目前微反应器在化工工艺过程的研究与开发中已经得到广泛的应用,商业化生产中的应用正日益增多。其主要应用领域包括有机合成过程,微米和纳米材料的制备和日用化学品的生产。在化工生产中,新的Miprowa技术已经可以实现每小时上万升的流量。
微反应器的微结构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。
目前这一问题主要是通过改进反应器的设计来解决。例如拜耳-埃尔费尔德微技术公司开发的阀式混合器(反应器)可以用于快速沉淀反应,基于这一技术,拜耳公司成功开发了商业化生产工艺,用于生产高的性能的微米材料和纳米材料。
微反应器的优点
(1)准确控制反应温度
对于强放热反应,传统釜式反应器由于受体积影响,混合及换热效率不高,容易出现局部过热现象,产品收率和选择性都会下降副产物较多。而在微通道反应器内,比表面积可以达到10 000-50 000,液相传热系数可以达到10 000 W/(m2 K ,出色的传热特性使得反应温度能准确控制在一定范围内,这对于精细化工中涉及中间产物和热不稳定产物的部分反应具有重大意义。
(2)准确控制反应时间
在传统的间歇釜式反应器中,为防止反应过于剧烈,往往采用逐渐滴加或分批加入反应物的方式,来促进反应平衡向产物移动,但这也造成了部分反应物停留时间过长,产生较多的副产物。而反应物在微通道反应器中是连续流动的物料在反应条件下的停留时间可以准确控制,一旦达到良好反应时间就立即传递到下一步或终止反应,可以有效消除因反应时间过长而产生的副产物。
微通道反应器是如何控制反应温度和时间的
1 物料以比例瞬间均匀混和:在那些对反应物料配比要求很严格的快速反应中,如果混合不够好,就会出现局部配比过量,导致产生副产物,这一现象在批次反应器中很难避免,而微通道反应器的反应通道一般只有数十微米,物料可以按配比快速均匀混和,从而避免了副产物的形成。
2 结构保证安全:与间歇式反应釜不同,微通道反应器采用连续流动反应,因此在反应器中停留的化学品数量总是很少的,即使万一失控,危害程度也非常有限。而且,由于微通道反应器换热效率极高,即使反应突然释放大量热量,也可以被迅速导出,从而保证反应温度的稳定,减少了发生安全事故和质量事故的可能性。
利用微通道反应器技术进行生产时,工艺放大不是通过增大微通道的特征尺寸,而是通过增加微通道的数量来实现的,所以小试反应条件不需做任何改变就可直接用于生产,不存在常规批次反应器的放大难题,从而大幅缩短了产品由实验室到市场的时间。
微通道反应器采用连续流动反应,因此在反应器中停留的化学品数量总是很少的,即使万一失控,危害程度也非常有限。而且,由于微反应器换热效率很高,即使反应突然释放大量热量,也可以被迅速导出,从而保证反应温度的稳定,减少了发生安全事故和质量事故的可能性。因此微反应器可以轻松应对苛刻的工艺要求,实现安全生产。