GREEN РЕАКТОРОВ
Сравните эти microreactor технологий, наряду с собственными преимуществами и недостатками миниатюризации, добиться интенсификации процесса.
Процесс интенсификации (PI) представляет собой философию дизайна, которая была интегрирована в зеленой химии и, совсем недавно, зеленый процессов (1). Концепции П. первоначально были впервые в 1970-е годы Колин Рамшо и его сотрудниками в ICI (U. К.), который разработал "HIGEE концепции" - который осуществляет массопереноса под воздействием больших центробежных сил, чтобы значительно усилить массовые операции блок передачи. В начале 1980-х, компактный теплообменник, в виде печатной и распространения связями блок, была разработана Тони Джонстон механического инженерного департамента в Univ. Сидней, Австралия. П. был первоначально разработан для основной химической промышленности, но в настоящее время рассматривается для изготовления специальности, пени и фармацевтических веществ (2,3).
Интенсификации процесса достигается за счет использования очень больших усилий, ультра-высокого давления, электрического поля, ультразвука, поверхностно-активных веществ основан увольнений, сокращения распространения и проводящих путей, поле течения жидкости и взаимодействия микроструктуры и / или размер зависит от явлений. Это может привести к экономии энергии, сокращения капитальных расходов, земельные требования и использовании химических веществ, а также окружающей среды и безопасности выгоды. Преимущества возникнуть в связи с сокращением размера установки (который может быть порядка 3 или 4), время реакции (которая может быть порядка нескольких сотен) и масс-и теплообмена сопротивлений.
2002 изучение потенциальных возможностей для интенсификации процесса технологий определили несколько приоритетов, в частности, укрепление безопасности, сокращение запасов, переход от партии к непрерывной обработки, и небольших заводов (4). Однако, как представляется, несколько препятствий на пути широкого распространения миниатюрных образцов, в том числе: консерватизм, в химической промышленности, потеря буферный эффект предоставляемый большого объема реакторов, отсутствие соответствующих кодексов поведения; достаточных данных, а также непригодность миниатюрных оборудование для навозной жижи систем.
Большинство фармацевтических и химических продуктов производятся в больших перемешивают судов, которые расширенных версий лаборатории колбу, в которой первоначально химик разработал процесс. Инженер-то шаги, чтобы выполнить сложную задачу расширения процесса в реактор, который имеет много ограничений (5, 6). Тепло-и массообмена и смешивания характеристики перемешивают судно резко ухудшаться в больших размерах. Поверхностной площади к объему уменьшается (пропорционально объему треть мощности), время обращения содержания возрастает, а соответствующее перемешивания интенсивность уменьшается во время scaleup при постоянной скорости отзыв крыльчатки. Таким образом, крупные суда будут замедляют реакцию, которая может быть неразрывно быстро. Порой экзотермических реакций необходимо осуществлять на более низких скоростях реакции из-за ограниченного теплоотвода судна возможностей.
Несколько новых конструкций реактора предназначены для преодоления массопереноса и теплопереноса сопротивления, уменьшить время смешивания, конвертировать difftjsion ограниченной реакции на кинетику-контролируемые реакции, а также ускорить scaleup. С помощью этих новых конструкций, это может быть возможным для выполнения сильно экзотермических реакций, ускорить скорость реакции на несколько порядков величин, устранить побочные реакции и, следовательно, образование отходов, объединить реакции с другими операциями блок, объединить несколько шагов в один шаг, и многое другое. Очень небезопасным и опасные реакции были проведены в таких миниатюрных реакторов.
В этой статье рассматриваются некоторые из этих реакторов, их преимущества и недостатки, основные конструктивные параметры, которые необходимо учитывать при выборе и определении их.
Microreactor основы
Microreactor может иметь как микроканальных пластин и дизайн (7). Она имеет очень высокое теплоотвода ставка за короткое время пребывания и большой коэффициент поверхностного площади и объема. В microreactor, реакции, которые массообмена контролируемых стала реакция-контролем. Каналов может быть порядка миллиметров в размере. Некоторые реакторы могут быть уложены для достижения scaleup, без потери преимуществ в небольших масштабах.
Микрореакторах изготавливаются из различных субстратов, в том числе кремний, кварц, металлы, полимеры, керамика и стекло. Различные методы изготовления микро доступны, в том числе литографии, гальванопластики и литья (LIGA, от немецкой lithographie galvanoformung abformung), глубокие реактивного ионного травления (Дри), лазерной абляции, фотолитографии, горячее тиснение, литье под давлением, порошковое взрывных и microlamination (7 ).
