CN119857443B - 一种立体式微通道反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学化工设备技术领域，且公开了一种立体式微通道反应器，包括反应板、出液口，反应板内还设置有第一反应进液口与第二反应进液口，第一反应进液口与第二反应进液口连接有混合通道，混合通道与出液口相连通，混合通道上设置有反应通道槽，反应通道槽包含将混合通道内液体分为两股且之间上下分层设置的第一反应通道与第二反应通道，第一反应通道与第二反应通道之间呈周期相互交错相通；反应通道槽结构将混合液分为两股，并在交叉重叠结构处使两股液体相互混合，交叉重叠结构不仅使得第一反应通道与第二反应通道上下层位置互换，还增加了液体在竖直方向上的扩散，增强了混合效果，进而提高了反应速率。

Description

一种立体式微通道反应器

技术领域

本发明涉及化学化工设备技术领域，具体为一种立体式微通道反应器。

背景技术

微反应器，又称微通道反应器，是利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米之间的微型反应器。其核心在于将化学反应控制在微小的空间内，如微米或纳米级通道中，以实现更高效、更快速的反应过程。微反应器内部包含当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道，这些通道为化学反应提供了理想的场所。其工作原理主要基于微型空间内的化学反应控制，通过精确控制反应温度、压力、物料的流量等参数，能够实现对反应过程的精细调控，从而获得更稳定、更一致的产物。此外，微反应器中的反应物料能够迅速且均匀地混合，这有助于加快反应速率并提高反应效率。由于微反应器通常含有小的通道尺寸（当量直径微米、毫米级别）和通道多样性，流体在这些通道中流动，并要求在这些通道中发生所要求的反应。这样就导致了在微构造的化学设备中具有非常大的表面积/体积比率。

但是现有的微反应器的通道尺寸通常在微米到毫米级别，这种微小的尺寸虽然有助于精确控制反应条件，但也限制了流体的混合能力。如直线型、U型等，可能不利于流体的充分混合。特别是当反应物料以层流状态流动时，不同流体层之间的物质交换受到限制，导致混合效果不佳。如中国专利CN201710573286.6提出的一种微反应器，包括第一反应液进口；第二反应液进口；反应液出口；反应通道，进口与第一反应液进口和第二反应液进口连通，出口与反应液出口连通；反应单元，至少为两个，串联在反应通道上，反应单元通过至少两块网格板层叠交错构成互通的通道结构，这种结构在需要高速混合的反应中混合效果弱，流体中的分子主要沿流动方向进行扩散，而垂直于流动方向的扩散速度较慢，导致反应不能充分进行。

发明内容

（一）解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供了一种立体式微通道反应器，具备混合效果好、传质效果好的优点，解决了现有反应器混合效果差的问题。

（二）技术方案：为实现上述合效果好、传质效果好的目的，本发明提供如下技术方案：一种立体式微通道反应器，包括反应板、出液口，所述反应板内还设置有第一反应进液口与第二反应进液口，所述第一反应进液口与第二反应进液口连接有混合通道，所述混合通道与所述出液口相连通，所述混合通道上设置有反应通道槽，所述反应通道槽包含将混合通道内液体分为两股且之间上下分层设置的第一反应通道与第二反应通道，所述第一反应通道与第二反应通道之间呈周期相互交错相通，所述第一反应通道与第二反应通道交错位置设置有通道坡面，所述通道坡面使所述第一反应通道与第二反应通道在交错位置上下层位置互换并使反应通道槽内液体相互混合后重新分流。

优选的，所述反应通道槽的尺寸呈周期性变化，所述第一反应通道与第二反应通道在交错位置通道直径减少，所述第一反应通道与第二反应通道在非交错位置直径增大。

优选的，所述第一反应通道与第二反应通道之间组合形状呈纺锤体结构，所述纺锤体结构呈沿反应通道槽阵列设置，且所述纺锤体结构宽度呈周期性增减变化。

优选的，所述纺锤体结构高度呈周期性增减变化，且所述纺锤体结构宽度及高度可调。

优选的，所述第一反应通道与第二反应通道在交错位置设置有使液体混合的交叉重叠结构，且所述交叉重叠结构使所述第一反应通道与第二反应通道部分重叠，所述通道坡面设置在所述交叉重叠结构上。

