微反應器有哪些種類
隨著對微反應器的研究不斷深入,對其進行分類不可避免地存在著偏差。可以參考傳統反應器的分類標準,對微反應器進行分類和歸納。微反應器按不同的分類方法有很多種。按照微反應器的工作方式,可分為連續微反應器、半連續微反應器和間歇微反應器。本論文中所涉及的微反應器都是連續微反應器,在半連續微反應器中,對其報道甚少。第二類微反應器按其用途可分為實驗性微反應器和生產型微反應器,其中微反應器在藥物篩選、催化劑性能檢測、工藝開發與優化等方面的應用。
以化學反應工程的觀點來看,微反應器的類型與反應過程密不可分,不同相態的反應過程對微反應器結構的要求也不相同,因此,微反應器可分為氣固相催化微反應器、液-液微反應器、氣液相微反應器、氣液相微反應器、氣液固三相催化微反應器等。以下就這幾種類型的微反應器作簡要介紹。
1氣固相催化微反應器
鑒于微反應器的特性適合于氣固相催化反應,目前微反應器的研究主要集中在氣固相催化反應上,氣固相催化微反應器種類最多。與壁面裝有催化劑的微通道相比,氣-固相催化微反應器更簡單。復合氣固相催化微反應器一般是由一個或多個功能如混合、傳熱、傳感、分離等耦合而成。如圖所示,微反應器包括反應、加熱和冷卻三種功能,由反應器、加熱和冷卻器三部分組成。
較有代表性的氣相微反應器是由麻省理工學院RaviSrinivason等設計制造的T型薄壁微反應器。本反應器用于氨的氧化反應,氨氣和氧氣分別從T型反應器的兩個通道進入,通過流量傳感器,在正下方通道進口處混合,在正下方的通道壁外側設置溫度傳感器和加熱器,T型反應器的薄壁結構本身就是一個熱交換器,通過制作材料改變熱導率和調整壁厚度,可以控制反應熱量的轉移,從而適合放熱不同的化學反應。另外,Franz等設計制造了一種可用于脫氫/氫化反應的微膜反應器,由于它與膜分離的功能相結合,反應物與產物在反應過程中分離,使得平衡轉化率不斷提高,產物收得率也隨之提高。
2液相微反應器
與氣固相催化微反應器相比,液相微反應器的種類相對較少。其中一個關鍵的影響因素是液-液相反應的充分混合,因此液-液相微反應器或與微混合器耦合,或者本身就是一個微混合體。微反應器的例子很少,專門為液-液相反應而設計的其它功能單元,例如微混合器。BASF設計的維他命前體合成微反應器和MIT為完成多什曼化學反應而設計的微反應器。二者代表了兩種典型的液相混合模式,前者采用靜態混合,將流體反復分割合并,以縮短擴散路徑,而后者則采用流體動力學集中法,即多個進給微通道呈扇形分布,集中在一條狹窄的微通道內,通過液體擴散快速混合。
同時,英國Hull大學設計了一種T型液液相微反應器,其最大特點是通過電滲析法輸送流體,如圖7所示:它由底板和蓋板兩部分組成,并用退火方法焊接在一起。在基片上蝕刻的微孔道呈T形,其中一微通道裝有金屬催化劑。蓋上設有3個直徑2毫米、B、C的圓柱形容器,與微孔相連,用于儲存反應物及產品。蓋上的容器中裝有鉑電極,用來裝入電流。與液相微反應器相比,氣液相微反應器的研究相對較少,根據氣液接觸的不同,所報道的微反應器可以分為兩類。
3氣液微反應器
一種是氣液從兩個微通道分別匯流到一個微通道,其整體結構呈T字形。因為在氣液兩相液中流體的流動與罩塔相似,隨著氣液流速變化出現氣泡流、節涌流、環狀流和噴射流等典型的流型,這種氣液相微反應器被稱為微泡罩塔。另外一類是沉淀膜式微反應器,液相從上至下呈膜狀流動,氣液兩相在膜表面充分接觸。氣-液相的接觸面積決定了氣液反應速率和轉化率等。氣液反應器兩種類型的氣液相接觸面積都很大,內表面積接近20000m2/m3,比傳統氣液反應器大了一個數量級。
4氣液固三相催化微反應器
在化學反應中,氣液固三相反應種類較多,多數情況下是固體催化劑,氣液和液體為反應物或產物,美國麻省理工學院開發了一種用于氣液固三相催化反應的微填充床反應器,其結構與固定床反應器相似,在反應室(微通道)中填充催化劑固定顆粒,氣相和液相被分成若干流股,再經管匯到反應室中進行催化反應。MIT還試圖“放大”這一微反應器,以將10個微填充床反應器并聯在一起,在保持產量恒定的情況下,可顯著降低微填充床反應器的壓降。
所述微電反應器的反應物具有液相和氣相兩種性質,由于它們各有特點,不能簡單地劃分為液相微反應器或氣相微反應器,而是單獨劃分為一類。在德國美因茲學院率先開發出一種由對甲氧基苯甲烷甲烷合成對甲氧基苯甲醛的電化學微反應器。同時,美國麻省理工學院的研究人員在耐熱玻璃/硅光化學微反應裝置中,采用裝有微型紫外燈的苯甲酮合成了頻哪醇。
標簽:   微型反應器