CN113546590A - 一种块孔式碳化硅微反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种块孔式碳化硅微反应器及其应用，涉及化工换热领域，包括基质块和封板；所述基质块上设置有至少一条用于流体介质进出的导料通道和至少一条用于换热介质进出的换热通道；所述封板上设置有多组通孔，所述封板密封固定于基质块上，使所述通孔与导料通道连通或同时与导料通道和换热通道连通；块孔式碳化硅微反应器用于流体介质的混合和/或换热。本申请具有保障碳化硅微反应器在高温高压环境下保持高通量的效果。

Description

一种块孔式碳化硅微反应器及其应用

技术领域

本申请涉及化工换热的领域，尤其是涉及一种块孔式碳化硅微反应器及其应用。

背景技术

微反应器是一种通过精密加工技术在固体基质上开设有大量微米级通道的设备。微反应器既可以用作流体介质的混合，亦可以对流体介质快速换热。其中，碳化硅微反应器因传热速度快、强腐蚀耐受能力强，故常常用于对化工类流体介质的混合、换热。

在实际应用中，碳化硅反应器基本为管式微反应器和板式微反应器两种。

针对上述中的相关技术，发明人认为存在有以下缺陷：管式微反应器耐高温和耐高压效果差，板式微反应器通量有限；在实际应用中，为了满足反应需求，操作人员往往要增加微反应器的数量，这使得维系反应所投入的成本大大增加。

发明内容

为了改善普通微反应器难以在高温高压下保持高通量的问题，本申请提供了一种块孔式碳化硅微反应器及其应用。

第一方面，本申请提供的一种块孔式碳化硅微反应器采用如下的技术方案：

一种块孔式碳化硅微反应器，包括基质块和封板；所述基质块上设置有至少一条用于流体介质进和出的导料通道和至少一条用于换热介质进和出的换热通道；所述封板上设置有多组通孔，所述封板密封固定于基质块上，使所述通孔与导料通道连通或同时与导料通道和换热通道连通。

通过采用上述技术方案，碳化硅材质的基质块和封板结构稳定、高温高压耐受度强，可在恶劣环境下稳定应用；同时，封板相对基质块封装简单，操作人员通过通孔向基质块内通入流体介质的操作简单；封装后，封板与基质块的密封压力高，可保障流体介质在设备内的混合、换热稳定性；此外，碳化硅材质的基质块和封板耐酸碱性强，适合高酸、碱性的化工类流体介质通入以混合、换热；导料通道的内径尺寸可根据应用需求向大调节，满足了扩大导料通道内流体介质通量的需求。

优选的，所述基质块包括反应块和侧板；所述换热通道和导料通道均设置于反应块上，所述封板密封固定于反应块的一侧，所述侧板密封固定于反应块远离封板的一侧。

通过采用上述技术方案，蛇形盘旋的导料通道比表面积大，与换热通道的接触面积亦大大增加，提高了流体介质在反应块内的混合效率、换热效率；侧板与封板用于封堵转接槽和换向槽，可保障流体介质在导料通道内的流通稳定性及效率。

优选的，所述导料通道为直线型或螺旋型或沟槽型。

通过采用上述技术方案，直线型的导料通道便于流体介质快速穿过，通过导料通道比表面积大的特性，可保障流体介质在反应块内的换热效率；螺旋型和沟槽型的导料通道延长了流道的长度，使得流体介质与换热介质的换热时间延长，提高了设备对流体介质的换热效率；此外，通过螺旋凹槽和台阶槽减缓了流体介质在流道内的流动速度，提高了流体介质在导料通道内的流动稳定性。

