CN104888675A - 集成传热单元和检测单元的微流体反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成传热单元和检测单元的微流体反应器，包括依次叠放设置的反应器上盖板，在板材两端分别刻有进液通道和出液通道的混合流体进出口层，在板材上刻有反应通道的流体反应层，隔板，在板材上刻有热传导通道的热传导流体流动层，在板材的一端分别刻有进液和出液通道的热传导流体进出口层和反应器下盖板，进液通道内嵌入的软管通过分流连接器与反应通道内的软管连通，并延伸至出液通道，热传导通道和进出液通道被一根软管贯穿，光纤检测器与反应通道内的软管相接触；本发明可采用嵌段流技术合成具有特定形貌、尺寸微小的含能材料晶体，且制作简单快捷、易组装拆卸、易清洗更换。

Description

集成传热单元和检测单元的微流体反应器

技术领域

本发明属于微流体反应技术领域，特别是一种集成传热单元和检测单元的微流体反应器。

背景技术

微流控技术(Microfludics)从涵盖的学科与技术特点看，既包含了对微流体特性的认识与研究，也包括在微结构中操控流体的技术。它是使用微米级尺寸的通道完成对微小流体的处理和操纵，实现产品的制备、反应、分离和检测等功能。具有高传质传热效率、高反应速率、高选择性、消耗微小等优点，适合微量合成化学反应的进行。

其中嵌段流技术引入了多相流流体概念，将连续流体分割成多个均一独立的分散流体。并且嵌段间的相互独立减少了试剂间的相互污染，嵌段分散相完全被连续相包覆，不与壁面发生接触摩擦，避免了固体颗粒对微通道的堵塞，因此该技术已经应用于结晶颗粒的制备和筛选。但是对于危险反应的发生，例如含能材料的制备仍处于研究阶段。

且传统实验室使用的微流体反应器的材料是硅和玻璃，在制备和键合工艺上存在一定的难度，成本较高，生产周期较长，易破碎等，不适宜集成规模化的生产使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可采用嵌段流技术合成具有特定形貌、尺寸微小的含能材料晶体，且制作简单快捷、易组装拆卸、易清洗更换的集成传热单元和检测单元的微流体反应器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种集成传热单元和检测单元的微流体反应器，包括尺寸相同叠放设置的七层板材，依次为反应器上盖板，在板材两端分别刻有进液通道和出液通道的混合流体进出口层，在板材上刻有反应通道的流体反应层，隔板，在板材上刻有热传导通道的热传导流体流动层，在板材的一端分别刻有进液和出液通道的热传导流体进出口层和反应器下盖板；混合流体进出口层的进液通道和出液通道位于板材的不同端，进液通道设置两个或两个以上，进液通道内嵌入的软管通过分流连接器与流体反应层反应通道内的软管连通，流体反应层反应通道内的软管延伸至混合流体进出口层的出液通道，热传导流体流动层的热传导通道和热传导流体进出口层的进出液通道被一根软管贯穿，垂直于板材设置有贯穿整个装置的光纤检测器，光纤检测器与反应通道内的软管相接触。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料，便于将控温、检测单元集成一体，提高反应装置的集成化程度。

(2)本发明采用嵌段流技术，由于嵌段体积较小，比表面积增大，实现高传质传热，提高了混合效率与反应产率，适用于含能材料晶体生成的微流体反应。

(3)本发明结构设计合理，将嵌段流技术巧妙的应用于含能材料的制备中，制作简单快捷、易组装拆卸、易清洗更换。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明应用于混合的微流体反应器的总体结构示意图。

图2是本发明应用于混合的微流体反应器混合流体进出口层的结构示意图。

图3是本发明应用于混合的微流体反应器流体反应层的结构示意图。

图4是本发明应用于混合的微流体反应器热传导流体流动层的结构示意图。

图5是本发明应用于混合的微流体反应器热传导流体进出口层的结构示意图。

图6是本发明应用于嵌段流的微流体反应器的总体结构示意图。

图7是本发明应用于嵌段流的微流体反应器混合流体进出口层的结构示意图。

图8是本发明应用于嵌段流的微流体反应器流体反应层的结构示意图。

图9是本发明应用于嵌段流的微流体反应器热传导流体流动层的结构示意图。

图10是本发明应用于嵌段流的微流体反应器热传导流体进出口层的结构示意图。

具体实施方式

结合图1～图10：

本发明一种集成传热单元和检测单元的微流体反应器，包括尺寸相同叠放设置的七层板材，依次为反应器上盖板1，在板材两端分别刻有进液通道8和出液通道10的混合流体进出口层2，在板材上刻有反应通道的流体反应层3，隔板4，在板材上刻有热传导通道的热传导流体流动层5，在板材的一端分别刻有进液和出液通道的热传导流体进出口层6和反应器下盖板7；混合流体进出口层2的进液通道8和出液通道10位于板材的不同端，进液通道8设置两个或两个以上，进液通道8内嵌入的软管通过分流连接器11与流体反应层3反应通道内的软管连通，流体反应层3反应通道内的软管延伸至混合流体进出口层2的出液通道10，热传导流体流动层5的热传导通道和热传导流体进出口层6的进出液通道12被一根软管贯穿，垂直于板材设置有贯穿整个装置的光纤检测器13，光纤检测器13与反应通道内的软管相接触。

