一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器。包括進(jìn)口蓋板，第一反應(yīng)板，第二反應(yīng)板和出口蓋板，第一反應(yīng)板和第二反應(yīng)板上加工有微通道陣列，交替疊置在相對放置的進(jìn)口蓋板和出口蓋板之間。反應(yīng)流體通過一個(gè)進(jìn)口流入微通道陣列，從兩個(gè)出口流出，提高了反應(yīng)流體在微通道陣列的流速分布均勻性，從而能有效提高微通道反應(yīng)器的反應(yīng)效率。同時(shí)，一個(gè)進(jìn)口兩個(gè)出口的分流結(jié)構(gòu)可以有效降低流體流過微通道反應(yīng)器的壓力損失。將多層的第一反應(yīng)板和第二反應(yīng)板層疊，可以擴(kuò)大反應(yīng)規(guī)模，提高反應(yīng)效率。與現(xiàn)有單進(jìn)口單出口的微通道反應(yīng)器相比，本實(shí)用新型提高了反應(yīng)均勻性，具有反應(yīng)效率高，和流體壓力損失低的特點(diǎn)。
【專利說明】一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種微流體器件，尤其是涉及用于微化學(xué)反應(yīng)的一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器。
技術(shù)背景
[0002]微通道反應(yīng)器是一種單元反應(yīng)界面尺度為微米級的微型化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，與常規(guī)宏觀反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器有以下優(yōu)勢:(I)較高的比表面積，因此傳熱、傳質(zhì)得到強(qiáng)化，有利于流體的快速均勻混合以及等溫操作；(2)反應(yīng)更加安全，傳遞過程的強(qiáng)化使反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)過程更容易控制；(3)獨(dú)特的流動特性，其流體流動通常為層流，具有較強(qiáng)的方向性、對稱性和有序性，有利于對過程進(jìn)行精確的理論描述和模擬；(4)催化劑的高通量篩選。近年來，隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，微通道反應(yīng)器得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已成為化學(xué)工程學(xué)科中一個(gè)新的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。
[0003]對一個(gè)特定的微通道反應(yīng)器，有兩個(gè)影響其性能的關(guān)鍵因素:(I)流體在微通道陣列之間的流速分布的均勻程度，(2)流體流過微通道反應(yīng)器的壓降損失。
[0004]流體在微通道陣列之間的流速分布的均勻程度直接影響到微通道反應(yīng)器的傳熱傳質(zhì)性能，均勻的流速分布有利于提高傳熱傳質(zhì)性能和反應(yīng)速率。目前大多數(shù)的微通道反應(yīng)器一般只有一個(gè)流體進(jìn)口、一個(gè)流體出口，例如中國發(fā)明專利(申請?zhí)?00580034708.8)公開了一種均勻加熱的微通道加熱器，流體從一個(gè)進(jìn)口流入和一個(gè)出口流出，均流腔為三角形形狀。這種微通道反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但是流體在微通道陣列的流速分布均勻度不高。為提高微通道的流速均布率，許多研究者對微通道反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。潘敏強(qiáng)等撰寫論文《非等寬微通道陣列速度均布的優(yōu)化設(shè)計(jì)》(化工學(xué)報(bào)[J] ,2007(09))研究了非等寬微通道的設(shè)計(jì)，以提高微通道陣列流速均布率。
[0005]此外，流體經(jīng)過微通道反應(yīng)器的壓降損失也是衡量一個(gè)微通道反應(yīng)器效率的重要因素。壓力降過大將直接影響流路系統(tǒng)的消耗功率，降低微通道反應(yīng)器的效率。中國發(fā)明專利(申請?zhí)?01210032698.6)公開了一種微通道換熱器的分流結(jié)構(gòu)，其使流入的流體分成若干股，最后依次分成需要的流體通道數(shù)量。該微通道換熱器有效解決了流體在微通道反應(yīng)器流動壓力降損失過大的問題，但是該微通道換熱器的分流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有的傳統(tǒng)微通道反應(yīng)器流速分布均勻度不高，其傳熱傳質(zhì)效率受到限制，此外流體壓力損失過大，需要較高的流路系統(tǒng)功率。