优选的，所述导料通道与换热通道的排布方向相同或不同。

通过采用上述技术方案，导料通道与换热通道的排布方向不同时，换热通道的数量远远多于导料通道，每一根换热通道内均可不断通入流动的换热介质，提高了反应块对流体介质的换热效率和速度；此外，封板的通孔只通入流体介质，操作简单，不易出现误将换热介质通入导料通道的现象；导料通道与换热通道的排布方向相同时，换热通道和导料通道的数量较为平衡，且二者的所有流道均处于相互平行的状态，使得流体介质和换热介质易于充分换热，流体介质在反应块内的换热效率有保障；此外，反应块内的空间利用率高，减少了多余开孔的现象。

优选的，所述导料通道和换热通道包括多条流道，处于同一平面的所有所述流道共同形成一组行道；相邻的两条所述流道通过转接槽连通，相邻的两组所述行道通过换向槽连通。

通过采用上述技术方案，所有流道共同形成导料通道和换热通道，转接槽实现相邻流道的连通，换向槽实现相邻行道的连通，保障了换热介质和流体介质在反应块上的流通顺畅性。

优选的，所述反应块的侧壁上设置有多组转向槽，所述转向槽用于并联导料通道的不同行道和/或用于并联换热通道的不同行道。

通过采用上述技术方案，转向槽用于连接两组及以上的换向槽时，便于流体介质同时进入多组换向槽，使得上下相邻的行道同时并联，提高了流体介质进入导料通道的速度，有助与提高设备对流体介质的混合、换热效率；转向槽可用于连接一组换向槽时，以用于增大换向槽的内径尺寸，使得通孔内的换热介质可抵入独立的换向槽内，并快速分流到上下相邻的行道内，加快了换热介质在换热通道内的通入速度。

优选的，所述反应块于导料通道内设置有至少一组用于减缓流体介质流速的内构件，所述内构件抵触配合于侧板和封板之间。

通过采用上述技术方案，内构件用于减缓流体介质在导料通道内的流动速度；抵紧于侧板和封板之间的内构件，用于减少内构件在导料通道内出现松晃、偏动的现象，有助于提高流体介质在导料通道内的流动稳定性。

优选的，所述内构件包括定向柱和多块隔离板；所有所述隔离板间隔分布于定向柱外缘，每块所述隔离板外侧壁贯穿设置有至少一组供流体介质穿过的通行孔；相邻的所述隔离板上的通行孔相互错位，间隔分布的所述隔离板上的通行孔相互对称。

通过采用上述技术方案，隔离板用于阻挡流体介质，通行孔便于流体介质穿过隔离板，多块隔离板层层阻挡流体介质，有效降低了流体介质在导料通道内的流动速度，使得流体介质充分换热；相邻隔离板上的通行孔相互错位，使得流体介质需要沿定向柱周缘流动后才可穿过通行孔，进一步减缓了流体介质的速度；间隔分布的隔离板上的通行孔相互对称，使得流体介质在隔离板之间规律性前进，保障了流体介质的流动稳定性。

优选的，所有所述隔离板外缘抵触配合于导料通道内侧壁。

通过采用上述技术方案，抵接于导料通道内侧壁的隔离板，进一步提高了内构件在导料通道内的定位稳定性，进而进一步保障了流体介质在导料通道内的流通稳定性。

第二方面，本申请提供的一种块孔式碳化硅微反应器的应用采用如下的技术方案：

一种根据权利要求1-9任意一项所述的块孔式碳化硅微反应器的应用，所述块孔式碳化硅微反应器用于流体介质的混合和/或换热。

通过采用上述技术方案，操作人员可通过本设备快速且高效的进行不同流体介质的混合、混热，或单一流体介质的换热。

综上所述，本申请具有以下有益技术效果：

1.设置于基质块上的导料通道结构稳定，可在高温高压环境下进行强酸或强碱类流体物料的混合、换热，应用稳定性高；此外，导料通道的内径尺寸可向大调节，增大了导料通道的通量；

2.内构件于导料通道内减缓了流体介质的流动速度，使得流体介质与换热介质充分换热；此外，通过多组隔离板对流体介质的阻挡，使得流体介质呈规律性的前进于导料通道内腔，保障了流体介质在导料通道内的流动稳定性；

