[发明专利]集成式微流体反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种微型化工过程机械领域，尤其是一种或几种微流体介质间进行传热、混合传质和发生化学反应的微型化学反应器，具体地说是一种集混合、反应与抑制反应为一体的多温度区控制的集成式微流体反应器。

背景技术

21世纪由于环境恶化以及能源枯竭等一系列问题，使化学工业面临前所未有的挑战。90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势，提出了一个新的设计工程理念，即设备的微型化。由于在微尺度下反应的转化率、选择性明显提高，传热系数和传质性能得到极大的加强，因此微化工设备与过程被公认为化学工程学科发展的心的重要方向之一。微型化工设备简单、无放大效应、操作条件容易控制和内在安全等优点，引起了一些研究机构如MIT、杜邦、Merck、IMM和BASF相继投入了巨资进行开发和研究。

微反应器内流体的微通道尺寸在亚微米到亚毫米量级，与传统反应设备相比，其优点在于对质量和热量传递过程的强化以及流体流动方式的改进。在微反应器内，温度梯度随着线尺度的减小很快增加，传热推动力的显著增加，扩大了单位体积或单位面积的热扩散通量；此外，通过减小流体厚度，相应增加了面积体积比。因此通过精确的控制反应时间和反应温度，来控制反应的进程，提高原料的转化率，并且由于反应体积的减小，可最大限度的降低危险发生所产生的危害。

在微反应器换热方式方面，早期多借助于油浴、水浴、烘箱或冷箱等方式。这种方式影响微反应器与系统元件的集成与温度的精确控制，而且不利于在线监测。因此集成换热单元与原料的混合与反应成为微反应器的发展趋势。目前对于加热方式普遍集成电阻加热器，但是不利于集成冷却模块，更不利于在同一微反应器内实现多温度区的控制。

德国美茵兹微技术研究所(IMM)在第2届“微反应技术”国际会议(IMRET2)上公开了一种紧凑的集成换热式金属微反应器，但其结构特征的限制不利于变温操作。美国麻省理工学院(MIT)的科学家在Angewandte Chemie Int.Ed.2005，44，2-6中公开了一种集成三种温度区域于一体的硅基微化学反应器，该反应器通过外部加热铝块和外部冷却铝块的方式，在同一微反应通道基板上实现了局部高温区和局部低温区的控制。但是，该微反应器的铝块换热单元显然不适于进一步的封装，加之采用硅片作为板材，在高纯硅高价格的今天，在加工和封装的成本上受到了限制，不利于工业化生产。中国发明专利(申请号200610088398.4)公开了一种复合换热式微反应器，可实现多温度区的控制，但是在实际进行反应操作是仍然要对原料进行预混合，导致一部分微通道用于混合，而缩小了反应通道的利用。尤其对于一些在混合时不必进行反应的系统而言，受到了限制。中国发明专利(申请号200710048166.0)公开了一种复合式换热填充式微反应器，结构简单，易于加工，但是只能进行一种温度控制，对于变温情况问题无法得到解决，其应用受到了一定的限制。同时其采用烧结金属纤维和催化剂颗粒作为反应腔内部存在死区，当设备长期运行后出现转化率的下降和副产品的出现。中国发明专利(申请号200510012114.9)公开了一种多通道微结构反应器。该设备可以通过调节通道宽度和数量来扩大产量，设备处理量大，但是无换热装置，在涉及强放热或吸热反应时受到一定的限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有的微反应器存在的集成度小、加热和控温难度较大，所能进行的反应种类较少、以及加工难度大的问题，设计一种能同时具备换热器单元、快速混合单元和反应单元以及抑制反应单元的集成式微流体反应器。

本发明的技术方案是：