Из-за низкой скорости в микрореакторах, смешивая в основном путем молекулярной диффузии, скорость профили будут параболического и поток будет в ламинарном режиме. Параболического профиля скорости, также приведет к широкому распространению временное проживание (RTD). RTD является функцией распределения вероятностей, описывающая количество времени тратит элемента жидкости в сосуде. В идеальном варианте плагин потока (или трубчатых) реактора, нет смешения в осевом направлении и элементов жидкости оставить в том же порядке они прибыли. В идеальном постоянно смешения, как только жидкость поступает в сосуд, он мгновенно и полностью перемешаны в глубь емкости. Судно содержания и выхода жидкости имеют идентичные, однородные композиции во все времена.
Два подхода доступны для повышения перемешивания в микрореакторах. Пассивный подход направлен на максимально межфазной поверхности реактора с использованием различных типов геометрии, в том числе Т-типа. изменение структуры Тесла, а встроенный барьеров. Высокие потери давления ожидается сложный конструкции. Пассивный частиц жидкости, когда переносимой полем скоростей ламинарного, может проявлять хаотическое траекторий, которые могут увеличить поверхность контакта между различными жидкостями и уменьшение диффузии пути между ними, тем самым повышая смешивания. Эта концепция известна как хаотической адвекции (8).
В статическом micromixer, 3-мерной структуры, которые выступают с пола или депрессии или каналам в полу, может генерировать поперечной компоненты винтового потока к внедрению хаос. Встроенные барьеры расположен на интервалы внутри трубки также привести к хаотическому перемешивания. Легко Etch каналов в стеклянных подложках с использованием стандартных фотолитографии и химического травления мокрые методы. Однако в связи с изотропной характер жидкостного травления стекла, ширина канала будет в два раза глубины канала (8). Другие способы увеличения межфазной области включают в себя создание нескольких уровней жидкости структуры канала повторить потока расщепления и присоединения к процессу (9), и 3-мерных змеевик микроканалов создать хаотические поля течения (10). Эти конструкции увеличить сложность изготовления и стоимость производства.
В активный подход к повышению смешивания, внешних сил или движущихся частей, используемых для побудить контакт. Это может включать ультразвуковых колебаний, магнитогидродинамических (МГД) перемешивания, thermopneumatics, с памятью формы сплавов, импульсного электрического поля, или электроосмотического потока. Самонакачки micromixer, в состав которого входят PZT (пьезоэлектрические свинцово-цирконата-титаната) бесклапанные микронасоса (11), также могут быть использованы. Другие активного перемешивания методы включают в себя, электрохимическая перемещения, образование пузырьков, теплового расширения, микросферы деформации, электрогидродинамике и использование капиллярных сил или испарения (5).
Пузырь перемещение связано с использованием тепла для выработки пара пузырей. Как пузыри создаются, каждый действует как поршень, чтобы гнать жидкость через выход реактора. Когда отвод тепла, пар конденсируется, пузырьки крах, и жидкость обращается в через входной благодаря вакуумной оно создает. Создавая этот циклический поколения пузыря и краха, чистая насосное действие генерируется. Тем не менее, кипении жидкости (что может быть нежелательно), поломки обогреватели и stiction (например, трение, которое препятствует движению) в клапаны те вопросы, которые необходимо решить в этой конструкции (12).
Хотя активных устройств, таких как внешние насосов переменной частоты или внутренних механических движущихся частей, могут позволить короче длины канала и уменьшения необходимости перемешивания, интегрируя их в микрофлюидальном систем является важной задачей. Microchanneled поверхности, которые вступают в контакт с полярными решения будут приобретать конечной плотности заряда за счет химической реакции, или ионизация ионов поглощения. Эта плата привлекает ионов в непосредственной близости от стены, что приводит к образованию двойного электрического слоя (ДЭС) в жидкости (13). Применение внешнего электрического поля к такой системе будет заставить ионов в диффузионном слое EDL двигаться в направлении в соответствии со своей полярности, увлекая за собой остальные жидкости за счет вязкого трения. Это явление, известное как электроосмоса, приводит в движение основной жидкости. Наличие местного кровотока зоны сил части смешанной жидкости обратно в чистый район.
Microreactor узлы могут работать при высоких давлениях (~ 20 бар), которые могут помочь сохранить низкокипящих реагентов в жидкой фазе при высоких температурах (~ 100 ° C), что позволит достичь высокой скорости реакции (14). Как правило, высокие температуры могут привести к более стороне и последовательных реакций. Однако, если процесс кинетики-контролируемое эффективное перемешивание и короткий период уменьшить образование побочных продуктов и повышения эффективности реагирования.
Многие химические реакции являются экзотермические. Таким образом, скорость реакции пропорциональна температуре, и корректируется в соответствии скорость отвода тепла от оборудования. Процесс, как правило, расширены для определенного типа оборудования (например, стандартный размер поставщика), а не аппаратного быть создан, чтобы соответствовать этому процессу.
