CN207221889U - 一种微反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种微反应器，其包括外壳(1)和内芯(2)，所述外壳(1)具有中空内腔，所述内芯(2)设置于所述外壳(1)的所述中空内腔中、并在所述内芯(2)外壁与所述外壳(1)的内壁之间形成用于进行微反应的反应通道(7)，其中所述反应通道(7)为螺旋形状的螺旋通道。本实用新型通过设置外壳和内芯、并将外壳和内芯之间设置成螺旋形状的反应通道，能够有效地增大反应介质的混合面积，使其能够有效地混合均匀，使得反应更加均匀、充分和彻底，有效地提高了微反应器的反应效率；在相同反应效率的情况下能将微反应器的整体体积做得更小，能有效减小微反应器的流道长度和整体体积，解决流道长度和整体体积受到空间限制等问题。

Description

一种微反应器

技术领域

本实用新型属于微反应技术领域，具体涉及一种微反应器。

背景技术

微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。微反应器通常含有小的通道尺寸(当量直径小于500μm)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。这样就导致了在微构造的化学设备中具有非常大的表面积/体积比率。微反应器利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米(或者1000微米)之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。微反应器设备根据其主要用途或功能可以细分为微混合器，微换热器和微反应器。由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。

目前行业内微反应通道具有反应效率低、换热结构复杂且换热效率低，流道长度受到空间限制、加工复杂等问题，因此本实用新型研究设计出一种微反应器。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的微反应器存在反应效率低的缺陷，从而提供一种微反应器。

本实用新型提供一种微反应器，其包括外壳和内芯，所述外壳具有中空内腔，所述内芯设置于所述外壳的所述中空内腔中、并在所述内芯外壁与所述外壳的内壁之间形成用于进行微反应的反应通道，其中所述反应通道为螺旋形状的螺旋通道。

优选地，所述内芯可以是圆形或方形的，并且可以是柱体或管状结构。

优选地，所述外壳与所述内芯的形状相适配，可以是圆形或方形的管状结构。

优选地，在所述内芯的外表面上设置有形成所述螺旋通道的第一螺旋形槽，和/或，在所述外壳的内表面上设置有形成所述螺旋通道的第二螺旋线槽。

优选地，所述内芯外表面的所述第一螺旋形槽设为外螺纹，所述外壳为光管结构，所述外螺纹与光管结构的所述外壳内壁间形成所述反应通道；

或者，所述外壳的内表面的所述第二螺旋形槽设为内螺纹，所述内芯为光轴结构，所述内螺纹与光轴结构的所述内芯的外壁之间形成所述反应通道；

或者，所述外壳的内表面的所述第二螺旋形槽设为内螺纹，所述内芯外表面的所述第一螺旋形槽设为外螺纹，所述内螺纹与外螺纹之间形成所述反应通道。

优选地，所述外壳与所述内芯为同心设置的回转体结构，具有相同的回转中心线；

所述外螺纹沿所述回转中心线方向的截面形状为由多个弧形段或由多个矩形段组成的波浪形；

和/或，所述内螺纹沿所述回转中心线方向的截面形状为由多个弧形段或由多个矩形段组成的波浪形。

优选地，所述螺旋形槽的截面形状为弧形、正方形、长方形、梯形或三角形。

优选地，在所述外壳和所述内芯的一相同的端上形成所述反应通道的反应进口，在另一相同的端上形成所述反应通道的反应出口。

优选地，所述内芯为具有内部空腔的中空管结构，所述内部空腔流通换热介质，所述中空管结构的一端形成换热介质的流通入口、另一端形成换热介质的流通出口。

优选地，中空管结构的所述内芯的内表面也设置有扰流结构，优选地，所述扰流结构设为内螺纹。

优选地，所述外壳和所述内芯的管壁厚度均为0.1-20mm，内芯的外螺纹深度0.01mm-2mm，内芯的内径为0.1-100mm。

优选地，所述外壳和所述内芯由不锈钢、镍基合金、有色金属中的至少一种材质所制成。

优选地，所述不锈钢包括304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、双相钢、超级奥氏体不锈钢、超级双相不锈钢中的至少一种；

和/或，所述镍基合金包括哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍中的至少一种；

和/或，有色金属包括钛、钽、铌、锆中的至少一种。

本实用新型提供的一种微反应器具有如下有益效果：

1.本实用新型的微反应器，通过设置外壳和内芯、并将外壳和内芯之间设置成螺旋形状的反应通道，能够有效地增大反应介质的混合面积，使其能够有效地混合均匀，使得反应更加均匀、充分和彻底，有效地提高了微反应器的反应效率；