因此，有必要設(shè)計(jì)一種流速分布均勻度高，流體壓力降較小，傳質(zhì)傳熱效率較高的微通道反應(yīng)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述【背景技術(shù)】的缺點(diǎn)和不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器，是一種流體分布均勻，流體壓降損失小的微通道反應(yīng)器。反應(yīng)流體通過一個(gè)進(jìn)口流入微通道陣列從兩個(gè)出口流出，提高了反應(yīng)流體在微通道陣列的流速分布均勻性，從而能有效提高微通道反應(yīng)器的反應(yīng)效率。[0008]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0009]本實(shí)用新型包括進(jìn)口蓋板,第一反應(yīng)板,第二反應(yīng)板及出口蓋板；第一反應(yīng)板和第二反應(yīng)板交替疊置在相對放置的進(jìn)口蓋板和出口蓋板之間。
[0010]所述的進(jìn)口蓋板上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口，進(jìn)口蓋板下面中間開有第反應(yīng)~二流體進(jìn)口 ；
[0011]所述的出口蓋板下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口和第二反應(yīng)流體出口，出口蓋板上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口和第四反應(yīng)流體出口。
[0012]所述的第一反應(yīng)板上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口，第一反應(yīng)板下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口和第二反應(yīng)流體出口，第一反應(yīng)板下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口，第一反應(yīng)板上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口和第四反應(yīng)流體出口；
[0013]所述的第一反應(yīng)板的一面開有與側(cè)面平行的微通道陣列，微通道陣列上部開有均流分布腔，第一反應(yīng)流體進(jìn)口位于均流分布腔內(nèi)，微通道陣列下部開有集流分布腔，第一反應(yīng)流體出口和第二反應(yīng)流體出口位于集流分布腔內(nèi)，第一反應(yīng)板的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
[0014]所述的第二反應(yīng)板上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口，第二反應(yīng)板下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口和第二反應(yīng)流體出口，第二反應(yīng)板下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口，第二反應(yīng)板上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口和第四反應(yīng)流體出口 ；
[0015]所述的第二反應(yīng)板的一面開有與側(cè)面平行的微通道陣列，微通道陣列上部開有集流分布腔，第三反應(yīng)流體出口和第四反應(yīng)流體出口位于集流分布腔內(nèi)，微通道陣列下部開有均流分布腔，第二反應(yīng)流體進(jìn)口位于均流分布腔內(nèi)，第二反應(yīng)板的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
[0016]所述的第一反應(yīng)板和第二反應(yīng)板的微通道陣列面朝向相同。
[0017]本實(shí)用新型具有的有益效果:
[0018](I)該微通道反應(yīng)器采用單進(jìn)口雙出口結(jié)構(gòu)，縮短了反應(yīng)流體進(jìn)口和反應(yīng)流體出口的距離，提高了流體在微通道陣列流速分布均勻率，從而提高了反應(yīng)器的傳熱傳質(zhì)性能，提聞反應(yīng)效率。
[0019](2)該微通道反應(yīng)器采用單進(jìn)口雙出口結(jié)構(gòu)，有利于降低流體經(jīng)過微通道反應(yīng)器的壓力損失，降低流路系統(tǒng)的消耗功率。
[0020](3)該微通道反應(yīng)器將多層的反應(yīng)板層疊，可以擴(kuò)大反應(yīng)規(guī)模，提高反應(yīng)效率。
[0021]本實(shí)用新型可應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)、熱交換和微混合場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型的爆炸圖；
