专利名称：复合换热式微反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微流体介质间进行传热、传质、发生化学反应的微型化学化工机械系统，特别涉及一种集成多温度区域的复合换热式微反应器。
背景技术：
根据化学化工领域广泛接受的微系统(microsystem)定义，微反应器(microreactor)是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级。对于分子水平的反应而言，微反应器的体积是非常大的，因此，它对反应机理和反应动力学特性的影响很小。与传统反应设备相比，其主要优势是对质量和热量传递过程的强化以及流体流动方式的改进。在微反应器内，温度梯度随着线尺度的减小很快增加，导致传热推动力的显著增加，从而扩大了单位体积或单位面积的热扩散通量；另外，由于减小了流体厚度，相应的面积体积比得到显著提高。强大的传热推动力和足够大的接触表面积使微通道内的反应流体与外界的热量交换容易得到控制。
在微反应器换热方式方面，早期多借用实验室装置所采用的油浴、水浴、烘箱或冷箱。这种方式影响微反应器与系统元件的集成，而且不利于在线监测。因此集成换热元件于一身成为微反应器的发展趋势。目前在集成换热元件的微反应器中，普遍采用置电阻加热器于微反应通道壁面外侧或以增加微加热通道板的方式来提供反应区所需的热量，通过增加微冷却通道板的方式移走反应区的热量。但是，当反应过程需要变温操作时，在同一微反应器内，上述加热和冷却方式不便于进行组合与封装。
德国美茵兹微技术研究所(IMM)的科学家通过在同一基板的上下板面间隔布置微反应通道和微换热通道，设计了一种更加紧凑的集成换热式金属微反应器，并在第2届“微反应技术”国际会议(IMRET 2)上作以公开。但是，这种两面交替布置微通道的方式不易于加工成形和基板结构的叠加放大，而且，当反应过程需要变温操作时，反应器内不易于同时布置加热通道和冷却通道。
美国麻省理工学院(MIT)的科学家在Angewandte Chemie Int.Ed.2005，44，2-6中公开了一种集成三种温度区域于一体的硅基微化学反应器，该反应器通过外部加热铝块和外部冷却铝块的方式，使铝块与含微反应通道的硅板进行热量交换，通过蚀刻去除基板上各热量交换区之间的硅材料，在同一微反应通道基板上形成中温区、局部高温区和局部低温区。但是，该微反应器的铝块换热单元显然不适于进一步的封装和工业化应用。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术在制造、组合、集成和封装方面的不足而提供一种能同时兼具换热器和反应器优点的复合换热式微反应器。该反应器可在同一装置中为放热(吸热)反应及时释放(供给)反应多余(所需)热量，实现强放热反应过程的等温操作或变温操作，吸热反应过程的等温操作或变温操作，吸热反应的即时终止；本发明的另一目的是通过对换热流体进行热量衡算，本发明还可作为化学反应吸(放)热量的测量分析工具。
本发明的技术方案为为了实现上述目的，本发明在同一基板上合理布置微反应通道、换热通道，在一个微反应器内沿一组微化学反应通道形成多段热量交换区，其传热效率高，反应速度快，反应过程的选择性好，物质转化率高，流动阻力低，结构强度高，耐高温、低温，反应器体积小，重量轻，空间布置方便，易于扩充反应单元数目，制造工艺简单，易批量生产，性价比高。
本发明的具体技术方案为一种复合换热式微反应器，由封板05和至少一块基板01组成，基板01的上板面同时具有微反应通道10和换热通道，每个通道至少有一个进口和一个出口；封板05上设有一系列进口通孔和出口通孔，并分别对应于所述基板01上各通道的进口与出口；基板01和封板05中至少存在一组相对应的隔热槽16、56，该隔热槽可通过去除实体材料或填充隔热材料而构成。
在一个基板01的上板面紧凑布置有一个微反应通道和至少两个换热通道；换热通道的数目根据反应所需传热量的多少适当增加，例如，当吸热反应过程的吸热量大时，为保证传热充分或反应通道温度均匀，应增加换热通道数，但换热通道段数目过多会影响反应器的紧凑程度。所述换热通道为微米尺度或毫米尺度，所述的反应通道为微米尺度，换热通道11、12、13伴随着所述微反应通道10以波形或蛇形弯曲形式分段紧凑布置。分段流经所述换热通道的热流体介质可以准确高效地提供化学反应发生所需要的热量；分段流经所述换热通道的冷流体介质可以及时地将化学反应产生的热量带走。所述基板上的各换热通道段中，提供热量的通道段与移走热量的通道段之间至少有一条通过去除实体材料或填充隔热材料而构成的隔热槽。吸热反应过程可以通过控制第一段换热通道内热流体介质的参数来提供热量，即时启动化学反应，通过控制中间段换热通道内流体介质的参数来维持化学反应沿最佳温度曲线进行，通过控制最末段换热通道内冷流体介质的参数来去除热量，即时终止化学反应。
