化工过程强化系列2:微通道过程强化的原理-汶颢股份
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化工过程强化系列2:微通道过程强化的原理

本期说一说微通道反应器的原理问题,在这里我对微通道反应器作为过程强化设备其特点总结为以下四点:

1.连续操作带来的效率提高。

2,规整流动带来的结构可控。

3.微通道带来的比表面积增加。

4.微通道带来的传递长度减小。

第一点我们上一期已经做过介绍,任何连续化的操作都可以带来效率的提高。举例来说,原本在搅拌釜内的反应,进料一个小时,反应两个小时,放料两个小时。那么一个操作周期四个小时,实际上进行反应的时间只有两个小时。如果将操作变成连续的,那么四个小时全部用来反应,整体效率就提高一倍。这也是我上一期的观点,很多流程,只要能进行连续化操作就能产生经济效益,在这里我就不多提了。

第二点就是规整流动带来的结构可控,这里我引用一张微通道反应器内液-液流动的图像

图1 

我们看到,在这个图里有两种液体,一种是油一种是水,我们发现通过一个T型口将油滴注射进入微通道后,油滴非常规律的在分散在水中。形成一种所谓泰勒流,这种流动状态导致微通道内一段是水一段是油。而且流体力学告诉我们,只要微通道尺寸确定,加料速度确定,那么油滴的大小和间距就一定是确定的,整体流动非常规律。这个现象不单在两种液体中发生,对于气液过程也是一样,我们也可以这样把气体通入水中得到固定大小的气泡。

这种现象有什么好处呢,有两个好处:

其一,我们看油滴的大小,基本上和通道大小在一个尺度上,这个通道如果是1mm,油滴大小大概在1-3mm。如果我们把通道变成0.1mm,油滴的尺寸也要对应减小。也就是说我们可以变相地得到在水中分布的,尺寸仅有0.1mm左右的油滴。这个分散效果,我们的常规搅拌很难达到,就比如说我们的萃取过程,我们用搅拌釜无论怎么设计都不容易让把油相打碎到这么小的尺寸。 所以微通道内的分散效果,一般反应器难以达到。

其二,规律流动更重要的意义在于有些物质的合成会受到尺寸效应的影响。比如说乳液聚合,以及某些纳米材料的结晶合成过程。就拿聚合反应来说,乳液聚合一般在油相中完成,聚合度一般会与油滴的大小有关。在搅拌反应器中油滴大小有大有小,不好控制,最后得得到的产品聚合度一定是宽分布的,在微反应器内油滴大小是可控的,最后得到的产品聚合度基本差不多,产品品质就会更高。对应的还有纳米材料,如果纳米材料颗粒分布窄的话品质就高,售价也能成倍提高。所以对这些有尺寸要求的产品,这一点意义就比较明显。

第三点我们要谈的就是微通道反应器的比表面积增加。原理很简单,我们看下面这个图就可以了。

图2 

我们知道一个常识就是,设备内的反应放出的热量是与体积成正比的,因为反应是发生在整个设备内部的。但是这些热量从体系内移除是通过表面的,也就是说同设备的表面积成正比。对于一个圆柱形容器,不考虑两端的情况下,它的体积与半径立方成正比,面积与半径平方成正比。在这里我们再说一下比表面积的概念,它是设备换热面积与体积的比值,比表面积越大设备的移热能力就越强。同时我们可以看到比表面积与半径成反比,也就是说半径越大的设备换热能力越差。

换热能力这在化工中对工艺的影响也是明显的。比如说酸碱中和反应,比如说用烧碱中和硫酸。工厂里做这个操作可能需要半个小时到一个小时的时间,实际上这个反应很快,大概在毫秒级。但是这个反应放热,必须要把热量移走,因此在工厂里面只能一点一点的把烧碱加到反应釜里,然后反应釜用冷却水冷却。烧碱的加料速度完全取决于反应釜的移热能力,反应本身可以很快,你可以一下吧烧碱全部加进去,但是放热问题解决不了,溶液会升温甚至沸腾,非常危险。如果有有一个设备能够瞬间把反应热移走,那么烧碱就可以快速加入,节省大量操作时间。这就是微通道的意义,我们可以把通道做的很小,然后让一些放热非常强的反应也可以安全快速地进行。

最后一个特点就是传递长度减小的问题,这个问题就比较抽象了,首先我们来说说边界层,这个我们搞化工的都懂。

图3 

流体在贴近管壁的一段会是层流,层流这个过程比较稳定,不利于传递,是一个阻力一般的存在。这个层流层越厚,传热传质受到的阻力也就越大。这个层流层有多厚和物料特性还有通道结构有关,不容易确定。但是这个层流层无论多厚它都是在管子里的,不可能比管子半径大。也就是说,通道越细。层流层就有可能越薄传递阻力也就越小。另外通道内壁不是平滑的,会有一定粗糙存在。这个在大通道内可以忽略,在微通道内却影响很大,本来层流层就薄,碰上粗糙表面很容易被破坏。因此微通到内的传递就能得到明显加强。另外就是混合作用,两种流体混合,在微通道内相当于强行将流体挤压到一个狭小的空间,这对于混合很有帮助。在一般搅拌釜内也是做不到的。

在这里我们说了一下微通道反应器的四个有点。在总结这四个点的时候,也对我们工业生产提一个思路。现在微通道的结构非常多,一般来说为了实验需要,做出来的反应器都是比较中庸的,尽可能的照顾到这四个特点:连续化,规律流动,比表面积以及传递强度。

为了让微反应器能够尽可能的适应各种条件,导致现在微反应器造价很高。但在生产中实际上完全可以根据需要特化某个特点,做到一个定制化,这样可以明显降低成本。比如说萃取,萃取没有规律流动的要求,不会强放热,因此需要的就是尽可能的缩短传递长度。在这种情况下我们就可以把有限的加工消耗放在混合结构上,而不用去花精力做一些有利于传热的结构,有所取舍这样就能达到很高的效果,还能降低成本。在比如说酸碱中和,混合问题不大,关键是传热,因此我们就可以增加传热面积,用高导热材料。所以推进一个过程强化流程也是一样的,首先分析需要什么再进行特殊设计完全可以增加效果,降低成本。

在比如说规律流动的取舍问题,最早的反应器都是T型或Y型的,这个反应器内部都是层流,流动规律可预测,但是混合效果差。这可能对做纳米材料很重要,但是我们一般用来做合成,规则流动这一点就不是特别重要了。所以我们可以看到一些特殊的流道,可以加大流体的湍动特性。下图可以看到微通道反应器道结构的一些变化。

图4 

本期我们介绍了微通道反应器的几大优势,而从下一期开始我们来说一说微通道反应器的适用性问题,那些反应有可能在微通道中进行,微通道反应器的局限在哪里。

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