微通道反应器

“微反应器“也被称为“微通道”反应器(Microreactor,Micro-channelreactor),是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器等微通道化工设备的通称。

21世纪化学工业发展的一个趋势就是安全、清洁、高效、节能和可持续性,尽可能地将原材料全部转化为符合要求的最终产品,实现生产过程的零排放。要达到这一目标,既可以从化学反应本身着手,通过采用新的催化剂或合成路线来实现,即化学的方法;又可以从化学工程角度出发,采用新的设备或技术,通过强化化工生产过程来实现,即工程的方法(过程强化)

微反应连续流技术的一大特点是快速工艺开发,微反应连续流小试工艺开发平台自动化程度高,一天内可以轻轻松松完成几十组实验,极大地提升工艺开发的效率。

微反应连续流技术的另一特点是工艺转化中没有放大效应。小试工艺,无需中试,可以直接放大生产。可以大大缩短时间从而满足市场的需求。

“微反应器“也被称为“微通道”反应器(Microreactor,Micro-channelreactor),是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器等微通道化工设备的通称。

微反应连续流技术的使用可以节省占地、人员成本,新技术自动化程度高,过程可控性大,生产更加安全,生产效率高,运行费用低,产品质量有保障。新技术的使用可促进国内技术的快速升级,提升产品在国际市场的地位。

连续流合成范围及领域不断扩展,不但包括传统的反应类型及医药及精细化工行业,还延展到电化学、光化学、微波化学、纳米材料以及功能材料等领域。

微通道反应器优势及价值(与传统釜式搅拌釜比较):

100X混合和传质提升:提高收率、减少溶剂、环保;

1000X传热强化:温控准确、减少副反应、节能;

1/1000X釜式反应器体积:本质安全、减少占地、提高亩产效益;

从实验室到工业化无放大效应:无需中式,快速市场响应,降低运营风险;

高质量:耐温、耐压、耐磨、耐热冲击、耐腐蚀:性能稳定、使用寿命长、安全可靠;

7*24连续稳定运行:质量稳定、减少人工、便于实现智能化生产。

微反应器与常规釜式反应器

常规釜式反应器

在传统化工工业中,制药、精细化学品和化工中间体的合成大多在间歇或半间歇釜式反应器内进行,具有操作灵活、易于适应不同操作条件,适于小批量、多品种、反应时间较长的产品尤其是精细化学品与生物化工产品的生产以及有固体存在的反应过程等优点。但其存有明显缺陷如装料、卸料等辅助操作耗时、过程不连续;同时由于传统釜式反应器的热质传递能力较弱,导致其产品质量稳定性差、对强放热反应的控制能力差。

微反应器

微化工系统包含化工单元操作所需要的混合器、换热器、吸收器、萃取器、反应器和控制系统等。作为微化工技术核心部件的微反应器,更确切地应称为微尺度或微结构反应器,其流动具有微流动特征。微化工器件的内部通道特征尺度在微尺度范围(10~500μm),远小于传统反应器的特征尺寸,但对分子水平的反应而言,该尺度依然非常大,故利用微反应器并不能改变反应机理和本征动力学特性,而微反应器正是通过改变流体的传热、传质及流动特性来强化化工过程的。与常规尺度反应器相比,特征尺度的微微细化为微反应系统带来了一系列优点:

大比表面积

在微反应器内,由于内部通道特征尺度的减小,比表面积大大提高,如当通道特征尺度在100~1000μm范围内时,比表面积可高达4000~40000m2/m3,而常规尺度实验室或工业反应器比表面积一般在100~1000m2/m3,此时微反应器内空气的层流传热系数可高达100~1000W/(m2·K),水的层流传热系数更是高达2000~20000W/(m2·K),在常规反应器内这几乎是一个不可逾越的值。由于微反应器内传热速率的大大增加,反应物或产物能快速被加热或冷却,使得在拟等温条件下精确控制停留时间成为可能,有效地抑制了反应热的积累和反应床层热点的形成,最终提高了反应的转化率、选择性和产品的质量,因此微反应器常被用于强放热/吸热反应过程。

另外,对于圆管内层流流动,当管壁温度维持恒定时,由公式(1)可见,传热系数h与通道特征尺度d(通道当量直径)成反比,即通道特征尺度越小传热系数越大。

Nu=hd/λ(1)