封装所述基板的封板与基板长宽尺寸相同，厚度为微米量级或毫米量级。所述封板中设有对应于基板上各通道进口与出口的通孔以及对应于基板隔热槽的隔热槽。
将封板05与基板01对齐后通过键合或扩散焊接的方式使其紧密结合在一起形成一个单层结构的复合换热式微反应器。单层结构复合换热式微反应器的进口分别连接着流体化学物质容器，流体介质沿垂直板面方向从进口流入对应的通道，并沿垂直板面方向从通道的出口流出微反应器。
本发明还涉及一种复合换热式微反应器，所述的封板05作顶部封板，所述基板01作底部基板，至少还有一个中间基板03容纳在所述顶部封板和所述底部基板之间。其中，中间基板03上所有通道的进口和出口为通孔，其余特征与基板01相同。将封板、中间基板和基板对齐后通过键合或扩散焊接的方式使其紧密结合在一起形成一个多层结构的复合换热式微反应器。多层结构复合换热式微反应器的进口分别连接着流体化学物质容器，流体化学物质沿垂直板面方向从进口分布流入对应的各层通道中，并沿垂直板面方向在各层通道的出口处集中流出。其中所述的中间基板的数目需根据产量要求并综合参与反应和换热的各流体物质的流量、各通道截面尺寸、通道长度进行选择，应保证每股流体物质在反应进行中充满所在通道。若要保证反应停留时间均匀，中间基板不宜过多。
其中所述基板、中间基板和封板由硅、硅化合物、陶瓷、金属或耐热玻璃组成，或者由硅或硅化合物和耐热玻璃组成。
其中所述的基板、中间基板和封板通过铣削、化学刻蚀、等离子刻蚀、电火花烧蚀、激光烧蚀或LIGA技术进行加工。
其中所述的基板、中间基板和封板采用键合或扩散焊接的方式进行封装。
对于催化反应，催化剂在封装前可采用气相沉积技术或嵌入多孔材料的方式布置，也可在封装完成后采用浆态技术在反应通道壁面涂层。
本发明还提供了所述的反应器在化学反应吸(放)热量的测量分析中的应用。通过测量换热流体的质量流量M、进口温度T1、出口温度T2以及反应流体的质量流量M’，结合热量衡算式Q’＝Q＝Mc(T2-T1)可以计算出单位时间内化学反应过程中吸收或放出的热量Q’和单位质量反应物吸(放)热量Q’/M’。式中，Q是单位时间内换热流体的传热量，c是换热流体的热容。
有益效果1、本发明在同一基板上合理布置微反应通道、换热通道，在一个微反应器内沿一组微化学反应通道形成多段热量交换区，其传热效率高，反应速度快，反应过程的选择性好，物质转化率高，流动阻力低。
2、加工材料与制造手段灵活，可制作出结构强度高，耐高温、低温的反应器。
3、反应器体积小，重量轻，空间布置方便。
4、与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、加工方便，组合封装简单，易于扩充反应单元数目，易批量生产，更适于工业化应用的显著特点。
图1是由一个基板和一个封板组成的复合换热式微反应器原理示意图。
图2示出一个复合换热式微反应器的单层结构实施例分解图。
图3示出一个从下面看去的单层结构复合换热式微反应器实施例分解图。
图4示出一个单层结构复合换热式微反应器实施例的基板俯视图。
图5示出一个复合换热式微反应器的多层结构实施例分解图。
图6示出一个多层结构复合换热式微反应器实施例的中间基板结构图。
图7示出一个从下面看去的多层结构复合换热式微反应器实施例的中间基板结构图。
其中01为基板，02，03为中间基板，10，30为微反应通道，10a，30a 为微反应通道进口一，10b，30b为微反应通道进口二，10c，30c为微反应通道出口，11，31为第一组换热通道，11a，31a为第一组换热通道进口，11c，31c为第一组换热通道出口，12，32为第二组换热通道，12a，32a为第二组换热通道进口，12c，32c为第二组换热通道出口，13，33为第三组换热通道，13a，33a为第三组换热通道进口，13c，33c为第三组换热通道出口，16，36为基板上的隔热槽，17，37为基板上的销钉口，05为封板，50a，50b 为反应流体进口，50c为反应流体出口，51a为第一组换热流体进口，51c为第一组换热流体出口，52a为第二组换热流体进口，52c为第二组换热流体出口，53a 为第三组换热流体进口，53c为第三组换热流体出口，56为封板上的隔热槽，57为封板上的销钉通孔。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1如图1所示为复合换热式微反应器的原理，该示意结构包括基板01和封板05两部分。
