Микрореактор
Микрореактор химические или микроструктурированный реактор или микроканальный реактор — это устройство, в котором реакции протекают в замкнутом пространстве с типичными поперечными размерами менее 1 мм; Наиболее типичной формой такого заключения являются микроканалы . [ 1 ] [ 2 ] Микрореакторы изучаются в области микротехнологий вместе с другими устройствами (например, микротеплообменниками ), в которых происходят физические процессы. Микрореактор обычно представляет собой реактор непрерывного действия (в отличие от реактора периодического действия ). Микрореакторы могут предложить множество преимуществ по сравнению с реакторами обычного масштаба, включая повышение энергоэффективности , скорости реакции и производительности, безопасности, надежности, масштабируемости, производства на месте / по требованию и гораздо более тонкой степени управления процессом .
История
[ редактировать ]Газофазные микрореакторы имеют долгую историю, но жидкостные микрореакторы начали появляться в конце 1990-х годов. [ 1 ] Один из первых микрореакторов со встроенными высокопроизводительными теплообменниками был изготовлен в начале 1990-х годов Центральным экспериментальным отделом ( Hauptabteilung Versuchstechnik , HVT ) Forschungszentrum Karlsruhe. [ 3 ] в Германии с использованием методов механической микрообработки, которые возникли в результате производства сепарационных сопел для урана обогащения . [ 3 ] Поскольку исследования в области ядерных технологий в Германии резко сократились, микроструктурированные теплообменники исследовались на предмет их применения в высокоэкзотермических и опасных химических реакциях. Эта новая концепция, известная под названиями как технология микрореакций или микротехнология , получила дальнейшее развитие в различных исследовательских институтах. Ранний пример 1997 года касался азосочетаний в пирекс - реакторе с размерами каналов 90 микрометров в глубину и 190 микрометров в ширину. [ 1 ]
Преимущества
[ редактировать ]Использование микрореакторов несколько отличается от использования стеклянного сосуда. Эти реакторы могут быть ценным инструментом в руках опытного химика или инженера-реактора:
- Микрореакторы обычно имеют коэффициенты теплообмена не менее 1 мегаватт на кубический метр на кельвин , до 500 МВт·м. −3 К −1 по сравнению с несколькими киловаттами в обычной стеклянной посуде (колба объемом 1 л ~10 кВт·м −3 К −1 ). Таким образом, микрореакторы могут отводить тепло гораздо эффективнее, чем сосуды, и даже критические реакции, такие как нитрование, можно безопасно проводить при высоких температурах. [ 4 ] Температуры горячих точек, а также продолжительность воздействия высоких температур из-за экзотермичности значительно уменьшаются. Таким образом, микрореакторы могут позволить лучше проводить кинетические исследования, поскольку локальные градиенты температуры, влияющие на скорость реакции, намного меньше, чем в любом периодическом сосуде. Нагрев и охлаждение микрореактора также происходит намного быстрее, а рабочая температура может достигать -100 °C. В результате превосходной теплопередачи температура реакции может быть намного выше, чем в обычных реакторах периодического действия. Многие низкотемпературные реакции, такие как металлоорганическая химия, можно проводить в микрореакторах при температуре от -10 ° C, а не от -50 ° C до -78 ° C, как в лабораторном стеклянном оборудовании.
- Микрореакторы обычно работают непрерывно. Это позволяет осуществлять последующую обработку нестабильных промежуточных продуктов и позволяет избежать типичных задержек при пакетной обработке . Особенно низкотемпературные химические продукты со временем реакции в диапазоне от миллисекунды до секунды больше не хранятся часами до тех пор, пока не будет закончено дозирование реагентов и не будет выполнен следующий этап реакции. Такая быстрая обработка позволяет избежать распада драгоценных промежуточных продуктов и часто обеспечивает лучшую селективность. [ 5 ]
- Непрерывная работа и смешивание приводят к совершенно иному профилю концентрации по сравнению с периодическим процессом. В партию реагент загружается А и медленно добавляется реагент Б. Таким образом, B первоначально сталкивается с высоким избытком A. В микрореакторе A и B смешиваются почти мгновенно, и B не подвергается воздействию большого избытка A. Это может быть преимуществом или недостатком в зависимости от механизма реакции - это может быть преимуществом или недостатком в зависимости от механизма реакции. важно знать о таких различных профилях концентрации.
