基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用的制作方法

本发明涉及化学工程催化领域，特别是涉及一种基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用。

背景技术：

在能源化工领域，低碳烯烃是一类非常重要的高附加值基础化工原料，合成纤维、合成橡胶、合成塑料、高级润滑油、高碳醇和喷气燃料等很多产品都以其为基础原料，烯烃产业的发展水平和市场供需平衡情况直接影响着整个化学工业的发展水平和产业规模。

以烯烃为反应底物、能够使用均相催化剂的气液反应中，氢甲酰化反应最具有代表性，并且氢甲酰化反应生成的醛能够进行下一步的化学反应从而生成醇、增塑剂、洗涤剂等产品，具有重要的工业应用价值。

传统的反应釜在进行需要加热的反应时，具有加热慢、散热慢的缺点，反应开始及猝灭需要的时间很长，同时需要加压的气液两相反应通常会有传质的限制，效率低下。因此，传统的反应釜在多相物质传质的方面应用有一定的局限性，开发使用新型的反应器来进行传质受限的多相反应很有必要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用，用于解决现有技术中气液反应加热慢、散热慢、反应时间长、以及传质受限等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于星型曲线的微通道板，所述基于星型曲线的微通道板至少包括：

反应板、星型分形结构微通道、输入微通道及输出微通道；

所述星型分形结构微通道、所述输入微通道及所述输出微通道形成于所述反应板的一表面，所述输入微通道及所述输出微通道分别连接于所述星型分形结构微通道的两端，形成贯通的反应通道。

可选地，所述反应板的材质包括聚四氟乙烯。

可选地，所述星型分形结构微通道包括沿第一方向对称设置的第一星型曲线及第二星型曲线，所述第一星型曲线及所述第二星型曲线均包括至少一阶星型结构；各阶星型结构均沿第二方向对称分布，各阶星型结构均包括连续的八条边及三个顶点，各阶星型结构的第一个顶点位于所述第二方向的对称轴上，下一阶星型结构的第一个顶点连接上一阶星型结构的端点；所述第一、第二星型曲线的最后一阶星型结构相连，所述第一、第二星型曲线的第一阶星型结构分别连接所述输入微通道及所述输出微通道；其中，所述第一方向及所述第二方向相互垂直。

更可选地，各阶星型结构的边长依次减小。

可选地，所述星型分形结构微通道的宽度不大于1mm，所述星型分形结构微通道的深度不大于1mm。

更可选地，所述输入微通道及所述输出微通道的宽度不小于所述星型分形结构微通道宽度的2倍。

可选地，所述反应板的表面还设置有凹槽，所述凹槽位于所述星型分形结构微通道、所述输入微通道及所述输出微通道的外围。

可选地，所述反应板的边缘还设置有多个沿所述星型分形结构微通道的深度方向延伸的第一固定孔，各第一固定孔位于所述凹槽的外围。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种气液反应器，所述气液反应器至少包括：

上述基于星型曲线的微通道板；

盖板，与所述基于星型曲线的微通道板形成有星型分形结构微通道的表面相对设置，所述盖板上与所述输入微通道的端口对应的位置设置有输入通孔，所述盖板上与所述输出微通道的端口对应的位置设置有输出通孔，所述盖板上与所述反应板上的第一固定孔对应的位置设置有第二固定孔，基于所述第一固定孔与所述第二固定孔对准固定实现所述盖板对所述基于星型曲线的微通道板的密封连接。

可选地，所述气液反应器还包括密封圈，所述密封圈位于所述反应板的凹槽内，且与所述盖板接触。

可选地，所述盖板的材质包括聚四氟乙烯。

更可选地，所述气液反应器还包括第一固定板及第二固定板；所述第一固定板设置于所述盖板远离所述基于星型曲线的微通道板的表面，所述第二固定板设置于所述基于星型曲线的微通道板远离所述盖板的表面，所述第一固定板上与所述第一固定孔对应的位置设置有第三固定孔，所述第二固定板上与所述第二固定孔对应的位置设置有第四固定孔，基于所述第一、第二、第三及第四固定孔对准固定实现紧固连接。

更可选地，所述第一固定板及所述第二固定板的材质包括不锈钢。

更可选地，所述气液反应器适用于均相催化的烯烃氢甲酰化反应。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述液反应器的应用，所述气液反应器适用于均相催化的烯烃氢甲酰化反应。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种气液反应系统，所述气液反应系统至少包括：

