一種微反應器的製作方法
2023-06-17 09:50:36
本發明涉及反應設備技術領域，特別是在化工、醫藥等行業所使用的微通道反應器，其介質可以是氣體的、液體的或者彌散的，用於反應物在其通道內進行物理反應或化學反應。
背景技術：
微反應器，即微通道反應器，是一種藉助於特殊微加工技術以固體基質製造的可用於進行化學反應的三維結構元件。微反應器通常含有小的通道尺寸和通道多樣性，流體在這些通道中流動，並在這些通道中發生所要求的反應。
微反應器的「微」不是特指微反應器設備的外形尺寸大小，也不是指微反應器設備產品的產量小，而是表示工藝流體的通道在微米級別，微反應器中可以包含有成百萬上千萬的微型通道，因此也實現很高的產量。
微反應器比常規的管道式反應器的尺寸要小得多，但微反應器從本質上來講仍是一種連續流動的管道式反應器。微反應系統通常包括換熱、混合、分離、分析和控制等高度集成單元。因具備大比表面積、微小反應體積和獨特的層流傳質等特性，決定其擁有常規反應器所不可比擬的優良傳熱、傳質和混合性能。良好的傳質性能保證了物料的快速混合，傳熱效率的提高使得反應能在等溫條件下快速反應。
如圖1所示，使用此微反應器相對於傳統的釜式反應器具有明顯的技術優勢，但同時也存在以下問題：
首先，其反應通道2'的內壁沿流體走向全程設計為流線形，在單位面積內，固體基質1'上的「留白」區域面積過大，即所形成的通道面積較小，而非通道面積較大，通道面積與單位面積的比值小，直接導致持液量和處理量受到限制，影響了產品轉化率和產率的進一步提高，通道混合效率有改進空間；而且由於反應通道2'面積較小，導致熱傳導係數和換熱效果也會受到一定影響，有進一步提升的空間。
其次，不耐壓，不能進行高壓反應，例如一些流體在低壓狀態下可能會汽化，因此需要在高壓條件下進行反應。若採用上述微反應器，會導致無法完成混合或反應。
再者，微反應器的特徵尺寸一般在10到3000μm之間，其流線型構造需採用特殊的加工工藝和模具，增加了加工製造難度和成本，不利於規模化生產。
因此，如何設計一種新的微反應器，以克服上述缺陷，是本領域技術人員需要解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種微反應器。該反應器具有高比表面積來增大強化反應過程，持液量和處理量得到進一步加大，可有效提高產品轉化率和產率，同時熱傳導係數和換熱效果得到顯著提升，而且，介質在經過其通道時的壓降大大降低，從而有利於對反應條件進行精確控制和降低能耗。
為實現上述目的，本發明提供一種微反應器，設有反應通道，所述反應通道具有多個反應腔，各所述反應腔內設有分流體和擾流體，各所述反應腔的入口下遊設有分流體，各所述反應腔的出口上遊設有擾流體，各所述反應腔呈矩形，其出口包括寬度逐漸變窄的V形通道以及寬度相等的線性通道，所述線性通道的寬度a為0.002mm～6mm，所述擾流體到V形通道兩邊的距離b與所述線性通道的寬度a的比值為0.93～2.2。
優選地，所述分流體兩側到所述反應腔兩側的距離c與所述線性通道的寬度a的比值為0.84～2.5。
優選地，所述分流體呈開口迎向反應腔入口的V形，所述入口末端到其開口底部弧形區域的距離d與所述線性通道的寬度a的比值為0.98～5.3。
優選地，所述分流體V形開口兩端的外側分別平行於反應腔兩側的內壁，與所述內壁之間形成等寬的通道。
優選地，所述分流體厚度為0.002mm～3mm，其V形開口兩端的頂部尖角高於其所對應的反應腔入口末端。
優選地，所述分流體的開口角度α為30度～160度，所述V形通道的角 度β為30度～160度。
優選地，所述分流體的開口角度α為60度～120度，所述V形通道的角度β為60度～120度。
