本发明专利技术涉及微反应器领域，公开了一种含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板、微通道反应器。该双层复合微反应通道板包括上下叠合的上通道板和下通道板；上通道板的顶面设有换热通道A，底面设有第一流体入口；第一流体预换热通道；第二流体入口；第二流体预换热通道；混流通道和混合流体出口。混流通道的底部沿流向交错排列有若干阶梯凹腔A。下通道板的底面设有换热通道B，顶面设有与阶梯凹腔A位置和尺寸逐一对应的阶梯凹腔B。本发明专利技术的双层复合微反应通道板设有特殊结构的立体阶梯通道，混合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，可大幅增强对流体的扰动性，使平流变成湍流，显著增强混合效果。显著增强混合效果。显著增强混合效果。
【技术实现步骤摘要】
含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板、微通道反应器
[0001]本专利技术涉及微反应器领域，尤其涉及一种含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板、微通道反应器。
技术介绍
[0002]微通道反应器是一种利用固体基质上的微加工技术制作的三维元件，可以在其中进行化学反应。微通道反应器的特点是通道尺寸小，通道形式多，流体在通道内流动并发生所需的反应。由于微通道反应器具有很大的比表面积，所以与传统的反应釜等反应器相比，具有更好的传热和传质性能。
[0003]在微通道反应器中，流体一般处于层流状态，因为微尺度下的雷诺数很低。这意味着两种或多种流体沿着平行方向移动时，只能通过分子扩散来混合。这样的混合方式效率很低，需要很长的时间和距离才能实现均匀混合。在实际项目开发中，为了提高混合效率，可以使用被动式或主动式的微混合器来增强流体间的对流或扰动。一种是被动式微混合器，通过改变内部通道的几何结构或表面特性来增加接触面积或产生二次流。例如，在通道中设计各种结构单元，包括但不限于分隔、折叠、蛇形、鱼骨等，使流体产生局部的速度差来破坏层流状态，形成涡流、湍流等各种形态，提高混合效率。另一种是主动式微混合器，通过施加外部力场是方式，如电场、磁场、声波等，来激发气泡或液滴产生运动或振荡。例如，将可以产生超声波引起液滴振荡的压电陶瓷传感器集成在微反应器上。
[0004]但无论是被动式还是主动式的微混合器，通常都会导致体系的压降增大。根据连续性方程和伯努利方程，当通道截面变化时，速度和压力也会随之变化。因此，在具有复杂几何形状或表面特征的通道中，由于截面的大小或方向在频繁变化，促使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，在设计微通道反应器的单元结构时，比如专利CN 110652949A中，为了提高混合效果，反应腔室设计为八卦鱼形，通过不停地喷射和分割流体，达到高效混合的目的。但是，随着反应腔室的堆叠，该结构会极大地增加体系的压降。当反应时间达到分钟级时，往往需要较长的反应通道。
[0006]综上，目前对于微通道反应器来说，既需要达到持续且高效的混合效果，又要保证体系的低压降运行。
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含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板、微通道反应器。本专利技术的双层复合微反应通道板设有特殊结构的立体阶梯通道，混合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，可大幅增强对流体的扰动性，使平流变成湍流，显著增强混合效果。
[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含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板，包括上下叠合的上通道板和下通道板。
[0009]上通道板的顶面设有换热通道A，底面设有：第一流体入口；与第一流体入口连通的第一流体预换热通道；第二流体入口；与第二流体入口连通的第二流体预换热通道；与第一、第二流体预换热通道的末端在同一处汇流连通的混流通道，混流通道的底部沿流向交错排列有若干阶梯凹腔A；与混流通道的末端连通的混合流体出口。
[0010]下通道板的底面设有换热通道B，顶面设有若干与阶梯凹腔A位置和尺寸逐一对应的阶梯凹腔B；混流通道、阶梯凹腔A和阶梯凹腔B上下叠合后构成立体阶梯通道。
[0011]本专利技术含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板的工作原理为：上、下通道板中的混流通道和阶梯凹腔A/B上下叠合后构成了封闭的立体阶梯通道。两股流体在进入上通道板后，先各自经过一段预换热通道进行预热/冷，使两股流体在混合前达到反应温度；当两股流体到达预换热通道的末端后实现汇合并立即进入混流通道（立体阶梯通道），本专利技术的立体阶梯通道具有特殊的立体阶梯结构，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，可显著增强对流体的扰动性，使平流变成湍流，增强混合效果。
