一种微通道反应器的制作方法

本发明属于微反应技术领域，具体涉及一种微通道反应器。

背景技术

微反应器为复杂、反应剧烈、放热或吸热量大、粘度高或易挂壁的化学反应提供一种毫米级通道形式，可改变停留时间及管程数量，可最大限度工业化放大，并且实现理想化控温的微通道反应器。现有的反应器多采用在一个平板上雕刻或加工具有扰流结构的微通道，但是这种微通道结构中因为通道中的扰流结构阻挡作用，会导致微反应器中反应物料的流量较小，仅能应用于实验室或小规模的生产，难以应用于较大产量要求的工业化生产中。

由于现有技术中的微通道反应换热装置存在微反应器中反应物料的流量较小，仅能应用于实验室或小规模的生产，难以应用于较大产量要求的工业化生产中等技术问题，因此本发明研究设计出一种微通道反应器。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的微通道反应换热装置存在反应物料的流量较小，仅能应用于实验室或小规模的生产，难以应用于较大产量要求的工业化生产的缺陷，从而提供一种微通道反应器。

本发明提供一种微通道反应器，其包括：

内套管和外套管，所述外套管套设于所述内套管的外周，且在所述内套管外壁和/或所述外套管的内壁上设置有容纳槽；

所述微通道反应器还包括能够插设于所述容纳槽中的插片结构，所述内套管和所述外套管、所述容纳槽和所述插片结构共同限定出供反应流体流动的流通通道；

所述插片结构包括层叠设置的第一插片和第二插片，且所述第一插片包括沿第一延伸方向开设的第一流动槽，所述第二插片包括沿第二延伸方向开设的第二流动槽，且所述第一延伸方向与所述第二延伸方向交叉设置，使得所述流体能在所述第一流动槽和所述第二流动槽中交替流动。

优选地，

所述容纳槽沿所述内套管和所述外套管的轴线方向延伸，且所述插片结构也沿所述内套管和所述外套管的轴线方向延伸。

优选地，

所述容纳槽为沿所述内套管和所述外套管的轴线方向延伸的矩形槽，所述矩形槽与所述内套管的外壁、所述外套管的内壁一起限定出矩形通道。

优选地，

所述容纳槽为沿所述内套管和所述外套管的周向方向开设的多个，所述插片结构也为多个、与所述容纳槽一一对应，使得每个所述插片结构均插设于每个所述容纳槽中。

优选地，

所述第一插片包括第一支撑部和第一伸出部，所述第一支撑部能够与所述容纳槽的边缘连接，所述第一伸出部一端连接于所述第一支撑部上、另一端朝着远离所述第一支撑部的方向延伸；且所述第一伸出部为多个、且互相平行设置，以在相邻两个所述第一伸出部之间形成所述第一流动槽；和/或，

所述第二插片包括第二支撑部和第二伸出部，所述第二支撑部能够也与所述容纳槽的边缘连接，所述第二伸出部一端连接于所述第二支撑部上、另一端朝着远离所述第二支撑部的方向延伸；且所述第二伸出部为多个、且互相平行设置，以在相邻两个所述第二伸出部之间形成所述第二流动槽。

优选地，

在所述内套管内部还设置有内换热管，在所述内套管内壁上、所述内换热管外壁上以及所述内套管和所述内换热管之间的位置中的至少一处还设置有能够容许换热介质通入的第一换热介质流通通道；或者，所述内套管内部设置有能够容许换热介质通入的第一换热介质流通通道；

和/或，在所述外套管外部还套设有外换热管，在所述外套管外壁上、所述外换热管的内壁上、以及所述外套管和所述外换热管之间的位置中的至少一处还设置有能够容许换热介质通入的第二换热介质流通通道。

优选地，

所述第一换热介质流通通道与所述容纳槽的位置相对应地设置，所述第二换热介质流通通道与所述容纳槽的位置相对应地设置。

优选地，

所述第一换热介质流通通道为螺旋通道，和/或，所述第二换热介质流通通道为螺旋通道；

优选的，所述第一换热介质流通通道为形成在所述内套管内壁、和/或所述内换热管外壁上的螺旋通道；和/或，所述第二换热介质流通通道为形成在所述外套管外壁、和/或所述外换热管内壁上的螺旋通道。

