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技術(shù)資訊

微通道反應(yīng)器概述

2024-02-23 09:24:08

通道反應(yīng)器原理

微反應(yīng)器微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器微通道反應(yīng)器是一種在典型結(jié)構(gòu)尺寸小于1mm的密閉環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的裝置; 這種限制的最典型形式是微通道。微反應(yīng)器通常是連續(xù)流反應(yīng)器(與間歇式反應(yīng)器相比)。與傳統(tǒng)規(guī)模的反應(yīng)器相比,微反應(yīng)器具有許多優(yōu)勢,包括提高能源效率、反應(yīng)速度和產(chǎn)量、安全性、可靠性、可擴(kuò)展性、現(xiàn)場/按需生產(chǎn)以及更精細(xì)的過程控制。微通道反應(yīng)器 (MCR) 由于發(fā)生反應(yīng)的通道較小,因此具有高熱性能和快速傳質(zhì)。 微通道提供的場比傳統(tǒng)混合型反應(yīng)器更具反應(yīng)性。 然而,MCR 的應(yīng)用僅限于高價(jià)值且小批量生產(chǎn)的藥品等產(chǎn)品,這是由于MCR的流通能力的限制。

微化工技術(shù)思想源自于常規(guī)尺度的傳熱機(jī)理。對(duì)于圓管內(nèi)層流流動(dòng),管壁溫度維持恒定時(shí),由公式(1)可見,傳熱系數(shù)h與管徑d成反比,即管徑越小,傳熱系數(shù)越大;對(duì)于圓管內(nèi)層流流動(dòng),組分A在管壁處的濃度維持恒定時(shí),傳質(zhì)系數(shù)kc與管徑成反比(公式(2)),即管徑越小,傳質(zhì)系數(shù)越大。由于微通道內(nèi)流動(dòng)多屬層流流動(dòng),主要依靠分子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)流體間混合,由公式(3)可知,混合時(shí)間t與通道尺度平方成正比。通道特征尺寸減小不僅能大大提高比表面積,而且能大大強(qiáng)化過程的傳遞特性。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

其中Nu為努塞爾數(shù)、Sh為謝伍德數(shù)、D為擴(kuò)散系數(shù)?;み^程中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)受傳遞速率或本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制或兩者共同控制。就瞬時(shí)和快速反應(yīng)而論,在傳統(tǒng)尺度反應(yīng)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行時(shí),受傳遞速辛控制,而微尺度反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)由干傳遞速率呈數(shù)量級(jí)提高,因此這類反應(yīng)過程速率將會(huì)大幅度提高;如氧碘化學(xué)激光器中的激發(fā)態(tài)氧發(fā)生器(氯氣用雙氧水堿溶液反應(yīng))、烴類直接氟化。慢反應(yīng)主要受本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制,其實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化的關(guān)鍵手段之一在于如何提高本征反應(yīng)速率,通??刹捎锰岣叻磻?yīng)溫度、改變工藝操作條件等措施;而中速反應(yīng)則由傳遞和反應(yīng)速率共同作用,也可采取與慢反應(yīng)過程類似的措施。目前工業(yè)應(yīng)用的烴類硝化反應(yīng)大多屬于中慢速反應(yīng)過程,反應(yīng)時(shí)間在數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí),在微反應(yīng)器內(nèi)可采用絕熱硝化并同時(shí)改變工藝條件可使反應(yīng)時(shí)間縮短至數(shù)秒。因此,從理論上分析幾乎所有反應(yīng)現(xiàn)狀過程皆可實(shí)現(xiàn)過程強(qiáng)化。

通道反應(yīng)器應(yīng)用范圍

通道反應(yīng)器可用于-液、氣-液之間的反應(yīng),反應(yīng)類型包含微通道電催化反應(yīng)器、微通道光催化反應(yīng)器等。當(dāng)固體顆粒粒徑不足以對(duì)微通道造成負(fù)面效應(yīng)時(shí),固-液反應(yīng)也可進(jìn)行。

微通道反應(yīng)器材質(zhì)

微通道反應(yīng)器材質(zhì)有304、316L;哈B、哈C、鈦等金屬材質(zhì),以及PTFE、FEP、PFA、石英、高硼硅、碳化硅等。微通道反應(yīng)器材質(zhì)的選擇很大程度上取決于其應(yīng)用需要,主要包括操作條件(壓力和溫度等)、混合物的物理性質(zhì)(pH、粘度等)、成本、批量生產(chǎn)能力和制造難易程度等 。目前應(yīng)用較為廣泛的主要有玻璃、硅、金屬、鋼材和聚合物等。

微通道反應(yīng)器特點(diǎn)

微通道反應(yīng)器是具有特定微觀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)設(shè)備,微結(jié)構(gòu)是反應(yīng)器的核心,按照微結(jié)構(gòu)種類的不同形成了不同形式的微反應(yīng)器。微通道的形狀多種多樣,有矩形、梯形、雙梯形以及其他不規(guī)則形狀,不僅具有換熱、傳質(zhì)性能高效,過程連續(xù),工藝綠色化等特點(diǎn),還具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)器材質(zhì)為透明特種玻璃,易觀察、捕獲化學(xué)反應(yīng)中的變化,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)反應(yīng)器難以放大的光催化反應(yīng);反應(yīng)器模塊化、集成化程度高,使用靈活方便。微反應(yīng)器因其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu),在混合效率和換熱效率、放大過程、集成化和連續(xù)化、反應(yīng)時(shí)間控制以及安全性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,這些都是提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率、選擇性和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。微流控技術(shù)明顯特點(diǎn)是尺寸小、比表面積大,流動(dòng)行為以層流為主,停留時(shí)間能精準(zhǔn)控制;傳熱傳質(zhì)特快,沒有放大效應(yīng)。


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