一种具有竹节状微结构的微反应器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有竹节状微结构的微反应器，涉及微反应器技术领域。包括物料进口管，模块、物料出口管，换热器进口管和换热器出口管，模块和模块交替叠置在相对平行放置的进口管和出口管之间，模块与模块之间由膜块连接管连接而成。模块由金属材料构成的夹心结构，外层用于热传导液的循环流动，内层用于反应流体的混合和化学反应，从而实现了混合和传热的集成。这种结构在保持一定通量的流体时不会影响换热性能；且流体在微通道模块内提供了极佳的流动控制，能够以零下100℃到零上350℃，最高压力可达到10 兆帕，并且很大程度上改进生产效率、反应速度、安全性等，具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好的特性。
【专利说明】
一种具有竹节状微结构的微反应器
技术领域
[0001]本发明涉及微反应器技术领域，尤其涉及用于微化学反应的一种具有竹节状微结构的微反应器。【背景技术】
[0002]微通道反应器从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器，与常规反应器相比， 其内部通道直径非常细小，通常为10?500WH，但正是这种结构特性使其拥有极大的比表面积，甚至可达常规反应器比表面积的几百倍甚至上万倍，并因此产生了极大的换热效率和传质效率，从而可以精确控制反应温度，确保反应物料瞬间混合，有助于提高化学反应收率、选择性、安全性，以及产品质量。微通道反应器与常规宏观反应器相比，具有以下优势: ①通道几何特性:微通道反应器内微小的微通道结构极大的缩小了化学反应空间，而比表面积却相应大大增加。例如传统的实验装置和生产装置的比表面积分别不超过1000 m2/m3 和100 m2/m3，而由卡尔斯鲁尔研究中心制作的外形体积仅为1 cm3的微换热器，其比表面积却高达26200 m2/m3。②传递和宏观流动特性:随着微通道反应器内通道微型化尺度的变化，温度、浓度、密度、压力等物理量梯度也随之增加，而这些梯度差异将增加传质、传热推动力，从而扩大了传质扩散通量与传热效率。另外狭小的通道结构也缩短了扩散距离并限制了流动流型，减小轴向的返混，使其接近于平推流流动模型。③强化传递过程，在微通道反应器设备内微小的通道结构减小了流体流动厚度，相应的显著增大了比表面积。通常微通道设备的比表面积可以达常规实验室或工业设备的比表面积的10?100倍。因此，微通道内巨大的比表面积有利于非均相反应过程，大大强化非均相间的传质与传热，从而加快受传质控制多相反应进程，缩短反应时间。④提高产品收率和选择性，对于受传质控制的化学反应而言，微通道反应器的几何特性扩大了非均相体系的传质通量，同时接近于平推流的流动形式能够降低反应物之间的返混过程，并通过流速精确控制反应物的停留时间，从而大幅度减少副产物的生成，提高产物收率。在微通道反应器研究中较成功的案例为利用微通道反应器合成维生素前体时收率由25%提高了 80?85%。⑤利于温度控制，微通道反应器的换热系数非常大，可达25kW/(m2 ? K)。对于因放热效应非常强而受传热控制的化学反应， 微通道反应器可对温度分布变化作瞬时的响应，最大限度的移除化学反应热，使反应过程处于可控条件下，并且避免了反应热点现象，扩大了适用于反应过程的温度范围，通过强化反应条件来加快反应速率。这对于涉及需依靠精确反应温度来控制产物选择性与需防止产物受热分解的化学反应具有实际应用价值。⑥安全性能高，微通道反应器的的传质、传热特性可大大提高化工生产的安全性。高效的传热效率能够及时转移反应瞬间产生的大量反应热，避免反应器中出现常见的“热点”现象;微通道反应器可精确控制反应时间至秒级，可以及时有效阻断链式反应，从而精确控制易于爆炸的化学反应使其能在爆炸极限内稳定进行;微通道反应器内细小的单元体积内持液量有限，因此即使泄漏有毒有害的化学物质也不会造成重大伤害。微通道反应器的生产过程是通过数目放大的方式来实现的，因此可以确保操作的安全性。
[0003]现在微通道反应器大多是管式结构，或者微混合器和微管相连。这样的结构混合是在微尺寸下的自由扩散，对于均相反应来讲不存在问题，但是对于多相反应则存在混合效率不足的问题，影响反应效率，且微通道反应器对物料的流动控制效果不好，压力小，生产效率低，反应速度慢，而且因为现有的微通道反应器主要以陶瓷或玻璃材质制成，强度低，机械性能差，韧性及抗腐蚀性能差。
【发明内容】
[0004]本发明专利的目的在于提供一种微反应器，旨在解决现有技术微反应器用于硝化、皂化、氧化、加氢反应时混合效果不佳的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明专利的技术方案是:一种具有竹节状微结构的微反应器，所述的微反应器包括物料进口管，微通道、模块、物料出口管，换热器进口管和换热器出口管，模块和模块交替叠置在相对平行放置的进口管和出口管之间，模块与模块之间由膜块连接管连接而成。