进料装置及上述气液反应器；

所述进料装置连接反应气体及反应液体，将所述反应气体及所述反应液体的气液两相输送到所述气液反应器的输入通孔；

所述气液反应器基于星型分形结构微通道使所述气液两相充分接触。

可选地，所述进料装置包括三通阀、流量计及蠕动泵，所述反应气体通过气体管路连接所述三通阀的第一端口，所述流量计连接于所述气体管路上，所述反应液体通过液体管路连接所述三通阀的第二端口，所述蠕动泵连接于所述液体管路上，所述三通阀的第三端口连接所述气液反应器的输入通孔。

可选地，所述气液反应系统还包括温度控制装置，所述温度控制装置设置于所述基于星型曲线的微通道板远离所述盖板的表面，监控所述基于星型曲线的微通道板的温度并通过加热控制反应温度。

可选地，所述气液反应系统还包括压力控制装置，所述压力控制装置连接于所述的气液反应器输出通孔处，以控制所述星型分形结构微通道内的压力。

更可选地，所述压力控制装置包括背压阀。

可选地，所述气液反应器的输出液体回流至所述三通阀，实现循环利用。

可选地，所述气液反应系统还包括尾气分析装置，所述尾气分析装置通过管路连接所述气液反应器的输出通孔。

更可选地，所述气液反应系统包括至少两个串联的气液反应器。

如上所述，本发明的基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用，具有以下有益效果：

1、采用微流控技术与连续型反应器相结合可以有效快速地控制原料液的流量从而控制反应物的停留时间，提高反应的产率和选择性。

2、采用分形结构的微通道设计有效的分布气液两相，加强传质，提高效率。

附图说明

图1显示为本发明的基于星型曲线的微通道板的立体结构示意图。

图2显示为本发明的基于星型曲线的微通道板的俯视结构示意图。

图3显示为本发明的气液反应器的立体结构示意图。

图4显示为本发明的盖板的俯视结构示意图。

图5显示为本发明的第一固定板的俯视结构示意图。

元件标号说明

1基于星型曲线的微通道板

11反应板

12星型分形结构微通道

13输入微通道

14输出微通道

15凹槽

16第一固定孔

2盖板

21输入通孔

22输出通孔

23第二固定孔

3第一固定板

31第一通孔

32第二通孔

33第三固定孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种基于星型曲线的微通道板1，所述基于星型曲线的微通道板包括：

反应板11、星型分形结构微通道12、输入微通道13及输出微通道14。

如图1所示，所述反应板11用于形成反应通道。

具体地，在本实施例中，所述反应板11为矩形结构，尺寸包括但不限于220mm*120mm，所述反应板11的厚度包括但不限于5mm，在实际使用中，所述反应板11可根据需要设定形状、尺寸及厚度，不以本实施例为限。在本实施例中，所述基于星型曲线的微通道板1用于均相催化的烯烃氢甲酰化反应，则所述反应板11的材质选择为聚四氟乙烯，在实际使用中，所述反应板11的材质可根据反应物质进行设定，所述反应板11的材质与反应物不发生反应或不影响反应的进行即可，不以本实施例为限。

如图1所示，所述星型分形结构微通道12形成于所述反应板11的一表面，用于作为反应发生的通道。

具体地，所述星型分形结构微通道12形成于所述反应板11的表面(在本实施例中，以上表面为例)，所述星型分形结构微通道12的俯视图呈星型分形结构，沿所述反应板11的厚度方向从所述反应板11的表面向内部延伸，在本实施例中，所述星型分形结构微通道12的深度不大于1mm，宽度不大于1mm。所述星型分形结构微通道12的形成方式包括但不限于机械刻蚀、湿法刻蚀及通过模具一体成型。所述星型分形结构微通道12为贯通的反应通道。

