《论文：微反应器的研究和进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《论文：微反应器的研究和进展（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、微反应器的研究和进展 院系 化工学院 专 业 化学工程 年 级 2013 学生姓名 秦杰 学 号 13081701034 指导教师 赵启文 职称 教授 完成时间 2013年11月摘要 20世纪90年代以来，在多学科交叉以及高新技术发展迅猛的势头下，微化工技术应运而生并顺势兴起，引起了国内外广大研究人员的极大关注。随着微尺度下“三传一反”研究的进展。微尺度流体的性能得到了深入揭示，微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。本文对微反应器按概念特点，构造，性能以及在各个领域的应用情况对各种新型微反应器作了简要介绍，阐述了微反应器所具有的一系列超越传统反应器的优越性。相信在不久的未来，微化工
2、技术将会以其高效、快速、灵活、轻便、易装卸等特点给整个化工领域带来革命性的影响。 关键词：微反应器；微型化；微反应技术Abstract Since the 1990s, as in the high-tech multi-disciplinary rapid development momentum, micro-chemical technology come into being and the rise of homeopathy, researchers at home and abroad has aroused great concerning. With the microsca
3、le study of three pass an anti- progress,microscale fluid performance has been further revealed that the micro-reactor technology has been widely used in scientific research and industrial production. In this paper, according to the concept of micro-reactor characteristics, structure, performance, a
4、nd applications in various fields on a variety of new micro-reactors are briefly introduced, elaborated micro-reactors with a series of advantages over traditional reactors. I believe that the micro-chemical technology will be its efficient, fast, flexible, lightweight, easy handling and other featu
5、res to the entire revolutionary impact on the chemical industry in the near future.Keywords: micro-reactor; miniaturization; micro-reaction technology目 录 引言.11微反应技术和微反应器的基本概念和特点.12微反应器的优点和构造.13适合于微反应器的反应类型.24微反应器的性能.25微反应器在各个领域的应用.46前景展望.6参考文献.7微反应器的研究进展 秦杰 (青海大学化工学院, 青海 西宁 810016) 引言 微反应器技术由于其在化学工业
6、中的成功应用而引起广泛地关注。微反应器是一种连续流动的管道式反应器。它包括化工单元所需要的换热器、混合器、控制器、反应器等,但是其管道尺寸远远小于常规管式反应器。微反应器内部是由直径为10500m的很多并联的微管组成,有极大的比表面积,由此带来的根本优势是极大的混合效率和换热效率。换句话说,可以精确控制反应温度和反应物料按精确配比瞬时混合。这些都是提高收率、选择性、安全性,以及提高产品质量的关键因素【1】。 1 微反应技术和微反应器的基本概念和特点 微反应器是一个比较广泛的概念，并有很多种形式，既包括传统的微量反应器，也包括聚合微反应器、反相胶束条纹反应器、微聚合反应器和固体模板微反应器等。这