[0012]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，本专利技术形成的双层阶梯结构具有以下优势：
①
双层阶梯结构可以更有效地改变流体的流向和速度分布，使流体与通道壁面接触面积更大，之间的相对运动更强，大大提高了传热和传质效率。
②
阶梯结构的设计，可以减少常规扰流块对通道截面的遮挡，当设计成双层阶梯时，可以满足更大的通量下的低压力损失和低能量消耗。
③
双层阶梯结构可以利用流体多方向运动产生的离心力和惯性力，在阶梯交界处形成多个局部旋涡和二次流，进一步增强了湍流程度和紊动强度。综上，相较于常规扰流块等结构，双层阶梯结构通过流体至阶梯凹腔的分流运动，不仅能有效降低压降，还极大地提高流体在通道中的传质传热效果。
[0013]作为优选方案
①
，所述阶梯凹腔A沿流向呈单列交错排列，前后相邻的两个阶梯凹腔A与混流通道的不同侧壁衔接，单个阶梯凹腔A的长度方向与其所衔接的混流通道侧壁的夹角为40
‑
50
°
。所述阶梯凹腔B的排列方式在俯视角下与阶梯凹腔A的排列方式沿混流通道的中心线旋转180
°
后重合。
[0014]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。
[0015]作为优选，所述混流通道的深度为0.4
‑
1.2mm；所述阶梯凹腔A和阶梯凹腔B相对混流通道的深度为0.2
‑
0.6mm。进一步优选，所述混流通道的深度为0.6
‑
0.8mm；所述阶梯凹腔A和阶梯凹腔B相对混流通道的深度为0.3
‑
0.4mm。
[0016]根据不同的反应条件和工艺，往往会设计不同通量尺度的微通道反应器，具体体现在通道的深度和宽度的大小和比例。在宽度一定的情况下，越小的通道深度，流体表现出越小的的雷诺数，流动也越趋于层流状态；当深度越大时，有利于提高反应通量，但是过大的通道深度也会增加流体停留时间分布，需要借助于结构设计来增加传质能力。因此，微通道反应器的通道设计，需要通过理论分析、数值模拟，综合考虑流体流场、传质传热、化学反应特性等因素，并在后续经模型验证、实验测试等方法来优化改进。
[0017]在方案
①
中，阶梯凹腔深度/混流通道的深度的比值设定是一个重要的参数。若比值过大，则流体进入阶梯凹腔后扰动能力反而变弱，RTD值（停留时间分布）会变大；若比值过小，则扰动力不足，达不到效果。设计合理的比值范围，最大化地利用起伏运动产生的惯性力和离心力，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。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板，其特征是：包括上下叠合的上通道板和下通道板；上通道板的顶面设有换热通道A，底面设有：第一流体入口；与第一流体入口连通的第一流体预换热通道；第二流体入口；与第二流体入口连通的第二流体预换热通道；与第一、第二流体预换热通道的末端在同一处汇流连通的混流通道，混流通道的底部沿流向交错排列有若干阶梯凹腔A；与混流通道的末端连通的混合流体出口；下通道板的底面设有换热通道B，顶面设有若干与阶梯凹腔A位置和尺寸逐一对应的阶梯凹腔B；混流通道、阶梯凹腔A和阶梯凹腔B上下叠合后构成立体阶梯通道。2.如权利要求1所述的含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板，其特征是：所述阶梯凹腔A沿流向呈单列交错排列，前后相邻的两个阶梯凹腔A与混流通道的不同侧壁衔接，单个阶梯凹腔A的长度方向与其所衔接的混流通道侧壁的夹角为40
‑
50
°
；所述阶梯凹腔B的排列方式在俯视角下与阶梯凹腔A的排列方式沿混流通道的中心线旋转180
°
后重合。3.如权利要求2所述的含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板，其特征是：所述混流通道的深度为0.4
‑
1.2mm；所述阶梯凹腔A和阶梯凹腔B相对混流通道的深度为0.2
‑
0.6mm。4.如权利要求3所述的含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板，其特征是：所述混流通道的深度为0.6
‑
0.8mm；所述阶梯凹腔A和阶梯凹腔B相对混流通道的深度为0.3
‑
0.4mm。5.如权利要求1所述的含立体阶梯通道的双层复合微反应通道板，其特征是：所述阶梯凹腔A分为浅阶梯凹腔A和深阶梯凹腔A，且沿流向呈双列交错排列，包括相互平行的左单列和右单列；左单列和右单列中的阶梯凹腔A分别与混流通道的左、右侧壁衔接，由两个单列构成的平行双列中所有阶梯凹腔A沿流向以“左单列的浅阶梯凹腔A
→
右单列的深阶梯凹腔A
→
右单列的浅阶梯凹腔A
→
左单列的深阶梯凹腔A”作为最小重复单元排列，且左单列与右单...
【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：
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