一种精确放大的微反应器、制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种精确放大的微反应器、制备方法及其应用，属于微化工技术领域。

背景技术：

微反应器具有传热传质效率高，绿色、安全等独特的优势，而成为化工设备革命性的新成果，具有非常广阔的应用前景。微反应器可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以在微反应器中实现。而微反应器的“微”字表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。理论上微反应器中可以包含有成千上万的微通道，因此也可以实现很高的产量。

但现有的问题是，生产具有成千上万微通道的微反应器确实是大难题。理想状态下，微反应器放大应该采用“通道数叠加（Numbering up）”方式，即增加功能单元的方式，但是这种方式就意味着要加工集成成千上万个微通道，而且每个通道中还可能具有复杂的结构，主通道与这成千上万个通道之间的联系通道的结构更加复杂，因为还需要保证各个通道的温度、压力、流型都高度一致。因此，目前世界上通行的放大微反应器的办法是采取一种折中的放大方式：“反应腔扩大”，例如由微米级扩大为毫米级甚至厘米级。这样确实可以大大提高反应器的处理量，降低通道内的压力。然而，这种方案却会改变微反应器的一些基本特征，例如由稳定层流或段塞流转而成为传统的湍流、微米级的稳定的液流接触变成液滴不断聚并的不稳定接触、可控可知的传质界面变成不可控的传质界面，从而降低了微反应过程的反应效率或选择性，使得微流体反应的优势无法充分发挥。另外，采用带多个通道的金属板叠层法可以实现通道数目的增加，但其主通道与内部成千上万个通道之间的连接仍然难以实现，而且通道的密封、封装等都非常困难。

近年来迅速发展的3D打印技术也开始用于生产微反应器，但是却没有能解决精确地放大微反应器的难题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种精确放大的微反应器、制备方法及其应用。本发明解决了微反应器这种很有前景的化工设备精确放大的难题，实现了成千上万个微通道的集成，进出口主通道与内部成千上万个通道的连接，并确保各个通道的温度、压力、流型都高度一致，本发明通过以下技术方案实现。

一种精确放大的微反应器，包括进料口、至少2个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、至少2个通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变。

所述进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm。

所述连接管道为对称或不对称的Y型，T型，双Y型，双T型，Ψ型，弧型，阶梯型的一种或多种的组合。

所述通道为直通道、带多个楔形或弧形区域的通道、弧形通道、螺旋通道、折线通道、筛孔通道、不规则通道中的一种或几种的组合。

单个通道上设有单个换热单元。

所述换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口。

所述通道为微米级或毫米级。

所述通道上采用浸渍、反应固化、热处理的方法设有催化剂。

所述的微反应器包含的通道数为成千上万甚至更多。

所述的微反应器包含的通道数不少于100个。

所述的微反应器包含的通道数不少于1000个。

所述的微反应器包含的通道数不小于10000个。

所述的微反应器包含的通道数不少于100000个。

所述的微反应器包含的通道数不少于1000000个。

所述的微反应器包含的通道数不少于10000000个。

所述的微反应器包含的通道数不少于100000000个。

上述精确放大的微反应器为微混合器和/或微换热器。

上述通道内各相的流型为层流、段塞流、滴流或湍流的一种或多种的组合。

一种精确放大的微反应器制备方法，其具体步骤如下：

（1）对待放大的单个通道、进料口、出料口和连接管道的反应特性进行研究，确定单个通道的结构、尺寸、压力、流量、流型、温度的最佳值；

（2）将步骤（1）得到的单个通道的结构、尺寸、压力、流量、流型、温度的最佳值输入到3D打印模型中，至少集成2个通道，并添加连接管道，实现各个通道之间以及通道与进料口和出料口之间的衔接，获得精确放大微反应器的3D打印模型；

（3）将步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行仿真模拟，优化包括进料口、出料口、各个连接管道、各个通道的结构和尺寸；

（4）将经步骤（3）优化后的结构和尺寸对步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行修改，重复仿真模拟和修改，重复次数根据情况而定，得到最终的3D打印模型；

（5）根据精度要求和打印材料选择3D打印设备，将步骤（4）得到最终的3D打印模型输入到所选3D打印设备对应的3D打印软件中，进行二维化切片处理，逐层增材打印，根据所选打印类型的不同进行相应的后处理，得到精确放大的微反应器。

所述步骤（2）的3D打印模型中，进料口为两个胶囊微储液管，胶囊微储液管通过“Y”型结构通进料管道连接通道；出料口为分相管道，在分相管道的顶部和底部设有直径为5mm的出液管。

所述步骤（3）的仿真模拟软件为COMSOL、fluent或MATLAB。

所述步骤（5）中后处理为微反应器表面的清洗、通道的清理和疏通。

上述步骤（5）二维化切片处理将所述的修改后的3D打印模型沿Z轴方向按相等的层厚分割成一系列的二维图形。

一种精确放大的微反应器的应用，所述精确放大的微反应器为单相或多相反应，包括气液反应、液液反应、液固反应、气液液反应和液液固反应。

所述气液反应为气体吸收、曝气、气体洗脱。

所述液液反应为液液溶剂萃取、有机合成。

所述液固反应为共沉淀合成固体微粒。

本发明的有益效果是：

（1）本发明解决了微反应器这种很有前景的化工设备精确放大的难题，实现了成千上万个微通道的集成，进出口主通道与内部成千上万个通道的连接，并确保各个通道的温度、压力、流型都高度一致。

