一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，涉及微反應器技術(shù)領(lǐng)域。包括物料進口管，模塊、物料出口管，換熱器進口管和換熱器出口管，模塊和模塊交替疊置在相對平行放置的進口管和出口管之間，模塊與模塊之間由膜塊連接管連接而成。模塊由金屬材料構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)，外層用于熱傳導液的循環(huán)流動，內(nèi)層用于反應流體的混合和化學反應，從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成。這種結(jié)構(gòu)在保持一定通量的流體時不會影響換熱性能；且流體在微通道模塊內(nèi)提供了極佳的流動控制，能夠以零下100℃到零上350℃，最高壓力可達到10 兆帕，并且很大程度上改進生產(chǎn)效率、反應速度、安全性等，具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好的特性。
【專利說明】
一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微反應器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及用于微化學反應的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]微通道反應器從本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動的管道式反應器，與常規(guī)反應器相比， 其內(nèi)部通道直徑非常細小，通常為10?500WH，但正是這種結(jié)構(gòu)特性使其擁有極大的比表面積，甚至可達常規(guī)反應器比表面積的幾百倍甚至上萬倍，并因此產(chǎn)生了極大的換熱效率和傳質(zhì)效率，從而可以精確控制反應溫度，確保反應物料瞬間混合，有助于提高化學反應收率、選擇性、安全性，以及產(chǎn)品質(zhì)量。微通道反應器與常規(guī)宏觀反應器相比，具有以下優(yōu)勢: ①通道幾何特性:微通道反應器內(nèi)微小的微通道結(jié)構(gòu)極大的縮小了化學反應空間，而比表面積卻相應大大增加。例如傳統(tǒng)的實驗裝置和生產(chǎn)裝置的比表面積分別不超過1000 m2/m3 和100 m2/m3，而由卡爾斯魯爾研究中心制作的外形體積僅為1 cm3的微換熱器，其比表面積卻高達26200 m2/m3。②傳遞和宏觀流動特性:隨著微通道反應器內(nèi)通道微型化尺度的變化，溫度、濃度、密度、壓力等物理量梯度也隨之增加，而這些梯度差異將增加傳質(zhì)、傳熱推動力，從而擴大了傳質(zhì)擴散通量與傳熱效率。另外狹小的通道結(jié)構(gòu)也縮短了擴散距離并限制了流動流型，減小軸向的返混，使其接近于平推流流動模型。③強化傳遞過程，在微通道反應器設備內(nèi)微小的通道結(jié)構(gòu)減小了流體流動厚度，相應的顯著增大了比表面積。通常微通道設備的比表面積可以達常規(guī)實驗室或工業(yè)設備的比表面積的10?100倍。因此，微通道內(nèi)巨大的比表面積有利于非均相反應過程，大大強化非均相間的傳質(zhì)與傳熱，從而加快受傳質(zhì)控制多相反應進程，縮短反應時間。④提高產(chǎn)品收率和選擇性，對于受傳質(zhì)控制的化學反應而言，微通道反應器的幾何特性擴大了非均相體系的傳質(zhì)通量，同時接近于平推流的流動形式能夠降低反應物之間的返混過程，并通過流速精確控制反應物的停留時間，從而大幅度減少副產(chǎn)物的生成，提高產(chǎn)物收率。在微通道反應器研究中較成功的案例為利用微通道反應器合成維生素前體時收率由25%提高了 80?85%。⑤利于溫度控制，微通道反應器的換熱系數(shù)非常大，可達25kW/(m2 ? K)。對于因放熱效應非常強而受傳熱控制的化學反應， 微通道反應器可對溫度分布變化作瞬時的響應，最大限度的移除化學反應熱，使反應過程處于可控條件下，并且避免了反應熱點現(xiàn)象，擴大了適用于反應過程的溫度范圍，通過強化反應條件來加快反應速率。這對于涉及需依靠精確反應溫度來控制產(chǎn)物選擇性與需防止產(chǎn)物受熱分解的化學反應具有實際應用價值。⑥安全性能高，微通道反應器的的傳質(zhì)、傳熱特性可大大提高化工生產(chǎn)的安全性。高效的傳熱效率能夠及時轉(zhuǎn)移反應瞬間產(chǎn)生的大量反應熱，避免反應器中出現(xiàn)常見的“熱點”現(xiàn)象;微通道反應器可精確控制反應時間至秒級，可以及時有效阻斷鏈式反應，從而精確控制易于爆炸的化學反應使其能在爆炸極限內(nèi)穩(wěn)定進行;微通道反應器內(nèi)細小的單元體積內(nèi)持液量有限，因此即使泄漏有毒有害的化學物質(zhì)也不會造成重大傷害。微通道反應器的生產(chǎn)過程是通過數(shù)目放大的方式來實現(xiàn)的，因此可以確保操作的安全性。
