微通道反应器

北京化工大学研究生课程论文微通道反应器发展及应用摘要和目前微通道反应器的工业应用实例，最后又针对微通道反应器的ofmicro-chemicalsystemshasbecomeahottopicofperfomanceoffluidatamicroscalehasbeenwidelywidelyusedintheresearchanpapersummarizesthebasicconceptsofmicrochannelreactordeatails,whichforcusingonitshydrodynacurrently.andfinally,Arangeofissuesfortheresearchdescribed,anditsapplicationwasprospectedtoo.Kewords:MicrochannelReactor;microscale;micro前言20世纪微电子技术和数字技术的高速发展，计算机的更新换代已将微型化的理念引入工作和生活的各个领域。微加工技术起源于航天工业，最初是为了满足空间尺寸的需要，它所表现出的多重优点很快引起了科学界的广泛重视，先后被应用到化学、分子生物学和分子医学领域，并迅速取得了惊人的成果。例如，1993年Richar道，当反应物通过微通道时发生相应的反应。对比常用的反应器，第一部分.微通道反应器概念寸在10到300微米(或者1000微米)之间的微型反应器。微摩擦学、微流体力学、微传热学、微电子学、化学等多门学科，所以微反应器的各部件和微通道都要进行精密的设计和研究。微通第二部分.微通道反应器的起源与演变钟到数万立方米/年的规模。近年来与微反应器相关的流动、混合、但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，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的是生物和化学分析领域。自从1993年RicharMathies首先在微NumberNumberofMicroreactorYear图2.微通道反应器的发展第三部分.微通道反应器的结构applicationsareavailable!图3.微通道反应器内部结构微通道的形状是多种多样的，有矩形的、梯形的、双梯形的以及不规则尺寸的。到目前为止，制造微通道可应用的微加工技术包括：精密机械加工、湿法刻蚀、干法刻蚀、电化学刻蚀、表面硅工艺技术、LIGA(光刻、电铸成模和塑注成型)技术、电火花加工、表面活化键合技术、激光加工等'8-10微反应器的外形尺寸通常只有几厘米，内部的通道特征尺寸在微米级。图4是用于水煤气变换的微型反应器，内部装有25片带有微通道的金属薄片。Width:200μm微反应器=利用精密加工技术制造的特征尺寸在10-300微米(一般低于1000微米)的连续化的微通道反应容器Fluid.外场强化式微反应器微孔阵列和膜分散式微反应器降膜式微反应器图6.基于不同微结构的微反应器示意图第四部分.微通道反应器流体力学与混合特性4.1流体力学4.1.1微尺度流体间的作用力和多相流流型着不互溶流体的引入，微反应器内产生更为丰富的气/液、液/液、气/液/液等多相流流型。与传统的开放空间式的反应器不同，微反4.1.2微通道内气液两相流的流型及流型图对气液两相流)、液滴流(dropletflow,对液液两相流)、子弹流流(slug-annularflow)、环状流(ann相同的流型被不同的研究者赋予不同的名称。文献中报道的流型图质考加以考虑给出的流型图，如图8所示。期儿期儿。海状流子弹流口森卷流

子弹-环状流△环状流—边界线kDhgjLmwg●间歌流0环状油

子弹-不状流——边界线图7.以两相表观速度给出的流型图aa图8.考虑到两相物性的流型图总体来说，流型图的普适性不好，原因是一方面，不同研究者对流型的判断标准不同，另一方面，微通道内部两相分布与进料方法、入口结构、通道壁面状况等密切相关，而研究者所使用微通道各不相同，缺少一种规范。目前还没有出现普遍适用的流型图。4.1.3微通道内两相流传质的研究已报道的文献中，微通道内两相流传质的实验研究主要是通过在线观测和测量通道出口浓度两种方法进行，其中在线观测主要是应用于液液两相流的传质实验，而测量出口浓度的方法则适用于煤油溶液作为有机相，酚酞作为指示剂，在线观察子弹流流动过程Xu通道内进行液液两相传质实验。连续相为溶有琥珀酸的n-丁醇，分散相为NaOH水溶液，使用酸碱指示剂显示传质过程中液滴的颜色变化，以此得到传质时间及传质系数。实验结果显示，传质时间为0.4~4.0s,传质时间比传统液液系统高10~1000;液滴形成过程中，液滴内出现涡状流，大大强化了传质过程，这一阶段的传质至少占了总传质的30%,传质系数是液滴向下游移动过程中10~100O667μm的微通道中用水吸收CO2进行传质实验，完成吸收过程后将吸收液与NaOH水溶液进行混合，用盐酸溶液进行酸碱滴定，酚酞和甲基橙作为指示剂指示第一滴定终点和第二滴定终点。实验结果证明，传质系数随表观液速和表观气速增大而增加，传质效果可以用压降关联式及用雷诺数等无因次数组成的关联式进行预测。Xu等人[24]以有机相作为分散相，以水为连续相进行萃取实验，两相浓度采用酸碱滴定进行测定，考察了各种条件下的传质效果。