微反应器

E
D
原本因选择性不高 而缺乏工业价值的 反应得以重新被工 业化学家审视
谢谢！
1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
硅的异性湿法蚀刻
微制造技术
玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价
微反应器制造技术
微反应系统的层次结构
微反应器制造技术
混合器
降膜反应器
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
5、结语
以往不得不小心 翼翼操作的易失 控反应被改造成 安全高效的工艺
低温反应不再是 “低温”反应
B
缓慢的反应被提高到以 往不敢想像的温度和压 力下快速进行
A
很多常规反 应器很难操 作的反应， 微反应器技 术提供了新 的解决方案
C
以毫秒级的停留时间 进行反应，充分防止 了高度活泼的过渡态 中间体的分解
2.当颗粒小到纳米级，特别是具有晶体形貌的金属化合物， 它们会处于一种亚稳定状态，在催化过程中会具有更高的活 性。故而可以利用微通道反应器来制备一些分子筛类型的催 化剂。
3.2 应用例子2—精细化工过程
在微通道里，我们可以 实现在没表面活性剂的 情况下，使不互溶的两 相形成动态的乳液。从 而增加了它们的接触面， 使反应更充分。
微泡罩 塔反应 器
气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器 MIT研制应用的类似于填充柱的降膜式微反应器，具有较大 的内部界面 用于共轭链烯烃的加氢反应，产率高达100％ ；用苯甲醇氧 化制备苯甲醛得到70％的转化率；环已烯加氢得到10％的转 化率
2、分类
半连续
操作模式
间歇
连续
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
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
液液相微反应器
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
2.2 气液相反应器
气液微反应系统需要有效的方法将气体扩散到液体中，增大 接触面同时在整个微通道中保持扩散范围
气液微反应 器
微泡罩塔反应 器
降膜式微反应 器
微泡罩塔反应器
气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字型。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
微泡罩塔反应器
降膜式反应器
降膜式微反应器的液相自上而下呈膜状流动、气相自下而上 进入，气液两相在膜表面充分接触
气液固三相反应器
2.4 气固相反应器
气固反应系统是常见的反应系统，固体是催化剂，两种或多 种混合气体是反应物。
Chen Guangwen 等制备的用 于氢气中一氧化碳选择氧化的 气固微反应器
结果表明在毫秒时间间隔， 170~250℃的温度范围内， 99%的CO被优先氧化为CO2， 同时选择性在80%以上。说明 该反应器高效、安全、快捷
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
1.3 微反应器的主要特征
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：
几何特性 传递特性 宏观流动特性
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
在反应完全，当他们稳定后， 回到安稳的层流状态时，可利 用生成物的溶解性质进行一些 前期的分离。在精细化工中， 使用这样的工艺可以节约大量 的分离成本。
4、展望
• 目前在微反应器的设计、制造、集成和放大等方 而都取得了可喜的成绩 • 展望未来微反应器研究, 预计将在以下几个领域 取得进展 (1) 设计新的微反应器模型,对微反应器进行耦合、 集成和“放大” (2) 在微反应器中研究反应原理,对微反应器的设 计进行模拟、优化 (3) 在微反应器中探索新的反应途径和使化工生 产更加经济更加环保的方法,并应用于实际生产, 这是研究微反应器的真正价值所在
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
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；
纵向－Y混合
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
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。
横向－T混合
此外还有J－混合，两进两出的双Y混合，两步T混合
气固反应
• 代表：麻省理工学院 RaviSrinivason等设计制作的T形薄壁微反应器 • 该反应器用于氨的氧化反应
氨气和氧气分别从T形反应器的两侧通 道进入,分别经过流量传感器, 而T形 反应器的薄壁本身就是一个换热器,通 过变化薄壁的制作材料改变热导率和 调整壁厚度,可以控制反应热量的移出 ,从而适合放热量不同的各种化学反应。
3、微反应器的应用
气体选择性膜和过滤器的真空技术
电子显微镜的微型元件
来自百度文库
3.1 应用例子1—纳米微粒的制备
混合效果直接控制 晶核的形成和成长
改变反应管径可 以得到不同的颗 粒大小
温度对反应很敏 感，微通道反应 器传热性能好， 可实现等温操作 纳米颗粒制备示意图
纳米微粒的制备
1.利用微通道有效地快速混合和精确的温度控制可以得到比 常规反应釜更细小，粒径分布更窄的纳米颗粒。并且通过调 节，我们能更有效地控制颗粒的大小。同时，可用于研究微 粒的生长机理。
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
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
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；不是现有反应器的简单缩小 ,而是融 03,4 第一届“微通道和 合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制技术等各种要素技 微小型通道国际会议” 限定微通道特征尺度在 术的新的综合系统之一
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
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 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。
2.3 气液固三相反应器
保证在整个反应器中 气体在液体中的分散 要求气－液－固大的 净接触面积
沿着反应通道低的压力降
气液固三相反应器
• 固体为催化剂,气体和液体为反应物或产物 在整个反应中气体在液体中的分散 气液固有较大的净接触面积 沿着反应通道具有低的压力 • 代表：麻省理工学院 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；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降
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
1.4 通道设计
复杂的微系统
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
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 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。
微反应器
目录
1、简介 2、分类
2.1 2.2 2.3 2.4 液液相反应器 气液相反应器 气液固三相反应器 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
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
1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产 快速放大 微化工技术 的主要特点 大比表面积 体积减小 独特的流动行为
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
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
降膜式微反应器
气液相微反应器
Heat exchanger medium supply and withdrawal
降膜式微 反应器
Liquid supply Gas supply
LIGA-dispersion unit attached to backside of reaction plate
Segmented Gas/Liquid flow