基板01的上板面设有用于反应物混合并发生反应的微通道10、伴随微反应通道10布置的第一组换热通道11、伴随微反应通道10布置的第二组换热通道12、伴随微反应通道10布置的第三组换热通道13、起隔热作用的隔热槽16。其中，微反应通道10包括进口10a、10b和出口10c，第一组换热通道11包括进口11a和出口11c，第二组换热通道12包括进口12a和出口12c，第三组换热通道13包括进口13a和出口13c。
封板05上设有反应流体进口50a、50b和出口50c、第一组换热流体进口51a和出口51c、第二组换热流体进口52a和出口52c、第三组换热流体进口53a和出口53c、起隔热作用的隔热槽56。
所述结构化的基板01和封板05采用键合或扩散焊接的方式进行封装。
进口50a、50b、51a、52a、53a分别连接着流体化学物质容器，流体化学物质沿垂直封板05的方向从进口流入对应的通道，并沿垂直封板05的方向经通道的出口和封板05上的对应出口流出。
分段流经所述换热通道的热流体介质可以准确高效地提供化学反应发生所需要的热量；分段流经所述换热通道的冷流体介质可以及时地将化学反应产生的热量带走。吸热反应过程可以通过控制所述的第一段换热通道11内热流体介质的参数来提供热量，即时启动化学反应，通过控制中间段换热通道12内热流体介质的参数来维持化学反应沿最佳温度曲线进行，通过控制所述的最末段换热通道13内冷流体介质的参数来去除热量，即时终止化学反应。通过测量换热流体的质量流量M、进口温度T1、出口温度T2以及反应流体的质量流量M’，结合热量衡算式Q’＝Q＝Mc(T2-T1)可以计算出单位时间内化学反应过程中吸收或放出的热量Q’和单位质量反应物吸(放)热量Q’/M’。式中，Q是单位时间内换热流体的传热量，c是换热流体的热容。
实施例2以吸热非催化反应过程为例，介绍一个单层结构复合换热式微反应器实施例的成形及应用。
如图2所示为一个复合换热式微反应器的单层结构实施例分解图，它由硅材料基板01和耐热玻璃封板05组成。
如图3与图所示，以从下面看去的角度示出一个单层结构复合换热式微反应器实施例的分解图。
如图4所示为一个单层结构复合换热式微反应器实施例中硅材料基板01的俯视图。
通过采用等离子刻蚀技术去除硅材料，在基板01的上板面刻制出反应物混合并发生反应的蛇形微通道10、伴随微反应通道10布置的用于提供热量启动反应的第一段换热通道11、伴随微反应通道10布置的用于提供热量维持反应的第二段换热通道12、伴随微反应通道10布置的用于移走热量即时终止反应的第三段换热通道13、起隔热作用的缝隙16、起对中作用的销钉口17。其中，微反应通道10包括进口10a、10b和出口10c，第一段换热通道11包括进口11a和出口11c，第二段换热通道12包括进口12a和出口12c，第三段换热通道13包括进口13a和出口13c。
通过湿法化学刻蚀过程在耐热玻璃封板05上蚀刻出反应流体进口50a、50b和出口50c、第一组换热流体进口51a和出口51c、第二组换热流体进口52a和出口52c、第三组换热流体进口53a和出口53c、起隔热作用的缝隙56、起对中作用的销钉通孔57。
硅材料基板01和耐热玻璃封板05通过销钉对中后，采用阳极键合技术进行封装。
进口50a、50b、51a、52a、53a分别连接着流体化学物质容器，流体化学物质沿垂直封板05的方向从进口流入对应的通道，并沿垂直封板05的方向经通道的出口和封板05上的对应出口流出。
实施例3以吸热非催化反应过程为例，介绍一个多层结构复合换热式微反应器实施例的成形及应用。
如图5所示为一个304不锈钢材料制成的复合换热式微反应器的三层结构实施例分解图。它由一个基板01、一个封板05以及两个特征相同的中间基板02和03组成。
通过采用化学刻蚀技术去除不锈钢材料，在304不锈钢基板01，304不锈钢中间基板02和03的上板面蚀刻出形式相同的通道结构。然后采用电火花烧蚀技术在电火花成形机床上采用薄片状黄铜电极在基板01、中间基板02和03上放电烧蚀出起隔热作用的缝隙。最后采用电火花烧蚀技术将中间基板02和03上所有通道的进口、出口以及销钉口钻为通孔。
下面以304不锈钢中间基板03为例对成形过程进行介绍。
如图6所示为一个304不锈钢材料制成的三层结构复合换热式微反应器实施例的中间基板03的结构图。
