微反应器PPT课件
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U—微管道湿润周长，P0—泊肃数
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
.
9
1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
安全性能：
反应体积小，传质传热快，避免“飞温”现象
通道尺寸数量级在微米级范围内，有效阻断链式反应，
使其能在爆炸极限. 范围内稳定进行
11
1.7 微反应器的缺点
① 微反应器的微结构最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产生，微通道极易堵塞，导致生产 无法连续进行。
② 虽然能够放大，但现在的技术，生产能力还是比较弱。 ③ 微反应器的数量大大增加时，微反应器的检测和控制的复
21
液液相微反应器
.
22
液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2
(c) n = 4 (d) n= 8
术的新的综合系统之一
限定微通道特征尺度在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微反应器是指以反应为主要目的, 以一个或多个微反应器为主,同时还 可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感 器和微执行器等关键组件的一个微反应系统
纵向－Y混合
.
19
液液相反应
2.将一种液体用多次脉冲的方法注射到另一种液体流中，扩散和反应发生在 多个横向接触面上
源自文库横向－T混合
将一种液体垂直喷射到另一种液体 中进行混合，形成横向界面，整个 结构呈T字型。
此外还有J－混合，两进两出的双Y混合，两步T混合
.
20
液液相反应
实际应用中，液一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
.
5
.
6
.
7
1.3 微反应器的主要特征
1.大比表面积
•强化了传质、传热 •缩短了扩散时间，实现流 体间的快速均匀混合以及 等温操作 •通道内作用力主要为：界 面张力，粘性应力以及毛 细管力
2.独特的流动行为
•流体流动通常属于层流 •具有很强的方向性、对称性 和高度有序性 •具有窄的停留时间分布和均 匀的传质过程 •便于对过程进行精确的理论 描述和模拟
应主要受微观混合效果控制。
➢ 第二类：快反应，反应半衰期介于1s~10min之间， 处于传质过程和本征动力学共同控制区域。
➢ 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。
.
10
几何特性 传递特性 宏观流动特性
1.6 微反应器的优点
温度控制：
极好的传热性质和非常短的反应时间，有利于反应器的 控制，对于反应器内的温度分布变化可以瞬时响应，对 于涉及中间产物和热稳定产物的部分反应具有重大意义
反应器体积：
非零级反应(自催化除外，F，X0，XF相同),VCSTR>VPFR 微通道几乎完全符合PFR,使得反应物能在毫秒级范围内 完全混合,大大加速了传质控制反应的速率,在维持产量
不变的情况下使反应器总体积大大减小
提高转化率和收率：
缩短部分氧化反应中反应物停留时间，减少深度氧化副产物 最佳停留时间获得最高收率的反应, 精确控制反应时间 及时移走热量，减少强放热反应的副反应，提高选择性
微反应系统的层次结构
.
14
微反应器制造技术
混合器
降膜反应器
.
15
1.9 微反应器制造技术的适用性评价
生产成本 加工耗时
精确度 可靠性
选材 可实现性
各种制造技术精确度差异的比较以及它们的适用性
.
16
2、分类
半连续
间歇
操作模式
连续
.
17
微反应器
不同相态的反应过程
液液反应 气液反应
气液固 反应
气固相 催化反应
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
.
快速放大 独特的流动行为
4
1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国际要会素议技”
典型的液相 混合方式
一种是采用静态混合方式 ，即将流体反复分割合并 以缩短扩散路径，借助流 体管路的不同结构，得以 在很宽的雷诺数范围内进 行流体的混合，而又没有 机械或可动部件的流体结 构件
.
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
.
18
2.1 液液相反应器
• 反应液体呈层流状态流动.扩散是传质主要途径
液液相反应的关键影响因素是充分混合
为了增大液体的接触面积和减少扩散距离 异相液体接触主要有两种基本方式：纵向和横向 1.由泵输送的两种液体分别进入各自的输送通道，然后在平行的纵向接 触面上混合、扩散到发生化学反应
两种液体分别从各自的管道中进入 同一个反应管道，形成纵向界面， 整个结构呈Y字型；
杂程度大大增加，成本也相应增加。 ④ 不是所有的反应都适合微反应。如很慢的液-固反应，反
应无放热或吸热现象；传统工艺的选择性和收率已经很高 的反应。
.
12
1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
微制造技术
硅的异性湿法蚀刻 玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价
.
13
微反应器制造技术
3.催化剂的高通量筛选
•催化剂用量少，操作连续、安 全 •适用于含有毒物质、易爆、危 险的反应
4.无放大效应
•通过集成众多的反应器可 以处理大批量的原料 •节省从实验室研发到工业 过程的时间和成本
.
8
复杂的微系统
1.4 通道设计
A－微通道截面积；△p－微通道压降；CR－微通道几何系 数；η－流体粘度；L－微通道长度
微反应器
.
1
目录
1、简介
2、分类
2.1 液液相反应器 2.2 气液相反应器 2.3 气液固三相反应器 2.4 气固相反应器
3、应用
3.1 纳米微粒的制备 3.2 精细化工过程
4、展望
5、结语
.
