一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及化学反应工程领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用。该微型反应装置的主要功能区含有中空泡沫材料，该材料的结构在宏观上由三维连通的支撑骨架网络构建而成，支撑骨架自身为三维连通的具有中空结构的微通道。采用本发明专利技术所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其主要功能区的宏观三维连通开孔尺寸、三维连通的中空微通道内腔尺寸、中空微通道管壁厚度均可调控。该微型反应装置具有如下优势特点：宏观三维连通开孔网络内进行高效的物质传递和热量传递，中空微通道的管壁本体能够将反应过程中的反应物富集相与产物富集相进行有效隔离，反应生成或需要的热量跨过中空微通道管壁本体进行传递或交换。

A miniature reaction device based on hollow foam material and its application

The invention relates to the field of chemical reaction engineering, in particular to a miniature reaction device based on hollow foam material and its application. The main functional area of the miniature reaction device contains hollow foam material, which is constructed by macroscopically connected three-dimensional support skeleton network, and the supporting skeleton itself is a three-dimensional connected micro channel with hollow structure. The miniature reaction device based on hollow foam material is adopted in the invention, and the macroscopically three-dimensional opening hole size of the main functional area, the size of the hollow micro channel inner cavity and the thickness of the hollow micro channel wall can be controlled. The micro-reactor has the following advantages: efficient mass and heat transfer in macro-three-dimensional connected open-cell network, effective isolation of reactant-enriched phase and product-enriched phase in the process of reaction by the wall body of hollow microchannel, and transfer or exchange of heat generated or required by reaction across the wall body of hollow microchannel.

【技术实现步骤摘要】
一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用
本专利技术涉及化学反应工程领域，具体地说是一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用。
技术介绍
微反应装置是一种借助于特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反应的三维结构元件。通常，其含有小的通道尺寸(当量直径小于500μm)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。由于其内部的微结构使得微反应装置具有极大的表面积/体积比率，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍，微反应装置有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。其体积小、反应效率高、反应过程绿色环保、可持续发展等诸多优点，已受到国内外学术界和工业界的广泛关注，在针对生物工程、分析检测、精细化学品制备、制药等领域的化工工艺过程的研究与开发中具有重要的研究价值和应用前景。目前，微型反应装置的发展主要面临着两个需要改进的关键技术问题：(1)其核心反应功能区的结构多采用微通道平行流管形式，在化学反应过程中，流动状态和反应效率受到平行流管形式的限制而无法大范围调控；(2)其核心反应功能件主要是采用精密加工技术制备而得，受加工制备方法限制，其构成材质多采用金属类材料，致使反应装置在应用过程中不可避免地面临金属材料的化学腐蚀问题；(3)采用精密加工技术制备的微通道，绝大多数为基于金属材料的沟槽类结构，此类结构不易于催化涂层的负载，限制了现有的微反应器的研究与应用主要集中在均相化学反应，难于应用于多相催化反应。因此，针对微型反应装置的深入研究与推广应用应主要围绕如何解决上述两个技术问题展开。中空泡沫材料是一种特殊的多孔材料。其宏观结构特征是以多边形封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成的三维连通网络；微观结构特征为中空纤维结构(或中空微通道)结构的三维网络化。此类中空泡沫材料的构成材质选择范围广。因此，中空泡沫材料，尤其是具有致密结构的微通道管壁的中空泡沫材料能够在反应领域拥有较广的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于中空泡沫材料的微型反应装置及其应用，解决现有技术中有效反应面积较低、传质效率低、不易负载催化剂、耐腐蚀性差、制备工艺复杂等问题。本专利技术的技术方案：一种基于中空泡沫材料的微型反应装置，该微型反应装置以中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微反应单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微反应单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区构成；作为该微型反应装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其在宏观上由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，中空微通道管壁本体为致密的或多孔的。所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区，形成基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件；微反应单元组件中设置一个或两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微反应功能区，中空泡沫微反应功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔。所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，微反应单元组件采用如下基础构型之一或两种：(1)微反应单元组件的基础构型(一)的结构设计：流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个或两个以上的流体分流密封层；两个以上流体分流密封层之间的区域设置中空泡沫微反应功能区，其构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置两个或两个以上的流体引接口，供流体相①输入至三维连通的开孔(b)网孔内和流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出；其中，流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相③输入至中空微通道(c)内腔和流体相④从中空微通道(c)内腔的输出；其中，流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④，流体相④与流体相③在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；(2)微反应单元组件的基础构型(二)的结构设计：流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个流体分流密封层；连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相①依次经由流体引接管和集流空腔输入至中空微通道(c)内腔；流体相①在中空微通道(c)内腔中穿过中空微通道管壁本体后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；流体分流密封层连接中空泡沫微反应功能区，该功能区的构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置一个或两个以上的流体引接口，供流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出。所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，构成该微型反应装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；作为微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上由支撑骨架(a)形成的三维连通网络结构的开孔(b)的网孔尺寸(d1)为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道(c)的外径尺寸(d3)为0.1mm～10mm，内径尺寸(d2)为0.02mm～9mm。所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，构成该基于中空泡沫材料的微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的，或为各向异性的，中空微通道的管壁的内壁表面或/和外壁表面状态为以下形态的一种或两种以上：(1)中空微通道的管壁本体在宏观上为致密结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；(2)致密结构的中空微通道管壁外壁表面原位生成催化活性中心；(3)致密结构的中空微通道管壁内壁表面原位生成催化活性中心；(4)致密结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面均原位生成催化活性中心；(5)致密结构的中空微通道管壁内壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(6)致密结构的中空微通道管壁外壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，该微型反应装置以中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微反应单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微反应单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区构成；作为该微型反应装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其在宏观上由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，中空微通道管壁本体为致密的或多孔的。