[0023]圖2是本實(shí)用新型的進(jìn)口蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是本實(shí)用新型的第一反應(yīng)板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本實(shí)用新型的第二反應(yīng)板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是本實(shí)用新型的出口蓋板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖6是用于甲醇水蒸氣自熱重整制氫的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖中:1、進(jìn)口蓋板,2、第一反應(yīng)板,3、第二反應(yīng)板,4、出口蓋板。
【具體實(shí)施方式】[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0030]如圖1所示，本實(shí)用新型包括進(jìn)口蓋板I，多塊結(jié)構(gòu)相同的第一反應(yīng)板2，多塊結(jié)構(gòu)相同的第二反應(yīng)板3，第一反應(yīng)板2塊數(shù)與第二反應(yīng)板3塊數(shù)相同或不相同，出口蓋板4 ;相對放置的進(jìn)口蓋板I和出口蓋板4之間，交替疊置有多塊第一反應(yīng)板2和多塊第二反應(yīng)板3，第一反應(yīng)板2和第二反應(yīng)板3的微通道陣列面朝向相同。
[0031]如圖2所示，所述的進(jìn)口蓋板I上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口 1-1，進(jìn)口蓋板I下面中間開有第二反應(yīng)流體出口 1-2 ；
[0032]如圖5所示，所述的出口蓋板4下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口 4-1和第二反應(yīng)流體出口 4-2，出口蓋板4上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口 4-3和第四反應(yīng)流體出口 4-4。
[0033]如圖3所示，所述的第一反應(yīng)板2上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口 2-8，第一反應(yīng)板2下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口 2-1和第二反應(yīng)流體出口 2-2，第一反應(yīng)板2下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口 2-9，第一反應(yīng)板2上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口 2-3和第四反應(yīng)流體出口 2-4。
[0034]所述的第一反應(yīng)板2的一面開有與側(cè)面平行的微通道陣列2-5，微通道陣列2-5上部開有均流分布腔2-6，第一反應(yīng)流體進(jìn)口 2-8位于均流分布腔2-6內(nèi)，微通道陣列2-5下部開有集流分布腔2-7，第一反應(yīng)流體出口 2-1和第二反應(yīng)流體出口 2-2位于集流分布腔
2-7內(nèi)，第一反應(yīng)板2的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
[0035]如圖4所示，所述的第二反應(yīng)板3上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口 3-8，第二反應(yīng)板3下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口 3-1和第二反應(yīng)流體出口 3-2，第二反應(yīng)板3下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口 3-9，第二反應(yīng)板3上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口 3-3和第四反應(yīng)流體出口 3-4。
[0036]所述的第二反應(yīng)板3的一面開有與側(cè)面平行的微通道陣列3-5，微通道陣列3-5上部開有集流分布腔3-7，第三反應(yīng)流體出口 3-3和第四反應(yīng)流體出口 3-4位于集流分布腔
3-7內(nèi)，微通道陣列3-5下部開有均流分布腔3-6，第二反應(yīng)流體進(jìn)口3-9位于均流分布腔
3-6內(nèi)，第二反應(yīng)板3的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
[0037]實(shí)施例1:
[0038]圖6是用于甲醇水蒸氣自熱重整制氫的一個(gè)微通道反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。該微通道反應(yīng)器耦合了甲醇水蒸汽重整反應(yīng)和甲醇催化燃燒反應(yīng)，甲醇水蒸氣重整反應(yīng)所需的熱量由甲醇燃燒放出的熱量提供，主要包括進(jìn)口蓋板1、兩個(gè)第一反應(yīng)板2、一個(gè)第二反應(yīng)板3及出口蓋板4 ;其中:
[0039]進(jìn)口蓋板I是一矩形的不銹鋼板，上面中間加工有第一反應(yīng)流體進(jìn)口 1-1，進(jìn)口蓋板I下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口 1-2，第一反應(yīng)流體進(jìn)口 1-1通入甲醇和水蒸汽，為甲醇水蒸氣重整反應(yīng)的通道，第二反應(yīng)流體進(jìn)口 1-2通入甲醇和空氣，為甲醇催化燃燒反應(yīng)的通道；
[0040]出口蓋板4是一矩形的不銹鋼板，在下面兩側(cè)角上分別加工有第一反應(yīng)流體出口
4-1和第二反應(yīng)流體出口4-2，出口蓋板4上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口 4-3和第四反應(yīng)流體出口 4-4，第一反應(yīng)流體出口 4-1和第二反應(yīng)流體出口 4-2為甲醇水蒸氣重整反應(yīng)的產(chǎn)物出口，第三反應(yīng)流體出口 4-3和第四反應(yīng)流體出口 4-4為甲醇燃燒反應(yīng)的產(chǎn)物出口 ；
[0041]第一反應(yīng)板2是一塊厚為Imm的不銹鋼薄板,上面中間加工有第一反應(yīng)流體進(jìn)口2-8，第一反應(yīng)板2下面兩側(cè)角上分別加工有第一反應(yīng)流體出口 2-1和第二反應(yīng)流體出口2-2，第一反應(yīng)板2下面中間加工有第二反應(yīng)流體進(jìn)口 2-9，第一反應(yīng)板2上面兩側(cè)角上分別加工有第三反應(yīng)流體出口 2-3和第四反應(yīng)流體出口 2-4 ；
[0042]利用光化學(xué)刻蝕的工藝在第一反應(yīng)板2的一面加工有與側(cè)面平行的微通道陣列2-5作為催化劑的載體，微通道的寬度和深度均為0.5mm，其上負(fù)載有銅基催化劑Cu/ZnO/Al2O3，微通道陣列2-5上部銑有均流分布腔2-6，第一反應(yīng)流體進(jìn)口 2-8位于均流分布腔
2-6內(nèi)，微通道陣列2-5下部銑有集流分布腔2-6，第一反應(yīng)流體出口2-1和第二反應(yīng)流體出口 2-2位于集流分布腔2-6內(nèi)，第一反應(yīng)板2的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
[0043]第二反應(yīng)板3是一塊厚為Imm的不銹鋼薄板,上面中間加工有第一反應(yīng)流體進(jìn)口
3-8，第二反應(yīng)板3下面兩側(cè)角上分別加工有第一反應(yīng)流體出口3-1和第二反應(yīng)流體出口3-2，第二反應(yīng)板3下面中間加工有第二反應(yīng)流體進(jìn)口 3-9，第二反應(yīng)板3上面兩側(cè)角上分別加工有第三反應(yīng)流體出口 3-3和第四反應(yīng)流體出口 3-4 ；
[0044]利用光化學(xué)刻蝕的工藝在第二反應(yīng)板3的一面加工有與側(cè)面平行的微通道陣列3-5作為催化劑的載體，微通道的寬度和深度均為0.5mm，其上負(fù)載有鉬基催化劑Pt/Y -Al2O3,微通道陣列3-5上部銑有集流分布腔3-7，第三反應(yīng)流體出口 3-3和第四反應(yīng)流體出口 3-4位于集流分布腔3-7內(nèi)，微通道陣列3-5下部銑有均流分布腔3-6，第二反應(yīng)流體進(jìn)口 3-9位于均流分布腔3-6內(nèi)，第二反應(yīng)板3的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
[0045]進(jìn)口蓋板1、兩個(gè)第一反應(yīng)板2、一個(gè)第二反應(yīng)板3及出口蓋板4通過擴(kuò)散焊焊接密封。
[0046]本實(shí)用新型主要有兩條流路,分別對應(yīng)流體流入第一反應(yīng)板2和第二反應(yīng)板3:
[0047]流路一:向微通道反應(yīng)器的進(jìn)口蓋板I的第一反應(yīng)流體進(jìn)口 1-1通入流體，經(jīng)第一反應(yīng)板2的第一反應(yīng)流體進(jìn)口 2-8流入均流分布腔2-6并進(jìn)入微通道陣列2-5，經(jīng)集流分布腔2-7收集引導(dǎo)到第一反應(yīng)流體出口 2-1和第二反應(yīng)流體出口 2-2，并最終從出口蓋板4的第一反應(yīng)流體出口 4-1和第二反應(yīng)流體出口 4-2流出反應(yīng)器。
[0048]流路二:向微通道反應(yīng)器的進(jìn)口蓋板I的第二反應(yīng)流體進(jìn)口 1-2通入流體，經(jīng)第二反應(yīng)板3的第二反應(yīng)流體進(jìn)口 3-9流入均流分布腔3-6進(jìn)入微通道陣列3-5，經(jīng)集流分布腔3-7收集引導(dǎo)到第三反應(yīng)流體出口 3-3和第四反應(yīng)流體出口 3-4，并最終從出口蓋板4的第三反應(yīng)流體出口 4-3和第四反應(yīng)流體出口 4-4流出反應(yīng)器。