Микрореакторах имеют теплоотдачи коэффициенты в диапазоне от 1 до 500 МВт / м ^ 3 ^ SUP-K, по сравнению с нескольких киловатт в обычных стеклянных колб (т. е. ~ 10 кВт / м ^ 3 ^ SUP-K за 1 - L колбу). Таким образом, реакции температура в микрореакторах может быть гораздо выше, чем в обычных реакторах партии. Многие низкотемпературных реакциях, таких как химия металлоорганических, могут быть выполнены в микрореакторах при температурах от -10 ° C, а не на -50 до -78 ° C (как это обычно делается в сосуде лабораторного стекла) в качестве компенсации для малоимущих коэффициент теплопередачи и низкой поверхностной площади к объему.
Определяющего уравнения для теплоотдачи:
где Q = тепло,, U = коэффициент теплопередачи, A = площадь теплообмена, T = разница между реактора и температур охлаждающей жидкости. Если UA велика, то даже небольшое Если UA мала. то либо
Характерная длина для теплообмена (L ^ H ^ к югу) определяется по формуле:
где это температуропроводности жидкости и T ^ H ^ югу характерное время для передачи тепла. Если исходить из значения 0.06-0.2 см ^ SUP 2 ^ / с и 0,1-5S для T ^ H ^ к югу (15), то L ^ H ^ югу будет составлять от 1 .3-18 мм, что очень большой microreactor.
Производство нитроглицерина является чрезвычайно опасной, так что растения имеют ряд особенностей безопасности, снижения риска взрыва. Непрерывных опытно нитроглицерин с микроструктурированных смеситель-реактор используется на сайте Xi'an в Китае и эксплуатируется на уровень производства в 15 кг / ч. Количество нитроглицерина настоящее время на заводе в любой момент времени очень мало, в результате чего завод по своей сути более безопасными, чем традиционные завод TNT. (Если 0,1 г в тротиловом эквиваленте присутствовали внутри этого microreactor собраний, в нем было бы эквивалентно 418,4 J. обычных реакторов партии, возможно, 10-50 кг в тротиловом эквиваленте в любое время.)
По соответствующим покрытием microreactor стенок канала с катализаторами, модераторов, промоутеров, поверхностно-активных веществ и т.д., устройство может быть использовано для изготовления широкого спектра химических веществ. Например:
* Окись этилена производится с помощью окисления этилена сильно экзотермических, а также полное окисление не может быть предотвращено. Polymcthylmetacrylate-никелевых microreactor покрытые серебряном катализаторе может достичь контролируемого парциального окисления этилена. В сочетании с повышенной теплоотдачи, 65% конверсии этилена может быть достигнуто при температуре реактора 290 ° C и давлении 5 бар.
* Палладий-катализируемых гидрирования массива алкенов и алкинов использованием сверхкритического диоксида углерода (scCO ^ 2 ^ к югу) в микро-разборные реактора была продемонстрирована (16).
* Фотореакций были проведены в TiO 2 югу ^ ^ покрытием микрореакторах с размерами 500 мм
* Иммобилизации ферментов катализатора на стенках microreactor избавляет от необходимости фильтровать или выделения фермента из продукта растворе после реакции (18). Это иммобилизация подход может быть лучше, чем традиционный способ использования иммобилизованного фермента бисер, так как есть больше площадь поверхности для реакции на единицу объема, тем самым повышая скорость жидкого в твердое состояние транспорта массы субстрата.
Различные другие реакции были проведены в микрореакторах также. Непосредственная подготовка перекиси водорода в микрореакторах возможно при специальных катализаторов - избегать долгого маршрута, на базе АХ практикуется в настоящее время в промышленных масштабах. Хлор, в расхода 8 см ^ ^ SUP 3 / мин, был преобразован в фосгена в кремнии упакованы кровать microreactor. Антибиотика ципрофлоксацина, была проделана многоступенчатого синтеза маршрут из нержавеющей стали microreactor с размерами 100 мм Дюпон исследователи продемонстрировали производства токсичных химикатов, таких как изоцианата метила и цианистого водорода в кремниевых пластин стека microreactor (20-22).
Кроме того, краткосрочные (1-300 мс) импульсного электрического поля (10-60 кВ / см) в микрореакторах были протестированы на пастеризации жидких пищевых продуктов, включая молоко. Электрическое поле может убить микроорганизмы, присутствующие в жидкости, устранение порчи продуктов из-за чрезмерного нагрева в обычных стерилизаторов.
В реакторе-на-чипе, реагентов текут параллельно друг с другом посредством сложной многоуровневой сети. Узкие каналы могут быть изготовлены с помощью различных методов, с каналом шириной порядка 10-1,000 мкм (23). Каналы могут быть травления (механически или химически) в металлические, стеклянные или пластмассовые листы. Простой лист находится на вершине этой травления пластины приложить канала. Можно включить микроэлектронных компонентов (например, миниатюрные насосы, клапаны и датчики) в пределах канала, создание миниатюрных производственного процесса, или реактора-на-чипе. Chip реакторы могут быть использованы для быстрого экране большого количества ферментов, катализаторов и субстратов и изучения различных условий технологического процесса.
