微通道反應(yīng)器也稱為微通道換熱器，就是通道當(dāng)量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的扁平管內(nèi)有數(shù)十條細(xì)微流道,在扁平管的兩端與圓形集管相聯(lián)。集管內(nèi)設(shè)置隔板,將換熱器流道分隔成數(shù)個流程。與傳統(tǒng)化工生產(chǎn)相比，微通道在精細(xì)化工領(lǐng)域具有很大的開發(fā)潛力和廣泛的應(yīng)用前景。所以我們一起來從幾個反面了解一下微通道吧 。

微通道反應(yīng)器介紹

微通道反應(yīng)器本質(zhì)上講是一種連續(xù)流動的管道式反應(yīng)器。它包括化工單元所需要的混合器、換熱器、反應(yīng)器控制器等。目前，微通道反應(yīng)器總體構(gòu)造可分為兩種：一種是整體結(jié)構(gòu)，這種方式以錯流或逆流熱交換器的形式體現(xiàn)，可在單位體積中進(jìn)行高通量操作。在整體結(jié)構(gòu)中只能同時進(jìn)行一種操作步驟，最后由這些相應(yīng)的裝置連接起來構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。另一種是層狀結(jié)構(gòu)，這類體系由一疊不同功能的模塊構(gòu)成，在一層模塊中進(jìn)行一種操作，而在另一層模塊中進(jìn)行另一種操作。流體在各層模塊中的流動可由智能分流裝置控制對于更高的通量，某些微通道反應(yīng)器或體系通常以并聯(lián)方式進(jìn)行操作。

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別。除此以外因為微反應(yīng)器有優(yōu)于傳統(tǒng)化工設(shè)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(yīng)的實驗。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(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)受傳遞速率或本征反應(yīng)動力學(xué)控制或兩者共同控制。就瞬時和快速反應(yīng)而論，在傳統(tǒng)尺度反應(yīng)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行時，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)量級提高，因此這類反應(yīng)過程速率將會大幅度提高；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)動力學(xué)控制，其實現(xiàn)過程強化的關(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)時間在數(shù)十分鐘至數(shù)小時，在微反應(yīng)器內(nèi)可采用絕熱硝化并同時改變工藝條件可使反應(yīng)時間縮短至數(shù)秒。因此，從理論上分析幾乎所有反應(yīng)現(xiàn)狀過程皆可實現(xiàn)過程強化。

蘇州汶顥微通道反應(yīng)器

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。

氣固相催化微反應(yīng)器    由于微反應(yīng)器的特點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。最簡單的氣固相催化微反應(yīng)器莫過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功能。運用最廣的甲苯氣-固催化氧化。

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，或者本身就是一個微混合器。專為液液相反應(yīng)而設(shè)計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)計的維生素前體合成微反應(yīng)器和麻省理工學(xué)院設(shè)計的用于完成Dushman化學(xué)反應(yīng)的微反應(yīng)器。

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，整個結(jié)構(gòu)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(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，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)器大一個數(shù)量級。

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)。

微通道反應(yīng)器的優(yōu)缺點介紹

微通道反應(yīng)器的優(yōu)點同常規(guī)反應(yīng)容器(如燒瓶)相比，它的結(jié)構(gòu)特征決定了其特殊優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

對于反應(yīng)溫度的精準(zhǔn)控制：對于強放熱反應(yīng)，如果混合和換熱效率不高的話，容易出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象。而微通道內(nèi)部具有很好的傳熱、傳質(zhì)特點，使得反應(yīng)溫度不會過度堆積，并精準(zhǔn)控制在一定范圍內(nèi)。

比表面積大，傳遞速率高，接觸時間短，副產(chǎn)物少：微反應(yīng)通道特征尺度小，微通道比一般為5000～50000mm，單位體面積上傳熱、傳質(zhì)能力顯著增強。

快速、直接放大：傳統(tǒng)放大過程存在著放大效應(yīng)，通過增大生產(chǎn)設(shè)備體積和規(guī)模達(dá)到放大目的，過程耗時費力，不能根據(jù)市場需求立即作出相應(yīng)的反應(yīng)，具有滯后性。而微反應(yīng)系統(tǒng)呈多通道結(jié)構(gòu)，每一通道相當(dāng)于一獨立反應(yīng)器，在擴大生產(chǎn)時不再需要對反應(yīng)器進(jìn)行尺度放大，只需并行增加它的數(shù)量，即所謂的“數(shù)增放大”。

