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微反应器到底是什么?有几种?到底能做什么?

发布日期:2023-12-28 00:00:00 作者: 点击:

先说微反应器的概念,微通道技术为什么可以受到众多大型化工集团及国家层面的认可?因为微通道技术是一项过程强化技术,不仅是当今较为主流的实现安全、高效、环保的化工生产技术,更是化工生产实现本质安全的最佳方案,而且也是化工技术未来发展的的一个重要方向。

有很多人会产生误会的点是:微反应器的“微”,是指流体通道在微米或毫米级别,第一届关于“微通道和微小型通道”的国际会议将微通道的特征尺度定义在了10um~3.0mm范围内,而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可含有多至数百万的微型通道,因此反应物间传质传热效率高反应速度相当快。微反应器的处理量可以根据其应用目的不同需求来进行设置。

化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。就瞬时和快速反应而论,在传统尺度反应设备内进行时,受传递速控制,而微尺度反应系统内由干传递速率呈数量级提高,因此这类反应过程速率将会大幅度提高;如氧碘化学激光器中的激发态氧发生器(氯气用双氧水碱溶液反应)、烃类直接氟化。慢反应主要受本征反应动力学控制,其实现过程强化的关键手段之一在于如何提高本征反应速率,通常可采用提高反应温度、改变工艺操作条件等措施;而中速反应则由传递和反应速率共同作用,也可采取与慢反应过程类似的措施。目前工业应用的烃类硝化反应大多属于中慢速反应过程,反应时间在数十分钟至数小时,在微反应器内可采用绝热硝化并同时改变工艺条件可使反应时间缩短至数秒。因此,从理论上分析几乎所有反应现状过程皆可实现过程强化。

 接下来说种类。

 1.微通道反应器

微反应器的其中一种:微通道反应器,利用精密加工技术制造的特征尺寸在数百微米内的小型或微型反应器。

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1.1微通道反应器的特点

微反应器主要是指以表面科学与微制造技术为核心,经过微加工和精密技术制造的一种多通道微结构小型反应器,微反应器的通道尺寸仅有微米和毫米级别。微通道反应器中包含众多的微型通道,流体能够以特定的物理状态在反应器中进行组合流动,可以实现流体之间的效传质与传热

混合形式:微结构混合器是符合工程应用需求的高通量过程强化设备,传统混合过程主要依赖分子扩散和滴流混合两种机制实现,而在微化工系统中,由于其结构特征尺寸通常在微米尺度(若干到数百微米),混合过程没有滴流的参与,仅仅依靠分子扩散来实现。

微通道反应器类型:T型、水力学聚焦、同轴环管和几何结构破碎等多种类型。

微通道反应器的优势

①通过泵精准计量进料,严格控制两相物料进料比例,在提高原料转化率的同时降低原料用量;

②微通道比表面积大,传质传热效率高,是传统反应釜10~100倍;

③换热面积大、可精确控制温度,对快反应和强放热反应尤其有利。慢反应可快速给热,抑制平行副反应,提高产品的选择性和收率;

④连续化生产,能够达到万吨级的年产量;

⑤PLC系统控制,自动化程度高,设备占地面积小,检修方便;

⑥连续化生产过程中能够将反应生成的气体产物及时排出,不仅有利于反应正向进行且降低生产过程中的安全风险;

⑦连续化生产不存在混现象;

⑧缩短研发到生产转化的周期,产品能够根据市场需求进行快速变更;

⑨微反应器采用连续流动进料微管道中,在层流状态下流场分布均匀,可以精确控制物料在反应条件下的停留时间,因而可以方便地引发或终止反应;

⑩微反应器的放大是通过并行增加微反应器的数量,即“数增放大”效应。这种放大方式消除了过程中的放大效应,实验室小试和工业化生产反应条件基本保持一致,省去了中试的步骤,大大缩短了研发时间,节省了昂贵的中试设备资金,实现科研成果从实验研究到工业生产的快速转化。

2.微气泡反应器的介绍

2.1微气泡反应器的概述

微气泡是指存在于液体中,直径为微米级尺度的气泡。微气泡的直径通常在1-1000um。

微气泡反应器主要通过微界面强化传质技术来大幅提高气液、液液、液固等界面的传质效率,因此它特别适用于受传质速率控制的“慢”反应过程,这里所述的慢反应过程是指体系的本征反应速率远高于体系的传质速率,或传质速率对宏观反应速率的影响不能被忽视的反应过程。微界面强化作用的本质是由于微界面体系的传质速率相较于宏界面体系传质速率获得大幅加速或强化,从而全部或部分消除了由于宏界面体系的相界传质速率偏低而造成的传质瓶颈。

