集成微反應(yīng)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種集成微反應(yīng)裝置，包括第一微通道換熱單元、位于第一微通道換熱單元下方的微反應(yīng)單元、位于微反應(yīng)單元下方的第二微通道換熱單元以及覆蓋于第一微通道換熱單元上下側(cè)和第二微通道換熱單元下側(cè)的可導(dǎo)熱基板，第一微通道換熱單元中，第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件相互交叉，工質(zhì)進(jìn)出口方向相對(duì)設(shè)置，微反應(yīng)單元中的微通道為多次曲折的形狀，且底部設(shè)置有肋片，同時(shí)微通道換熱單元中的微通道采用等離子刻蝕技術(shù)加工，微通道換熱單元和微反應(yīng)單元之間采用擴(kuò)散焊接的方法進(jìn)行連接，使得本實(shí)用新型提供的微反應(yīng)裝置不僅換熱效率高、反應(yīng)溫度能精確控制，而且制作簡單、容易放大、集成度高。
【專利說明】集成微反應(yīng)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微反應(yīng)領(lǐng)域，具體涉及一種集成微反應(yīng)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]微化工技術(shù)是順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展與高技術(shù)發(fā)展需要而產(chǎn)生的一種新技術(shù)，是二十一世紀(jì)化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的重要方向之一，主要研究時(shí)空特征尺度在數(shù)微米至數(shù)百微米以內(nèi)的微型設(shè)備和并行分布系統(tǒng)中的過程特征和規(guī)律。微反應(yīng)技術(shù)是微化工技術(shù)的核心，是一種全新的過程強(qiáng)化技術(shù)，許多反應(yīng)過程在微反應(yīng)器中變得更經(jīng)濟(jì)、更快速、更安全以及更環(huán)保。
[0003]根據(jù)化工領(lǐng)域廣泛接受的微系統(tǒng)(microsystem)定義,微反應(yīng)器(microreactor)是指通過微加工和精密加工技術(shù)制造的小型反應(yīng)系統(tǒng)，“微”表示工藝流體的通道在微米級(jí)另IJ，微反應(yīng)器內(nèi)流體的微通道尺寸在10到300微米之間。微反應(yīng)器狹窄的微通道增加了溫度梯度，再加上大的比表面積，大大強(qiáng)化了微反應(yīng)器的傳熱能力。
[0004]在微反應(yīng)器換熱方面，早期多借用實(shí)驗(yàn)室裝置所采用的油浴、水浴、烘箱或冷箱。這種方式影響微反應(yīng)器與系統(tǒng)元件的集成，而且不方便，因此集成換熱元件于一身成為微反應(yīng)器的發(fā)展趨勢(shì)。
[0005]美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家[BrianK H Y, et al.Angewandte Chemie Int.Ed., 34, 44(2005)5447-5451]公開了一種集成三種溫度區(qū)域于一體的娃基微反應(yīng)器,該反應(yīng)器通過外部加熱鋁塊和外部冷卻鋁塊的方式，對(duì)含微反應(yīng)通道的硅板進(jìn)行熱量交換，可以在同一微反應(yīng)通道基板上形成不同的溫度區(qū)域，但該微反應(yīng)器的鋁塊換熱單元不適用于微反應(yīng)器的進(jìn)一步封裝和放大。
[0006]由于微通道反應(yīng)器在傳熱方面的優(yōu)勢(shì)，使其經(jīng)常被應(yīng)用于放熱量或吸熱量較大場(chǎng)合，因此能夠?qū)崃考皶r(shí)導(dǎo)出，維持反應(yīng)溫度的穩(wěn)定是對(duì)微反應(yīng)器的重要要求之一。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型是為解決上述問題而進(jìn)行的，通過提供一種集微通道換熱器和微反應(yīng)器于一體的集成微反應(yīng)裝置，進(jìn)一步提高現(xiàn)有微反應(yīng)器的集成度以及封裝、放大程度。
[0008]本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案:
[0009]本實(shí)用新型提供了一種集成微反應(yīng)裝置，用于吸熱或放熱的液-液兩相混合反應(yīng)，其特征在于，包括:第一微通道換熱單元，用于填充工質(zhì)，包含上下放置且相通的包含多條流道的第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件，第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件的流道分別為不同方向的波浪形通道，第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件分別包含用于工質(zhì)流入以及流出所述第一微通道換熱單元的第一進(jìn)質(zhì)單元和第一出質(zhì)單元，第一進(jìn)質(zhì)單元和第一出質(zhì)單元分別位于第一微通道換熱單元的兩側(cè)；用于覆蓋第一微通道換熱單元上下兩側(cè)的基板；以及微反應(yīng)單元，位于第一微通道換熱單元下側(cè)基板的下方，用于進(jìn)行液-液兩相混合反應(yīng)，包含用于第一反應(yīng)流體和第二反應(yīng)流體混合以及反應(yīng)的微通道，微通道為多次曲折的形狀，微通道的前端具有讓第一反應(yīng)流體進(jìn)入的第一進(jìn)質(zhì)口和讓第二反應(yīng)流體進(jìn)入的第二進(jìn)質(zhì)口，微通道的后端具有反應(yīng)后流體流出微反應(yīng)單元的出質(zhì)口。