Цикл состоит из реактора пластинчатый теплообменник и статического реактора смеситель в замкнутом цикле. Реагенты могут быть использованы в различных точках вдоль петли для снижения тепла экзотермических (24). Этот дизайн был использован для реакции окиси этилена и спирта при контролируемой температуре для получения гликольэфиры с определенной длины цепи. Контроль длины цепи гликоль эфир и реакции exotherms легки в цикле реактора.
Полианилина получается в результате реакции анилина и окислителя с жесткой молекулярно-массовым распределением (например, персульфат аммония). Когда этот процесс осуществляется в порционной смешения, реакция сильно экзотермических и контроля температуры практически невозможно. Смешивание крайне нестабильной окислителя также является серьезной проблемой. В цикле реактор, окислитель вводится через несколько точек корма для предотвращения "горячего пятна (рис. 1).
Американская компания производит 2000 тонн / сут к югу P ^ 2 ^ ^ O подпункта 5 ^ использованием реактора петли и утверждает, что снизило объем в два раза, потребление электроэнергии на треть, число единиц оборудования из 30 до девяти, а количество двигателей мощностью от 15 до 3, по сравнению с обычными процесса проектирования. Другие преимущества сообщили ниже выбросов в окружающую среду и улучшения качества продукции.
Осаждение твердых веществ, засорение каналов и обрастание лишь некоторые из проблем, возникающих в микрореакторах. Многочисленные методы, такие, как периодическая чистка каналов, или с помощью разбавленных растворов, были использованы для решения этих проблем. Неясно, будет ли раствор реакции могут осуществляться в таких миниатюрных конструкций без блокировки малых каналов.
Колебательные смешения потоков реактора
Колебательного потока смешивания (OFM) реактора (рис. 2) представляет собой трубчатый реактора с экранов расположены перпендикулярно оси реактора с целью формирования нескольких отсеков (25). Жидкости колебались между 0,5 и 15 Гц с амплитудой 1-100 мм с помощью внешнего генератора. Колеблющейся жидкости падает на каждый экран в форме вихрей, и в результате движения жидкости производит эффективное и равномерное перемешивание в пространстве между перегородками.
При высокой пропускной способности, колебательные движения подходов устойчивого кривой течения, как колебания получить амортизаторами, а поток остается постоянным. В результате, реактор OFM характеризуется плагин потока RTD, высокую скорость передачи тепла, точно контролируемых перемешивание и краткое время реакции. Скорость реакции увеличивается при низких объемных Расходы, приведенные (число Рейнольдса
При отсутствии механических агитаторов является преимуществом такой конструкции, что позволяет OFM реакторов, которые будут использоваться для синтеза или обработки механически чувствительных соединениях, в том числе биомолекул (ферментов, белков) и кристаллов.
Плиты реактора типа
По модели пластинчатый теплообменник, данное устройство представляет собой стопку пластинок, травление фотохимически, например, что ряд слотов формы дискретных пути потока. Смежные пути потока разделены вмешательство твердых плит (рис. 3). Два или более отдельных пути потока может быть сформирована по группе пластин для размещения различных потоков жидкости (26). Существуют также положения для многоточечных введения реагентов. Обнаружив каждый отопительный слое, прилегающем к охлаждающей жидкости слоя, тепловой эффект реакции могут быть рассредоточены по многим слоев и удалить так быстро, как оно будет сформировано.
Эти реакторы, как правило, сделаны из нержавеющей стали или Hastelloy. Они также могут быть изготовлены из тонких (100 мкм) гофрированные листы полимера, таких, как polyetheretherketone (PEEK), который предлагает механическую прочность и надежность и может выдерживать давление до 10 бар и температуре до 220 ° C. Он также демонстрирует превосходную устойчивость к коррозии и обладает очень высоким коэффициентом теплоотдачи (~ 4000 Вт / м ^ 2 ^ SUP-K).
Пластины реактор, который сочетает в себе высокие тепло-передачи возможности пластинчатые теплообменники, с эффективным перемешиванием микрореакторах в единое целое, была разработана Альфа Лаваль AB (Лунд, Швеция; <A HREF = "http://www . alfalaval.com "целевых =" _blank "относительной =" NOFOLLOW "> www.alfalaval.com </ A>). Она состоит из реактора - либо пластины с глубиной миллиметра обрабатываемых каналов на поверхности или структурированные пластины, на которых реагентов потока через мучительный путь обеспечить эффективное перемешивание - зажатый между пластинами теплообменника. Он спроектирован так, чтобы реагентов или растворители могут быть введены в различных местах вдоль течения пути. Рабочий объем реагентов, как сообщается на 95% меньше, чем у обычного реактора перемешивают с танками. Этот реактор считается подходящим для выполнения сильно экзотермических или взрывных реакций.
