一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器及其用途和气液烯烃氢甲酰化反应的方法

摘要

本发明提供一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器及其用途和气液烯烃氢甲酰化反应的方法。该微反应器设有微通道第一进出口、微通道第二进出口和微通道，所述微通道第一进出口经所述微通道与所述微通道第二进出口连通，所述微通道为基于分形谢尔宾斯基三角形的结构，可用于多相流体反应，如气液烯烃氢甲酰化反应。本发明采用基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微通道，可促进气液、气液液等多相反应介质的接触，强化多相传质效率，进一步提高反应效率。

说明书

技术领域

本发明涉及微反应器技术领域，特别是涉及一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器及其用途和气液烯烃氢甲酰化反应的方法。

背景技术

气液、液液、气液液多相反应是化学工业中广泛存在的反应过程，如加氢、氧化、氯化、氟化、吸收等。在这些反应体系中，反应物的混合、传质对整个反应进程有着非常大的影响。为此，开发高效的化工反应器很有必要。

微通道反应器具有比表面积大、扩散传递路径短、可控性强等优点，不仅能够显著加强传质和传热过程，还能提供清洁、安全的化工生产过程，因此，对于快速、强放热(或吸热)以及受传质限制的多相反应具有很大优势。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器及其用途和气液烯烃氢甲酰化反应的方法，促进气液、气液液等多相反应介质的接触，强化多相传质效率，进一步提高反应效率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器，所述微反应器设有微通道第一进出口、微通道第二进出口和微通道，所述微通道第一进出口经所述微通道与所述微通道第二进出口连通，所述微通道具有基于分形谢尔宾斯基三角形结构。

优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：

a1)所述微通道包括微通道第一进出流道、基于分形谢尔宾斯基三角形流道和微通道第二进出流道，所述微通道第一进出口与所述微通道第一进出流道连通，所述微通道第一进出流道与所述基于分形谢尔宾斯基三角形流道中三角形顶点汇合处连通，所述微通道第二进出流道与所述基于分形谢尔宾斯基三角形流道中三角形底边上的流道连通；

a2)所述微通道的深度为0.5～1mm；

a3)所述微通道的宽度为0.5～1mm。

更优选地，特征a1)中，还包括如下技术特征中的至少一项：

a11)所述基于分形谢尔宾斯基三角形流道包括所述基于分形谢尔宾斯基三角形流道中三角形底边之外的若干第一汇合处和设于所述基于分形谢尔宾斯基三角形流道中三角形底边的若干第二汇合处；

各第一汇合处连通形成若干第一分支流道，与三角形底边呈锐角或钝角；

a12)所述微通道第一进出流道的长度为8～12mm；

a13)所述微通道第二进出流道的长度为8～12mm。

进一步更优选地，特征a11)中，所述微通道还包括若干第二分支流道，与设于所述基于分形谢尔宾斯基三角形流道中三角形底边的若干第二汇合处连通，所述若干第二分支流道汇合后与所述微通道第二进出流道连通。

优选地，还包括如下技术特征中的至少一项：

b1)所述微反应器还包括微通道板、密封件和盖板，所述微通道板设有所述微通道和密封凹槽，所述密封凹槽环绕所述微通道设置，所述密封件设于所述密封凹槽内，所述盖板盖于所述微通道板上且与其连接；

b2)所述微反应器还设有控温单元。

更优选地，特征b1)中，所述微反应器还包括固定板，所述盖板设于所述固定板和所述微通道板之间。

进一步更优选地，所述固定板部分或全部盖于所述盖板上。

本发明第二方面提供上述基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器用于多相流体反应的用途。具体的，所述多相流体反应为气液烯烃氢甲酰化反应。所述微反应器用来进行气液烯烃氢甲酰化反应，但不排除其他化工、环境、医药等反应体系的应用。

本发明第三方面提供一种气液烯烃氢甲酰化反应的方法，其特征在于，所述气液烯烃氢甲酰化反应在上述基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器中进行。

