一种微反应单元及微反应器的制作方法

本发明涉及反应设备技术领域，具体的说是一种应用在化工、医药等领域使用的微反应器，使反应介质可在微反应器的反应通道内充分混合并进行物理反应或化学反应。

背景技术：

微反应器，是利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到3000μm之间的微型反应器。反应介质可以是气体的、液体的或者弥散物，用于反应物在该通道内进行物理反应，如混合、弥散、乳化、悬浮等；或者化学反应，如氧化、还原、取代、消除、加成、配体交换、及离子交换，或者更具体的说聚合、烷基化、脱烷基化、硝化、过氧化、磺化氧化、环氧化、氨氧化、氢化、脱氢、有机金属反应、贵金属反应/均相催化剂反应、羰基化、硫羰基化、烷氧基化、卤化、脱卤化氢、脱卤化、加氢甲酰化、羧化、脱羧、胺化、芳基化、肽偶联、醇醛缩合、环化缩合、脱氢环化、酯化、酰胺化、杂环合成、脱水、醇解、水解、氨解、醚化、酶合成、酮化、皂化、异构化、季胺化、甲酰化、相转移反应、甲硅烷化、腈合成、磷酸化、臭氧分解、叠氮化学反应、复分解、氢化硅烷化、偶联反应或酶反应等。

微反应器的“微”不是特指微反应器设备的外形尺寸大小；也不是指微反应器设备产品的产量小；而是表示工艺流体的通道在微米级别；微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也能实现很高的产量。

微反应器比常规的通道式反应器的尺寸要小得多，但微反应器从本质上来讲仍是一种连续流动的通道式反应器。微反应系统通常包括换热、混合、分离、分析和控制等高度集成单元。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。良好的传质性能保证了物料的快速混合，传热效率的提高使得反应能在等温条件下快速反应。

微反应器相比于传统釜式反应器优势：

1.高的热传导系数，实现反应条件精确控制；

2.毫秒或纳微秒混合时间缩小了反应器体积；

3.高比表面积增大强化反应过程

4.提高产品转化率和反应收率；

5.无放大效应，减少中试环节，缩短工艺开发周期；

6.良好的安全性能；

7.大量减少有毒、有污染溶剂的使用；

8.连续化生产。

现有技术的微反应器，其主要有以下几个问题：

1.微反应器上非反应通道部分多，单个反应片的有效利用率低，反应片上的微反通道距离短，通道持液量小，处理量小；

2.每个相邻通道上都需要完成180°转向，压力损失大，能耗高；

3.换热通道与反应通道相隔至少一个片的厚度，换热效率低；

4.微反应器上非反应通道部分多，单个反应片的有效利用率低，反应片上的微反通道距离短，完成一定的混合和/或反应需要的片数多，成本高。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺陷，提供了一种微反应单元及微反应器。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一方面，本发明提供一种微反应单元，包括本体，所述本体为板状结构，本体上设有反应物进口和反应物出口，反应物进口和反应物出口之间通过反应通道相连通，所述反应通道围绕所述反应物进口或反应物出口呈螺旋形盘绕。

优选地，板状结构的所述本体包括相背的第一端面和第二端面，且所述反应物进口或反应物出口具有中心线，在所述第一端面和/或所述第二端面上沿所述中心线方向、且围绕所述中心线地开设有至少一条第一螺旋形槽，形成所述的反应通道。

优选地，还包括与具有所述第一螺旋形槽的所述本体的端面相接的封板。

优选地，在所述反应通道上的任意位置还设置有用于对流经该位置的流体起到扰流作用的扰流结构；和/或，在所述反应通道上的任意位置还设置有用于对流经该位置的流体起到分流作用的分流结构。

优选地，所述扰流结构包括在所述反应通道中的任意位置处设置用以阻挡反应流体流动的阻挡结构，和/或，所述扰流结构包括在所述反应通道中的任意位置将该处通道进行扩张而形成的扩张结构；

优选地，所述阻挡结构和所述扩张结构在所述中心线的垂直平面上的截面形状均为圆形或方形；

优选地，所述分流结构包括设置在所述反应通道中的任意位置处的“V”字型结构。

优选地，在所述本体上还设有换热介质进口和换热介质出口，以及围绕所述换热介质进口或所述换热介质出口设置在所述本体上的呈螺旋形盘绕的换热通道；

优选地，所述本体上在所述第一端面和/或所述第二端面上沿所述中心线方向、且围绕所述中心线还开设有至少一条第二螺旋形槽，形成用于换热的换热通道，且所述第二螺旋形槽的两端分别形成换热介质进口和换热介质出口。

优选地，所述换热通道与所述反应通道形成于所述本体的相同端面或不同端面上，且所述换热通道与反应通道不相交。

优选地，所述本体为圆形板状结构，所述反应通道为圆形螺旋线结构；或者，所述本体为多边形板状结构，所述反应通道为多边形螺旋线结构。

另一方面，本发明还提供一种微反应器，包括至少两个以上所述的微反应单元，相邻的所述微反应单元通过端面相贴合的方式相接，并且一微反应单元的反应物出口与另一微反应单元的反应物进口相连通。

优选地，当相邻的两个所述微反应单元均包括换热通道时，其中一微反应单元的换热介质出口与另一微反应单元的换热介质进口相连通；或者，其中一微反应单元的换热介质进口与另一微反应单元的换热介质进口相连通，所述一微反应单元的换热介质出口与所述另一微反应单元的换热介质出口相连通。