板材为聚甲基丙烯酸甲酯板材。

七层板材通过贯穿板材的螺栓紧固。

软管通过连接器与外部连通。

本发明采用机械加工的方法将所设计的通道结构形状雕刻于一定厚度的PMMA基板上，再根据尺寸要求裁取固定尺寸的PMMA盖板，在四周和中心重要位置打孔。再将具有一定厚度的软管(例如硅胶软管)，沿加工形状嵌入通道中，上下两个盖板和螺丝组装固定后形成简易的微流体反应器。反应器流体通道横截面为圆形，更适宜流体流动，易产生嵌段并减少反应过程中嵌段挂壁粘连的可能性。

流体的快速混合采用Y型连接器将互溶的两种流体汇聚，通过弯曲通道结构实现流体的高效混合。流动嵌段的生成采用T型连接器将不互溶的两种流体引入到交汇处，在连续相黏性剪切力的作用下形成嵌段。带有温度控制实现热量传递的反应器单元设计是在原有微反应器的基础上组装一层加热/冷却流体流动层。反应流体的在线检测单元设计是利用材料和软管的透光性，在检测位置上组装一层光学检测层，利用光纤的传送与接收分析通道内流体性质与状态。

实施例1：

结合图1～图5：

微流体混合器的制结构和制作方法：

反应器所需的七层板材大小均为100mm×40mm×1mm，加工的通道宽度均为1mm，选用外径为1mm，内径0.5mm的硅胶软管作为微反应通道，设计该微流体混合器具有混合单元与传热单元。混合单元通道结构如图2和图3所示。流体反应层3的通道端口处距离板材两端距离分别为12mm和7mm，两种流体经Y型连接器实现接触混合，即进液通道8内的软管通过Y型连接器与流体反应层3反应通道内的软管连通。进出口层2的流体进出口的位置与反应层3通道端口处的位置相同，进液通道8的长度为15mm，出液通道10的长度为10mm。热传导单元结构如图4和图5所示。冷/热流体的进出液通道12长度为10mm，导热流体流动层5的通道端口处距离板材两端距离为7mm。将硅胶软管与Y型连接器和外部连接器连接后，沿板材通道结构嵌入基板中，混合与传热单元之间用隔板4隔开，上下用盖板装配后选用M2的螺丝螺母将微混合器整体安装固定，总体结构示意图如图1所示。该装置可以实现具有控温需求的互溶流体的快速混合。

实施例2：

结合图6～图10：

应用于嵌段流的微流体反应器的结构和制作方法：

反应器所需的七层板材大小均为100mm×40mm×1mm，加工的通道宽度均为1mm，选用外径为1mm，内径0.5mm的硅胶软管作为微反应通道，设计该微流体混合器具有嵌段生成单元和混合单元、传热单元和检测单元。嵌段生成层和混合反应层结构如图7和图8所示。流体反应层3的通道的进出口端口处距离板材两端距离分别为7mm和10mm，三种流体经T型连接器实现接触混合，即进液通道8内的软管通过T型连接器与流体反应层3反应通道内的软管连通。进出口层2的流体进出口的位置与反应层3通道端口处的位置相同，连续相进液通道14和分散相进液通道9长度均为10mm，出液通道10长度为15mm。两相流体经T型连接器生成嵌段，再经过下一个T型连接器实现待混合嵌段融合，经弯曲通道结构实现嵌段混合。热传导单元结构如图4和图5所示。冷/热流体的进出液通道12长度为10mm，导热流体流动层5的通道端口处距离板材两端距离为7mm。将硅胶软管与T型连接器和进出口连接器连接后，沿板材通道结构嵌入基板中，混合与传热单元之间用隔板4隔开，上下用盖板装配后选用M2的螺丝螺母将微混合器整体安装固定。在待检测的上下盖板对应位置处机械打孔，孔径为光纤检测器13的外径，将光纤发射器与接收器固定于反应器上下两侧，垂直于板材并贯穿整个装置，光纤检测器13与反应通道内的软管相接触，可以实现对流体流动情况的检测，总体结构示意图如图6所示。该装置可以实现用于含能材料合成的嵌段流体的生成与混合反应，并集成传热与检测功能单元，实现了控温与监控。

Claims (5)

1.一种集成传热单元和检测单元的微流体反应器，其特征在于：包括尺寸相同叠放设置的七层板材，依次为反应器上盖板(1)，在板材两端分别刻有进液通道(8)和出液通道(10)的混合流体进出口层(2)，在板材上刻有反应通道的流体反应层(3)，隔板(4)，在板材上刻有热传导通道的热传导流体流动层(5)，在板材的一端分别刻有进液和出液通道的热传导流体进出口层(6)和反应器下盖板(7)；混合流体进出口层(2)的进液通道(8)和出液通道(10)位于板材的不同端，进液通道(8)设置两个或两个以上，进液通道(8)内嵌入的软管通过分流连接器(11)与流体反应层(3)反应通道内的软管连通，流体反应层(3)反应通道内的软管延伸至混合流体进出口层(2)的出液通道(10)，热传导流体流动层(5)的热传导通道和热传导流体进出口层(6)的进出液通道(12)被一根软管贯穿，垂直于板材设置有贯穿整个装置的光纤检测器(13)，光纤检测器(13)与反应通道内的软管相接触。

2.根据权利要求1所述的集成传热单元和检测单元的微流体反应器，其特征在于：所述板材为聚甲基丙烯酸甲酯板材。

3.根据权利要求1或2所述的集成传热单元和检测单元的微流体反应器，其特征在于：所述七层板材通过贯穿板材的螺栓紧固。

4.根据权利要求1或2所述的集成传热单元和检测单元的微流体反应器，其特征在于：所述软管通过连接器与外部连通。

5.根据权利要求3所述的集成传热单元和检测单元的微流体反应器，其特征在于：所述软管通过连接器与外部连通。