微反应器的制作方法

本实用新型属于微反应工业化生产技术领域，具体涉及一种微反应器。

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微米-300微米(或者10微米-1000微米)之间的反应器。微反应器的“微”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，因此也实现很高的产量。20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，微型化工设备也逐渐发展起来，如微混合器、微反应器、微化学分析、微换热器、微萃取器、微型泵和微型阀门等，其中微反应器的应用前景最为广泛。微反应器具有结构简单、无放大效应、操作条件易于控制、反应选择性好、内在安全等优点，引起了众多研究者包括化学工程及其相关领域人士的极大关注。

目前微反应器行业内，使用的设备通用性低，结构复杂，功能不健全，降低了微反应器的适用性。

技术实现要素：

因此，本实用新型要解决的技术问题在于提供一种微反应器，结构简单，通用性好，具有较高的适用性。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种微反应器，包括换热系统和多个模块化的反应模块，反应模块包括换热单元和反应单元，反应模块上设置有多个接口，反应模块还包括贯穿换热单元和反应单元并与换热单元和反应单元相隔离的隔离通道，接口包括换热接口和反应接口，隔离通道的两端分别连接有反应接口，反应模块的反应接口之间可以自由组合连接。

作为优选，接口包括第一接口、第二接口、第三接口、第四接口、第五接口、第六接口、第七接口、第八接口、第九接口和第十接口，第三接口和第八接口分别连接在隔离通道的两端。

作为优选，换热单元包括第一换热片，反应单元包括第一反应片，第一换热片和第一反应片均为封闭式结构，第一换热片和第一反应片贴合设置，并通过夹持单元固定，第二接口、第四接口、第七接口和第九接口连接至第一反应片，第一接口和第五接口连接至第一换热片，隔离通道贯穿第一换热片和第一反应片；

或，换热单元包括第一换热片和第二换热片，反应单元包括第一反应片，第一换热片和第二换热片分别贴设在第一反应片的相对两侧，第一换热片、第二换热片和第一反应片通过夹持单元固定，第二接口、第四接口、第七接口和第九接口连接至第一反应片，第一接口和第五接口连接至第一换热片，第六接口和第十接口连接至第二换热片，隔离通道贯穿第一换热片、第一反应片和第二换热片；

或，换热单元包括第一换热片，反应单元包括第一反应片和第二反应片，第一反应片和第二反应片分别贴设在第一换热片的相对两侧，第一换热片、第一反应片和第二反应片通过夹持单元固定，第二接口和第四接口连接至第一反应片，第七接口和第九接口连接至第二反应片，第一接口和第五接口连接至第一换热片，第一反应片和第二反应片之间形成汇流通道，汇流通道分别与第二接口、第四接口、第七接口和第九接口连通，隔离通道贯穿第一反应片、第一换热片和第二反应片。

作为优选，换热单元包括第一换热片和第二换热片，反应单元包括第一反应片和第二反应片，第一反应片和第二反应片贴设在一起，第一换热片贴设在第一反应片远离第二反应片的一侧，第二换热片贴设在第二反应片远离第一反应片的一侧。

作为优选，第一换热片、第二换热片、第一反应片和第二反应片通过夹持单元固定，第二接口和第四接口连接至第一反应片，第七接口和第九接口连接至第二反应片，第一接口和第五接口连接至第一换热片，第六接口和第十接口连接至第二换热片，

作为优选，第一反应片和第二反应片之间形成汇流通道，汇流通道分别与第二接口、第四接口、第七接口和第九接口连通，隔离通道贯穿第一换热片、第一反应片、第二反应片和第二换热片。

作为优选，换热系统包括第一换热介质总管和第二换热介质总管，反应模块包括第一反应模块、第二反应模块和第三反应模块，第一换热介质总管通过第一进口支管与第一反应模块的第一接口连接，通过第二进口支管与第一反应模块的第十接口连接，第二换热介质总管通过第一出口支管与第一反应模块的第五接口连接，通过第二出口支管与第一反应模块的第六接口连接；

