Lò phản ứng vi mô hoặc lò phản ứng có cấu trúc vi mô hoặc lò phản ứng vi kênh

Hướng dẫn ngắn gọn về công nghệ Microreactor

Công nghệ microreactor là một công nghệ mới chủ yếu thông qua quá trình tăng cường để đạt được tổng hợp hóa học xanh, đặc biệt là để điều chế các hóa chất tốt như hóa chất, thuốc trừ sâu, thuốc, vật liệu vi mô và vật liệu nano. Công nghệ microreactor là một công nghệ vi hóa học xuất hiện vào những năm 1990. Đây không phải là một sự giảm thiểu đơn giản của lò phản ứng hiện có, mà là một trong những hệ thống toàn diện mới tích hợp nhiều yếu tố khác nhau như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo vi mô, công nghệ cảm biến và công nghệ điều khiển. Lò phản ứng vi mô là một loại lò phản ứng đường ống dòng chảy liên tục thu nhỏ mới với các kênh cấu trúc ở quy mô micron làm cốt lõi để thực hiện phản ứng, trộn, tách và các chức năng khác. "Micro" của lò phản ứng vi kênh không đề cập đến kích thước nhỏ của thiết bị lò phản ứng vi mô hoặc năng suất sản phẩm nhỏ, mà có nghĩa là các kênh chất lỏng ở thang đo micromet hoặc milimét. Quá trình microreaction đề cập đến quá trình hệ thống phản ứng được xây dựng bởi các thiết bị này. Hệ thống vi phản ứng còn được gọi là hệ thống vi hóa học, là một hệ thống vi mô cho quá trình hóa học. Việc thiết kế và phát triển hệ thống vi hóa dựa trên ý tưởng thu nhỏ thiết bị hóa chất mà không làm giảm khả năng xử lý của thiết bị, bằng cách tăng cường tốc độ và khả năng kiểm soát của dòng chảy, quá trình trộn và chuyển trong hệ thống, thời gian hoàn thành của phản ứng và phân tách được rút ngắn, giảm sự ứ đọng nguyên liệu trong quá trình, giảm sự hình thành các sản phẩm phụ, để thực hiện quy trình hóa học xanh, an toàn và hiệu quả. Công nghệ microreactor đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng trong lĩnh vực tăng cường quá trình hóa học được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học, thuốc trừ sâu, sản phẩm hóa chất tốt và tổng hợp trung gian.

Lò phản ứng vi mô hoặc lò phản ứng có cấu trúc vi mô hoặc lò phản ứng vi kênh là một thiết bị trong đó các phản ứng hóa học diễn ra trong một giới hạn với kích thước bên điển hình dưới 1 mm; hình thức điển hình nhất của sự giam cầm như vậy là các vi kênh. Lò phản ứng vi mô được nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật quy trình vi mô, cùng với các thiết bị khác (chẳng hạn như bộ trao đổi nhiệt vi mô) trong đó các quá trình vật lý xảy ra. Lò phản ứng vi mô liên quan đến các cấu trúc được chế tạo vi mô để cho phép thực hiện quá trình hóa học dòng chảy ở quy mô micron. Lò phản ứng vi mô thường là lò phản ứng dòng chảy liên tục (tương phản với/với lò phản ứng theo mẻ). Lò phản ứng vi mô mang lại nhiều lợi thế so với các lò phản ứng quy mô thông thường, bao gồm những cải tiến lớn về hiệu suất năng lượng, tốc độ và năng suất phản ứng, độ an toàn, độ tin cậy, khả năng mở rộng, sản xuất tại chỗ/theo yêu cầu và mức độ kiểm soát quy trình tốt hơn nhiều.

