微反应器的应用ppt课件.ppt

化工学院 高分子材料与工程专业 1 姓名 蔡志明爱好 收集资料 写论文 组员介绍 姓名 魏朝堂爱好 收集资料 制作论文 2 组员介绍 姓名 李嘉文爱好 制作PPT 姓名 朱志琦爱好 展示PPT 3 目录 微反应器的概述 04 微反应器的分类 07 微反应器的特征 12 微反应器的应用 13 微反应器的缺陷 21 4 什么是微反应器微反应技术是一种将微结构内在的优势 应用到化学过程的技术和方法 体现这种技术的设备称为微反应器 microreactor 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 图为常见微反应器的实物照 1 5 什么是微反应器 微反应器层次系统 1 6 1 微反应器 微混合器 微分离器 微换热器 区别 7 气液固三相微反应器 气液相微反应器 气固相微反应器 2 液液相微反应器 分类 8 气固相微反应器气固相微反应系统是常见的反应系统 固体是催化剂 两种或多种气体混合物是反应物 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 2 代表 麻省理工学院RaviSrinivasao等设计的T形薄壁微反应器 用于氨的氧化反应 氨气和氧气分别从T形反应器两侧通道进入 T形反应器薄壁自身就是换热器 通过变化薄壁的制作材料改变热导率和调整厚度 可以控制反应热的移除 从而适合放热量不同的各种反应 T型气固相微反应器示意图 9 液液相微反应器在液相反应中 反应液体呈层流状态流动 扩散是传质的主要途径 因此影响液液相反应的关键因素是充分混合 为此以下两种基本方式 一种是由泵输送的两种液体分别进入各自的输送通道 然后在平行的纵向接触面上混合 扩散到发生化学反应 另一种是将一种液体用多次脉冲的方法注射到另一种液体流中 扩散和反应发生在多个横向接触面上 液液相微反应器在结构上主要有如下两种类型 液液相微反应器示意图 2 10 气液相微反应器气液相微反应系统需要有效的方法将气体扩散到液体中去 增大接触面积的同时在整个微通道中保持扩散范围 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 即微泡罩塔反应器 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 微泡罩塔反应器示意图 沉降膜式微反应器 2 11 气液固三相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 气液固三相微反应系统中 既要保证在整个反应中气体在液体中的分散 同时还要求气液固有较大的净接触面积 另外沿着反应通道低的压力将也是确保反应顺利进行的关键因素 2 三相微反应器部分结构 12 几何特性决定了微反应器内流体的传递特性 进而导致它具有温控好 反应器体积小 转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性 狭窄规整的微通道 非常小的反应空间和非常大的比表面积 微反应器及其他微通道设备的通道特征尺寸 当量直径 数量级是微米级 由于微反应器的反应体积小 传质传热速率快 能及时移走强放热化学反应产生的大量热量 从而避免宏观反应器中常见的 飞温 现象 适用于易发生爆炸的化学反应 几何特性 传递特性 安全特性 13 4 低温反应及金属有机化学反应有机化学中有不少反应 要求在零下数十度甚至更低温度进行 其中很多是金属有机化学反应 这一点在实验室不难实现 在生产上就比较难以实现 即使采用内加盘管的反应罐往往也需要很长时间才能完成加料 更不用说设备投资和能耗问题 对这一大类反应 微反应器技术大有用武之地 如 一个金属有机化合物的加成反应 如下 14 4 因此可以推断出可以看出 常规需要在很低温度下进行的反应 用微反应器在室温或稍低于0 即可进行 且收率还有所提高 或者 在同等温度条件下 反应收率大幅度提高 低温反应及金属有机化学反应比较下表中的数据可以看出 常规500mL反应瓶中 40 反应0 5h 收率为88 6m3反应锅 20 反应5h 收率降到72 使用微反应器进行小试 在 10 停留时间仅10s 收率达95 而且这一条件放大到生产规模后收率仍然有92 因此可以推断出可以看出 常规需要在很低温度下进行的反应 用微反应器在室温或稍低于0 即可进行 且收率还有所提高 或者 在同等温度条件下 反应收率大幅度提高 15 4 低温反应及金属有机化学反应 16 4 因此可以推断出可以看出 常规需要在很低温度下进行的反应 用微反应器在室温或稍低于0 即可进行 且收率还有所提高 或者 在同等温度条件下 反应收率大幅度提高 高温反应及易失控反应比如 精确控温防止脱羧副反应 此硝化反应的问题在于反应放热剧烈 而反应温度又必须控制在100 以下 否则产物会发生脱羧副反应 17 4 因此可以推断出可以看出 常规需要在很低温度下进行的反应 用微反应器在室温或稍低于0 即可进行 且收率还有所提高 或者 在同等温度条件下 反应收率大幅度提高 利用微反应器提高反应选择性提高傅克反应单取代产物收率的反应 此反应在 78 进行 由于反应物非常活泼 很容易发生多取代 使用微反应器后 单取代物的收率大大提高 取得了远远高于常规反应器的收率 92 和选择性 96 18 4 因此可以推断出可以看出 常规需要在很低温度下进行的反应 用微反应器在室温或稍低于0 即可进行 且收率还有所提高 或者 在同等温度条件下 反应收率大幅度提高 微反应器在高分子方面的应用 分子量控制 功能端基聚合物 嵌段聚合物 19 ONE TWO 链式聚合 利用微反应器进行自由基聚合反应主要目的就是强化反应热的移除 如一项针对丙烯酸丁酯的聚合进行的研究 研究结果表明 在微反应器内可以获得Mn 20800 PDI 3 16的聚丙烯酸丁酯 而相同反应条件下的搅拌反应则只能获得Mn 9300 PDI 10 3的聚合产物 逐步聚合 缩聚 Kessler等研究了甲基三甲氧基硅烷在微反应器中的缩聚过程 他们使用多次破碎式的微混合器混合单体和酸性催化剂 再在后续的毛细管里完成缩聚过程并且淬冷终止反应 实验发现微反应器不仅收率高 而且获得的聚合物分子量标准偏差仅有3 4 较搅拌反应釜内50 的标准偏差大幅减小 2005年Kuboyama等报道了微反应器内对二氨基二苯醚 ODA 和间苯二甲酰氯 IPA 的缩聚反应研究 使用T型微混合器混合两种单体 在后续的毛细管内完成聚合过程 实验结果表明 微反应器内反应时间缩短 分子量分布也相对变窄 4 分子量控制 20 一项研究使用两个串联的分支微反应器实现了聚苯乙烯和聚对 叔丁氧基苯乙烯嵌段共聚物的合成 实验结果表明聚对 叔丁氧基苯乙烯的嵌段比例可以在0 80 之间调节 整个共聚物分子量Mn 3600 25000 PDI 1 14 1 21 这种方法可以使用两个串联的微反应器来实现 在第一个微反应器内完成聚合 在第二个微反应器内完成端基修饰 如一项对微反应器内对二氨基二苯醚 ODA 和间苯二甲酰氯 IPA 的缩聚反应研究中 研究者就使用多环类的酸酐对缩聚高分子进行了端基修饰 取得了良好的效果 4 分子结构控制 功能端基聚合物 微反应器内环氧丙醇的聚合过程 由于这是一个强放热的开环聚合反应过程 研究者使用交叉指状的微混合器快速混合了引发剂三羟甲基丙烷 TMP 催化剂甲醇钾和单体环氧丙醇 并且