一种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，是指利用例如精密加工技术等手段制造的微型反应器，其特征尺寸通常在10到3000μm之间。如本领域的技术人员所理解的，微反应器的“微”不是特指微反应器设备的外形尺寸小，也不是指微反应器设备产品的产量小，而是表示工艺流体(反应介质)的反应通道在微米级别(至多到毫米级别)，即，反应通道为微型反应通道。微反应器中可以包含有成百万上千万的这样的微型反应通道，因此也能够实现很高的产量。

微反应器比常规的管道式反应器的尺寸仍然要小得多，但微反应器从本质上来讲仍是一种连续流动的管道式反应器。微反应系统通常可以包括换热、混合、分离、分析和控制等高度集成单元。对于微反应器而言，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，决定了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，传热效率的提高则使得反应能在等温条件下快速反应。

CN101873890B公开的名称为“过程加强的微流体装置”，其采用多个相继的腔室，并进一步公开了“多个相继的腔室中的每一个紧接地相继有所述腔室中的另一个腔室，并还包括逐渐变窄的出口和分割改向壁，所述逐渐变窄的出口形成所述相继的腔室的相应的变窄的进口……”。上述设计，采用逐渐变窄的进口在实现流体混合的过程中，仅能通过分流和改变流向的作用实现流体混合。上述设计的缺点在于，腔室中流体的流速变化不明显，不能通过改变流体速度以及与缓冲相结合的方式实现流体的混合。

技术实现要素：

针对现有技术的上述现状，本发明的主要目的在于提供一种微反应器，通过射流与反冲相结合的方式实现流体快速混合分流，解决现有技术微反应器的腔室中流速变化不大，混合效果不佳的问题。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种微反应器，包括反应通道，所述反应通道上设有至少两个反应腔室，其中：上游的第一反应腔室的出口与下游的第二反应腔室的入口连通，第一反应腔室的出口与第二反应腔室的入口之间通过射流通道连通，所述射流通道包括一段等截面通道，并且对应所述射流通道中流体的出射方向在第二反应腔室内设有反冲结构，使自所述射流通道喷射出的流体在经过反冲结构时改变流向、并沿着反冲结构分流成为至少两股支流，优选地，所述支流中至少两股的流向相对于所述射流通道中流体的出射方向偏转至少90度角，优选地，所述支流在第二反应腔室的出口处汇集。

优选地，所述等截面通道的长度L与横截面面积S之间满足关系式L＝4S～10S，优选L＝6S～8S。

优选地，所述第二反应腔室的入口的面积小于该入口与所述反冲结构之间形成通道在垂直于流体流动方向的最小截面面积，并且小于所述反冲结构与所述第二反应腔室的侧壁之间形成通道在垂直于流体流动方向的最小截面面积。

优选地，所述反冲结构为V形或弧形，并且所述反冲结构的下凹部位对应所述射流通道的出射方向；

优选地，所述反冲结构为V形时，所述反冲结构的开口角度α范围为30-160度，优选为60-120度，更优选为75、85或100度。

优选地，所述反冲结构的两个翼部的自由端分别设有能够起到扰流并延长流体行程作用的凸块。

优选地，在所述反冲结构与第二反应腔室的出口之间设有扰流结构和/或分流对冲结构；

优选地，所述扰流结构为扰流块，进一步优选地，所述扰流块自所述反冲结构的下方延伸形成与所述反冲结构一体成型的结构；

优选地，所述分流对冲结构为至少一对相对于所述等截面通道的中心线对称且呈V形设置的导流片，成对的两个导流片的尖端之间保留开口且开口朝向所述第二反应腔室的出口；当所述导流片设有两对以上时，位于上游的导流片之间的开口宽度小于位于下游的导流片之间的开口宽度；优选地，所述导流片为直片或者弧形片。

进一步优选地，所述扰流块位于所述导流片的开口的下方。

优选地，所述第二反应腔室的出口处的侧壁收缩呈V型角；

优选地，所述V型角的开口角度β范围为30-160度，优选为60-120度，更优选为为90度。

优选地，至少部分所述第二反应腔室的侧壁为直壁；优选地，所述第二反应腔室的两侧的侧壁平行。

优选地，所述反应通道包括并排布置的至少两个，所述至少两个反应通道对应的反应腔室之间共用腔室侧壁。

优选地，相邻的反应腔室侧壁之间通过混流口连通。

优选地，沿流体的流动方向，所述混流口的上端高度高于所述反冲结构的下端高度。

本发明提供的微反应器，流体在等截面的射流通道上游端(流道截面积逐渐缩小)段实现加速、并在该等截面射流通道段维持并传递该高速流体、能够有效防止加速后的高速流体直接进入下游大流道空间从而降速、起不到射流冲击的作用而无法提高流体的混合反应程度，防止加速后的高速流体被很快的卸速，提高流体的射流冲击的作用、提高流体的混合充分程度，在射流通道出口处对应反冲结构，实现对射流通道高速流体的反冲，通过高速射流与反冲相结合，带来更好的混合效果，并进而对流体进行分流，促进流体中的介质充分反应。