Đặc tính kỹ thuật của Microreactor

• Diện tích bề mặt riêng lớn và truyền nhiệt tốt------Do cấu trúc vi mô bên trong lò phản ứng siêu nhỏ, diện tích bề mặt riêng của nó rất lớn, có thể gấp hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lần diện tích bề mặt riêng của bình khuấy. Do đó , nó có khả năng truyền nhiệt và truyền khối tốt. Hệ số trao đổi nhiệt thường ít nhất là 25kW m−2K−1, có thể nhận ra sự trộn đều tức thời và truyền nhiệt hiệu quả của vật liệu.
• Hiệu suất truyền khối cao và tốc độ phản ứng nhanh-------Lò phản ứng vi kênh có thể chứa nhiều vi kênh và chất khí và chất lỏng trong các vi kênh có thể truyền lưu lượng với 10-4 đến 10-6m/s, quá trình phản ứng trộn của chất lỏng có thể thực hiện phản ứng trộn tức thời và đồng đều của vật liệu, đồng thời làm cho phản ứng của các phản ứng hóa học thông thường Thời gian giảm từ hàng giờ - hàng chục giờ xuống còn vài giây - phút và đạt được thông lượng cao.
• Kiểm soát chính xác nhiệt độ và thời gian phản ứng để cải thiện năng suất-------Các đặc tính truyền nhiệt tuyệt vời của lò phản ứng vi mô cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ phản ứng trong một phạm vi nhất định, điều này có ý nghĩa rất lớn đối với một số phản ứng liên quan đến các sản phẩm trung gian và không ổn định nhiệt sản phẩm trong hóa chất tốt. Các chất phản ứng chảy liên tục trong lò phản ứng vi kênh. Thời gian lưu trú của nguyên liệu thô trong các điều kiện phản ứng có thể được kiểm soát chính xác. Sau khi đạt được thời gian phản ứng tối ưu, nó sẽ ngay lập tức được chuyển sang bước tiếp theo hoặc phản ứng kết thúc, điều này có thể loại bỏ hiệu quả các sản phẩm phụ được tạo ra do thời gian phản ứng dài và cải thiện năng suất.
• Khả năng giữ chất lỏng ít hơn, an toàn hơn và thân thiện với môi trường hơn để sản xuất liên tục-------Do lò phản ứng vi mô truyền nhiệt tốt, nhiệt độ phản ứng sẽ không tích lũy quá mức và được kiểm soát chính xác trong một phạm vi nhất định, điều này có thể làm giảm rủi ro tiềm ẩn của vụ nổ. Microreactor thường được vận hành liên tục, lượng chất phản ứng trong microreactor là rất nhỏ. Điều này cho phép xử lý tiếp theo các sản phẩm trung gian không ổn định và tránh sự chậm trễ xử lý hàng loạt điển hình. Thời gian lưu trú của môi trường phản ứng không ổn định là rất ngắn và sẽ không bị phân hủy, ngay cả khi sản phẩm trung gian hoặc sản phẩm cuối cùng của phản ứng là chất độc hại. Ngoài ra, do lượng sản phẩm được tạo ra trên một đơn vị thời gian nhỏ và thời gian lưu trú ngắn nên tính độc hại tai nạn an toàn được giảm đến một mức độ đáng kể. Nhiều phản ứng tỏa nhiệt mạnh không thể thực hiện được trong quy trình hàng loạt nhưng có thể thực hiện được trong các lò phản ứng vi mô, thậm chí các phản ứng quan trọng như nitrat hóa có thể được thực hiện một cách an toàn ở nhiệt độ cao.
• Mặc dù một microreactor chỉ có thể tổng hợp hóa chất với số lượng nhỏ, nhưng việc mở rộng quy mô công nghiệp chỉ đơn giản là một quá trình nhân số lượng microreactor. Ngược lại, các quy trình hàng loạt thường hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm nhưng lại thất bại ở cấp độ nhà máy thí điểm hàng loạt.
• Công nghệ lò phản ứng vi mô cũng có thể linh hoạt tăng hoặc giảm số lượng mô-đun lò phản ứng vi mô trong hệ thống theo sự thay đổi của thị trường, để thực hiện sản xuất đúng thời gian, tại chỗ và theo yêu cầu.
• Công nghệ xử lý vi mô có thể được sử dụng để tích hợp trộn vi mô, phản ứng vi mô, trao đổi nhiệt vi mô, phân tách vi mô, phân tích vi mô và các hoạt động đơn vị khác và kết hợp các cảm biến vi mô, van vi mô và các thiết bị khác vào một nền tảng hoặc thậm chí một chip điều khiển để thực hiện nền tảng hóa Hoặc hoạt động đa chức năng dựa trên chip, để đạt được khả năng giám sát thời gian thực và điều khiển thông minh hệ thống phản ứng vi mô, cải thiện tốc độ phản ứng và đồng thời tiết kiệm chi phí phản ứng.

Loại phản ứng Thích hợp cho Microreactors

Cho đến nay, microreactor đa năng vẫn chỉ giới hạn trong phản ứng đồng thể, và ở một mức độ nhất định, nó chỉ giới hạn trong phản ứng pha khí-lỏng và phản ứng pha lỏng-lỏng. Theo thống kê, khoảng 30% các phản ứng hóa học tinh vi có thể được thực hiện trong các lò phản ứng vi mô để cải thiện năng suất, độ chọn lọc hoặc độ an toàn. Ưu điểm của microreactor chủ yếu thể hiện ở các loại phản ứng sau:

• Phản ứng tỏa nhiệt dữ dội-------Đối với các phản ứng tỏa nhiệt dữ dội, quy trình lò phản ứng thông thường thường áp dụng phương pháp bổ sung dần dần hoặc bổ sung theo mẻ. Mặc dù vậy, vẫn sẽ xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ và một lượng sản phẩm phụ nhất định sẽ được sinh ra. Do các đặc tính truyền nhiệt tốt của microreactor, nhiệt độ phản ứng có thể được kiểm soát chính xác, có thể loại bỏ quá nhiệt cục bộ và có thể cải thiện đáng kể năng suất và độ chọn lọc của sản phẩm.
• Phản ứng với chất phản ứng hoặc sản phẩm không ổn định------Một số chất phản ứng hoặc sản phẩm rất không ổn định và sẽ bị phân hủy và làm giảm sản lượng sản phẩm sau một thời gian lưu trú. Hệ thống microreactor là một hệ thống dòng chảy liên tục và thời gian lưu trú của phản ứng có thể được kiểm soát chính xác. Do đó, có thể tránh được sự phân hủy do sự mất ổn định của chất phản ứng hoặc sản phẩm trong lò phản ứng thông thường.
• Phản ứng nhanh với yêu cầu nghiêm ngặt về tỷ lệ chất phản ứng------Một số phản ứng có yêu cầu nghiêm ngặt về tỷ lệ chất phản ứng và việc dư thừa một trong các chất phản ứng sẽ gây ra phản ứng phụ, chẳng hạn như phản ứng cần thay thế đơn chất, sẽ có sản phẩm thay thế hai và thay thế ba được hình thành. Hệ thống lò phản ứng vi mô có thể đạt được sự trộn đồng nhất ngay lập tức, giúp tránh được vấn đề dư thừa cục bộ của từng chất phản ứng và giảm thiểu các sản phẩm phụ.
• Phản ứng hóa học nguy hiểm và phản ứng ở nhiệt độ cao & áp suất cao------Một số phản ứng hóa học dễ mất kiểm soát, một khi mất kiểm soát sẽ khiến nhiệt độ và áp suất của phản ứng tăng mạnh, các chất phản ứng sẽ nổ tung thậm chí phát nổ. Bởi vì nhiệt phản ứng có thể được xuất ra nhanh chóng và microreactor là phản ứng dòng chảy liên tục, lượng hóa chất trực tuyến rất nhỏ, do đó, sự an toàn của phản ứng được đảm bảo trong microreactor.

Tất nhiên, không phải tất cả các phản ứng đều phù hợp với hệ thống microreactor, chẳng hạn như phản ứng lỏng-rắn rất chậm, phản ứng không có hiện tượng tỏa nhiệt và thu nhiệt và các quy trình truyền thống đã có tính chọn lọc và hiệu suất phản ứng cao.

Cạm bẫy ứng dụng của Microreactors

• Mặc dù đã có các lò phản ứng được chế tạo để xử lý các hạt, nhưng các lò phản ứng vi mô thường không chịu được các hạt tốt, thường bị tắc nghẽn. Sự tắc nghẽn đã được một số nhà nghiên cứu xác định là rào cản lớn nhất đối với các lò phản ứng vi mô[8] được chấp nhận rộng rãi như một giải pháp thay thế có lợi cho các lò phản ứng theo mẻ.
• Bơm cơ học có thể tạo ra dòng chảy dao động và điều này có thể gây bất lợi. Nhiều công việc đã được dành cho việc phát triển máy bơm có nhịp đập thấp. Một giải pháp dòng chảy liên tục là dòng điện thẩm thấu (EOF).
• Ăn mòn đặt ra một vấn đề lớn hơn trong lò phản ứng vi mô vì tỷ lệ diện tích trên thể tích cao. Sự xuống cấp của một vài µm có thể không được chú ý trong các bình thông thường. Do các kích thước bên trong điển hình của các kênh có cùng thứ tự độ lớn nên các đặc tính có thể bị thay đổi đáng kể.
• Mặc dù hệ thống microreactor có thể mở rộng quy mô công nghiệp bằng cách nhân số lượng microreactor và có thể giảm chi phí, nhưng khả năng xử lý của hệ thống microreaction cũng bị hạn chế rất nhiều. Trong quá trình số lượng lò phản ứng vi mô tăng lên rất nhiều, độ phức tạp của hệ thống giám sát và kiểm soát phản ứng vi mô cũng tăng lên rất nhiều, đồng thời chi phí đầu tư và vận hành cho sản xuất thực tế cũng tăng lên rất nhiều.

Các ứng dụng

Câu hỏi thường gặp

 

Chú phổ biến: lò phản ứng vi mô hoặc lò phản ứng có cấu trúc vi mô hoặc lò phản ứng vi kênh, nhà cung cấp, nhà sản xuất, nhà máy, bán buôn, mua