[0001] 本发明涉及微化工技术领域，特别是涉及一种微反应器。

[0002] 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或物质混合的微型装置。微反应器的“微”表示工艺流体的通道一般在微米级别，目前也有达到毫米级别的方案。

[0003] 微反应器具有体积小、比表面积大、反应效率高、控制精确等特点，对于包含剧烈放热反应、有中间物或产物不稳定的反应、配比要求严格的快速反应、高温高压等条件的应用来说有着广阔的应用前景，有望成为化工产业高效、安全的革命性技术。

[0004] 由于微反应器的尺度小、多处于层流状态以及界面作用显著等特点，其流动与传递特性与常规反应器差别很大，设计理念也有所区别。目前，微反应器主要采用静态混合两种方式，其中不依靠外界动力，仅利用通道结构设计及流体流动性质的控制完成反应物混合，具有稳定、简便、适用范围广等特点。

[0005] 图1显示了一种现有的微反应器100。这种微反应器包括多个依次连接的混合单元。各个混合单元均具有整体为圆弧形的外轮廓101，尤其是其侧部为完整的弧形轮廓，且在该外轮廓的相反两端分别形成入口和出口。单个混合单元的出口102形成弧形的缩颈，使得该出口的截面沿流体流动方向逐渐减小。另外，单个混合单元的出口完全嵌设或埋设在后续紧邻的混合单元的入口内，以使得两个混合单元紧密连接且轮廓具有一定的重合部分。另外，在单个混合单元内还设置有弧形的第一阻挡部103和圆形的第二阻挡部104，该第二阻挡部104相对于第一阻挡部103更加靠近混合单元的出口。由此，流体在经前一混合单元的出口102进入到后续紧邻的混合单元内时，会冲击在第一阻挡部103上，再流向两侧分流，最后流向该混合单元的出口。第二阻挡部104在其上游处形成“滞留区”，以使流体中的沉淀物不会继续向下游流动。

[0006] 在该微反应器中，流体容易在第一阻挡部103的内侧形成涡流，从而会延长流体的停留时间。这会使得流体通过微反应器100的压降非常大。另外，如图1所示，第一阻挡部103外侧与外轮廓101之间的距离是沿流体流动方向逐渐变大的。因此，流体会在此处逐渐发散。这会导致流体难以充分混合。

[0007] 图2显示了另一种现有的微反应器200。该微反应器包括多个依次连接的混合单元。各个混合单元的外轮廓201仅在上游末端具有弧形轮廓，且该弧形轮廓并未延伸向侧部。外轮廓201的侧部由两端折线形成。在外轮廓201的相反两端分别形成入口和出口。单个混合单元的出口202为截面恒定的直通道。另外，在单个混合单元内还设置有折线形的第一阻挡部203和圆形的第二阻挡部204。该第二阻挡部204相对于第一阻挡部203更加靠近混合单元的出口。由此，流体在经前一混合单元的出口202进入到后续紧邻的混合单元内时，会冲击在第一阻挡部203上，再流向两侧分流，最后流向该混合单元的出口。

[0008] 在该微反应器中，外轮廓201的折线形的侧部轮廓使得流体的能量损失较大，压降增加。另外，这还会导致第一阻挡部103后侧的无效混合区域增加，导致撞击效果变差，混合效率降低。

[0009] 另外，对于上述两种微反应器来说，混合单元的出口102、202的结构都会导致流体在冲击第一阻挡部103、203之后具有一定的“原路返回”的趋势。这对于混合效率来说是不利的，并且会增大压降。

[0010] 针对图2中的微反应器在液液混合条件下进行实验。从入口处以0.3m/s的速度输送水和异辛醇。图3和图4分别显示了图2中的微反应器的混合情况和压力情况。从图3中可以看出，该微反应器需流体经过至少8个混合单元才能实现流体间的有效混合。这里的有效混合定义为混合单元内的腔体左右两侧的浓度差小于0.5％。从图4中可以看出，流体在微反应器内经过8个混合单元至有效混合时的压降约为8680帕。

[0011] 类似地，针对图2中的微反应器在气液混合条件下进行实验。从入口处以0.3m/s的速度输送水和空气。实验结果为，该微反应器需流体经过至少6个混合单元才能实现流体间的有效混合，并且压降约为2.3千帕。

