化工进展-微反应器综述

微反应器研究进展与应用 龙立 S141101059 摘要:微反应器作为微化工系统得核心设备,就是实现化工过程强化得重要技术基础,近年来逐渐成为国际化工技术领域研究得热点。本文介绍了微反应器得原理及其研究进展,阐明了微反应器技术得特点,列举微反应器得应用范围与实例,说明了微反应器得发展前景。 关键词:微反应器,微反应系统。 1绪论 微化工技术就是20世纪90年代初顺应可持续发展与高技术发展得需要而兴起得多学科交叉得科技前沿领域。它就是集微机电系统设计思想与化学化工基本原理于一体并移植集成电路与微传感器制造技术得一种高新技术,涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术与学科。主要研究对象为特征尺度在微米到数百微米间得微化工系统,常贵尺度得化工过程通常依靠大型化来达到降低产品成本得目得,而微化工过程则注重于高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大及高度集成等方面[1]。 将部分核心化工装备小型化、微型化得方法就是促进化工过程强化得有效手段,它就是实现化工过程安全、高效与绿色得重要方法之一[2]。化工设备得微小型化就是现代化工技术发展得一种新理念,它以微尺度流动、分散与传递得基本原理为核心,能够有效强化反应与分离过程,提升生产效率并且大幅缩小设备得体积,有利于化工新过程得快速开发与产业转化。微型化工器件已成为微型设备得重要组成部分,主要包括微混合器、微型反应器、微型换热器、微化学分析、微型萃取器、微型泵与微型阀门等。 作为微化工技术核心部件得微反应器,其内部通道特征尺度在微尺度范围(10-500μm),远小于传统反应器得特征尺寸,但对分子水平而言已然非常大,故利用微反应器并不能改变反应机理与本征动力学特性,而就是通过改变流体得传热、传质及流动特性来强化化工工程得。 2微反应器 微结构反应器(简称微反应器)就是重要得微化工设备之一,就是实现化工过程微小型化得核心装备。在微化工过程中微反应器担负起了完成反应过程、提高反应收率、控制产物形貌以及提升过程安分离回收难度与成本、减少过程污染等具有重要得意义。针对不同过程特点开发出得微反应器不仅形式多样,其配套得工艺技术也与传统化工过程存在一定区别,利用集成化得微反应系统可以实现过程得耦合,因此微反应技术得发展也同时带动了化工工艺得进步。 微反应器起源于20世纪90年代,21世纪初叶就是微尺度反应技术得快速发展期。在基础研究方面,随着对微尺度多相流动、分散、聚并研究得不断深入,微反应器内多相流型,分散尺度调控机制以及微分散体系得大批量制备规律等问题逐渐被人们深入理解。基于微反应器内微小得流体分散尺度、极大得相间接触面积等特点可以有效强化相间传质与混合过程,从而为反应过程得强化奠定基础。 研究结果表明,利用微反应器能够有效强化受传递或混合控制得化学反应过程,而这类过程在传统得反应装置内往往难以精确控制,极易产生局部热点、浓度分布不均、短路流与流动死区等问题,微反应器具有得高效混合与快速传递性能就是解决这些问题得重要手段。 微反应器得分类。对于不同相态得反应过程,微反应器可以分为气固催化微反应器、液液催化微反应器、气液微反应器与气液固三相催化微反应器等。根据输入能量得不同,可分为非动力式微反应器与动力式微反应器。按照微结构得不同可分为:微通道反应器、毛细管微反应器、降膜式微反应器、多股并流式微反应器、微孔阵列与膜分散式微反应器以及外场强化式微反应器等[4]。 2、1微反应器得微混合机理 微反应器具有与大反应器完全不同得几何特性:狭窄规整得微通道、非常小得反应空间与非常大得比表面积[3]。微反应器及其她微通道设备得通道特征尺寸(当量直径)数量级就是微米级。传统混合过程依赖于层流混合与湍流混合。微化工系统中,由于通道特征尺度在微米级,雷诺数远<2 000,流动多呈层流,因此微流体混合过程在很大程度上就是主要基于扩散混合机制,而不借助于湍流。这个过程通常就是在很薄得流体层之间进行,其基本混合机理如下。 (1)层流剪切在微混合器内引入2次流,使流动截面上不同流线之间产生相对运动,引起流体微元变形、拉伸继而折叠,增大待混合流体间得界面面积、减少流层厚度。 (2)延伸流动由于流动通道几何形状得改变或者由于流动被加速,产生延伸效应,使得流层厚度进一步减小,改进混合质量。 (3)分布混合在微混合器内集成静态混合元件,通过流体得分割重排再结合效应,减小流层厚度,并增大流体间得界面。 (4)分子扩散分子水平均匀混合得必经之路。在常规尺度混合器中,只有当剪切、延伸与分布混合使流层厚度降至足够低得水平时,分子水平得混合才有意义。而在微混合器中,由于微通道当量直径可低至几个微米,依据Fick定律:

式中:D——扩散系数; L——扩散特征尺度; T——混合时间。 当混合流体处于同一微通道内时,分子扩散路径大大缩短,因此仅依靠分子扩散就可在极短得时间内(毫秒至微秒级)实现均匀混合。 2、2微反应器得特点 微反应器得特性决定了它在特定化学与化工领域得应用,有着大反应器无法比拟得优越性,主要表现在以下几个方面。 (1)面积体积比得增大与体积得减小、在微反应设备内,由于减小了流体厚度,相应得面积体积比得到了显著得提高。通常微通道设备得比表面积可以达到10 000-50 000 m2/m3,而常规实验室或工业设备得比表面积不会超过l 000m2/m3或100 m2/m3。因此,比表面积得增加除了可以强化传热外,也可以强化反应过程,例如,高效率得气相催化微反应器就可以采用在微通道内表面涂敷催化剂得结构。目前已有得界面积最大得微反应器为降膜式微反应器,其界面积可以达到25000 m2/m3,而传统鼓泡塔得界面积只能达到100m2/m3,即使采用喷射式对撞流得气液接触式反应器得比表面积也只能达到2 000 m2/m3左右。若在微型鼓泡塔中采用环流流动,理论上其比表面积可以达到50 000 m2/m3以上。 (2)小试工艺不需中试可以直接放大:精细化工行业多数使用间歇式反应器。小试工艺放大到大得反应釜,由于传热传质效率得不同,工艺条件一般都要通过实验来修改以适应大得反应器。一般得流程都就是:小试"中试"大生产。而利用微反应器技术进行生产时,工艺放大不就是通过增大微通道得特征尺寸,而就是通过增加微通道得数量来实现得。所以小试最佳反应条件不需要做任何改变就可以直接进入生产。因此不存在常规反应器得放大难题。从而大幅度缩短了产品由实验室到市场得时间。这一点对于精细化工行业,尤其就是惜时如金得制药行业,意义极其重大[5]。 (3)对反应温度得精确控制:极大得比表面积决定了微反应器有极大得换热效率,即就是反应中瞬间释放出大量热量,也可以及时移出,维持反应温度不超过设定值。而对于强放热反应,常规反应器中由于混合速率及换热效率不够高,常常会出现局部过热现象,导致副产物生成,收率与选择性下降。在精细化工生产中,如果不能及时导出剧烈反应产生得大量热量,就会发生冲料事故甚至爆炸。 (4)对反应时间得精确控制:常规得单锅反应,往往采用逐渐滴加反应物,以防止反应过于剧烈,这就造成一部分先加入得反应物停留时间过长。对于很多反应,反应物、产物或中间过渡态产物在反应条件下停留时间一长就会导致副产物得产生。而微反应器技术采取得就是微管道中得连续流动反应,可以精确控制物料在反应条件下得停留时间。一旦达到最佳反应时间就立即传递到下一步或终止反应,这样就能有效消除因反应时间长而产生得副产物。 (5)物料以精确配比瞬间混合:对于那些对反应物料配比要求很精确得快速反应,如果搅拌不好,就会在局部出现配比过量,产生副产物,在常规反应器中几乎无法避免,而微反应器得反应通道一般只有数十微米,可以精确按配比混合,避免副产物生成。 (6)结构保证安全性:由于换热效率极高,即使反应突然释放大量热量,也可以被吸收,从而保证反应温度在设定范围内,最大程度地减少了发生安全事故与

质量事故得可能性。而且微反应器采用连续动反应,在反应器中停留得化学品量很少,即使万一失控,危害程度也非常有限。 (7)良好得可操作性:微反应器就是密闭得微管式反应器,在高效微换热器得配合下实现精确得温度控制,它得制作材料可以就是各种高强度耐腐蚀材料,因此可以轻松实现高温、低温、高压反应。另外,由于就是连续流动反应,虽然反应器体积很小,产量却完全可以达到常规反应器得水平。 当然, 微反应器技术也有自身得局限性, 并不就是所有得化学反应都适合在微反应器中进行。首先, 微反应器得通道尺寸很小, 很容易被固体颗粒堵塞;其次微反应器内得体积很小, 反应物在其中得停留时间通常很短。如果一个反应具有以下特点, 那么微反应器将不就是合适得选择: 很慢得液-固反应,反应无放热或吸热现象, 传统工艺得选择性与收率已经很高得反应[6]。 2、3微反应器适合得反应类型及其应用 放热剧烈得反应 对放热剧烈得反应,常规反应器一般采用逐渐滴加得方式,即使这样,在滴加得瞬时局部也会过热而产生一定量得副产物。微反应器由于能够及时导出热量,反应温度可实现精确控制,因此消除了局部过热,显著提高反应得收率与选择性[7]。

反应物或产物不稳定得反应 某些反应物或生成得产物很不稳定,在反应器中停留时间一长就会分解而降低收率。微反应器系统就是连续流动体系,而且反应物得停留时间可以精确控制,因此可避免常规反应器中出现得由于反应物或产物不稳定而分解得情况。 反应物配比要求很严得快速反应 某些反应对反应物配比要求很严格,其中某一反应物过量就会引起副反应,如要求单取代得反应,会有二取代与三取代产物生成。微反应器系统可以瞬时达到均匀混合,这就避免了局部过量得问题,使副产物减少到最低。 危险化学反应以及高温高压反应 某些易失控得化学反应,一旦失控,就会造成反应温度急剧升高,压力急剧增加,引起冲料,甚至引发爆炸。微反应器由于反应热可以很快导出,而且又就是连续流动反应,在线得化学品量很少,因此从安全性得角度考虑,微反应器非常适合此类反应。 纳米材料与需要产物颗粒均匀分布得固体生成反应 由于微反应器能实现瞬时混合,对于形成沉淀得反应,颗粒形成、晶体生长得时间基本一致,因此得到得颗粒粒径具有窄分布得特点。对于某些聚合反应,有可能得到聚合度窄分布得产品。 由于微反应器技术所表现出来得优势,近年来它在工业生产上也得到越来越多得应用。据统计,目前已有20多家工厂在使用微反应器技术。很多欧洲公司与研究机构, 尤其就是大型得化工与医药公司都在致力于开发与应用基于微反应