- Хотя настольный микрореактор может синтезировать химические вещества только в небольших количествах, масштабирование до промышленных объемов — это просто процесс увеличения количества микроканалов. Напротив, периодические процессы слишком часто хорошо работают на уровне лабораторных исследований и разработок, но терпят неудачу на уровне пилотного завода. [ 6 ]
- Создание давления в материалах внутри микрореакторов (и связанных с ними компонентов) обычно проще, чем в традиционных реакторах периодического действия. Это позволяет ускорить реакцию за счет повышения температуры выше точки кипения растворителя. Это, хотя и типичное поведение Аррениуса, легче реализовать в микрореакторах и следует считать ключевым преимуществом. Повышение давления также может обеспечить растворение газов-реагентов в потоке.
Проблемы
[ редактировать ]- Хотя существуют реакторы, предназначенные для обработки частиц, микрореакторы, как правило, плохо переносят частицы, часто засоряясь. Ряд исследователей определили засорение как самое большое препятствие для широкого признания микрореакторов в качестве полезной альтернативы реакторам периодического действия. [ 7 ] На данный момент существует так называемый микрореактор. [ 8 ] не засоряется осаждающимися продуктами. Выделяющийся газ также может сократить время пребывания реагентов, поскольку объем во время реакции не является постоянным. Этого можно избежать, применяя давление.
- Механическая перекачка может создавать пульсирующий поток, что может оказаться невыгодным. Большая работа была посвящена разработке насосов с низкой пульсацией. Решением с непрерывным потоком является электроосмотический поток (EOF).
- Проблема логистики и повышенный перепад давления в микрореакторе ограничивают его применимость на крупномасштабных производствах. Однако чистые растворы хорошо перерабатываются в микрореакторах. [ 9 ]
- В случае микрореактора довольно сложно масштабировать производительность и утечки. В последнее время разрабатываются так называемые реакторы с иммобилизацией наночастиц для решения проблем логистики и масштабирования, связанных с микрореакторами. [ 10 ]
- Обычно реакции, очень хорошо протекающие в микрореакторе, сталкиваются со многими проблемами в сосудах, особенно при увеличении масштаба. Часто невозможно легко масштабировать высокое соотношение площади к объему и равномерное время пребывания.
- Коррозия представляет собой более серьезную проблему для микрореакторов, поскольку соотношение площади к объему велико. Деградация в несколько микрометров может остаться незамеченной в обычных сосудах. Поскольку типичные внутренние размеры каналов имеют один и тот же порядок, характеристики могут существенно изменяться.
Т-реакторы
[ редактировать ]Одной из простейших форм микрореактора является Т-образный реактор. На пластине глубиной может быть 40 микрометров , а шириной 100 микрометров вытравливается буква «Т»: протравленная дорожка превращается в трубку путем приклеивания плоской пластины поверх вытравленной канавки. На крышке есть три отверстия, которые совпадают с верхним левым, верхним правым и нижним буквой «Т», так что жидкости можно добавлять и удалять. Раствор реагента «А» закачивается в верхний левый угол буквы «Т», а раствор «В» закачивается в верхний правый угол буквы «Т». Если скорость накачки одинакова, компоненты встречаются в верхней части вертикальной части буквы «Т» и начинают смешиваться и вступать в реакцию по мере продвижения вниз по стволу буквы «Т». Раствор продукта удаляется у основания буквы «Т».
