一个完整的化学反应过程通常由合成、分离和分析等步骤组成,其中反应试剂的混合以及加热或冷却问题可以被认为是影响反应效率的关键骤。在大的反应容器中,反应物的混合不均会导致容器径向存在较大的浓度梯度,从而影响整个反应过程。因此能够增加表面积与体积比,从而形成效率高的传质和传热交换表面的微反应器应运而生。下面让我们具体来了解一下微反应器。
微反应器的分类
1.气固相催化微反应器
由于微反应器的特点适合于气固相催化反应,迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应,因而气固相催化微反应器的种类较多。较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。运用较广的甲苯气-固催化氧化。
2.液液相反应器
到目前为止,与气固相催化微反应器相比较,液相微反应器的种类非常少。液液相反应的一个关键影响因素是充分混合,因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起,或者本身就是一个微混合器。专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。
3.气液相微反应器
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。由于在气液两相液中,流体的流动状态与泡罩塔类似,随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型,这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。
4.气液固三相催化微反应器
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,美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器,其结构类似于固定床反应器,在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒,气相和液相被分成若干流股,再经管汇到反应室中混合进行催化反应。
麻省理工学院还尝试对该微反应器进行“放大”,将10个微填充床反应器并联在一起,在维持产量不变的情况下,大大减小了微填充床反应器的压力降。
微反应器优点
传质、传热效率高,传质速度快,转化率和收率高。
比表面积大,具有较高热交换效率。
降低能耗的同时提高产物选择性,保持环境清洁,减少化工生产过程中对环境的影响。
快速有效的混合,精准控制反应时间和反应温度,提高转化率,避免副反应发生。
采用连续流动反应,反应器中停留的化学品很少,易于控制反应过程。
温度可控,时间可控。
可以实现实验室到工业生产的直接放大。
微反应器缺点
由于微反应器结构所限,目前较大的缺点是固体物料无法通过微通道,如果反应中有大量固体生成,微通道极易堵塞,导致生产无法继续进行。
虽然能放大,但目前生产能力还是较弱。