[0010]本實(shí)用新型提供的集成微反應(yīng)裝置，還可以具有這樣的特征，還包括:第二微通道換熱單元，位于微反應(yīng)單元的下方，包含上下放置且相通的第三微通道換熱組件以及第四微通道換熱組件，第三微通道換熱組件和第四微通道換熱組件分別包含用于工質(zhì)流入以及流出第二微通道換熱單元的第二進(jìn)質(zhì)單元和第二出質(zhì)單元，第二進(jìn)質(zhì)單元和第一出質(zhì)單元位于集成微反應(yīng)裝置的一側(cè)，第二出質(zhì)單元和第一進(jìn)質(zhì)單元位于集成微反應(yīng)的另一側(cè)。
[0011]本實(shí)用新型提供的集成微反應(yīng)裝置，還可以具有這樣的特征:其中，微反應(yīng)單元中的微通道為彎曲型，微通道中和出質(zhì)口連接的一段微通道膨大。
[0012]本實(shí)用新型提供的集成微反應(yīng)裝置，還可以具有這樣的特征:在微反應(yīng)單元中，微通道底部設(shè)有肋片。
[0013]實(shí)用新型作用與效果
[0014]根據(jù)本實(shí)用新型提供的集成微反應(yīng)裝置，包括第一微通道換熱單元、位于第一微通道換熱單元下方的微反應(yīng)單元、位于微反應(yīng)單元下方的第二微通道換熱單元以及覆蓋于第一微通道換熱單元上下側(cè)和第二微通道換熱單元下側(cè)的可導(dǎo)熱基板，由于第一微通道換熱單元中，包含不同方向的波浪形流道的第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件相互交叉，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的流道，且第一微通道換熱單元和第二微通道換熱單元工質(zhì)進(jìn)出口方向相對(duì)設(shè)置，使得本實(shí)用新型提供的微反應(yīng)裝置不僅換熱效率高而且可減少由于換熱長度引起的溫度損失，使反應(yīng)溫度更能精確控制，同時(shí)，微反應(yīng)單元中的微通道為多次曲折的形狀，且底部設(shè)置有肋片，使得本實(shí)用新型提供的微反應(yīng)裝置更利于反應(yīng)流體之間的充分混合和充分反應(yīng)，此外，在本實(shí)用新型提供的集成微反應(yīng)裝置中，微通道換熱單元中的微通道采用等離子刻蝕技術(shù)加工，微通道換熱單元和微反應(yīng)單元之間采用擴(kuò)散焊接的方法進(jìn)行連接，使得本實(shí)用新型提供的集成微反應(yīng)裝置既制作簡單、容易放大，又能降低傳熱熱阻，增加承壓能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型的集成微反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本實(shí)用新型的第一微通道換熱單元的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是本實(shí)用新型的第二微通道換熱單元的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4是本實(shí)用新型的第一微通道換熱組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5是本實(shí)用新型的第二微通道換熱組件的結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0020]圖6是本實(shí)用新型的微反應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖來說明本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0022]圖1是本實(shí)施例中集成微反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]如圖1所示，集成微反應(yīng)裝置100包括:第一微通道換熱單元1、可導(dǎo)熱基板2、微反應(yīng)單元3以及第二微通道換熱單元4，第一微通道換熱單元I和第二微通道換熱單元4的流道上下相通，基板2覆蓋在第一微通道換熱單元I的上下側(cè)以及第二微通道換熱單元4的下側(cè)(第一微通道換熱單元I上側(cè)的基板在圖1中未畫出)，微反應(yīng)單元3位于第一微通道換熱單元I和第二微通道換熱單元4之間，因微反應(yīng)單元3為上下側(cè)不相通的結(jié)構(gòu)，因此第二微通道換熱單元4的上側(cè)無需覆蓋基板2。
[0024]第一微通道換熱單元I包含上下放置且相通的第一微通道換熱組件11和第二微通道換熱組件12，第二微通道換熱單元4包含上下放置且相通的第三微通道換熱組件41和第四微通道換熱組件42。