优选的，所述第一反应通道宽度等于第二反应通道宽度。

优选的，所述通道坡面的坡面垂直高度大于第一反应通道宽度值的二分之一，液体在通过所述通道坡面时相互交叉对冲后混合再分离成两股液体分别进入所述第一反应通道及第二反应通道内。

优选的，所述反应通道槽在所述反应板内呈U型排列两组及以上。

优选的，所述反应板两侧均固定安装有隔板，所述出液口贯穿所述反应板单侧面开设在所述隔板上，所述第一反应进液口与所述第二反应进液口贯穿所述反应板单侧面开设在所述隔板上。

（三）有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种立体式微通道反应器，具备以下有益效果：

1、该一种立体式微通道反应器，通过反应通道槽结构与交叉重叠结构的配合使用，反应通道槽结构将混合液分为两股，并在交叉重叠结构处使两股液体相互混合、冲撞，交叉重叠结构处设置的通道坡面不仅使得第一反应通道与第二反应通道上下层位置互换，还增加了液体在竖直方向上的扩散，增强了混合效果，进而提高了反应速率，同时上下的通道坡面提高了与反应板整体的接触面积，有助于热量的传递和散热，进而提高了反应通道槽的换热效果。

2、该一种立体式微通道反应器，通过纺锤体结构与反应通道槽结构的配合使用，能够引导液体的流动，减小通道的阻力，并确保液体能够充满整个反应通道槽，此外，纺锤体结构的较窄部分形成射流效应，推动液体向前流动，而较宽部分则为液体提供了缓冲和混合的空间，有效避免了死区的出现，提高反应效率。

3、该一种立体式微通道反应器，通过反应通道槽结构与纺锤体结构的配合使用，第一反应通道及第二反应通道尺寸变化产生的流速变化和纺锤体结构的周期性变化叠加在一起时，它们对液体流速的影响会相互叠加，从而大大提高反应通道槽内液体的混合速率。

附图说明

图1为本发明中的立体式微通道反应器的三维结构示意图；

图2为本发明中的立体式微通道反应器的结构剖视图；

图3为本发明中的立体式微通道反应器的三维结构剖视图；

图4为图3中A部分；

图5为本发明中的反应通道槽的三维结构示意图；

图6为本发明中的反应通道槽的结构俯视图；

图7为本发明中的反应通道槽的结构正视图；

图8为本发明中的反应通道槽中纺锤体结构宽度调节后的结构正视图。

图中：1、反应板；2、出液口；3、第一反应进液口；4、第二反应进液口；5、混合通道；6、反应通道槽；61、第一反应通道；62、第二反应通道；63、交叉重叠结构；631、通道坡面；64、纺锤体结构；7、隔板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

请参阅图1-图8，一种立体式微通道反应器，包括反应板1、出液口2，反应板1内还设置有第一反应进液口3与第二反应进液口4，第一反应进液口3与第二反应进液口4连接有混合通道5，混合通道5与出液口2相连通，设计第一反应进液口3与第二反应进液口4是为了能够同时引入两种不同的反应物或溶剂。这两个进液口通过混合通道5相连，使得两种液体能够在混合通道5内充分混合。混合通道5的设计确保了反应物在进入反应区域之前就已经达到了均匀的混合状态，混合通道5上设置有反应通道槽6，反应通道槽6包含将混合通道5内液体分为两股且之间上下分层设置的第一反应通道61与第二反应通道62，第一反应通道61与第二反应通道62之间呈周期相互交错相通，第一反应通道61与第二反应通道62之间呈周期相互交错相通的设计是为了实现液体的交叉混合和再分配。这种设计使得液体在流经反应通道时能够不断地改变流动方向和路径，从而增加液体的扰动和混合程度。此外，交错相通的设计还可以避免反应通道内出现死区或滞留区，确保反应物能够充分参与反应。第一反应通道61与第二反应通道62交错位置设置有通道坡面631，通道坡面631使第一反应通道61与第二反应通道62在交错位置上下层位置互换并使反应通道槽6内液体相互混合后重新分流。当液体流经通道坡面631时，会受到坡面的引导和抬升作用，从而改变流动方向并增加竖直方向上的扩散。这种设计不仅有助于实现液体的充分混合，还可以提高反应通道槽6的换热效率。因为坡面的存在增加了液体与反应板1之间的接触面积，有利于热量的传递和散发。同时，通道坡面631还可以起到调节液体流速和流动状态的作用，进一步优化反应器的性能。