[0006]所述的微通道模块是由金属材料构成的夹心结构，外层由换热器用于热传导液的循环流动，内层用于反应流体的混合和化学反应，从而实现了混合和传热的集成。其中换热器是热传导液经换热器进口流进，由换热器出口流出，实现热传导液的闭路循环流动。
[0007]所述的模块有物料进口管、物料出口管和外部换热器相连接而成。所述微反应器模块有两个进料口和一个出料口，进料口经由Y型管路进入具有连续脉冲变径微结构的反应微通道管路。物料通过计量栗从进口输送到具有竹节状微结构的模块通道内进行预热、 混合、反应，产品从微通道反应器的出口处收集。
[0008]所述的管内壁具有微结构。
[0009]所述的微结构为管内壁交替设置的若干界面呈“竹节”状的通道结构。[〇〇1〇]所述微反应器是具有变径微结构的模块组合而成，其中模块可以是单模块或双模块或多模块组成，模块与模块平行叠放排列，模块与模块之间由膜块连接管连接而成。
[0011]所述微反应器是具有变径微结构的通道组成，其中通道内部直径￠=4?10mn，微结构(20 )a=0 ? 5?2mn，( 30 )b=0 ? 5?2mn，L=10?20mn 〇[〇〇12]所述的微通道反应器材质由多种金属材料方案组成，包括单一金属材料材质: 316L不锈钢(SS316L)、哈氏合金(HC22或HG35)，以及复合金属材质-不锈钢复合薄层钛 (Ti)、金(Au)、铂(Pt)等，能够适合不同的反应工况，具有强耐腐蚀性和高耐温耐压性能。 [〇〇13] 所述的操作温度区间为-100~350°C，压力范围在0?lOMpa。
[0014]本发明专利的有益效果:本发明专利通过具有竹节状微结构的模块通道，增加了流体在管道流动过程中的速度和方向不断变化，提高混合效率;特别是对非均相反应时更加有利，提高了非均相反应的速率;这种结构在保持一定通量的流体时不会影响换热性能； 且流体在微通道模块内提供了极佳的流动控制，能够以零下l〇〇°C到零上350°C，最高压力可达到10兆帕，并且很大程度上改进生产效率、反应速度、安全性等，具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好的特性。本发明专利通过将竹节状的微结构密布排列于反应通道内腔，并通过金属板将通道外部密封，即可形成微通道，结构简单，生成成本低， 尤其是，采用竹节状的微结构排列于反应通道内时，各反应物在微通道内形成紊流，混合效果更佳，加速混合和反应的进行。【附图说明】
[0015]图1为微反应器单膜块组合图:11-进料口，13-单膜块，14-出料口，15-换热器进口，16-换热器出口。
[0016]图2为微反应器双膜块组合图:11-进料口，13-双膜块，14-出料口，5-换热器进口， 16-换热器出口，17-膜块连接管。
[0017]图3为微反应器多膜块组合图:11-进料口，13-多膜块，14-出料口，15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。
[0018]图4为微反应器系统整体侧视图:11-进料口，13-多膜块，14-出料口，15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。[〇〇19]图5为微反应器系统整体俯视图:11-进料口，13-多膜块，16-换热器出口。
[0020]图6为微反应器系统整体后视图:11_进料口，13-多膜块，15-换热器进口。16-换热器出口，17-膜块连接管。[0021 ]图7为微反应器系统整体前视图:11-进料口，13-多膜块，15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。[〇〇22]图8为微反应器单膜块正视图:11_进料口，13-单膜块，14-出料口，15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。
[0023]图9为微反应器单膜块轴侧图:11_进料口，13-单膜块，14-出料口，15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。
[0024]图10为微反应器单膜块内剖侧视图:11-进料口，12-通道，13-单膜块，14-出料口， 15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。
[0025]图11为微反应器单膜块内剖侧视图:11_进料口，12-通道，13-单膜块，14-出料口， 15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜块连接管。[〇〇26]图12为微反应器单膜块内剖正视图:11_进料口，12-通道，13-单膜块，14-出料口， 15-换热器进口，16-换热器出口，17-膜片连接管。[〇〇27]图13为微反应器通道结构图:12-通道，20、30-通道微结构。[〇〇28]图14为微反应器内部通道结构图:1-通道，20、30-通道微结构。