優選地，所述反應腔主腔體的長度為0.05mm～50mm、寬度為0.05mm～50mm，其長寬比為0.1～10。
優選地，在同一分流單元內，包括至少兩道並行的所述反應通道，相鄰所述反應通道之間設有共用的中間壁，並在所述中間壁上設有連通其反應腔的混流口。
優選地，所述混流口的長度為0.002mm～6mm，寬度為0.002mm～3mm。
優選地，包括以層疊方式組成所述微反應器的一層通道板、兩層隔板和兩層散熱板；所述通道板處於中間位置，其兩面均設有所述反應通道；兩層所述散熱板分別位於所述通道板的上層和下層，其上分別設有換熱通道；兩層所述隔板分別位於所述通道板與所述散熱板之間。
優選地，包括組成所述微反應器的通道板；所述通道板的上下兩面分別設有所述反應通道和散熱通道。
本發明在現有技術的基礎上作了進一步改進，其反應腔的內壁不再全程設計為流線形，而是設計為直角部位均倒圓滑過渡的矩形。這樣，在保證混流效果和流速，避免出現混合盲區的前提下，可大幅減小單位面積內非通道區域的面積，增大流通通道的面積，從而獲得高比表面積來增大強化反應過程，進一步加大了持液量和處理量，可有效提高產品轉化率和產率，同時熱傳導係數和換熱效果也得到顯著提升。此外，本發明將各反應腔的出口設計為逐漸變窄的V形通道以及寬度相等的線性通道兩部分，並將線性通道的寬度a控制在0.002mm～6mm範圍內，還設定擾流體到V形通道兩邊的距離b與線性通道的寬度a的比值為0.93～2.2，採用這樣的構造之後，介質在經過反應通道時遇到的阻力最小，能夠充分的形成漩渦，並最大程度上增大了漩渦保持的時間，從而獲得最好的混合效果，而且，在單位長度內，介質壓降大大降低，有利於對反應條件進行精確控制和降低能耗。
附圖說明
圖1為現有微反應器的反應通道示意圖；
圖2為本發明所提供微反應器的外部結構示意圖；
圖3為本發明所提供微反應器的反應通道示意圖；
圖4為圖3中I部位的局部放大圖；
圖5為圖3所示反應通道的流體速度矢量圖；
圖6為分流體與擾流體連為一體的另一種反應通道示意圖；
圖7為本發明所提供另一種微反應器的外部結構示意圖；
圖8為同一塊基板的上下兩面分別設有微反應通道和換熱通道的結構示意圖。
圖1中：
固體基質1'反應通道2'
圖2至圖8中：
1.通道板 2.隔板 3.散熱板 4.反應器入口 5.反應器出口 6.第一大分流裝置 7.第一小分流裝置 8.第二大分流裝置 9.第二小分流裝置 10.第三大分流裝置 11.第三小分流裝置 12.反應腔 13.出口14.入口 15.分流體 16.擾流體 17.V形通道 18.線性通道 19.混流口 20.反應通道 21.反應原料進口 22.反應產物出口 30.散熱通道 31.散熱介質進口 32.散熱介質出口 33.密封板
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
請參考圖2、圖3、圖4，圖2為本發明所提供微反應器的外部結構示意圖；圖3為本發明所提供微反應器的反應通道示意圖；圖4為圖3中I部位的局部放大圖。
在一種具體實施例中，本發明所提供的微反應器設計為反應片形式，主要由通道板1、隔板2及散熱板3三大部分層疊組成，其中，通道板1的厚度為0.1mm～50mm，其上刻有微反應通道，隔板2的厚度為0.01mm～5mm，散熱板3的厚度為0.1mm～50mm，其上刻有散熱通道，隔板2位於通道板1 與散熱板3之間，與通道板1限定形成反應通道，與散熱板3限定形成散熱通道。
如圖3所示，反應片一端開有兩個(也可以是一個或多個)與反應通道連通的反應器入口4，用於同時進一股物料或者多股物料，反應片同一端或其他端開有一個反應器出口5。
