反應器單元及雙面型微反應器系統的製作方法

2023-06-17 10:02:21

本實用新型涉及微反應器領域，尤其通過介觀尺度撞擊流及繞柱流動，強化混合，優化控制化學反應過程的反應器單元及雙面型微反應器系統。

背景技術：

微反應器是通過精密加工技術製造的小型反應系統，內部的流道尺寸在微米至幾毫米量級。微反應器的主要作用是對質量和熱量傳遞過程的強化及流體流動方式的改進，其主要強化的是傳遞特性。在微反應器內，隨著線尺度減小，一些物理量的梯度很快增加，從而導致傳質、傳熱推動力的增加，擴大了單位體積或單位面積的擴散通量，這對於化學反應十分重要。

由於流體厚度的減小，相應的面積體積比會顯著提高，也強化了反應過程。微反應器的體積急劇減小，原先大規模的間歇反應過程可以用連續反應過程來替代，提高了設備的安全性和反應過程的選擇性。

微反應器的一個重要特徵是由多個基本單元進行串聯或並聯操作，即微反應器單元的大量重複，組成的系統可以靈活地滿足生產量變化的需求和快速地工程放大。

現有的微反應器，如，專利200880107030.5公開了過程加強的微流體裝置，流體在該裝置中流動，通過「改向壁」產生反向流動的兩股流體，可以在保持裝置引起的壓降在相同的水平或設置降低壓降的基礎上，提高混合性能和產量，但仍存在以下問題：

1、流體「滯點」，造成反應物料停滯，不斷積累，阻塞通道問題出現；

2、在基板的一側加工流體通道，由於基板材料內受應力作用，使得反應板在加工過程中，產生變形。同時在使用過程中，反應板兩側溫度不均，產生變形，影響使用效果。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種反應器單元，能夠解決微反應器在使用過程中，流體「滯點」造成的反應物停滯、積累和阻塞流道問題。

本實用新型的另一目的是提供一種雙面型微反應器系統，能夠解決在加工過程中，由於多個反應器單元設置不對稱所造成的變形問題，以及在使用過程中兩側溫度不均所產生的變形問題。

本實用新型提供的技術方案如下：

一種反應器單元，包括：

一混合通道，所述混合通道兩端分別設有至少兩個用於反應物流入的入口通道和至少兩個用於反應物流出的出口通道；

至少兩個所述入口通道與所述混合通道連通處形成第一匯集處，所述第一匯集處為反應物撞擊區；

至少兩個所述出口通道與所述混合通道連通處形成第二匯集處，所述第二匯集處為反應物渦街區；

一繞流柱，所述繞流柱設置在靠近所述第二匯集處一側的所述混合通道內；

反應物在所述撞擊區撞擊混合後流入所述混合通道內，經所述繞流柱繞流後，形成渦街，即所述渦街區，並從所述出口通道流出。

優選地，所述入口通道的數量為兩個，分別為第一入口通道和第二入口通道，所述第一入口通道和所述第二入口通道分設在所述混合通道兩側，且均與所述混合通道垂直連通。

優選地，所述出口通道的數量為兩個，分別為第一出口通道和第二出口通道，所述第一出口通道和所述第二出口通道分設在所述混合通道兩側，且均與所述混合通道垂直連通。

優選地，所述繞流柱為圓柱形結構，所述圓柱形結構垂直設置在所述混合通道內，使流入所述混合通道內的反應物從所述繞流柱的前部經兩側流過，到達所述繞流柱的後部形成的所述渦街區內。

本實用新型還提供了一種雙面型微反應器系統，包括：

反應板，以及設置在所述反應板的正反兩側的第一換熱板和第二換熱板；

所述反應板的正面設有若干個第一反應器單元，反面設有若干個第二反應器單元，所述第一反應器單元和所述第二反應器單元均為前述的反應器單元；

所述第一反應器單元和所述第二反應器單元交錯排列，每個所述第二反應器單元的出口通道與所述每個所述第一反應器單元的入口通道連通；

所述反應板的表面上設有進料口和出料口；

反應物從所述進料口進入所述反應板的反面的某一個所述第二反應器單元的入口通道，並經所述第二反應器單元後從所述第二反應器單元的出口通道進入所述反應板的正面某一個所述第一反應器單元的入口通道，依次經過若干個所述第二反應器單元和所述第一反應器單元後，到達所述出料口。