进一步地，本发明的微反应器还能保证微反应通道内流体流动过程中基本不存在流动死区，混合湍流效果明显提高，从而可快速实现例如两种以上流体的均匀混合。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的微反应器的优选实施方式进行描述。图中：

图1为本发明所述微反应器的结构示意图；

图2为图1中A处的一种局部放大示意图；

图3为图1中A处的另一种局部放大示意图；

图4为图1中A处的又一种局部放大示意图；

图5为图1中A处的再一种局部放大示意图；

图6为本发明所述微反应器的流体流速矢量图。

图中：

100、第一反应腔室；

200、第二反应腔室；201、射流通道；202、反冲结构；203、凸块；205、侧壁；206、混流口；207、导流片；208、扰流块；209、入口；210、出口。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的侧板组件及空调室外机具体实施方式、特征及其功效，详细说明如下。

针对现有技术的前述缺点，本发明首先对微反应器的微反应通道进行了改进，提出了一种新的微反应器。

该微反应器具有微反应通道，反应介质(诸如气体的、液体的或者弥散的)可以在该反应通道内进行物理反应(诸如混合、弥散、乳化、悬浮等)和/或化学反应(诸如氧化；还原；取代；消除；加成；配体交换；金属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；偶联反应以及酶反应等)。

实施例1

如图1-6所示，本发明实施例提供一种微反应器，包括反应通道，所述反应通道上设有至少两个连续的反应腔室，其中：上游的第一反应腔室100的出口与下游的第二反应腔室200的入口连通，第一反应腔室100的出口与第二反应腔室200的入口之间通过的射流通道201连通，所述射流通道包括一段等截面通道，并且对应所述射流通道201的出射方向在第二反应腔室200内设有反冲结构202，使自所述射流通道201喷射出的流体在经过反冲结构202时改变流向、并沿着反冲结构202分流成为两股支流。优选地，所述支流中至少两股的流向相对于所述射流通道中流体的出射方向偏转至少90度角，进一步地，所述支流在第二反应腔室的出口210处汇集。

如图6所示的流速矢量图，图中的第一区域A(红色区域)的流速＞第一区域B(绿色区域)的流速＞第三区域C(蓝色区域)的流速。混合流体在通过第一反应腔室100进入射流通道201时，基于伯努利方程可知，流体的流速会增大；经过射流通道201后，流速会远大于第二反应腔室200内其他位置的流速，并且在所述反冲结构202处形成反冲作用，快速改变流体方向，促进混合流体的充分混合。与现有技术中，直接将“逐渐变窄的出口形成相继的腔室的变窄的入口”相比，采用等截面的射流通道来提高混合流体的流速，可以更有利于促使混合流体的混合，比现有技术的混合效果更好。

混合流体在经过所述反冲结构202分流之后，在第二反应腔室200的出口210处汇集，在汇集的过程中再次进行混合，从而进一步保证微反应器的混合效果。

基于本领域技术人员的理解，可以将所述射流通道201的整体设计为一个等截面通道，也可以将所述射流通道201的一部分设计为等截面通道，而在其他的部分设计为非等截面通道。

优选地，所述等截面通道的长度L与横截面面积S之间满足关系式L＝4S～10S，优选L＝6S～8S，以使所述等截面通道形成一个狭长的通道构造。等截面通道的长度越长，维持(保速)并传递高速流体的效果更好，而等截面通道的横截面面积越小，其射流的流速越高，从而产生的射流效果更好。等截面通道的横截面形状可以是矩形、圆形、椭圆形等规则的形状，也可以是不规则的形状。等截面通道的长度和横截面形状，本领域技术人员可以根据使用的需要进行调整。

等截面通道的作用是将被加速至高速的流体的速度进行维持或保持、并传递高速流体至下游端大截面通道中，防止高速流体速度快速降低，从而有利于维持流体在狭长空间内的流速，射流通道内相对高速的混合流体进入第二反应腔室200中的反冲结构处相对低速的混合流体，从而可以进一步促进混合流体的充分混合。

实施例2

优选地，所述第二反应腔室200的入口209的面积小于该入口209与所述反冲结构202之间形成通道在垂直于流体流动方向的最小截面面积，并且小于所述反冲结构与所述第二反应腔室的侧壁之间形成通道在垂直于流体流动方向的最小截面面积。

所述第二反应腔室200的入口的面积，决定冲击力的大小，并且决定反冲结构202前的漩涡效果，优选地，所述入口与所述反冲结构202之间形成通道在垂直于流体流动方向的最小截面面积是第二反应腔室的入口面积的1-5倍时，阻力最小，形成漩涡充分，达到更好的混合效果，并且最大程度上增大了流体在反冲结构前的停留时间。

所述反冲结构202与所述第二反应腔室200的侧壁之间形成通道在垂直于流体流动方向的最小截面面积决定了流通量和流体阻力，该最小截面面积是所述第二反应腔室200的入口的面积的1-2倍时，流体阻力、形成漩涡的大小以及漩涡保持时间最合理。

