複合換熱式微反應器的製作方法
2023-10-10 18:25:29
專利名稱：複合換熱式微反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微流體介質間進行傳熱、傳質、發生化學反應的微型化學化工機械系統，特別涉及一種集成多溫度區域的複合換熱式微反應器。
背景技術：
根據化學化工領域廣泛接受的微系統(microsystem)定義，微反應器(microreactor)是指通過微加工和精密加工技術製造的小型反應系統，微反應器內流體的微通道尺寸在亞微米到亞毫米量級。對於分子水平的反應而言，微反應器的體積是非常大的，因此，它對反應機理和反應動力學特性的影響很小。與傳統反應設備相比，其主要優勢是對質量和熱量傳遞過程的強化以及流體流動方式的改進。在微反應器內，溫度梯度隨著線尺度的減小很快增加，導致傳熱推動力的顯著增加，從而擴大了單位體積或單位面積的熱擴散通量；另外，由於減小了流體厚度，相應的面積體積比得到顯著提高。強大的傳熱推動力和足夠大的接觸表面積使微通道內的反應流體與外界的熱量交換容易得到控制。
在微反應器換熱方式方面，早期多借用實驗室裝置所採用的油浴、水浴、烘箱或冷箱。這種方式影響微反應器與系統元件的集成，而且不利於在線監測。因此集成換熱元件於一身成為微反應器的發展趨勢。目前在集成換熱元件的微反應器中，普遍採用置電阻加熱器於微反應通道壁面外側或以增加微加熱通道板的方式來提供反應區所需的熱量，通過增加微冷卻通道板的方式移走反應區的熱量。但是，當反應過程需要變溫操作時，在同一微反應器內，上述加熱和冷卻方式不便於進行組合與封裝。
德國美茵茲微技術研究所(IMM)的科學家通過在同一基板的上下板面間隔布置微反應通道和微換熱通道，設計了一種更加緊湊的集成換熱式金屬微反應器，並在第2屆「微反應技術」國際會議(IMRET 2)上作以公開。但是，這種兩面交替布置微通道的方式不易於加工成形和基板結構的疊加放大，而且，當反應過程需要變溫操作時，反應器內不易於同時布置加熱通道和冷卻通道。
美國麻省理工學院(MIT)的科學家在Angewandte Chemie Int.Ed.2005，44，2-6中公開了一種集成三種溫度區域於一體的矽基微化學反應器，該反應器通過外部加熱鋁塊和外部冷卻鋁塊的方式，使鋁塊與含微反應通道的矽板進行熱量交換，通過蝕刻去除基板上各熱量交換區之間的矽材料，在同一微反應通道基板上形成中溫區、局部高溫區和局部低溫區。但是，該微反應器的鋁塊換熱單元顯然不適於進一步的封裝和工業化應用。
發明內容
本發明的目的在於為了克服現有技術在製造、組合、集成和封裝方面的不足而提供一種能同時兼具換熱器和反應器優點的複合換熱式微反應器。該反應器可在同一裝置中為放熱(吸熱)反應及時釋放(供給)反應多餘(所需)熱量，實現強放熱反應過程的等溫操作或變溫操作，吸熱反應過程的等溫操作或變溫操作，吸熱反應的即時終止；本發明的另一目的是通過對換熱流體進行熱量衡算，本發明還可作為化學反應吸(放)熱量的測量分析工具。
本發明的技術方案為為了實現上述目的，本發明在同一基板上合理布置微反應通道、換熱通道，在一個微反應器內沿一組微化學反應通道形成多段熱量交換區，其傳熱效率高，反應速度快，反應過程的選擇性好，物質轉化率高，流動阻力低，結構強度高，耐高溫、低溫，反應器體積小，重量輕，空間布置方便，易於擴充反應單元數目，製造工藝簡單，易批量生產，性價比高。
本發明的具體技術方案為一種複合換熱式微反應器，由封板05和至少一塊基板01組成，基板01的上板面同時具有微反應通道10和換熱通道，每個通道至少有一個進口和一個出口；封板05上設有一系列進口通孔和出口通孔，並分別對應於所述基板01上各通道的進口與出口；基板01和封板05中至少存在一組相對應的隔熱槽16、56，該隔熱槽可通過去除實體材料或填充隔熱材料而構成。