和/或，第一换热介质总管通过第三进口支管与第二反应模块的第一接口连接，通过第四进口支管与第二反应模块的第十接口连接，第二换热介质总管通过第三出口支管与第二反应模块的第五接口连接，通过第四出口支管与第二反应模块的第六接口连接，

和/或，第一换热介质总管通过第五进口支管与第三反应模块的第一接口连接，通过第六进口支管与第三反应模块的第十接口连接，第二换热介质总管通过第五出口支管与第三反应模块的第五接口连接，通过第六出口支管与第三反应模块的第六接口连接。

作为优选，微反应器还包括第一反应物料管和第二反应物料管，第一反应物料管连接至第一反应模块的第二接口，第二反应物料管连接至第一反应模块的第四接口，第一反应模块的第七接口通过第一出料管连接至第二反应模块的第二接口，第二反应模块的第七接口通过第二出料管连接至第三反应模块的第二接口，第三反应模块的第七接口处连接有反应生成物出管。

作为优选，微反应器还包括第一反应物料管和第二反应物料管，第一反应物料管连接至第一反应模块的第二接口，第一反应模块的第七接口通过第一出料管连接至第二反应模块的第三接口，第二反应物料管连接至第二反应模块的第二接口，第二反应模块的第七接口通过第二出料管连接至第三反应模块的第四接口，第二反应模块的第八接口通过第三出料管连接至第三反应模块的第二接口，第三反应模块的第七接口处连接有反应生成物出管。

作为优选，第一接口、第二接口、第三接口、第四接口和第五接口由上到下依次设置，第六接口、第七接口、第八接口、第九接口和第十接口由下到上依次设置。

本实用新型提供的微反应器，包括换热系统、温控系统和多个模块化的反应模块，反应模块包括换热单元和反应单元，反应模块上设置有多个接口，反应模块还包括贯穿换热单元和反应单元并与换热单元和反应单元相隔离的隔离通道，反应模块的相同类型的接口之间可以自由组合连接。该微反应器的反应模块为模块化结构，多个反应模块之间的相同类型的接口之间可以自由组合连接，因此可以通过调节多个反应模块之间的连接关系来实现不同的反应工艺，结构简单，通用性好，加工成本低，组装效率高，安装及维修简单方便，而且便于实现反应模块的互换，可替换性好。

附图说明

图1是本实用新型实施例的微反应器的反应模块的主视结构示意图；

图2是本实用新型实施例的微反应器的反应模块的仰视结构示意图；

图3是本实用新型第一实施例的微反应器的连接工艺管路图；

图4是本实用新型第二实施例的微反应器的连接工艺管路图。

图中附图标记表示为：

1、第一接口；2、第二接口；3、第三接口；4、第四接口；5、第五接口；6、第六接口；7、第七接口；8、第八接口；9、第九接口；10、第十接口；11、隔离通道；12、第一换热片；13、第二换热片；14、第一反应片；15、第二反应片；16、夹持单元；17、第一换热介质总管；18、第二换热介质总管；19、第一反应模块；20、第二反应模块；21、第三反应模块；22、第一进口支管；23、第二进口支管；24、第三进口支管；25、第四进口支管；26、第五进口支管；27、第六进口支管；28、第一出口支管；29、第二出口支管；30、第三出口支管；31、第四出口支管；32、第五出口支管；33、第六出口支管；34、第一反应物料管；35、第二反应物料管；36、第一出料管；37、第二出料管；38、第三出料管；39、反应生成物出管。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本实用新型的实施例，微反应器包括换热系统和多个模块化的反应模块，反应模块包括换热单元和反应单元，反应模块上设置有多个接口，反应模块还包括贯穿换热单元和反应单元并与换热单元和反应单元相隔离的隔离通道11，接口包括换热接口和反应接口，隔离通道11的两端分别连接有反应接口，反应模块的反应接口之间可以自由组合连接。