更具体地，如图2所示，所述星型分形结构微通道12沿第一方向及第二方向对称设置，且进出口方向相反，在本实施例中，所述第一方向为所述反应板11所在平面的y轴方向，所述第二方向为所述反应板11所在平面的x轴方向，实际使用中可自行设定所述第一方向及所述第二方向，所述第一方向及所述第二方向垂直即可。所述星型分形结构微通道12包括第一星型曲线121及第二星型曲线122，所述第一星型曲线121与所述第二星型曲线122沿y轴方向对称分布。所述第一星型曲线121及所述第二星型曲线122均包括至少一阶星型结构，在本实施例中，所述第一星型曲线121及所述第二星型曲线122均为三阶星型结构。所述第一星型曲线121中的第一阶星型结构包括连续的八条边及三个顶点，其中第一顶点位于所述第一阶星型结构的对称轴上，且所述第一阶星型结构的第一顶点连接所述输入微通道13；所述第一星型曲线121包括两个第二阶星型结构，各第二阶星型结构均包括连续的八条边及三个顶点，各第二阶星型结构的第一顶点分别连接所述第一阶星型结构的端点；所述第一星型曲线121包括四个第三阶星型结构，各第三阶星型结构均包括连续的八条边及三个顶点，各第三阶星型结构的第一顶点分别连接所述第二阶星型结构的各端点；各阶星型结构的边长依次减小，在本实施例中，第一阶星型结构的边长设置为第二阶星型结构边长的两倍，第二阶星型结构的边长设置为第三阶星型结构边长的两倍，具体数值分别为16mm，8mm及4mm，实际使用中，边长可根据需要设定，不以本实施例为限。所述第二星型曲线122与所述第一星型曲线121的结构完全相同，仅对称设置，所述第一星型曲线121的第三阶星型结构的各端点与所述第二星型曲线122的第三阶星型结构的各端点对应连接。所述第二星型曲线122的第一阶星型结构的第一顶点连接所述输出微通道14。反应物从所述输入微通道13分两路进入所述第一星型曲线121的第一阶星型结构，而后分为四路进入所述第一星型曲线121的第二阶星型结构，再分为八路进入所述第一星型曲线121的第三阶星型结构，再以八路进入所述第二星型曲线122的第三阶星型结构，随后两两合并分为四路进入所述第二星型曲线122的第二阶星型结构，再两两合并分为两路进入所述第二星型曲线122的第一阶星型结构，最后经过合并为一路进入所述输出微通道14。

需要说明的是，所述星型分形结构微通道12中所述第一星型曲线121及所述第二星型曲线122的阶数可根据需要进行设定，不以本实施例为限。

如图1所示，所述输入微通道13形成于所述反应板11的一表面，用于将输入反应物质引入所述星型分形结构微通道12中。

具体地，所述输入微通道13与所述星型分形结构微通道12形成于所述反应板11的同一表面，所述输入微通道13的一端连接所述星型分形结构微通道12的第一端，在本实施例中，所述输入微通道13的长度不大于10mm，宽度大于等于所述星型分形结构微通道12宽度的2倍，在实际使用中，所述输入微通道13的尺寸可根据需要进行设定。

如图1所示，所述输出微通道14形成于所述反应板11的一表面，用于将输入反应物质引出所述星型分形结构微通道12中。

具体地，所述输出微通道14与所述星型分形结构微通道12形成于所述反应板11的同一表面，所述输出微通道14的一端连接所述星型分形结构微通道12的第二端，在本实施例中，所述输出微通道14的长度不大于10mm，宽度大于等于所述星型分形结构微通道12宽度的2倍，在实际使用中，所述输出微通道14的尺寸可根据需要进行设定。

作为本实施例的一种实现方式，所述反应板11的表面还设置有凹槽15，所述凹槽15位于所述星型分形结构微通道12、所述输入微通道13及所述输出微通道14的外围。在本实施例中，所述凹槽15通过打印形成，所述凹槽15的深度设置为1.5mm，宽度设置为2mm，俯视图为椭圆形，在实际使用中可根据需要设定所述凹槽15的尺寸及形状。

作为本实施例的一种实现方式，所述反应板11的边缘还设置有多个沿所述星型分形结构微通道12的深度方向延伸的第一固定孔16，各第一固定孔16位于所述凹槽15的外围。各第一固定孔16包括但不限于内壁光滑的通孔或设置有内螺纹的通孔。在本实施例中，所述第一固定孔16包括10个φ9mm的开孔，在实际使用中，所述第一固定孔16的数量及孔径可根据需要设定，不以本实施例为限。