实验证明微尺度液-液两相的传质系数比传统萃取方式大,停留时间和液滴直径直接影响总体的传质效果，同时他们提Niu等在内径为1mm的圆形通道内进行气液两相流的实验研究，其中液相为聚乙二醇二甲醚，气相为CO₂和N₂的混合气体，气液两相在通道内完成传质后，在气液分离器中分色谱进行分析以确定被吸收的CO₂的量。实验结果表明传质系数随表观气速和表观液速增大而增大，最大的液侧传质系数达到3.34s1,比传统工业气液接触器高出1-2个数量级。将传质实验数据与压降进行关联得到：行关联得到：是两相压降。将传质实验数据用无因次数进Sh₂·a·d₄=0.116Re₄³,Re⁰⁷.Sc⁵另外，他们还在内径分别为0.5mm、1mm和2mm的T形入口通二乙醇胺水溶液，气相是CO₂和N₂的混合气体。实验结果表明，随着通道水力学直径的减小，比表面积增大，传质速度得到提高；液相的化学组成、气相中CO,的摩尔分率、两相的表观流速、两相4.2混合特性9)。通过分子扩散使两股液流在公共通道中混合并进行反应。第五部分.微通道反应器的应用(适用的反应体5.1微通道反应器反应特点·工艺条件快速筛选优化图10.微通道反应器反应特点(1)极大的比表面积比表面积/体积(m21m³)微反应器微反应器10,000-50,000搅拌反应釜 小反应器/整装反应器列管式反应器出色的换热能力(传热系数可达25,000W/(m2-出色的换热能力(传热系数可达25,000W/(m2-K))快速均匀的混合(毫秒级范围实现径向完全混合)(2)连续的流动·停留时间分别窄，几乎无返混，接近平推流·停留时间分别窄，几乎无返混，接近平推流(3)小试工艺不需中试可以直接放大(4)反应温度/时间可精确控制(6)结构保证安全性(7)良好的可操作性5.2微反应器适合的反应类型(3)反应物配比要求很严的快速反应(4)危险化学反应以及高温高压反应(5)纳米材料和需要产物颗粒均匀分布的固体生成反应第六部分.微通道反应器工业应用实例微反应器独特的结构给它带来了一系列优质的性能，故它被应用到许多领域中。例如对于小规模的光化学过程，采用透明的微反应器可有利于薄流体层靠近辐射源。德国美因兹微技术研究所开发由4一甲氧基甲苯合成对甲氧基苯甲醛反应的选择性。由于微反应器高的传热效率，使反应床层几近恒温，有利于各种化学反应的进I¹在微系统中研究了一氧化碳的选择氧化，同时微反应器也被应用到加氢反应、氨的氧化、甲醇氧化制甲醛、水煤气变换以及光催化等一系列反应。另外，微反应器还可用于某些有毒害物质的现场生产，进行强放热反应的本征动力学研究以及组合化学如催化剂、材料、药物等的高通量筛选。Kobayashi等1371在芯片上进行三相催化加氢反应。通过对通道表面进行改性，将催化剂Pd固定在通道表面。气相在通道内流动，液相沿通道壁流动(图14),图14微通道内的三相反应反应物之间有比较大的接触面积。在反应物连续流动的条件下，率均在97%以上(式6)在相转移反应中的应用相转移反应已广泛应用于提高烷基化反应、亲核取代、消除、缩合、加成、偶联、霍夫曼降解等反应的反应速度。相转移反应主要是反应物通过两相间界面来进行化学反应，快速的传质有利于加快容器内50℃下反应4s时得到产物产率为80%—85%在芯片上应3-4s时得到产物产率为80%—85%,当反应时间延长时，产率下降。通过改变反应条件，在20℃时反应30s,产率可达到90%—图15.带有混合、反应和热交换通道的微反应器七.前景与展望的原理和特性有了较好的认识，且在微反应器的设计、制造、集成和放大等方面都取得了可喜的成绩。但是对它的研究还不够成熟，equipmentspecifications,sitesupervisionofequipmentspecifications,sitesupervisionofMRTplantconstruct图16.微反应技术前景预测从微反应器的出现到现在已经经历了10余年的时间，对于微反应器的研究也获得了大量的成果，微尺度流体的特殊性在研究中得到了揭示，微反应器优异的性能也随着研究过程的不断深入而逐渐被研究者们认知。但是，作为一个新兴的领域，关于微尺度流体和微反应器的深入研究还有待开展，微反应器内复杂的多相流行为和调控规律还需要深入研究，目前对于微尺度下流体间传质、传热规律的认识还参考文献：1.ChenGuangwen;YuanQuan;LiHengqiang,COselectiveoxidationinamicrochannelreactorforPEMfuelCell,2004论文]-河北化工2006,29(9)Lin.KUANGChun-jiang微反应器发展概况[期刊论文]-当代化工2010,39(3)4.WoolleyAT,MathiesRA.[J].Proc.Natl.Acad.Sci.,1994,91:11348~5.ManzA,EffenhauserCS,BarggrafN,etal.[J].Anal.Mag.,1994,226.LerousJJ,HaroldMP,RyleyJ,etal.MicrofabricatedMinichem2icalSystems:TechnicalFeasibility.In:EhrfeldWMicrosystemTechnol.forCham.andBiol.Microreactors.Weinheim:VerlagChamie,1996,51~69ofMicroreactors.In:EhrfeldWMicrosystemTechnol.forChem.andBiol.Microreactors.Weinheim:VerlagChemie,1996,1～28.8.LeeKiBang;LinLiweiSurfacemicromachinedglassandpolysilicon9.DelsmanER;CroonMHJMde;KramerGJExperimentsandmodellingofansynthesisofdifluoromethylatedalkenesinamicroreactor[外文期刊]2005(1)[11]方肇伦.