3.转向槽可连接多组换向槽，使得上下相邻的多组行道相互并联，流体介质可通过换向槽同时抵入多组行道内以流通，提高了流体介质在导料通道内的通入效率。

附图说明

图1是本申请实施例1的一种块孔式碳化硅微反应器的结构示意图；

图2是实施例1中用于体现封板、侧板和反应块位置关系的示意图；

图3是实施例1中用于体现导料通道和换热通道位置关系的水平方向剖面示意图；

图4是实施例1中用于体现导料筒的相邻流道连接关系的竖直方向剖面示意图；

图5是实施例2的一种块孔式碳化硅微反应器中基质块的结构示意图；

图6是实施例2中导料通道和基质块位置关系的水平方向剖面示意图；

图7是实施例3的一种块孔式碳化硅微反应器的结构示意图；

图8是实施例4的一种块孔式碳化硅微反应器的结构示意图；

图9是实施例4中用于体现转向槽、换向槽在反应块上的位置关系的示意图；

图10是实施例5的一种块孔式碳化硅微反应器中螺旋型导料通道的竖直方向剖面示意图；

图11是实施例6的一种块孔式碳化硅微反应器中沟槽型导料通道的竖直方向剖面示意图；

图12是实施例7的一种块孔式碳化硅微反应器中内构件和反应块连接关系的示意图；

图13是实施例7中用于体现隔离板和定向柱位置关系的示意图。

附图标记说明：

1、基质块；11、反应块；111、转接槽；112、换向槽；113、转向槽；12、侧板；

2、封板；21、通孔；

3、导料通道；31、流道；32、行道；33、螺旋凹槽；34、台阶槽；

4、换热通道；

5、导流单元；

6、内构件；61、定向柱；62、隔离板；621、通行孔。

具体实施方式

本申请实施例公开了一种块孔式碳化硅微反应器。块孔式碳化硅微反应器既可以用于不同流体介质的混合，也可以用于对单一流体介质进行换热。同时，块孔式碳化硅微反应器还可以一边混合不同的流体介质，一边对混合的流体介质进行换热。

以下结合附图1-13对本申请作进一步详细说明。

实施例1

参照图1和图2，块孔式碳化硅微反应器包括基质块1和封板2。基质块1由碳化硅通过高温烧结制得，基质块1包括反应块11，反应块11呈矩形。

参照图2和图3，反应块11相对的侧壁上贯穿设置有多条换热通道4，所有换热通道4相互平行，每一换热通道4内均可通入换热介质，换热介质从换热通道4一端进，另一端出。

参照图2和图4，反应块11上蛇形分布有一条导料通道3。在本实施例中，导料通道3为直线型通道，直线型导料通道3在竖直方向上的截面呈圆形。每条导料通道3包括多条相互平行的流道31，每条流道31贯穿于反应块11相对的侧壁上。在本实施例中，导料通道3与换热通道4的排布方向不同，二者呈十字交叉。所有流道31在反应块11上形成相互平行的多组行道32，相邻的行道32沿反应块11的高度方向间隔分布。

参照图2和图4，反应块11外侧壁间隔设置有多组转接槽111，转接槽111用于串联同一行道32内的所有流道31。在本实施例中，转接槽111的数量可以为N组，第一组转接槽111对应分布于第一条流道31与第二条流道31长度方向的一端，第二组转接槽111对应分布于第二条流道31与第三条流道31远离第一组转接槽111的一端，第三组转接槽111对应分布于第三条流道31与第四条流道31远离第二组转接槽111的一端，以此循环。

参照图2和图4，反应块11外侧壁还间隔设置有多组换向槽112，换向槽112用于连接不同行道32内的所有流道31。在本实施例中，换向槽112的数量可以为N组，第一组换向槽112于反应块11一侧连接第一行道32与第二行道32长度方向同一端的两条流道31，第二组换向槽112于反应块11另一侧连接第二行道32与第三行长度方向同一端的两条流道31，且第二组换向槽112与第一组换向槽112分别位于反应块11长度方向的两端，以此循环。