安全性高：大量熱量也可以及時移走，從而保證反應(yīng)溫度維持在設(shè)定范圍以內(nèi)，最大程度上減少了發(fā)生事故可能性。

操作性好：微反應(yīng)系統(tǒng)是呈模塊結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)，具有便攜性好特點，可實現(xiàn)在產(chǎn)品使用地分散建設(shè)并就地生產(chǎn)、供貨，真正實現(xiàn)將化工廠便攜化，并可根據(jù)市場情況增減通道數(shù)和更換模塊來調(diào)節(jié)生產(chǎn)，具有很高的操作彈性。

由于它的諸多優(yōu)勢，微通道反應(yīng)器技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的成功應(yīng)用而引起越來越廣泛地關(guān)注。

微通道反應(yīng)器的適用范圍

我們都知道微反應(yīng)器有很多的優(yōu)點，比如說優(yōu)秀的傳質(zhì)傳熱能力，很大程度上減少了發(fā)生事故的可能性；快速直接的放大能力，節(jié)省成本時間等等。當(dāng)然對于它也是有一定的局限性的，而正是因為有這樣一些原因有很多實驗不能使用微反應(yīng)器進(jìn)行實驗。所以對于化工企業(yè)來說了解微通道反應(yīng)器的適用的范圍是很有必要的。

首先嚴(yán)格來說，目前很難界定哪些反應(yīng)適用于微通道反應(yīng)器，因為每個反應(yīng)的特性不同，同時微通道反應(yīng)器裝置的種類也非常多。但一般認(rèn)為，現(xiàn)有的合成反應(yīng)有20-30%可以通過微通道反應(yīng)器進(jìn)行技改。同時利用微通道反應(yīng)器，我們可以將大約20%-30%過去認(rèn)為是危險的工藝流程進(jìn)行實現(xiàn)。也就是說目前來看有接近30-50%的化工工藝可以通過微通道反應(yīng)器進(jìn)行技改。

從結(jié)構(gòu)特點上來說，目前微通道反應(yīng)器可以用于以下幾種類型反應(yīng)：

反應(yīng)本身速度很快，但受制于傳遞過程的，整體反應(yīng)速度偏低的反應(yīng)這類反應(yīng)主要為液液多相反應(yīng)，也包括液液萃取等物理過程。這種過程的特點就在于：反應(yīng)本身速度快，但是由于底物要在液相間擴散導(dǎo)致反應(yīng)整體速率偏低。在傳統(tǒng)的反應(yīng)釜內(nèi)部一般采用攪拌器進(jìn)行反應(yīng)，效率較低，無法充分實現(xiàn)兩個液相間的混合，因此反應(yīng)效率低下。而在微通道反應(yīng)器內(nèi)由于通道尺寸小帶來的擴散尺度減小，導(dǎo)致這類反應(yīng)可以快速進(jìn)行。

反應(yīng)本身速度快，但反應(yīng)劇烈，強放熱，產(chǎn)物容易破壞的反應(yīng)這類反應(yīng)主要有硝化，重氮化以及部分水解與烷基化反應(yīng)。硝化以及重氮化反應(yīng)本身是非?？焖俣鴦×业模菍嶋H工廠操作的時候往往反應(yīng)時間是以小時計的。這是因為反應(yīng)釜傳熱能力有限，為了防止體系內(nèi)溫度過高不可控制，需要一點一點的滴加試劑?？梢哉f反應(yīng)速度完全由移熱能力確定。如果使用移熱能力強的微通道反應(yīng)器就可以快速通入試劑并維持反應(yīng)平穩(wěn)進(jìn)行?？梢哉f這一類反應(yīng)最具有工業(yè)化前景，是應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮的過程。