Приложения
[ редактировать ]Синтез
[ редактировать ]Микрореакторы можно использовать для более эффективного синтеза материала, чем позволяют современные периодические методы. Преимущества здесь в первую очередь обусловлены массопереносом , термодинамикой и высоким соотношением площади поверхности к объему, а также техническими преимуществами при работе с нестабильными промежуточными продуктами. Микрореакторы применяются в сочетании с фотохимией , электросинтезом , многокомпонентными реакциями и полимеризацией (например, бутилакрилата ). Речь может идти как о системах жидкость-жидкость, так и о системах твердое тело-жидкость, например, со стенками каналов, покрытыми гетерогенным катализатором . Синтез также сочетается с онлайн-очисткой продукта. [ 1 ] Следуя принципам зеленой химии , микрореакторы можно использовать для синтеза и очистки чрезвычайно реакционноспособных металлоорганических соединений для применений ALD и CVD , с повышенной безопасностью в эксплуатации и получением продуктов более высокой чистоты. [ 11 ] [ 12 ]
В микрореакторных исследованиях конденсация Кнёвенагеля. [ 13 ] проводили с каналом, покрытым слоем цеолитового катализатора, который также служит для удаления воды, образующейся в реакции. Ту же реакцию проводили в микрореакторе, покрытом полимерными щетками. [ 14 ]
Реакция Сузуки была изучена в другом исследовании. [ 15 ] с палладиевым катализатором, заключенным в полимерную сетку полиакриламида , и триарилфосфина образованную межфазной полимеризацией :
происходит , при Было продемонстрировано , что горение пропана температурах до 300 ° C в микроканальной установке, заполненной решеткой оксида алюминия покрытой платино - молибденовым катализатором: [ 16 ]
Синтез полимеров, катализируемый ферментами
[ редактировать ]Ферменты, иммобилизованные на твердых носителях, все чаще используются для более экологичных и устойчивых процессов химической трансформации. > позволяют проводить гетерогенные реакции в непрерывном режиме, в органических средах и при повышенных температурах. Использование микрореакторов позволило ускорить полимеризацию и увеличить молекулярную массу по сравнению с использованием реакторов периодического действия. Очевидно, что подобные платформы на основе микрореакторов могут быть легко распространены на другие системы на основе ферментов, например, для высокопроизводительного скрининга новых ферментов и для прецизионных измерений новых процессов, где предпочтителен режим непрерывного потока. Это первая зарегистрированная демонстрация реакции полимеризации, катализируемой ферментами на твердом носителе, в непрерывном режиме.
Анализ
[ редактировать ]Микрореакторы также могут позволить проводить эксперименты в гораздо меньших масштабах и с гораздо более высокой скоростью экспериментов, чем это возможно в настоящее время при серийном производстве, не собирая при этом физические результаты экспериментов. Преимущества здесь в первую очередь связаны с небольшим операционным масштабом и интеграцией необходимых сенсорных технологий, обеспечивающих высококачественное понимание эксперимента. Интеграция необходимых возможностей синтеза , очистки и анализа нецелесообразна при работе вне микрофлюидного контекста.
ЯМР
[ редактировать ]Исследователи из Университета Радбауд в Неймегене и Университета Твенте, Нидерланды, разработали микрофлюидный датчик потока ЯМР высокого разрешения. Они продемонстрировали модельную реакцию, за которой следят в режиме реального времени. Сочетание бескомпромиссного разрешения (менее Гц) и небольшого объема пробы может оказаться ценным инструментом для проточной химии. [ 17 ]
Инфракрасная спектроскопия
[ редактировать ]Mettler Toledo и Bruker Optics предлагают специальное оборудование для мониторинга со спектрометрией ослабленного полного отражения (НПВО-спектрометрией) в установках для микрореакций. Первый был продемонстрирован для мониторинга реакции. [ 18 ] Последний успешно использовался для мониторинга реакции. [ 19 ] и определение дисперсионных характеристик [ 20 ] микрореактора.
Академические исследования
[ редактировать ]Микрореакторы и, в более общем плане, микропроцессы являются предметом научных исследований во всем мире. Знаменитой регулярной конференцией является IMRET , Международная конференция по технологии микрореакций. Микрореакторы и микропроцессы также были представлены на специальных сессиях других конференций, таких как Ежегодное собрание Американского института инженеров-химиков (AIChE) или Международные симпозиумы по технике химических реакций (ISCRE). В настоящее время исследования также проводятся в различных академических учреждениях по всему миру, например, в Массачусетском технологическом институте (MIT) в Кембридже, штат Массачусетс, Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне , Университете штата Орегон в Корваллисе, штат Орегон, в Калифорнийском университете в Беркли в Беркли, Калифорния, США, в EPFL в Лозанне, Швейцария, в Эйндховенском технологическом университете в Эйндховене, в Университете Радбауд в Неймегене в Неймегене, Нидерланды и в LIPHT Страсбургского университета. в Страсбурге и LGPC Лионского университета , CPE Lyon , Франция и KU Leuven , Бельгия.