Каталитический эндо / экзо реактора
Исполнительский эндотермических и экзотермических каталитических реакций примыкающих друг к другу предлагает ряд преимуществ, в том числе эффективное использование тепла за счет передачи тепла от экзотермической для эндотермических процесса. Она также позволяет избежать "горячих точках", предупреждает дезактивацию катализатора, и обеспечивает перенос тепла через проводимости, а не конвекции (27). Есть несколько вариантов дизайна эндо / экзо реактора.
Каталитическом реакторе пластины (КНР) состоит из металлических пластин с каналами или канавки крест-накрест картины. Каналы как правило, имеют высоту порядка миллиметров, и катализатора толщиной порядка микрона. Канавки, при необходимости, могут быть покрыты подходящего катализатора и расположены так, что экзотермические и эндотермические реакции протекают в переменном каналов (рис. 4).
Преимущества КНР конструкции по сравнению с обычными реакторами включают высокой тепловой скорости передачи (для кондуктивный теплообмен), очень высокий уровень внутри катализатора диффузии и минимальное сопротивление. В результате, эти реакторы отличаются меньшими размерами и имеют более низкий перепад давления, чем традиционные альтернативы, потенциал экономии капитальных и эксплуатационных затрат, огромны. Наращивания РСП достигается за счет добавления новых пластин в стек, а не изменение размера пластин.
Спектра углеводородов товара, произведенного катализатора синтеза Фишера-Тропша очень сильно зависит от температуры катализатора и скоростью диффузии реагентов в состав катализатора, матрицы. Дегидрирования этилбензола в форме стирола эндотермической реакции (H = 188 кДж / моль), побочные продукты, такие как метан, этилен, бензол и толуол образуются также в ходе процесса. По расчесывать эти две реакции в пластине реактора, можно достичь экономии энергии и желаемого распределения продукта.
Другой эндо / экзо реактора показана на рисунке 5. Известный как "Горячие Finger" реактора (запатентовано Protensive (UK; <a target="_blank" href="http://www.protensive.co.uk" rel="nofollow"> www.protensive.co.uk </ A>)), он состоит из двух кольцевых труб (внутренние и наружные) с покрытием различных катализаторов для выполнения прилегающих эндотермических и экзотермических реакций (28). В нем рассматриваются проблемы дезактивации катализаторов в КНР, обеспечивая несколько легко снимаются разделы, которые могут быть демонтированы и заменены индивидуально с разделов, содержащих активное свежего катализатора.
Труба-в-трубе реактора
Прядильных труба в трубе (STT) реактора (рис. 6), разработанный Холл Технологии "(Камарильо, CA), состоит из трубки размещены эксцентрично внутри другой трубы с малым зазором между ними (29). Внутренняя труба спинов в наружной трубки, которая заполнена reatants. Сразу же после вступления, реагентов встречи очень больших скоростях сдвига (30000 до 70000 S ^ ^ -1 SUP), что привело к крайней темпы обновления поверхности, через которую массопереноса и перемешивания дуги расширения.
Скорость реакции зависят от минимальной длины турбулентных вихрей и молекулярно-диффузионного перемешивания. Дизайн STT реактор способен создавать суб-Колмогорова и почти Колмогорова вихри, которые могут сократить время, необходимое для реакции. По сравнению с обычными реакторами, смешение потребности в энергии для реактора STT также меньше. Теплообменники фильм коэффициентов до 10,000 Вт / м ^ 2 ^ SUP-K может быть достигнуто в этом реакторе, уменьшая образование нежелательных побочных продуктов из-за стены эффект, который обычно происходит, когда градиент температуры по диаметру сосуд большой .
Эта конструкция подходит для вязкие вещества (например, пищевых продуктов), а также процессы, которые развивают высокую вязкость в ходе реакции, такие как массовое полимеризации.
Вращающиеся упакованы кровать контактор
Один из старейших концепций в П. (30), вращающейся плотный слой (РПБ), или "HIGEE", контактор (рис. 7) отличается от обычной насадочной колонке. Здесь, упаковка вращается с высокой скоростью, в результате чего жидкость опыт высокие перегрузки (2,000-10,000 м / с ^ SUP 2 ^). Это заставляет жидкость из к периферии кровать, формирования тонких пленок на упаковке и с высокими газо-жидкостной массовой скорости передачи, как правило, от двух до трех порядков величины по сравнению с обычными упакованы башни. Высокая voidage (90-95%) и высокой удельной поверхностью (2,000-5,000 м ^ ^ SUP 2 / м ^ 3 SUP ф) упаковочный материал также способствовать высокие темпы массообмена.