優選地，所述第一換熱板和所述第二換熱板與所述反應板之間均設有隔層，所述隔層用於密封所述反應板上設置的所述第一反應器單元和所述第二反應器單元並用於傳熱。

優選地，若干個所述第一反應器單元排列成若干排第一反應通道，相鄰所述第一反應通道起始端的所述第一反應器單元之間通過第一改變通道進行連通；

所述第一改變通道設置在所述反應板的反面表面上，且所述第一改變通道的兩端分別與相鄰所述第一反應通道起始端的所述第一反應器單元的入口通道連通。

優選地，若干個所述第二反應器單元排列成若干排第二反應通道，相鄰所述第二反應通道尾端的所述第二反應器單元之間通過第二改變通道進行連通；

所述第二改變通道設置在所述反應板的正面表面上，且所述第二改變通道的兩端分別與相鄰所述第二反應通道尾端的所述第二反應器單元的出口通道連通。

優選地，所述第一改變通道和所述第二改變通道均為弧形狀結構，所述弧形狀結構的兩端均設有用於反應物流入或流出的通孔。

進一步優選地，所述第一反應器單元和所述第二反應器單元均沿所述反應板的表面朝相對的方向凹陷。

通過本實用新型提供的一種反應器單元及雙面型微反應器系統，能夠帶來以下至少一種有益效果：

1、本實用新型反應器單元利用了撞擊流理論和介觀尺度及低雷諾數圓柱繞流理論，實現微反應器單元內的過程強化。

2、本實用新型通過設置的兩個用於反應物流入的入口通道，使兩股等量流體同軸相向流動，並在兩加速入口通道的中間相互撞擊，形成一個湍流、濃度最高的撞擊區，為強化熱質傳遞提供了極好的條件。在兩相密度有差別的體系中，因慣性可從一股流體滲入另一股反向流體中，並在開始滲入反向流的瞬間，相間相對速度達到最大值。滲入反向流後，又因反向流體的摩擦阻力而減速達到零速度後又被該流體反向加速向撞擊面運動，隨後滲入原來的流體中。如此減幅振蕩往復運動若干次後，軸向速度逐漸消失，最後被撞擊後轉為徑向流動，帶出撞擊區。這種傳遞方式的優點在於:(1)相間傳遞可以通過流體與反向流體間的相對速度大幅度增加；(2)流體在相向流體間往復滲透延長了它們在傳遞活性區中的停留時間，使得強化傳遞的條件在一定程度上得以延續。導致在撞擊區強烈混合，造成溫度和組成均化，有利於提高平均推動力，促進傳遞過程。

3、本實用新型通過在一定範圍之間的雷諾數判別流體流動的狀態，區分流體經過在混合通道內設置的繞流柱後的流動是層流或湍流，實現對繞流柱阻力的計算，進而通過實際需求確定繞流柱的直徑大小。目的是使得反應物經過繞流柱後，形成渦街，進一步混合，並且不會產生「滯點」，有效地避免反應物停滯積累，阻塞流道。

4、本實用新型的雙面型微反應器系統，在反應板的正反兩側表面上均設置若干個反應器單元，通過對稱交叉設置的反應器單元，使得反應物在正反兩側的反應器單元中反覆運動若干次後從出料口流出，增加了混合反應次數，延長了反應路徑。在反應板正反兩側交叉流過，一方面可以達到過程強化，另一方面，可以避免反應板受應力不均發生變形。

5、本實用新型的雙面型微反應器系統，由於是在反應板的正反兩側表面上設置反應器單元，不僅簡化加工程序，還可以增加對反應板材料的選擇，滿足材料的選擇不僅僅局限於現有的玻璃、陶瓷等材料，有效地降低生產成本，提高適用範圍。

6、本實用新型通過反應板兩側設置的隔層來實現反應物在反應器中的流動，還可以將熱量傳遞至連接的換熱板，進而實現熱量交換。

附圖說明

下面將以明確易懂的方式，結合附圖說明優選實施方式，對一種反應器單元及雙面型微反應器系統的上述特性、技術特徵、優點及其實現方式予以進一步說明。

圖1是本實用新型中反應器單元的結構示意圖；

圖2是本實用新型中雙面型微反應器系統中反應板的立體結構示意圖；

圖3是本實用新型雙面型微反應器系統的總體層狀結構的示意圖；

圖4是本實用新型雙面型微反應器系統中反應板的正面結構示意圖；

圖5是本實用新型雙面型微反應器系統中反應板的反面結構示意圖。

附圖標號說明：

撞擊區A；渦街區B；

混合通道100；第一入口通道101；第二入口通道102；第一出口通道103；

第二出口通道104；繞流柱105；

反應板200；第一換熱板201；第二換熱板202；第一反應器單元203；第二反應器單元204；進料口205；出料口206；第一改變通道207；第二改變通道208；通孔209。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對照附圖說明本實用新型的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，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，並獲得其他的實施方式。

為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本實用新型相關的部分，它們並不代表其作為產品的實際結構。另外，以使圖面簡潔便於理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，「一個」不僅表示「僅此一個」，也可以表示「多於一個」的情形，其中，附圖1中帶箭頭的線條表示反應物的流動方向。