Структура рынка
[ редактировать ]Рынок микрореакторов можно сегментировать в зависимости от целей клиента на системы «под ключ», модульные и индивидуальные системы.
Системы «под ключ» (готовые к работе) используются там, где прикладная среда может извлечь выгоду из новых схем химического синтеза, увеличения исследовательской производительности примерно до 10–100 экспериментов в день (в зависимости от времени реакции) и реакционной подсистемы, а также фактического проведения синтеза. в масштабах от 10 миллиграммов на эксперимент до трехзначных тонн в год (непрерывная работа реакторной батареи).
Модульные (открытые) системы служат нишей для исследований схем непрерывного технологического процесса, где инженеры-химики ожидают измеримого преимущества процесса по сравнению с использованием стандартизированного оборудования. Можно быстро собрать несколько схем процесса и получить результаты химического процесса в масштабе от нескольких граммов на эксперимент до примерно 100 кг при умеренном количестве экспериментов в день (3-15). Вторичная передача инженерных результатов в контексте проектирования завода (масштабирование) затем обеспечивает целевую мощность заводов, обычно специализирующихся на выпуске одного продукта. Это имитирует успех инженерных подрядчиков в нефтехимической перерабатывающей промышленности.
Благодаря специальным разработкам производители микроструктурированных компонентов в большинстве случаев являются коммерческими партнерами ученых, ищущих новые технологии синтеза. Такие партнеры по развитию обычно преуспевают в организации комплексных исследований и схем поставок, чтобы смоделировать желаемую модель контакта или пространственное расположение материи. Для этого они преимущественно предлагают информацию из собственных интегрированных систем моделирования, которые сочетают вычислительную гидродинамику с термокинетическим моделированием. Более того, как правило, такие партнеры по разработке устанавливают общую аналитику приложений до такой степени, что критическая первоначальная гипотеза может быть проверена и дополнительно ограничена.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Последние достижения в технологии синтетических микрореакций Пол Уоттс и Шарлотта Уайлс Chem. Коммун. , 2007 , 443 - 467, два : 10.1039/b609428g
- ^ «Микрореактор — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 29 января 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Шуберт, К.; Бранднер, Дж.; Фихтнер, М.; Линдер, Г.; Шигулла, У.; Венка, А. (январь 2001 г.). «Микроструктурные устройства для применения в термических и химических процессах». Микромасштабная теплофизическая инженерия . 5 (1): 17–39. дои : 10.1080/108939501300005358 . ISSN 1556-7265 . S2CID 220350149 .
- ^ Д.Роберж, Л.Дюкри, Н.Билер, П.Креттон, Б.Циммерманн, Chem. англ. Тех. 28 (2005) № 3, доступно в Интернете. Архивировано 27 сентября 2007 г. на Wayback Machine.
- ^ Т.Швальбе, В.Аутце, Г.Вилле: Chimica 2002, 56, стр.636, см. также Синтез микропотоков.
- ^ Т.Швальбе, В.Аутце, М. Хоманн, В. Штирнер: Org.Proc.Res.Dev 8 (2004) с. 440ff, см. также Непрерывные исследования и внедрение технологических процессов от лаборатории до производства.
- ^ Кумар, Ю; Джайсвал, П.; Нигам, ДПК; Панда, Д.; Бисвас, КГ (2022 г.). «Критический обзор массопереноса с помощью наночастиц и кинетического исследования двухфазных систем в трубопроводах миллиметрового размера». Химическая технология и переработка – интенсификация процессов . 170 : 108675. doi : 10.1016/j.cep.2021.108675 .
- ^ Вилле, Ч; Габский, Х.-П; Халлер, Т; Ким, Х; Унвердорбен, Л; Зима, Р. (2003). «Синтез пигментов в трехступенчатой опытно-промышленной микрореакторной установке — технический отчет эксперимента». Химико-технологический журнал . 101 (1–3): 179–185. дои : 10.1016/j.cej.2003.11.007 . и цитируемая там литература
- ^ Кумар, Ю; Джайсвал, П.; Нигам, ДПК; Панда, Д.; Бисвас, КГ (2022 г.). «Критический обзор массопереноса с помощью наночастиц и кинетического исследования двухфазных систем в трубопроводах миллиметрового размера». Химическая технология и переработка – интенсификация процессов . 170 : 108675. doi : 10.1016/j.cep.2021.108675 .
