Mikroreaktor oder Mikrostrukturreaktor oder Mikrokanalreaktor

Kurzanleitung Mikroreaktortechnik

Die Mikroreaktortechnologie ist eine neue Technologie, die hauptsächlich durch Prozessintensivierung eine grüne chemische Synthese erreicht, insbesondere für die Herstellung von Feinchemikalien wie Chemikalien, Pestiziden, Medikamenten, Mikromaterialien und Nanomaterialien. Die Mikroreaktortechnologie ist eine mikrochemische Technologie, die in den 1990er Jahren aufkam. Es ist keine einfache Reduzierung des bestehenden Reaktors, sondern eines der neuen umfassenden Systeme, das verschiedene Elemente wie Materialtechnologie, Mikrofabrikationstechnologie, Sensortechnologie und Steuerungstechnologie integriert. Der Mikroreaktor ist ein neuer Typ eines miniaturisierten Pipeline-Reaktors mit kontinuierlicher Strömung und mikrometergroßen strukturellen Kanälen als Kern, um Reaktion, Mischung, Trennung und andere Funktionen zu realisieren. Das „Mikro“ eines Mikrokanalreaktors bezieht sich nicht auf die geringe Größe der Mikroreaktorvorrichtung oder die geringe Produktausbeute, sondern bedeutet eher, dass die Fluidikkanäle im Mikrometer- oder Millimeterbereich liegen. Der Mikroreaktionsprozess bezieht sich auf den durch diese Vorrichtungen aufgebauten Reaktionssystemprozess. Das Mikroreaktionssystem wird auch als mikrochemisches System bezeichnet, das ein Mikrosystem für den chemischen Prozess ist. Das Design und die Entwicklung des mikrochemischen Systems basieren auf der Idee, chemische Geräte zu miniaturisieren, ohne die Verarbeitungskapazität der Geräte zu verringern, indem die Geschwindigkeit und Steuerbarkeit der Durchfluss-, Misch- und Transferprozesse im System, die Fertigstellungszeit, verbessert werden Reaktion und Trennung werden verkürzt, die Stagnation von Materialien im Prozess reduziert, die Bildung von Nebenprodukten reduziert, um den umweltfreundlichen, sicheren und effizienten chemischen Prozess zu realisieren. Die Mikroreaktortechnologie ist zu einer der wichtigen Entwicklungsrichtungen auf dem Gebiet der chemischen Prozessintensivierung geworden, die in den Bereichen Medizin, Pestizide, Feinchemikalien und Zwischensynthesen weit verbreitet ist.

Ein Mikroreaktor oder Mikrostrukturreaktor oder Mikrokanalreaktor ist eine Vorrichtung, in der chemische Reaktionen in einem Einschluss mit typischen seitlichen Abmessungen unter 1 mm stattfinden; die typischste Form einer solchen Begrenzung sind Mikrokanäle. Mikroreaktoren werden im Bereich der Mikroverfahrenstechnik zusammen mit anderen Geräten (z. B. Mikrowärmetauscher) untersucht, in denen physikalische Prozesse ablaufen. Mikroreaktoren umfassen mikrogefertigte Strukturen, um die Durchführung von Durchflusschemie im Mikrometermaßstab zu ermöglichen. Der Mikroreaktor ist üblicherweise ein Durchflussreaktor (im Gegensatz zu einem Chargenreaktor). Mikroreaktoren bieten viele Vorteile gegenüber Reaktoren im konventionellen Maßstab, einschließlich enormer Verbesserungen in Energieeffizienz, Reaktionsgeschwindigkeit und -ausbeute, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Vor-Ort-/On-Demand-Produktion und ein viel feineres Maß an Prozesskontrolle.

