微通道反应器的研究进展(2018)
栏目:媒体新闻 发布时间:2020-05-13 19:55
化学工业正在人们的坐蓐和存在中占领紧张身分,跟着存在水准的陆续普及和社会的延续发展,人们对新产物、新工艺的需求延续增进,鞭策了今世工业的飞速进展,同时对情况爱戴和...

  化学工业正在人们的坐蓐和存在中占领紧张身分,跟着存在水准的陆续普及和社会的延续发展,人们对新产物、新工艺的需求延续增进,鞭策了今世工业的飞速进展,同时对情况爱戴和安静坐蓐的央求也日益普及。安静、干净、高效、节能和可陆续等干净坐蓐已成为21 世纪化学工业的进展趋向,正在这种趋向下,新手艺、新工艺的研发尤为紧张。

  微化工手艺即是一项用于化学合成,越发是用于制备农药、医药等化工中心体的通过流程深化来完成绿色合成的一门新手艺。自20 世纪90 年代中期微响应手艺饱起从此,微通道响应器的咨议和使用受到邦外里咨议职员的平常体贴,正在医药、农药、紧密化工产物以及中心体合成等界限中获得越来越平常的使用,成为化工流程深化界限的紧张进展目标之一。目前,邦外里对微响应手艺举行了大宗咨议和干系报道,咨议解释,响应器特性标准的微型化能够彰着普及响应的转化率和拔取性,深化传热功能、传质功能明显,而且能够较好地包管流体正在响应器内平均地滚动。微响应手艺寄托其怪异的上风成为完成化工流程深化高效、节能、安静、干净的紧张手法,它的斥地与使用对全盘化学化工界限意旨强大。

  微通道响应器是一种新型的、微型化的相连滚动的管道式响应器。响应器中的微通道通过严密加工手艺修设而成,特性尺寸日常正在10到1000微米之间。微通道响应器的“微”不是指微响应安装的外形尺寸小或产物产量小,而是外现流体通道正在微米或毫米级别。微通道响应器中能够包括稠密的微型通道,流体或许以特定的物理状况正在响应器中举行组合滚动,以是能够完成很高的产量。

  微通道响应器依照加工条款分别,能够应用玻璃、硅片、石英、含氟蚁合物、金属以及陶瓷等原原料,采用蚀刻、光刻和板滞加工等修制工艺手艺加工而成。其通道的直径日常正在微米或毫米级,远远小于古代管道式响应器的特性尺寸。不过该尺寸对付分子水准的响应而言依旧较大,因此应用微响应器并不行变换响应机理和本征动力学性子,而是通过变换流体的传热、传质及滚动性子进而深化化工流程的。

  微通道响应器是具有特定微构造的响应装备,微构造是微响应器的中央,能够依照微构造的分别品种策画出分别样子的微响应器。正在微响应器策画和修制中,有浅易地将两种响应物搀杂天生一种产品的管式构造,也有集成了打针、搀杂、淬灭、结晶、萃取、封装和相离散等更为丰富的众效力复合式构造的微响应器。微响应器的央求其抗腐化、耐高温(200℃)、耐高压(100bar)等功能,实用于众种化学响应,具有较高的换热和传质功能。对付相连化工而言,不光央求其具有高效的传质传热、超高通量、耐高温高压等特色,还具备相连关闭、速捷可控、放大浅易、板滞相接易于拆装庇护的长处,为化工流程深化“更好”、“更速”、“更经济”、“更安静环保”供给一项紧张途径。

  微响应器内的流体比外貌积巨细可抵达104~106 m2/m3,向例响应器日常不逾越1 000 m2/m3,相比拟向例响应器高达1~3 个数目级。因为流体厚度减小,比外貌积普及,微通道内的响应物与壁面可举行高效的热相易。除此以外,微响应器的传热系数特殊大,最优传热系数可抵达25 kW/(m2·K)。纵使应用微响应器举行极少响应速度速,放热量大的化学响应,响应放出的热量也能实时被摄取,响应温度颠簸小且平静,也避免浮现热门形象。以是对付那些向例响应器中无法有用节制的强放热响应的近等温操作,正在微通道响应器中均能够完成,而且能够有用地克制副响应的爆发。