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2.2微气泡反应器的特点

微气泡反应器得以实现的关键技术在于如何稳定、可控地制备大量微气泡,目前实用化的微气泡制备技术,其主要指标包括微气泡的尺寸及均一性、制备速率、适用气体组分、装置的能量效率、可靠性、紧凑性等。根据气泡形成的方式可将气泡制备方法从原理上分为以下几类:

①溶气-释气法:气液两相流体首先进入加压的溶气罐中,较高的压力提高了气体溶解度,使大量气体溶解于液体中。溶气液体通过释放器时发生压力陡降和湍动,空切、剪切等多种作用使过饱和的气体从溶液中快速释放,产生大量微细气泡。该方法产生的微气泡尺寸范围约为10-150um。该方法的缺点在于溶气与释气的过程不连续。

②微孔曝气法:由孔板或多孔介质向液体通气,可以低能耗地形成大量气泡。为减少获得气泡粒径,可采用更小的孔径,或利用剪切流场、机械振动等施加外力,使气泡更容易从孔口脱落。缺点:由微孔通气制备微气泡时需要采用极小的孔径,给装置的制造加工带来困难,同时容易造成堵塞。

③引气-散气法:引气-散气法主要利用流场的剪切、碰撞等作用使较大的气穴破碎,形成微气泡。形成强剪切流动的流场中往往存在较强的负压区,因此这类技术中常将负压区和外界气体连通,通过负压抽吸将气体吸入。缺点:低速时气-液被动漩涡法的传质效果最好,但能耗较高。

④微流控方法:主要通过构造微流道内的气液两相混流产生微气泡,所得的微气泡粒径分布窄、可控性好,常用于制备单分散的微气泡群。该方法的核心元件为微控流芯片,芯片中两相混合段的基本流道结构主要包括T型、Y型、流动聚焦、共轴流等类型、

⑤超声/声压法:将声压与微孔通气结合,将声压施加于气相入流,可以控制孔口气穴的生长和脱落,以产生微气泡。缺点:该法产生的气泡粒径较为分散,多分散系数PDI约为100%,且粒径分布缺乏有效的模型表达。

⑥电解法:电解法主要通过电极电解产生微气泡,电极两端发生电化学反应,反应中附着在电极上的气泡不断增大,其直径R与时间t呈指数关系。

2.3微气泡反应器的优势

①气体进入反应器通过微界面形成均一稳定的微气泡,微气泡与液相在微尺度空间不断对撞混合,强化反应传质过程,解决传统气液反应器存在的气泡聚并、气泡大小不均一、气液传质效果差等问题。

②微气泡反应器以湍流流体力学理论为基础,通过对气、液颗粒的高效破碎和界面的精确调控度,使界面尺寸由普通反应器的厘米-毫米大小破碎成微米/纳米大小,使界面分子的传递效率实现数量级的跃升(10-103之间),反应效率随之提高。

③反应体系相界面尺度达到微米/纳米级,引发了微纳化学效应,可进一步加速化学进程和提高转化深度。

④反应器及附属设备压力可大幅下降,反应温度可适当下调,反应停留时间缩短,物料过量率降低。

⑤通过微界面反应器能够使化工生产能耗降低、物耗降低、排放降低,安全性提高、效益提高,实现真正意义上的绿色低碳生产。

3.微波反应器的介绍

3.1微波反应器的概述

微波反应器是采用微波功率自动变频控制和非脉冲连续微波加热的一款反应器,通过高精度的非接触红外温度传感器实时监测和控制反应容器内的温度,并同时配备电磁和机械两种搅拌方式。微波反应器对吸波性物质具有独特的加热作用,在加热过程中,由电场和磁场组成的微波对偶极子、自由电子和磁畴进行搅动,改变他们的运动方向和位置以及电子的旋转方向。微波反应器能够强化反应和分离过程,具有加热速度块,效率高,可催化和加速反应,自动化控制、能耗低,清洁无污染等特性。

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3.2微波反应器的特点

①微波及其作用原理

对于低介电损耗特性的物料,微波能够轻易穿透物料,而物料吸收微波所传递的能量也很低;对于具有较好介电损耗特性的物料,随介电损耗值的增加,其穿透深度不断降低,吸收微波的能量先增加后减少;对于块体金属等非介电损耗物料,微波会被反射导致穿透深度极低,物料所吸收的微波能量也极低。因此,通过对物料介电特性的研究,可知低损耗、低传热的物料可用作微波透波保温材料;非损耗物料金属板可用作微波腔体外壳材料;损耗较高的物料可以高效被微波加热和处理。