Technische Eigenschaften des Mikroreaktors

• Große spezifische Oberfläche und gute Wärmeübertragung------Aufgrund der Mikrostruktur im Inneren des Mikroreaktors ist seine spezifische Oberfläche sehr groß und kann das Hundert- oder sogar Tausendfache der spezifischen Oberfläche des Rührbehälters betragen. Daher , es hat eine gute Wärme- und Stoffübertragungskapazität. Der Wärmeaustauschkoeffizient beträgt normalerweise mindestens 25 kW m – 2 K – 1, wodurch das sofortige gleichmäßige Mischen und die effiziente Wärmeübertragung von Materialien realisiert werden können.
• Hohe Stoffaustauscheffizienz und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit-------Der Mikrokanalreaktor kann viele Mikrokanäle enthalten, und die gasförmigen und flüssigen Fluide in den Mikrokanälen können mit 10-4 bis 10-6 m/s strömen, The Der Mischreaktionsprozess von Flüssigkeiten kann die sofortige und gleichmäßige Mischreaktion von Materialien realisieren und die Reaktion gewöhnlicher chemischer Reaktionen durchführen. Die Zeit wird von Stunden reduziert - Dutzende von Stunden auf Sekunden - Minuten und ein hoher Durchsatz wird erreicht.
• Genaue Kontrolle der Reaktionstemperatur und -zeit zur Verbesserung der Ausbeute-------Die hervorragenden Wärmeübertragungseigenschaften des Mikroreaktors ermöglichen die präzise Kontrolle der Reaktionstemperatur innerhalb eines bestimmten Bereichs, was für einige Reaktionen mit Zwischenprodukten und thermisch instabilen Reaktionen von großer Bedeutung ist Produkte in der Feinchemie. Im Mikrokanalreaktor fließen die Reaktanden kontinuierlich. Die Verweilzeit der Rohstoffe unter den Reaktionsbedingungen lässt sich genau steuern. Sobald die optimale Reaktionszeit erreicht ist, wird sofort zum nächsten Schritt übergegangen oder die Reaktion abgebrochen, wodurch die aufgrund der langen Reaktionszeit erzeugten Nebenprodukte effektiv eliminiert und die Ausbeute verbessert werden können.
• Weniger Flüssigkeitshaltekapazität, sicherer und umweltfreundlicher für die kontinuierliche Produktion-------Aufgrund der guten Wärmeübertragung des Mikroreaktors wird die Reaktionstemperatur nicht übermäßig akkumulieren und innerhalb eines bestimmten Bereichs genau kontrolliert, was das potenzielle Risiko verringern kann der Explosion. Mikroreaktoren werden normalerweise kontinuierlich betrieben, die Menge an Edukten im Mikroreaktor ist sehr gering. Dies ermöglicht die nachfolgende Verarbeitung instabiler Zwischenprodukte und vermeidet typische Verzögerungen bei der Chargenaufarbeitung. Die Verweilzeit des instabilen Reaktionsmediums ist sehr kurz und zerfällt nicht, selbst wenn das Reaktionszwischen- oder Endprodukt giftige und schädliche Substanzen sind, auch weil die Menge der pro Zeiteinheit erzeugten Produkte gering und die Verweilzeit kurz ist, die Schädlichkeit der Sicherheitsunfälle wird erheblich reduziert. Viele heftig exotherme Reaktionen, die im Batch-Verfahren nicht, aber in Mikroreaktoren realisiert werden können, sogar Schlüsselreaktionen wie die Nitrifikation können sicher bei hoher Temperatur durchgeführt werden.
• Obwohl ein Mikroreaktor Chemikalien nur in kleinen Mengen synthetisieren kann, ist die Aufskalierung auf industrielle Volumina einfach ein Prozess der Vervielfachung der Anzahl von Mikroreaktoren. Im Gegensatz dazu funktionieren Batch-Prozesse im Labor allzu oft gut, scheitern jedoch auf der Ebene der Batch-Pilotanlage.
• Die Mikroreaktortechnologie kann auch die Anzahl der Mikroreaktormodule im System je nach Marktveränderungen flexibel erhöhen oder verringern, um eine termingerechte, maßgeschneiderte Produktion vor Ort zu realisieren.
• Die Mikroverarbeitungstechnologie kann verwendet werden, um Mikromischen, Mikroreaktion, Mikrowärmeaustausch, Mikrotrennung, Mikroanalyse und andere Einheitsoperationen und passende Mikrosensoren, Mikroventile und andere Geräte in eine Plattform oder sogar zu integrieren ein Steuerchip zur Realisierung einer Plattformisierung oder eines chipbasierten multifunktionalen Betriebs, um eine Echtzeitüberwachung und intelligente Steuerung des Mikroreaktionssystems zu erreichen, die Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Reaktionskosten zu sparen.