优选地，

所述内套管和所述外套管的轴线方向的一端设置有前循环板，所述前循环板内部设置有能够与所述容纳槽连通的多个前循环通道，且所述前循环板上还连接或设置有反应物进口和反应物出口，且所述反应物进口与所述前循环通道连通，所述反应物出口与所述前循环通道连通；

和/或，所述内套管和所述外套管的轴线方向的另一端设置有后循环板，所述后循环板内部设置有能够与所述容纳槽连通的多个后循环通道。

优选地，

所述前循环通道还能将分布在周向方向上的多个容纳槽中的位于轴线方向的所述一端处的两个相邻端连接，所述后循环通道还能将分布在周向方向上的多个容纳槽中的位于轴线方向的所述另一端处的两个相邻端连接，共同形成依次连续贯通的微反应通道。

本发明提供的一种微通道反应器具有如下有益效果：

本发明的微通道反应器通过在内套管的内壁和/或外套管的内壁上设置容纳槽，且在容纳槽中设置插片结构，并且插片结构包括两个以上的插片，每个插片具有一个延伸方向的流动槽，不同的插片的流动槽之间的延伸方向交叉设置，使得反应流体能够从一个插片的流动槽中流动到另一个层叠设置的插片的流动槽中，产生混合的微结构，相比于传统的单层微通道加强了竖直方向的剪切作用，使物料很快进入强制湍流状态，强化了混合效果，增大了反应物料的流量，能够适用于较大产量要求的工业化生产；仅通过增加微通道的数量进行放大，内部通道尺寸不变，真正的并联放大。内部的混合插片式结构可任意更换，方便拆卸，通过更换不同尺寸的插片来调节压降和混合效率，满足多种工艺要求。并且本发明的微通道分液器通过在管周向方向布置的多个容纳槽和插片结构能够使得反应流体的反应分布位置更广，增大了反应流动路径，提高了反应充分程度，提高了反应效率；

本发明的微通道分液器还通过有外套管外层的外换热管和/或内套管内层的内换热管，能够对反应物料管进行内层和/或外层换热换热，换热效率高；并且进一步通过将换热通道设置为螺旋流道换热，换热介质流动速度快，换热效率高，温度可以更精确的控制。同时，实验室规模的本设备，可以与其他混合、反应、换热模块集成在一个基板上，实现不同的工艺。