请参阅图3-图7，反应通道槽6的尺寸呈周期性变化，第一反应通道61与第二反应通道62在交错位置通道直径减少，第一反应通道61与第二反应通道62在非交错位置直径增大。反应通道槽6的尺寸呈周期性变化，有助于在通道内产生周期性的流速变化。在直径减小的位置，由于通道截面积的减小，流速会增加，形成射流效应，有助于增强液体的混合和反应速率。而在直径增大的位置，流速减慢，为液体提供了缓冲和混合的空间。第一反应通道61与第二反应通道62之间组合形状呈纺锤体结构64，纺锤体结构64呈沿反应通道槽6阵列设置，且纺锤体结构64宽度呈周期性增减变化。纺锤体结构64高度呈周期性增减变化。其中纺锤体高度及宽度可调如图8所示。纺锤体结构64的设计有助于引导液体的流动方向，使其在通道内形成周期性的加速和减速。在纺锤体的较窄部分，流速会增加，形成射流效应，有助于推动液体向前流动。而在较宽部分，流速减慢，为液体提供了缓冲和混合的空间。而纺锤体结构64的宽度和高度都呈周期性增减变化，会在通道内产生周期性的扰动和剪切力。这些扰动和剪切力可以破坏液体中的层流结构，促进液体的均匀混合和充分反应。

请参阅图3-图5，第一反应通道61与第二反应通道62在交错位置设置有使液体混合的交叉重叠结构63，且交叉重叠结构63使第一反应通道61与第二反应通道62部分重叠，通道坡面631设置在交叉重叠结构63上。这种设计主要是为了增强液体的混合效果和提高反应速率。在交叉重叠结构63中，第一反应通道61与第二反应通道62部分重叠，使得两股液体在交错位置能够相互接触并混合。通道坡面631的设置则进一步促进了这种混合过程。当液体流经通道坡面631时，由于坡面的引导，液体会发生交叉对冲，形成强烈的湍流和剪切力，从而增强液体的混合效果。第一反应通道61宽度等于第二反应通道62宽度。设计第一反应通道61宽度等于第二反应通道62宽度是为了确保两股液体在交错位置具有等量的流量和流速，从而有利于液体的均匀混合。通道坡面631的坡面垂直高度大于第一反应通道61宽度值的二分之一，液体在通过通道坡面631时相互交叉对冲后混合再分离成两股液体分别进入第一反应通道61及第二反应通道62内。通道坡面631的坡面垂直高度大于第一反应通道61宽度值的二分之一，是为了确保液体在通过坡面时能够发生充分的交叉对冲。如果坡面垂直高度过小，液体可能无法完全对冲并混合；而如果坡面垂直高度过大，则可能会增加液体的流动阻力，降低反应速率。反应通道槽6在反应板1内呈U型排列两组及以上。U型排列可以充分利用反应板1的面积，同时确保液体在反应通道槽6内能够充分混合和反应。反应板1两侧均固定安装有隔板7，隔板7是为了确保反应通道槽6的封闭性和稳定性。出液口2贯穿反应板1单侧面开设在隔板7上，第一反应进液口3与第二反应进液口4贯穿反应板1单侧面开设在隔板7上。

