一种微反应通道结构及基于其的声学微反应器和化工生产系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微反应通道结构及基于其的声学微反应器和化工生产系统，涉及化工反应设备制造与应用领域。该声学微反应器的设计工作方案包括：一个基底和一个有凹槽的聚合物块体结合后形成的微米级或者毫米级尺度的微通道，至少两个入液口，微通道内部有游离的一个或者多个有一定张口度的固体微结构。当混合液体流经固体微结构时，由于表面张力的作用，在固体微结构的张口处产生微气泡。通过在微通道附近设置压电陶瓷换能器，微气泡在一定工作频率下共振产生声流，从而促进液体混合与反应过程。本发明专利技术解决了微反应器化工设备操控性单一、效率低的技术难题，能达到提高化工生产效率和质量的目的。率和质量的目的。率和质量的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种微反应通道结构及基于其的声学微反应器和化工生产系统


[0001]本专利技术属于化工反应设备制造与应用领域
，具体涉及一种微反应通道结构及基于其的声学微反应器和化工生产系统。

技术介绍

[0002]混合与反应设备是化工领域常用的装置之一。传统的宏观化工生产设备由于传热传质效率低，造成混合与反应时间长、原料利用率低、能耗高和产率低的难题，严重限制了化工产业的发展。
[0003]近年来，微反应器作为一种借助于微加工技术制造的微型装置受到了研究者越来越多的关注。与传统的宏观化工生产设备相比，具有狭小微通道的微反应器最主要优点在于比表面积大，比表面积的增加除了可以缩短传热传质距离外，还可以强化混合与反应过程，因此对于提高化工产业发展水平具有非常重要的意义。但是目前大部分微反应器都存在较低的雷诺数，致使微通道内的液体为层流状态，不利于化工生产效率的提升。另外，现有的微反应器化工设备也普遍存在着操控性单一、效率低等技术难题，为了达到提高化工生产效率和质量的目的，必须对微反应器的通道结构和运行条件进行有针对性的设计和改进。
[0004]声波由于其无接触、能量密度可控以及生物相容性好等优点，在生物医学领域已经呈现出巨大的应用潜力。专利CN107533056A指出声表面波可以用于操控液体介质中的颗粒，并利用其进行抗原结合和抗体原位修饰，为免疫分析和生物检测提供了新的思路。另外，声波已经被证实可以在一定工作频率条件下使微尺度固体、液体和气体产生共振。特别地，对于液体介质中的微气泡而言，微气泡振动在气液界面产生的摩擦力可以使液体在微气泡附近产生强烈的环流。这种现象在液体混合和反应过程具有极大的应用潜力，但是目前不仅缺乏有效的基于微气泡的声学微反应器设备，而且更无在化工生产领域尝试的先例。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种微反应通道结构及基于其的声学微反应器和化工生产系统。本专利技术解决了传统宏观化工生产设备和现有微化工反应器普遍存在的操控性单一、效率低的难题，能达到提高化工生产效率和质量的目的。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术提供了一种微反应通道结构，包括基底，所述基底上设有特征尺寸为0.1mm
‑
3mm的微通道，微通道内部设有一个或多个游离的固体微结构；微通道一端设有入液口，另一端设有出液口；
[0008]所述游离的固体微结构位于微通道内部或在微通道的两侧壁排列；游离的固体微结构的宽度为微通道宽度的1/5～4/5；
[0009]所述游离的固体微结构的形状为箭头形、L形、圆环形、新月形或V形中的一种或其中几种的组合；
[0010]所述游离的固体微结构的张口度为10
°
～170
°
。
[0011]进一步地，所述游离的固体微结构和微通道由聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯制成。
[0012]进一步地，所述基底由玻璃或硅片制成。
[0013]进一步地，所述微通道的形状为直形、弧形、折线形、S形、波浪形、环形或螺旋形的一种或其中几种的组合。
[0014]进一步地，所述入液口至少有两个，不同入液口之间形成Y形、T形、U形或Ψ形，混合液体通过入液口进入微通道内。
[0015]本专利技术还公开了采用上述微反应通道结构组成的声学微反应器，所述声学微反应器采用一个或多个压电陶瓷换能器作为主动式强化模块，所述压电陶瓷换能器与微通道的直线距离不超过3cm，且在同一基底上；压电陶瓷换能器的工作频率为3kHz～300KHz。
[0016]进一步地，声学微反应器中微通道内混合液体的总流速为0.001mL/min～20mL/min。