在一個基板01的上板面緊湊布置有一個微反應通道和至少兩個換熱通道；換熱通道的數目根據反應所需傳熱量的多少適當增加，例如，當吸熱反應過程的吸熱量大時，為保證傳熱充分或反應通道溫度均勻，應增加換熱通道數，但換熱通道段數目過多會影響反應器的緊湊程度。所述換熱通道為微米尺度或毫米尺度，所述的反應通道為微米尺度，換熱通道11、12、13伴隨著所述微反應通道10以波形或蛇形彎曲形式分段緊湊布置。分段流經所述換熱通道的熱流體介質可以準確高效地提供化學反應發生所需要的熱量；分段流經所述換熱通道的冷流體介質可以及時地將化學反應產生的熱量帶走。所述基板上的各換熱通道段中，提供熱量的通道段與移走熱量的通道段之間至少有一條通過去除實體材料或填充隔熱材料而構成的隔熱槽。吸熱反應過程可以通過控制第一段換熱通道內熱流體介質的參數來提供熱量，即時啟動化學反應，通過控制中間段換熱通道內流體介質的參數來維持化學反應沿最佳溫度曲線進行，通過控制最末段換熱通道內冷流體介質的參數來去除熱量，即時終止化學反應。
封裝所述基板的封板與基板長寬尺寸相同，厚度為微米量級或毫米量級。所述封板中設有對應於基板上各通道進口與出口的通孔以及對應於基板隔熱槽的隔熱槽。
將封板05與基板01對齊後通過鍵合或擴散焊接的方式使其緊密結合在一起形成一個單層結構的複合換熱式微反應器。單層結構複合換熱式微反應器的進口分別連接著流體化學物質容器，流體介質沿垂直板面方向從進口流入對應的通道，並沿垂直板面方向從通道的出口流出微反應器。
本發明還涉及一種複合換熱式微反應器，所述的封板05作頂部封板，所述基板01作底部基板，至少還有一個中間基板03容納在所述頂部封板和所述底部基板之間。其中，中間基板03上所有通道的進口和出口為通孔，其餘特徵與基板01相同。將封板、中間基板和基板對齊後通過鍵合或擴散焊接的方式使其緊密結合在一起形成一個多層結構的複合換熱式微反應器。多層結構複合換熱式微反應器的進口分別連接著流體化學物質容器，流體化學物質沿垂直板面方向從進口分布流入對應的各層通道中，並沿垂直板面方向在各層通道的出口處集中流出。其中所述的中間基板的數目需根據產量要求並綜合參與反應和換熱的各流體物質的流量、各通道截面尺寸、通道長度進行選擇，應保證每股流體物質在反應進行中充滿所在通道。若要保證反應停留時間均勻，中間基板不宜過多。
其中所述基板、中間基板和封板由矽、矽化合物、陶瓷、金屬或耐熱玻璃組成，或者由矽或矽化合物和耐熱玻璃組成。
其中所述的基板、中間基板和封板通過銑削、化學刻蝕、等離子刻蝕、電火花燒蝕、雷射燒蝕或LIGA技術進行加工。
其中所述的基板、中間基板和封板採用鍵合或擴散焊接的方式進行封裝。
對於催化反應，催化劑在封裝前可採用氣相沉積技術或嵌入多孔材料的方式布置，也可在封裝完成後採用漿態技術在反應通道壁面塗層。
本發明還提供了所述的反應器在化學反應吸(放)熱量的測量分析中的應用。通過測量換熱流體的質量流量M、進口溫度T1、出口溫度T2以及反應流體的質量流量M』，結合熱量衡算式Q』＝Q＝Mc(T2-T1)可以計算出單位時間內化學反應過程中吸收或放出的熱量Q』和單位質量反應物吸(放)熱量Q』/M』。式中，Q是單位時間內換熱流體的傳熱量，c是換熱流體的熱容。
有益效果1、本發明在同一基板上合理布置微反應通道、換熱通道，在一個微反應器內沿一組微化學反應通道形成多段熱量交換區，其傳熱效率高，反應速度快，反應過程的選擇性好，物質轉化率高，流動阻力低。
2、加工材料與製造手段靈活，可製作出結構強度高，耐高溫、低溫的反應器。
3、反應器體積小，重量輕，空間布置方便。