[0003]現(xiàn)在微通道反應器大多是管式結(jié)構(gòu)，或者微混合器和微管相連。這樣的結(jié)構(gòu)混合是在微尺寸下的自由擴散，對于均相反應來講不存在問題，但是對于多相反應則存在混合效率不足的問題，影響反應效率，且微通道反應器對物料的流動控制效果不好，壓力小，生產(chǎn)效率低，反應速度慢，而且因為現(xiàn)有的微通道反應器主要以陶瓷或玻璃材質(zhì)制成，強度低，機械性能差，韌性及抗腐蝕性能差。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明專利的目的在于提供一種微反應器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)微反應器用于硝化、皂化、氧化、加氫反應時混合效果不佳的問題。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明專利的技術(shù)方案是:一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，所述的微反應器包括物料進口管，微通道、模塊、物料出口管，換熱器進口管和換熱器出口管，模塊和模塊交替疊置在相對平行放置的進口管和出口管之間，模塊與模塊之間由膜塊連接管連接而成。
[0006]所述的微通道模塊是由金屬材料構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)，外層由換熱器用于熱傳導液的循環(huán)流動，內(nèi)層用于反應流體的混合和化學反應，從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成。其中換熱器是熱傳導液經(jīng)換熱器進口流進，由換熱器出口流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。
[0007]所述的模塊有物料進口管、物料出口管和外部換熱器相連接而成。所述微反應器模塊有兩個進料口和一個出料口，進料口經(jīng)由Y型管路進入具有連續(xù)脈沖變徑微結(jié)構(gòu)的反應微通道管路。物料通過計量栗從進口輸送到具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的模塊通道內(nèi)進行預熱、 混合、反應，產(chǎn)品從微通道反應器的出口處收集。
[0008]所述的管內(nèi)壁具有微結(jié)構(gòu)。
[0009]所述的微結(jié)構(gòu)為管內(nèi)壁交替設置的若干界面呈“竹節(jié)”狀的通道結(jié)構(gòu)。[〇〇1〇]所述微反應器是具有變徑微結(jié)構(gòu)的模塊組合而成，其中模塊可以是單模塊或雙模塊或多模塊組成，模塊與模塊平行疊放排列，模塊與模塊之間由膜塊連接管連接而成。
[0011]所述微反應器是具有變徑微結(jié)構(gòu)的通道組成，其中通道內(nèi)部直徑￠=4?10mn，微結(jié)構(gòu)(20 )a=0 ? 5?2mn，( 30 )b=0 ? 5?2mn，L=10?20mn 〇[〇〇12]所述的微通道反應器材質(zhì)由多種金屬材料方案組成，包括單一金屬材料材質(zhì): 316L不銹鋼(SS316L)、哈氏合金(HC22或HG35)，以及復合金屬材質(zhì)-不銹鋼復合薄層鈦 (Ti)、金(Au)、鉑(Pt)等，能夠適合不同的反應工況，具有強耐腐蝕性和高耐溫耐壓性能。 [〇〇13] 所述的操作溫度區(qū)間為-100~350°C，壓力范圍在0?lOMpa。
[0014]本發(fā)明專利的有益效果:本發(fā)明專利通過具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的模塊通道，增加了流體在管道流動過程中的速度和方向不斷變化，提高混合效率;特別是對非均相反應時更加有利，提高了非均相反應的速率;這種結(jié)構(gòu)在保持一定通量的流體時不會影響換熱性能； 且流體在微通道模塊內(nèi)提供了極佳的流動控制，能夠以零下l〇〇°C到零上350°C，最高壓力可達到10兆帕，并且很大程度上改進生產(chǎn)效率、反應速度、安全性等，具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好的特性。本發(fā)明專利通過將竹節(jié)狀的微結(jié)構(gòu)密布排列于反應通道內(nèi)腔，并通過金屬板將通道外部密封，即可形成微通道，結(jié)構(gòu)簡單，生成成本低， 尤其是，采用竹節(jié)狀的微結(jié)構(gòu)排列于反應通道內(nèi)時，各反應物在微通道內(nèi)形成紊流，混合效果更佳，加速混合和反應的進行。【附圖說明】
