反应设备--微反应器

1 微反应器 microreactor 最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器 其尺寸约为10mm 8 3微反应器 8 3 1概述 微反应器 主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件或包括换热 混合 分离 分析和控制等各种功能的高度集成的微反应系统 通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道 化学反应发生在这些通道中 因此微反应器又称作微通道 microchannel 反应器 1996年前后 Lerous和Ehrfeld等各自撰文系统阐述了微反应器在化学工程领域的应用原理及其独特优势 自1997年开始 每年举办一届以 微反应技术 MicroreactionTechnology 为主题的国际会议 2003年4月召开的第一届 微通道和微小型通道 国际会议 InternationalConferenceonMicrochannelsandMinichannels 限定通道的特征尺度在10 m 3mm范围内 2 微反应器在结构上常采用一种层次结构方式 hierarchicmanner 先以亚单元 subunit 形成单元 unit 再以单元来形成更大的单元 依此类推 这种特点与传统化工设备有所不同 它便于微反应器以 数增放大 numbering up 的方式 而不是传统的尺度放大方式 来对生产规模进行方便的扩大和灵活的调节 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 一 微反应器的结构 微反应系统的层次结构 3 二 微反应器的加工技术 微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能 操作温度 操作压力 加工方法等 常用的材料有 硅 硅的密度小 2 3g cm3 熔点高 1400 约为铝的两倍 热膨胀系数小 只有铝的十分之一 单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍 硅具有各向异性 便于进行选择性刻蚀 不锈钢 具有良好的延展性 加工方便 成本低廉 且易与外部连接 多用在一些强放热的多相催化微反应器中 玻璃 化学性能稳定 且具有良好的生物兼容性 制作的微反应器还有利于观察内部反应 陶瓷 化学性能稳定 抗腐蚀能力强 熔点高 在高温下仍能保持尺寸的稳定 故常用于高温和强腐蚀的场合 缺点是耗费时间长 价格昂贵 塑料和聚合物等材料 易于光刻电镀和压模成型加工 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 4 微反应器常用加工技术可分为三类 一是由IC 集成电路 平面制作工艺延伸而来的硅体微加工技术 包括湿法刻蚀 各向同性刻蚀和各向异性刻蚀 干法刻蚀 溅射刻蚀 等离子刻蚀 二是超精密加工技术 微细放电加工 micro EDM 激光束加工 电子束加工和离子束加工 三是LIAG工艺 包括光刻 电镀和压模三步的组合技术 由德国喀尔斯鲁厄核研究中心发明 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 二 微反应器的加工技术 5 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 二 微反应器的加工技术 干法刻蚀制作的微混合器部件 微细放电加工高精度喷嘴 激光束加工用于萃取的薄膜微孔 6 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 二 微反应器的加工技术 右图是用LIGA方法加工的微反应器通道共有50个反应单元 每个反应单元的尺寸为3cm 1 5cm 通道宽50 m 深150 m 用于某催化反应器 7 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 三 微反应器的封装技术 微反应器常用的封装技术有如下四种 热键合技术 把两片抛光的硅或玻璃面对面地接触 高温下使相邻原子间产生共价键 从而形成良好的结合 高能束焊接 激光焊接和电子束焊接 常用于微反应器中金属薄片之间的密封连接 扩散焊接 在高温和压力的作用下 将被连接表面相互靠近和挤压 使局部发生塑性变形 经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整体 扩散焊可以连接物理 化学性能差别很大的异种材料 如金属与陶瓷 粘接 常用于异种材料的连接 简便廉价 但不适于温度太高的场合 8 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 三 