7、些微反应器的对化学反应的共同特点是将其控制在极其微小的空间内，反应通道的平均尺寸一般为微米甚至纳米。自20世纪90年代中期微反应技术兴起以来，由于其独特的特色和优势得以迅速发展并成为科研院校和企业界共同的研究热点；不但取得了很多令人瞩目的研究成果，而且在医药、农药、特种材料以及精细化工产品及中间体的合成中得到了越来越多的应用。尤其进入本世纪以后，各大跨国公司也开始关注这一新兴技术，纷纷成立专门的微反应技术部门开展在其相关工业领域的应用研究；同时开发微反应技术的公司之间也强强联合，以期进一步拓展微反应技术在工业生产中的应用【2】。2 微反应器的构造和性能2.1 微反应器的优点 同常规反应容器(如
8、烧瓶)相比,微反应器的结构特征决定了其特殊优势,主要表现在以下几个方面。(1)比表面积大,传递速率高,接触时间短,副产物少:微反应通道特征尺度小,微通道比一般为500050000m2m3,单位体面积上传热、传质能力显著增强。(2)快速、直接放大:传统放大过程存在着放大效应,通过增大生产设备体积和规模达到放大目的,过程耗时费力,不能根据市场需求立即作出相应的反应,具有滞后性。而微反应系统呈多通道结构,每一通道相当于一独立反应器,在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大,只需并行增加微反应器的数量,即所谓的“数增放大”。(3)安全性高:大量热量也可以及时移走,从而保证反应温度维持在设定范围以内,最
9、大程度上减少了发生事故可能性。(4)操作性好:微反应系统是呈模块结构的并行系统,具有便携性好特点,可实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货,真正实现将化工厂便携化,并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产,具有很高的操作弹性【3】。2.2 微反应器的构造 微反应器本质上讲是一种连续流动的管道式反应器。它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。在微反应器的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
10、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,某些微通道反应器或体系通常以并联方式进行操作【4】。3适合于微反应器的反应类型 根据以上有关微反应器优点的分析可知，在制药、精细化学品和中间体的合成反应中，适于微反应器内进行的反应过程应包含下面的三类。第一类：瞬间反应 反应半衰期小于1s，这类反应主要受微观混合效果控制，即受传质过程控制，如氯化、硝化、溴化、磺化、氟化、金属有机反应和生成微-纳米颗粒的反应等；由于传质效果较差，故在传统尺度反应器内进行时，过程难以控制，且产品质量较差。第二类：快反应
11、反应半衰期介于1s10min之间，处于传质过程和本征动力学共同控制区域，混合效果对这类反应的影响较小、甚至可忽略不计；但当这类反应的生成焓较大时，采用常规尺度反应器一般不能及时把热量移出，易造成局部温度过高，最终导致反应过程失控和副反应的发生，使反应选择性和产率降低；而利用微反应器的高效传热性能则可以使反应在较低温度梯度下平稳进行，反应过程易控，可提高目的产物的选择性和产率。第三类：慢反应 反应半衰期大于10 min，处于本征动力学控制区域，此类反应理应更适合于间歇或半间歇釜式反应器；但对于仅在苛刻反应条件下才能发生的反应，如：反应在高温、高压条件下，反应物、产物均为剧毒物质或反应放热剧烈的反
12、应等，若从生产过程安全角度考虑，则适于在微反应器内进行，可极大地提高过程安全性能【5】。4 微反应器的性能 相对于传统反应器，微反应器内流体的流动和分散尺度要小l一2个数量级，这使得微反应器具备了很多优异的性能，而微流体的引入也使得微反应器内流动、传递规律和常规设备相比发生了一定的变化，这砦新的现象和规律引起了研究者的关注。4.1微尺度流体间的作用力和多相流流型 单一液相流体在微反应器内的流动规律仍然满足连续介质模型，连续性方程和NS方程对于液相微流体仍然是适用的，因此目前对于微反应器内的液体单相流流动行为研究还比较少，但是对微尺度下以液相为主的多相流的研究却发展十分迅速。在微反应器内影响多相
13、流流动行为的作用力相对于常规反应设备发生了一定变化，在微尺度下黏性力、惯性力和界面张力是主要的作用力，重力的作用比这些力小15个数量级，Ca数、we数是描述微尺度流动的重要的无因次准数。在微反应器内基本上不存在搅拌桨等动力输入设备，因此在微反应器内液滴或者是气泡的破碎、聚并规律也主要取决于流体自身黏性力、惯性力和界面张力的作用。在微反应器内这几种作用力的大小和作用方向可以通过微结构的结构形式、反应器壁面的浸润性和实验的操作条件来调控。例如，通过调整微通道的进料方式和流体与壁面的接触角，就能够控制微通道内是哪一相分散、分散的尺度是多少等影响反应过程的关键参数。微反应器基本上都采用连续操作的方式，在均相体系中，小通量的微