该微反应器的反应模块为模块化结构，每个反应模块均包括独立的换热单元和反应单元，可以单独完成反应物的温度调节以及反应物的反应操作，多个反应模块之间的相同类型的接口之间可以自由组合连接，不同的组合方式能够带来不同温度的反应物之间的反应，因此可以通过调节多个反应模块之间的连接关系来实现不同的反应工艺，结构简单，通用性好，加工成本低，组装效率高，安装及维修简单方便，而且便于实现反应模块的互换，可替换性好。

反应模块的各个单元之间是通过夹持单元16进行夹紧固定的，夹持单元16包括多个夹紧片，用于夹紧换热单元、反应单元以及相应的连接管路。夹持片的材质可以根据介质的腐蚀性来选择，可以是金属(如不锈钢、碳钢、钛材、哈氏合金等)及非金属材料(如碳化硅等)，对于金属材质，可以直接在内孔加工螺纹，用于与管路连接；对于碳化硅材质的夹持片，由于碳化硅是脆性材料，不能直接加工螺纹，故在碳化硅夹持片的两侧分别开光滑的通孔，通孔内部喷涂聚四氟乙烯，并在聚四氟乙烯上加工内螺纹。

在本实施例中，接口包括第一接口1、第二接口2、第三接口3、第四接口4、第五接口5、第六接口6、第七接口7、第八接口8、第九接口9和第十接口10，第三接口3和第八接口8分别连接在隔离通道11的两端。其中第二接口2、第三接口3、第四接口4、第七接口7、第八接口8和第九接口9均为与反应物相连接的反应接口，这些接口之间可以相互组合，反应物管路可以自由选择连接在这几个接口上，第一接口1、第五接口5、第六接口6、和第十接口10均为与换热介质相连接的换热接口，这些接口之间可以相互组合，换热介质可以自由连接在这几个接口上。

在其中的一个实施例中，换热单元包括第一换热片12，反应单元包括第一反应片14，第一换热片12和第一反应片14均为封闭式结构，第一换热片12和第一反应片14贴合设置，并通过夹持单元16固定，第二接口2、第四接口4、第七接口7和第九接口9连接至第一反应片14，第一接口1和第五接口5连接至第一换热片12，隔离通道11贯穿第一换热片12和第一反应片14。在本实施例中，反应模块仅包括一个换热片和一个反应片，两种反应介质均在第一反应片14内进行反应，第一反应片14通过第一换热片12进行换热，从而将反应介质的反应温度调解至设定温度。

在另外一个实施例中，换热单元包括第一换热片12和第二换热片13，反应单元包括第一反应片14，第一换热片12和第二换热片13分别贴设在第一反应片14的相对两侧，第一换热片12、第二换热片13和第一反应片14通过夹持单元16固定，第二接口2、第四接口4、第七接口7和第九接口9连接至第一反应片14，第一接口1和第五接口5连接至第一换热片12，第六接口6和第十接口10连接至第二换热片13，隔离通道11贯穿第一换热片12、第一反应片14和第二换热片13。在本实施例中，包括两个换热片和一个反应片，两个换热片位于反应片的两个相对侧，能够同时对反应片的两个相对侧进行温度调节，从而使得第一反应片14的整个反应通道内部温度分布更加均匀，反应物可以在其内获得更加良好的反应效果。

在另外一个实施例中，换热单元包括第一换热片12，反应单元包括第一反应片14和第二反应片15，第一反应片14和第二反应片15分别贴设在第一换热片12的相对两侧，第一换热片12、第一反应片14和第二反应片15通过夹持单元16固定，第二接口2和第四接口4连接至第一反应片14，第七接口7和第九接口9连接至第二反应片15，第一接口1和第五接口5连接至第一换热片12，第一反应片14和第二反应片15之间形成汇流通道，汇流通道分别与第二接口2、第四接口4、第七接口7和第九接口9连通，隔离通道11贯穿第一反应片14、第一换热片12和第二反应片15。在本实施例中，反应模块包括一个换热片和两个反应片，两个反应片设置在一个换热片的两个相对侧，通过该换热片同时对两个反应片进行加热。在该实施例中，能够节省换热介质，使得一个换热介质的两侧热量均能够得到更加有效的利用，提高换热介质的利用效率。