  微通道响应器比向例响应器的特性尺寸小得众,使微响应器内的温度、压力等物理量获得普及,即普及了物质和能量传输的驱动力,使传质的推进力获得增大,单元体积和单元面积的扩散通量也获得扩张;微响应器较小的标准缩小了流体的扩散隔绝和对流轮回周期,消重了液体的搀杂时分,由此大大加强了微响应器的传质才能。

  正在向例间歇响应器内举行激烈的响应流程时,往往采用慢慢滴加响应物的式样来鞭策响应均衡的搬动,防卫响应过于激烈,这种加料式样会酿成一个人先参与的响应物中止时分过长,导致副响应的爆发。微响应器采用微管道中相连滚动的式样进料,正在层流状况卑劣场漫衍平均,能够正确节制物料正在响应条款下的中止时分,于是能够轻易地激励或终止响应,其它还能够普及产品的平均性,省略副产品的天生。

  通过成熟的微加工手艺能够将微通道响应器、微搀杂器、微换热器、微传感器和微施行器等器件集成于一块芯片上,以便抵达对微响应器举行及时有用的监测和节制,从而完成响应编制的速捷反响。同时因为微响应编制的高度集成化,使之拆装和搬动更为轻易以适于按需分拨坐蓐的央求。

  微通道响应器的响应体积小,唯有很少的物料中止正在响应器中,能够省略物料的打发,由此能够减省响应原料的用量,有用地消重了本钱,而且用很小的占地空间或许完成高效的工艺,兼具安静性、经济性和生态效益。

  古代向例响应器的放大必要通过逐级放大来完成的,放大效应的存正在使响应器由测验室领域到工业坐蓐用的大型装备时,工艺条款无法仍旧相似并且每级放多半必要一再测验来调试响应条款,耗时吃力。而微响应器的放大则是通过并行增进微响应器的数目,不再像古代响应器正在扩张坐蓐时必要对响应器的标准举行放大,即所谓的“数增放大”效应。这种放大式样解除了流程中的放大效应,测验室小试和工业化坐蓐响应条款仍旧相似,省去了中试的环节,大大缩短了研发时分,撙节了高贵的

  因为微响应器的特性尺寸小,传质传热结果高,强放热化学响应形成的大宗热量或许实时地被移走,从而避免了宏观响应器中常睹的“飞温”形象;同时,因为响应流程中响应器内物料中止量很小、响应器耐压才能强,各响应器相对独立互不滋扰,对付极少正在向例条款下难于完成的响应流程越发是易爆发爆炸的化学响应均能够安定的举行。除此以外,微响应器采用的相连滚动进料,容许轻易地激励或终止响应,响应流程易于节制,极大地晋升了的安静性。

  跟着“微响应”观念的提出,微响应器成为能够庖代古代釜式响应器举行有机合成的一种新型且高效的手法。微通道响应器因为特性标准的微型化,传热系数、传质功能明显加强,响应的转化率、拔取性均有彰着普及,其它响应器中流体滚动平均,响应流程相连可控以及安静性高,从而能够治理古代釜式响应器中举行有机合成响应常常浮现的题目,如响应物料搀杂水准差,传热不均,易爆发副响应以及风险性较大等,以是咨议者们永久勉力于研制和斥地微响应器,并将其使用于种种有机合成响应中。

  Gerhard Panke等正在CYTOS 型微通道响应器中对甲苯的硝化工艺举行咨议,以硝硫混酸行为硝化剂,正在响应温度为65 ℃,反当令间为15 min 的条款下,转化率抵达98%;而以Ac2O/H2SO4/HNO3 混酸行为硝化剂,响应温度30 ℃,反当令间70 min,转化率能够抵达100%。余武斌等正在微通道响应器中对氯苯硝化的合成工艺举行了咨议,氯苯单程转化率达74.8%,n(2-硝基氯苯): n(4-硝基氯苯)=0.156:1,邻/比拟明显普及,与向例响应器比拟,时空转化率大幅普及,完成了高效的相连化坐蓐。