附图说明

图1是本发明的微通道反应器的立体结构示意图；

图2是图1的微通道反应器沿a-a方向的内部剖视图；

图3a是本发明的微通道分液器中的第一插片的结构示意图；

图3b是本发明的微通道分液器中的第二插片的结构示意图；

图3c是本发明的微通道分液器中的第一插片和第二插片的配合结构示意图；

图3d是本发明的微通道分液器中的第一插片的第一替换实施方式的结构示意图；

图3e是本发明的微通道分液器中的第二插片的第一替换实施方式的结构示意图；

图3f是本发明的微通道分液器中的第一插片第一替换实施方式和第二插片第一替换实施方式的配合结构示意图；

图3g是本发明的微通道分液器中的第一插片的第二替换实施方式的结构示意图；

图3h是本发明的微通道分液器中的第二插片的第二替换实施方式的结构示意图；

图3i是本发明的微通道分液器中的第一插片第二替换实施方式和第二插片第二替换实施方式的配合结构示意图；

图3j是本发明的微通道分液器中的第一插片的第三替换实施方式的结构示意图；

图3k是本发明的微通道分液器中的第二插片的第三替换实施方式的结构示意图；

图4是图1的右视方向的结构示意图；

图5是图4中b-b方向的截面剖视图；

图6是图1的正面结构示意图；

图7是图6的反应物进口92部位的横截面示意图；

图8是图6的c-c方向的截面剖视图；

图9是图1中外换热管的正面结构示意图；

图10是图9的d-d方向的截面剖视图；

图11是图1中内换热管的正面结构示意图；

图12是图11的e-e方向的截面剖视图；

图13是图1中前循环板的正面内部结构图；

图14是图1中后循环板的正面内部结构图；

图15a是相对于图6中的替换实施方式的立体结构图(反应物进口位于前循环板上、反应物出口位于后循环板上)；

图15b是图15a的正面结构示意图。

图中附图标记表示为：

1、内套管；2、外套管；3、容纳槽；4、插片结构；41、第一插片；411、第一流动槽；412、第一支撑部；413、第一伸出部；42、第二插片；421、第二流动槽；422、第二支撑部；423、第二伸出部；5、内换热管；6、外换热管；7、第一换热介质流通通道；71、第一换热介质入口；72、第一换热介质出口；8、第二换热介质流通通道；81、第二换热介质入口；82、第二换热介质出口；9、前循环板；91、前循环通道；92、反应物进口；93、反应物出口；10、后循环板；101、后循环通道；11、底座。

具体实施方式

如图1-15b所示，本发明提供一种微通道反应器，其包括：

内套管1和外套管2，所述外套管2套设于所述内套管1的外周，且在所述内套管1外壁和/或所述外套管2的内壁上设置有容纳槽3；

所述微通道反应器还包括能够插设于所述容纳槽3中的插片结构4，所述内套管1和所述外套管2、所述容纳槽3和所述插片结构4共同限定出供反应流体流动的流通通道；

所述插片结构4包括层叠设置的第一插片41和第二插片42(插片可以是两片也可以是两片以上的多片层叠，插片可以是平片或弧形片)，且所述第一插片41包括沿第一延伸方向开设的第一流动槽411，所述第二插片42包括沿第二延伸方向开设的第二流动槽421(这里的第一延伸方向可以是沿着直线方向或者曲线方向，即第一流动槽可以是直槽也可以是曲线槽，同样地第二延伸方向也可以是沿着直线方向或者曲线方向，即第二流动槽可以是直槽也可以是曲线槽)，且所述第一延伸方向与所述第二延伸方向交叉设置，使得所述流体能在所述第一流动槽411和所述第二流动槽421中交替流动。即流体从所述第一流动槽的一端流向另一端后、再进入所述第二流动槽的一端并流向所述第二流动槽的另一端，如此反复，形成流体在一平面内的一段流动、再竖直向上或向下进入另一平面再流动，形成平行流和竖直流的交替。

当需要对反应器进行清洗时，可以将插片从容纳槽中抽出，清洗插片(此时，内外套管可以为固定连接)；也可以将内套管从外套管内抽出，直接对对插片进行冲洗或将插片从容纳槽中抠出来，对插片进行清洗(此时内外套管活动连接，同时内外套管之间的容纳槽周向两侧可以设有密封装置)。

本发明的微通道反应器通过在内套管的内壁和/或外套管的内壁上设置容纳槽，且在容纳槽中设置插片结构，并且插片结构包括两个以上的插片，每个插片具有一个延伸方向的流动槽，不同的插片的流动槽之间的延伸方向交叉设置，使得反应流体能够从一个插片的流动槽中流动到另一个层叠设置的插片的流动槽中，产生混合的微结构，相比于传统的单层微通道加强了竖直方向的剪切作用，使物料很快进入强制湍流状态，强化了混合效果，增大了反应物料的流量，能够适用于较大产量要求的工业化生产；仅通过增加微通道的数量进行放大，内部通道尺寸不变，真正的并联放大。内部的混合插片式结构可任意更换，方便拆卸，通过更换不同尺寸的插片来调节压降和混合效率，满足多种工艺要求。

本发明为复杂、反应剧烈、放热或吸热量大、粘度高或易挂壁的化学反应提供一种毫米级通道形式，第一插片和第二插片的厚度可以为0.5-1mm，流动槽411的宽度可以为0.5-2.5mm。提供一种可实现放大且无明显放大效应的，放大效应指的是可以增加整个容纳槽的截面积，而不是指对流通槽的尺寸进行放大，尤其适用于放热或吸热量大的，挂壁或粘稠物料的，实现理想分段控温的微通道连续流反应器，可改变停留时间及管程数量，可最大限度工业化放大，并且实现理想化控温的微通道反应器。

