Mikroreaktor või mikrostruktureeritud reaktor või mikrokanaliga reaktor

Mikroreaktoritehnoloogia lühijuhend

Mikroreaktoritehnoloogia on uus tehnoloogia peamiselt protsesside intensiivistamise kaudu rohelise keemilise sünteesi saavutamiseks, eriti peenkemikaalide, nagu kemikaalid, pestitsiidid, ravimid, mikromaterjalid ja nanomaterjalid, valmistamiseks. Mikroreaktoritehnoloogia on mikrokeemiline tehnoloogia, mis tekkis 1990. aastatel. See ei ole lihtsalt olemasoleva reaktori vähendamine, vaid üks uutest terviklikest süsteemidest, mis ühendab erinevaid elemente, nagu materjalitehnoloogia, mikrotootmise tehnoloogia, andurite tehnoloogia ja juhtimistehnoloogia. Mikroreaktor on uut tüüpi miniatuurne pidevvooluga torujuhtme reaktor, mille südamikuks on mikronisuurused struktuurikanalid reaktsiooni, segamise, eraldamise ja muude funktsioonide teostamiseks. Mikrokanaliga reaktori "mikro" ei viita mikroreaktori seadme väiksusele või väikesele toote saagisele, vaid pigem sellele, et vedelikukanalid on mikromeetri või millimeetri skaalal. Mikroreaktsiooniprotsess viitab nende seadmete poolt konstrueeritud reaktsioonisüsteemi protsessile. Mikroreaktsioonisüsteemi nimetatakse ka mikrokeemiliseks süsteemiks, mis on keemilise protsessi mikrosüsteem. Mikrokeemilise süsteemi projekteerimine ja arendamine põhineb ideel muuta keemiaseadmed miniatuurseks ilma seadmete töötlemisvõimsust vähendamata, suurendades süsteemis toimuvate voolu-, segamis- ja ülekandeprotsesside kiirust ja juhitavust, protsessi valmimisaega. reaktsioon ja eraldamine lühendatakse, vähendatakse materjalide stagnatsiooni protsessis, vähendatakse kõrvalsaaduste moodustumist, et realiseerida roheline, ohutu ja tõhus keemiline protsess. Mikroreaktoritehnoloogia on muutunud üheks oluliseks arengusuunaks keemiliste protsesside intensiivistamise valdkonnas, mida kasutatakse laialdaselt meditsiini, pestitsiidide, peenkeemiatoodete ja vahesünteesi valdkondades.

Mikroreaktor ehk mikrostruktureeritud reaktor ehk mikrokanaliga reaktor on seade, milles keemilised reaktsioonid toimuvad suletud ruumis, mille tüüpilised külgmõõtmed on alla 1 mm; sellise kinnipidamise kõige tüüpilisem vorm on mikrokanalid. Mikroreaktoreid uuritakse mikroprotsesside inseneri valdkonnas koos teiste seadmetega (näiteks mikrosoojusvahetitega), milles toimuvad füüsikalised protsessid. Mikroreaktorid hõlmavad mikrotöödeldud struktuure, et võimaldada voolukeemia läbiviimist mikronimõõtkavas. Mikroreaktor on tavaliselt pidevvoolureaktor (kontrastselt perioodilisele reaktorile). Mikroreaktorid pakuvad tavapäraste mastaapsete reaktorite ees palju eeliseid, sealhulgas energiatõhususe, reaktsioonikiiruse ja saagise, ohutuse, töökindluse, mastaapsuse, kohapealse/nõudmisel tootmise ja palju täpsema protsessijuhtimise täiustused.

