Mikroreaktor lub reaktor mikrostrukturalny lub reaktor mikrokanałowy

Krótka instrukcja technologii mikroreaktorów

Technologia mikroreaktorów to nowa technologia, głównie poprzez intensyfikację procesu w celu osiągnięcia zielonej syntezy chemicznej, zwłaszcza do przygotowania chemikaliów wysokowartościowych, takich jak chemikalia, pestycydy, leki, mikromateriały i nanomateriały. Technologia mikroreaktorów to technologia mikrochemiczna, która pojawiła się w latach 90. Nie jest to prosta redukcja istniejącego reaktora, ale jeden z nowych kompleksowych systemów, który integruje różne elementy, takie jak technologia materiałowa, technologia mikrowytwarzania, technologia czujników i technologia sterowania. Mikroreaktor to nowy typ zminiaturyzowanego reaktora rurociągowego o ciągłym przepływie z mikronowymi kanałami strukturalnymi jako rdzeniem do realizacji reakcji, mieszania, separacji i innych funkcji. „Mikro” reaktora mikrokanałowego nie odnosi się do małego rozmiaru urządzenia mikroreaktora lub małej wydajności produktu, ale raczej do oznaczania, że ​​kanały płynowe są w skali mikrometra lub milimetra. Proces mikroreakcji odnosi się do procesu układu reakcyjnego skonstruowanego przez te urządzenia. System mikroreakcji jest również nazywany systemem mikrochemicznym, który jest mikrosystemem dla procesu chemicznego. Projektowanie i rozwój systemu mikrochemicznego opiera się na idei miniaturyzacji aparatury chemicznej bez zmniejszania zdolności przerobowych aparatury, poprzez wzmocnienie szybkości i sterowalności procesów przepływu, mieszania i przenoszenia w systemie, czasu realizacji reakcja i separacja są skrócone, zmniejszają stagnację materiałów w procesie, zmniejszają tworzenie się produktów ubocznych, w celu realizacji ekologicznego, bezpiecznego i wydajnego procesu chemicznego. Technologia mikroreaktorów stała się jednym z ważnych kierunków rozwoju w dziedzinie intensyfikacji procesów chemicznych szeroko stosowanych w medycynie, pestycydach, wysokowartościowych produktach chemicznych i syntezach pośrednich.

Mikroreaktor lub reaktor mikrostrukturalny lub reaktor mikrokanałowy to urządzenie, w którym reakcje chemiczne zachodzą w zamknięciu o typowych wymiarach bocznych poniżej 1 mm; najbardziej typową formą takiego ograniczenia są mikrokanały. Mikroreaktory są badane w dziedzinie inżynierii mikroprocesowej wraz z innymi urządzeniami (takimi jak mikrowymienniki ciepła), w których zachodzą procesy fizyczne. Mikroreaktory obejmują struktury mikrofabrykowane, aby umożliwić przeprowadzanie chemii przepływowej w skali mikronowej. Mikroreaktor jest zwykle reaktorem z przepływem ciągłym (w przeciwieństwie do reaktora okresowego). Mikroreaktory oferują wiele zalet w porównaniu z reaktorami konwencjonalnymi, w tym znaczną poprawę efektywności energetycznej, szybkości i wydajności reakcji, bezpieczeństwa, niezawodności, skalowalności, produkcji na miejscu/na żądanie oraz znacznie dokładniejszy stopień kontroli procesu.