[0012] 另外，针对图2中的微反应器进行醇胺吸收二氧化碳的效率的实验。实验过程为，在低温条件利用醇胺吸收二氧化碳，然后加热使二氧化碳从化学溶剂中释放出来。具体来说，使体积分数为12％的二氧化碳混合气体与30wt.％浓度的二乙醇胺溶液在8MPa条件下分别通过第一进入支路301和第二进入支路302进入微反应器300，其中气体进料为5‑10Nm3/h，液相进料为50‑80L/h。结果表明，二氧化碳吸收率最高不超过92％。

[0038] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。

[0039] 在本发明中，“纵向”指的是流体大体上流动的方向，例如在图6中应理解为纸面内的上下延伸方向。相应地，“横向”指的是垂直于该“纵向”的方向，例如在图6中应理解为纸面内的左右延伸方向。

[0040] 在本发明中，“上游”指的是提供流体的一侧，而“下游”与之相反地指的是流体流向的一侧。

[0041] 图5显示了本发明的微反应器300的一个实施例。该微反应器300包括多个沿纵向方向依次连接的混合单元310。在图5中显示了20个混合单元310的实施例。然而，应当理解的是，根据需要也可设置更多或更少个混合单元310。该微反应器300还包括连接在依次连接的混合单元中第一个混合单元的上游处的流体进入通道304。该流体进入通道304与第一进入支路301和第二进入支路302分别连通。流体可经第一进入支路301和第二进入支路302进入到流体进入通道304内，并由此进入到混合单元310中实现混合。这里的流体可以是气体、流体，或任何其他适当的流动性介质。微反应器300还包括连接在依次连接的混合单元中最后一个混合单元的下游出的流体输出通道303，用于将在微反应器300中混合(甚至反应)后的流体输送出去，以便于进行进一步的处理或使用等。

[0042] 图6显示了图5中的微反应器300的局部放大图。如图6所示，混合单元310形成为平面式混合单元，包括扁平形式的外壳体。该外壳体构造为沿纵向轴线轴对称式布置，并由此包括相对设置的两个侧部轮廓，即第一侧部轮廓和第二侧部轮廓。各个侧部轮廓均包括圆弧形的上游段312和直线型的下游段313。直线型的下游段313与圆弧形的上游段312平滑连接。两个相对布置的上游段312可构造为在朝向下游的方向上相对倾斜，从而使得外壳体能形成大体上呈倒心型的形状。在外壳体内包围形成流动腔。

[0043] 还如图6所示，在外壳体的纵向相反两端处分别设置有入口部和出口部。入口部和出口部均与流动腔相连通。另外，入口部可形成为沿纵向朝向下游逐渐扩张的扩张通道314。该扩张通道314的轮廓为直线型轮廓。由此，流体可以经扩张通道314以发散的形式进入到流动腔内。出口部可形成为连接在前一混合单元的流动腔与后一混合单元的入口部的扩张通道314之间的缩颈315。由此，使得各个混合单元310整体形成类似“黑桃”的形状。

[0044] 如图6所示，混合单元310还包括设置在流动腔内的第一阻挡部311。应当理解的是，第一阻挡部311可由实心的挡块形成，也可如图5所示由外壳体的贯通镂空形成，只要其能阻碍流体由此流过即可。

[0045] 第一阻挡部311包括在流动腔内横向居中地布置的中部段311B。中部段311B横向地延伸而与入口部的扩张通道314正对，并呈直线型结构。第一阻挡部311还包括连接在中部段两端的直线型的边缘段311A和311C。边缘段311A和311C的自由端均相对于中部段311B更加朝向上游倾斜，使得在边缘段311A和311C与中部段311B之间形成折角。优选地，两个边缘段311A和311C之间的夹角不小于50°。

[0046] 另外，还如图6所示，直线型的下游段313可与上述边缘段311A和311C平行布置，以在它们之间形成截面恒定的前进通道。前进通道是对称布置的，其中第一前进通道317限定在第一侧部轮廓与第一阻挡部311之间，第二前进通道318限定在第二侧部轮廓与第一阻挡部311之间。另外，边缘段311A和311C与相应的下游段313在上游端处对齐。边缘段311A和311C与外壳体的圆弧形的上游端312之间的距离也使得它们之间形成的逆流通道的截面保持相对恒定。这使得流体流过逆流通道和前进通道时能保持相对集中，从而能为下游的流体混合提供较好的基础，使流体混合时的冲击更加强烈，进而提高流体之间的混合效率。另外，逆流通道设计得相对较多，这使得不容易在此处形成“死区”，或所形成的“死区”的面积相对较小。