4、與現有技術相比，本發明具有結構緊湊、加工方便，組合封裝簡單，易於擴充反應單元數目，易批量生產，更適於工業化應用的顯著特點。
圖1是由一個基板和一個封板組成的複合換熱式微反應器原理示意圖。
圖2示出一個複合換熱式微反應器的單層結構實施例分解圖。
圖3示出一個從下面看去的單層結構複合換熱式微反應器實施例分解圖。
圖4示出一個單層結構複合換熱式微反應器實施例的基板俯視圖。
圖5示出一個複合換熱式微反應器的多層結構實施例分解圖。
圖6示出一個多層結構複合換熱式微反應器實施例的中間基板結構圖。
圖7示出一個從下面看去的多層結構複合換熱式微反應器實施例的中間基板結構圖。
其中01為基板，02，03為中間基板，10，30為微反應通道，10a，30a 為微反應通道進口一，10b，30b為微反應通道進口二，10c，30c為微反應通道出口，11，31為第一組換熱通道，11a，31a為第一組換熱通道進口，11c，31c為第一組換熱通道出口，12，32為第二組換熱通道，12a，32a為第二組換熱通道進口，12c，32c為第二組換熱通道出口，13，33為第三組換熱通道，13a，33a為第三組換熱通道進口，13c，33c為第三組換熱通道出口，16，36為基板上的隔熱槽，17，37為基板上的銷釘口，05為封板，50a，50b 為反應流體進口，50c為反應流體出口，51a為第一組換熱流體進口，51c為第一組換熱流體出口，52a為第二組換熱流體進口，52c為第二組換熱流體出口，53a 為第三組換熱流體進口，53c為第三組換熱流體出口，56為封板上的隔熱槽，57為封板上的銷釘通孔。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
實施例1如圖1所示為複合換熱式微反應器的原理，該示意結構包括基板01和封板05兩部分。
基板01的上板面設有用於反應物混合併發生反應的微通道10、伴隨微反應通道10布置的第一組換熱通道11、伴隨微反應通道10布置的第二組換熱通道12、伴隨微反應通道10布置的第三組換熱通道13、起隔熱作用的隔熱槽16。其中，微反應通道10包括進口10a、10b和出口10c，第一組換熱通道11包括進口11a和出口11c，第二組換熱通道12包括進口12a和出口12c，第三組換熱通道13包括進口13a和出口13c。
封板05上設有反應流體進口50a、50b和出口50c、第一組換熱流體進口51a和出口51c、第二組換熱流體進口52a和出口52c、第三組換熱流體進口53a和出口53c、起隔熱作用的隔熱槽56。
所述結構化的基板01和封板05採用鍵合或擴散焊接的方式進行封裝。
進口50a、50b、51a、52a、53a分別連接著流體化學物質容器，流體化學物質沿垂直封板05的方向從進口流入對應的通道，並沿垂直封板05的方向經通道的出口和封板05上的對應出口流出。
分段流經所述換熱通道的熱流體介質可以準確高效地提供化學反應發生所需要的熱量；分段流經所述換熱通道的冷流體介質可以及時地將化學反應產生的熱量帶走。吸熱反應過程可以通過控制所述的第一段換熱通道11內熱流體介質的參數來提供熱量，即時啟動化學反應，通過控制中間段換熱通道12內熱流體介質的參數來維持化學反應沿最佳溫度曲線進行，通過控制所述的最末段換熱通道13內冷流體介質的參數來去除熱量，即時終止化學反應。通過測量換熱流體的質量流量M、進口溫度T1、出口溫度T2以及反應流體的質量流量M』，結合熱量衡算式Q』＝Q＝Mc(T2-T1)可以計算出單位時間內化學反應過程中吸收或放出的熱量Q』和單位質量反應物吸(放)熱量Q』/M』。式中，Q是單位時間內換熱流體的傳熱量，c是換熱流體的熱容。
實施例2以吸熱非催化反應過程為例，介紹一個單層結構複合換熱式微反應器實施例的成形及應用。