- ^ Джайсвал, П; Кумар, Ю.; Нигам, ДПК; Панда, Д.; Бисвас, КГ (2022 г.). «Ковалентно иммобилизованные наночастицы никеля усиливают усиление массообмена в многоканальных каналах для двухфазных проточных систем». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 61 (10): 3672–3684. doi : 10.1021/acs.iecr.1c04419 .
- ^ Метод получения металлоорганических соединений с использованием микроканальных устройств , 2009 г. , Фрэнсис Джозеф Липецки, Стивен Г. Маролдо, Деодатта Винаяк Шенаи-Хатхате и Роберт А. Уэр, США, 20090023940
- ^ Процесс очистки с использованием микроканальных устройств , 2009 г. , Фрэнсис Джозеф Липецки, Стивен Дж. Маролдо, Деодатта Винаяк Шенаи-Хатхате и Роберт А. Уэр, США, 20090020010 г.
- ^ Реакция конденсации Кнёвенагеля в мембранном микрореакторе Сау Ман Лай, Роза Мартин-Аранда и Кинг Лун Юнг Чем. Общий. , 2003 , 218 - 219, дои : 10.1039/b209297b
- ^ Ф. Костантини, В. П. Була, Р. Сальвио, Дж. Хаскенс, HJGE Gardeniers, DN Reinhoudt и W. Verboom J. Am. хим. Соц. , 2009 , 131, 1650, два : 10.1021/Ja807616z
- ^ Мгновенное образование углерод-углеродной связи с использованием микроканального реактора с каталитической мембраной Ясухиро Уозуми, Ёичи М.А. Ямада, Томохико Бэппу, Наоши Фукуяма, Масахару Уэно и Такехико Китамори Дж. Ам. хим. Соц. ; 2006 год ; 128(50) стр. 15994 - 15995; (Коммуникация) два : 10.1021/ja066697r
- ^ Низкотемпературное каталитическое горение пропана на катализаторе на основе Pt с инверсной опаловой микроструктурой в микроканальном реакторе Гоцин Гуань, Ральф Цапф, Гюнтер Кольб, Йонг Мен, Фолькер Хессель, Хольгер Лоу, Цзяньхуэй Йе и Рудольф Центель Хим. Коммун. , 2007 , 260 - 262, дои : 10.1039/b609599b
- ^ Микрофлюидный ЯМР-зонд высокого разрешения Джейкоб Барт †, Ард Дж. Колкман, Анна Джо Остхук-де Врис, Каспар Кох, Питер Дж. Ньюланд, Ханс (JWG) Янссен, Ян (PJM) ван Бентум, Кирстен А.М. Ампт, Флорис П.Дж.Т. Рутьес, Сибрен С. Вейменга, Хан (JGE) Гарденьерс и Арно П.М. Кентгенс Дж. Ам. хим. Соц. ; 2009 год ; 131(14) стр. 5014 – 5015; два : 10.1021/ja900389x
- ^ Картер, Кэтрин Ф.; Ланге, Хейко; Лей, Стивен В.; Баксендейл, Ян Р.; Витткамп, Брайан; Гуд, Джон Г.; Гонт, Найджел Л. (19 марта 2010 г.). «Проточная ячейка ReactIR: новый аналитический инструмент для непрерывной химической обработки». Исследования и разработки органических процессов . 14 (2): 393–404. дои : 10.1021/op900305v .
- ^ Миннич, Клеменс Б.; Куппер, Лукас; Лиау, Марсель А.; Грейнер, Лассе (2007). «Сочетание реакционной калориметрии и НПВО-ИК-спектроскопии для оперативного мониторинга синтеза ионных жидкостей». Катализ сегодня . 126 (1–2): 191–195. дои : 10.1016/j.cattod.2006.12.007 .
- ^ Миннич, Клеменс Б.; Сайпер, Фрэнк; Грейнер, Лассе; Лиау, Марсель А. (16 июня 2010 г.). «Определение дисперсионных характеристик миниатюрных спиральных реакторов с помощью волоконно-оптической спектроскопии с преобразованием Фурье в среднем инфракрасном диапазоне». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 49 (12): 5530–5535. дои : 10.1021/ie901094q .