Charakterystyka techniczna mikroreaktora

• Duża powierzchnia właściwa i dobre przenoszenie ciepła------Ze względu na mikrostrukturę wewnątrz mikroreaktora jego powierzchnia właściwa jest bardzo duża i może być setki, a nawet tysiące razy większa od powierzchni właściwej naczynia do mieszania.Dlatego , ma dobrą zdolność przenoszenia ciepła i masy. Współczynnik wymiany ciepła wynosi zwykle co najmniej 25kW m-2K-1, co pozwala na natychmiastowe równomierne mieszanie i wydajne przenoszenie ciepła materiałów.
• Wysoka wydajność przenoszenia masy i duża szybkość reakcji-------Reaktor mikrokanałowy może zawierać wiele mikrokanalików, a gaz i płyny w mikrokanałach mogą przepływać z prędkością od 10-4 do 10-6 m/s, proces reakcji mieszania płynów może realizować natychmiastową i jednorodną reakcję mieszania materiałów i powodować reakcję zwykłych reakcji chemicznych. Czas zostaje skrócony z godzin - dziesiątek godzin do sekund - minut i osiąga się wysoką przepustowość.
• Dokładna kontrola temperatury i czasu reakcji w celu zwiększenia wydajności-------Doskonała charakterystyka wymiany ciepła mikroreaktora umożliwia precyzyjną kontrolę temperatury reakcji w określonym zakresie, co ma ogromne znaczenie w przypadku niektórych reakcji obejmujących produkty pośrednie i niestabilne termicznie produkty z chemii szlachetnej. Reagenty przepływają w sposób ciągły w reaktorze mikrokanałowym. Czas przebywania surowców w warunkach reakcji można precyzyjnie kontrolować. Po osiągnięciu optymalnego czasu reakcji następuje natychmiastowe przejście do następnego etapu lub reakcja zostaje zakończona, co może skutecznie wyeliminować produkty uboczne powstające w wyniku długiego czasu reakcji i poprawić wydajność.
• Mniejsza zdolność zatrzymywania płynów, bezpieczniejsza i bardziej przyjazna dla środowiska produkcja ciągła-------Dzięki dobremu przenoszeniu ciepła przez mikroreaktor temperatura reakcji nie będzie się nadmiernie kumulować i jest dokładnie kontrolowana w określonym zakresie, co może zmniejszyć potencjalne ryzyko wybuchowy. Mikroreaktory normalnie pracują w sposób ciągły, ilość reagentów w mikroreaktorze jest bardzo mała. Pozwala to na późniejsze przetwarzanie niestabilnych półproduktów i pozwala uniknąć typowych opóźnień w przetwarzaniu wsadowym. Czas przebywania niestabilnego medium reakcyjnego jest bardzo krótki i nie ulegnie rozkładowi, nawet jeśli produkt pośredni reakcji lub produkt końcowy są substancjami toksycznymi i szkodliwymi, również dlatego, że ilość produktów wytwarzanych w jednostce czasu jest niewielka, a czas przebywania krótki, szkodliwość wypadków związanych z bezpieczeństwem jest znacznie zmniejszona. Wiele energicznych reakcji egzotermicznych, których nie można przeprowadzić w procesie okresowym, ale można przeprowadzić w mikroreaktorach, nawet kluczowe reakcje, takie jak nitryfikacja, można bezpiecznie przeprowadzić w wysokiej temperaturze.
• Chociaż mikroreaktor może syntetyzować chemikalia tylko w małych ilościach, skalowanie do wielkości przemysłowych jest po prostu procesem zwielokrotnienia liczby mikroreaktorów. W przeciwieństwie do tego procesy wsadowe zbyt często sprawdzają się dobrze w laboratorium, ale zawodzą na poziomie pilotażowej instalacji wsadowej.
• Technologia mikroreaktorów może również elastycznie zwiększać lub zmniejszać liczbę modułów mikroreaktorów w systemie zgodnie ze zmianami rynkowymi, aby realizować produkcję na czas, na miejscu i na zamówienie.
• Technologia mikroprzetwarzania może być wykorzystana do integracji mikromieszania, mikroreakcji, mikrowymiany ciepła, mikroseparacji, mikroanalizy i innych operacji jednostkowych oraz dopasowywania mikroczujników, mikrozaworów i innych urządzeń w ramach platformy lub nawet układ kontrolny do realizacji platformy lub wielofunkcyjna operacja oparta na chipie, aby uzyskać monitorowanie w czasie rzeczywistym i inteligentną kontrolę systemu mikroreakcji, poprawić szybkość reakcji i jednocześnie zaoszczędzić na kosztach reakcji.

