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微通道反应器简介

近年来,微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道,因此,微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础,对其进行系统深入的研究具有重要意义。

20世纪90年代初,可持续与高新技术发展的需要促进了微化工技术的研究,其主要研究对象为特征尺度在微米级的微通道,由于尺度的微细化使得微通道中化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高,即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。自微通道反应器面世以来,微通道反应技术的概念就迅速引起相关领域专家的浓厚兴趣和关注,欧美、日本、韩国和中国等都非常重视这一技术的研究与开发。由于特征尺度的微型化,微化工技术的发展不仅 在技术领域中构成了重大挑战,也为科学领域带来许多全新的问题,在微尺度的化工系统中,传统的“三传一反”理论需要修正、补充和创新,系统的表面和界面性质将会起重要作用,从宏观向微观世界过渡时存在的许多科学问题有待于发现、探索和开拓。

特征尺度为微米和纳米级的微通道是微化工设备系统的主要组成部分,微通道内的单相、气液和液液两相流是微流体学的主要研究内容

微反应器的应用领域范围主要集中在以下方面:生产过程、能源与环境、化学研究工具、药物开发和生物技术、分析应用等。

1.什么是微反应器

微反应器是一个比较广泛的概念,且有很多种形式,既包括传统的微量反应器(积分反应器),也包括反相胶束微反应器、聚合物微反应器、固体模板微反应器、微条纹反应器和微聚合反应器等。这些微反应器都有一个根本特点,那就是把化学反应控制在尽量微小的空间内,化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米。而本文所指的微反应器具有上述反应器的共同特点,但又有所区别,主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应系统(见图1-2),通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道,化学反应发生在这些通道中,因此微反应器又称作微通道反应器(microchannel)。严格来讲微反应器不同于微混合器、微换热器和微分离器等其他微通道设备,但由于它们的结构类似,在微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备中可以进行非催化反应,且当把催化剂固定在微通道壁时,微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备就成为微反应器,因而国外有的学者将这一类型的微通道设备统称为微反应器。微反应器还应与微全分析设备相区别,虽然它们的结构可以相同,但它们的功能和目的完全不同。

汶颢连续化微通道反应器

2.反应器起源与演变

“微反应器(microreactor)”最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器,其尺寸约为10 mm。随着技术发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域,前缀“micro”含义发生变化, 专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器,但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化,更重要的是它具有一系列新特性,随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。

微加工技术起源于航天技术的发展,曾推动了微电子技术和数字技术的迅速发展。这给科学技术各个分支的研究带来新的视点,尤其是在化学、分子生物学和分子医学领域。较早引入微加工技术的是生物和化学分析领域。自从1993 年Richar Mathies 首先在微加工技术制造的生物芯片上分离测定了DNA 片段后,生物芯片技术与计算机的结合,促成了基因排序这一伟大的科学成就;而化学分析方面,差不多同时发展了在组合化学、催化剂筛选和手提分析设备等方面有着诱人应用前景的微全分析系统(μTAS) 。而把微加工技术应用于化学反应的研究始于1996年前后, Lerous和Ehrfeld 等各自撰文系统阐述了微反应器在化学工程领域的应用原理及其独特优势。现在微反应技术吸引了众多学者在各个领域展开深入的研究,形式多样的新型微反应器层出不穷,成为化学工程学科发展的一个新突破点。

3.反应器的分类及结构

①按微反应器的操作模式可分为:连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器。

②按微反应器的用途可分为:生产用微反应器和实验用微反应器两大类,其中实验用微反应器的用途主要有药物筛选、催化剂性能测试及工艺开发和优化等。

③若从化学反应工程的角度看,微反应器的类型与反应过程密不可分,不同相态的反应过程对微反应器结构的要求不同,因此对应于不同相态的反应过程,微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。

3.1气固相催化微反应器

由于微反应器的特点适合于气固相催化反应,迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应,因而气固相催化微反应器的种类最多。最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。具有代表性的气相微反应器是麻省理工学院Ravi Srinivason等设计制作的T 形薄壁微反应器。该反应器用于氨的氧化反应,氨气和氧气分别从T 形反应器的两侧通道进入,分别经过流量传感器,在正下方通道进口处混合,正下方通道壁外侧装有温度传感器和加热器,而T形反应器的薄壁本身就是一个换热器,通过变化薄壁的制作材料改变热导率和调整壁厚度,可以控制反应热量的移出,从而适合放热量不同的各种化学反应。

此外,Franz 等还设计制作了一种用于脱氢/ 加氢反应的微膜反应器,因为耦合了膜分离功能,反应物和产物在反应的同时进行分离,使平衡转化率不断提高,同时产物的收率也有所增加。

耦合反应、加热和冷却3 种功能的微反应器

耦合反应、加热和冷却3 种功能的微反应器

T形薄壁微反应器

T形薄壁微反应器

微膜反应器及其制作流程

微膜反应器及其制作流程

3.2液液相微反应器

液液相反应的一个关键影响因素是充分混合,因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起,或者本身就是一个微混合器。专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。主要有BASF 设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。两者分别代表了两种典型的液相混合方式,前者采用静态混合方式,即将流体反复分割合并以缩短扩散路径,而后者采用流体动力学集中方法,即多个进料微通道呈扇形分布,集中汇入一个狭窄的微通道,通过液体的扩散作用迅速混合。而英国Hull大学则设计了一种T 形液液相微反应器,该微反应器最大的特点是用电渗析(electro – osmotic flow) 法输送流体,如图所示:它由底板和盖板两部分组成,两部分用退火法焊接在一起。底板上蚀刻的微通道呈T 形状,其中一条微通道装有金属催化剂。盖板上有A、B和C共3个直径为2mm的圆柱形容器与微孔道连通,用于贮存反应物和产物。盖板上的容器内装有铂电极,用于加载电流。气液相微反应器的研究较之液液相微反应器更少,所报道的微反应器按照气液接触的方式可分为两类。

 T 形液液相微反应器

T 形液液相微反应器


3.3气液相微反应器

一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道,整个结构呈T 字形。由于在气液两相液中,流体的流动状态与泡罩塔类似,随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型,这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔

另一类是沉降膜式微反应器,液相自上而下呈膜状流动,气液两相在膜表面充分接触。气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大,其内表面积均接近20 000m2/ m3,比传统的气液相反应器大一个数量级。

3.4气液固三相催化微反应器

气液固三相反应在化学反应中也比较常见,种类较多,在大多数情况下固体为催化剂,气体和液体为反应物或产物,美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器,其结构类似于固定床反应器,在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒,气相和液相被分成若干流股,再经管汇到反应室中混合进行催化反应。麻省理工学院还尝试对该微反应器进行“放大”,将10个微填充床反应器并联在一起,在维持产量不变的情况下,大大减小了微填充床反应器的压力降。

气液固三相催化微反应器-充填活性炭催化剂的微填充床反应器

气液固三相催化微反应器-充填活性炭催化剂的微填充床反应器

气液固三相催化微反应器-并联微填充床反应器系统

气液固三相催化微反应器-并联微填充床反应器系统

3.5电化学和光化学微反应器

电化学微反应器属于液相微反应器,而光化学微反应器其反应物既有液相也有气相的,由于它们都有其特殊性,故不能简单的划为液相微反应器或气相微反应器,而应单独列为一类。德国美因兹学院率先研制了一种用于从对甲氧基苯甲烷合成对甲氧基苯甲醛的电化学微反应器。

而美国麻省理工学院的研究者则在配备微型紫外灯的耐热玻璃/ 硅光化学微反应器中用苯甲酮成功地合成了醇。



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