Принципы и область применения микроканала

Микроканалы, также известные как микроканальные теплообменники, представляют собой теплообменники с эквивалентным диаметром каналов в диапазоне 10–1000 мкм.Эти теплообменники имеют десятки тонких проточных каналов внутри плоской трубки, соединенных с круглыми коллекторами на обоих концах плоской трубки.Внутри коллекторов установлены перегородки для разделения каналов теплообменника на несколько процессов.По сравнению с традиционным химическим производством микроканалы имеют значительный потенциал для развития и широкие перспективы применения в тонкой химической технологии.Итак, давайте вместе углубимся в микроканалы с разных аспектов.

I. Понимание микроканальных реакторов

Введение в микроканальные реакторы

По сути, микроканальный реактор представляет собой разновидность трубчатого реактора непрерывного действия.Сюда входят смесители, теплообменники, контроллеры реакторов и другие требования к химическим установкам.В настоящее время общую конструкцию микроканальных реакторов можно разделить на два типа: один представляет собой интегральную конструкцию, которая проявляется в виде противоточных или противоточных теплообменников, обеспечивающих высокую производительность операций в единице объема.В целостной структуре одновременно может выполняться только один этап работы, и соответствующие устройства в конечном итоге соединяются, образуя сложную систему.Другой тип — это многоуровневая структура, состоящая из набора модулей с разными функциями, где одна операция выполняется на одном уровне, а другая операция — на другом.Поток жидкости в различных модулях слоев можно контролировать с помощью интеллектуальных устройств отклонения для достижения более высокой производительности.Некоторые микроканальные реакторы или системы обычно работают параллельно для большей производительности.

II.Принципы микроканальных реакторов

Микрореакторы в основном относятся к небольшим многоканальным реакторам с размерами каналов субмикронного и субмиллиметрового диапазона, изготовленным с использованием технологий науки о поверхности и микропроизводства.Размер канала микрореакторов находится только на субмикроном и субмиллиметровом уровне.Микрореакторы обладают превосходными тепло- и массообменными свойствами по сравнению с традиционным химическим оборудованием, что делает их особенно подходящими для экспериментов с высоким тепловыделением и быстрыми реакциями.Понимание принципов работы микрореакторов интересует многих.

Концепция микрохимической технологии берет свое начало от механизмов теплопередачи обычного масштаба.При ламинарном течении внутри круглой трубы, когда температура стенки постоянна, коэффициент теплопередачи h обратно пропорционален диаметру трубы d, как видно из формулы (1).Аналогично, для ламинарного течения внутри круглой трубы, когда концентрация компонента А у стенки трубы остается постоянной, коэффициент массопереноса kc обратно пропорционален диаметру трубы (формула (2)).Поскольку поток внутри микроканалов в основном представляет собой ламинарный поток, в основном полагающийся на молекулярную диффузию для достижения смешивания жидкости, как показано в формуле (3), время смешивания t пропорционально квадрату масштаба канала.Уменьшение характерного размера канала не только существенно увеличивает удельную поверхность, но и существенно повышает передаточные характеристики процесса.

Nu=hd/k=3,66(1)

Ш=кс/ДАБ=3,66(2)

т=д 2/DAB(3)

Здесь Nu — число Нуссельта, Sh — число Шервуда, D — коэффициент диффузии.Химические реакции, проводимые в химических процессах, контролируются скоростью переноса или собственной кинетикой реакции, или тем и другим.Для мгновенных и быстрых реакций, проводимых в реакционном оборудовании традиционного масштаба, они контролируются скоростью переноса.В микромасштабных реакционных системах из-за значительного увеличения скорости переноса скорость реакций таких процессов будет значительно увеличена.Что касается медленных реакций, которые в основном контролируются собственной кинетикой реакции, одним из ключевых способов интенсификации процесса является увеличение собственной скорости реакции, обычно достигаемое за счет повышения температуры реакции или изменения условий проведения процесса.В настоящее время большинство промышленных применений реакций нитрования углеводородов относятся к категории среднемедленных реакционных процессов, время реакции которых составляет от десятков минут до часов.В микрореакторах можно использовать адиабатическое нитрование, а одновременное изменение условий процесса может сократить время реакции до секунд.Таким образом, теоретически практически все реакционные процессы могут быть интенсифицированы.