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微通道原理及应用范围

微通道,也称为微通道热交换器,是通道当量直径为10 ~ 1000微米的热交换器。这些热交换器的特点是在扁平管内有几十个细小的流动通道,在扁平管的两端连接到圆形歧管。挡板安装在歧管内以将热交换器通道分成多个过程。与传统的化工生产相比,微通道在精细化工领域具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。所以让我们一起从不同的方面深入研究微通道。

 

I.了解微通道反应器

微通道反应器简介

实质上,微通道反应器是一种类型的连续流动管式反应器。它包括混合器,热交换器,反应器控制器,和其他化学单元的要求。目前,微通道反应器的整体结构可以分为两种类型: 一种是整体结构,表现为逆流或逆流热交换器的形式,能够在单位体积内进行高通量操作。在一个整体结构中,只有一个操作步骤可以同时进行,这些相应的设备最终连接在一起,形成一个复杂的系统。另一种类型是分层结构,由具有不同功能的模块堆栈组成,其中一个操作在一层中执行,另一个操作在另一层中执行。各种层模块中的流体流动可以通过智能分流装置来控制,以实现更高的吞吐量。一些微通道反应器或系统通常并联操作以获得更大的生产量。

 

二、微通道反应器的原理

微反应器主要是指使用表面科学和微制造技术制造的通道尺寸在亚微米和亚毫米范围内的小型多通道反应器。微反应器的通道尺寸仅在亚微米和亚毫米水平。与传统的化学设备相比,微反应器具有优越的传热和传质性能,使其特别适合于具有高放热和快速反应的实验。理解微反应器的原理是许多人感兴趣的。

微化学技术的概念源于常规规模的传热机制。对于圆管内的层流,当壁温恒定时,传热系数h与管径d成反比,如公式 (1) 所示。同样,对于圆管内的层流,当管壁处的组分a的浓度保持恒定时,传质系数kc与管直径成反比 (公式 (2))。由于微通道内部的流动大多涉及层流,主要依靠分子扩散来实现流体混合,如式 (3) 所示,混合时间t与通道尺度的平方成正比。减小通道的特征尺寸不仅显著增加了比表面积,而且大大增强了工艺的传递特性。

 

No = hd/k = 3.66(1)。

Sh = kc/DAB = 3.66(2)

t = d 2/DAB(3)

 

这里,Nu是Nusselt数,Sh是Sherwood数,D是扩散系数。在化学过程中进行的化学反应由转移速率或固有反应动力学或两者控制。对于瞬时和快速反应,当在传统规模的反应设备中进行时,它们由转移速率控制。在微型反应系统中,由于转移速率的显着提高,此类过程的反应速率将大大提高。

 

 

对于主要由本征反应动力学控制的慢反应,强化过程的关键手段之一是提高本征反应速率,通常通过提高反应温度或改变过程操作条件来实现。

 

目前,大多数碳氢化合物硝化反应的工业应用属于中慢反应过程的范畴,反应时间从几十分钟到几小时不等。在微反应器中,可以使用绝热硝化,并且同时改变工艺条件可以将反应时间缩短至数秒。因此,理论上,几乎所有的反应过程都可以被强化。

 

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