Эти конструкции более компактны, чем обычные упакованных мест. Например, настольные модели можно заменить упакованы колонке несколько футов. Случайные упаковки, в том числе стеклянные и акриловые бусины, и структурированные упаковки, в том числе пена металла и сетки, были успешно использованы (31).
RPB может работать на более высоких газа или жидкости Расходы, приведенные по сравнению с обычными плотном слое, так как высокие перегрузки уменьшить тенденцию к наводнениям.
Взаимосвязь между скоростью вращения (
Munjal и др.. сообщили значение с = 0,28 для высокой пористости упаковка (32), в то время как Дун и Mah с предлагаемой различаются в зависимости от 0,23 и 0,38 (33).
При очень высоких скоростях в контактор противоточной RPB, жидкость может перепрыгнуть через поры, как капли, а не фильм. Кроме того, распределение жидкости анизотропный, вероятно потому, что жидкости, как ручейки в радиальном направлении (34). Противоточного течения газа может привести к затоплению выше некоторой критической скорости потока газа и предотвратить жидкость из впадающих в плотный слой, тем самым остановки связаться процесса.
Переток RPB - где газа осевого и жидкости в радиально упаковка - позволяет избежать этих проблем. В поперечном RPB при низкой скорости вращения (600 об / мин), жидкость течет поток фильмов и, как капли в пустотах упаковки (капли поток) (35).
Другой вариант дизайна RPB является вращение реактора корзину, где поддерживается или иммобилизованного катализатора или упаковки находится в корзине, которая вращается с высокой скоростью в луже жидкости, создавая очень высокой жидкость-твердое тело перенос массы (рис. 8). Центробежная сила уменьшается жидкость-твердое тело коэффициента массоотдачи, тем самым увеличивая скорость реакции. Менее катализатора в единице объема жидкости, необходимого для достижения той же скорости реакции, наблюдаемые в обычных каталитического реактора упакованы кровать.
Прядильное диска реактора
Прядильных реактора диска (SDR) состоит из 100-mmdia. диск, вращающийся на 600-1,200 об / мин, нагретой до 30-150 ° C. Отопление осуществляется теплообмена жидкости, которая циркулирует через камеру ниже вращающегося диска или через полый диск (рис. 9). СПЗ может работать горизонтально или вертикально, и установлена на вращающейся оси. Жидкость кормили недалеко от центра и потоков по всей поверхности диска, за счет центробежной силы, которая простирается и распространяется фильма. Тонких пленок жидкости позволяют высокие темпы массопереноса. Таким образом, СДР могут использоваться в качестве поглотителя, стриптизерши, миксер или реактора. Поскольку реактор задержка очень мала (
Жилище раз на диске от 0,1 до 3 с, что позволяет реакций с периодом полураспада 0.1-1 секунд до обрабатываться с легкостью. Оба толщины пленки (микрон до мм) и время пребывания (в секундах), зависят от физических свойств жидкости, скорость вращения диска, и радиальные месте жидкости.
На выходе краю диска, жидкость бросили на стену enciosing и сливается. Стены с подогревом или охлаждением в зависимости от требований процесса. Существует без задней смешивания, поэтому поверхности к объему соотношениях на поверхности диска являются порядка 1000 м ^ 2 ^ SUP / м ^ 3 ^ SUP за высокой вязкости материалов (таких как полимерные расплавы N 3-4 / м ^ 2 ^ SUP-х вязкости) до 100 000 м ^ 2 ^ SUP / м ^ 3 ^ SUP с низким уровнем вязкости систем (таких, как большинство органических химических веществ). Типичные коэффициенты массоотдачи находятся в диапазоне от 0,01 до 0,03 см / с низким уровнем вязкости жидкости, которые позволяют массообмена iimited-процессов, которые будут проводиться в доли секунды.
Предоставление канавки на верхней поверхности диска способствует повышению СДР с тепло-и массообмена производительности. Это вызывает образование большого числа мелких волн, которые создают нестабильность в фильме, выше поверхности обновления и расширения обмена области. По покрытия поверхности диска с твердым катализатором. СДР могут быть использованы для выполнения твердого катализатора реакции.
Жидкость-твердое тело перенос массы (к югу Л. ^ ^) значения будут в диапазоне 0.1-0.35 мм / с, скоростях сдвига между 3000 и 50000 с ^ -1 ^ SUP (36). Толщина пленки обычно будет порядка 10-100 мкм. скорости потока порядка 0.1-1 м / с, а число Рейнольдса как правило, в области 1-100.
Будущие направления
Microreaction технологий открывает большие перспективы для интенсификации процесса, как новый метод для быстрого оптимизации параметров реакции, достижение значительного сокращения времени реакции, масс-и теплообмена сопротивления, успешно расширения процессов от лаборатории до производства масштабе; gener ating меньше отходов , а также разработку процессов, которые по своей природе безопасным в эксплуатации.