从所述第二反应腔室200的入口进入第二反应腔室内部的高速流体，在入口209的位置开始减速，并且保证入口以外的位置的流体的流速都低于入口位置的流体流速，从而有利于流体在第二反应腔室200内部进行充分混合。

优选地，所述反冲结构202为V形或弧形，并且所述反冲结构202的下凹部位对应所述射流通道的出射方向，使自所述射流通道射出的流体在所述反冲结构202前面形成涡流；

优选地，所述反冲结构为V形时，所述反冲结构的开口角度α范围为30-160度，优选为60-120度，更优选为90度。

优选地，所述反冲结构的两个翼部的自由端的上部分别设有能够起到扰流并延长流体行程作用的凸块203，凸块203对流体起到阻挡作用，迫使流体在凸块203前改变流向，从而起到扰流并延长流体行程的作用。凸块203的扰流作用体现在改变流体前进的方向，促使流体在凸块位置进行混合，而在改变流体前进方向的同时，也延长了流体的行程，从而使流体可以更充分的混合。

优选地，在所述反冲结构与第二反应腔室的出口之间设有扰流结构或分流对冲结构；

优选地，所述扰流结构为扰流块208，所述扰流块208采用圆形、方形或其他形状，进一步优选地，如图3所示，所述扰流块208自所述反冲结构202的下方延伸形成与所述反冲结构一体成型的结构，采用将扰流块与反冲结构一体成型，可以使整个第二反应腔室200的结构简单，布局合理，容易加工和制造；流体在扰流块208的上下两侧形成连续的漩涡，促进流体进行混合，提高混合充分的程度，提高发生率。

优选地，所述分流对冲结构为至少一对相对于所述等截面通道的中心线对称且呈V形设置的导流片207，成对的两个导流片的尖端之间保留开口且开口朝向所述第二反应腔室的出口；当所述导流片207设有两对以上时，位于上游的导流片207之间的开口宽度小于位于下游的导流片207之间的开口宽度，优选所述导流片207设计为3-5对。通过导流片207的导流作用，使两股支流在导流片之间的开口位置对冲，进一步促进两股支流及其支流内部的流体的混合；当所述导流片设计为两对以上时，在相邻的两个导流片之间形成层流效果，多个层流在导流片之间的开口位置进行对冲，达到更好的混合效果。

而当所述导流片207设有两对以上时，位于上游的导流片207之间的开口宽度小于位于下游的导流片207之间的开口宽度，可以更有效地促进其混合，并且便于在第二反应腔室的出口位置汇合。

优选地，可以将所述扰流结构与所述分流对冲结构结合使用，即把所述扰流结构设置在所述分流对冲结构的下方，更具体地设计是所述扰流块位于所述导流片的开口的下方，这样就使得所述分流对冲结构完成对冲作用之后，再通过所述扰流结构的扰流作用，使流体充分混合。

优选地，所述第二反应腔室200的出口处的侧壁收缩呈V型角，使所述第二反应腔室200的出口位置的流体减少产生涡流，从而更好的在出口处混合；

优选地，所述V型角的开口角度β范围为30-160度，优选为60-120度，更优选为90度。

优选地，至少部分所述第二反应腔室的侧壁205为直壁；优选地，所述第二反应腔室的两侧的侧壁平行。侧壁205采用直壁且所述第二反应腔室的侧壁205平行的设计，使所述微反应器的反应腔室具有多列设置时，更有效地利用微反应器内部的空间。

实施例3

本实施例提供一种具有多个反应通道的微反应器，在以上实施例的基础上进行设计。

优选地，所述反应通道包括并排布置的至少两个，所述至少两个反应通道对应的反应腔室之间共用腔室侧壁。如图1所示，本实施例提供的微反应器为四个通道并排布置。

优选地，如图2所示，相邻的反应腔室侧壁之间通过混流口206连通。沿流体的流动方向，所述混流口的上端高度高于所述反冲结构的下端高度。通过混流口206的设计，不仅可以使不同的反应通道之间的流体进行混合，同时还有利于平衡不同的反应通道之间的压力，从而使流体混合更充分。本发明所述的微反应器，通道形式可大大增加微通道反应器的处理量。由于普通的微反应器存在压力损失严重，因此能耗高，本发明所述的微反应器可以采用四通道并联，其并联通道间设有混流口206，彼此之间可以混流，一方面保证了每条通道中流体流量相同，另一方面，减小单位长度反应通道的压力损失。

由于采用四通道并联且联通的形式，持液量加大，单位长度压力降大大降低，从而可以减少能耗。优选地，所述混流口的上端高度高于所述反冲结构的下端高度，从而有效地促进所述混流口的混流效果。

本发明提供的微反应器，流体在等截面的射流通道内维持并传递该高速流体、能够有效防止加速后的高速流体直接进入下游大流道空间从而降速、起不到射流冲击的作用而无法提高流体的混合反应程度，防止加速后的高速流体被很快的卸速，提高流体的射流冲击的作用、提高流体的混合充分程度，在射流通道出口处对应反冲结构，实现对射流通道高速流体的反冲，并进而对流体进行分流，促进流体中的介质充分混合。

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。