参照图2，基质块1还包括一块侧板12，侧板12由碳化硅制得，侧板12钎焊固定于基质块1一侧，以封堵所有流道31长度方向的一端。封板2亦由碳化硅制得，封板2钎焊固定于基质块1远离侧板12的一侧，以封堵所有流道31长度方向的另一端。此时，相邻的流道31之间通过转接槽111、换向槽112连接，封板2、侧板12减少了流体介质流经转接槽111、换向槽112时，出现向外溢出的现象。

参照图2，封板2外侧壁贯穿设置有多组通孔21，在本实例中，通孔21的数量可以为两组。其中一组通孔21对应于最高处行道32长度方向一端的流道31，以供流体介质通入导料通道3内。另一组通孔21对应于最低处行道32长度方向一端的流道31，以供流体介质向外导出。在此过程中，操作人员可向换热通道4内通入换热介质，以实现流体介质穿过反应块11即实现换热的效果。需要说明的是，操作人员可通过增加通孔21的数量，以对应不同的流道31，使得多种不同的流体介质可以同时进入导料通道3内，进而实现不同流体介质在反应块11内一边混合，一边换热的效果。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

流体介质通过通孔21进入第一条流道31，接着，流体介质通过转接槽111依次流入第二条流道31、第三条流道31，直至同一行道32的最后一条流道31。换向槽112可将上一行道32内的流体介质引流至下一行道32的流道31内，以完成流体介质在导料通道4内的流通。在此过程中，每一换热通道4内均可通入不断流动的换热介质，以对导料通道3内的流体介质进行换热。

实施例2

参照图5和图6，本实施例与实施例1不同之处在于，基质块1为独立的矩形块体，所有流道31远离封板2的一端均位于基质块1内部，基质块1内部还设置有多组转接槽111和换向槽112。位于基质块1内部的转接槽111连接同一行道32的相邻流道31远离封板2的一端，位于基质块1内部的换向槽112连接不同行道32上下相邻的流道31远离封板2的一端。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

独立的基质块1结构稳定，保障了流体介质的流通稳定性。流道31远离封板2的一端位于基质块1内部，以保障流体介质的流通效率的同时，减少了侧板12的投入，简化了块孔式碳化硅微反应器的组装流程，降低了生产成本。

实施例3

参照图7，本实施例与实施例1不同之处在于，换热通道4的数量为一根，换热通道4与导料通道3的排布方向相同。通孔21的数量可以为四组。

参照图7，在本实施例中，换热通道4以等同于导料通道3的方式蛇形分布于反应块11上，且换热通道4位于反应块11设置导料通道4的侧壁上。导料通道4的所有行道32平行于换热通道4的所有行道32，其中，导料通道4的所有行道32可以为奇数行，换热通道4的所有行道32可以为偶数行。换热通道4亦通过转接槽111连接同一行道32的相邻流道31，换热通道4亦通过换向槽112连接不同行道32上下相邻的流道31。

参照图7，其中两组通孔21对应于换热通道4的进料用流道31和出料用流道31，另外两组通孔21对应于导料通道3的进料用流道31和出料用流道31。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

流体介质和换热介质均通过通孔21进入反应块11内部以流通，简化了操作步骤，提高了操作人员的操作便捷性。相互平行的换热通道4和导料通道3使得流体介质和换热介质在流通过程中更易于换热，进而提高了设备对流体介质的换热效率。同时，开设于反应块11同侧的换热通道4和导料通道3便于快速施工，节约了生产成本。

实施例4

参照图8和图9，本实施例与实施例3不同之处在于，导料通道4的数量可以为三条，换热通道4的数量可以为三条。用于反应块11的侧壁上设置有多组转向槽113。通孔21的数量可以为七组，且侧板12上亦设置有七组通孔21。