Art der Reaktionen Geeignet für Mikroreaktoren

Bisher ist der Mehrzweck-Mikroreaktor noch auf homogene Reaktion beschränkt, und bis zu einem gewissen Grad ist er auf Gas-Flüssigphasen- und Flüssig-Flüssigphasen-Reaktionen beschränkt. Laut Statistik können etwa 30 Prozent der feinchemischen Reaktionen in Mikroreaktoren durchgeführt werden, um die Ausbeute, Selektivität oder Sicherheit zu verbessern. Die Vorteile des Mikroreaktors spiegeln sich hauptsächlich in folgenden Reaktionstypen wider:

• Heftig exotherme Reaktionen-------Für heftig exotherme Reaktionen verwenden herkömmliche Reaktorverfahren im Allgemeinen die Methode der allmählichen tropfenweisen Zugabe oder Chargenzugabe. Trotzdem kommt es immer noch zu einer lokalen Überhitzung und zu einer gewissen Menge an Nebenprodukten. Aufgrund der guten Wärmeübertragungseigenschaften des Mikroreaktors lässt sich die Reaktionstemperatur präzise steuern, lokale Überhitzungen eliminieren und Produktausbeute und Selektivität deutlich verbessern.
• Reaktion mit instabilen Reaktanten oder Produkten------Einige Reaktanten oder Produkte sind sehr instabil und zersetzen sich und reduzieren die Produktausbeute nach einer Verweilzeit. Das Mikroreaktorsystem ist ein System mit kontinuierlichem Durchfluss, und die Verweilzeit der Reaktion kann genau gesteuert werden. Daher kann die Zersetzung aufgrund der Instabilität von Reaktanten oder Produkten in dem herkömmlichen Reaktor vermieden werden.
• Schnelle Reaktion mit strengen Anforderungen an das Verhältnis der Reaktanten------Einige Reaktionen haben strenge Anforderungen an das Verhältnis der Reaktanten, und ein Überschuss an einem der Reaktanten führt zu Nebenreaktionen, z. B. Reaktionen, die eine Monosubstitution erfordern es entstehen zwei- und dreifach substituierte Produkte. Das Mikroreaktorsystem kann sofort ein homogenes Mischen erreichen, was das Problem eines lokalen Überschusses jedes Reaktanten vermeidet und Nebenprodukte minimiert.
• Gefährliche chemische Reaktionen und Hochtemperatur- und Hochdruckreaktionen------Einige chemische Reaktionen, die leicht außer Kontrolle geraten, führen zu einem starken Anstieg der Reaktionstemperatur und des Reaktionsdrucks, sobald sie außer Kontrolle geraten, und die Reaktanten können sogar explodieren. Da die Reaktionswärme schnell abgeführt werden kann und der Mikroreaktor eine kontinuierliche Durchflussreaktion ist, ist die Menge an Online-Chemikalien sehr gering, sodass die Sicherheit der Reaktion in Mikroreaktoren gewährleistet ist.

Natürlich sind nicht alle Reaktionen für Mikroreaktorsysteme geeignet, wie z. B. sehr langsame Flüssig-Feststoff-Reaktionen, Reaktionen ohne exotherme und endotherme Phänomene und traditionelle Verfahren haben bereits eine hohe Selektivität und Ausbeute an Reaktionen.

Anwendungsfalle von Mikroreaktoren

• Obwohl es Reaktoren für den Umgang mit Partikeln gab, tolerieren Mikroreaktoren Partikel im Allgemeinen nicht gut, was häufig zu Verstopfungen führt. Verstopfungen wurden von einer Reihe von Forschern als die größte Hürde für Mikroreaktoren[8] identifiziert, die weithin als vorteilhafte Alternative zu Chargenreaktoren akzeptiert werden.
• Mechanisches Pumpen kann einen pulsierenden Fluss erzeugen, der nachteilig sein kann. Der Entwicklung von Pumpen mit geringer Pulsation wurde viel Arbeit gewidmet. Eine Lösung mit kontinuierlichem Fluss ist der elektroosmotische Fluss (EOF).
• Korrosion stellt in Mikroreaktoren ein größeres Problem dar, da das Verhältnis von Fläche zu Volumen hoch ist. Eine Degradation von wenigen µm kann in herkömmlichen Gefäßen unbemerkt bleiben. Da typische Innenabmessungen von Kanälen in der gleichen Größenordnung liegen, können die Eigenschaften erheblich verändert werden.
• Obwohl das Mikroreaktorsystem durch Vervielfachung der Anzahl der Mikroreaktoren auf industrielle Volumina skaliert werden kann und die Kosten reduziert werden können, ist die Verarbeitungskapazität des Mikroreaktionssystems ebenfalls stark begrenzt. Während die Anzahl der Mikroreaktoren stark erhöht wird, wird auch die Komplexität des Mikroreaktionsüberwachungs- und Steuersystems stark erhöht, und die Investitions- und Betriebskosten für die eigentliche Produktion werden ebenfalls stark erhöht.

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