2
1、简介
未来科学技 术发展方向
设备微型化
过程集成化
微化学工程
.
3
1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
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1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
安全性能：
反应体积小，传质传热快，避免“飞温”现象
通道尺寸数量级在微米级范围内，有效阻断链式反应，
使其能在爆炸极限. 范围内稳定进行
11
1.7 微反应器的缺点
① 微反应器的微结构最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产生，微通道极易堵塞，导致生产 无法连续进行。
② 虽然能够放大，但现在的技术，生产能力还是比较弱。 ③ 微反应器的数量大大增加时，微反应器的检测和控制的复
21
液液相微反应器
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液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2
(c) n = 4 (d) n= 8
术的新的综合系统之一
限定微通道特征尺度在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微反应器是指以反应为主要目的, 以一个或多个微反应器为主,同时还 可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感 器和微执行器等关键组件的一个微反应系统
纵向－Y混合
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液液相反应
2.将一种液体用多次脉冲的方法注射到另一种液体流中，扩散和反应发生在 多个横向接触面上
源自文库横向－T混合
将一种液体垂直喷射到另一种液体 中进行混合，形成横向界面，整个 结构呈T字型。
此外还有J－混合，两进两出的双Y混合，两步T混合
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液液相反应
实际应用中，液一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
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1.3 微反应器的主要特征
1.大比表面积
•强化了传质、传热 •缩短了扩散时间，实现流 体间的快速均匀混合以及 等温操作 •通道内作用力主要为：界 面张力，粘性应力以及毛 细管力
2.独特的流动行为
•流体流动通常属于层流 •具有很强的方向性、对称性 和高度有序性 •具有窄的停留时间分布和均 匀的传质过程 •便于对过程进行精确的理论 描述和模拟
应主要受微观混合效果控制。
➢ 第二类：快反应，反应半衰期介于1s~10min之间， 处于传质过程和本征动力学共同控制区域。
➢ 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。
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10
几何特性 传递特性 宏观流动特性
1.6 微反应器的优点
温度控制：
极好的传热性质和非常短的反应时间，有利于反应器的 控制，对于反应器内的温度分布变化可以瞬时响应，对 于涉及中间产物和热稳定产物的部分反应具有重大意义
反应器体积：
非零级反应(自催化除外，F，X0，XF相同),VCSTR>VPFR 微通道几乎完全符合PFR,使得反应物能在毫秒级范围内 完全混合,大大加速了传质控制反应的速率,在维持产量
不变的情况下使反应器总体积大大减小
提高转化率和收率：
缩短部分氧化反应中反应物停留时间，减少深度氧化副产物 最佳停留时间获得最高收率的反应, 精确控制反应时间 及时移走热量，减少强放热反应的副反应，提高选择性
微反应系统的层次结构
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微反应器制造技术
混合器
降膜反应器
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1.9 微反应器制造技术的适用性评价
生产成本 加工耗时
精确度 可靠性
选材 可实现性
各种制造技术精确度差异的比较以及它们的适用性
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16
2、分类
半连续
间歇
操作模式
连续
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微反应器
不同相态的反应过程
液液反应 气液反应
气液固 反应
气固相 催化反应
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
.
快速放大 独特的流动行为
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1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国际要会素议技”
典型的液相 混合方式
一种是采用静态混合方式 ，即将流体反复分割合并 以缩短扩散路径，借助流 体管路的不同结构，得以 在很宽的雷诺数范围内进 行流体的混合，而又没有 机械或可动部件的流体结 构件
.
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
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2.1 液液相反应器
• 反应液体呈层流状态流动.扩散是传质主要途径
液液相反应的关键影响因素是充分混合
为了增大液体的接触面积和减少扩散距离 异相液体接触主要有两种基本方式：纵向和横向 1.由泵输送的两种液体分别进入各自的输送通道，然后在平行的纵向接 触面上混合、扩散到发生化学反应
两种液体分别从各自的管道中进入 同一个反应管道，形成纵向界面， 整个结构呈Y字型；
杂程度大大增加，成本也相应增加。 ④ 不是所有的反应都适合微反应。如很慢的液-固反应，反
应无放热或吸热现象；传统工艺的选择性和收率已经很高 的反应。
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1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
微制造技术
硅的异性湿法蚀刻 玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价
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13
微反应器制造技术
3.催化剂的高通量筛选
•催化剂用量少，操作连续、安 全 •适用于含有毒物质、易爆、危 险的反应
4.无放大效应
•通过集成众多的反应器可 以处理大批量的原料 •节省从实验室研发到工业 过程的时间和成本
.
8
复杂的微系统
1.4 通道设计
A－微通道截面积；△p－微通道压降；CR－微通道几何系 数；η－流体粘度；L－微通道长度
微反应器
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目录
1、简介
2、分类
2.1 液液相反应器 2.2 气液相反应器 2.3 气液固三相反应器 2.4 气固相反应器
3、应用
3.1 纳米微粒的制备 3.2 精细化工过程
4、展望
5、结语
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2
1、简介
未来科学技 术发展方向
设备微型化
过程集成化
微化学工程
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3
1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产