反应物料进入到容纳槽(即矩形反应槽，不限于矩形)之后，沿着矩形反应槽的一端向另一端流动，由于上、下两层插片的作用，工艺流体被交叉在一起的鱼刺形斜叉结构扰动，在上、下两层的微通道内，不断的分叉再汇合，而且工艺流体在上、下流动过程中，产生了竖直方向的速度，使两股流体在汇合处又产生了竖直方向相互剪切的作用，强化了混合及反应效果。插片的鱼刺形斜叉的密集程度，会影响压降和混合效率，因此不同的工艺要求，可以配置不同的插片，来满足要求。

优选地，

所述容纳槽3沿所述内套管1和所述外套管2的轴线方向延伸，且所述插片结构4也沿所述内套管1和所述外套管2的轴线方向延伸。如图2所示，这是本发明的容纳槽的具体结构形式，能够从内外套管之间的轴向一端而延伸到另一端，形成长距离的微通道反应。

优选地，

所述容纳槽3为沿所述内套管1和所述外套管2的轴线方向延伸的矩形槽，所述矩形槽与所述内套管1的外壁、所述外套管2的内壁一起限定出矩形通道。这是本发明的容纳槽的进一步的结构形式，将其设置为沿轴向延伸的矩形槽，能够较好地与插片的矩形结构相匹配作用(当然本发明不局限于矩形，也可以是其他的形状)，使得长方形的梳齿状的插片能够刚好嵌入到该矩形槽中，从而形成供流体流动的第一流动槽和第二流动槽，其他部位不流动流体。当然作为其他的实施方式，容纳槽3可以为弯曲型的，齿形的，插片的形状与其相互匹配。

优选地，

所述容纳槽3为沿所述内套管1和所述外套管2的周向方向开设的多个，所述插片结构4也为多个、与所述容纳槽3一一对应，使得每个所述插片结构4均插设于每个所述容纳槽3中。本发明的微通道分液器通过在管周向方向布置的多个容纳槽和插片结构能够使得反应流体的反应分布位置更广，增大了反应流动路径，提高了反应充分程度，提高了反应效率，节约了反应器整体的体积。

本发明的周向方向的容纳槽为彼此依次首尾相接，因此形成串联的一个距离很长的通道，增长了反应物流通长度，提高反应效率。

优选地，

如图3a-3c所示，所述第一插片41包括第一支撑部412和第一伸出部413，所述第一支撑部412能够与所述容纳槽3的边缘连接，所述第一伸出部413一端连接于所述第一支撑部412上、另一端朝着远离所述第一支撑部412的方向延伸；且所述第一伸出部413为多个、且互相平行设置，以在相邻两个所述第一伸出部413之间形成所述第一流动槽411；和/或，

所述第二插片42包括第二支撑部422和第二伸出部423，所述第二支撑部422能够也与所述容纳槽3的边缘连接，所述第二伸出部423一端连接于所述第二支撑部422上、另一端朝着远离所述第二支撑部422的方向延伸；且所述第二伸出部423为多个、且互相平行设置，以在相邻两个所述第二伸出部423之间形成所述第二流动槽421。

这是本发明的第一插片和第二插片的具体结构形式，即将其设置为包括支撑部和从支撑部上向外延伸的伸出部，从而形成梳齿状的结构(类似于梳子)，在相邻的伸出部之间形成供流体流动的流动槽，并且两个插片相互叠置，由于第一伸出部和第二伸出部的延伸方向不平行、为交叉设置，因此将流体流通通道分隔成沿第一流动槽流动后向上或向下进入第二流动槽流动、进而再进入第一流动槽中，从而周而往复，增大流体流动湍流程度，增大竖直方向的流动和剪切作用，从而增大流体流动的流量，提高反应效率。

第一插片和第二插片的结构不只局限于图3a-3c的形式，还包括图3d-3k中所展现出的多种结构形式，例如伸出部可以为直线型、也可以是弯折形，伸出部的长度可以相等、也可以不等等变形方式。

本发明的微通道分液器，即插片式高压微通道反应器包括：反应物进口92，)底座11，反应物出口93，前循环板9，外套管2，内套管1，插片结构4，内换热管5、外换热管6。