  厉生虎等正在“心型”构造微通道响应器中以乙苯和双氧水为原料,醋酸钴为催化剂,举行了相连氧化响应合成苯乙酮,窥察了乙苯与催化剂的摩尔比、中止时分、响应温度等对响应的影响,优化了氧化响应工艺条款,得回了优良的响应恶果,正在中止时分为50 s 的条款下,乙苯的转化率可抵达30.7%,苯乙酮的拔取性可达100%。厉生虎等还正在带有特定脉冲搀杂构造的微通道响应器中对己内酯的相连化合成工艺举行了咨议,以乙酸酐、H2O2为原料相连合成过氧乙酸;再以环己酮为底物,过氧乙酸为氧化剂相连制备ε-己内酯。正在较适宜的条款下,环己酮转化率达96.2%,ε-己内酯的收率达80.9%,完成了高效的、安静的相连化合成工艺。

  姚型军等正在内径为0.25 mm 的石英毛细管微通道响应器中合成了乙酸丙酯,应用正交测验考查了催化剂的用量、中止时分、响应温度和醇酸初始摩尔比对酯化响应的影响。正在相宜的工艺条款下,中止时分为14.7 min 时,收率可达97.2%,与向例间歇釜式响应器比拟,大幅缩短了反当令间,酯的收率也彰着普及。

  张跃等正在微通道响应器中应用叔丁醇的溴化来制备溴代叔丁烷,窥察了原料摩尔配比、响应温度、催化剂的用量、中止时分等独身分对响应的影响。正在响应温度为50 ℃,中止时分为60 s 的条款下,叔丁醇的转化率为92.3%,溴代叔丁烷的拔取性为99.1%,与向例间歇搅拌响应器比拟,采用微通道响应器举行叔丁醇溴化响应,大大缩短了中止时分,消重了响应温度,省略了废酸量,普及了坐蓐结果,完成了绿色低耗的相连化工艺流程。

  Ceylan 等咨议了微通道响应器中的Mannich响应,采用正丙醇作溶剂,响应温度为80 ℃,反当令间由小试的40 min 缩短到1 min,响应收率由77%普及到98%,与向例釜式响应器比拟,反当令间缩短彰着,响应收率大幅普及。

  Kong 等正在微响应器中举行了苯基烯丙基醚的Claisen 重排响应,正在无溶剂的高浓度条款下,响应温度为220 ℃,反当令间为24 min,收率可达82%,比古代响应条款下的苯基烯丙基醚的Claisen 重排响应大大缩短了反当令间。

  Hu 等正在微芯片响应器中对二茂铁的傅克酰基化响应举行了咨议。对响应条款举行了优化,确定了二茂铁酰化响应的最优条款,正在响应温度为25℃时,流量正在5~60 μL/min 之间能博得96%~99%的转化率。

  陈金沙等正在玻璃微通道G1 响应器中举行了间三氟甲基苯胺的重氮化响应,并对微通道相连化法制备重氮盐的响应条款举行了优化,正在响应温度为12.5 ℃,反当令间为34 s 的条款下,收率抵达92.5%。与向例间歇式响应器比拟,微通道响应器制备重氮盐正在常温下就能举行,普及了响应的安静性,同时大幅缩短了反当令间。

  微通道响应器以其怪异的上风惹起了各界限咨议者的极概略贴。近年来邦外里举行了大宗咨议,微响应器手艺获得了速捷的进展,使其越来越众地使用于工艺研发与工业化坐蓐中,其潜正在使用前景已获得学术界和企业界的平常认同。纵然微通道响应器有诸众上风,但行为一项新手艺,依旧存正在极少节制性,如:微观标准下的微观外面编制尚未创造;微通道体积小容易被固体颗粒淤塞而很难清算;微装备加工用度高贵;固然微响应器数增放大能够消重放大本钱,但其管理才能仍较量小,工业化完成丰富;微响应器数目的增加使监测和节制的丰富水准也大大增进,本质坐蓐本钱相对上等。跟着微响应手艺的延续进展和完备,必将打垮上述各种节制,成为化工流程深化强有力的手艺平台,同时正在化学工业的进展中施展出重大效用。

  (参考文献:刘熠,郭兆寿,韩永博,周明昊,孙宇明,沈光芒,孙兰梅. 微通道响应器的咨议起色[J]. 辽宁化工,2018,(7))