物料從反應器入口4進入，一開始為單通道，逐漸變為雙通道，最後變為四通道，每條通道寬度為0.05mm-50mm，通道內設有用於分流的第一大分流裝置6、第一小分流裝置7、第二大分流裝置8、第二小分流裝置9、第三大分流裝置10、第三小分流裝置11，以每四通道為一組，反應片內以蛇形的方式一共形成有九個(可以根據使用要求設定個數)首尾相連的分流單元A，每一個分流單元A均為四通道結構形式。
單通道、雙通道及四通道分流單元A的各反應通道均設有多個反應腔12，且反應腔12依次首尾相連，其中上一反應腔的出口13形成下一反應腔的入口14，各反應腔的入口14下遊設有分流體15，各反應腔的出口13上遊設有擾流體16。
以分流單元A的其中一路通道為例，其各反應腔12大體呈直角部位均圓滑過渡(以避免形成混合盲區)的矩形，其出口大體呈漏鬥形，分為寬度逐漸變窄的V形通道17以及寬度相等的線性通道18兩部分，此出口13同時作為入口14伸入下一反應腔一定距離，線性通道18的寬度a為0.002mm～6mm(本實施例取值0.375mm)，擾流體16的斷面呈圓形，其到V形通道17兩邊的距離b與線性通道18的寬度a的比值為0.93～2.2(本實施例設定比值為2)。
分流體15呈開口迎向反應腔入口的V形，其底部設計為平面，開口兩端的外側分別平行於反應腔12兩側的內壁，與內壁之間形成等寬的通道，反應腔入口中心線與V形分流體的角平分線共線，反應腔入口13末端到分流體15開口底部弧形區域的距離d與線性通道18的寬度a的比值為0.98～5.3(本實施例設定比值為5)，分流體15兩側到反應腔12兩側的距離c與線性通道18的寬度a的比值為0.84～2.5(本實施例設定比值為2)。
反應腔12的長度可控制在0.05mm～50mm、寬度可控制在0.05mm～ 50mm，其長寬比可控制在0.1～10(本實施例長度取值為6.2mm、寬度取值為6.0mm，長寬比約為1.03)，分流體15的開口角度α為30度～160度，優選60度～120度，V形通道17的角度β為30度～160度，優選60度～120度(本實施例中，α和β的取值均為77度)。
在同一分流單元A內，相鄰反應通道之間設有共用的中間壁，並在中間壁上設有連通其反應腔12的混流口19，以保證每條通道流速相同，混流口19有多個，每個混流口19的長度可控制在0.002mm～6mm、寬度可控制在0.002mm～3mm(本實施例長度取值為1.1mm、寬度取值為0.7mm)。
工作時，從反應器入口4進入反應片的物料在入口處由第一大分流裝置6分為兩路，並在經過第一大分流裝置6之後重新合併為一路，進入單通道，然後在雙通道中又被分成兩路，經過第一小分流裝置7之後重新合併為一路，再依次經過各分流單元A，在每一個分流單元A的入口處均設有一個第二大分流裝置8和兩個第二小分流裝置9，物料在經過第二大分流裝置8之後被分成兩路，然後每一條支路在經過第二小分流裝置9之後又進一步被分成兩路，共分為四路，在每一個分流單元A的出口處均設有兩個第三小分流裝置11和一個第三大分流裝置10，四路物料在經過兩個第三小分流裝置11之後合併為兩路，再進一步經過第三大分流裝置10之後合併為一路，然後經連通通道轉向，進入下一分流單元A，依次經過其餘八個分流單元A後，從反應器出口5向外輸出。
分流體15的厚度為0.002mm～3mm，其V形開口兩端的頂部尖角高於其所對應的反應腔入口13末端，物料在從入口13進入反應腔後，先由分流體15將其分流成左右兩路，每一路分別進行大於90度的轉向，然後分別沿分流體15與反應腔12內壁之間的通道向前輸送，在經過擾流體16後重新合併為一路從出口進入下一反應腔12，每經過一個反應腔12都進行一次分流、轉向、合流，在進行多次的分流、轉向、合流過程中，完成所要求的混合、反應。
