单层阶梯型混合反应通道板、微通道反应器制造技术

本发明专利技术涉及微反应器领域，公开了一种单层阶梯型混合反应通道板、微通道反应器。该单层阶梯型混合反应通道板的通道板本体的正面设有：第一流体通道入口；第一流体预冷/热通道，与第一流体通道入口连通；第二流体通道入口；第二流体预冷/热通道，与第二流体通道入口连通；流体混合反应通道，第一流体预冷/热通道、第二流体预冷/热通道和流体混合反应通道汇流，流体混合反应通道上沿流向交错排列有若干阶梯凹腔；反应通道出口，与流体混合反应通道的末端连通；换热液进口；换热液出口。含有本发明专利技术单层阶梯型混合反应通道板的微通道反应器既能减小压降，又能提高混合效果，因此实际应用场景较广，便于工业化放大。便于工业化放大。便于工业化放大。

【技术实现步骤摘要】
单层阶梯型混合反应通道板、微通道反应器


[0001]本专利技术涉及微反应器领域，尤其涉及一种单层阶梯型混合反应通道板、微通道反应器。

技术介绍

[0002]微通道反应器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。微通道反应器通常含有小的通道尺寸和通道多样性，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。在微构造的化学设备中具有非常大的比表面积，相比于反应釜，微通道反应器有着更好地传热和传质能力。
[0003]在微尺度下，由于雷诺数较低，流体在微通道中呈现层流状态，即两种或多种流体沿着平行方向缓慢地移动，并且只通过分子扩散发生混合。这种混合方式效率很低，需要很长的时间和距离才能达到均匀混合。为了提高混合效率，可以采用被动式或主动式的微混合器来增强流体之间的对流或扰动。被动式微混合器是指通过改变通道的几何形状或表面性质来增加接触面积或产生二次流。例如，在通道中设置分隔、折叠、蛇形、鱼骨等结构来打破层流状态。主动式微混合器是指通过施加外部力场如声波、电场、磁场等来激发液滴或气泡产生振荡或运动。例如，在通道中集成压电陶瓷传感器来产生超声波引起液滴振荡。
[0004]无论是被动式还是主动式的微混合器，都会导致压降增大。当通道截面变化时，根据连续性方程和伯努利方程，速度和压力也会相应变化。因此，在具有复杂几何形状或表面特征的通道中，由于截面变化频繁而剧烈，速度和压力也会发生较大幅度的波动，并且总体上呈现出沿程递减趋势。这就导致了整个系统需要更高的进口压力来维持所需的质量流量。因此，在设计微通道混合结构时需要考虑到压降与换热效率之间的权衡关系，并根据具体应用选择最优化方案。
[0005]现有技术中，在设计微通道的混合单元结构时，为了混合效果的提升，比如CN 110652949A，设计了八卦鱼形反应腔室，通过不停的喷射和分割，该结构往往会极大地增加体系的压力，同时也限制了微通道反应器的实际应用场景。例如在现有反应中，有一类两相混合反应，反应时间在1
‑
20min，需要微反应器持续地高效混合，且由于反应时间较长，反应器需要有较低的压降。
[0006]综上，目前对于微通道反应器来说，要同时实现出色的混合效果和低压降难度较大。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种单层阶梯型微通道反应器。本专利技术单层阶梯型微通道反应器既能减小压降，又能提高混合效果，因此实际应用场景较广，便于工业化放大。
[0008]本专利技术的具体技术方案为：第一方面，本专利技术提供了一种单层阶梯型混合反应通道板，包括通道板本体，所述
通道板本体的正面设有：第一流体通道入口；第一流体预冷/热通道，与第一流体通道入口连通；第二流体通道入口；第二流体预冷/热通道，与第二流体通道入口连通；流体混合反应通道，第一流体预冷/热通道的末端和第二流体预冷/热通道的末端汇流后与流体混合反应通道连通，流体混合反应通道的底面上沿流向交错排列有若干阶梯凹腔；反应通道出口，与流体混合反应通道的末端连通；换热液进口；换热液出口。
[0009]本专利技术单层阶梯型混合反应通道板的工作原理为：两股流体在进入单层阶梯型混合反应通道板后，先各自经过一段预冷/热通道进行物料的预热/冷，使物料在混合前达到反应温度；当流体到达预冷/热通道末端后两股流体实现汇合并进入流体混合反应通道，本专利技术的流体混合反应通道结构采用了特殊的阶梯型设计，流体在经过该结构时会产生起伏运动，在不增加流体阻力的前提下，大大增强了扰动性，使平流变成了湍流，增强了混合效果。
[0010]与常规设计中在流道同一水平面上设计扰流块使流体实现湍流相比，本专利技术形成的阶梯结构具有以下优势：
①
阶梯结构可以有效地改变流体的流向和速度分布，增加了流体与通道壁面之间的相对运动，从而提高了传质和传热效率。
②
阶梯结构可以减少常规扰流块对通道截面的遮挡，降低了压力损失和能量消耗。
③