2.本实用新型的微反应器，由于有效地提高了微反应器的反应效率，因此在相同反应效率的情况下能够将微反应器的整体体积做得更小，能够有效地减小微反应器的流道长度和整体体积，有效解决流道长度和整体体积受到空间限制等问题；

3.本实用新型的微反应器，通过将内芯也设置为具有内部空腔的中空管结构，并且在其空腔中流通换热介质，能够使得微反应器还能具有换热的功能和作用，能够使得反应产生的热用以加热换热介质，可用来进行制热或制取热水；

4.本实用新型的微反应器，通过在中空管结构的所述内芯的内表面也设置有内螺纹结构的方式，能够增大换热介质与内心内壁之间的接触面积，有效提升其与内芯管外介质的换热面积，从而有效地提高微反应器的换热效率。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本实用新型的微反应器的实施例1的沿中心轴线方向的剖视图；

图2是图1中的I部分的放大结构示意图；

图3是本实用新型的微反应器的实施例2的沿中心轴线方向的剖视图；

图4(a)是实施例2的螺旋通道沿中心轴线方向截面为弧形形状的示意图；

图4(b)是实施例2的螺旋通道沿中心轴线方向截面为矩形形状的示意图；

图5是本实用新型的为反应器外壳外形形状为多个U形结构拼接而成的结构示意图；

图6是本实用新型的为反应器外壳外形形状为螺旋形管结构的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1—外壳，2—内芯，3—反应进口，4—反应出口，5—流通入口，6—流通出口，7—反应通道，8—换热通道。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-6所示，本实用新型提供一种微反应器，其包括外壳1和内芯2，所述外壳1具有中空内腔，所述内芯2设置于所述外壳1的所述中空内腔中、并在所述内芯2外壁与所述外壳1的内壁之间形成用于进行微反应的反应通道，其中所述反应通道为螺旋形状的螺旋通道。所述螺旋形状可以是规则的螺旋形状，例如是螺纹的形状或者螺旋线的形状，也可以是不规则的螺旋形状，例如是缠绕在方管上、带有棱状结构的螺旋形状。

本实用新型的微反应器，通过设置外壳和内芯、并将外壳和内芯之间设置成螺旋形状的反应通道，能够有效地增大反应介质的混合面积，并产生湍流效果，使其能够有效地混合均匀，使得反应更加均匀、充分和彻底，有效地提高了微反应器的反应效率。

优选地，在所述内芯2的外表面上设置有形成所述螺旋通道的第一螺旋形槽，和/或，在所述外壳1的内表面上设置有形成所述螺旋通道的第二螺旋形槽。这是本实用新型的微反应器形成螺旋通道的具体实现方式，通过要么在内芯外表面上开设第一螺旋形槽、要么在外壳内表面上开设第二螺旋形槽、要么在上述二者上同时开设上述的第一螺旋形槽和第二螺旋形槽，由第一螺旋形槽与第二螺旋形槽配合，能够通过螺旋形槽形成螺旋形状的反应通道，从而提高反应效率。

优选地，所述内芯2可以是圆形或方形的，并且可以是柱体或管状结构。

优选地，所述外壳1与所述内芯的形状相适配，可以是圆形或方形的管状结构。

优选地，所述内芯2外表面的所述第一螺旋形槽设为外螺纹，所述外壳1为光管结构，所述外螺纹与光管结构的所述外壳内壁间形成所述反应通道；

或者，所述外壳1的内表面的所述第二螺旋形槽设为内螺纹，所述内芯2为光轴结构，所述内螺纹与光轴结构的所述内芯2的外壁之间形成所述反应通道；

或者，所述外壳1的内表面的所述第二螺旋形槽设为内螺纹，所述内芯2外表面的所述第一螺旋形槽设为外螺纹，所述内螺纹与外螺纹之间形成所述反应通道7。

优选地，所述螺旋形槽的截面形状为弧形、正方形、长方形、梯形、三角形或者其他适用于加工和使用的形状，螺旋形槽的截面也可以是不规则形状。

这是本实用新型的微反应器的更加具体的几种优选形成螺旋形反应通道的实施方式，能够有效地在内芯的外螺纹与光管结构的外壳内壁之间、活塞在光管结构的内芯外壁与外壳的内螺纹之间、又或是在内芯的外螺纹和外壳的内螺纹之间形成所需的螺旋形的反应通道，从而增加反应混合面积(比表面积)有效地提高反应器的反应效率。