上述通道形式的微反應器在設計過程中，充分考慮工藝流體流動的形式及流體流動的合理性。例如混合盲區的產生會導致反應物料濃度局部分布不均，進而導致副產物量的增加。如圖5所示，其通道內流體流動過程中基本 不存在流動死區，混合湍動效果好，計算模擬結果顯示，達到相同的混合效果，「心型」結構的微反應器需要的混合長度更長，混合速度更大，而本發明「箭型」結構的通道形式則很快實現了兩種流體的均勻混合，在壓力損失方面，同樣尺寸等級、同樣長度的「心型」結構的微反應器壓力損失為700Pa，而本發明「箭型」結構的微反應器壓力損失僅為260Pa。
在保證混流效果和流速，避免出現混合盲區的前提下，本發明可大幅減小單位面積內非通道區域的面積，增大流通通道的面積，如圖3所示，各分流單元A的反應腔12能夠實現密集分布，反應腔之間僅薄壁結構為非通道區域，其餘區域均為通道區域，與圖1所示的「燕翼」形非通道區域相比，充分利用了基材面積，從而獲得2500-50000(m2/m3)的高比表面積來增大強化反應過程，進一步加大了持液量和處理量，可有效提高產品轉化率和產率，混合效果更好。
由於具有高比表面積，因此熱傳導係數和換熱效果也得到顯著提升。本形式的微通道反應器可將反應產生的熱量及時帶走，因此實現反應溫度的精確控制，在反應溫度的精確控制方面比現有微反應器顯示出更高的優勢，對溫度控制更加精確。
對於單個反應腔而言，其擾流結構和兩側邊形成衝擊流匯入下一級入口，在流體中插入一個柱狀物，從柱狀物兩側會交替地發生有規律的漩渦，其出口角度設計和兩側寬度決定撞擊流效果。
其流動狀態描述如下：流體由反應腔入口14以高速撞擊分流體15，在分流體15的作用下，流速在分流體15上部產生多方向分流，並由兩側流向下部的腔室，在腔室內的擾流體16的作用下，流體在腔室內產生渦流，進一步增強混合效果，後經擾流體16兩側流至腔室出口13，在出口13區域加速，最終以高速流向下一混合結構。
如果其擾流體16到V形通道17兩邊的距離b與線性通道的寬度a的比值小於0.93，即b值過小而a值過大，則雖然可以降低壓降，保證介質經過反應腔的流速，但卻無法在反應腔12內有效的形成漩渦，或形成漩渦的保持時間較短，介質在從入口14進入反應腔12後，會以較快的流速從出口13流出，不能夠在反應腔12內進行充分的混合，使混合效果變差；如果其擾流 體16到V形通道17兩邊的距離b與線性通道18的寬度a的比值大於2.2，即b值過大而a值過小，則雖然能夠在反應腔12內有效的形成漩渦，且形成漩渦的保持時間較長，介質在反應腔12內能夠進行充分的混合，混合效果較好，但是介質在流經反應腔時的壓降較大，不利於對反應條件進行精確控制和降低能耗。
本發明在綜合分析擾流和撞擊流兩種混合效果之後，將擾流體16到V形通道17兩邊的距離b與線性通道18的寬度a的比值設定為0.93～2.2，採用這樣的構造之後，能夠在上述矛盾之間取得良好的平衡，既能夠充分的形成漩渦，並最大程度上增大了漩渦保持的時間，從而獲得最好的混合效果，又能夠使介質在經過反應通道時遇到的阻力最小，在單位長度內，介質壓降大大降低，有利於對反應條件進行精確控制和降低能耗。
此外，上述通道形式的微反應器由於採用四通道並聯，其並聯通道間設有混流口19，彼此之間可以混流，一方面保證了每條通道中流體流量相同，另一方面，進一步減小了單位長度反應通道的壓力損失。
具體數據見表1。由表可以看出，新通道形式的微通道反應器由於採用四通道並聯且聯通的形式，持液量加大，單位長度壓力降大大降低，從而可以減少能耗。
表1不同通道形式不同流量下單位長度壓力降
註：--代表無相關數據
