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微化工设备:连续式反应器

一般反应器通常会是以玻璃、或是金属製成的容器,若是需要具有低反应性的而又不需要耐压力,那么就会是以玻璃製成居多;然而,若是会有气体、需要耐相对高压的反应,就会倾向使用金属(如不锈钢)製成的反应器。

除了材质的差异以外,反应器也依其设计而有不同的类型。最通用的就是所谓的「批式反应器」( Batch Reactor ),一次加入特定量的反应物,进行一个批次的反应,反应终止后将產物洩料取出,清洗过后,再重新加入下一批次的反应物进行反应。

另一种反应器為「连续式搅拌槽反应器」 ( Continuously Stirred Tank Reactor, CSTR ),广泛的用在化工生產业中,主要不同的地方在於进料与出料都是连续性的。若是串联多个CSTR,可以阶段式的降低基质浓度,或是在每个阶段中进行条件的微调,以符合製程需求。

每种反应器类型都有其适合的用途,一般都根据各反应的需求,来选择合用的类型进行研发或是生產。这裡,我们来看看一种新的反应器类型。

汶颢微反应器结构图

汶颢微反应器结构图

反应快速筛选及新型反应的应用──微反应器 ( Microreactor ,又称为微流道反应器、微流体反应器)

什麽是微反应器呢?顾名思义,是一种微小的连续式反应器,通常是藉由特殊的微小通道(直径低于500 µm)作为其反应空间,当反应物流进通道就进行反应,流出即终止反应。藉由反应器的通道设计,使物质溷合效率非常高,并且比表面积较大,可快速带走热。

像这样的微反应器特别适用于怎麽样的反应呢?

高放热反应

因比表面积大,热交换效率高,可迅速带走产生之热能。对于放热快的反应可以提高其安全性、避免化学品产生爆炸,甚至进行批次式反应器因考量到安全性而无法进行的反应。

反应物昂贵或毒性高

反应物用量相当低,基本上可达到毫克等级(或更低,视浓度而定),对于昂贵的反应物,可以节省反应条件筛选时的用量。若是有毒性或会造成污染之反应物,亦可降低产生之污染。另外,因为此反应器的高热交换效率特性,在某些反应可以尝试较浓的反应物,进而降低使用之溶剂量。

进行一些新反应的开发

针对某些原本无法在批式反应器中进行的反应进行尝试,开发新的做法。

快速筛选反应的需求

使用微反应器,反应物需求量极小、反应速度快,可以快速进行多组反应,并且搭配灵敏的分析仪器,可以在短时间内作反应条件的筛选及优化

需要稳定性及低副产物的产出

以流速精准控制当量比和反应时间,容易控制压力,并且因反应为流动性质,反应物的浓度会不断降低,并且在特定时间后即离开反应器,可降低副反应的产生

反应规模放大之需求

微反应器系统可以在筛选到最适反应条件后,马上放大製程,此种反应器在放大时所遭遇的质传、热传、压降等变化因素相对较低,放大时相对不需要再从头尝试新的条件。除了可以在微反应器的体积上增大外,也可在反应器的数量上增大。如一个反应器架,可加上多片反应器晶片,平行进行反应等。

微反应器已成为新一代化学反应快速筛选的选项之一,汶颢微流道连续式反应器,除了控温系统以及进料用的注射,针对各种反应设计了多款、多层玻璃反应器晶片,可依据反应的速度以及混合方式选择相对应的晶片使用,仅需要极微量的反应物即可进行反应筛选。