参照图9，在本实施例中，一条导料通道4平行于一条换热通道4，一条导料通道4与一条换热通道4共同形成一组导流单元5。导流单元5的数量可以为三组，每组导流单元5内可以有五行行道32。其中，导料通道4的行道32为奇数行，可以为三行，换热通道4的行道32可以为偶数行，可以为两行。

参照图9，导料通道4的第一行道32与第三行道32长度方向的同一端通过换向槽112连接，导料通道4的第三行道32与第五行道32长度方向的同一端亦通过换向槽112连接。在反应块11相对的侧壁上，换向槽112在导料通道4处同样分布，不同的是，位于反应块11相对两侧的换向槽112分别位于反应块11长度方向的两端。导料通道4的第三行道32与第五行道32长度方向的同一端通过转向槽113连接，且转向槽113的内径尺寸大于换向槽112的内径尺寸，以同时包含上下相邻的两组换向槽112。

参照图8和图9，换热通道4处的转向槽113直接套接于换向槽112外部，以增大换向槽112的内径尺寸。在本实施例中，导料通道4处的转向槽113数量为三组，换热通道4处的转向槽113数量为四组。

参照图8，其中四组通孔21一一对应于换热通道4处的四组转向槽113，另外三组通孔21一一对应于导料通道3处的三组转向槽113。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

以第一组导流单元5展开阐述。流体介质通过通孔21进入导料通道4处的转向槽113内腔，每组转向槽113同时连接两组换向槽112，使得流体介质可以同时进入第一行道32、第三行道32和第五行道32的流道31内。换热介质通过通孔21进入换热通道4处的转向槽113内腔，每组转向槽113同时连接两组换向槽112，使得换热介质同时进入第二行道32、第四行道32的流道31内。此过程使得流体介质、换热介质单位时间内通入反应块11内腔的流量大大增加，进一步提高了反应块11内的物料通量。同时，多组导流单元5同时进料、出料，便于设备同时进行多组物料的混合、换热，提高了设备的应用效率。

因上下相邻的换向槽112均位于不同行道32长度方向的同一端，所以流体介质从封板2的通孔21处进入反应块11内腔，再从侧板12的通孔21处向外排出。

实施例5

参照图10，本实施例与实施例1不同之处在于，导料通道3为螺旋型通道。螺纹型导料通道3是在直线型导料通道3的基础上，于导料通道3内侧壁设置有螺旋凹槽33，螺旋凹槽33沿导料通道3的长度方向延伸。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

螺纹凹槽增大了导料通道3的内腔空间，使得导料通道3内腔的流体介质数量由所在增加，增大了导料通道3内的流体介质通量。同时，螺旋凹槽33旋绕式递进，使得流体介质在导料通道3内的流通速度变慢，起到了稳定流体介质流量的效果。并且，螺旋凹槽33使得流体介质与换热介质的换热时间延长，提高了反应块11对流体介质的换热效率。

实施例6

参照图11，本实施例与实施例1不同之处在于，导料通道3为沟槽型通道。沟槽型导料通道3是在直线型导料通道3的基础上，于导料通道3内侧壁设置有多组台阶槽34，所有台阶槽34沿导向通道的长度方向延伸。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

台阶槽34进一步增大了导料通道3的内腔空间，减小了相邻的换热通道4和导料通道3之间的距离，使得流体介质易短暂积聚于台阶槽34内，保障了换热介质对流体介质的换热充分性。同时，台阶槽34易于吸收、储存流动的流体介质，使得流体介质在流道31内的冲击强度大大降低，提高了流体流动的稳定性。