在本實用新型的反應器單元的實施例一中，參看圖1所示，一種反應器單元，包括一混合通道100，在混合通道100的兩端分別設有至少兩個用於反應物流入的入口通道和至少兩個用於反應物流出的出口通道。本申請中優選為兩個入口通道和兩個出口通道，且在兩個入口通道與混合通道100的連通處形成第一匯集處，第一匯集處為兩個入口通道兩股等量流體流動相撞形成一個個湍流、濃度最高的撞擊區A。同時優選地出口通道也為兩個，且在兩個出口通道與混合通道100連通處形成第二匯集處，第二匯集處為反應物渦街區B。

具體運用時，在混合通道100內設置一繞流柱105，且將繞流柱105設置在靠近第二匯集處(即渦街區B)一側的混合通道100內，這樣當反應物通過兩個入口通道流入後在撞擊區A撞擊混合，並徑向流入混合通道100內，在混合通道100內經繞流柱105繞流後，在繞流柱105後，形成渦街，即在渦街區B內進行再次混合，最終從兩個出口通道流出。

在本實施例一中，優選地，設置的兩個入口通道分別為第一入口通道101和第二入口通道102，且將第一入口通道101和第二入口通道102分設在混合通道100的兩側，同時與混合通道100垂直連通，可以保證從第一入口通道101和第二入口通道102流入的兩股等量流體能夠同軸相向流動，並在撞擊區A混合，可以強化熱質傳遞。

在本實施例二中，在實施例一的基礎上進一步優選地，設置的兩個出口通道分別為第一出口通道103和第二出口通道104，且將第一出口通道103和第二出口通道104同樣的分設在混合通道100的兩側，同時將其與混合通道100垂直連通，這樣可以使得在渦街區B內再次混合的反應物從兩個出口通道流出。

在上述反應器單元的兩個實施例中，設置的繞流柱105起到了至關重要的作用，混合通道100內的反應物從繞流柱的前部(即靠近入口通道的一側)經兩側流過，達到繞流柱的後部(即靠近出口通道的一側)形成渦街，即在渦街區B進行強化混合，能夠有效地避免反應物在混合通道100內產生「滯點」，造成反應物停滯積累，阻塞流道，保證流道的暢通性。依此，本申請中優選地，將繞流柱105設置為圓柱形結構，同時將圓柱形結構垂直設置在混合通道100內，具體的設置在混合通道100的中心軸線位置或附近處均可，能夠滿足反應物流體在繞流柱的後面形成渦街，即在渦街區B進行再次強化混合。

應說明的是，渦街區B的形成是採用格子Boltzmann(波爾茲曼)方法對圓柱形結構的繞流柱105進行模擬得到。具體的對雷諾數在10至80範圍的流體進行了多組模擬，得到了臨界雷諾數Re＝46。當雷諾數小於臨界雷諾數時，流動形式為穩態，流場發展為對稱；而當雷諾數高於臨界雷諾數時，流場呈現出不對稱性，形成卡門渦街現象。具體的採用雷諾數Re＝26和Re＝66下的圓柱形結構的繞流柱105繞流進行了模擬，並採用非對稱初場引入非對稱性。當雷諾數Re＝26時，經過充分流動，最終發展為穩態；而當雷諾數Re＝66時，流場呈現非對稱性，並且不會隨流動的進展而消失，隨時間的變化，流場呈現出不同的非對稱樣式，形成非穩態流動。本申請中將雷諾數設置在大於100，在繞流柱的後部(即遠離撞擊區A的一側)產生卡門渦街現象形成渦街區B，流場呈現出不同的非對稱樣式，形成非穩態流動，可以有利於反應物料的進一步混合，並且不會產生「滯點」，造成反應物停滯積累，阻塞流道。

本實用新型還提供了一種雙面微反應器系統，參看圖2-5所示，具體如下：

在本實用新型雙面型微反應器系統的實施例一中，雙面型微反應器系統，包括反應板200，以及設置在反應板200的正反兩側的第一換熱板201和第二換熱板202，見圖3所示。同時，在反應板200的正面設有若干個第一反應器單元203，見圖4所示，且在反應板200的反面設有若干個第二反應器單元204，見圖5所示。其中，第一反應器單元203和第二反應器單元204均沿反應板200的表面朝相對的方向凹陷，這樣與第一換熱板201和第二換熱板202之間，通過隔層密封連接形成反應物流動的流通腔。

應說明的是，第一反應器單元203和第二反應器單元204均為前述兩個實施例中的反應器單元，該反應器單元包括一混合通道100，在混合通道100兩端分別設有至少兩個用於反應物流入的入口通道和至少兩個用於反應物流出的出口通道。