[0029]图15为微反应器外部通道结构图:12通道。【具体实施方式】
[0030]下面通过实施例对本发明专利作进一步解释说明，但并不因此而限制本发明专利的内容。
[0031]如图1所示，微反应器由单膜块(13)组成，模块外立面上方开有Y型物料流体进料口( 11 )、外立面下方开有物料流体出料口( 14)，物料流体在模块内层进行混合和化学反应， 从而实现了混合和传热的集成。模块外层由换热器(8)组成，热传导液经换热器进口(15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。[〇〇32]如图2所示，微反应器由双膜块(13)组成，模块与模块平行叠放排列，第一块模块外立面上方开有Y型物料流体进料口( 11)、第二块模块外立面下方开有物料流体出料口 (14)，每个模块内层有物料流体流动，外层由换热器(8)组成，热传导液经换热器进口(15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成。[〇〇33]如图3所示，微反应器由多膜块(13)组成，模块与模块平行叠放排列，第一块模块外立面上方开有Y型物料流体进料口( 11 )、最后一块模块外立面下方开有物料流体出料口(14)，每个模块内层有物料流体流动，外层由换热器(8)组成，热传导液经换热器进口(15) 流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成。[〇〇34] 如图4、5、6、和7所示，微反应器多模块(13)整体结构布局，包括侧视结构、俯视结构、后视结构和前视结构，整体布局按照图6所示，模块与模块平行依次叠放排列，第一块模块外立面上方开有Y型物料流体进料口( 11 )、最后一块模块外立面下方开有物料流体出料口( 14)，每个模块内层有物料流体流动，外层由换热器(8)组成，热传导液经换热器进口(15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成。[〇〇35] 如图8和9所示，微反应器单模块(13)结构布局，包括正视结构和轴侧结构，微反应器单模块(13)结构布局按照图4所示，模块外立面上方开有物料流体进料口(11)、外立面下方开有物料流体出料口(14)，物料流体在模块内层进行混合和化学反应，从而实现了混合和传热的集成。模块外层由换热器(8)组成，热传导液经换热器进口( 15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成。 [〇〇36]如图10、11和12所示，微反应器单膜块(13 )内剖结构布局，包括内剖侧视结构和内剖正视结构，按照图4所示，模块外立面上方开有物料流体进料口( 11 )、外立面下方开有物料流体出料口(14)，物料流体在模块内层进行混合和化学反应，从而实现了混合和传热的集成。模块外层由换热器(8)组成，热传导液经换热器进口(15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成。[〇〇37]如图13、14和15所示，微反应器单膜块(13)内部通道(12)结构布局，包括通道内部和外部结构，通道为具有竹节状微结构(20、30)的管路交替依次排列而成，这种结构将使流体间高速交叉撞击后使体系处于均匀分散状态，然后再进入具有竹节状的微通道管路，实现流体分离再结合的混合效果。
[0038] 实施例1参照图3、图11，【具体实施方式】采用以下技术方案:包括物料进口管(11 )，微通道(12 )、 模块(13 )、物料出口管(14 )，换热器进口管(15)和换热器出口管(16)，模块和模块交替叠置在相对平行放置的进口管和出口管之间，模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成;模块(13)是由金属材料构成的夹心结构，外层由换热器用于热传导液的循环流动，内层用于反应流体的混合和化学反应，从而实现了混合和传热的集成，其中换热器(8)是热传导液经换热器进口(15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动;模块(13)有两个进料口( 11)和一个出料口( 14)，进料口( 11)经由Y型管路进入具有竹节状微结构的反应微通道(12)管路;物料通过计量栗从进口(11)输送到具有竹节状微结构的模块通道内 (12)进行预热、混合、反应，产品从微通道反应器的出口处(14)收集;微通道反应器材质包括多种金属材料方案，包括单一金属材料材质:316L不锈钢(SS316L)、哈氏合金(HC22或 HG35)，以及复合金属材质-不锈钢复合薄层钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)等，能够适合不同的反应工况，具有强耐腐蚀性和高耐温耐压性能。操作温度区间为-100?350°C。压力范围在0? 10Mpa〇
