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一文了解微通道反应器的原理

时间:2022-11-24 点击次数:167
   微通道反应器是一种连续流动的管道式反应器,包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。目前,微通道反应器总体构造可分为两种:一种是整体结构,这种方式以错流或逆流热交换器的形式体现,可在单位体积中进行高通量操作。在整体结构中只能同时进行一种操作步骤,最后由这些相应的装置连接起来构成复杂的系统。另一种是层状结构,这类体系由一叠不同功能的模块构成,在一层模块中进行一种操作,而在另一层模块中进行另一种操作。流体在各层模块中的流动可由智能分流装置控制对于更高的通量,某些反应器或体系通常以并联方式进行操作。
  
  原理:
  微通道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,而微反应器的通道尺寸仅有亚微米和亚毫米级别。除此以外因为微反应器有优于传统化工设备1-3个数量级的传热/传质特性,所以特别适合做高放热和快速反应的实验。
  
  微化工技术思想源自于常规尺度的传热机理。对于圆管内层流流动,管壁温度维持恒定时,由公式(1)可见,传热系数h与管径d成反比,即管径越小,传热系数越大;对于圆管内层流流动,组分A在管壁处的浓度维持恒定时,传质系数kc与管径成反比(公式(2)),即管径越小,传质系数越大。由于微通道内流动多属层流流动,主要依靠分子扩散实现流体间混合,由公式(3)可知,混合时间t与通道尺度平方成正比。通道特征尺寸减小不仅能大大提高比表面积,而且能大大强化过程的传递特性。
  Nu=hd/k=3.66(1)
  Sh=kc/DAB=3.66(2)
  t=d2/DAB(3)
  其中Nu为努塞尔数、Sh为谢伍德数、D为扩散系数。
  
  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,受传递速辛控制,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。
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