微反应器的封装技术 右图是德国MikrotechnikMainz研究所研制的微换热器的 板片之间采用扩散焊实现连接密封 最后再用螺栓与两端封头连接 9 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 三 微反应器的封装技术 右图是华东理工大学化工机械研究所制作的一台用于甲醇水蒸汽重整制氢微反应器 尺寸为40 40 8mm 板片共有三种 其中盖板两片 隔离板6片 槽道板5片 均为铁 铬 铝不锈钢片 每片厚度6 5mm 三种板上的定位圆孔以及隔离板上的改善液体分布的三角形孔都是用放电加工方法加工的 而槽道板上的微槽道则采用了湿法刻蚀 板片采用扩散焊实现连接密封 10 8 3微反应器 8 3 2微反应器的结构及制造工艺 三 微反应器的封装技术 右图是路易斯安那理工大学设计的把环己胺脱氢为苯的微反应器设计图 尺寸为20 14 3mm 由三部分组成 上部是用聚二甲基硅氧烷制作的端盖 中间是用钯 Pd 制成的折叠式隔膜 下部则是用硅制成的反应室 三者之间用聚酰亚氨粘接 该反应器能在250 以下稳定工作 11 一 特点 优点 1 比表面积大 传递速率高 接触时间短 副产物少微反应通道特征尺度小 单位体面积上传热 传质能力 反应速率显著增强 微通道设备的比表面积可以达到10000 50000m2 m3 传热系数高达2000 20000W m2 K 2 快速 直接放大 传统放大过程存在着放大效应 通过增大生产设备体积和规模达到放大目的 过程耗时费力 而微反应系统呈多通道结构 每一通道相当于一独立反应器 在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大 只需并行增加微反应器的数量 即所谓的 数增放大 3 安全性高大量热量也可以及时移走 从而保证反应温度维持在设定范围以内 最大程度上减少了发生事故的可能性 4 操作性好微反应系统呈模块结构 便携性好 可实现在产品使用地分散建设并就地生产 供货 并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产 具有很高的操作弹性 8 3 3微反应器的特点及应用 8 3微反应器 12 一 特点 缺点 1 工业化实现复杂 微设备数增放大 虽然降低了放大成本 但要实现却是一个巨大的挑战 当微反应器的数量大大增加时 微反应器的监测和控制的复杂程度也大大增加 对于实际生产来说成本相对高 2 微通道易堵塞 难清理 微反应器内部通道尺寸小 结构复杂 极易造成反应器通道堵塞 很难清理 这已成为微反应器制备中的一大困扰 8 3 3微反应器的特点及应用 8 3微反应器 13 二 适用领域 1 放热剧烈的反应对放热剧烈的反应 如环己烯加氢反应 常规反应器一般采用逐渐滴加的方式 即使这样 在滴加的瞬时局部也会过热而产生一定量的副产物 微反应器由于能够及时导出热量 反应温度可实现精确控制 因此消除了局部过热 显著提高反应的收率和选择性 2 反应物或产物不稳定的反应某些反应物或生成的产物很不稳定 在反应器中停留时间一长就会分解而降低收率 微反应器系统是连续流动体系 而且反应物的停留时间可以精确控制 因此可避免常规反应器中出现的由于反应物或产物不稳定而分解的情况 3 反应物配比要求很严的快速反应某些反应对反应物配比要求很严格 否则就会引起副反应 微反应器系统可以瞬时达到均匀混合 这就避免了局部过量的问题 使副产物减少到最低 8 3 3微反应器的特点及应用 8 3微反应器 14 二 适用领域 4 危险化学反应以及高温高压反应某些易失控的化学反应 一旦失控 就会造应温度急剧升高 压力急剧增加 引起冲料 甚至引发爆炸 微反应器由于反应热可以很快导出 因此从安全性的角度考虑 微反应器非常适合此类反应 8 3 3微反应器的特点及应用 8 3微反应器 不适合采用微反应器的情况 很慢的液 固反应 反应无放热或吸热现象 采用传统工艺和反应器收率已经很高的反应 15 三 应用情况 目前开展微反应器研究工作的主要研究单位有 美国杜邦 Dupont 公司美国麻省理工学院 MIT 德国美茵兹微技术研究所 IMM InstituteofMicrotechniqueMainz 德国巴斯夫 BASF 公司德国默克 Merck 公司德国拜耳 Bayer 公司德国西门子 Siemens 公司法国康宁 Corning 公司英国赛瑞思 Syrris 公司英国壳牌 Shell 公司等中国科学院大连化学物理研究所清华大学华东理工大学 8 3 3微反应器的特点及应用 8 3微反应器 16 三 应用情况 8 3 3微反应器的特点及应用 8 3微反应器 微反应技术的应用 17 克莱恩公司生产纳米颜料的微反应装置生产能力为1万t a 德固赛集团开发了基于微反应器技术的用于环氧丙烷生产的大型微反应器 这个反应器的外观和体积与传统反应器相近 但其内部反应通道却与我们所说的微反应器相同 西