【技术特征摘要】
1.一种基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，该微型反应装置以中空泡沫材料为功能区域构成材料，由一个中空泡沫微反应单元组件独立构成，或由两个以上或两种以上结构的中空泡沫微反应单元组件通过并联或串联方式进行模块化组装集成，每个微反应单元组件由流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区构成；作为该微型反应装置的功能区域构成材料的中空泡沫材料，其在宏观上由支撑骨架(a)三维连通以形成开孔(b)网络结构；其中，支撑骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，该微通道(c)的横断面为近圆状或椭圆状，中空微通道管壁本体为致密的或多孔的。2.按照权利要求1所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，采取不同构型的流体引接口、集流空腔、流体分流密封层、流体密封阻挡层、中空泡沫微反应功能区，形成基于中空泡沫材料的微型反应装置的微反应单元组件；微反应单元组件中设置一个或两个以上集流空腔、流体分流密封层和流体密封阻挡层，集流空腔通过流体分流密封层和流体密封阻挡层形成，流体引接口分别与集流空腔相连通，相邻集流空腔之间为中空泡沫微反应功能区，中空泡沫微反应功能区设置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之间为宏观三维连通开孔网孔。3.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，微反应单元组件采用如下基础构型之一或两种：(1)微反应单元组件的基础构型(一)的结构设计：流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置两个或两个以上的流体分流密封层；两个以上流体分流密封层之间的区域设置中空泡沫微反应功能区，其构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置两个或两个以上的流体引接口，供流体相①输入至三维连通的开孔(b)网孔内和流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出；其中，流体相①流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相③输入至中空微通道(c)内腔和流体相④从中空微通道(c)内腔的输出；其中，流体相③流经中空泡沫微反应区域后转变为的流体相④，流体相④与流体相③在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；(2)微反应单元组件的基础构型(二)的结构设计：流体引接口采用管状或板层状微反应流体引接口，微反应单元组件中设置一个流体分流密封层；连通流体引接管的流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的内壁表面这三者所限定的区域，依次串连了流体引接管、集流空腔、中空微通道(c)内腔而形成的流体路径，供流体相①依次经由流体引接管和集流空腔输入至中空微通道(c)内腔；流体相①在中空微通道(c)内腔中穿过中空微通道管壁本体后转变为的流体相②，流体相②与流体相①在以下一个或两个以上方面是相互不同的：温度、压力、浓度、组分的物质种类；流体分流密封层连接中空泡沫微反应功能区，该功能区的构成为具有中空微通道的中空泡沫材料，流体密封阻挡层与流体分流密封层和中空微通道管壁的外壁表面这三者所限定的区域为中空泡沫材料的宏观三维连通的开孔(b)网孔区域，流体密封阻挡层设置一个或两个以上的流体引接口，供流体相②从三维连通的开孔(b)网孔内的输出。4.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，构成该微型反应装置的部分或所有功能区的主要组成物质是以下类别中的一种或两种以上：陶瓷材料、氧化物材料、金属及其合金或固溶体或金属间化合物材料、碳材料、高分子材料；作为微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，宏观上由支撑骨架(a)形成的三维连通网络结构的开孔(b)的网孔尺寸(d1)为0.2mm～20mm，构成该中空泡沫材料网络骨架的中空微通道(c)的外径尺寸(d3)为0.1mm～10mm，内径尺寸(d2)为0.02mm～9mm。5.按照权利要求1或2所述的基于中空泡沫材料的微型反应装置，其特征在于，构成该基于中空泡沫材料的微型反应装置主要功能部件的中空泡沫材料，其网络骨架的中空微通道的管壁本体的物理结构或化学结构为各向同性的，或为各向异性的，中空微通道的管壁的内壁表面或/和外壁表面状态为以下形态的一种或两种以上：(1)中空微通道的管壁本体在宏观上为致密结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；(2)致密结构的中空微通道管壁外壁表面原位生成催化活性中心；(3)致密结构的中空微通道管壁内壁表面原位生成催化活性中心；(4)致密结构的中空微通道管壁内壁表面和外壁表面均原位生成催化活性中心；(5)致密结构的中空微通道管壁内壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(6)致密结构的中空微通道管壁外壁表面负载催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(7)致密结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/或含量是相同或不同的催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(8)中空微通道的管壁本体为多孔结构的，其物理结构或化学结构为各向同性的或各向异性的；(9)多孔管壁结构的中空微通道管壁外壁表面是负载有催化活性涂层的，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(10)多孔管壁结构的中空微通道管壁内壁表面是负载有催化活性涂层的，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(11)多孔管壁结构的中空微通道管壁的内壁表面和外壁表面均负载有构成物质种类和/或含量是相同或不同的催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(12)中空微通道的多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；(13)中空微通道多孔管壁本体自身是均匀分布或径向部分分布有催化活性组分和助剂组分的；同时，多孔结构的中空微通道管壁外壁表面负载有催化活性涂层，催化活性涂层包含第二载体、催化活性组分、催化助剂；(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲松，高勇，田冲，杨振明，杨晓丹，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21