（2）本发明在呈数量级地提高微反应器处理量的基础上保证了微流体反应传热传质的优势，具有重大意义。

（3）本发明操作方法简单、操作性强、适应性广，可根据不用的体系选择不同的原材料等优势，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1微反应器立体结构示意图；

图2是本发明实施例1微反应器透视图；

图3是本发明实施例1微反应器反应通道区域横截面示意图。

图中：a-物料A的进料口，b-物料B的进料口，c-进料管道，d-反应通道区域，e-出料区，f-单个换热通道，g-单个通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

该精确放大的微反应器，包括进料口、1000个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变；其中进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm，单个通道上设有单个换热单元，换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口（如图3所示）。

将精确放大的微反应器应用在液液溶剂萃取过程中，特别涉及到铜铁分离的萃取反应。

该精确放大的微反应器制备方法，其具体步骤如下：

（1）对待放大的单个通道、进料口、出料口和连接管道的反应特性进行研究，确定单个通道的结构为直通道、尺寸、压力、流量、流型、温度的最佳值；

（2）将步骤（1）得到的单个通道的结构为直通道、尺寸为0.3×0.2×140mm（高、宽、长）、压力为0.2Mpa、两相流量分别为0.01L/min、流型为双界面层流、温度的为室温、pH值为1.5、进料管道为双“Y”输入到3D打印模型中，集成1000个通道，并添加连接管道，实现各个通道之间以及通道与进料口和出料口之间的衔接，获得精确放大微反应器的3D打印模型，在此过程中进料口为两个直径10mm，高为50mm胶囊微储液管来进一步保证油水两相进入每个通道时的压力一致，双“Y”型进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm，出料口为直径20mm、高50mm的分相管道，在其顶部和底部都有直径为5mm的出液管分别将油、水两相引出反应器（立体结构示意图如图1所示，透视图如图2所示）；

（3）将步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行通过COMSOL软件仿真模拟，优化包括进料口、出料口、各个连接管道、各个通道的结构和尺寸，具体步骤为：设置通道结构尺寸为全局变量，进行物理结构建模，分别添加液液两相萃取体系的粘度、密度等参数，添加CFD层流流动和管道流动模块，在计算模块中添加对通道尺寸和结构参数的扫描并加入优化函数，进行模拟计算，得到优化的结构参数；

（4）将经步骤（3）优化后的结构和尺寸对步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行修改，重复仿真模拟和修改，重复次数根据情况而定，得到最终的3D打印模型；

（5）根据精度要求和打印材料选择3D打印设备，将步骤（4）得到最终的3D打印模型输入到所选3D打印设备对应的3D打印软件中，进行二维化切片处理，使用类ABS光固化树脂,采用SLA激光固化成型技术进行打印，逐层增材打印，打印结束后，立即采用酒精在超声波清洗槽里清理打印得到的反应器表面及内部通道、采用泵向通道内注入酒精，疏通内部通道，烘干，得到放大的微反应器。

将本发明的微反应器应用于铜铁分离的萃取反应中，具体实验结果和参数比较见表1。

表1

通过实施例1的铜铁分离的萃取反应的实验可知，本发明的微反应器确保了各个通道的温度、压力、流型高度一致，同时在呈数量级地提高微反应器处理量的基础上保证了微流体反应传热传质的优势。

实施例2

该精确放大的微反应器，包括进料口、10000个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变；其中进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm，单个通道上设有单个换热单元，换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口（如图3所示）。

将精确放大的微反应器应用在气液反应中的气体吸收，特别涉及到稀碱液吸收硫化氢气体的反应。

该精确放大的微反应器制备方法，其具体步骤如下：

（1）对待放大的单个通道、进料口、出料口和连接管道的反应特性进行研究，确定单个通道的结构为直通道、尺寸、压力、流量、流型、温度的最佳值；

（2）将步骤（1）得到的单个通道的结构为内部有楔形导流坎的螺旋状通道、尺寸为直径0.23mm、压力为0.2Mpa、压力为0.3Mpa、气液流量分别为50mL/min和20mL/min、流型为段塞流、通道长度为240mm，温度为60℃、进料管道为“Y”输入到3D打印模型中，集成10000个通道，并添加连接管道，实现各个通道之间以及通道与进料口和出料口之间的衔接，获得精确放大微反应器的3D打印模型，在此过程中进料口为两个直径为30mm，高为80mm胶囊微储液管来进一步保证水气两相进入每个通道时的压力一致， “Y”型进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm，出料口为直径为30mm，高为80mm的分相管道，在其顶部和底部都有直径为5mm的出液管分别将气、水两相引出反应器；

（3）将步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行通过fluent软件仿真模拟，优化包括进料口、出料口、各个连接管道、各个通道的结构和尺寸；

