一個完整的化學反應過程通常由合成、分離和分析等步驟組成,其中反應試劑的混合以及加熱或冷卻問題可以被認為是影響反應效率的關鍵驟。在大的反應容器中,反應物的混合不均會導致容器徑向存在較大的濃度梯度,從而影響整個反應過程。因此能夠增加表面積與體積比,從而形成效率高的傳質和傳熱交換表面的微反應器應運而生。下面讓我們具體來了解一下微反應器。
微反應器的分類
1.氣固相催化微反應器
由于微反應器的特點適合于氣固相催化反應,迄今為止微反應器的研究主要集中于氣固相催化反應,因而氣固相催化微反應器的種類較多。較簡單的氣固相催化微反應器莫過于壁面固定有催化劑的微通道。復雜的氣固相催化微反應器一般都耦合了混合、換熱、傳感和分離等某一功能或多項功能。運用較廣的甲苯氣-固催化氧化。
2.液液相反應器
到目前為止,與氣固相催化微反應器相比較,液相微反應器的種類非常少。液液相反應的一個關鍵影響因素是充分混合,因而液液相微反應器或者與微混合器耦合在一起,或者本身就是一個微混合器。專為液液相反應而設計的與微混合器等其他功能單元耦合在一起的微反應器案例為數不多。主要有BASF設計的維生素前體合成微反應器和麻省理工學院設計的用于完成Dushman化學反應的微反應器。
3.氣液相微反應器
一類是氣液分別從兩根微通道匯流進一根微通道,整個結構呈T 字形。由于在氣液兩相液中,流體的流動狀態與泡罩塔類似,隨著氣體和液體的流速變化出現了氣泡流、節涌流、環狀流和噴射流等典型的流型,這一類氣液相微反應器被稱做微泡罩塔。
4.氣液固三相催化微反應器
氣液固三相反應在化學反應中也比較常見,種類較多,在大多數情況下固體為催化劑,氣體和液體為反應物或產物,美國麻省理工學院發展了一種用于氣液固三相催化反應的微填充床反應器,其結構類似于固定床反應器,在反應室(微通道)中填充了催化劑固定顆粒,氣相和液相被分成若干流股,再經管匯到反應室中混合進行催化反應。
麻省理工學院還嘗試對該微反應器進行“放大”,將10個微填充床反應器并聯在一起,在維持產量不變的情況下,大大減小了微填充床反應器的壓力降。
微反應器優點
傳質、傳熱效率高,傳質速度快,轉化率和收率高。
比表面積大,具有較高熱交換效率。
降低能耗的同時提高產物選擇性,保持環境清潔,減少化工生產過程中對環境的影響。
快速有效的混合,精準控制反應時間和反應溫度,提高轉化率,避免副反應發生。
采用連續流動反應,反應器中停留的化學品很少,易于控制反應過程。
溫度可控,時間可控。
可以實現實驗室到工業生產的直接放大。
微反應器缺點
由于微反應器結構所限,目前較大的缺點是固體物料無法通過微通道,如果反應中有大量固體生成,微通道極易堵塞,導致生產無法繼續進行。
雖然能放大,但目前生產能力還是較弱。