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微反应器与传统反应器在放大反应中的对比

在化学反应器中,放大化学反应器的作用是将反应器中的热量、动量、质量的传递过程与所发生的化学反应有效地结合起来,从而使反应器从实验室规模的生产,发展成具有工业化规模生产能力。化工反应器扩产是实现优质化工产品大规模生产,创造经济价值,实现工业化进程中不可缺少的过程。反应装置的放大方法一般可分为尺寸放大和数量放大。缩放是把反应器的规模扩大到工业规模的能力,缩放是把许多具有良好反应性能的实验室规模的反应器通过串联或并联组合而达到工业规模生产能力的方法。

常规反应放大

常规反应器的放大一般是按尺寸放大,最常用的是按步放大。以小试、中试、火试等多阶段试验为手段,对实验室规模反应器进行逐级验放,逐步扩大规模,最终实现工业化生产。根据运动相似性、几何相似性、传热相似性等原理,使上一级获得的试验数据与下一级比较接近,因此,在研究上一级试验中起主要作用的问题,在下一级试验中予以解决和修正。举例来说,对于较大规模的实验装置反应器设计,需要计算好反应器所需的传热面积,并考虑如何加强传热,为了增加传热推动力,可以改变传热介质,增加传热系数,并在传热面上加设隔板,从而增加传热面积,以满足反应器的热平衡要求。

目前采用的方法比较普遍,它是以工程经验为基础,对许多工艺复杂的工艺过程可以进行放大;缺点是放大时间较长,成本较高,且放大效率不高。

除逐级经验放大法外,传统的化工过程放大还存在数学模型放大法。这种方法是在以往研究者积累的反应传递机制基础上,尽可能地建立完整的数学模型,并根据实验数据不断地修正和完善模型参数,使模型能最大限度地符合实验数据。用这种方法提高放大倍数的关键是建立精确的数学模型,与逐级经验放大法相比,这种方法可以节省时间,而且可以得到较高的放大倍数。这种方法的缺点是很难建立简单而精确的数学模型,而且需要研究人员对反应的传质、传热和机理有很深的了解,因而不能很好地应用于较复杂的化学反应过程。

传统的两种反应器放大方法都属于尺寸放大,而且采用这种放大方法不可避免会产生“放大效应”,因为在反应器的尺寸等比例放大后,传质传热比表面积必然减少,导致了工业规模反应器的传质传热过程不能像实验规模反应器那样顺畅,例如,在实验室使用1L的反应器进行换热操作时,反应器的传热面积只有0.03hz;而在工业规模的1000L反应器中,直接等比例扩大到工业规模的1000L反应器,其换热面积只有3hz,单位体积的换热量仅为实验室所用反应器换热面积的1/10。所以,化学反应器的放大是化工领域开发研究中急需解决的问题。

微反应放大

微反应的放大过程与传统的反应器有很大的区别,它只需要简单地增加微的通道结构的数量,也就是微反应的数量增大,而不必把微反应内部的微通道结构的大小放大,因此,微反应的放大过程具有“放大效应”。微通道反应器的数量放大法目前基本采用的是并行放大法,微通道间采用平行并联法,从而使微反应器处理通量随微通道数的增加而增加。

微反应器.jpg

气液两相中参与反应的流体由入曰进入,经进相分布器再进入并行微通道进行混合,最后气液吸收完成的混合液经出相集流腔经出口离开反应器。进水分布器的作用是使平行于各微流道的气液两相流分布均匀,有利于各微流道在相同条件下的吸收过程,从而保证微反应器产品质量的稳定性。

我国在微反应器的放大和应用方面已经取得了一定的成果。在2007年9月,陈光文中成功地试运行了一套用于液氨稀释,氨气吸收的微混系统,年处理量达10万吨。在此基础上,成功研制了骆广生鱼纳米碳酸巧微反应器,年生产量1万吨,可工业化生产。同时,陈光文还研制出一套体积小于6L的微化工装置,该装置年产量可达8万吨矶酸二氨元的工业规模。

微反应器作为一种新兴的技术,在传统工业领域,其应用范围还很广,其应用范围也很广,尤其是微反应器的放大问题成为阻碍其应用于实际生产的最大障碍。但微反应器的放大过程并不存在“放大效应”,且考虑到将实验成果转化为实际生产的成本较低,因此,微反应器的放大问题在未来仍有重要的研究价值。



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