Prinzipien und Anwendungsbereich von Microchannel

Mikrokanäle, auch Mikrokanal-Wärmetauscher genannt, sind Wärmetauscher mit Kanaläquivalentdurchmessern im Bereich von 10–1000 μm.Diese Wärmetauscher verfügen über Dutzende feiner Strömungskanäle in einem Flachrohr, die an beiden Enden des Flachrohrs mit kreisförmigen Verteilern verbunden sind.In den Verteilern sind Leitbleche installiert, um die Wärmetauscherkanäle in mehrere Prozesse zu unterteilen.Im Vergleich zur herkömmlichen chemischen Produktion bieten Mikrokanäle ein erhebliches Entwicklungspotenzial und umfangreiche Anwendungsaussichten in der Feinchemie.Lassen Sie uns gemeinsam Mikrokanäle aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchten.

I. Mikrokanalreaktoren verstehen

Einführung in Mikrokanalreaktoren

Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Mikrokanalreaktor um eine Art kontinuierlich arbeitenden Rohrreaktor.Es umfasst Mischer, Wärmetauscher, Reaktorsteuerungen und andere Anforderungen an chemische Einheiten.Derzeit kann die Gesamtstruktur von Mikrokanalreaktoren in zwei Typen unterteilt werden: Die eine ist eine integrale Struktur, die sich in Form von Gegenstrom- oder Gegenstromwärmetauschern manifestiert und einen Betrieb mit hohem Durchsatz in einem Einheitsvolumen ermöglicht.In einer integralen Struktur kann jeweils nur ein Arbeitsschritt gleichzeitig ausgeführt werden und diese entsprechenden Geräte werden letztendlich zu einem komplexen System verbunden.Der andere Typ ist eine Schichtstruktur, die aus einem Stapel von Modulen mit unterschiedlichen Funktionen besteht, wobei eine Operation in einer Schicht und eine andere Operation in einer anderen Schicht ausgeführt wird.Der Flüssigkeitsfluss in den verschiedenen Schichtmodulen kann durch intelligente Umleitungsgeräte gesteuert werden, um einen höheren Durchsatz zu erreichen.Einige Mikrokanalreaktoren oder -systeme werden typischerweise parallel betrieben, um einen höheren Durchsatz zu erzielen.

II.Prinzipien von Mikrokanalreaktoren

Mikroreaktoren beziehen sich hauptsächlich auf kleine Mehrkanalreaktoren mit Kanalgrößen im Submikron- und Submillimeterbereich, die mithilfe von Oberflächenwissenschaften und Mikrofabrikationstechnologien hergestellt werden.Die Kanalgröße von Mikroreaktoren liegt nur im Submikrometer- und Submillimeterbereich.Mikroreaktoren verfügen im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Geräten über bessere Wärme- und Stoffübertragungseigenschaften und eignen sich daher besonders für Experimente mit hoher Wärmefreisetzung und schnellen Reaktionen.Für viele ist es von Interesse, die Prinzipien von Mikroreaktoren zu verstehen.

Das Konzept der mikrochemischen Technologie geht auf konventionelle Wärmeübertragungsmechanismen zurück.Bei laminarer Strömung innerhalb eines kreisförmigen Rohrs ist der Wärmeübergangskoeffizient h bei konstanter Wandtemperatur umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser d, wie aus Formel (1) hervorgeht.Ähnlich verhält es sich bei einer laminaren Strömung innerhalb eines kreisförmigen Rohrs: Wenn die Konzentration der Komponente A an der Rohrwand konstant bleibt, ist der Stoffübergangskoeffizient kc umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser (Formel (2)).Da es sich bei der Strömung innerhalb von Mikrokanälen meist um eine laminare Strömung handelt, die hauptsächlich auf molekularer Diffusion beruht, um eine Flüssigkeitsmischung zu erreichen, wie in Formel (3) gezeigt, ist die Mischzeit t proportional zum Quadrat der Kanalskala.Durch die Reduzierung der charakteristischen Größe des Kanals wird nicht nur die spezifische Oberfläche deutlich erhöht, sondern auch die Übertragungseigenschaften des Prozesses deutlich verbessert.

Nu=hd/k=3,66(1)

Sh=kc/DAB=3,66(2)

t=d 2/DAB(3)

Dabei ist Nu die Nusselt-Zahl, Sh die Sherwood-Zahl und D der Diffusionskoeffizient.Chemische Reaktionen in chemischen Prozessen werden durch die Übertragungsrate oder die intrinsische Reaktionskinetik oder beides gesteuert.Bei sofortigen und schnellen Reaktionen werden sie, wenn sie in herkömmlichen Reaktionsgeräten durchgeführt werden, durch die Übertragungsrate gesteuert.In Reaktionssystemen im Mikromaßstab werden die Reaktionsgeschwindigkeiten solcher Prozesse aufgrund der erheblichen Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit erheblich gesteigert.Bei langsamen Reaktionen, die hauptsächlich durch die intrinsische Reaktionskinetik gesteuert werden, besteht eines der wichtigsten Mittel zur Intensivierung des Prozesses darin, die intrinsische Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, was normalerweise durch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur oder eine Änderung der Prozessbetriebsbedingungen erreicht wird.Gegenwärtig gehören die meisten industriellen Anwendungen von Kohlenwasserstoffnitrierungsreaktionen zur Kategorie der mittel-langsamen Reaktionsprozesse, wobei die Reaktionszeiten zwischen mehreren zehn Minuten und Stunden liegen.In Mikroreaktoren kann die adiabatische Nitrierung eingesetzt werden, und durch gleichzeitige Änderung der Prozessbedingungen kann die Reaktionszeit auf Sekunden verkürzt werden.Somit können theoretisch nahezu alle Reaktionsprozesse intensiviert werden.