[0015]圖1為微反應器單膜塊組合圖:11-進料口，13-單膜塊，14-出料口，15-換熱器進口，16-換熱器出口。
[0016]圖2為微反應器雙膜塊組合圖:11-進料口，13-雙膜塊，14-出料口，5-換熱器進口， 16-換熱器出口，17-膜塊連接管。
[0017]圖3為微反應器多膜塊組合圖:11-進料口，13-多膜塊，14-出料口，15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。
[0018]圖4為微反應器系統(tǒng)整體側(cè)視圖:11-進料口，13-多膜塊，14-出料口，15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。[〇〇19]圖5為微反應器系統(tǒng)整體俯視圖:11-進料口，13-多膜塊，16-換熱器出口。
[0020]圖6為微反應器系統(tǒng)整體后視圖:11_進料口，13-多膜塊，15-換熱器進口。16-換熱器出口，17-膜塊連接管。[0021 ]圖7為微反應器系統(tǒng)整體前視圖:11-進料口，13-多膜塊，15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。[〇〇22]圖8為微反應器單膜塊正視圖:11_進料口，13-單膜塊，14-出料口，15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。
[0023]圖9為微反應器單膜塊軸側(cè)圖:11_進料口，13-單膜塊，14-出料口，15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。
[0024]圖10為微反應器單膜塊內(nèi)剖側(cè)視圖:11-進料口，12-通道，13-單膜塊，14-出料口， 15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。
[0025]圖11為微反應器單膜塊內(nèi)剖側(cè)視圖:11_進料口，12-通道，13-單膜塊，14-出料口， 15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜塊連接管。[〇〇26]圖12為微反應器單膜塊內(nèi)剖正視圖:11_進料口，12-通道，13-單膜塊，14-出料口， 15-換熱器進口，16-換熱器出口，17-膜片連接管。[〇〇27]圖13為微反應器通道結(jié)構(gòu)圖:12-通道，20、30-通道微結(jié)構(gòu)。[〇〇28]圖14為微反應器內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)圖:1-通道，20、30-通道微結(jié)構(gòu)。
[0029]圖15為微反應器外部通道結(jié)構(gòu)圖:12通道。【具體實施方式】
[0030]下面通過實施例對本發(fā)明專利作進一步解釋說明，但并不因此而限制本發(fā)明專利的內(nèi)容。
[0031]如圖1所示，微反應器由單膜塊(13)組成，模塊外立面上方開有Y型物料流體進料口( 11 )、外立面下方開有物料流體出料口( 14)，物料流體在模塊內(nèi)層進行混合和化學反應， 從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成。模塊外層由換熱器(8)組成，熱傳導液經(jīng)換熱器進口(15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。[〇〇32]如圖2所示，微反應器由雙膜塊(13)組成，模塊與模塊平行疊放排列，第一塊模塊外立面上方開有Y型物料流體進料口( 11)、第二塊模塊外立面下方開有物料流體出料口 (14)，每個模塊內(nèi)層有物料流體流動，外層由換熱器(8)組成，熱傳導液經(jīng)換熱器進口(15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成。[〇〇33]如圖3所示，微反應器由多膜塊(13)組成，模塊與模塊平行疊放排列，第一塊模塊外立面上方開有Y型物料流體進料口( 11 )、最后一塊模塊外立面下方開有物料流體出料口(14)，每個模塊內(nèi)層有物料流體流動，外層由換熱器(8)組成，熱傳導液經(jīng)換熱器進口(15) 流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成。[〇〇34] 如圖4、5、6、和7所示，微反應器多模塊(13)整體結(jié)構(gòu)布局，包括側(cè)視結(jié)構(gòu)、俯視結(jié)構(gòu)、后視結(jié)構(gòu)和前視結(jié)構(gòu)，整體布局按照圖6所示，模塊與模塊平行依次疊放排列，第一塊模塊外立面上方開有Y型物料流體進料口( 11 )、最后一塊模塊外立面下方開有物料流體出料口( 14)，每個模塊內(nèi)層有物料流體流動，外層由換熱器(8)組成，熱傳導液經(jīng)換熱器進口(15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成。