在本實用新型雙面型微反應器系統的實施例一中，設置的若干個第一反應器單元203和若干個第二反應器單元204交錯排列，且每個第二反應器單元204的出口通道與每個第一反應器單元203的入口通道連通。同時在反應板200的一表面上設有用於反應物進入的進料口205和用於反應物流出的出料口206，其中，應說明的是，本申請中將進料口205設置在反應板的正面，出料口206設置在反應板的反面，當然在其他實施例中，進料口205和出料口206可以設置在反應板200的同一表面上均可。

具體運用時，反應物從進料口205進入反應板200的反面某一個第二反應器單元204的入口通道，並經第二反應器單元204後從第二反應器單元204的出口通道進入反應板200的正面某一個第一反應器單元203的入口通道，依次經過若干個第二反應器單元204和第一反應器單元203後到達出料口206實現過程加強。

在本實用新型雙面型微反應器系統的實施例一中，優選地，在第一換熱板201和反應板200之間，以及第二換熱板202和反應板200之間均設有隔層(圖中未標示)，該隔層用於密封反應板200上設置的第一反應器單元203和第二反應器單元204，使其形成反應物流動的流通腔，並用於與換熱板進行熱量轉換，有效地提高換熱效率。

本實用新型雙面型微反應器系統作為一個具體的實施例，參看圖4所示，若干個第一反應器單元203排列成若干排第一反應通道，尾排第一反應通道尾端的第一反應器單元203的出口通道與出料口206連通，且相鄰第一反應通道起始端的第一反應器單元203之間通過第一改變通道207進行連通。

應說明的是，在圖4中若干排第一反應通道從左到右縱向排列，最左端的一排為首排，最右端的一排為尾排。其中，尾排的尾端的第一反應器單元203即為最右端的一排最下面的一個第一反應器單元203。另外，相鄰第一反應通道起始端即為左右相鄰排第一反應通道最上面為起始端。

具體運用時，將第一改變通道207設置在反應板200的反面表面上，見圖5所示，且第一改變通道207的兩端分別與相鄰第一反應通道起始端的第一反應器單元203的入口通道連通。這樣可以將流經第一反應器單元203的反應物，通過第一改變通道207流入反應板200的反面第二反應器中。通過設置的第一改變通道207，不僅能夠實現第一反應器單元203和第二反應器單元204之間的連通，還能實現相鄰兩排第一反應通道之間的連通，進而保證反應物在有限的範圍內做連續的流動，進一步實現過程強化。

本實用新型雙面型微反應器系統作為一個具體的實施例中，參看圖5所示，優選地，將若干個第二反應器單元204排列成若干排第二反應通道，首排第二反應通道起始端的第二反應器單元204的入口通道與進料口205連通，且相鄰第二反應通道尾端的第二反應器單元204之間通過第二改變通道208進行連通。

應說明的是，在圖5中若干排第二反應通道從右到左縱向排列，最右端的一排為首排，最左端的一排為尾排。其中，首排的起始端的第二反應器單元204即為最右端的一排最上面的一個第二反應器單元204。另外，相鄰第二反應通道尾端即為左右相鄰排第二反應通道最下面為尾端。

具體運用時，將第二改變通道208設置在反應板200的正面表面上，見圖4所示，且第二改變通道208的兩端分別與相鄰第二反應通道尾端的第二反應器單元204的出口通道連通。這樣可以將流經第二反應器單元204的反應物，通過第二改變通道208流入反應板200的正面第一反應器單元203中。通過設置的第二改變通道208，不僅能夠實現，第一反應器單元203和第二反應器單元204之間的連通，還能實現相鄰兩排第二反應通道之間的連通，進而保證反應物在有限的範圍內做連續的流動，進一步的實現過程強化。更優的是反應物均能在反應板200的正反兩面流動，使得反應板200的正反兩面受力均勻，避免使用過程中發生變形；同時此設置方式簡化了在反應板200上設置反應器單元的加工程序，避免對反應板200加工時，導致的變形，且突破了以往僅採用玻璃、陶瓷等材料作為反應板200，而運用本申請中的上述設置方式，可以有效地擴大反應板200的適用範圍，反應板200可採用除玻璃、陶瓷以外的鋼板材料均可，可以有效地降低了生產成本。

本實用新型雙面型微反應器系統作為一個具體的實施例中，再次參看圖4、5所示，設置的第一改變通道207和第二改變通道208均為弧形狀結構，即優選為半圓形，且在弧形狀結構的兩端均設有用於反應物流入或流出的通孔209，即一端流入時，另一端流出，反之一端作為流出時，另一端作為流入。其中，通孔209的數量和設置的位置與反應器單元中設置的入口通道和出口通道的相對應，這樣通過設置的第一改變通道207和第二改變通道208能夠實現第一反應器單元203和第二反應器單元204之間的連通，還能實現相鄰兩排第一反應通道，第二反應通道之間的連通，進而延長反應物流通路徑，從而實現過程強化。

應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。