[0047] 上述中部段311B的纵向尺寸不超过上述扩张通道314的最大截面尺寸的2倍。另外，边缘段311A和311C沿朝向自由端的方向逐渐变窄。该第一阻挡部311整体的纵向长度占整个流动腔的纵向长度的1/3至1/2。在该第一阻挡部311的下游至出口部之间可以不再设置现有方案中的设置在第一阻挡部的正对下游处的所谓“第二阻挡部”。也就是说，在第一阻挡部311的下游、出口部的缩颈315的上游之间的整个区域内形成混合区域319。由于第一阻挡部311占整个流动腔的纵向长度较大，因此下游段313与第一阻挡部311对流体的引导作用更强，流动腔(尤其是混合区域)内的“死区”更少。这能够提高微反应器300的持液量和通量。

[0048] 另外，在上述在第一前进通道和所述第二前进通道的下游末端处，所述微反应器还设置有从所述第一侧部轮廓(其下游段)和第二侧部轮廓(其下游段)相对于彼此凸出延伸但间隔开的辅助导流部316。辅助导流部316构造为促使第一前进通道317和第二前进通道318内的流体彼此相对地流入混合区域319并彼此冲击。在这里优选的是，第一前进通道317和第二前进通道318内的流体能经辅助导流部316的作用而改变流动方向，并使得它们的主运动方向之间的夹角超过90°。这有利于加剧流体之间的冲击和混合，并能有效地减小上述混合区域319中的“死区”，或者说“低流速部分”。另外，通过辅助导流部316的设置还有利于使需要混合、反应的不同流体在混合区域319中停留的时间更加接近。对于需要进行反应的过程来说，混合区域增加和混合时间的接近有利于提高反应过程的均匀性和可控性。
一方面这有利于提高混合效率。另一方面，这还能使反应的产物更加稳定，并使得副产物减少。

[0049] 尽管图5和图6仅显示了每个混合单元310设置一对辅助导流部316的情况，然而应当理解的是，根据需要也可设置更多对的辅助导流部。辅助导流部316的朝向第一前进通道317和第二前进通道318的表面可以构造为平面的或弧形的，以根据需要来改变流体的方向。

[0050] 单个辅助导流部316的横向尺寸不超过第一阻挡部311的横向尺寸。优选地，一对辅助导流部316的总的横向尺寸不超过第一阻挡部311的横向尺寸。这有利于提高第一阻挡部311下游的混合区域319的利用率，进一步减小“死区”，从而有利于提高混合效率。

[0051] 上述混合单元310的整体横向尺寸可以在100微米至2厘米之间，整体厚度可以在100微米至2毫米之间。流体进入通道304的截面尺寸以及各个入口部的扩张通道314的最大截面尺寸可以在100微米至2毫米之间，优选地在100微米至500微米之间。上述缩颈315最细的部分的截面尺寸不小于流体进入通道304的尺寸的1/4。上述尺寸设计有利于在提高混合效率与降低压降之间实现相对平衡的调节。经上述设计，微处理器300的传递面积(比表面
2 3
积)最高可达到约60000m/m。

[0052] 上述微反应器300即可用作为反应器，也可用作为混合器，同时还可与换热单元、收集单元或其他反应/混合单元等相结合以实现成套功能。应当理解的是，除上述微反应器300之外，为了实现流体的混合与反应，还可以设置另外的泵、管路、流量计、阀门、控制系统等器件或设备。该微反应器300对于单相体系、气液体系和液液体系等均可使用，并且对于低固含率及故乡尺寸较小的含固多相体系也可使用。另外，本发明的微反应器300适用的化学反应包括氧化，过氧化，还原，加成，置换，，取代，聚合，硝化，环氧化，烷基化，加氢，脱氢；
有机金属反应，羰基化，烷氧基化，卤化，脱卤化，羧化，芳基化，偶联，缩合，脱水，醇解，水解，氨解，醚化，酮化，皂化，异构化，重氮化，偶氮化，以及酶催化反应等。

