為特殊的有色金屬:如鈦、鉭、鈮、鋯等;也可以為非金屬材質(zhì):如SiC、亞克力、石英等;甚至可以是幾種材料的組合。
綜上所述,本實用新型實施例所提提供的微流體反應器,與現(xiàn)有技術相比,至少具有如下優(yōu)點:
(1)持液量增加,是現(xiàn)有技術的10-40倍;
(2)處理量增加,是現(xiàn)有技術的20-60倍;
(3)壓降減小,變?yōu)楝F(xiàn)有技術的三分之一到三分之二;
(4)物料混合效果更好,混合效率為現(xiàn)有技術的1.5倍以上;
(5)基本消除了液體流動時的混合盲區(qū),混合效果好,反應收率提高;
(6)改善了換熱條件,換熱效果更高,對溫度控制更加精確。
本領域技術人員容易理解的是,在不沖突的前提下,上述各有利方式可以自由地組合、疊加。
以上所述,僅為本實用新型的具體實施方式,但本實用新型的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內(nèi),可輕易想到變化或替換,都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此,本實用新型的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。