Mikroreaktori tehnilised omadused

• Suur eripind ja hea soojusülekanne------Mikroreaktori sees oleva mikrostruktuuri tõttu on selle eripind väga suur, mis võib olla sadu või isegi tuhandeid kordi segamisanuma eripinnast.Seega , sellel on hea soojus- ja massiülekandevõime. Soojusvahetuskoefitsient on tavaliselt vähemalt 25 kW m − 2K − 1, mis võimaldab materjalide hetkelise ühtlase segunemise ja tõhusa soojusülekande.
• Kõrge massiülekande efektiivsus ja kiire reaktsioonikiirus-------Mikrokanaliga reaktor võib sisaldada palju mikrokanaleid ning mikrokanalites olevad gaasi- ja vedelikuvedelikud võivad läbida voolu kiirusega 10-4 kuni 10-6m/s, vedelike segamisreaktsiooni protsess võib realiseerida materjalide hetkelise ja ühtlase segunemisreaktsiooni ning muuta tavalised keemilised reaktsioonid Aeg lüheneb tundidest - kümnetest tundidest sekunditeni - minutiteni ja saavutatakse suur läbilaskevõime.
• Reaktsiooni temperatuuri ja aja täpne juhtimine saagise parandamiseks-------Mikroreaktori suurepärased soojusülekande omadused võimaldavad reaktsioonitemperatuuri teatud vahemikus täpselt reguleerida, mis on väga oluline mõnede reaktsioonide puhul, mis hõlmavad vaheprodukte ja on termiliselt ebastabiilsed tooted peenkemikaalides. Reagendid voolavad mikrokanaliga reaktoris pidevalt Toorainete viibimisaega reaktsioonitingimustes saab täpselt reguleerida. Kui optimaalne reaktsiooniaeg on saavutatud, suunatakse see kohe järgmisse etappi või reaktsioon lõpetatakse, mis võib tõhusalt kõrvaldada pika reaktsiooniaja tõttu tekkivad kõrvalsaadused ja parandada saagist.
• Väiksem vedelikumahutavus, ohutum ja keskkonnasõbralikum pidevaks tootmiseks-------Mikroreaktori hea soojusülekande tõttu ei kogune reaktsioonitemperatuur liigselt ja seda reguleeritakse täpselt teatud vahemikus, mis võib potentsiaalset riski vähendada plahvatusest. Mikroreaktorid töötavad tavaliselt pidevalt, reagentide hulk mikroreaktoris on väga väike. See võimaldab ebastabiilsete vaheühendite edasist töötlemist ja väldib tüüpilisi partii töötlemise viivitusi. Ebastabiilse reaktsioonikeskkonna viibimisaeg on väga lühike ja ei lagune isegi siis, kui reaktsiooni vahe- või lõppsaaduses on mürgised ja kahjulikud ained, Samuti kuna ajaühikus toodetud toodete kogus on väike ja viibimisaeg lühike, on kahjulik ohutusõnnetuste arv väheneb märkimisväärselt. Paljusid jõulisi eksotermilisi reaktsioone, mida ei saa realiseerida perioodilises protsessis, kuid mida saab realiseerida mikroreaktorites, isegi võtmereaktsioone, nagu nitrifikatsioon, saab ohutult läbi viia kõrgel temperatuuril.
• Kuigi mikroreaktor suudab kemikaale sünteesida vaid väikestes kogustes, on tööstuslike mahtude suurendamine lihtsalt mikroreaktorite arvu mitmekordistamine. Seevastu partiiprotsessid toimivad liiga sageli laboris hästi, kuid ebaõnnestuvad partiipiloottehase tasemel.
• Mikroreaktoritehnoloogia võib vastavalt turumuutustele ka paindlikult suurendada või vähendada süsteemis olevate mikroreaktorimoodulite arvu, et realiseerida õigeaegselt, kohapeal ja eritellimusel valmistatud tootmine.
• Mikrotöötlustehnoloogiat saab kasutada mikrosegamise, mikroreaktsiooni, mikrosoojusvahetuse, mikroeraldamise, mikroanalüüsi ja muude seadmetoimingute integreerimiseks ning mikroandurite, mikroventiilide ja muude seadmete sobitamiseks platvormile või isegi juhtkiip platvormiseerimise või kiibipõhise multifunktsionaalse töö teostamiseks, et saavutada mikroreaktsioonisüsteemi reaalajas jälgimine ja intelligentne juhtimine, parandada reaktsioonikiirust ja samal ajal säästa reaktsioonikulusid.

