微混合晶片和微通道反應系統的製作方法

2023-04-27 00:50:31

本申請涉及一種化學反應器，特別是涉及一種微混合晶片和微通道反應系統，屬於微流控技術領域。

背景技術：

化學反應器是實現化學反應過程的設備，廣泛應用於精細化工、製藥、石油化工、冶金、輕工等行業。常用的反應設備如間歇式反應釜，靈活簡單，能夠滿足各種各樣的反應工藝的需求。然而，由於間歇式反應釜比表面積小，在工藝放大過程中需要多步優化，對人力物力消耗極大，且存在傳質傳熱不均勻、設備佔地面積大、能耗高、連續化生產困難、安全係數低等缺點。21世紀，隨著微流控技術的興起及飛速發展，整個化工行業也將伴隨著工業4.0的革新及升級換代，而基於微流控技術的微通道反應器正是這場革新中的核心與關鍵所在。

微通道反應器是指特徵尺度在數百微米以下的化學反應過程裝備，其具有比表面積大、傳質傳熱效率高、返混機率小及流動狀態接近平推流等優點，從而可以很精確地控制反應停留時間，使反應溫度範圍分布變窄，加快化學反應速率，提高化學反應的選擇性，展現了高效、安全、穩定、節能環保、自動化連續化生產等無可比擬的優勢。

然而，現有的微通道反應器主要存在以下問題：

1、現有的微通道反應器靈活度不夠，對許多化學工藝的適應性不是很好，尤其對多種物料、多步溫區的反應工藝適應性不夠；

2、反應模塊與換熱模塊集成化太高，從而對於許多僅常溫就可以進行的反應而言，設備造價成本較高。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種微混合晶片和微通道反應系統，以克服現有技術中的不足。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

本申請實施例公開一種微混合晶片，包括至少兩個物料入口和一條反應工藝管道，每個所述物料入口分別通過一條物料預熱管道連通於所述反應工藝管道的同一端，該反應工藝管道的另一端形成有一物料出口，所述物料預熱管道和反應工藝管道曲線延伸並形成多個U形轉角。

優選的，在上述的微混合晶片中，所述反應工藝管道內陣列分布有多個混合凸柱。

優選的，在上述的微混合晶片中，所述物料入口和物料出口位於同一直線上，且位於所述微混合晶片同一側的同一邊緣。

本申請實施例還公開了一種微通道反應系統，包括：

至少一個所述的微混合晶片；

夾具，與所述微混合晶片的一個邊緣固定，夾具上設有與所述物料入口、物料出口分別連通的流道過孔；

換熱器，具有供所述微混合晶片插置的插槽。

優選的，在上述的微通道反應系統中，所述夾具包括夾具底板和夾具蓋板，該夾具底板和夾具蓋板之間可拆卸固定，所述夾具底板和夾具蓋板之間形成有對所述微混合晶片邊緣進行容納的卡槽，所述流道過孔開設於所述卡槽上。

優選的，在上述的微通道反應系統中，所述夾具底板和夾具蓋板之間通過緊固螺栓固定。

優選的，在上述的微通道反應系統中，所述換熱器包括兩塊互為鏡像的換熱器外板、以及兩塊互為鏡像的換熱器內板，所述換熱器內板夾持於兩塊所述換熱器外板之間，兩塊所述換熱器內板之間形成有晶片插置槽，所述換熱器內板與所述換熱器外板之間形成有由折流板圍成的流道。

優選的，在上述的微通道反應系統中，兩塊所述換熱器內板之間還形成有溫度傳感器探頭插入槽。

優選的，在上述的微通道反應系統中，所述換熱器內板材質為鋁，所述換熱器外板材質為樹脂，表面噴金屬漆。

優選的，在上述的微通道反應系統中，還包括：

至少一個微反應晶片，微反應晶片與微混合晶片之間連通，每個所述微反應晶片分別包括一個反應物入口和一個反應物出口，所述反應物入口和一個反應物出口之間連通有反應管道，該反應管道曲線延伸並形成多個U形轉角。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