如上所述，发明具有以下有益效果中的至少一项：

1)本发明采用基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微通道，可促进气液、气液液等多相反应介质的接触，强化多相传质效率，进一步提高反应效率。

2)本发明基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器可用于多相流体反应，可精准控制反应条件、保证反应安全性，提高反应效率。

附图说明

图1为0-2阶谢尔宾斯基三角形分形的结构示意图，以及基于2阶谢尔宾斯基三角形结构的微通道结构示意图。

(a)为0-2阶谢尔宾斯基三角形。

(b)为1阶谢尔宾斯基三角形。

(c)为2阶谢尔宾斯基三角形。

(d)为基于2阶谢尔宾斯基三角形结构的微通道结构示意图。

图2是本发明基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器中固定板的结构示意图。

图3是本发明基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器中微通道板、密封件和密封凹槽的结构示意图。

图4为本发明基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器的整体结构示意图。

附图标记

1                       微通道第一进出口

2                       微通道第二进出口

3                       微通道

31                      微通道第一进出流道

32                      基于分形谢尔宾斯基三角形流道

321                     第一汇合处

322                     第二汇合处

33                      微通道第二进出流道

34                      第二分支流道

4                       微通道板

5                       盖板

6                       密封凹槽

7                       固定板

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而非限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法及未说明配方的试剂均为按照常规条件或者制造商建议的条件进行或配置。

一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器，微反应器设有微通道第一进出口1、微通道第二进出口2和微通道3，微通道第一进出口1经微通道3与微通道第二进出口2连通，微通道3具有基于分形谢尔宾斯基三角形结构。

本发明提供一种具有高效的传质传热能力的反应设备，丰富现有的微通道反应器内部通道结构设计，本发明基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器易于制造、显著强化传质传热。分形图形中的谢尔宾斯基三角形，如图1所示，可以巧妙地应用于微反应器，达到增强传热传质的效果，可主要应用于能源化工、生物制药等领域，尤其适用于涉及气液、气液液等多相流体的反应场合。

在一具体的实施方式中，微通道3包括微通道第一进出流道31、基于分形谢尔宾斯基三角形流道32和微通道第二进出流道33，微通道第一进出口1与微通道第一进出流道31连通，微通道第一进出流道31与基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形顶点汇合处连通，微通道第二进出流道33与基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边上的流道连通。

在一具体的实施方式中，基于分形谢尔宾斯基三角形流道32包括基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边之外的若干第一汇合处321和设于基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边的若干第二汇合处322；

各第一汇合处321连通形成若干第一分支流道，与三角形底边呈锐角或钝角。

在一具体的实施方式中，微通道3还包括若干第二分支流道34，与设于基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边的若干第二汇合处322连通，若干第二分支流道34汇合后与微通道第二进出流道33连通。

在一具体的实施方式中，微通道第一进出流道31的长度为8～12mm，可以让流体流动充分发展。

在一具体的实施方式中，微通道第二进出流道33的长度为8～12mm，可以让流体流动充分发展。

在一具体的实施方式中，微通道3的深度为0.5～1mm，微反应器的加工精度和性能较好。

在一具体的实施方式中，微通道3的宽度为0.5～1mm，微反应器的加工精度和性能较好。

在一具体的实施方式中，微反应器还包括微通道板4、密封件和盖板5，微通道板4设有微通道3和密封凹槽6，密封凹槽6环绕微通道3设置，密封件设于密封凹槽6内，盖板5盖于微通道板4上且与其连接。微通道板4和盖板5的材料可以为聚四氟乙烯，微通道3可由机械刻蚀微通道板4而获得。密封凹槽6用于密封件的安装，即微通道板4和盖板5之间于密封凹槽6安装有密封件密封件用于密封。密封凹槽6的深可为1.5mm，宽为2mm。