[0053] 对于本发明的微反应器300来说，当流体经前一混合单元的出口部的缩颈315、经过入口部的扩张通道314再进入到流动腔内时，可使流体高速冲击第一阻挡部311。由于第一阻挡部311是折线型的，并且流体的流动形式是分散的，所以流体能横向地迅速改变方向而流向上述逆流通道。第一阻挡部311上游的区域内，可以形成高湍动、高速差的流动状态，从而促进了流体之间的混合。同时，流体也不会“原路返回”，或者说绝大部分流体不会“原路范围”。这能避免“返混”，并能使流体的停留时间保持相对恒定，由此导致流体的流动过程更加可控，有助于精确地控制和强化混合和反应进程。

[0054] 另外，在流体于逆流通道中绕过第一阻挡部311的边缘段311A和311C时，流体大体上沿弧形的轨迹运动，并能在边缘段311A和311C处夹具局部扰动而进一步增强混合效果。随后，两股流体经直线型的前进通道，在离开前进通道之后，相对进入到混合区域319内，并由此剧烈地冲击、混合到一起。混合后的流体可经缩颈315离开该混合单元并经后一混合单元的入口部的扩张通道再进入下一个混合单元进行进一步的混合。这种结构提高了局部流速、剪切速率及湍动程度，同时缩小了传质距离，进一步强化了混合和/或反应过程。

[0055] 下面将通过多个实施例来对本发明的微反应器300的有益效果进行进一步体现。

[0056] 实施例1

[0057] 采用含有荧光染料的体系对本发明的微反应器300的混合效率进行实验。通过测定并计算出口的混合因子，可以衡量混合效率。具体的计算公式为：

[0058]

[0059] 其中，ψ表示混合因子，SDAIOD为目标物出口浓度的相对标准差，SDAIOD，0为混合之前的浓度相对标准差。该混合因子ψ越接近0代表混合效果越差，越接近1代表混合效果越好。

[0060] 将番红水溶液和水分别通过第一进入支路301和第二进入支路302通入本发明的微反应器300，进入第一进入支路301和第二进入支路302流速均为20L/min。经测定，出口测定的混合因子ψ为0.9(图2的现有微反应器200的混合因子约为0.6)，压降约为0.1MPa。这表明本发明的微反应器300能够实现较好的流体混合，且不会造成过大的压降。

[0061] 实施例2

[0062] 针对微反应器300进行了液液混合效率实验。微反应器300整体如图5所示，由不锈钢基面板通过精雕机加工形成微通道，深度约为500微米。分别向第一进入支路301和第二进入支路302内通入水和异辛醇，采用精密注射泵实现进料，将进入流速控制为约0.3m/s。流体进入通道304的截面尺寸为550微米。混合单元310的最大横向尺寸约为3.5毫米，纵向尺寸(不包含入口部和出口部)约为2.5毫米。入口部的扩张通道314正对流动腔内的第一阻挡部311。第一阻挡部311的中部段311B的纵向尺寸约为200微米，横向尺寸约为1毫米。第一阻挡部311的边缘段311A和311B的长度均约为800微米，宽度由200微米减缩至100微米。外壳体的圆弧形的上游端312与边缘段311A和311B所形成的逆流通道的逆向流动的距离为
150微米(与现有技术中心的逆向流动距离相比明显更小，以减少无效混合区域)。设置了一对辅助导流件316，单个辅助导流件316的横向尺寸为450微米，纵向尺寸为200微米。出口部的缩颈315的最小截面尺寸为200微米。

[0063] 采用上述微反应器300进行液液混合实验，其实验条件与针对图2至4所示的现有微反应器的实验条件相同。图7至9显示了相应的实验结果。如图7所示，微反应器300的液液混合过程的速度矢量分布逐渐对称且均匀，并且在混合腔的强烈冲击混合之前，流体流动的矢量箭头的平行度、一致度较高。这说明在微反应器300的混合单元310中，速度矢量分布是高度可控的。这有利于对混合效果进行准确预期和控制。如图8所示，微反应器300可使流体经4个混合单元后就实现有效混合。图9显示了流体经过4个混合单元至有效混合的压降约为8520帕。