本發明提供的微通道反應器裝置由於比表面積大，在工藝放大過程中步驟簡化，節約了人力物力，且具有傳質傳熱均勻、設備佔地面積小、能耗小、連續化過程操作、安全係數高等優點。且微反應晶片配置靈活，換熱器獨立，能適應多種物料，多步複雜工藝的連續化生產過程。本發明中，預熱管道是為了使反應發生之前，多種物料充分預熱，達到反應所需要的熱力學能量值(活化能)，之後混合、反應能迅速進行，提高效率；彎曲管道是可以增大流體的湍動，進而增大對流傳熱的傳熱膜係數，提高傳熱效率。

反應晶片與換熱器之間隨時插入隨時取出，極大地提高了靈活性，換熱器與反應器採用對流傳熱，可以根據需求設置多個溫區(多個換熱器)。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1所示為本發明具體實施例中微混合晶片的結構示意圖；

圖2所示為本發明具體實施例中微反應晶片的結構示意圖；

圖3所示為本發明具體實施例中夾具底板的結構示意圖；

圖4所示為本發明具體實施例中夾具蓋板的結構示意圖；

圖5所示為本發明具體實施例中換熱器內板一面的結構示意圖；

圖6所示為本發明具體實施例中換熱器內板另一面的結構示意圖；

圖7所示為本發明具體實施例中換熱器外板的結構示意圖；

圖8所示為本發明第一實施例中微晶片的連接示意圖；

圖9所示為本發明第二實施例中微晶片的連接示意圖；

圖10所示為本發明第三實施例中微晶片的連接示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本實施例中，微通道反應系統包括微晶片、夾具和獨立換熱器，微晶片包括微混合晶片和微反應晶片。

結合圖1所示，微混合晶片100包括至少兩個物料入口101和一條反應工藝管道102，每個物料入口101分別通過一條物料預熱管道103連通於反應工藝管道102的同一端，該反應工藝管道102的另一端形成有一物料出口104，物料預熱管道103和反應工藝管道102曲線延伸並形成多個U形轉角。

結合圖2所示，反應工藝管道102內陣列分布有多個混合凸柱105。優選的，混合凸柱105靠近預熱管道103的出口處。

進一步地，物料入口101和物料出口104位於同一直線上，且位於所述微混合晶片同一側的同一邊緣。

結合圖2所示，微反應晶片200分別包括一個反應物入口201和一個反應物出口202，所述反應物入口201和一個反應物出口202之間連通有反應管道203，該反應管道203曲線延伸並形成多個U形轉角。

該技術方案中，物料預熱管道103、反應工藝管道102和反應管道203採用「方便麵結構」的連續圓弧管道結構，具有很強的傳質和混合效果。

結合圖3和圖4所示，夾具用於與微混合晶片或微反應晶片的一個邊緣固定，包括夾具底板301和夾具蓋板302，該夾具底板301和夾具蓋板302之間通過緊固螺栓可拆卸固定。

夾具底板上形成有對微混合晶片或微反應新品邊緣進行容納的卡槽303，卡槽303上開設有流道過孔304，流道過孔304與晶片的物料出口對應，流道過孔304的四周形成有密封圈槽305。流道過孔304的另一端連通有UNF內螺紋孔。

該技術方案中，夾具的結構設計，簡單有效，且使用方便，與晶片的連接密封良好，且安裝拆卸極其方便。

結合圖5至7所示，換熱器包括兩塊互為鏡像的換熱器外板401、以及兩塊互為鏡像的換熱器內板402，相貼合的兩塊換熱器內板402夾持於兩塊所述換熱器外板401之間，兩塊所述換熱器內板402之間形成有晶片插置槽403，換熱器內板402與所述換熱器外板401之間形成有由折流板404圍成的流道405。

換熱器外板401上開設有流道G內螺紋孔407，流道G內螺紋孔407與流道405連通。

進一步地，兩塊所述換熱器內板之間還形成有溫度傳感器探頭插入槽406。溫度傳感器探頭優選為Pt100。

換熱器外板和換熱器內板之間通過緊固螺栓固定。

該技術方案中，換熱器外板及內板採用鏡像方式安裝使用，工藝過程穩定、密封良好，且提供了極大的靈活性，使得微晶片可以選擇多種溫度區域，適應多種化學反應工藝過程。換熱器與微晶片的連接方式獨樹一幟，即插即用，非常方便。