  ②微波加热机制

1)偶极损耗

偶极损耗是指某些物料,如水、极性溶剂等,被置于微波磁场中时其中的分子会极化产生偶极子,从而快速吸收微波而被均匀加热的一种损耗形式。

2)传导损耗

微波电场在纯金属粉体和半导体内部产生一个与外部磁场方向完全相反的感应磁场,这个感应磁场会产生一种迫使移动的电子以速度v向着相反方向移动的作用力,于是电子就获得了动能,而其运动受到了惯性、弹性碰撞以及分子之间相互作用产生的摩擦力的影响,震荡的微波电磁场会频繁导致这种现象的发生,由此实现物料内部的均匀加热

3)磁滞损耗

磁滞损耗是指在外部磁场快速改变方向而震荡的情况下引起物料内磁畴取向出现谐振而产生热量。

4)涡流损耗

外部磁场的强度在循环周期内处于不断增强阶段时,在导体表面会感应产生闭环的涡流,感应涡流会引发一个方向相反的感应磁场来抵抗外来磁场场强的增大,随着外部磁场场强的降低,感应漩涡又会引发一个感应磁场来抵消外部磁场强度的减小,感应漩涡方向的改变,微波能就会在物料内部损耗并转化为热能。

③微波强化反应过程的原理:

1)微波穿透极性溶剂在高电场强度区域快速完成原位的能量消耗,传热距离短,同时液体的导热能力强,即可快速实现整体加热,使反应体系的温度场更加均匀,同时液体导热能力强,即可实现整体加热,使反应体系的温度场更加均匀,反应更加均匀;

2)在有机和无机合成等方面,由于很多参与反应的离子基团属于极性物质,在微波条件下更容易提高温度获得能量,从而提高其反应活性,加速反应的进行;

3.3微波反应器的优势

①缩短反应时间、降低反应温度、提高反应选择性,解决化学工业“三高”问题。

②微波可穿透高粘度、低导电性或强腐蚀性物料进行高效加热。

③温度控制好、加热速度快、温度均匀、能够整体加热以及选择性加热。

④微波强化化工分离过程,微波穿透物料进入内部直接作用于目标分子,形成了独特的内部温度高(气压大)、外部温度略低的温度梯度,非常有利于目标分子的分离,同时物料中不同物相的介电特性、热膨胀系数等的差异性,使其在微波场中的升温行为不同,进而导致物料内部产生裂纹和暴露更多的目标分子,提高分离效率。

⑤微波辅助有机合成、多相催化和无机合成等化学反应过程的研究,对化学反应强化效果明显,如反应时间由传统加热的数小时缩短到几分钟,收率及产品纯度更高。

⑥微波加热是以辐射方式传递能量,这种方式可以直接对溶液进行加热,而不需经过容器传递热量加热均匀,有利于加速反应和减少产物降解。

 以上均为市面较为常见的同类型设备的原理和介绍,但微反应器的微结构最大的缺点是固体物料无法通过微通道,如果反应中有大量固体产生,微通道极易堵塞,导致生产无法连续进行。目前这一问题主要是通过改进反应器的内部结构来解决。而微化科技就看到了这一不完善,独立研发设计制造了一款HL 反应器!

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HL 反应器:原理是利用反应器内的动态混合装置将物料打碎混合,达到高效混合并快

速反应的目的。

适用于黏度 0-2000cp 范围的反应,适用范围广。比表面积大,可达 3000-4000m2/m3。

适用于均相、非均相或多相反应,能够有效的提高反应界面,促进反应传质,非常适合有固体或浆料存在的反应,可以得到粒度分布均匀的固体。

且适用于气液两相反应,能够有效的提高反应界面,有效控制气泡聚并,提升气泡与液相的交互行程,有利于液相的单程吸收。

化工生产要想做到安全平稳运行,就必须将传统的反应釜设备升级为管式或微通道设备,减少单位时间的投料量,实现连续化生产方能达到真正意义上的安全生产。我们贵州微化科技也一直坚守“让化工人安心”的企业使命,持续不懈的深耕该领域,并与多家高校和科研机构做产学研的深度合作,以研发创新为导向,正阔步走在成为全国连续流工艺及装备解决方案之领导者的路上。

 

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