[0064] 经实验可以证明，本发明的微反应器300采用更少的混合单元310即可实现流体的有效混合。也就是说，与图2的现有微反应器200相比，本发明的微反应器300能在保持低压降、大通量的情况下大幅提高混合效率，缩短混合时间，并由此能减少所需的混合单元的数量，使微反应器可具有更小的体积。

[0065] 实施例3

[0066] 采用与实施例2相同的微反应器300进行氯甲烷和水杨酸的混合反应。实验由氯甲烷加25％水杨酸在22MPa、350K的条件下进行。结果表明，所需的反应时间约为230s，收率达99％，相比于需要10h反应时间的传统方法提高了1％收率。并且，微反应器300在实验过程中明显表现出了操作简单、成本低及所需空间大幅缩小等优势。

[0067] 实施例4

[0068] 针对微反应器300进行了气液混合效率实验。微反应器300整体如图5所示，整体厚度(深度)约为500微米。流动腔的最大横向尺寸(宽度)约为4毫米，纵向尺寸(不包含入口部和出口部)约为3毫米。入口部的扩张通道314正对流动腔内的第一阻挡部311。第一阻挡部311的中部段311B的纵向尺寸约为250微米，横向尺寸约为1.2毫米。第一阻挡部311的边缘段311A和311B的长度均约为1毫米，宽度由250微米减缩至150微米。外壳体的圆弧形的上游端312与边缘段311A和311B所形成的逆流通道的逆向流动的距离为200微米(与现有技术中心的逆向流动距离相比明显更小，以减少无效混合区域)。设置了一对辅助导流件316，单个辅助导流件316的横向尺寸为450微米，纵向尺寸为200微米。出口部的缩颈315的最小截面尺寸为250微米。

[0069] 采用上述微反应器300进行气液混合实验。第一进入支路301和第二进入支路302‑4分别输送去离子水和空气，操作温度为298K，粘度为8.9×10 Pa·s，表面张力系数0.07N·m‑1，进入流速均为0.3m/s。结果表明，对于气液混合来说，微反应器300可使流体经4个混合单元后就实现有效混合，且流体经过4个混合单元至有效混合时的压降约为2.5千帕。如图
10所示，辅助导流部316可有效改变流体的朱运动方向，调整冲击角度，能够有效提高混合效率。

[0070] 与图2中的现有微反应器的气液混合实验结果相比，微反应器300能在保持低压降、大通量的情况下大幅提高混合效率，在混合时间和所需的混合单元数量、整体体积等方面均具有优势。

[0071] 实施例5

[0072] 针对本发明的微反应器300进行硝化反应效率实验。反应器由不锈钢制成，外层设置换热器来实现热传导液的闭路循环流动，以实现混合和传热的集成。

[0073] 现有一般的制备硝酸异辛酯工艺是向配制好的硫酸、硝酸混和酸中滴加异辛醇进行硝化反应，再经酸洗、碱洗和水洗精制得到成品。由于该反应是强放热反应，为避免热失控风险，传统釜式反应器进料速度非常缓慢，反应过程需要1小时以上。

[0074] 采用微反应器300进行反应来制备硝酸异辛酯。不仅可以强化混合及反应速率，还能显著提高移热速率，提高工艺安全性。图11对实验中的液体流动路径进行了显示，其表明了微反应器300能使实验过程中的液相分布均匀可控，且传递效率高。这导致微反应器300不仅能缩短反应停留时间，还能通过控制反应条件来实现反应物的高效定向转化。例如，在二硝基氯苯为目标物的反应过程可以实现产物中二硝产物占比超过99％。

[0075] 实施例6

[0076] 针对微反应器300进行醇胺吸收二氧化碳的效率的实验。微反应器300的结构与实施例4中的相同。

[0077] 实验过程为，在低温条件利用醇胺吸收二氧化碳，然后加热使二氧化碳从化学溶剂中释放出来。具体来说，使体积分数为12％的二氧化碳混合气体与30wt.％浓度的二乙醇胺溶液在8MPa条件下分别通过第一进入支路301和第二进入支路302进入微反应器300，其3
中气体进料为5‑10Nm/h，液相进料为50‑80L/h。

[0078] 结果表明，在高液气比条件下，二氧化碳吸收率超过95％，具有显著的吸收效果。相应地，微反应器300具有吸收速度快、吸收能力高、回收二氧化碳纯度高等优点。

[0079] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。