安裝時，夾具底板的密封圈槽305裝上相應的密封圈，再讓微混合晶片或微反應晶片的物料進出口與夾具底板的流道過孔304相應地對齊，將微晶片放置在夾具底板的卡槽303上，蓋上夾具蓋板，夾具蓋板的緊固螺栓過孔與夾具底板的緊固螺栓過孔對齊，用相應的螺栓與法蘭螺母擰緊。在夾具底板的流道UNF內螺紋孔上接上相應的UNF外螺紋接頭，便可通入工藝流體。

兩塊互為鏡像的換熱器內板密封圈槽位置裝上相應的密封圈，兩塊互為鏡像的換熱器內板緊固螺栓過孔與兩塊互為鏡像的換熱器外板緊固螺栓過孔相應地對齊，底部的緊固螺栓過孔與L型角碼連接，用相應的緊固螺栓和法蘭螺母擰緊。在兩塊互為鏡像的換熱器外板的流道G內螺紋孔407上接上相應的G外螺紋接頭，便可通入換熱介質。在兩塊互為鏡像的換熱器內板的Pt100溫度傳感器探頭插入槽406上插入相應的Pt100溫度傳感器探頭，便可作業。

將安裝好夾具的微晶片插入到換熱器的微晶片插入槽403中，換熱介質流過換熱器時，由於換熱器內板厚度小，換熱介質會對換熱器內板產生擠壓力，換熱器內板進而向內擠壓，與塗有超導熱矽脂的微晶片密封夾緊，由於整個微晶片表面和換熱器內板表面都沒有氣泡並且是緊固的，同時，換熱器內板為鋁材質，換熱器外板為表面噴金屬漆的耐高溫高分子樹脂材質，所以微晶片和換熱器工作時會產生很好的對流傳熱效果。

本案系統，可以根據需要設置至少一個微混合晶片，也可以是至少一個微混合晶片和至少一個微反應晶片之間的組合。

具體地，結合圖8所示，在第一實施例中，包括一個微混合晶片和一個微反應晶片，物料A1與物料B1分別通過兩個入口，在兩個預熱管道中分別預熱，在混合凸柱處產生錯流混合，反應工藝管道中進行紊流傳質並反應，經微混合晶片出口流入微反應晶片入口中，在反應管道中延長反應時間，最後從微反應晶片出口得到產物C1，整個工藝過程中沒有死體積。

結合圖9所示，在第二實施例中，包括兩個微混合晶片和一個微反應晶片。

物料A2與物料B2分別通過第一個微混合晶片的兩個入口，在兩個預熱管道中分別預熱，混合凸柱中產生錯流擾動混合，反應工藝管道中進行紊流傳質並反應，然後經其出口流入第二個微混合晶片的入口中，物料C2通過第二個微混合晶片另外一個入口，然後在其預熱管道中預熱，混合凸柱中與物料A2和物料B2的中間產物產生錯流擾動混合，反應工藝管道中進行紊流傳質並進一步反應，經其出口流入微反應晶片入口中，反應管道中延長反應時間，最後從出口得到產物D2。

結合圖10所示，在第三實施例中，包括三個微混合晶片和一個微反應晶片，三個微混合晶片依次串聯後與微反應晶片連通。

該實施例用以實現4種物料混料，其中第一個微混合晶片兩個入口分別通入物料A3和B3，第二個微混合晶片兩個入口分別通入物料C3和D3，第三個微混合晶片兩個入口分別與第一和第二個微混合晶片的出口連通，第三個微混合晶片出口與微反應晶片入口連通，產物E3從微反應晶片出口流出。

綜上所述，當需要5種及以上物料混合時，只要增加串聯的微混合晶片數量即可。

本案原理在於：微晶片通過夾具的反應介質物料出入口進反應介質，介質在微晶片的管道中流動，將微晶片插入到微晶片插入槽中；換熱器通入換熱介質，下口進上口出，充分排掉裡面的空氣，換熱介質在換熱器內板裡流動，由於流體流動過程中的剪應力存在，會對內板產生擠壓，而使得換熱器的換熱槽(微晶片插入槽)變小，夾緊微反應晶片，由於微晶片在插入槽口之前表面先塗抹一層超導熱矽脂，這時在擠壓外力的作用下，使得換熱器內板—微晶片—換熱器內板實現無氣泡緊固連接，而換熱介質與反應介質之間實現了對流傳熱，由於兩種流體流動過程中都易達到湍流，所以對流傳熱的傳熱膜係數很高，能達到理想的傳熱效果。

需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本申請的具體實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護範圍。