[〇〇35] 如圖8和9所示，微反應器單模塊(13)結(jié)構(gòu)布局，包括正視結(jié)構(gòu)和軸側(cè)結(jié)構(gòu)，微反應器單模塊(13)結(jié)構(gòu)布局按照圖4所示，模塊外立面上方開有物料流體進料口(11)、外立面下方開有物料流體出料口(14)，物料流體在模塊內(nèi)層進行混合和化學反應，從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成。模塊外層由換熱器(8)組成，熱傳導液經(jīng)換熱器進口( 15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成。 [〇〇36]如圖10、11和12所示，微反應器單膜塊(13 )內(nèi)剖結(jié)構(gòu)布局，包括內(nèi)剖側(cè)視結(jié)構(gòu)和內(nèi)剖正視結(jié)構(gòu)，按照圖4所示，模塊外立面上方開有物料流體進料口( 11 )、外立面下方開有物料流體出料口(14)，物料流體在模塊內(nèi)層進行混合和化學反應，從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成。模塊外層由換熱器(8)組成，熱傳導液經(jīng)換熱器進口(15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成。[〇〇37]如圖13、14和15所示，微反應器單膜塊(13)內(nèi)部通道(12)結(jié)構(gòu)布局，包括通道內(nèi)部和外部結(jié)構(gòu)，通道為具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)(20、30)的管路交替依次排列而成，這種結(jié)構(gòu)將使流體間高速交叉撞擊后使體系處于均勻分散狀態(tài)，然后再進入具有竹節(jié)狀的微通道管路，實現(xiàn)流體分離再結(jié)合的混合效果。
[0038] 實施例1參照圖3、圖11，【具體實施方式】采用以下技術(shù)方案:包括物料進口管(11 )，微通道(12 )、 模塊(13 )、物料出口管(14 )，換熱器進口管(15)和換熱器出口管(16)，模塊和模塊交替疊置在相對平行放置的進口管和出口管之間，模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成;模塊(13)是由金屬材料構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)，外層由換熱器用于熱傳導液的循環(huán)流動，內(nèi)層用于反應流體的混合和化學反應，從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成，其中換熱器(8)是熱傳導液經(jīng)換熱器進口(15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動;模塊(13)有兩個進料口( 11)和一個出料口( 14)，進料口( 11)經(jīng)由Y型管路進入具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的反應微通道(12)管路;物料通過計量栗從進口(11)輸送到具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的模塊通道內(nèi) (12)進行預熱、混合、反應，產(chǎn)品從微通道反應器的出口處(14)收集;微通道反應器材質(zhì)包括多種金屬材料方案，包括單一金屬材料材質(zhì):316L不銹鋼(SS316L)、哈氏合金(HC22或 HG35)，以及復合金屬材質(zhì)-不銹鋼復合薄層鈦(Ti)、金(Au)、鉑(Pt)等，能夠適合不同的反應工況，具有強耐腐蝕性和高耐溫耐壓性能。操作溫度區(qū)間為-100?350°C。壓力范圍在0? 10Mpa〇
[0039]本【具體實施方式】可以通過具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的模塊通道，增加流體在管道流動過程中的速度和方向不斷變化，提高混合效率;特別是對非均相反應時更加有利，提高了非均相反應的速率;這種結(jié)構(gòu)在保持一定通量的流體時不會影響換熱性能;且流體在微通道模塊內(nèi)提供了極佳的流動控制，能夠以零下100°c到零上350°C，最高壓力可達到10兆帕，并且很大程度上改進生產(chǎn)效率、反應速度、安全性等，具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好的特性。