[0049]工作時(shí)，先將氮?dú)馔ㄈ肓髀范?，去除微通道陣?-5的空氣，接著，對微通道反應(yīng)器進(jìn)行預(yù)熱到120°C，將甲醇和空氣按一定比例通入流路二，在微通道陣列3-5進(jìn)行燃燒反應(yīng)，生成水、二氧化碳和少量的一氧化碳，并放出大量熱量，使微通道反應(yīng)器溫度達(dá)到250°C時(shí)，將N2/H2混合氣體通入流路一，對微通道陣列2-5的銅基催化劑進(jìn)行還原2小時(shí)，將甲醇和水蒸氣通入流路二在微通道陣列2-5進(jìn)行重整反應(yīng)，生成氫氣、二氧化碳和少量的一氧化碳、水，重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物的流量可以達(dá)到吸熱和放熱的平衡，實(shí)現(xiàn)兩種反應(yīng)的熱耦合，提高反應(yīng)效率。本微通道反應(yīng)器可以應(yīng)用于重整制氫，提高制氫效率。
[0050]實(shí)施例2:[0051]本實(shí)施例的微通道反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1基本一致，區(qū)別在于該實(shí)施例的微通道反應(yīng)器是用作換熱器。進(jìn)入微通道反應(yīng)器的兩種工質(zhì)流體分別是冷流體和熱流體，從一個(gè)進(jìn)口進(jìn)入，兩個(gè)出口流出，可以提高微通道陣列流速分布的均勻性，降低溫度梯度，提高換熱器的效率，分流結(jié)構(gòu)還有利于降低壓降。
【權(quán)利要求】
1.一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器，其特征在于:包括進(jìn)口蓋板(1)，第一反應(yīng)板(2),第二反應(yīng)板(3)及出口蓋板(4);第一反應(yīng)板和第二反應(yīng)板交替疊置在相對放置的進(jìn)口蓋板和出口蓋板之間； 所述的進(jìn)口蓋板(I)上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口(1-1)，進(jìn)口蓋板(I)下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口(1-2)； 所述的出口蓋板(4)下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口(4-1)和第二反應(yīng)流體出口(4-2)，出口蓋板(4)上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口(4-3)和第四反應(yīng)流體出口(4-4)； 所述的第一反應(yīng)板(2)上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口(2-8)，第一反應(yīng)板(2)下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口(2-1)和第二反應(yīng)流體出口(2-2)，第一反應(yīng)板(2)下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口(2-9)，第一反應(yīng)板(2)上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口(2-3)和第四反應(yīng)流體出口(2-4)； 所述的第一反應(yīng)板(2)的一面開有與側(cè)面平行的微通道陣列(2-5)，微通道陣列(2-5)上部開有均流分布腔(2-6)，第一反應(yīng)流體進(jìn)口(2-8)位于均流分布腔(2-6)內(nèi)，微通道陣列(2-5)下部開有集流分布腔(2-7)，第一反應(yīng)流體出口(2-1)和第二反應(yīng)流體出口(2-2)位于集流分布腔(2-7)內(nèi)，第一反應(yīng)板(2)的另一面為平面結(jié)構(gòu)； 所述的第二反應(yīng)板(3)上面中間開有第一反應(yīng)流體進(jìn)口(3-8)，第二反應(yīng)板(3)下面兩側(cè)角上分別開有第一反應(yīng)流體出口(3-1)和第二反應(yīng)流體出口(3-2)，第二反應(yīng)板(3)下面中間開有第二反應(yīng)流體進(jìn)口(3-9)，第二反應(yīng)板(3)上面兩側(cè)角上分別開有第三反應(yīng)流體出口(3-3)和第四反應(yīng)流體出口(3-4)； 所述的第二反應(yīng)板(3)的一面開有與側(cè)面平行的微通道陣列(3-5)，微通道陣列(3-5)上部開有集流分布腔(3-7 )，第三反應(yīng)流體出口( 3-3 )和第四反應(yīng)流體出口( 3-4)位于集流分布腔(3-7 )內(nèi)，微通道陣列(3-5 )下部開有均流分布腔(3-6 )，第二反應(yīng)流體進(jìn)口( 3-9 )位于均流分布腔(3-6)內(nèi)，第二反應(yīng)板(3)的另一面為平面結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通道流速均布的層疊型微通道反應(yīng)器，其特征在于:所述的第一反應(yīng)板(2)和第二反應(yīng)板(3)的微通道陣列面朝向相同。
【文檔編號】B01J19/00GK203540511SQ201320504838
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】梁靈威, 梅德慶, 錢淼, 婁心洋 申請人:浙江大學(xué)