阶梯结构可以利用起伏运动产生的离心力和惯性力，在阶梯交界处形成局部旋涡和二次流，进一步增强了湍流程度和紊动强度。综上，阶梯结构相较于常规扰流块不仅可以有效地提高流体通道中的混合传热效果，并且还不会减小压降。
[0011]作为优选方案之一，所述阶梯凹腔沿流向呈单列状交错排列，前后相邻的两个阶梯凹腔分别与流体混合反应通道的不同侧壁衔接，单个阶梯凹腔的长度方向与其所衔接的侧壁的夹角为40
‑
50度。
[0012]减小单个阶梯凹腔的长度方向与其连接的侧壁之间的夹角，可以减小压力损失，提高流体的混合效率。单个阶梯凹腔的长度方向与其所连接的侧壁之间的夹角影响着微通道中流体的微混合效果，选择40
°
至50
°
的角度可平衡阶梯腔内流体的混合性能和压降。
[0013]进一步地，所述流体混合反应通道的深度为0.5
‑
1mm；所述阶梯凹腔相对流体混合反应通道的深度为0.2
‑
0.6mm。
[0014]微通道反应器的通道深度是影响流体流动和传质的重要参数，通常需要根据反应器的设计目标和工况条件来确定。一般来说，通道深度越小，流体的雷诺数越小，流动越趋于层流状态；深度越大，有利于提高传质效率和反应速率，但是过大的通道深度也会增加流体停留时间分布，以及增加设备制造难度。因此，在确定微通道反应器的通道深度时，需要综合考虑流体力学、传热传质、化学反应等因素，并通过理论分析、数值模拟或实验测试等方法进行优化。
[0015]在方案一中，阶梯凹腔相对流体混合反应通道的深度较为重要。若相对过深，则流
体扰动能力反而变弱，RTD值（停留时间分布）会变大；若过浅，则扰动力不够，达不到效果，设计合理的阶梯结构可以利用起伏运动产生的离心力和惯性力，在阶梯交界处形成局部旋涡和二次流，进一步增强了湍流程度和紊动强度。
[0016]再进一步地，所述流体混合反应通道的深度为0.7
‑
0.9mm；所述阶梯凹腔相对流体混合反应通道的深度为0.25
‑
0.4mm。
[0017]作为优选方案之二，所述阶梯凹腔分为浅阶梯凹腔和深阶梯凹腔，且沿流向呈双列状交错排列，包括相互平行的左阶梯单列和右阶梯单列；左阶梯单列和右阶梯单列中的阶梯凹腔与流体混合反应通道的不同侧壁衔接，由两个单列构成的平行双列中所有阶梯凹腔沿流向以“左阶梯单列的浅阶梯凹腔
→
右阶梯单列的深阶梯凹腔
→
右阶梯单列的浅阶梯凹腔
→
左阶梯单列的深阶梯凹腔”作为最小重复单元排列，且左阶梯单列与右阶梯单列中相对应的两个阶梯凹腔的端部衔接，单个阶梯凹腔的长度方向与其所衔接的侧壁的夹角为40
‑
50度。方案二与方案一相比，缺点是结构更复杂，加工难度增大，优点是效果更佳。方案二中具有二阶阶梯，流体在流入阶梯一时，可同时分两边流动，增加了横向流动的惯性力，接着一边向上扰动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单层阶梯型混合反应通道板，其特征在于：包括通道板本体，所述通道板本体的正面设有：第一流体通道入口；第一流体预冷/热通道，与第一流体通道入口连通；第二流体通道入口；第二流体预冷/热通道，与第二流体通道入口连通；流体混合反应通道，第一流体预冷/热通道的末端和第二流体预冷/热通道的末端汇流后与流体混合反应通道连通，流体混合反应通道的底面上沿流向交错排列有若干阶梯凹腔；反应通道出口，与流体混合反应通道的末端连通。2.如权利要求1所述的单层阶梯型混合反应通道板，其特征在于：所述阶梯凹腔沿流向呈单列状交错排列，前后相邻的两个阶梯凹腔分别与流体混合反应通道的不同侧壁衔接，单个阶梯凹腔的长度方向与其所衔接的侧壁的夹角为40
‑
50度。3.如权利要求2所述的单层阶梯型混合反应通道板，其特征在于：所述流体混合反应通道的深度为0.5
‑
1mm；所述阶梯凹腔相对流体混合反应通道的深度为0.2
‑
0.6mm。4.如权利要求3所述的单层阶梯型混合反应通道板，其特征在于：所述流体混合反应通道的深度为0.7
‑
0.9mm；所述阶梯凹腔相对流体混合反应通道的深度为0.25
‑
0.4mm。5.如权利要求1所述的单层阶梯型混合反应通道板，其特征在于：所述阶梯凹腔分为浅阶梯凹腔和深阶梯凹腔，且沿流向呈双列状交错排列，包括相互平行的左阶梯单列和右阶梯单列；左阶梯单列和右阶梯单列中的阶梯凹腔与流体混合反应通道的不同侧壁衔接，由两个单列构成的平行双列中所有阶梯凹腔沿流向以“左阶梯单列的浅阶梯凹腔
→
右阶梯单列的深阶梯凹腔
→
右阶梯单列的浅阶梯凹腔
→
左阶梯单列的深阶梯凹腔”作为最小重复单元排列，且左阶梯单列与右阶梯单列中相对应的两个阶梯凹腔的端部衔接，单个阶梯凹腔的长度方向与其所衔接的侧壁的夹角为40
‑
50度。6.如权利要求5所述的单层阶梯型混合反应通道板，其特征在于：所述流体混合反应通道的深度为0.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄迪辉，邹益波，马文超，张达，
申请(专利权)人：宁波玄流智造有限公司，
类型：发明
国别省市：