[0039]本【具体实施方式】可以通过具有竹节状微结构的模块通道，增加流体在管道流动过程中的速度和方向不断变化，提高混合效率;特别是对非均相反应时更加有利，提高了非均相反应的速率;这种结构在保持一定通量的流体时不会影响换热性能;且流体在微通道模块内提供了极佳的流动控制，能够以零下100°c到零上350°C，最高压力可达到10兆帕，并且很大程度上改进生产效率、反应速度、安全性等，具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好的特性。
[0040]本发明专利通过将竹节状的微结构密布排列于反应通道内腔，并通过金属板将通道外部密封，即可形成微通道，结构简单，生成成本低，尤其是，采用竹节状的微结构排列于反应通道内时，各反应物在微通道内形成紊流，混合效果更佳，加速混合和反应的进行。
[0041]以上所述，仅为本发明专利较佳的【具体实施方式】，但本发明专利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专利披露的技术范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于:所述的微反应器包括物料进口管(11)，微通道(12)、模块(13)、物料出口管(14)，换热器进口管(15)和换热器出口管(16)，模 块和模块交替叠置在相对平行放置的进口管和出口管之间，模块与模块之间由膜块连接管 (17)连接而成。2.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于:所述的微通 道模块(13)是由金属材料构成的夹心结构，外层由换热器用于热传导液的循环流动，内层 用于反应流体的混合和化学反应，从而实现了混合和传热的集成;其中换热器(8)是热传导 液经换热器进口(15)流进，由换热器出口(16)流出，实现热传导液的闭路循环流动。3.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于:所述的模块 由物料进口管(11 )、物料出口管(14 )和外部换热器相连接而成;所述微反应器模块(13 )有 两个进料口( 11)和一个出料口( 14)，进料口( 11)经由Y型管路进入具有竹节状微结构的反 应微通道(12)管路;物料通过计量栗从进口(11)输送到具有竹节状微结构的模块通道内(12)进行预热、混合、反应，产品从微通道反应器的出口处(14)收集。4.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于:所述的管内 壁具有微结构(20、30)。5.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于:所述的微结 构为管内壁交替设置的若干界面呈“竹节”状的通道结构。6.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于，所述微反应 器是具有变径微结构的模块(13)组合而成，其中模块(13)可以是单模块或双模块或多模块 组成，模块与模块平行叠放排列，模块与模块之间由膜块连接管(17)连接而成。7.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于，所述微反应器是具有变径微结构的通道(12)组成，其中通道(12)内部直径? =4?10mn，微结构(20) ? a= 0?5?2mn，(30)b=0?5?2mn，L=10?20mn。8.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于，所述的微通 道反应器材质由多种金属材料方案组成，包括单一金属材料材质:316L不锈钢(SS316L)、哈 氏合金(HC22或HG35)，以及复合金属材质-不锈钢复合薄层钛(Ti)、金(Au)、铂(Pt)等，能够 适合不同的反应工况，具有强耐腐蚀性和高耐温耐压性能。9.根据权利要求1所述的一种具有竹节状微结构的微反应器，其特征在于，所述的操作 温度区间为-l〇〇~350°C，压力范围在0?lOMpa。
【文档编号】B01J19/00GK105964198SQ201610250650
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】孙萌, 张跃, 朱玥, 丁晓丹, 刘建武, 陈代祥, 朱竹青, 严生虎, 钱弘佳, 戚晶晶, 沈程, 周子晗, 吴炳泉, 王艺文
【申请人】常州大学