微流控分析芯片的制作及应用[M].[12]ChristopherGF,AnnaSL.Microfluidicmethodsforgeneratingcontinuousdropletstreams[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics,2007,40(19):R319[13]LinkDR,AnnaSL,WeitzDA,etal.Geametricallymediatedbreakupofdropsinmicrofluidicdevices[J].PhysicalReviewLetters,2004,92(5):[14]DummannG,QuittmannU,GroschellL,etal.Thecapillary2microreactandmasstransferinliquid2liquidreactions[J].CatalysisToday,2003,79[15]PennemannH,HesselV,LoweH.Chemicalmicroprocesstechnologyfromlaboratory2scaletoproduction[J].ChanicalEngineeringScience,2004,59[16]LobP,LoweH,HesselV.organiccompoundsinmicroreactors[J].JournalofFluorineChemistry,2004,[17]ChenGG,LuoGS,LiSW,etal.Experimentalapproachesforunderstandingmixingperfomanceofaminireactor[J].AIChEJournal,2005,51[18]XuJH,LuoGS,ChenGG,etal.Masstransferperfomanceandtwophaseflowcharacteristicinmmbranedispersionmini2extractor[J].Journalof[20]DendukuriD,TsoiK,HattonTA,etal.Controlledsynthesisofnonsphericalmicroparticlesusingmicrofluidics[J].Langmuir,2005,21(6)systemsusingslugflowincapillaries,LabonaChip,2001,1(1):10-15.[22]XuJH,TanJ,LiSW,etal.,Enhancementofmasstransferperfomanceofliquid-liquidsystembydropletflowinmicrochannels,ChamicalEngineeringJournal,2008,141(1-3):242-249.[23]乐军，陈光文，袁权，罗灵爱，微通道内气-液传质研究，化工学报，2006,57(6):1296-1303.学报，2005,56(3):435-440.[25]NiuHN,PanLW,SuHJ,etal.,EffectsofDesignandOperatingParametersonCO2AbsorptioninMicrochannelContactors,Industrial&EngineeringChanistryResearch,2009,48(18):8629-8634.effectonmicromixingperfomance[J].ChamicalEngineeringScience,2007,62[27]XuJH,TanJ,LiSW,etal.Enhancementofmasstransferperfomanceofliquidsystembydropletflowinmicrochannels[J].ChamicalEngineeringJournal,2008,141(1/2/3):242-249.[28]ZhaoYC,ChenGW,YuanQ.Liquid2liquidtwo2phasemasstransferintheTjunctionmicrochannels[J].AIChEJournal,2007,53(12):3042-3053.[29]WangK,LuYC,ShaoHW.Heattransferperfomanceofliquid/liquidmicrodispersedsystem[J].Industrial&EngineeringChamistryResearch,[30]方肇伦(FangZL).微流控分析芯片的制作及应用(FabricationandApplicationofMicrofluidicAnalysisChip).北京：化学工业出版社(Beijing:ChemicalIndustryPress),2005.129[31]HesselV,HardtS,LoweH,etal.AmericanInstituteofChamicalEngineers,2