优选地，所述外壳1与所述内芯2为同心设置的回转体结构，具有相同的回转中心线；

所述外螺纹沿所述回转中心线方向的截面形状为由多个弧形段或由多个矩形段组成的波浪形；

和/或，所述内螺纹沿所述回转中心线方向的截面形状为由多个弧形段或由多个矩形段组成的波浪形。

将外壳与内芯设置为同心的回转体结构，能够使得内芯与外壳之间的螺旋通道在不同位置处的通道面积尽可能地相等，使得流体分布均匀，提高了混合流体的混合均匀程度，从而提高微反应器的反应效率；同时将外螺纹和/或内螺纹设置为由多个弧形段或多个矩形段组成的波浪形，则是本实用新型微反应器的螺旋通道的具体成型方式和成型结构，是一种优选的结构和实施方式。

优选地，在所述外壳1和所述内芯2的一相同的端上形成所述反应通道的反应进口3，在另一相同的端上形成所述反应通道的反应出口4。通过在外壳和内芯的相同一端形成反应进口能使得反应流体从其进入、在另相同端形成反应出口能使得反应流体从其流出，为完成流体的活性流动提供了条件、使得反应流体能有效地进入螺旋通道中进行反应并能将反应完的流体进行有效地排出，完成反应的整个过程。

优选地，所述内芯2为具有内部空腔的中空管结构，所述内部空腔流通换热介质、构成换热通道8，所述中空管结构的一端形成换热介质的流通入口5、另一端形成换热介质的流通出口6。本实用新型的微反应器，通过将内芯也设置为具有内部空腔的中空管结构，并且在其空腔中流通换热介质，能够使得微反应器还能具有换热的功能和作用，能够使得反应产生的热用以加热换热介质，可用来进行制热或制取热水。

优选地，中空管结构的所述内芯2的内表面也设置有内螺纹结构。本实用新型的微反应器，通过在中空管结构的所述内芯的内表面也设置有内螺纹结构的方式，能够增大换热介质与内心内壁之间的接触面积，有效提升其与内芯管外介质的换热面积，从而有效地提高微反应器的换热效率。

优选地，所述外壳1和所述内芯2的管壁厚度均为0.1-20mm，内芯的外螺纹深度0.01mm-2mm(即反应通道)，内芯内径0.1-100mm，优选内芯内径0.1-20mm。这是本实用新型的微反应器的外壳和内芯的具体的结构参数值，能够从混合以及压力等方面考虑而使得混合效果更好和压力损失做到最小。

优选地，所述外壳和所述内芯由不锈钢、镍基合金、有色金属中的至少一种材质所制成。这是本实用新型的外壳和内芯的优选的制取材料，将其选择为不锈钢、镍基合金、有色金属中的至少一种，能够有效地防止被腐蚀、不影响物质反应的前提下，提高换热强度，提高换热效率。

优选地，所述不锈钢包括304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、双相钢、超级奥氏体不锈钢、超级双相不锈钢中的至少一种；

和/或，所述镍基合金包括哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍中的至少一种；

和/或，有色金属包括钛、钽、铌、锆中的至少一种。

这是本实用新型的不锈钢的优选组成方式、镍基合金的优选组成方式以及有色金属的优选组成方式。

如图5-6所示，优选地，所述外壳的外形结构为相互拼接的多个U形管或螺旋形管的结构。这是本实用新型的外壳外形的优选结构形状，当然还可包括其他的结构形式，不限于上述的具体结构。

下面介绍一下本实用新型的工作原理和优选实施例

本实用新型设计了微反应器，共有两种方案

实施例1，如图1-2所示：该微反应器主要包括：外壳1、内芯2、反应进口3、反应出口4。内芯表面上设计有螺纹，螺纹可以是外螺纹，或者同时具有内外螺纹，在外螺纹上设计有反应通道；外壳内表面设计有和内心外螺纹相配合的外壳内螺纹；将内芯和外壳装配在一起，内芯外螺纹与外壳内螺纹组成密封的反应通道。

实施例2，如图3-4(b)所示：该微反应器主要包括：外壳1、内芯2、反应进口3、反应出口4。内芯表面设计有内外螺纹，外壳为光管，外壳内表面与内芯外螺纹凸起密封配合，使内芯外螺纹凹陷部分为反应通道。