[0040]本發(fā)明專利通過將竹節(jié)狀的微結(jié)構(gòu)密布排列于反應通道內(nèi)腔，并通過金屬板將通道外部密封，即可形成微通道，結(jié)構(gòu)簡單，生成成本低，尤其是，采用竹節(jié)狀的微結(jié)構(gòu)排列于反應通道內(nèi)時，各反應物在微通道內(nèi)形成紊流，混合效果更佳，加速混合和反應的進行。
[0041]以上所述，僅為本發(fā)明專利較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明專利披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明專利的技術(shù)方案及其發(fā)明專利構(gòu)思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明專利的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于:所述的微反應器包括物料進口管(11)，微通道(12)、模塊(13)、物料出口管(14)，換熱器進口管(15)和換熱器出口管(16)，模 塊和模塊交替疊置在相對平行放置的進口管和出口管之間，模塊與模塊之間由膜塊連接管 (17)連接而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于:所述的微通 道模塊(13)是由金屬材料構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)，外層由換熱器用于熱傳導液的循環(huán)流動，內(nèi)層 用于反應流體的混合和化學反應，從而實現(xiàn)了混合和傳熱的集成;其中換熱器(8)是熱傳導 液經(jīng)換熱器進口(15)流進，由換熱器出口(16)流出，實現(xiàn)熱傳導液的閉路循環(huán)流動。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于:所述的模塊 由物料進口管(11 )、物料出口管(14 )和外部換熱器相連接而成;所述微反應器模塊(13 )有 兩個進料口( 11)和一個出料口( 14)，進料口( 11)經(jīng)由Y型管路進入具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的反 應微通道(12)管路;物料通過計量栗從進口(11)輸送到具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的模塊通道內(nèi)(12)進行預熱、混合、反應，產(chǎn)品從微通道反應器的出口處(14)收集。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于:所述的管內(nèi) 壁具有微結(jié)構(gòu)(20、30)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于:所述的微結(jié) 構(gòu)為管內(nèi)壁交替設置的若干界面呈“竹節(jié)”狀的通道結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于，所述微反應 器是具有變徑微結(jié)構(gòu)的模塊(13)組合而成，其中模塊(13)可以是單模塊或雙模塊或多模塊 組成，模塊與模塊平行疊放排列，模塊與模塊之間由膜塊連接管(17)連接而成。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于，所述微反應器是具有變徑微結(jié)構(gòu)的通道(12)組成，其中通道(12)內(nèi)部直徑? =4?10mn，微結(jié)構(gòu)(20) ? a= 0?5?2mn，(30)b=0?5?2mn，L=10?20mn。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于，所述的微通 道反應器材質(zhì)由多種金屬材料方案組成，包括單一金屬材料材質(zhì):316L不銹鋼(SS316L)、哈 氏合金(HC22或HG35)，以及復合金屬材質(zhì)-不銹鋼復合薄層鈦(Ti)、金(Au)、鉑(Pt)等，能夠 適合不同的反應工況，具有強耐腐蝕性和高耐溫耐壓性能。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有竹節(jié)狀微結(jié)構(gòu)的微反應器，其特征在于，所述的操作 溫度區(qū)間為-l〇〇~350°C，壓力范圍在0?lOMpa。
【文檔編號】B01J19/00GK105964198SQ201610250650
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】孫萌, 張躍, 朱玥, 丁曉丹, 劉建武, 陳代祥, 朱竹青, 嚴生虎, 錢弘佳, 戚晶晶, 沈程, 周子晗, 吳炳泉, 王藝文
【申請人】常州大學