Mikroreaktoritele sobivad reaktsioonide tüübid

Siiani on mitmeotstarbeline mikroreaktor piiratud homogeense reaktsiooniga ja teatud määral gaasi-vedeliku faasi ja vedelik-vedelik faasi reaktsiooniga. Statistika kohaselt saab umbes 30 protsenti peenkeemilistest reaktsioonidest läbi viia mikroreaktorites, et parandada saagist, selektiivsust või ohutust. Mikroreaktori eelised kajastuvad peamiselt järgmist tüüpi reaktsioonides:

• Tugevalt eksotermilised reaktsioonid{0}}Ägedalt eksotermiliste reaktsioonide puhul kasutatakse tavapärases reaktorprotsessis üldiselt järkjärgulist tilkhaaval või partii lisamist. Sellegipoolest jääb ikkagi lokaalne ülekuumenemine ja tekib teatud kogus kõrvalsaadusi. Mikroreaktori heade soojusülekandeomaduste tõttu saab reaktsiooni temperatuuri täpselt reguleerida, välistada lokaalse ülekuumenemise ning oluliselt parandada toote saagist ja selektiivsust.
• Reaktsioon ebastabiilsete reagentide või toodetega------Mõned reagendid või tooted on väga ebastabiilsed ja lagunevad ning vähendavad toodete saagist pärast viibimisaega. Mikroreaktori süsteem on pideva vooluga süsteem ja reaktsiooni viibimisaega saab täpselt kontrollida. Seetõttu saab vältida reaktiivide või saaduste ebastabiilsusest tingitud lagunemist tavapärases reaktoris.
• Kiire reaktsioon rangete nõuetega reagentide suhtele------Mõnel reaktsioonil on reagentide suhtele ranged nõuded ja ühe reagendi liig põhjustab kõrvalreaktsioone, näiteks monoasenduse nõudeid. moodustuvad kahe- ja triasendatud produktid. Mikroreaktorisüsteem võib saavutada koheselt homogeense segunemise, mis väldib iga reagendi lokaalse liia probleemi ja minimeerib kõrvalsaadusi.
• Ohtlikud keemilised reaktsioonid ning kõrge temperatuuri ja kõrgsurve reaktsioonid------Mõned keemilised reaktsioonid, mis on kergesti kontrolli alt väljunud, põhjustavad reaktsiooni temperatuuri ja rõhu järsu tõusu ning reagendid tekitavad isegi plahvatuse. Kuna reaktsioonisoojust saab kiiresti eksportida ja mikroreaktor on pideva vooluga reaktsioon, on võrgus kasutatavate kemikaalide hulk väga väike, seega on mikroreaktorites reaktsiooni ohutus tagatud.

Loomulikult ei sobi kõik reaktsioonid mikroreaktorisüsteemidele, näiteks väga aeglased vedelik-tahke reaktsioonid, reaktsioonid ilma eksotermiliste ja endotermiliste nähtusteta ning traditsioonilised protsessid on juba kõrge selektiivsuse ja saagisega reaktsioonid.

Mikroreaktorite rakenduslõksud

• Ehkki osakeste käitlemiseks on tehtud reaktoreid, taluvad mikroreaktorid üldiselt halvasti tahkeid osakesi, sageli ummistudes. Paljud teadlased on tuvastanud, et ummistus on suurim takistus mikroreaktorite[8] jaoks, mis on laialdaselt aktsepteeritud perioodiliste reaktorite kasuliku alternatiivina.
• Mehaaniline pumpamine võib tekitada pulseeriva voolu, mis võib olla ebasoodne. Madala pulsatsiooniga pumpade väljatöötamisele on tehtud palju tööd. Pideva vooluga lahendus on elektroosmootne vool (EOF).
• Korrosioon tekitab mikroreaktorites suurema probleemi, kuna pindala ja ruumala suhe on kõrge. Mõne µm lagunemine võib tavapärastes anumates jääda märkamatuks. Kuna tüüpilised kanalite sisemõõtmed on samas suurusjärgus, võivad omadused oluliselt muutuda.
• Kuigi mikroreaktorisüsteem võib mikroreaktorite arvu mitmekordistades suurendada tööstuslikku mahtu ja vähendada kulusid, on ka mikroreaktsioonisüsteemi töötlemisvõimsus väga piiratud. Mikroreaktorite arvu suurenemise ajal suureneb oluliselt ka mikroreaktsiooni seire- ja juhtimissüsteemi keerukus ning tegeliku tootmise investeeringud ja tegevuskulud.

Rakendused

KKK

 

Kuum tags: mikroreaktor või mikrostruktureeritud reaktor või mikrokanaliga reaktor, tarnijad, tootjad, tehas, hulgimüük, ost