微通道反应器简介

存档日期：存档编号:北京化工大学研究生课程论文课程名称：化学反应器理论课程代号：ChE540任课教师：文利雄完成日期：2013年04月13日专业：化学工程与技术学号：姓名：成绩：摘要近年来，微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道，因此，微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础，对其进行系统深入的研究具有重要意义。本文综合概括了微通道反应器的基本概念及主要优点，讲述了微通道反应器的发展历程，详细介绍了微通道反应器的分类及结构，重点讲述微通道反应器的流体力学性能，接着介绍了微通道反应器所使用的体系，最后介绍了目前微通道反应器的工业应用实例。关键词：微通道反应器AbstractInrecentyears,micro-chemicaltechnologyhasbecomeanewdevelopingdirectionandresearchfocusforchemicalengineering.Microchannelswithdiameterrangingfromnanometertomicronaremainsectionsofthemicro-chemicalequipments,therefore,thecharacteristicsoffluidflowandmassandheattransferinmicrochannelsareofkeyimportanceforthedesignandapplicationofmicro-chemicalprocesses.ThearticlefirstlysummarizesthebasicconceptionandmajoradvantagesofMicrochannelReactor,aswellasitsdevelopmenthistory.Meanwhile,itintroducestheclassificationandstructureofMicrochannelReactorindeatails,whichforcusingonitshydrodynamicsperformance.ThenthetextexplainsthesystemthatappliedtoMicrochannelReactor.Andlastly,itdescribestheapplicationexamplesofMicrochannelReactorinindustry.Keywords：MicrochannelReactor化学反应器理论（课程论文）-化研12052012200120黄思达i前言20世纪90年代初，可持续与高新技术发展的需要促进了微化工技术的研究，其主要研究对象为特征尺度在微米级的微通道，由于尺度的微细化使得微通道中化工流体的传热、传质性能与常规系统相比有较大程度的提高，即系统微型化可实现化工过程强化这一目标。自微通道反应器面世以来，微通道反应技术的概念就迅速引起相关领域专家的浓厚兴趣和关注，欧美、日本、韩国和中国等都非常重视这一技术的研究与开发。由于特征尺度的微型化，微化工技术的发展不仅在技术领域中构成了重大挑战，也为科学领域带来许多全新的问题，在微尺度的化工系统中，传统的“三传一反”理论需要修正、补充和创新，系统的表面和界面性质将会起重要作用，从宏观向微观世界过渡时存在的许多科学问题有待于发现、探索和开拓。特征尺度为微米和纳米级的微通道是微化工设备系统的主要组成部分，微通道内的单相、气液和液液两相流是微流体学的主要研究内容，目前的研究还主要停留在实验阶段，微尺度下的流动和传质传热机理还有待进一步研究。化学反应器理论（课程论文）-化研12052012200120黄思达ii目录第一章反应器概念..................................................................................1第二章反应器起源与演变......................................................................4第三章反应器的分类及结构..................................................................53.1气固相催化微反应器....................................................................................53.2液液相微反应器............................................................................................73.3气液相微反应器............................................................................................93.4气液固三相催化微反应器............................................................................93.5电化学和光化学微反应器..........................................................................10第四章微通道反应器流体力学性能...................................................124.1微通道内两相流的研究................................................................................124.2微通道内两相流传质的研究.......................................................................21第五章所适用的反应体系...................................................................235.1催化剂制备技术...........................................................................................235.2气相反应.......................................................................................................235.3气-液反应......................................................................................................245.4液-液反应......................................................................................................25第六章工业应用实例...........................................................................26参考文献.................................................................................................29化学反应器理论（课程论文）-化研12052012200120黄思达1第一章反应器概念近年来，微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工系统中各类基本单元的特征尺度在微米级，其表面积与体积的比值远大于常规系统。在微尺度下，宏观领域作用微小的力和现象可能起着重要的作用，此时许多宏观的规律不再适用。但由于微细尺度领域研究条件的限制，微观尺度下的理论体系尚未建立，阻碍了微化工技术的进一步发展。因此微尺度下的传递、分离和反应规律，系统的集成等方面的基础性理论研究显得尤为重要，有关的研究必将促进许多相关基础学科的发展。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道，因此，微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础，对其进行系统深入的研究具有重要意义。微反应器是一个比较广泛的概念，且有很多种形式，既包括传统的微量反应器(积分反应器)，也包括反相胶束微反应器、聚合物微反应器、固体模板微反应器、微条纹反应器和微聚合反应器等。这些微反应器都有一个根本特点，那就是把化学反应控制在尽量微小的空间内，化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米。而本文所指的微反应器具有上述反应器的共同特点，但又有所区别，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(见图1-1)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(见图1-2)，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。严格来讲微反应器不同于微混合器、微换热器和微分离器等其他微通道设备，但由于它们的结构类似，在微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备中可以进行非催化反应，且当把催化剂固定在微通道壁时，微混合器、微换热器和微分离器等微通道设备就成为微反应器，因而国外有的学者将这一类型的微通道设备统称为微反应器[1,2]。微反应器还应与微全分析设备相区别，虽然它们的结构可以相同，但它们的功能和目的完全不同[2]。化学反应器理论（课程论文）-化研12052012200120黄思达2图1-1简单的微反应器结构图1-2复杂的微反应器系统与常规反应器相比，微反应器有以下特点[3-6]：（1）比表面积增加。微通道内的比表面积能达到10,000~50,000m2/m3，而常规反应器内的比表面积只能达到100~1000m2/m3。（2）传热过程得到强化。首先，比表面积的增大使反应器内能够提供的对流传热的场所增加；其次反应器内部体积减小使使温度分布能够在很短的时间内实现均一化。（3）传质过程得到强化。在微通道内，流体流动形式为层流，传质过程主要是分子间扩散。根据菲克定律，分子扩散距离和时间的关系如下：化学反应器理论（课程论文）-化研12052012200120黄思达3(1-1)其中D为扩散系数。尺寸的减小能够实现快速混合，如室温下，一个水分子扩散通过1mm的距离需要大约200s的时间，但是通过50μm的距离只需要大约500ms的时间。另外，比表面积的增大为传质过程提供了更大的场所。（4）反应需要的试剂量小。微反应器的内部体积一般在μL数量级，既避免了反应物的浪费，也防止了产物对环境的污染。（5）反应更加安全。传递过程的强化使反应器内的反应过程更容易控制，即使硝化反应[7]等强放热过程也可以安全的进行。（6）“数量放大”。与常规工艺不同，微反应器的工业放大采用并行操作的“数量放大”方式，如图1-3。这种方式缩短了工业放大的时间，使实际生产更加灵活。图1-3常规体积放大和微反应器“数量放大”的区别化学反应器理论（课程论文）-化研12052012200120黄思达4第二章反应器起源与演变“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。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化,专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学