微通道反應器介紹和原理
微通道反應器介紹
微通道反應器是一種新型的化學反應器,它是由許多微型管子構成的,通常具有非常高的表面積和密度。微通道反應器可以高效地實現(xiàn)各種化學反應和催化反應,比傳統(tǒng)的反應器具有更快的反應速度和更高的選擇性。
微通道反應器的優(yōu)點還包括可控性好、廢物排放量小、反應溫度低等。此外,微通道反應器還可以完成一些常規(guī)反應困難或不能完成的化學反應,比如高溫氧化、氧化加氫、催化裂解等。
微通道反應器目前已廣泛應用于化學、醫(yī)藥、新能源等領域,在綠色化學、精細化工等方面具有廣泛的應用前景
微通道反應器的原理
微反應器主要是指以表面科學與微制造技術為核心,經(jīng)過微加工和精密技術制造的一種多通道微結(jié)構小型反應器,而微反應器的通道尺寸僅有亞微米和亞毫米級別。除此以外因為微反應器有優(yōu)于傳統(tǒng)化工設備1-3個數(shù)量級的傳熱/傳質(zhì)特性,所以特別適合做高放熱和快速反應的實驗。而微反應器原理想必很多人都想了解一下.
微化工技術思想源自于常規(guī)尺度的傳熱機理。對于圓管內(nèi)層流流動,管壁溫度維持恒定時,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;對于圓管內(nèi)層流流動,組分A在管壁處的濃度維持恒定時,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)流動多屬層流流動,主要依靠分子擴散實現(xiàn)流體間混合,由公式(3)可知,混合時間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為擴散系數(shù)。化工過程中進行的化學反應受傳遞速率或本征反應動力學控制或兩者共同控制。就瞬時和快速反應而論,在傳統(tǒng)尺度反應設備內(nèi)進行時,受傳遞速辛控制,而微尺度反應系統(tǒng)內(nèi)由干傳遞速率呈數(shù)量級提高,因此這類反應過程速率將會大幅度提高;如氧碘化學激光器中的激發(fā)態(tài)氧發(fā)生器(氯氣用雙氧水堿溶液反應)、烴類直接氟化。慢反應主要受本征反應動力學控制,其實現(xiàn)過程強化的關鍵手段之一在于如何提高本征反應速率,通??刹捎锰岣叻磻獪囟?、改變工藝操作條件等措施;而中速反應則由傳遞和反應速率共同作用,也可采取與慢反應過程類似的措施。目前工業(yè)應用的烴類硝化反應大多屬于中慢速反應過程,反應時間在數(shù)十分鐘至數(shù)小時,在微反應器內(nèi)可采用絕熱硝化并同時改變工藝條件可使反應時間縮短至數(shù)秒。因此,從理論上分析幾乎所有反應現(xiàn)狀過程皆可實現(xiàn)過程強化。
微通道反應器的分類介紹
微反應器又可分為氣固相催化微反應器、液液相微反應器、氣液相微反應器和氣液固三相催化微反應器等。
1.氣固相催化微反應器 由于微反應器的特點適合于氣固相催化反應,迄今為止微反應器的研究主要集中于氣固相催化反應,因而氣固相催化微反應器的種類最多。最簡單的氣固相催化微反應器莫過于壁面固定有催化劑的微通道。復雜的氣固相催化微反應器一般都耦合了混合、換熱、傳感和分離等某一功能或多項功能。運用最廣的甲苯氣-固催化氧化。
2.液液相反應器 到目前為止,與氣固相催化微反應器相比較,液相微反應器的種類非常少。液液相反應的一個關鍵影響因素是充分混合,因而液液相微反應器或者與微混合器耦合在一起,或者本身就是一個微混合器。專為液液相反應而設計的與微混合器等其他功能單元耦合在一起的微反應器案例為數(shù)不多。主要有BASF設計的維生素前體合成微反應器和麻省理工學院設計的用于完成Dushman化學反應的微反應器。
3.氣液相微反應器 一類是氣液分別從兩根微通道匯流進一根微通道,整個結(jié)構呈T字形。由于在氣液兩相液中,流體的流動狀態(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器被稱做微泡罩塔。另一類是沉降膜式微反應器,液相自上而下呈膜狀流動,氣液兩相在膜表面充分接觸。氣液反應的速率和轉(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)的氣液相反應器大一個數(shù)量級。
4.氣液固三相催化微反應器 氣液固三相反應在化學反應中也比較常見,種類較多,在大多數(shù)情況下固體為催化劑,氣體和液體為反應物或產(chǎn)物,美國麻省理工學院發(fā)展了一種用于氣液固三相催化反應的微填充床反應器,其結(jié)構類似于固定床反應器,在反應室(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)管匯到反應室中混合進行催化反應。