如圖2所示為一個複合換熱式微反應器的單層結構實施例分解圖，它由矽材料基板01和耐熱玻璃封板05組成。
如圖3與圖所示，以從下面看去的角度示出一個單層結構複合換熱式微反應器實施例的分解圖。
如圖4所示為一個單層結構複合換熱式微反應器實施例中矽材料基板01的俯視圖。
通過採用等離子刻蝕技術去除矽材料，在基板01的上板面刻制出反應物混合併發生反應的蛇形微通道10、伴隨微反應通道10布置的用於提供熱量啟動反應的第一段換熱通道11、伴隨微反應通道10布置的用於提供熱量維持反應的第二段換熱通道12、伴隨微反應通道10布置的用於移走熱量即時終止反應的第三段換熱通道13、起隔熱作用的縫隙16、起對中作用的銷釘口17。其中，微反應通道10包括進口10a、10b和出口10c，第一段換熱通道11包括進口11a和出口11c，第二段換熱通道12包括進口12a和出口12c，第三段換熱通道13包括進口13a和出口13c。
通過溼法化學刻蝕過程在耐熱玻璃封板05上蝕刻出反應流體進口50a、50b和出口50c、第一組換熱流體進口51a和出口51c、第二組換熱流體進口52a和出口52c、第三組換熱流體進口53a和出口53c、起隔熱作用的縫隙56、起對中作用的銷釘通孔57。
矽材料基板01和耐熱玻璃封板05通過銷釘對中後，採用陽極鍵合技術進行封裝。
進口50a、50b、51a、52a、53a分別連接著流體化學物質容器，流體化學物質沿垂直封板05的方向從進口流入對應的通道，並沿垂直封板05的方向經通道的出口和封板05上的對應出口流出。
實施例3以吸熱非催化反應過程為例，介紹一個多層結構複合換熱式微反應器實施例的成形及應用。
如圖5所示為一個304不鏽鋼材料製成的複合換熱式微反應器的三層結構實施例分解圖。它由一個基板01、一個封板05以及兩個特徵相同的中間基板02和03組成。
通過採用化學刻蝕技術去除不鏽鋼材料，在304不鏽鋼基板01，304不鏽鋼中間基板02和03的上板面蝕刻出形式相同的通道結構。然後採用電火花燒蝕技術在電火花成形工具機上採用薄片狀黃銅電極在基板01、中間基板02和03上放電燒蝕出起隔熱作用的縫隙。最後採用電火花燒蝕技術將中間基板02和03上所有通道的進口、出口以及銷釘口鑽為通孔。
下面以304不鏽鋼中間基板03為例對成形過程進行介紹。
如圖6所示為一個304不鏽鋼材料製成的三層結構複合換熱式微反應器實施例的中間基板03的結構圖。
採用金屬各向同性溼法化學刻蝕技術在304不鏽鋼中間基板03的上板面蝕刻出用於反應物混合併發生反應的蛇形微通道30，伴隨微反應通道30布置的用於提供熱量的第一段換熱通道31、伴隨微反應通道30布置的用於提供熱量的第二段換熱通道32、伴隨微反應通道30布置的用於移走熱量即時終止反應的第三段換熱通道33、起對中作用的銷釘口37。其中，微反應通道30包括進口通孔30a、30b和出口通孔30c，第一組換熱通道31包括進口通孔31a和出口通孔31c，第二組換熱通道32包括進口通孔32a和出口通孔32c，第三組換熱通道33包括進口通孔33a和出口通孔33c。上述通孔是在蝕刻過程之後通過電火花鑽孔技術成形。在電火花鑽孔工具機上用略小於通道口或銷釘口直徑的黃銅電極對準304不鏽鋼中間基板03上的各通道口和銷釘口，依次放電燒蝕鑽孔。在電火花成形工具機上採用薄片狀黃銅電極在304不鏽鋼中間基板03上放電燒蝕出起隔熱作用的縫隙36。
圖7與6圖類似，以從下面看去的角度示出一個304不鏽鋼材料製成的三層結構複合換熱式微反應器中間基板03的結構圖。