[0025]圖2是本實(shí)施例的第一微通道換熱單元的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是本實(shí)施例的第二微通道換熱單元的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4是本實(shí)施例的第一微通道換熱組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5是本實(shí)施例的第二微通道換熱組件的結(jié)構(gòu)示意圖
[0029]如圖2至圖5所示，第一微通道換熱組件11和所述第二微通道換熱組件12的流道112和流道122分別為不同方向的波浪形通道，流道112的波谷和流道122的波峰相對(duì)，可相互交叉，形成第一微通道換熱單元I中錯(cuò)綜復(fù)雜的流道，增加了流道的換熱長度；第一微通道換熱組件11和第二微通道換熱組件12分別包含用于工質(zhì)流入以及流出第一微通道換熱單元I的第一進(jìn)質(zhì)單元111和第一出質(zhì)單元121，第一進(jìn)質(zhì)單元111和第一出質(zhì)單元121分別位于第一微通道換熱單元I的兩側(cè)。
[0030]第二微通道換熱單元4包含上下放置且相通的第三微通道換熱組件41以及第四微通道換熱組件42，第三微通道換熱組件41和第二微通道換熱組件12相同，第四微通道換熱組件42和第一微通道換熱組件11相同，二者流道的交叉方式也同第一微通道換熱組件11和第二微通道換熱組件12，第二微通道換熱單元4的第二進(jìn)質(zhì)口 411位于第三微通道換熱組件41上，第二出質(zhì)口 421位于第四微通道換熱組件42上，第二進(jìn)質(zhì)口 411和第一出質(zhì)口 121位于集成微反應(yīng)裝置100的一側(cè)，第二出質(zhì)口 421和第一進(jìn)質(zhì)口 111位于裝置的另一側(cè)。
[0031]圖6是本實(shí)施例的微反應(yīng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]如圖6所示,微反應(yīng)單元3包括位于微反應(yīng)單元3前端的讓第一反應(yīng)流體進(jìn)入的第一進(jìn)質(zhì)口 31、讓第二反應(yīng)流體進(jìn)入的第二進(jìn)質(zhì)口 32，位于中間的用于第一反應(yīng)流體和第二反應(yīng)流體混合以及反應(yīng)的微通道33，以及位于后端的讓反應(yīng)后流體流出的微反應(yīng)單元的出質(zhì)口 34。
[0033]微通道33為多次曲折的形狀，和出質(zhì)口 34連接的一段微通道331呈膨大狀，保證第一反應(yīng)流體和第二反應(yīng)流體在此反應(yīng)完全，此外微通道33的底部設(shè)有肋片，對(duì)反應(yīng)流體產(chǎn)生擾動(dòng)，促使兩種反應(yīng)流體混合均勻。
[0034]微反應(yīng)單元3中開始進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，第一反應(yīng)流體首先在第一進(jìn)質(zhì)口 31中通入，第二反應(yīng)流體從第二進(jìn)質(zhì)口 31中通入，兩種反應(yīng)流體在微通道33中的行進(jìn)過程中，邊混合邊發(fā)生反應(yīng)，待進(jìn)入微通道331后，由于微通道331的膨大，反應(yīng)流體的流動(dòng)速度迅速降低，第一反應(yīng)流體和第二反應(yīng)流體得以在此完全反應(yīng)，而后反應(yīng)后流體從出質(zhì)口 34中流出。
[0035]由圖1至圖6，實(shí)際使用本實(shí)施例中的集成微反應(yīng)裝置100時(shí)，第一微通道換熱單元I和第二微通道換熱單元4中通有相同的工質(zhì)，工質(zhì)的類型依據(jù)微反應(yīng)單元3中反應(yīng)類型的變化而變化，當(dāng)微反應(yīng)單元3中進(jìn)行放熱反應(yīng)時(shí)，第一微通道換熱單元I和第二微通道換熱單元4通入冷流體進(jìn)行吸熱，當(dāng)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)時(shí)，微通道換熱單元中通入一定溫度的熱工質(zhì)進(jìn)行散熱，此外，還可根據(jù)反應(yīng)放熱或吸熱的劇烈程度，通過調(diào)節(jié)微通道換熱單元中工質(zhì)的流速，來達(dá)到反應(yīng)條件，控制反應(yīng)溫度。
[0036]根據(jù)實(shí)施情況，可采用多個(gè)集成微反應(yīng)裝置100同時(shí)工作，此時(shí)中間的微通道換熱單元?jiǎng)t同時(shí)為兩個(gè)微反應(yīng)單元3進(jìn)行換熱，但應(yīng)保證每一微通道反應(yīng)單元3上下兩側(cè)的微通道換熱單元中工質(zhì)相對(duì)流動(dòng)，如圖1中第二塊微反應(yīng)單元3的上側(cè)為第二微通道換熱單元4，其下側(cè)的微通道換熱單元?jiǎng)t和第一微通道換熱單元I相同。
[0037]本實(shí)施例中的集成微反應(yīng)裝置100中，第一微通道換熱單元1、基板2、微反應(yīng)單元3以及第二微通道換熱單元4之間，以及微通道換熱組件之間均采用擴(kuò)散焊接的方法進(jìn)行連接，微通道換熱組件的微通道采用等離子刻蝕技術(shù)進(jìn)行加工。
