Jump to content

Микрореактор

(Перенаправлено с Микрореакторы )
Технологии микрореактора, разработанные в LLNL, используют методы микрообработки для миниатюризации конструкции реактора. Приложения включают в себя топливные процессоры для производства водорода , химический синтез и исследования биореакций.

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 .

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 ]
Стеклянные микрореакторы включают в себя микрофабрикаты, позволяющие проточную химию осуществлять на микромасштабе. Приложения включают создание библиотеки соединений, разработку процессов и синтез соединений.

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 ]

Применение Кневенагеля для конденсации

Реакция Сузуки была изучена в другом исследовании. [ 15 ] с палладиевым катализатором, заключенным в полимерную сетку полиакриламида , и триарилфосфина образованную межфазной полимеризацией :

Приложение реакции Suzuki

происходит , при Было продемонстрировано , что горение пропана температурах до 300 ° C в микроканальной установке, заполненной решеткой оксида алюминия покрытой платино - молибденовым катализатором: [ 16 ]

Применение для сжигания пропана

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.

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.

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 ]
Пример системы проточного реактора

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.

  1. ^ 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
  2. ^ «Микрореактор — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 29 января 2024 г.
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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.
  5. ^ Т.Швальбе, В.Аутце, Г.Вилле: Chimica 2002, 56, стр.636, см. также Синтез микропотоков.
  6. ^ 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.
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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
  12. ^ 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.
  13. ^ 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
  14. ^ 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
  15. ^ 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
  16. ^ 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
  17. ^ 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
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 03424765f74584b588399442517d39a6__1718114100
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/03/a6/03424765f74584b588399442517d39a6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Microreactor - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)