微通道反應(yīng)器介紹和原理
微通道反應(yīng)器介紹
微通道反應(yīng)器是一種新型的化學(xué)反應(yīng)器,它是由許多微型管子構(gòu)成的,通常具有非常高的表面積和密度。微通道反應(yīng)器可以高效地實(shí)現(xiàn)各種化學(xué)反應(yīng)和催化反應(yīng),比傳統(tǒng)的反應(yīng)器具有更快的反應(yīng)速度和更高的選擇性。
微通道反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)還包括可控性好、廢物排放量小、反應(yīng)溫度低等。此外,微通道反應(yīng)器還可以完成一些常規(guī)反應(yīng)困難或不能完成的化學(xué)反應(yīng),比如高溫氧化、氧化加氫、催化裂解等。
微通道反應(yīng)器目前已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、醫(yī)藥、新能源等領(lǐng)域,在綠色化學(xué)、精細(xì)化工等方面具有廣泛的應(yīng)用前景
微通道反應(yīng)器的原理
微反應(yīng)器主要是指以表面科學(xué)與微制造技術(shù)為核心,經(jīng)過(guò)微加工和精密技術(shù)制造的一種多通道微結(jié)構(gòu)小型反應(yīng)器,而微反應(yīng)器的通道尺寸僅有亞微米和亞毫米級(jí)別。除此以外因?yàn)槲⒎磻?yīng)器有優(yōu)于傳統(tǒng)化工設(shè)備1-3個(gè)數(shù)量級(jí)的傳熱/傳質(zhì)特性,所以特別適合做高放熱和快速反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。而微反應(yīng)器原理想必很多人都想了解一下.
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(guò)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^(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程皆可實(shí)現(xiàn)過(guò)程強(qiáng)化。
微通道反應(yīng)器的分類介紹
微反應(yīng)器又可分為氣固相催化微反應(yīng)器、液液相微反應(yīng)器、氣液相微反應(yīng)器和氣液固三相催化微反應(yīng)器等。
1.氣固相催化微反應(yīng)器 由于微反應(yīng)器的特點(diǎn)適合于氣固相催化反應(yīng),迄今為止微反應(yīng)器的研究主要集中于氣固相催化反應(yīng),因而氣固相催化微反應(yīng)器的種類最多。最簡(jiǎn)單的氣固相催化微反應(yīng)器莫過(guò)于壁面固定有催化劑的微通道。復(fù)雜的氣固相催化微反應(yīng)器一般都耦合了混合、換熱、傳感和分離等某一功能或多項(xiàng)功能。運(yùn)用最廣的甲苯氣-固催化氧化。
2.液液相反應(yīng)器 到目前為止,與氣固相催化微反應(yīng)器相比較,液相微反應(yīng)器的種類非常少。液液相反應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵影響因素是充分混合,因而液液相微反應(yīng)器或者與微混合器耦合在一起,或者本身就是一個(gè)微混合器。專為液液相反應(yīng)而設(shè)計(jì)的與微混合器等其他功能單元耦合在一起的微反應(yīng)器案例為數(shù)不多。主要有BASF設(shè)計(jì)的維生素前體合成微反應(yīng)器和麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的用于完成Dushman化學(xué)反應(yīng)的微反應(yīng)器。
3.氣液相微反應(yīng)器 一類是氣液分別從兩根微通道匯流進(jìn)一根微通道,整個(gè)結(jié)構(gòu)呈T字形。由于在氣液兩相液中,流體的流動(dòng)狀態(tài)與泡罩塔類似,隨著氣體和液體的流速變化出現(xiàn)了氣泡流、節(jié)涌流、環(huán)狀流和噴射流等典型的流型,這一類氣液相微反應(yīng)器被稱做微泡罩塔。另一類是沉降膜式微反應(yīng)器,液相自上而下呈膜狀流動(dòng),氣液兩相在膜表面充分接觸。氣液反應(yīng)的速率和轉(zhuǎn)化率等往往取決于氣液兩相的接觸面積。這兩類氣液相反應(yīng)器氣液相接觸面積都非常大,其內(nèi)表面積均接近20000m2/m3,比傳統(tǒng)的氣液相反應(yīng)器大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
4.氣液固三相催化微反應(yīng)器 氣液固三相反應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)中也比較常見,種類較多,在大多數(shù)情況下固體為催化劑,氣體和液體為反應(yīng)物或產(chǎn)物,美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)展了一種用于氣液固三相催化反應(yīng)的微填充床反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)類似于固定床反應(yīng)器,在反應(yīng)室(微通道)中填充了催化劑固定顆粒,氣相和液相被分成若干流股,再經(jīng)管匯到反應(yīng)室中混合進(jìn)行催化反應(yīng)。