微通道反应器

微通道反应器报告

摘要

本文以微通道反应器（以下简称微反应器）为研究对象，在参阅了大量文献的基础上，对微反应器的概念、结构、分类及优缺点进行了概述。重点分析了微反应器内流体力学特性以及微观混合特性，着重讨论了反应器内的流型理论与计算微观混合的数学模型。最后针对微反应器在实际中的应用，简述其适合的反应体系，并分析了微反应器的典型工业应用实例。以此来帮助我们更进一步得了解微反应器。

关键字：微反应器；流体力学；混合特性

ABSTRACT

This article takes microreactor as the target of our study, and summarizes the concept, structure, classification, advantages and disadvantages of microreactor based on a large number of references. It focuses on the hydrodynamic characteristics and microscopic mixing characteristics of microreactor, and focuses on the mathematical model of the flow pattern inside the reactor theory and computation micromixing. Finally consider of the application of microreactor in practice, this article outlines suitable reactor system of microreactor, and analyzes the typical examples of industrial applications of microreactor. In order to help us get further understand on microreactor.

Key words：Microreactor, Hydromechanics, Characteristics of mixing

目录

前言 (1)

第1章微反应器概述 (3)

第1.1节微反应器的概念 (3)

第1.2节微反应器的起源与演变 (4)

第1.3节微反应器的结构 (5)

第1.4节微反应器的分类 (6)

第1.5节微反应器的特点 (7)

1.5.1 微反应器的优点 (7)

1.5.2 微反应器的缺点 (9)

第2章微反应器流体力学与混合特性 (11)

第2.1节微反应器内流体力学研究 (11)

2.1.1 两相流流型 (11)

2.1.2 两相流的传质 (18)

2.1.3 两相流的数值模拟 (19)

第2.2节微反应器的混合特性 (22)

2.2.1 数学模型方程 (22)

2.2.2 混合效率的计算 (24)

第3章微反应器的应用 (29)

第3.1节微反应器适合的反应体系 (29)

第3.2节微反应器的工业应用实例 (31)

3.2.1 微反应系统合成生物柴油 (31)

3.2.2 微反应技术在有机合成中的应用 (32)

结语 (35)

参考文献 (37)

致谢 (39)

前言

近年来，纳米材料成为高科技发展的重点，已经成为国际竞相争夺的一个科技战略制高点，也是我国高科技发展的重点[1]。作为物理、化学、材料、化学工程等多学科交叉的前沿性学科，被公认为是世纪的一次科技革命。液相合成技术是目前实验室和工业上广泛采用的合成纳米材料的方法，其主要特点有工业化生产成本较低容易控制颗粒的形状和粒度容易填加微量的有效成分，可制备多种成分均一的粉体。对于以制备纳米颗粒为目的的沉淀反应体系，化学反应极为迅速,在局部反应区内可形成很高的过饱和度，成核过程多为均相成核机理所控制，其诱导期常为毫秒级。然而以搅拌釜为代表的传统化学反应器，由于其微观混合速率较慢微观混合均匀化特征时间约为一，难以应用于纳米颗粒的制备。因此近十多年来，人们把制备纳米颗粒的研究转向到开发能高度强化传质与混合的新型化学反应器。

图0-1 化学反应器的传质效率与特征微观混合时间

图0-1给出了多种化学反应器的传质效率与微观混合特征时间关系图。由图可知，旋转填充床（Rotating Packed Bed）、微反应器等都具有高强度传质与混合特

征。旋转填充床，即超重力机，是通过填料的高速旋转使填料上的液体受到远大于重力的离心力来模拟超重力环境，从而极大地强化了传质及混合过程。微反应器[2]（Microreactor）一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应系统，其混合通道的宽度和深度一股都在几十微米到几百微米之间，混合时间可以小到毫秒甚至纳秒量级。这些新型反应器尽管在纳米颗粒的制备研究中已取得了一些成果，然而在基础理论及应用基础研究等多方面还有相当多的工作要做，比如设备结构优化、混合尺度对结晶形态影响、建立多相混合体系的计算流体力学模型等。

综上所述，纳米材料在工业生产中有着广泛的应用前景[3]，而液相沉淀法是制备纳米粒子粉体的一种重要方法，其产物粒子的形貌与粒度分布是决定纳米粉体产品质量的一个重要指标。如果单纯通过实验来确定获取所需粒度分布的最优条件，实验成本较大而且不易获得，尤其对于一些原料较昂贵的实验更是如此。本文从多学科相结合的角度入手，采用实验与模型化方法相结合来研究旋转填充床及微通道反应器的混合一反应沉淀过程，系统地研究各操作条件对产物颗粒粒度大小及分布的影响规律，寻找过程控制的最优化条件，以指导工业生产及工业放大同时还从新型反应器的流动及混合特征出发,建立数学模型来模拟反应器内混合与反应沉淀过程，以理论指导实践，对今后实验研究指明方向，为新型反应器的结构设计提供优化的方向。