微通道反应器介绍和原理

摘要:微通道反应器是一种新型的化学反应器,它是由许多微型管子构成的,通常具有非常高的表面积和密度

微通道反应器介绍

微通道反应器是一种新型的化学反应器,它是由许多微型管子构成的,通常具有非常高的表面积和密度。微通道反应器可以高效地实现各种化学反应和催化反应,比传统的反应器具有更快的反应速度和更高的选择性。

微通道反应器的优点还包括可控性好、废物排放量小、反应温度低等。此外,微通道反应器还可以完成一些常规反应困难或不能完成的化学反应,比如高温氧化、氧化加氢、催化裂解等。

微通道反应器目前已广泛应用于化学、医药、新能源等领域,在绿色化学、精细化工等方面具有广泛的应用前景


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微通道反应器的原理

     微反应器主要是指以表面科学与微制造技术为核心,经过微加工和精密技术制造的一种多通道微结构小型反应器,而微反应器的通道尺寸仅有亚微米和亚毫米级别。除此以外因为微反应器有优于传统化工设备1-3个数量级的传热/传质特性,所以特别适合做高放热和快速反应的实验。而微反应器原理想必很多人都想了解一下.

微化工技术思想源自于常规尺度的传热机理。对于圆管内层流流动,管壁温度维持恒定时,由公式(1)可见,传热系数h与管径d成反比,即管径越小,传热系数越大;对于圆管内层流流动,组分A在管壁处的浓度维持恒定时,传质系数kc与管径成反比(公式(2)),即管径越小,传质系数越大。由于微通道内流动多属层流流动,主要依靠分子扩散实现流体间混合,由公式(3)可知,混合时间t与通道尺度平方成正比。通道特征尺寸减小不仅能大大提高比表面积,而且能大大强化过程的传递特性。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

其中Nu为努塞尔数、Sh为谢伍德数、D为扩散系数。化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。就瞬时和快速反应而论,在传统尺度反应设备内进行时,受传递速辛控制,而微尺度反应系统内由干传递速率呈数量级提高,因此这类反应过程速率将会大幅度提高;如氧碘化学激光器中的激发态氧发生器(氯气用双氧水碱溶液反应)、烃类直接氟化。慢反应主要受本征反应动力学控制,其实现过程强化的关键手段之一在于如何提高本征反应速率,通常可采用提高反应温度、改变工艺操作条件等措施;而中速反应则由传递和反应速率共同作用,也可采取与慢反应过程类似的措施。目前工业应用的烃类硝化反应大多属于中慢速反应过程,反应时间在数十分钟至数小时,在微反应器内可采用绝热硝化并同时改变工艺条件可使反应时间缩短至数秒。因此,从理论上分析几乎所有反应现状过程皆可实现过程强化。


微通道反应器的分类介绍

微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。

1.气固相催化微反应器    由于微反应器的特点适合于气固相催化反应,迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应,因而气固相催化微反应器的种类最多。最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。运用最广的甲苯气-固催化氧化。

2.液液相反应器   到目前为止,与气固相催化微反应器相比较,液相微反应器的种类非常少。液液相反应的一个关键影响因素是充分混合,因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起,或者本身就是一个微混合器。专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。

3.气液相微反应器    一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道,整个结构呈T字形。由于在气液两相液中,流体的流动状态与泡罩塔类似,随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型,这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。另一类是沉降膜式微反应器,液相自上而下呈膜状流动,气液两相在膜表面充分接触。气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大,其内表面积均接近20000m2/m3,比传统的气液相反应器大一个数量级。

4.气液固三相催化微反应器    气液固三相反应在化学反应中也比较常见,种类较多,在大多数情况下固体为催化剂,气体和液体为反应物或产物,美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器,其结构类似于固定床反应器,在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒,气相和液相被分成若干流股,再经管汇到反应室中混合进行催化反应。


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