Большие объемы обычной, возмутили танк реакторов или упакованы кровать реакторов являются неэффективными, с более низкой доходности (или более примесей и отходов). Неэффективность возникает из-за плохого перевода тепло-и массообмена или больших временах реакции. В scaleup из лабораторных условий к крупномасштабной операции, что эти недостатки получить усиливается. Микрореакторах избежать этих недостатков.
Условий реакции может контролироваться на очень высокой степенью точности из-за небольшого размера реактора. Очень небезопасным реакций, реакций, которые требуют обращению с токсичными химикатами, или реакции, которые производят опасные продукты могут быть осуществлены без этих проблем. Microreactor технология может ускорить scaleup, и переход от лаборатории до серийного производства могут быть легко и быстро.
Производства лекарственных средств и специализированной химической может принести огромную пользу microreactor технологий, с учетом того, жизненный цикл продуктов может быть введен быстро. Другие страны с формирующимся областях, представляющих интерес для технологии включают катализатора скрининга, наночастицы производства и контролируемых образования эмульсий.
Технологии для изготовления реакторов обсуждали здесь должны быть стандартизированы и снижению их издержек, с тем чтобы эти устройства могут конкурировать с обычными крупномасштабных реакторов. Одним из ограничений миниатюризации заключается в обработке твердых тел, которые необходимо решать. Включение разделения и очистки шаги с реакцией будет и впредь способствовать развитию этой области.
Как дизайн, эффективность и преимущества этих зеленых реакторов более широкое понимание и высокую оценку их принятия дизайн и инженеров завода будет следовать и их использование в производственных предприятий станет реальностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Добл, М. и А. К. Kruthiventi, "зеленой химии и машиностроения" Elsevier. Амстердам, Нидерланды (2007).
2. Робердж, DM, и др.. ", Micro Technology реактора: революция для тонкой химической и фармацевтической промышленности?" Химреагент Eng. Технология., 28 (3), с. 318-323 (2005)
3. Бер А. и др. /., "Новые разработки в области химического машиностроения для производства наркотических веществ," Инженерная в области биологических наук, 4 (1), стр. 15-24 (2004).
4. Nikoleris Д., и др.., "Начальное Delphi Исследование технологии интенсификации процесса". Диссертация MSc, Хериот-Ватт университет, факультет механической и химической технологии (октябрь 2002).
5. Добл, М., "Шкала-Up химической реакции". Химреагент Eng., 109 (1). с. 48-56 (2002).
6. Добл, М., "избежать ловушек Биопроцесс" Шкала-Up ", Chem. Eng. Прогресс, 102 (8), с. 34-41 (август 2006).
7. Уоттс, П. и С. Уайлс, "Последние достижения в области синтетических Micro Technology реакция", Chem. Commun., С. 443-467 (2007).
8. Фу, X. и др.. "Исследования, касающиеся шахматном ориентированная хребты статических Micromixers", датчики и исполнительные механизмы B. 114 (2), с. 618-624 (2006).
9. В. Hessek. Др.. ", Micromixers: Рецензия на пассивные и активные смешивания принципов" Chem. Eng. Sci., 60 (8-9). с. 2479-2501 (2005).
10. Ким, Д. С., и др.., "Барьер Встроенные Хаотическая Micromixer," J. Micromech. Microeng., 14, с. 798-805 (2004).
11. Шин, HJ, и др.. Экспериментальное исследование характеристик течения и перемешивания производительность в PZT самонакачки Micromixer ", датчики и исполнительные механизмы, 139, с. 237-244 (2007).
12. Deshmukh, А. А. и др. /., "Непрерывные Micromixer с Пульсационные микронасосы," Физика твердого датчиков семинара, с. 73-76, Hilton Head Island, SC, (4-8 июня 2000).
13. Ву, HY и CH Лю, "Новые EIectrokinetic Micromixer", датчиков и приводов А. 118 (1), с. 107-115 (2005).
14. Скелтон, В. и др. ... "Генерация градиенты концентраций Использование электроосмотического потока в реакторе Micro Разрешение Stereo Выборочный химического синтеза." Аналитик, 126, с. 11-13 (2001).
15. Миллс, Л. М., и др.., "Технология и процесс Microreactor Миниатюризация для каталитических реакций - взгляд на последние события и новые технологии", Chem. Eng. Наука 62 (24), с. 6992-7010 (2007).
16. Кобаяси, J., и др.., "Микро-реактора. Multi-фазы органического синтеза реакций с помощью Micro-Space," Химия
17. Керби, MB, и др.., "Измерения кинетики в микрофлюидальном" Реактор "," Аналитическая Chem., 78 (24), с. 8273-8280 (2006).