本实施例的基于星型曲线的微通道板1基于所述星型分形结构微通道12的多处弯折实现反应物质的碰撞，使反应物质充分接触，增强传质，提高效率。

需要说明的是，在本实施例中，所述基于星型曲线的微通道板1用于进行均相催化的烯烃氢甲酰化反应，在实际使用中不排除其他生物、化工、环境等方面具体的反应体系的应用。

实施例二

如图3所示，本实施例提供一种气液反应器，所述气液反应器包括：

基于星型曲线的微通道板1及盖板2。

如图3所示，所述基于星型曲线的微通道板1与所述盖板2紧固连接。

具体地，所述基于星型曲线的微通道板1的具体结构如实施例一的描述，在此不一一赘述。所述基于星型曲线的微通道板1具有所述星型分形结构微通道12的表面与所述盖板2相对设置，在本实施例中，所述星型分形结构微通道12形成于所述基于星型曲线的微通道板1的上表面，所述基于星型曲线的微通道板1的上表面与所述盖板2的下表面贴合。

如图3所示，所述盖板2与所述基于星型曲线的微通道板1形成有星型分形结构微通道12的表面相对设置，所述星型分形结构微通道12形成仅端口可输入输出的管路。

具体地，如图4所示，在本实施例中，所述盖板2与所述基于星型曲线的微通道板1的外轮廓一致，为矩形结构，且尺寸相同，所述盖板2的厚度设定为2mm，在实际使用中，可根据需要设定形状、尺寸及厚度，不以本实施例为限。在本实施例中，所述基于星型曲线的微通道板1用于均相催化的烯烃氢甲酰化反应，则所述盖板2的材质选择为聚四氟乙烯(所述盖板2的材质可以与所述基于星型曲线的微通道板1的材质不同)，在实际使用中，所述盖板2的材质可根据反应物质进行设定，所述盖板2的材质与反应物不发生反应或不影响反应的进行即可，不以本实施例为限。

具体地，如图4所示，所述盖板2上设置有输入通孔21及输出通孔22，所述输入通孔21与所述输入微通道13的端口对应，所述输出通孔22与所述输出微通道14的端口对应，反应物质可通过所述输入通孔21进入所述星型分形结构微通道12，并从所述输出通孔22输出。

具体地，如图4所示，所述盖板2上设置有第二固定孔23，所述第二固定孔23与所述反应板1上的第一固定孔16的位置对应，在本实施例中，所述第二固定孔23的数量及孔径与所述第一固定孔16相同。各第二固定孔23包括但不限于内壁光滑的通孔或设置有内螺纹的通孔。通过螺丝与所述第一固定孔16及所述第二固定孔23中内螺纹的旋拧实现所述基于星型曲线的微通道板1与所述盖板2的固定连接，或螺丝通过所述第一固定孔16及所述第二固定孔23后与螺母旋拧实现所述基于星型曲线的微通道板1与所述盖板2的固定连接，不限于本实施例所列举。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应器还包括密封圈(图中未显示)，所述密封圈位于所述反应板11的凹槽15内，且与所述盖板2接触，以实现所述星型分形结构微通道12的密闭，确保反应不受影响。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应器还包括第一固定板3及第二固定板4，所述第一固定板3设置于所述盖板2远离所述基于星型曲线的微通道板1的表面，所述第二固定板4设置于所述基于星型曲线的微通道板1远离所述盖板2的表面，用于从两侧压紧所述反应板11及所述盖板2。

具体地，如图5所示，在本实施例中，所述第一固定板3为矩形框体，在实际使用中，所述第一固定板3可设置为矩形平板，不以本实施例为限。当所述第一固定板3遮挡所述输入通孔21及所述输出通孔22时(述第一固定板3的框体宽度较大或所述第一固定板3为矩形平板)，所述第一固定板3还包括与所述输入通孔21对应的第一通孔31及与所述输出通孔22对应的第二通孔32；当所述第一固定板3为框体结构且不遮挡所述输入通孔21及所述输出通孔22时，所述第一通孔31及所述第二通孔32无需设置。所述第一固定板3上设置有与所述第一固定孔16及所述第二固定孔23对应的第三固定孔33，所述第三固定孔33的数量与所述第二固定孔23相同，孔径设置为3/8英制，各第三固定孔33包括但不限于内壁光滑的通孔或设置有内螺纹的通孔，同样可通过螺丝或螺丝与螺帽的组合实现各板之间的固定连接。在本实施例中，所述第一固定板3的厚度设定为5mm，在实际使用中，可根据需要设定厚度，不以本实施例为限。