在本实施例中，换热单元包括第一换热片12和第二换热片13，反应单元包括第一反应片14和第二反应片15，第一反应片14和第二反应片15贴设在一起，第一换热片12贴设在第一反应片14远离第二反应片15的一侧，第二换热片13贴设在第二反应片15远离第一反应片14的一侧，第一换热片12、第二换热片13、第一反应片14和第二反应片15通过夹持单元16固定，第二接口2和第四接口4连接至第一反应片14，第七接口7和第九接口9连接至第二反应片15，第一接口1和第五接口5连接至第一换热片12，第六接口6和第十接口10连接至第二换热片13，第一反应片14和第二反应片15之间形成汇流通道，汇流通道分别与第二接口2、第四接口4、第七接口7和第九接口9连通，隔离通道11贯穿第一换热片12、第一反应片14、第二反应片15和第二换热片13。在本实施例中，包括两个换热片和两个反应片，其中两个反应片贴设在一起，两个反应片的贴设面之间形成有汇流通道，能够使反应物进行更加充分的混合反应，两个换热片分别设置在两个反应片的外侧，可以通过两个换热片同时对两个反应片进行温度调节，为反应片内部的反应物提供合适的反应温度，从而保证反应物之间具有良好的反应效果。

当然，反应模块还可以包括更多个换热片或反应片，这些换热片和反应片的组合方式也更加多样化，由于各个换热片和反应片均是相互独立的，因此可以通过对这些换热片和反应片的数量和位置进行调节，从而实现不同的反应效果。

第一反应片14和第二反应片15上的汇流通道的设置方式可以为多种，例如，第一反应片14和第二反应片15上的汇流通道可以对应设置，且均位于贴设面上，从而使得反应物能够更加充分地在第一反应片14和第二反应片15所形成的汇流通道内流动，充分反应。

第一反应片14和第二反应片15上的汇流通道路径可以直接将第二接口2、第四接口4、第七接口7和第九接口9连通，使得反应物在经第二接口2、第四接口4、第七接口7或第九接口9后，直接流入到与出口连通的接口，从反应模块中流出，但该种结构的汇流通道流程较短，且如果是多种反应物需要在汇流通道内进行充分交汇反应时，该种结构难以保证充足的混合效果和反应时间。

第一反应片14和第二反应片15上的汇流通道路径也可以进行设计，使得第一反应片14上的汇流通道路径与第二反应片15上的汇流通道路径错开，且第一反应片14的汇流通道路径和第二反应片15上的汇流通道路径在一个节点连通。第二反应片15上的汇流通道在到达与第一反应片14的汇流通道连通的节点之前，首先将第七接口7和第九接口9连通，然后从连通的位置继续有一段混合通道，该混合通道的末端与第一反应片14连通。这样一来，当两种反应物分别经第七接口7和第九接口9进入到第二反应片15上的汇流通道后，会在到达混合通道的位置进行充分的混合和反应，并沿着混合通道的路径继续混合并反应，之后在混合通道的末端进入第一反应片14的汇流通道内，并沿着第一反应片14的汇流通道继续混合反应，因此可以有效延长反应物在第一反应片14和第二反应片15内的混合路径和反应路径长度，使得两种不同的反应物可以得到充分的混合和反应，之后充分混合和反应的反应物可以经第一反应片14的汇流通道选择从第二接口2或者是第四接口4流动至下一工序，继续进行反应。

根据反应物反应的需要，可以对第一反应片14和第二反应片15的汇流通道进行合理的布设，使得反应物能够在反应模块内得到充分的处理，从而能够更好地满足下一工序的需求，提高了反应模块的适用性，能够进一步增强反应模块的工作性能，满足多种不同的反应物不同反应模式的要求，从而更好地提升微反应器的工作性能。