18. Швальбе, Т., и др.. "Химическая синтез в микрореакторах", Chimia, 56, с. 636-646 (2002).
19. Matsushitaa Ю., и др.. ", Фотокаталитический реакций в микрореакторах". Химреагент Eng. J., 135 (1), с. S303-S308 (2008).
20. Floyd, TM и др.., "Роман в жидкой фазе микрореакторах для безопасного производства опасных химических веществ Специальность", Microreaction Технология: третья Международная конференция по Microreaction технологии. Труды IMRET 3, В. Ehrfeld, под ред. Springer, Berlin, Германия, с. 171-180 (2000).
21. Хессел, В. и др. /. ", Высокотемпературной HCN поколения в рамках комплексной системы Microreactor", Microreaction Технология: третья Международная конференция по Microreaction технологии, материалы IMRET 3, В. Ehrfeld, под ред. Springer, Берлин, Германия, 151 (2000)
22. Lerou, JJ, и др.. ", Microfabricated Minichemical системы: Техническая осуществимость". DECHEMA Монографии. 132, Франкфурт-на-Майне. стр. 5. 1-69 (1996).
23. Кирнер, Т. и др.., "Статическая Micromixers для модулярных Chip мерах реактор в два этапа реакции и фотохимические активированные процессы". Химреагент Eng. J., 101 (1-3), с. 65-74 (август 2004).
24. Dautzenberg, FM, и М. П. Мукерджи ", интенсификации процесса с использованием многофункционального реакторов," Хим. Eng. Sci., 56 (2), с. 251-267 (2001).
25. Пальма. М. и Р. Giudici. "Анализ аксиальной дисперсией в колебательном-Flow реактор непрерывного действия". Химреагент Eng. J.. 94, с. 189-198 (2003).
26. Гокхале, С. В. и др. /. ", MicroChannel реакторов, применения и использования в процессе развития," Int. Сборник Chem. Реактор Eng., 3, R2 (2005).
27. Рей Д. А. каталитического горения: Текущее состояние и последствия для повышения энергоэффективности в перерабатывающих отраслях промышленности, "Системы рекуперации тепла? ТЭЦ, 13 (5). с. 383-390 (1993).
28. Гоф А., (Protensive, Ltd) "Реактор для проведения эндотермических реакций, британский патент № WO/2002/066150, 29.8.2002 (2002).
29. Костелло, RC, "Интенсификация процесса: Подумайте Малый," Инновации в Pharma. Техн., Стр. 126-132 (июнь 2002) 30. Trent, Д., и др.., "Коммерческая эксплуатация вращающегося Упакованные Bed (ОБН) и другие применения RPB технологии". Интенсификация процесса, с. 11-19 (2001).
31. Лин, C. C, и GS. Цзянь, "Характеристики вращающегося Упакованные Bed Оснащен Blade Упаковки". Выделение и очистка техника, 54 (1). стр. 5. 1-60 (2007).
32. Мини JAL, С. и др. /. ", Массообмена во вращающемся Упакованные Кровать I. Разработка газ-жидкость и жидкость-твердое тело массообмена корреляции," Хим. Eng. Sci., 44 (10). стр. 2245 (1989).
33. Тунг, HH и RSH Mah, "Моделирование Жидкие массоперенос в HIGEE процесса разделения". Химреагент Eng. Связь 39. стр. 147 (1985).
34. Бернс, JR и С. Рамшо ", интенсификации процесса: Visual исследования жидких нерационального вращающийся Упакованные в кровати". Химреагент Eng. Наук .. 51 (80), с. 1347-1352 (1996).
35. Guo, Ф. и др.. ", Гарднер гидродинамики и массообмена в поперечном вращающейся Упакованные Bed". Химреагент Eng. Sci., 52 (21-22), с. 3853-3859 (1997).
36. Бернс, JR, и RJJ Jachuck, "Определение жидкость-твердое тело коэффициенты массообмена для спиновой Реактор диска с помощью предельного тока Техника". Межд. J. тепло-и массообмена им. 48 (1 +2), с. 2540-2547 (2005).
Мукеш Doble
Индийский технологический институт, МАДРАС
Мукеш Doble является профессор кафедры биотехнологии в Индийском технологическом институте (MT; Мадрас, Ченнаи-600036, Россия, тел: 91-044-2257-4107; Электронная почта: <A HREF = "mailto: mukeshd @ iitm.ac.in "> mukeshd@iitm.ac.in </ A>). Ранее он работал в течение 20 лет в ICI и GE технологических центров. В сферу его интересов полимеры и биоматериалы, биоремедиация, катализ, процесс развития, лекарственных препаратов, а также 6-сигма. Он подал 3 патентов и является автором более 125 научных работ и 5 книг, включая "зеленой химии
