基于微化工技术的新型多相流微反应器设计与开发

郎翠莲,赵实柱

(淄博齐翔腾达化工股份有限公司，山东 淄博 255400)

摘 要：针对多相流撒反应器设计与开发的关键问题,提出了一种基于微化工技术的优化方案。通过对流体输入模块、微反应通道模块、监测与控制模块以及产物分离与枚集模块的设计,实现了多相流反应的高度集成与高效拉制。实脸结果示，在优化条件下,多相流微反应器转化率、选择性、时空产率分别达到了99.1%、96.3%6、67.9kp/(L·h),为多相流微反应器的工业化应用提供了理论依据和技术支持。

关键词：微化工技术；多相流微反应器；集成设计

微化工技术以其高效、节能,环保、安全等优势引起广泛关注,成为化学工业可持续发展的重要途径。多相流微反应器是微化工领域的研究热点,但尚存在设计不合理、功能单一等问题制约其广泛应用。本文基于微化工技术对新型多相流微反应器进行优化设计和开发,旨在提升其性能,为相关领域提供新思路和参考。

1 微化工技术概述

微化工技术作为21世纪化学工程领域的革命性技术,通过将传统化工过程微型化,实现了高效、节能环保、安全的生产模式。微化工反应器的特征尺寸通常在微米至毫米量级,比表面积可达1万~5万m/m,传热传质效率显著提高。以微型混合器为例,在雷诺数为200-2000的层流条件下,其混合时间可缩短至1~100m8,混合效果远优于传统搅釜。微化工技术还能精确控制反应条件,如温度控制精度达+0.5K，压力控制精度达+0.01MP,使危险化学品的合成安全高效。此外,微化工装置模块化、集成化特点突出,可实现连续化生产和放大,已在医药、精细化工等领得到应用。微化工技术的发展为化学工业绿色转型提供了新的技术支撑。

2 多相流微反应器的功能及现状

多相流微反应器是微化工技术的重要应用之一其功能主要包括强化传质传热、精确控制反应条件、实现流体的精细化操控等。与传统反应器相比,多相流徽反应器能够将气-液、液-波等不互溶体系在微通道中形成规则的液滴流、段塞流或环状流,大幅提高相间传质效率,液滴直径可控制在50500pm范围内。同时,微通道的高比表面积特性使得传热速率显著提升，一般可达10100kW/(m·K),为放热反应的温度控制提供了保障。在流体操控方面,多相流微反应器可通过精确调挖进样量和流速,实现纳升级乃至皮升级的进样。目前,多相流微反应器已在绿色催化、药物合成等领域展现出优势,如以二氧化碳为原料合成环状碳酸酯类化合物,产物选择性>98%。然面,现有的多相流微反应器在流型调控、通道堵塞等方面仍存在不足,亟需开发新型微反应器以进一步发挥其在化工生产中的重要作用。

3 基于微化工技术的多相流微反应器设计

3.1 反应器基本原理

多相流微反应器的核心在于利用微通道的高比表面积和短传质路径,在微观尺度下操作气-液或液-液等多相流体,显著提高传质和传热效率。通过流体输入模块精确控制原料的进料量和混合程度,形成稳定的液滴流或段塞流进人微反应通道模块,在此过程中,独特的微通道结构设计和表面改性增强了相间的传质和传热,加快了反应速率。监测与控制模块实时监控并调控反应条件,确保反应在最优状态下进行。产物分离与收集模块则通过膜分离技术高效分离产物,提高产率和纯度。

3.2 反应器组成设计

3.2.1 流体输人模块

多相流微反应器的高效运转离不开精准可控的进料系统。流体输人模块作为原料输送的重要组成部分,对保障反应物在微通道中形成稳定流型、实现不同反应物的精确配比至关重要。本文设计的流体输人模块采用多通道蠕动泵、微型止回阀和混合微通道3部分构成。多通道蠕动系选用Watson-Marlow400系列OEM蠕动泵,配备3个独立可控通道,流量范围为0.05-50ml/min,可实现不同反应物的精确计量输送。泵管材质为Marprene 热塑性弹性体,腐蚀、耐压性能优异。为防止流体回流,在每个进料通道上安装The Lee Cormpamy的微型止回阀,开启压力低至500Pa,可有效抑制背压效。混合微通道采用新型Tesla 结构,通道宽度200pm,深度150um,总长度50mm。Tesla结构通过诱导流体产生二次涡流,可在5mg内实现液滴直径小于进料通道直径5%的乳液的均质混合。流体输人模块的工作流程如下:反应物由蠕动泵定量泵人,经止回阀和混合微通道充分混合后,进人下游的微反应通道模块,在整个过程中通过调节泵的转速和通道背压,可灵活控制进料量和混合程度,为后续的高效反应创造有利条件。

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