故在微通道内可实现高效换热过程。式中Nu为努塞尔数,λ为导热系数。

同理,对于圆管内层流流动,当组分在管壁处的浓度维持恒定时,由由公式(2)可见,传质系数k与通道特征尺度d(通道直径)成反比,即通道特征尺度越小传质系数越大。

Sh=kd/D(2)

故在微通道内可实现液固高效传质过程。式中Sh为传质舍伍德数,D为扩散系数。

(2)大比相界面积

对于气液体系而言在微通道内,流体特征尺寸通常在几十微米到数百微米,当特征尺度处于50~500μm范围内时,理论上微流体的比表面积可高达2000~

20000m2/m3,较常规设备大1~2个数量级。目前已有的比相界面积最大的微化工系统为降膜式微反应器[19],高达25000m2/m3,而传统鼓泡塔的比相界面积仅能达到100m2/m3左右,即使采用喷射式对撞流的气液接触式反应器的比相界面积最大为2000m2/m3左右[20],若在微型鼓泡塔中采用环流流动操作方式,理论上其比相界面积可以达到50000m2/m3以上[21,22]。

对于液-液体系而言,在液-液界面张力的作用下,通常其比相界面积通常要比同样操作条件的气液体系要大,可达5000~50000m2/m3。

显然,流体比相界面积的增加对于一些多相反应或传质过程极为有利,甚至在多相体系中只要有一相的流体层厚度被控制在微尺度范围内,就可达到强化传质的目的,故在微通道内可实现多相体系的高效传质过程的操作。

(3)体积小

由于微通道线尺度的缩小,微系统的内部体积急剧减小,对微分析或微反应器系统而言,典型值可达几个微升,由此可减少构造材料的用量及分析试剂的用量。微反应器内部体积的缩小不但有利于传热,而且能够加强对反应过程的控制,如终止自由基链增长,拓宽反应的安全操作范围,由于内部体积的缩小使自由基易于在微通道壁面上湮灭,避免爆炸的发生。同时,可大大减少反应过程中的持液量和增加反应器的耐压能力,因此微反应器系统具有极高的内在安全性,可以进行一些常规条件下难于安全、平稳进行的反应过程。

(4)直接并行放大

微反应器系统内每一通道均相当于一个独立的反应器,故放大过程即为通道数目的叠加过程(Numbering-up)。通常而言微反应器的放大过程包含:单一反应芯片上微通道数目的增加和结构优化,即横向放大模式;多个反应芯片间的排列和叠加,即纵向放大模式,通过以上两个层次的放大可节约微反应器系统的研发时间和成本,实现科研成果的快速转化。

(5)过程连续

对于受传递控制的快速反应过程,利用微反应器可实现连续操作,可有效地缩短停留时间,提高反应速率,使之接近其本征动力学控制范围,可有效抑制副反应,提高转化率和目的产物的选择性,实现高空速操作模式,因而具有较高的时空收率,这种效果在金属有机合成反应中得到了验证。

(6)高度集成

利用成熟的微加工技术可将微混合、微反应、微换热、微分离、微分析等多个单元操作和一些与之相匹配的微传感器、微阀等器件集成到一块反应芯片上,实现单一反应芯片的多功能化操作,从而达到对微反应系统的实时监测和控制,以增加反应速度和节省成本。

(7)混合时间短

微反应器系统内流体厚度通常在微米量级,其混合时间通常小于1s,通过混合通道的结构优化设计甚至可达毫秒级,而常规尺度反应器的混合时间通常大于1s。

(8)能耗低

现有研究表明,完成同一个反应过程,与传统尺度反应器相比采用微反应器系统的能耗要低很多,如:与固定床反应器相比,在相同操作条件下微反应器的压降减小到原来的1/3~1/4;研究者们通过对微混合器内油水两相乳化过程进行的能量耗散分析可知,当液滴尺寸分布以及乳化液稳定性与传统尺度搅拌釜内的结果相当时,其能耗同样降低许多[27];保持同样的收率,采用微反应器可使反应温度由常规尺度反应器内的-60℃升高至0℃,大大降低了过程能耗。

(9)工艺绿色化

采用微反应器技术,可实现常规尺度反应器内不能进行的芳香族化合物的直接氟化反应过程,即用单质氟作为反应物进行氟化反应,与传统的间接多步过程相比,获得了较高的转化率和产率,提高了剧毒物质氟的利用率,基本实现氟化反应绿色工艺。另外,利用微反应器技术还可降低有机合成反应中溶剂的使用量。