优选的，外套管和内套管之间加工有矩形槽；当仅在外套管和内套管之一上加工矩形槽，在另外的，外套管或内套管上加工有与矩形槽相配合的平面。两者通过过盈配合组成矩形通道，折流插片插在矩形通道中。外套管上加工有矩形槽，内套管上加工有与矩形槽相配合的平面，两者通过过盈配合组成矩形通道，折流插片插在矩形通道中。

矩形槽的数量至少为1个，根据管件的厚度进行设置。

优选地，

在所述内套管1内部还设置有内换热管5，在所述内套管1内壁上、所述内换热管5外壁上以及所述内套管1和所述内换热管5之间的位置中的至少一处还设置有能够容许换热介质通入的第一换热介质流通通道7；或者，所述内套管(1)内部设置有能够容许换热介质通入的第一换热介质流通通道(此方案没有内换热管，第一换热介质流通通道形成在内套管内部，图中未示出)；

和/或，在所述外套管2外部还套设有外换热管6，在所述外套管2外壁上、所述外换热管6的内壁上、以及所述外套管2和所述外换热管6之间的位置中的至少一处还设置有能够容许换热介质通入的第二换热介质流通通道8。

本发明的微通道分液器还通过有外套管外层的外换热管和内套管内层的内换热管或仅内套管内部，能够对反应物料管进行内外两层换热换热，换热效率高；并且进一步通过将换热通道设置为螺旋流道换热，换热介质流动速度快，换热效率高，温度可以更精确的控制。同时，实验室规模的本设备，可以与其他混合、反应、换热模块集成在一个基板上，实现不同的工艺。

外管件包括外套管和外换热管，外换热管套设于外套管外部。外套管和外换热管之间，在对应矩形槽的位置设有换热通道，换热通道可以是在外套管和外换热管之间加工成间隙，用于流通换热介质，对反应进行换热。优选的，换热通道内设有扰流结构，能够提高换热效果。

内管件包括内套管和内换热管，内换热管套设于内套管内部。内套管和内换热管之间，在对应矩形槽的位置设有换热通道，换热通道可以是在内套管和内换热管之间加工成间隙，用于流通换热介质，对反应进行换热。优选的，换热通道内设有扰流结构，扰流结构，可以为螺旋通道，也可以为内壁或外壁上设有的凸起，能够提高换热效果。

优选地，

所述第一换热介质流通通道7与所述容纳槽3的位置相对应地设置，所述第二换热介质流通通道8与所述容纳槽3的位置相对应地设置(当然也可以是不完全相对地设置或不相对地设置，也能够起到相应的换热作用，只是作为优选的对应时换热效果会更好)。这样能够有效地保证第一换热介质流过的位置能够与容纳槽中的反应流体之间形成换热，对其进行换热降温或制热升温，也能够有效地保证第二换热介质流过的位置能够与容纳槽中的反应流体之间形成换热，对其进行换热降温或制热升温，提高换热效果。

优选地，

所述第一换热介质流通通道7为螺旋通道，和/或，所述第二换热介质流通通道8为螺旋通道；

优选的，所述第一换热介质流通通道7为形成在所述内套管1内壁、和/或所述内换热管5外壁上的螺旋通道；所述第二换热介质流通通道8为形成在所述外套管2外壁、和/或所述外换热管6内壁上的螺旋通道。这是本发明的第一换热介质流通通道和第二换热介质流通通道的优选结构形式，将其设置为螺旋通道，能够对管路的周向和轴向方向均匀地进行换热作用，从而增大与反应流体之间的换热效果。

螺旋通道优选为在外管内壁或内管外壁上加工的螺旋槽，优选为加工在外壁，在外壁上方便加工。

螺旋通道的设置方式还可以为在内换热管外壁上缠绕有扰流丝，扰流丝外侧设有内套管，优选的，内套管内壁同扰流丝径向外缘接触贴合。和/或，外套管外壁上缠绕有扰流丝，扰流丝外侧设有外换热管，优选的，内套管内壁同扰流丝径向外缘接触贴合。