在一具体的实施方式中，如图2所示，微反应器还包括固定板7，盖板5设于固定板7和微通道板4之间。固定板7的材料可以为不锈钢，盖板5被固定板7压紧。

在一具体的实施方式中，固定板7部分或全部盖于盖板5上。如图4所示，固定板7部分盖于盖板5上。

微通道板4可为5mm厚，并配有若干个螺纹开孔分布于四周，如12个Φ9的开孔。盖板5可为2mm厚，并配有若干个螺纹开孔分布于四周，如12个Φ9的开孔。固定板7可在四周开有若干个螺纹开孔，如12个3/8英制螺纹开孔，板厚可为5mm。整体微反应器的厚度可为12mm。

在一具体的实施方式中，微反应器还设有控温单元，可以为换热模块(如可设置在微通道板远盖板侧)、加热保温模块(如水浴单元或油浴单元等)。

如图3所示，一种基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器，作为一个具体的实施例，微通道板4的材料为聚四氟乙烯，微通道3可由机械刻蚀微通道板4而获得，反应器总体尺寸为120×120×5mm，微通道的深度为1mm，宽度为0.5mm。在微通道3周围一圈环绕设有有深1.5mm、宽2mm的密封凹槽6用于安装密封件。分别在固定板7、盖板5和微通道板4的相应位置开有螺纹孔，可通过螺丝经螺纹实现连接。

一种气液烯烃氢甲酰化反应的方法，气液烯烃氢甲酰化反应在上述基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器中进行。具体的，配置含有一定浓度的烯烃以及催化剂的混合反应物溶液与合成气从微通道第一进出口1进入上述基于分形谢尔宾斯基三角形结构的微反应器，进行反应，从微通道第二进出口2排出。

微反应器还可连接有进料系统、流量控制系统、温度控制系统、压力控制系统、气液分离器、尾气分析系统等。具体的，包括CO和H

实施例1

该实施例的微反应器，为基于2阶谢尔宾斯基三角形(最大三角形的边长为40mm)，如图3所示，设有微通道第一进出口1、微通道第二进出口2和微通道3，微通道第一进出口1经微通道3与微通道第二进出口2连通，微通道3具有基于分形谢尔宾斯基三角形结构，微通道3包括微通道第一进出流道31、基于分形谢尔宾斯基三角形流道32、微通道第二进出流道33和5个第二分支流道34，微通道第一进出口1与微通道第一进出流道31连通，微通道第一进出流道31与基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形顶点汇合处连通，基于分形谢尔宾斯基三角形流道32包括基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边之外的多个第一汇合处321和设于基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边的多个第二汇合处322；各第一汇合处321连通形成若干第一分支流道，与三角形底边呈锐角或钝角；第二分支流道34与设于基于分形谢尔宾斯基三角形流道32中三角形底边的多个第二汇合处322连通，5个第二分支流道34汇合后与微通道第二进出流道33连通。微通道第一进出流道31的长度为10mm；微通道第二进出流道33的长度为10mm；微通道3的深度为0.5mm；微通道3的宽度为0.5mm；微反应器还包括微通道板4、密封件和盖板5，微通道板4设有微通道3和密封凹槽6，密封凹槽6环绕微通道3设置，密封件设于密封凹槽6内，盖板5盖于微通道板4上且与其连接；微反应器还包括固定板7，盖板5设于固定板7和微通道板4之间；固定板7部分盖于盖板5上。

以该实施例的微反应器(如图3所示)进行烯烃氢甲酰化反应，持液量8mL。采用H

实施例2

采用实施例1的微反应器进行烯烃氢甲酰化反应，持液量8mL。采用H

对比例1

作为实施例1的对比例，采用毛细管微通道反应器(PFA微毛细螺旋线圈，微通道内径0.8毫米)为微反应器进行烯烃氢甲酰化反应，持液量5mL。采用H

以上的实施例是为了说明本发明公开的实施方案，并不能理解为对本发明的限制。此外，本文所列出的各种修改以及发明中方法、组合物的变化，在不脱离本发明的范围和精神的前提下对本领域内的技术人员来说是显而易见的。虽然已结合本发明的多种具体优选实施例对本发明进行了具体的描述，但应当理解，本发明不应仅限于这些具体实施例。事实上，各种如上所述的对本领域内的技术人员来说显而易见的修改来获取发明都应包括在本发明的范围内。