需要嚴(yán)格控制反應(yīng)器內(nèi)部流型的反應(yīng)。

這種反應(yīng)主要為納米顆粒的合成等，這類過程在之前已經(jīng)介紹過了，主要利用微通道內(nèi)部的流動規(guī)律性制備顆粒分布窄的材料，提高產(chǎn)品附加值。這類反應(yīng)一般產(chǎn)品產(chǎn)量低，附加值很大，有的時候幾塊實驗裝置結(jié)合就能成為生產(chǎn)裝置，應(yīng)用前景也較為廣闊。

部分氣液反應(yīng)從機理上可以采用微通道反應(yīng)器，但是目前尚未出現(xiàn)好的氣液反應(yīng)器結(jié)構(gòu)最明顯的就是加氫，加氫當(dāng)然有很多種類，部分加氫反應(yīng)反應(yīng)速率高，但受到氫氣向液相擴散的限制，導(dǎo)致整體反應(yīng)速率較低。在這種狀況下，當(dāng)然可以利用微通道的反應(yīng)器的混合特性進(jìn)行反應(yīng)，類似于第一類反應(yīng)，不過這里加強的是氣液傳質(zhì)過程。但是氣液過程有其特殊性，主要是在流體分配與控制方面，這導(dǎo)致適宜放大的氣液微通道反應(yīng)器還不存在。因此這方面實驗研究非?；钴S，工業(yè)應(yīng)用上除非產(chǎn)量小可以直接使用實驗裝置否則沒有可行性。

顆粒尺度達(dá)到微通道特征尺度的10%以上，固含量超過5%的含有固體的反應(yīng)不使用微通道反應(yīng)器。

微通道反應(yīng)器系統(tǒng)技術(shù)要求

1、整體要求：合成反應(yīng)系統(tǒng)包含可相互獨立的反應(yīng)物通道，獨立的反應(yīng)物通道不小于6個。

2、反應(yīng)器支架可靈活配置反應(yīng)模塊的數(shù)量（不少于4個），含不少于8個入料與收集接口，4個換熱流體接口。

3、反應(yīng)器可通過兩個恒溫循環(huán)器與密封隔熱板分隔實現(xiàn)兩個溫區(qū)，兩個溫區(qū)各自的控制區(qū)域可靈活設(shè)置。

4、反應(yīng)模塊為三層結(jié)構(gòu)，上層為底板，中間層為混合或反應(yīng)通道，下層為換熱通道。模塊均采用碳化硅材質(zhì)，成型工藝采用擴散焊接技術(shù)，整體成型，保證氣密性和耐高壓性能，為了避免金屬溶出性污染，模塊中間不得安裝金屬連接件。

5、反應(yīng)器包含多組碳化硅模塊，包含混合模塊及反應(yīng)模塊，可執(zhí)行A+B→P或A+B→P’+C →P，混合模塊也可用作猝滅模塊，用于反應(yīng)停止或降溫。

6、反應(yīng)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在強化傳質(zhì)的同時減少返混，保證物料在反應(yīng)器內(nèi)停留時間的一致性，要求提供內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

7、 熱傳導(dǎo)率：≥ 100W/mK（溫度200℃范圍內(nèi)）。

8、耐腐蝕性：反應(yīng)器的觸液材質(zhì)能夠耐反應(yīng)器操作溫度下的硫酸、氫氟酸、氫溴酸、強堿等物質(zhì)。

9、年損失率：≤0.1mm/年 (120℃ 1:1 HF/HNO3條件下測試)。

10、工藝側(cè)工作溫度范圍：-20-150℃，換熱測溫度范圍：-20-150℃。

11、工藝側(cè)壓力范圍：0-25bar，測試壓力75bar，提供壓力檢測證書；換熱側(cè)壓力范圍0-5bar。

12、通量：0.2-20mL/min。

13、反應(yīng)器內(nèi)體積：0.95-13.5ml，單板的最小持液量不大于1ml，單板的最大持液量不大于4.8ml。

14、反應(yīng)通道尺寸不大于1.4×1.4mm，預(yù)熱通道尺寸不大于1×1mm。

15、停留時間：2.7sec-60min。

16、反應(yīng)器配件要求：進(jìn)、出料管路及背壓系統(tǒng)均采用抗腐蝕、耐壓材質(zhì)，保證氣液反應(yīng)、液液反應(yīng)的進(jìn)行。

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