两种方案都可以根据需要选定反应器的长度，结构紧凑，占用空间少。并可以制备成各种形状。同时为了加强湍流效果可以在螺纹反应通道内设置凸起或者凹陷的螺纹线。

可以通过冷装或者旋转安装，进行将内芯安装到外壳中。根据上述原理，可以设计多层内芯套装在一个外壳内。

设计参数如下：

1、外壳和内芯管壁厚度0.1-20mm，内芯的外螺纹深度0.01mm-2mm，内径0.1-20mm；

2、换热系数K值为7000-25000W/(m²·k)；

3、通道材质：可以是金属材质不锈钢如304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、双相不锈钢、超级不锈钢等，镍基合金：哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍等，特殊的有色金属：钛、钽、铌、锆等。

(二)、有益效果

1.通过螺旋通道，不涉及到有直角等设计，不会存在流动盲区

2.产生湍流效果，提高混合效率

3.换热效率高，精确控制温度

4、结构简单，容易生产，便于安装

本微反应器采用螺旋管式结构，以水为换热介质，通过换热实验计算得到，微通道反应器的换热系数为7000-25000W/(m²·k)，是普通釜式反应器换热效率的100-200倍。通过实验数据对比可知，本形式的微通道反应器可将反应产生的热量及时带走，传统的夹套加热搅拌釜反应温度-20℃，收率为80％，该反应器能在25℃，下进行，收率高达98％。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种微反应器，其特征在于：包括外壳(1)和内芯(2)，所述外壳(1)具有中空内腔，所述内芯(2)设置于所述外壳(1)的所述中空内腔中、并在所述内芯(2)的外壁与所述外壳(1)的内壁之间形成用于进行微反应的反应通道(7)，其中所述反应通道(7)为螺旋形状的螺旋通道。

2.根据权利要求1所述的微反应器，其特征在于：在所述内芯(2)的外表面上设置有形成所述螺旋通道的第一螺旋形槽，和/或，在所述外壳(1)的内表面上设置有形成所述螺旋通道的第二螺旋形槽。

3.根据权利要求2所述的微反应器，其特征在于：所述内芯(2)外表面的所述第一螺旋形槽设为外螺纹，所述外壳(1)为光管结构，所述外螺纹与光管结构的所述外壳内壁间形成所述反应通道；

或者，所述外壳(1)的内表面的所述第二螺旋形槽设为内螺纹，所述内芯(2)为光轴结构，所述内螺纹与光轴结构的所述内芯(2)的外壁之间形成所述反应通道；

或者，所述外壳(1)的内表面的所述第二螺旋形槽设为内螺纹，所述内芯(2)外表面的所述第一螺旋形槽设为外螺纹，所述内螺纹与外螺纹之间形成所述反应通道。

4.根据权利要求2所述的微反应器，其特征在于：所述螺旋形槽的截面形状为弧形、正方形、长方形、梯形或三角形。

5.根据权利要求1-4之一所述的微反应器，其特征在于：在所述外壳(1)和所述内芯(2)的一相同的端上形成所述反应通道的反应进口(3)，在另一相同的端上形成所述反应通道的反应出口(4)。

6.根据权利要求1-4之一所述的微反应器，其特征在于：所述内芯(2)为具有内部空腔的中空管结构，所述内部空腔流通换热介质，所述中空管结构的一端形成换热介质的流通入口(5)、另一端形成换热介质的流通出口(6)。

7.根据权利要求6所述的微反应器，其特征在于：中空管结构的所述内芯(2)的内表面设置有扰流结构。

8.根据权利要求7所述的微反应器，其特征在于：所述扰流结构设为内螺纹。

9.根据权利要求3所述的微反应器，其特征在于：所述外壳(1)和所述内芯(2)的管壁厚度均为0.1-20mm，内芯的外螺纹深度为0.01mm-2mm，内芯的内径为0.1-100mm。

10.根据权利要求1-4、7-9之一所述的微反应器，其特征在于：所述外壳(1)和所述内芯(2)由不锈钢、镍基合金、有色金属中的至少一种材质所制成。

11.根据权利要求10所述的微反应器，其特征在于：所述不锈钢包括304不锈钢、316不锈钢、316L不锈钢、双相不锈钢、超级不锈钢中的至少一种；

和/或，所述镍基合金包括哈氏合金、蒙乃尔合金、因科镍中的至少一种；

和/或，有色金属包括钛、钽、铌、锆中的至少一种。