采用金属各向同性湿法化学刻蚀技术在304不锈钢中间基板03的上板面蚀刻出用于反应物混合并发生反应的蛇形微通道30，伴随微反应通道30布置的用于提供热量的第一段换热通道31、伴随微反应通道30布置的用于提供热量的第二段换热通道32、伴随微反应通道30布置的用于移走热量即时终止反应的第三段换热通道33、起对中作用的销钉口37。其中，微反应通道30包括进口通孔30a、30b和出口通孔30c，第一组换热通道31包括进口通孔31a和出口通孔31c，第二组换热通道32包括进口通孔32a和出口通孔32c，第三组换热通道33包括进口通孔33a和出口通孔33c。上述通孔是在蚀刻过程之后通过电火花钻孔技术成形。在电火花钻孔机床上用略小于通道口或销钉口直径的黄铜电极对准304不锈钢中间基板03上的各通道口和销钉口，依次放电烧蚀钻孔。在电火花成形机床上采用薄片状黄铜电极在304不锈钢中间基板03上放电烧蚀出起隔热作用的缝隙36。
图7与6图类似，以从下面看去的角度示出一个304不锈钢材料制成的三层结构复合换热式微反应器中间基板03的结构图。
采用电火花烧蚀技术在304不锈钢封板05上形成通孔和隔热缝隙。在电火花钻孔机床上用圆柱状黄铜电极在304不锈钢封板05上依次钻出反应流体进口通孔50a、50b和出口通孔50c、第一组换热流体进口通孔51a和出口通孔51c、第二组换热流体进口通孔52a和出口通孔52c、第三组换热流体进口通孔53a和出口通孔53c、起对中作用的销钉通孔57。在电火花成形机床上采用薄片状黄铜电极在304不锈钢封板05上放电烧蚀出起隔热作用的缝隙56。
304不锈钢基板01、304不锈钢中间基板02、304不锈钢中间基板03、304不锈钢封板05通过销钉对中后，采用真空扩散焊接技术进行封装。
进口50a、50b、51a、52a、53a分别连接着流体化学物质容器，流体化学物质沿垂直封板05的方向从进口流入对应的通道，并沿垂直封板05的方向经通道的出口和封板05上的对应出口流出。
权利要求
1.一种复合换热式微反应器，由封板(05)和至少一块基板(01)组成，基板(01)的上板面同时具有微反应通道(10)和换热通道，每个通道至少有一个进口和一个出口；封板(05)上设有一系列进口通孔和出口通孔，并分别对应于所述基板(01)上各通道的进口与出口；基板(01)和封板(05)中至少存在一组相对应的隔热槽(16)、(56)，该隔热槽可通过去除实体材料或填充隔热材料构成。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于基板(01)上有一个微米尺度微反应通道，至少有两个微米尺度或毫米尺度换热通道。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述换热通道伴随着所述微反应通道(10)以波形或蛇形弯曲形式分段紧凑布置。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于基板数超过一块时，中间的基板(03)上所有通道的进口和出口为通孔，其余特征与基板(01)相同。
5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述流体介质沿垂直板面方向沿进口流入微反应器，沿垂直板面方向沿出口流出微反应器。
6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述基板(01)和封板(05)由硅、硅化合物、陶瓷、金属或耐热玻璃组成，或者由硅或硅化合物和耐热玻璃组成。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的基板(01)和封板(05)通过铣削、化学刻蚀、等离子刻蚀、电火花烧蚀、激光烧蚀或LIGA技术进行加工。
8.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的基板(01)和封板(05)采用键合或扩散焊接的方式进行封装。
9.一种如权利要求1所述的反应器在化学反应吸(放)热量的测量分析中的应用。
全文摘要
本发明涉及的是一种微流体介质间进行传热、传质、发生化学反应的微型化学化工机械系统，特别是一种集成多温度区域的换热式微反应器。结构具有基板和封板，一个或若干个基板跟封板组合构成单层结构或多层结构。基板上设有一个微化学反应通道和若干个换热通道，沿一组微化学反应通道形成多段热量交换区，整体实现强放热反应过程的等温操作或变温操作、吸热反应过程的等温操作或变温操作以及吸热反应的即时终止。此外，还可作为化学反应吸(放)热量的测量分析工具。
文档编号B01J19/00GK1907555SQ200610088398
公开日2007年2月7日 申请日期2006年7月17日 优先权日2006年7月17日
发明者王豪杰, 涂善东, 张锴, 巩建鸣 申请人:南京工业大学