[0038]本實(shí)施例中的微通道內(nèi)部的肋片不限形狀，依據(jù)加工的難易程度，可只在微通道33的底部設(shè)置肋片，甚至只在膨大的微通道331中設(shè)置肋片。
[0039]實(shí)施例作用與效果
[0040]根據(jù)本實(shí)施例提供的集成微反應(yīng)裝置，包括第一微通道換熱單元、位于第一微通道換熱單元下方的微反應(yīng)單元、位于微反應(yīng)單元下方的第二微通道換熱單元以及覆蓋于第一微通道換熱單元上下側(cè)和第二微通道換熱單元下側(cè)的可導(dǎo)熱基板，由于第一微通道換熱單元中，包含不同方向的波浪形流道的第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件相互交叉，形成錯(cuò)綜復(fù)雜的流道，且第一微通道換熱單元和第二微通道換熱單元工質(zhì)進(jìn)出口方向相對(duì)設(shè)置，使得本實(shí)施例提供的微反應(yīng)裝置不僅換熱效率高而且可減少由于換熱長度引起的溫度損失，使反應(yīng)溫度更能精確控制，同時(shí)，微反應(yīng)單元中的微通道為多次曲折的形狀，且底部設(shè)置有肋片，使得本實(shí)施例提供的微反應(yīng)裝置更利于反應(yīng)流體之間的充分混合和充分反應(yīng)，此外，在本實(shí)施例提供的集成微反應(yīng)裝置中，微通道換熱單元中的微通道采用等離子刻蝕技術(shù)加工，微通道換熱單元和微反應(yīng)單元之間采用擴(kuò)散焊接的方法進(jìn)行連接，使得本實(shí)施例提供的集成微反應(yīng)裝置既制作簡單、容易放大，又能降低傳熱熱阻，增加承壓能力。
[0041]本實(shí)用新型不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對(duì)本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所述的權(quán)利要求限定和確定的本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)用新型創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【權(quán)利要求】
1.一種集成微反應(yīng)裝置，用于吸熱或放熱的液-液兩相混合反應(yīng)，其特征在于，包括: 第一微通道換熱單元，用于填充工質(zhì)，包含上下放置且相通的包含多條流道的第一微通道換熱組件和第二微通道換熱組件，所述第一微通道換熱組件和所述第二微通道換熱組件的流道分別為不同方向的波浪形通道， 所述第一微通道換熱組件和所述第二微通道換熱組件分別包含用于工質(zhì)流入以及流出所述第一微通道換熱單元的第一進(jìn)質(zhì)單元和第一出質(zhì)單元，所述第一進(jìn)質(zhì)單元和所述第一出質(zhì)單元分別位于所述第一微通道換熱單元的兩側(cè)； 用于覆蓋所述第一微通道換熱單元上下兩側(cè)的基板；以及 微反應(yīng)單元，位于所述第一微通道換熱單元下側(cè)基板的下方，用于進(jìn)行液-液兩相混合反應(yīng)，包含用于第一反應(yīng)流體和第二反應(yīng)流體混合以及反應(yīng)的微通道，所述微通道為多次曲折的形狀，所述微通道的前端具有讓所述第一反應(yīng)流體進(jìn)入的第一進(jìn)質(zhì)口和讓所述第二反應(yīng)流體進(jìn)入的第二進(jìn)質(zhì)口，所述微通道的后端具有反應(yīng)后流體流出所述微反應(yīng)單元的出質(zhì)口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成微反應(yīng)裝置，其特征在于，還包括: 第二微通道換熱單元，位于所述微反應(yīng)單元的下方，包含上下放置且相通的第三微通道換熱組件以及第四微通道換熱組件，所述第三微通道換熱組件和所述第四微通道換熱組件分別包含用于工質(zhì)流入以及流出所述第二微通道換熱單元的第二進(jìn)質(zhì)單元和第二出質(zhì)單元， 所述第二進(jìn)質(zhì)單元和所述第一出質(zhì)單元位于所述集成微反應(yīng)裝置的一側(cè)，所述第二出質(zhì)單元和所述第一進(jìn)質(zhì)單元位于所述集成微反應(yīng)的另一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成微反應(yīng)裝置，其特征在于: 其中，所述微反應(yīng)單元中的所述微通道為彎曲型，所述微通道中和所述出質(zhì)口連接的一段微通道膨大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成微反應(yīng)裝置，其特征在于: 其中，在所述微反應(yīng)單元中，所述微通道底部設(shè)有肋片。
【文檔編號(hào)】B01J14/00GK204107488SQ201420487925
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】崔曉鈺, 韓曉晨, 張昊, 梁晴晴 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué), 上海翔港印務(wù)有限公司