实施例7

参照图12，本实施例与实施例1不同之处在于，反应块11于导料通道3内设置有内构件6。内构件6的数量可以为一组或多组，在本实施例中，内构件6的数量可以为三组。

参照图12和图13，内构件6包括定向柱61。相邻的定向柱61首尾相抵，位于端部的一根定向柱61抵接于侧板12朝向反应块11的侧壁，位于端部的另一根定向柱61抵接于封板2朝向反应块11的侧壁。内构件6还包括多块隔离板62，隔离板62与定向柱61一体成型，所有隔离板62等距分布于定向柱61外缘。定向柱61抵入导料通道3内腔，隔离板62远离定向柱61的侧壁抵接于导料通道3内侧壁。

参照图13，每块隔离板62外侧壁贯穿设置有至少一组通行孔621，在本实施例中，每块隔离板62上的通行孔621数量可以为四组，且通行孔621远离定向柱61的一端为开口设置。相邻的两块隔离板62上的通行孔621均错位设置，间隔分布的两块隔离板62上的通行孔621相互对称。

本申请实施例块孔式碳化硅微反应器的实施原理为：

流体介质穿过第一块隔离板62上的通行孔621后，被第二块隔离板62阻挡，流体介质沿定向柱61周缘流动后，可通过第二块隔离板62上的通行孔621并进入第二块隔离板62与第三块隔离板62之间。此时，第三块隔离板62再度阻挡流体介质，流体介质不断转向并穿过通行孔621后，可穿过导料通道4。此过程通过隔离板62阻挡流体介质，通行孔621对流体介质放行，提高了流体介质的流动稳定性，保障了不同流体介质的混合充分性。同时，极大地延长了流体介质的在导料通道4的流动时间，使得流体介质与换热介质换热充分，提高了设备对流体介质的换热效率。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：包括基质块(1)和封板(2)；所述基质块(1)上设置有至少一条用于流体介质进出的导料通道(3)和至少一条用于换热介质进出的换热通道(4)；所述封板(2)上设置有多组通孔(21)，所述封板(2)密封固定于基质块(1)上，使所述通孔(21)与导料通道(3)连通或同时与导料通道(3)和换热通道(4)连通。

2.根据权利要求1所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述基质块(1)包括反应块(11)和侧板(12)；所述换热通道(4)和导料通道(3)均设置于反应块(11)上，所述封板(2)密封固定于反应块(11)的一侧，所述侧板(12)密封固定于反应块(11)远离封板(2)的一侧。

3.根据权利要求1所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述导料通道(3)为直线型或螺旋型或沟槽型。

4.根据权利要求2所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述导料通道(3)与换热通道(4)的排布方向相同或不同。

5.根据权利要求1所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述导料通道(3)和换热通道(4)包括多条流道(31)，处于同一平面的所有所述流道(31)共同形成一组行道(32)；相邻的两条所述流道(31)通过转接槽(111)连通，相邻的两组所述行道(32)通过换向槽(112)连通。

6.根据权利要求5所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述反应块(11)的侧壁上设置有多组转向槽(113)，所述转向槽(113)用于并联导料通道(3)的不同行道(32)和/或用于并联换热通道(4)的不同行道(32)。

7.根据权利要求5所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述反应块(11)于导料通道(3)内设置有至少一组用于减缓流体介质流速的内构件(6)，所述内构件(6)抵触配合于侧板(12)和封板(2)之间。

8.根据权利要求7所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所述内构件(6)包括定向柱(61)和多块隔离板(62)；所有所述隔离板(62)间隔分布于定向柱(61)外缘，每块所述隔离板(62)外侧壁贯穿设置有至少一组供流体介质穿过的通行孔(621)；相邻的所述隔离板(62)上的通行孔(621)相互错位，间隔分布的所述隔离板(62)上的通行孔(621)相互对称。

9.根据权利要求8所述的块孔式碳化硅微反应器，其特征在于：所有所述隔离板(62)外缘抵触配合于导料通道(3)内侧壁。

10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的块孔式碳化硅微反应器的应用，其特征在于：所述块孔式碳化硅微反应器用于流体介质的混合和/或换热。

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