本发明有益效果：

本发明对微反应器的反应通道进行结构改进，采用螺旋形结构，使微反应流体形成螺旋形，有利于反应流体的充分混合。同时，有效的减小反应压降。进一步的，本发明在此基础上，采用螺旋形结构的换热通道，强化流体换热，提高微反应换热的可控性(换热通道的换热效率高，并且和反应通道可以设计的相邻，能够迅速带走反应热度，因此可以通过控制换热介质的流量来控制换热的热量)。本发明的另一优点是，便于多级微反应器组合使用，可以根据需求自由组合，灵活应用，形成微反应系统。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种微反应单元结构示意图；

图2是一种微反应单元结构示意图；

图3是一种微反应单元示意图；

图4是一种微反应单元示意图；

图5是一种微反应单元示意图；

图6是一种多级组合的微反应单元示意图；

图7是带换热通道的微反应器结构示意图；

图8是多级组合的带换热通道的微反应器结构示意图；

图9是一种微反应器结构示意图；

图中，1-本体，12-封板，2-反应通道，21-扰流结构，211-扩张结构，212-阻挡结构，22、分流结构，3-反应物进口，4-反应物出口，5-反应通道间的连接通道，6-换热通道，7-换热介质进口，8-换热介质出口，9-换热通道间的连热门通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先需要指出，本发明的实施例仅仅公开几个优选的实施方式，不应该理解成对本发明实施的限制，本发明的保护范围仍以权利要求书所公开的内容为准。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供一种微反应单元，包括本体1，所述本体1为板状结构，本体1上设有反应物进口3和反应物出口4，反应物进口3和反应物出口4之间通过反应通道2相连通，所述反应通道2围绕所述反应物进口3呈螺旋形盘绕。可替代地，所述反应通道2也可围绕所述反应物出口4呈螺旋形盘绕。

本实施例对微反应器的反应通道进行结构改进，采用螺旋形的反应通道结构，使微反应流体形成螺旋形，有利于反应流体的充分混合。

优选地，板状结构的所述本体1包括相背的第一端面和第二端面，且所述反应物进口3或反应物出口4具有中心线，在所述第一端面或所述第二端面上沿所述中心线方向、且围绕所述中心线地开设有至少一条第一螺旋形槽，形成所述的反应通道2。

采用板状结构的本体1的端面为平面，在该端面上设置第一螺旋形槽形成所述反应通道2。

实施例2

优选地，还包括与具有所述第一螺旋形槽的所述本体1的端面相接的封板12。通过所述封板12将所述本体1上的第一螺旋形槽封盖，形成所述反应通道2。这样的结构设计使本体1的端面与封板12贴合连接。

优选地，在所述反应通道上的任意位置还设置有用于对流经该位置的流体起到扰流作用的扰流结构21；所述扰流结构21对流经的流体起到扰流作用，使流体进行混合，从而促使流体发生反应。

进一步优选地，所述扰流结构21包括在所述反应通道中的任意位置处设置用以阻挡反应流体流动的阻挡结构212，或者所述扰流结构21包括在所述反应通道中的任意位置将该处通道进行扩张而形成的扩张结构211；

进一步优选地，所述阻挡结构212和所述扩张结构211在所述中心线的垂直平面上的截面形状均为圆形或方形；

优选地，在所述反应通道2上的任意位置还设置有用于对流经该位置的流体起到分流作用的分流结构22，所述分流结构22用于对流经的流体起到分流作用，通常是将流体分流成为两个甚至更多的支流，在分流的过程促进流体混合充分。

进一步优选地，所述分流结构22包括设置在所述反应通道中的任意位置处的“V”字型结构。

在实施的过程中，可以根据反应的需要而单独设计扰流结构21，也可以单独设计分流结构22，或者同时在反应通道2上设计扰流结构21和分流结构22，从而使反应效果更好。

优选地，在所述本体1上还设有换热介质进口7和换热介质出口8，以及围绕所述换热介质进口7设置在所述本体1上的呈螺旋形盘绕的换热通道6；可替代地，所述换热通道6也可以是围绕所述换热介质出口呈螺旋形盘绕。

优选地，所述本体1上在所述第一端面和/或所述第二端面上沿所述中心线方向、且围绕所述中心线还开设有至少一条第二螺旋形槽，形成用于换热的换热通道6，且所述第二螺旋形槽的两端分别形成换热介质进口7和换热介质出口8。

所述换热通道6中的换热介质的流向，应根据反应通道2中的流体的流向进行选择，例如当所述反应通道2是围绕反应物进口3呈螺旋形盘绕，那么所述换热通道6也就对应地围绕换热介质进口7呈螺旋形盘绕，这样设置的目的是使换热通道的换热效果更好，及时地把反应通道2中的热量带走。

优选地，所述换热通道6与所述反应通道2形成于所述本体的相同端面或不同端面上，且所述换热通道6与反应通道2不相交。

优选地，所述本体1为圆形板状结构，所述反应通道2为圆形螺旋线结构；或者，所述本体为多边形板状结构，所述反应通道为多边形螺旋线结构。

另一方面，本发明还提供一种微反应器，包括至少两个以上所述的微反应单元，相邻的所述微反应单元通过端面相贴合的方式相接，并且一微反应单元的反应物出口与另一微反应单元的反应物进口相连通。

优选地，当相邻的两个所述微反应单元均包括换热通道时，其中一微反应单元的换热介质出口与另一微反应单元的换热介质进口相连通，从而形成两个微反应单元之间相互串联的结构；或者，其中一微反应单元的换热介质进口与另一微反应单元的换热介质进口相连通，所述一微反应单元的换热介质出口与所述另一微反应单元的换热介质出口相连通，从而形成两个微反应单元之间相互并联的结构。以满足不同的实际情况下各种不同需求的目的。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。