Rodzaje reakcji odpowiednie dla mikroreaktorów

Jak dotąd mikroreaktor wielozadaniowy jest nadal ograniczony do reakcji jednorodnych, aw pewnym stopniu do reakcji w fazie gaz-ciecz iw fazie ciecz-ciecz. Według statystyk około 30 procent drobnych reakcji chemicznych można przeprowadzić w mikroreaktorach, aby poprawić wydajność, selektywność lub bezpieczeństwo. Zalety mikroreaktora znajdują odzwierciedlenie głównie w następujących rodzajach reakcji:

• Gwałtownie egzotermiczne reakcje-------W przypadku gwałtownych reakcji egzotermicznych w konwencjonalnym procesie reaktora zazwyczaj stosuje się metodę stopniowego dodawania kroplami lub dodawania porcjami. Mimo to nadal będzie dochodzić do lokalnego przegrzania i powstawać będzie pewna ilość produktów ubocznych. Dzięki dobrej charakterystyce wymiany ciepła mikroreaktora można precyzyjnie kontrolować temperaturę reakcji, wyeliminować miejscowe przegrzanie i znacznie poprawić wydajność i selektywność produktu.
• Reakcja z niestabilnymi reagentami lub produktami------Niektóre reagenty lub produkty są bardzo niestabilne i ulegają rozkładowi, zmniejszając wydajność produktów po pewnym czasie przebywania. System mikroreaktora jest systemem ciągłego przepływu, a czas przebywania reakcji można dokładnie kontrolować. Dlatego można uniknąć rozkładu spowodowanego niestabilnością reagentów lub produktów w konwencjonalnym reaktorze.
• Szybka reakcja ze ścisłymi wymaganiami dotyczącymi stosunku reagentów------Niektóre reakcje mają ścisłe wymagania dotyczące stosunku reagentów, a nadmiar jednego z reagentów spowoduje reakcje uboczne, takie jak reakcje wymagające monopodstawienia, będą powstają produkty podwójnie podstawione i trójpodstawione. System mikroreaktorów może natychmiast osiągnąć jednorodne mieszanie, co pozwala uniknąć problemu lokalnego nadmiaru każdego reagenta i minimalizuje produkty uboczne.
• Niebezpieczne reakcje chemiczne oraz reakcje w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem------Niektóre reakcje chemiczne, które łatwo wymykają się spod kontroli, gdy wymkną się spod kontroli, spowodują gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia reakcji, reagenty doprowadzą nawet do eksplozji. Ponieważ ciepło reakcji można szybko wyeksportować, a mikroreaktor jest reakcją z ciągłym przepływem, ilość chemikaliów w trybie online jest bardzo mała, więc bezpieczeństwo reakcji jest gwarantowane w mikroreaktorach.

Oczywiście nie wszystkie reakcje nadają się do układów mikroreaktorowych, jak np. bardzo powolne reakcje ciecz-ciało stałe, reakcje bez zjawisk egzotermicznych i endotermicznych, a tradycyjne procesy charakteryzują się już wysoką selektywnością i wydajnością reakcji.

Pułapki aplikacyjne mikroreaktorów

• Chociaż stworzono reaktory do obsługi cząstek, mikroreaktory generalnie nie tolerują dobrze cząstek stałych, często się zatykając. Wielu badaczy zidentyfikowało zatykanie jako największą przeszkodę dla mikroreaktorów[8], które są powszechnie akceptowane jako korzystna alternatywa dla reaktorów okresowych.
• Pompowanie mechaniczne może generować pulsujący przepływ, który może być niekorzystny. Wiele pracy poświęcono opracowaniu pomp o niskiej pulsacji. Rozwiązaniem o przepływie ciągłym jest przepływ elektroosmotyczny (EOF).
• Korozja stanowi większy problem w mikroreaktorach, ponieważ stosunek powierzchni do objętości jest wysoki. Degradacja kilku µm może pozostać niezauważona w konwencjonalnych naczyniach. Ponieważ typowe wymiary wewnętrzne kanałów mieszczą się w tym samym rzędzie wielkości, charakterystyka może ulec znacznym zmianom.
• Chociaż system mikroreaktorów można skalować do wielkości przemysłowych poprzez zwielokrotnienie liczby mikroreaktorów i może obniżyć koszty, ale zdolność przetwarzania systemu mikroreakcji jest również znacznie ograniczona. Podczas gdy liczba mikroreaktorów znacznie wzrasta, złożoność systemu monitorowania i kontroli mikroreakcji również znacznie wzrasta, a także znacznie wzrastają koszty inwestycji i eksploatacji rzeczywistej produkcji.

Aplikacje

Często zadawane pytania

 

Popularne Tagi: mikroreaktor lub reaktor mikrostrukturalny lub reaktor mikrokanałowy, dostawcy, producenci, fabryka, hurt, kup