微化工設(shè)備:連續(xù)式反應(yīng)器
一般反應(yīng)器通常會是以玻璃、或是金屬製成的容器,若是需要具有低反應(yīng)性的而又不需要耐壓力,那么就會是以玻璃製成居多;然而,若是會有氣體、需要耐相對高壓的反應(yīng),就會傾向使用金屬(如不銹鋼)製成的反應(yīng)器。
除了材質(zhì)的差異以外,反應(yīng)器也依其設(shè)計而有不同的類型。最通用的就是所謂的「批式反應(yīng)器」( Batch Reactor ),一次加入特定量的反應(yīng)物,進(jìn)行一個批次的反應(yīng),反應(yīng)終止后將產(chǎn)物洩料取出,清洗過后,再重新加入下一批次的反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)。
另一種反應(yīng)器為「連續(xù)式攪拌槽反應(yīng)器」 ( Continuously Stirred Tank Reactor, CSTR ),廣泛的用在化工生產(chǎn)業(yè)中,主要不同的地方在於進(jìn)料與出料都是連續(xù)性的。若是串聯(lián)多個CSTR,可以階段式的降低基質(zhì)濃度,或是在每個階段中進(jìn)行條件的微調(diào),以符合製程需求。
每種反應(yīng)器類型都有其適合的用途,一般都根據(jù)各反應(yīng)的需求,來選擇合用的類型進(jìn)行研發(fā)或是生產(chǎn)。這裡,我們來看看一種新的反應(yīng)器類型。
汶顥微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖
反應(yīng)快速篩選及新型反應(yīng)的應(yīng)用──微反應(yīng)器 ( Microreactor ,又稱為微流道反應(yīng)器、微流體反應(yīng)器)。
什麼是微反應(yīng)器呢?顧名思義,是一種微小的連續(xù)式反應(yīng)器,通常是藉由特殊的微小通道(直徑低于500 ?m)作為其反應(yīng)空間,當(dāng)反應(yīng)物流進(jìn)通道就進(jìn)行反應(yīng),流出即終止反應(yīng)。藉由反應(yīng)器的通道設(shè)計,使物質(zhì)溷合效率非常高,并且比表面積較大,可快速帶走熱。
像這樣的微反應(yīng)器特別適用于怎麼樣的反應(yīng)呢?
高放熱反應(yīng)
因比表面積大,熱交換效率高,可迅速帶走產(chǎn)生之熱能。對于放熱快的反應(yīng)可以提高其安全性、避免化學(xué)品產(chǎn)生爆炸,甚至進(jìn)行批次式反應(yīng)器因考量到安全性而無法進(jìn)行的反應(yīng)。
反應(yīng)物昂貴或毒性高
反應(yīng)物用量相當(dāng)?shù)?,基本上可達(dá)到毫克等級(或更低,視濃度而定),對于昂貴的反應(yīng)物,可以節(jié)省反應(yīng)條件篩選時的用量。若是有毒性或會造成污染之反應(yīng)物,亦可降低產(chǎn)生之污染。另外,因?yàn)榇朔磻?yīng)器的高熱交換效率特性,在某些反應(yīng)可以嘗試較濃的反應(yīng)物,進(jìn)而降低使用之溶劑量。
進(jìn)行一些新反應(yīng)的開發(fā)
針對某些原本無法在批式反應(yīng)器中進(jìn)行的反應(yīng)進(jìn)行嘗試,開發(fā)新的做法。
快速篩選反應(yīng)的需求
使用微反應(yīng)器,反應(yīng)物需求量極小、反應(yīng)速度快,可以快速進(jìn)行多組反應(yīng),并且搭配靈敏的分析儀器,可以在短時間內(nèi)作反應(yīng)條件的篩選及優(yōu)化
需要穩(wěn)定性及低副產(chǎn)物的產(chǎn)出
以流速精準(zhǔn)控制當(dāng)量比和反應(yīng)時間,容易控制壓力,并且因反應(yīng)為流動性質(zhì),反應(yīng)物的濃度會不斷降低,并且在特定時間后即離開反應(yīng)器,可降低副反應(yīng)的產(chǎn)生
反應(yīng)規(guī)模放大之需求
微反應(yīng)器系統(tǒng)可以在篩選到最適反應(yīng)條件后,馬上放大製程,此種反應(yīng)器在放大時所遭遇的質(zhì)傳、熱傳、壓降等變化因素相對較低,放大時相對不需要再從頭嘗試新的條件。除了可以在微反應(yīng)器的體積上增大外,也可在反應(yīng)器的數(shù)量上增大。如一個反應(yīng)器架,可加上多片反應(yīng)器晶片,平行進(jìn)行反應(yīng)等。
微反應(yīng)器已成為新一代化學(xué)反應(yīng)快速篩選的選項(xiàng)之一,汶顥微流道連續(xù)式反應(yīng)器,除了控溫系統(tǒng)以及進(jìn)料用的注射泵,針對各種反應(yīng)設(shè)計了多款、多層玻璃反應(yīng)器晶片,可依據(jù)反應(yīng)的速度以及混合方式選擇相對應(yīng)的晶片使用,僅需要極微量的反應(yīng)物即可進(jìn)行反應(yīng)篩選。