（4）将经步骤（3）优化后的结构和尺寸对步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行修改，重复仿真模拟和修改，重复次数根据情况而定，得到最终的3D打印模型

（5）根据精度要求和打印材料选择3D打印设备，将步骤（4）得到最终的3D打印模型输入到所选3D打印设备对应的3D打印软件中，进行二维化切片处理，按相等的层厚分割成一系列的二位图形，然后使用金属烧结3D打印方法得到耐酸碱腐蚀的Ti合金材质的微反应器；打印结束后，立即采用酒精在超声波清洗槽里清理打印得到的反应器表面及内部通道、采用泵向通道内注入酒精，疏通内部通道，烘干，得到放大的微反应器。

采用磨床去除反应器表面的毛刺，采用稀酸液进行管道内的清洗，再用压缩空气吹掉内部残液和残渣，得到具有10000个通道的微反应器产品。

将本发明的微反应器应用于稀碱液吸收硫化氢气体的反应，具体实验结果和参数对比见表2。

表2

通过实施例2的稀碱液吸收硫化氢气体反应的实验可知，本发明的微反应器确保了各个通道的温度、压力、流型高度一致，同时在呈数量级地提高微反应器处理量的基础上保证了微流体反应传热传质的优势。

实施例3

该精确放大的微反应器，包括进料口、100个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变；其中进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm，单个通道上设有单个换热单元，换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口（如图3所示）。

将精确放大的微反应器应用在液液反应中的气体吸收，特别涉及针对In³⁺和Fe³⁺、Zn²⁺的微流体萃取分离。

该精确放大的微反应器制备方法，其具体步骤如下：

（1）对待放大的单个通道、进料口、出料口和连接管道的反应特性进行研究，确定单个通道的结构为直通道、尺寸、压力、流量、流型、温度的最佳值；

（2）将步骤（1）得到的单个通道的结构为直通道、尺寸为0.6×0.05×140mm（宽、高、长）、压力为0.2Mpa、两相流量分别为0.01 L/min、流型层流、温度为室温、pH值为0.432，进料管道为“Y”型输入到3D打印模型中，集成100个通道，并添加连接管道，实现各个通道之间以及通道与进料口和出料口之间的衔接，获得精确放大微反应器的3D打印模型，在此过程中进料口为两个胶囊微储液管来进一步保证水油两相进入每个通道时的压力一致，“Y”型进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm，出料口为直径为30mm，高为80mm的分相管道，在其顶部和底部都有直径为5mm的出液管分别将油、水两相引出反应器；

（3）将步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行通过fluent软件仿真模拟，优化包括进料口、出料口、各个连接管道、各个通道的结构和尺寸；

（4）将经步骤（3）优化后的结构和尺寸对步骤（2）得到的精确放大微反应器的3D打印模型进行修改，重复仿真模拟和修改，重复次数根据情况而定，得到最终的3D打印模型

（5）根据精度要求和打印材料选择3D打印设备，将步骤（4）得到最终的3D打印模型输入到所选3D打印设备对应的3D打印软件中，进行二维化切片处理，按使用类ABS光固化树脂,采用SLA激光固化成型技术进行打印；立即采用酒精在超声波清洗槽里清理打印得到的反应器表面及内部通道、采用泵向通道内注入酒精，疏通内部通道，烘干，得到放大的微反应器。

将本发明的微反应器应用于In³⁺和Fe³⁺、Zn²⁺ 的微流体萃取分离，具体实验结果和参数比较见表3。

表3

通过实施例3的In³⁺和Fe³⁺、Zn²⁺的微流体萃取分离反应的实验可知，本发明的微反应器确保了各个通道的温度、压力、流型高度一致，同时在呈数量级地提高微反应器处理量的基础上保证了微流体反应传热传质的优势。

实施例4

该精确放大的微反应器，包括进料口、不小于10000个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变；进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm；连接管道为不对称的Y型和阶梯型组合；通道为直通道和弧形通道组合，单个通道上设有单个换热单元，换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口，通道为微米级或毫米级。

上述精确放大的微反应器能够应用在气液液反应中。

实施例5

该精确放大的微反应器，包括进料口、不小于10000000个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变；进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm；连接管道为不对称的双T型、弧型和Ψ型组合；通道为弧形通道、螺旋通道、折线通道、筛孔通道和弧形通道组合，单个通道上设有单个换热单元，换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口，通道为微米级或毫米级。

上述精确放大的微反应器能够应用在液液固反应中。

实施例6

该精确放大的微反应器，包括进料口、不小于10000000个通道、出料口和连接管道，连接管道包括进料口与通道之间连接的进料管道、通道之间的连接管和通道与出料口之间连接的出料管道，进料管道的进料入口到出料入口管道直径从大到小渐变；进料管道的进料入口到出料入口管道直径从0.5mm渐变到0.2mm；连接管道为Y型；通道为弧形通道，单个通道上设有单个换热单元，换热单元包括单个换热通道及其连接管道和进出液口，通道为微米级或毫米级，通道上采用浸渍方法设有金属铂催化剂。

上述精确放大的微反应器能够应用在液液固反应中。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。