進一步地，V形分流體15距反應腔12兩側邊的距離決定流通量和整體阻力，此結構是主流通結構，而且是V形壁產生漩渦後流通通道結構設計標準，本實施例將分流體15兩側到反應腔12兩側的距離c與線性通道18的寬度a的比值設定為0.84～2.5，能夠保證阻力和形成漩渦以及漩渦保持時間最合理。
再進一步地，反應腔入口14寬度和入口距V形分流體15的尺寸，決定衝擊力的大小，決定漩渦的形成效果，本實施例將入口14末端到分流體15開口底部弧形區域的距離d與線性通道18的寬度a的比值為0.98～5.3，阻力最小，形成漩渦充分，混合效果最好，最大程度上增大了漩渦停留時間。
這裡需要說明的是，從小試設備到工業化設備，直接放大要實現無放大效應具有較大難度。故提出放大理論：在反應結構中流體入口(12)及擾流結構(15)流通速度V存在關係：V工業＝1～3V小試(根據原料的濃度選擇合適的參數)。根據分析和實驗，工業化設備進口收口流速是小試設備1-3倍的時候，放大效果最好，可減少中試環節，縮短工藝開發周期。
請參考圖6，圖6為分流體與擾流體連為一體的另一種反應通道示意圖。
在上述實施例中，V形分流體15和圓柱形擾流體16上下間隔布置，彼此相互獨立，除此之外，V形分流體15還可以與圓柱形擾流體16連為一體，從而形成「Y」字形的分流擾流體，即分流體15與擾流體16既可以是一體式結構也可以是分體式結構，都能夠實現本發明目的。
上述實施例僅是本發明的優選方案，具體並不局限於此，在此基礎上可根據實際需要作出具有針對性的調整，從而得到不同的實施方式。如圖7所示，通道板1的數量為一塊，其兩面均有微反應通道，隔板2和散熱板3的數量均為兩塊，散熱板3上設有換熱通道，通道板1、隔板2和散熱板3按圖示方式層疊組成微反應器，其中，隔板2的厚度為0.01mm～5mm，通道板1和散熱板3的厚度為0.1mm～50mm，或者，如圖8所示，也可以在一塊板上下兩面分別設有微反應通道20和散熱通道30，反應通道20位於反應層之內，其一端為反應原料進口21，另一端為反應產物出口22；散熱通道30的一端為散熱介質進口31，另一端為散熱介質出32口，散熱通道30由散熱通道密封板33進行密封，其通道的寬度和高度基本保持不變，等等。由於可能實現的方式較多，這裡就不再一一舉例說明。
上述通道材質可以是金屬材質不鏽鋼，如304不鏽鋼、316不鏽鋼、316L不鏽鋼、雙相鋼、超級奧氏體不鏽鋼、超級雙相不鏽鋼等；或者鎳基合金，如哈氏合金、蒙乃爾合金、因科鎳等；或者特殊的有色金屬，如鈦、鉭、鈮、鋯等；或非金屬材質，如SiC、亞克力、石英、peek、PTFE等其中一種或 多種的組合。不同的通道材質可以適應不同的反應條件，如金屬材質更耐高壓，SiC材質更耐酸鹼腐蝕。
此微反應器能夠用於反應物在其通道內進行物理反應(混合、彌散、乳化、懸浮等)或化學反應(氧化；還原；取代；消除；加成；配體交換；金屬交換及離子交換或者更具體的說聚合；烷基化；脫烷基化；硝化；過氧化；磺化氧化；環氧化；氨氧化；氫化；脫氫；有機金屬反應；貴金屬反應/均相催化劑反應；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；滷化；脫滷化氫；脫滷化；加氫甲醯化；羧化；脫羧；胺化；芳基化；肽偶聯；醇醛縮合；環化縮合；脫氫環化；酯化；醯胺化；雜環合成；脫水；醇解；水解；氨解；醚化；酶合成；酮化；皂化；異構化；季胺化；甲醯化；相轉移反應；甲矽烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；疊氮化學反應；複分解；氫化矽烷化；偶聯反應以及酶反應等)。
以上對本發明所提供的微反應器進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。