优选地，

所述内套管1和所述外套管2的轴线方向的一端设置有前循环板9，所述前循环板9内部设置有能够与所述容纳槽3连通的前循环通道91，且所述前循环板9上还设置有反应物进口92和反应物出口93，且所述反应物进口与所述前循环通道91连通，所述反应物出口93与所述前循环通道91连通；

和/或，所述内套管1和所述外套管2的轴线方向的另一端设置有后循环板10，所述后循环板10内部设置有能够与所述容纳槽3连通的后循环通道101。

通过前循环板的设置能够形成反应物进口、使得反应流体进入反应流动通道中，并且形成反应物出口、使得完成反应的反应流体流出微反应器，并且还具有前循环通道91，前循环通道91能够连接相邻的两个容纳槽、使得在上一个微反应通道中反应后流出的反应流体经过前循环通道91再进入到下一个微反应通道中，从而依次连接形成一个较长的微反应通道，后循环通道用于连接另一端的两个相邻的微反应通道，使其与前循环通道91一起共同形成一个很长的完整的反应通道，增大反应路径，提高反应效率。

作为替换的实施方式，反应物入口也可以在前循环板上，反应物出口设置在后循环板上，如图15a-15b所示，当然也可以将反应物入口设置在后循环板上、反应物出口设置在前循环板上，不局限于上述设置方式。即可以有多个反应物入口、和多个反应物出口。可以设有两个以上的反应物进口92(用于不同物料的进料)。详见图7。

也可设有一个反应物进口92(此时，该反应物进口92连通设有预混合装置，用于多种物料的混合后通过反应物进口92进入到反应器中。)

优选地，

所述前循环通道91还能将分布在周向方向上的多个容纳槽3中的位于轴线方向的所述一端处的两个相邻端连接，所述后循环通道101还能将分布在周向方向上的多个容纳槽3中的位于轴线方向的所述另一端处的两个相邻端连接，共同形成依次连续贯通的微反应通道。

前循环板与后循环板与外管件通过o型圈进行密封，用螺栓连接在外管件的两端法兰上。前循环板与后循环板上加工有循环槽，用于将分布在圆周上矩形槽循环连接，形成连续贯通的通道。

反应物进口、底座、反应物出口与前循环板相连接，反应物通过反应物进口流入到前循环板内，前循环板与环形矩形通道相连接循环流动后经反应物出口流出。

反应物料进入到矩形反应槽之后，沿着矩形反应槽的一端向另一端流动，由于上、下两层插片的作用，工艺流体被交叉在一起的鱼刺形斜叉结构扰动，在上、下两层的微通道内，不断的分叉再汇合，而且工艺流体在上、下流动过程中，产生了竖直方向的速度，使两股流体在汇合处又产生了竖直方向相互剪切的作用，强化了混合及反应效果。插片的鱼刺形斜叉的密集程度，会影响压降和混合效率，因此不同的工艺要求，可以配置不同的插片，来满足要求。

本发明的主要结构点：

(1)外套管为圆管，在圆管的结构上加工矩形槽，内套管为圆管，在圆管的结构上加工平面，外套管与内套管之间配合连接组合成矩形通道，可以满足更高的反应压力要求。

(2)外套管外还具有外换热管，换热介质通过外换热管换热(换热通道为螺旋型)，由于外换热管与外套管之间紧密配合，换热介质与反应通道的外表面接触，换热介质换热效率高，温度可以进行精确控制。内套管内部还具有内换热管，换热介质与反应通道外表面接触，换热介质换热效率高，温度可以进行精确控制。

本发明的这种插片式高压微反应器通过插入毫米级的微通道插片，产生混合的微结构，相比于传统的单层微通道加强了竖直方向的剪切作用，使物料很快进入强制湍流状态，强化了混合效果。没有明显的放大效应，仅通过增加微通道的数量进行放大，内部通道尺寸不变，真正的并联放大。内部的混合插片式结构可任意更换，方便拆卸，通过更换不同尺寸的插片来调节压降和混合效率，满足多种工艺要求。

该结构形式有外层和内层螺旋流道换热，换热介质流动速度快，换热效率高，温度可以更精确的控制。同时，实验室规模的本设备，可以与其他混合、反应、换热模块集成在一个基板上，实现不同的工艺。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。