採用電火花燒蝕技術在304不鏽鋼封板05上形成通孔和隔熱縫隙。在電火花鑽孔工具機上用圓柱狀黃銅電極在304不鏽鋼封板05上依次鑽出反應流體進口通孔50a、50b和出口通孔50c、第一組換熱流體進口通孔51a和出口通孔51c、第二組換熱流體進口通孔52a和出口通孔52c、第三組換熱流體進口通孔53a和出口通孔53c、起對中作用的銷釘通孔57。在電火花成形工具機上採用薄片狀黃銅電極在304不鏽鋼封板05上放電燒蝕出起隔熱作用的縫隙56。
304不鏽鋼基板01、304不鏽鋼中間基板02、304不鏽鋼中間基板03、304不鏽鋼封板05通過銷釘對中後，採用真空擴散焊接技術進行封裝。
進口50a、50b、51a、52a、53a分別連接著流體化學物質容器，流體化學物質沿垂直封板05的方向從進口流入對應的通道，並沿垂直封板05的方向經通道的出口和封板05上的對應出口流出。
權利要求
1.一種複合換熱式微反應器，由封板(05)和至少一塊基板(01)組成，基板(01)的上板面同時具有微反應通道(10)和換熱通道，每個通道至少有一個進口和一個出口；封板(05)上設有一系列進口通孔和出口通孔，並分別對應於所述基板(01)上各通道的進口與出口；基板(01)和封板(05)中至少存在一組相對應的隔熱槽(16)、(56)，該隔熱槽可通過去除實體材料或填充隔熱材料構成。
2.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於基板(01)上有一個微米尺度微反應通道，至少有兩個微米尺度或毫米尺度換熱通道。
3.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於所述換熱通道伴隨著所述微反應通道(10)以波形或蛇形彎曲形式分段緊湊布置。
4.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於基板數超過一塊時，中間的基板(03)上所有通道的進口和出口為通孔，其餘特徵與基板(01)相同。
5.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於所述流體介質沿垂直板面方向沿進口流入微反應器，沿垂直板面方向沿出口流出微反應器。
6.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於所述基板(01)和封板(05)由矽、矽化合物、陶瓷、金屬或耐熱玻璃組成，或者由矽或矽化合物和耐熱玻璃組成。
7.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於所述的基板(01)和封板(05)通過銑削、化學刻蝕、等離子刻蝕、電火花燒蝕、雷射燒蝕或LIGA技術進行加工。
8.如權利要求1所述的反應器，其特徵在於所述的基板(01)和封板(05)採用鍵合或擴散焊接的方式進行封裝。
9.一種如權利要求1所述的反應器在化學反應吸(放)熱量的測量分析中的應用。
全文摘要
本發明涉及的是一種微流體介質間進行傳熱、傳質、發生化學反應的微型化學化工機械系統，特別是一種集成多溫度區域的換熱式微反應器。結構具有基板和封板，一個或若干個基板跟封板組合構成單層結構或多層結構。基板上設有一個微化學反應通道和若干個換熱通道，沿一組微化學反應通道形成多段熱量交換區，整體實現強放熱反應過程的等溫操作或變溫操作、吸熱反應過程的等溫操作或變溫操作以及吸熱反應的即時終止。此外，還可作為化學反應吸(放)熱量的測量分析工具。
文檔編號B01J19/00GK1907555SQ200610088398
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月17日 優先權日2006年7月17日
發明者王豪傑, 塗善東, 張鍇, 鞏建鳴 申請人:南京工業大學