具体地，所述第二固定板4的结构与所述第一固定板3基本相同(包括第四固定孔)，不同之处在于无需设置与所述输入通孔21及所述输出通孔22对应的通孔，在此不一一赘述。

具体地，所述第一固定板3及所述第二固定板4的材质包括但不限于304不锈钢，可根据需要进行选择，所述第一固定板3及所述第二固定板4的材质需要达到紧固时的硬度要求。

实施例三

如图1～图5所示，本实施例提供一种气液反应系统，所述气液反应系统包括：

进料装置及气液反应器。

如图1～图5所示，所述进料装置连接反应气体及反应液体，将所述反应气体及所述反应液体的气液两相输送到所述气液反应器的输入通孔21。

具体地，所述进料装置包括三通阀、流量计及蠕动泵。所述反应气体通过气体管路连接所述三通阀的第一端口，所述流量计连接于所述气体管路上，所述流量计用于控制所述反应气体的流量。所述反应液体通过液体管路连接所述三通阀的第二端口，所述蠕动泵连接于所述液体管路上，所述蠕动泵用于输送所述反应液体。所述流量计及所述蠕动泵根据实际反应停留时间设定反应气体及反应液体的流量。

所述三通阀的第三端口连接所述气液反应器的输入通孔21。所述反应气体包括但不限于co和h2的混合气体，所述反应液体包括但不限于一定浓度的烯烃以及催化剂的溶液。

如图1～图5所示，所述气液反应器基于星型分形结构微通道12使所述气液两相充分接触。

具体地，所述气液反应器如实施例二所述，在此不一一赘述。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应系统还包括温度控制装置，所述温度控制装置设置于所述基于星型曲线的微通道板1远离所述盖板2的表面，监控所述基于星型曲线的微通道板1的温度并通过加热控制反应温度，使反应在适宜(各种反应要求的温度不同，可基于具体反应物设置适宜温度)恒定的温度下进行。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应系统还包括压力控制装置，所述压力控制装置连接于所述的气液反应器输出通孔22处，以控制所述星型分形结构微通道12内的压力。所述压力控制装置包括但不限于背压阀。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应器的输出液体回流至所述三通阀，实现循环利用。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应系统还包括尾气分析装置，所述尾气分析装置通过管路连接所述气液反应器的输出通孔22。

作为本实施例的一种实现方式，所述气液反应系统包括至少两个串联的气液反应器，所述进料装置与一个气液反应器的输入通孔21连接，该气液反应器的输出通孔22与另一气液反应器的输入通孔21连接，多个气液反应器串联后，最后一级气液反应器的输出通孔22连接背压阀及尾气分析装置。

本发明的气液反应系统的工作原理如下：反应气体从气瓶出来，流量计对其流量进行控制，制备含有一定浓度的烯烃以及催化剂的溶液，经蠕动泵在三通阀处与反应气体汇合，形成气液两相从气液反应器的输入通孔处进入气液反应器进行反应。经过星型分形结构微通道的多次弯折，反应气体与反应液体不断的进行碰撞，从而形成了比较均匀、接触充分的两相混合物液，增强传质；同时，温度控制装置对反应温度进行恒温控制，背压阀对反应通道内的压力进行控制，确保反应正常进行。随后反应液体从输出通孔排出后回流至三通阀，进行循环使用；尾气排出后可进入尾气分析装置进行分析，无毒无害的尾气也可直接排入大气。

本发明的基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用基于分形结构的微通道设计实现气液混合充分、停留时间可控、反应效率高，且易于制造、方便观察、结构稳定，适于化学工业产业的应用。

综上所述，本发明提供一种基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用，包括：反应板、星型分形结构微通道、输入微通道及输出微通道；所述星型分形结构微通道、所述输入微通道及所述输出微通道形成于所述反应板的一表面，所述输入微通道及所述输出微通道分别连接于所述星型分形结构微通道的两端，形成贯通的反应通道。本发明的基于星型曲线的微通道板、气液反应器、反应系统及应用采用微流控技术与连续型反应器相结合可以有效快速地控制原料液的流量从而控制反应物的停留时间，提高反应的产率和选择性；采用分形结构的微通道设计有效的分布气液两相，加强传质，提高效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。