微通道反應(yīng)器原理

微反應(yīng)器或微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器或微通道反應(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(shì)，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(chǎng)/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(chǎng)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，通常可采用提高反應(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。

微通道反應(yīng)器應(yīng)用范圍

微通道反應(yīng)器可用于液-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)。