结合参见图3所示，根据实用新型的第一实施例，换热系统包括第一换热介质总管17和第二换热介质总管18，反应模块包括第一反应模块19、第二反应模块20和第三反应模块21，第一换热介质总管17通过第一进口支管22与第一反应模块19的第一接口1连接，通过第二进口支管23与第一反应模块19的第十接口10连接，第二换热介质总管18通过第一出口支管28与第一反应模块19的第五接口5连接，通过第二出口支管29与第一反应模块19的第六接口6连接，第一换热介质总管17通过第三进口支管24与第二反应模块20的第一接口1连接，通过第四进口支管25与第二反应模块20的第十接口10连接，第二换热介质总管18通过第三出口支管30与第二反应模块20的第五接口5连接，通过第四出口支管31与第二反应模块20的第六接口6连接，第一换热介质总管17通过第五进口支管26与第三反应模块21的第一接口1连接，通过第六进口支管27与第三反应模块21的第十接口10连接，第二换热介质总管18通过第五出口支管32与第三反应模块21的第五接口5连接，通过第六出口支管33与第三反应模块21的第六接口6连接。

在上述的实施例当中，换热介质从第一换热介质总管17通过各个进口支管分别流入到各个换热片中，对各个反应片进行温度调节，之后换热介质通过各个出口支管汇入到第二换热介质总管18中流出，由于各个反应模块的两个换热片均参与换热，因此可以为两个反应片提供更加均衡的温度调节，反应模块内的反应温度更加均匀，保证反应在等温条件下进行。

微反应器还包括第一反应物料管34和第二反应物料管35，第一反应物料管34连接至第一反应模块19的第二接口2，第二反应物料管35连接至第一反应模块19的第四接口4，第一反应模块19的第七接口7通过第一出料管36连接至第二反应模块20的第二接口2，第二反应模块20的第七接口7通过第二出料管37连接至第三反应模块21的第二接口2，第三反应模块21的第七接口7处连接有反应生成物出管39。

在本实施例中，三个反应模块串联组合在一起，可以进行两种物料直接反应的工艺。反应物料A经第一反应物料管34和第一反应模块19的第二接口2进入到第一反应模块19的第一反应片14内，反应物料B经第二反应物料管35和第一反应模块19的第四接口4进入到第一反应模块19的第一反应片14内，反应物料A和反应物料B进入第一反应片14内后，在第一反应片14内的反应通道的入口汇合，并通过第一反应片14内的微通道进行汇流反应，然后反应物料A和反应物料B的混合物继续沿着第一反应片14流入到第一反应片14和第二反应片15的汇流通道处，在流动的过程中继续反应，之后反应物料A和反应物料B继续流动到第二反应片15内，在第二反应片15内继续沿反应通道向出口流动，边流动边混合反应，第二反应片15可以延长反应物料A和反应物料B的反应通道长度，从而使得反应物料A和反应物料B的反应更加彻底。反应物料A和反应物料B在第一反应模块19内反应之后，通过第一反应模块19的第七接口7和第一出料管36经第二反应模块20的第二接口2进入到第二反应模块20的第一反应片14内继续流动反应，然后流经第二反应片15之后从第二反应模块20的第七接口7流出，经第二出料管37和第三反应模块21的第二接口2进入到第三反应模块21的第一反应片14内继续反应，最后完成反应的反应生成物从第三反应模块21的第七接口7处通过反应生成物出管39流出。

在该微反应器中，反应物料A和反应物料B混合后依次流经了第一反应模块19的第一反应片14和第二反应片15、第二反应模块20的第一反应片14和第二反应片15和第三反应模块21的第一反应片14和第二反应片15，并在流动过程中边流动边反应，因此可以通过较长的流程来使反应物料A和反应物料B的反应更加充分彻底，反应效果更佳。

结合参见图4所示，根据本实用新型的第二实施例，其与第一实施例的不同之处在于，在本实施例中，微反应器还包括第一反应物料管34和第二反应物料管35，第一反应物料管34连接至第一反应模块19的第二接口2，第一反应模块19的第七接口7通过第一出料管36连接至第二反应模块20的第三接口3，第二反应物料管35连接至第二反应模块20的第二接口2，第二反应模块20的第七接口7通过第二出料管37连接至第三反应模块21的第四接口4，第二反应模块20的第八接口8通过第三出料管38连接至第三反应模块21的第二接口2，第三反应模块21的第七接口7处连接有反应生成物出管39。