[0017]本专利技术还公开了一种化工生产系统，包括上述的声学微反应器。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术提出的一种微反应通道结构，与传统的微反应器通道相比，其特征尺寸为0.1mm
‑
3mm，极大地降低了单个微反应器设备的体积；微通道内设置有游离的固体微结构，当混合液体流经固体微结构时，由于表面张力的作用，在固体微结构的张口处产生微气泡，微气泡在声场的激励下发生振动，进而使不同液体发生剧烈混合，提高了反应效率。
[0020]本专利技术还提出了基于上述微反应通道结构组成的一种声学微反应器，采用一个或多个压电陶瓷换能器作为主动式强化模块，混合液体流经游离的固体微结构后产生的微气泡，在陶瓷环能器一定工作频率下共振产生声流，极大地提高了热质传递效率；同时由于声化气泡的强烈搅拌作用，微通道内的固体产物极易从微通道内清除，进而有效解决了微反应器堵塞的难题，达到提高化工生产效率和质量的目的；另外，该声学微反应器不仅可以通过调节流速对混合程度进行控制，而且可以通过对压电陶瓷换能器施加的频率值、频率类型和工作电压对混合程度进行调节，因此实现了微化工操控的灵活性和多样性。
附图说明
[0021]图1是本专利技术涉及的直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的微反应通道结构图；
[0022]图2是本专利技术涉及的弧形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的微反应通道结构图；
[0023]图3是本专利技术涉及的微反应通道内具有不同形状游离固体微结构的声学微反通道结构；
[0024]其中A
‑
L形；B
‑
圆环形；C
‑
新月形；D
‑
V形；
[0025]图4是本专利技术部分实施例中直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的声学微反应器在无流体条件下的情形；
[0026]图5是本专利技术部分实施例中直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的声学微反应器在有流体条件下微气泡形成的情形；
[0027]图6是本专利技术部分实施例中直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的声学微反应器在无声场条件下的流体混合过程情形；
[0028]图7是本专利技术部分实施例中直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的声学微反应器在有声场条件下的流体混合过程情形；
[0029]图8是本专利技术部分实施例中直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的声学微反应器在无声场条件下的颗粒运动轨迹；
[0030]图9是本专利技术部分实施例中直形微反应通道内具有游离箭头形固体微结构的声学微反应器在有声场条件下的颗粒运动轨迹；
[0031]其中：1
‑
基底；2
‑
微通道；3
‑
游离的固体微结构；4
‑
微气泡；α
‑
游离的固体微结构的张口度；d
‑
固体微结构宽度；D
‑
微通道宽度；A液体和B液体可以是任意化工试剂或者化工原料物质的极性溶液和非极性溶液。
具体实施方式
[0032]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微反应通道结构，其特征在于，包括基底(1)，所述基底(1)上设有特征尺寸为0.1mm
‑
3mm的微通道(2)，微通道(2)内部设有一个或多个游离的固体微结构(3)；微通道(2)一端设有入液口(5)，另一端设有出液口(6)；所述游离的固体微结构(3)位于微通道(2)内部或在微通道(2)的两侧壁排列；游离的固体微结构(3)的宽度为微通道(2)宽度的1/5～4/5；所述游离的固体微结构(3)的形状为箭头形、L形、圆环形、新月形或V形中的一种或其中几种的组合；所述游离的固体微结构(3)的张口度为10
°
～170
°
。2.根据权利要求1所述的一种微反应通道结构，其特征在于，所述游离的固体微结构(3)和微通道(2)由聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯或聚苯乙烯制成。3.根据权利要求1所述的一种微反应通道结构，其特征在于，所述基底(1)由玻璃或硅片...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝南京，陈洪强，赵雄，沈亮，魏进家，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：