工作原理: 两种或多种液体通过泵或其他方式从第一反应进液口3及第二反应进液口4输送进反应板1后，通过混合通道5进行流通并混合，随后再通过反应通道槽6，反应通道槽6能通过第一反应通道61及第二反应通道62将混合液分为两股，分割后的液体在各自的通道中流动时，会受到通道壁的限制和通道形状的影响，从而产生扰动，这种扰动有助于增强液体的混合效果，提高反应速率，且由于第一反应通道61与第二反应通道62之间组合形状呈纺锤体结构64，呈纺锤体结构64有利于引导液体流动，纺锤体结构64的设计使得通道在宽度和高度上呈现周期性的变化，在纺锤体结构64的较窄部分，液体的流速会增加，形成射流效应，有助于推动液体向前流动。而在较宽部分，流速减慢，为液体提供了缓冲和混合的空间，纺锤体结构64减小了通道的阻力，还确保了液体能够充满整个反应通道槽6，并以平推流的形式流动，从而避免了死区的出现；而当液体流经反应通道槽6的交叉重叠结构63时能够使第一反应通道61与第二反应通道62内的液体相互混合，随后两股液体再交叉，并且由于交叉重叠结构63处有部分通道重叠，造成两股液体冲撞加强扰动程度后又分为两种液体，同时第一反应通道61与第二反应通道62内设置有通道坡面631，通道坡面631能够使得第一反应通道61与第二反应通道62上下层位置互换，使液体在交叉重叠结构63处进行交叉对冲，通道坡面631不仅能够抬升、降低通道，使得两个通道上下层级位置进行变换，还能增加液体在竖直方向上扩散以增加混合效果。并且上下的通道坡面631由于提高了与反应板1整体的接触面积，因此能够提高反应通道槽6的换热。

同时第一反应通道61及第二反应通道62尺寸的变化和纺锤体结构64的周期性变化都会对液体的流速产生影响。在反应通道槽6直径减小的位置，液体的流速会增加，形成射流效应；而在直径增大的位置，流速减慢，为液体提供了缓冲和混合的空间。这种流速的变化能够造成缓冲、射流、振荡、返混等效果，从而增强液体的混合效果。并且当这两种结构变化叠加在一起时，它们对液体流速的影响会相互叠加，从而大大提高反应通道槽6内液体的混合速率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种立体式微通道反应器，包括反应板（1）、出液口（2），所述反应板（1）内还设置有第一反应进液口（3）与第二反应进液口（4），所述第一反应进液口（3）与第二反应进液口（4）连接有混合通道（5），所述混合通道（5）与所述出液口（2）相连通，所述混合通道（5）上设置有反应通道槽（6），其特征在于：所述反应通道槽（6）包含将混合通道（5）内液体分为两股且之间上下分层设置的第一反应通道（61）与第二反应通道（62），所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）之间呈周期相互交错相通，所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）交错位置设置有通道坡面（631），所述通道坡面（631）使所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）在交错位置上下层位置互换并使反应通道槽（6）内液体相互混合后重新分流。

2.根据权利要求1所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述反应通道槽（6）的尺寸呈周期性变化，所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）在交错位置通道直径减少，所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）在非交错位置直径增大。

3.根据权利要求1所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）之间组合形状呈纺锤体结构（64），所述纺锤体结构（64）呈沿反应通道槽（6）阵列设置，且所述纺锤体结构（64）宽度呈周期性增减变化。

4.根据权利要求3所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述纺锤体结构（64）高度呈周期性增减变化。

5.根据权利要求1所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）在交错位置设置有使液体混合的交叉重叠结构（63），且所述交叉重叠结构（63）使所述第一反应通道（61）与第二反应通道（62）部分重叠，所述通道坡面（631）设置在所述交叉重叠结构（63）上。

6.根据权利要求1所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述第一反应通道（61）宽度等于第二反应通道（62）宽度，所述通道坡面（631）的坡面垂直高度大于第一反应通道（61）宽度值的二分之一，液体在通过所述通道坡面（631）时相互交叉对冲后混合再分离成两股液体分别进入所述第一反应通道（61）及第二反应通道（62）内。

7.根据权利要求1所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述反应通道槽（6）在所述反应板（1）内呈U型排列两组及以上。

8.根据权利要求1所述的一种立体式微通道反应器，其特征在于：所述反应板（1）两侧均固定安装有隔板（7），所述出液口（2）贯穿所述反应板（1）单侧面开设在所述隔板（7）上，所述第一反应进液口（3）与所述第二反应进液口（4）贯穿所述反应板（1）单侧面开设在所述隔板（7）上。