在本实施例中，三个反应模块串并联组合在一起，可以进行两种物料先预冷(或先预热)再反应的工艺。反应物料A经第一反应物料管34和第一反应模块19的第二接口2进入到第一反应模块19的第一反应片14内，然后在第二反应片15内继续沿反应通道向出口流动，边流动边通过第一换热片12和第二换热片13进行预冷，第二反应片15可以延长反应物料A的预冷通道长度，从而使得反应物料A的温度调节更加彻底。反应物料A经第一反应模块19内的第一换热片12和第二换热片13进行预冷之后，通过第一出料管36经第二反应模块20的第三接口3进入到第二反应模块20的隔离通道11内，然后从第二反应模块20的第八接口8处直接流出，经第二出料管37和第三反应模块21的第二接口2输送至第三反应模块21的第一反应片14内。反应物料B直接通过第二反应物料管35和第二反应模块20的第二接口2进入到第二反应模块20的第一反应片14内，然后依次流经第二反应模块20的第一反应片14和第二反应片15进行预冷，之后通过第二反应模块20的第七接口7和第三出料管38经第三反应模块21的第四接口4进入到第三反应模块21的第一反应片14内，在此过程中，反应物料A和反应物料B在第二反应模块20内相互隔离，不会发生反应，第一反应模块19起到对反应物料A预冷的作用，第二反应模块20起到对反应物料B预冷的作用。

之后进入到第三反应模块21的第一反应片14内的反应物料A和反应物料B在第三反应模块21的第一反应片14内，在第一反应片14内的反应通道的入口汇合，并通过第三反应模块21的第一反应片14内的微通道进行汇流反应，然后反应物料A和反应物料B的混合物继续沿着第三反应模块21的第一反应片14流入到第三反应模块21的第一反应片14和第二反应片15的汇流通道处，在流动的过程中继续反应，之后反应物料A和反应物料B继续流动到第三反应模块21的第二反应片15内，在第二反应片15内继续沿反应通道向出口流动，边流动边混合反应，第二反应片15可以延长反应物料A和反应物料B的反应通道长度，从而使得反应物料A和反应物料B的反应更加彻底，最后完成反应的反应生成物从第三反应模块21的第七接口7处通过反应生成物出管39流出。

在该微反应器中，反应物料A经第一反应模块19的第一反应片14和第二反应片15进行预冷、反应物料B经第二反应模块20的第一反应片14和第二反应片15进行预冷，之后达到设定温度的反应物料A和反应物料B在第三反应模块21的第一反应片14和第二反应片15中边流动边反应，因此可以使反应物料A和反应物料B在精确的温度条件下进行反应，反应效果更佳。

第一接口1、第二接口2、第三接口3、第四接口4和第五接口5由上到下依次设置，第六接口6、第七接口7、第八接口8、第九接口9和第十接口10由下到上依次设置。当反应物料A和B为液体反应物时，反应物料A和B在反应过程中会向下流动，因此此时的物料出口一般会选择位于下侧的第七接口7，当反应物料A和B为气体反应物时，由于反应物料A和B均会上浮，此种情况下，则适宜选择位于上侧的第九接口9来作为物料出口，保证物料的顺利流出。对于不同的物料而言，可以选择不同的连接方式，当连接方式确定之后，则其他未使用到的接口均被封堵。

上述的微反应器还包括温度传感器以及流量调节阀，温度传感器用于检测换热介质的换热温度以及反应物料的反应温度，流量调节阀则主要用户控制换热介质的流量，从而对换热介质的换热量进行调节，使得各个反应模块内的物料反应温度均能够达到预设温度，使得反应物料的反应环境达到最佳，反应效果更佳良好。

本实用新型涉及的结构采用通用化的模块，根据化学反应工艺的不同需求，自由组合、连接，实现反应器的个性化定制；可以在不影响生产的前提下，对反应模块进行拆卸或者更换；另外可以调换不同通道尺寸的反应片，使微反应器适应不同的反应。

本领域的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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。