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微反应器结构适用性及技术放大便利性与本质安全

更新时间:2024-01-15  |  点击率:173
  微反应器结构适用性及制造过程  
 
  微反应器的材质主要有硅、玻璃、陶瓷、聚合物和金属等,其材料的选择取决于许多因素,主要包括操作条件(压力和温度),反应物的物理性质(pH、黏度等),成本,大规模生产能力以及制造的难易性等。
 
  硅材料最开始主要应用于微电子芯片中,近几年开始应用在微反应器的制造过程中。硅的价格相对低廉且化学惰性和传热能力优异,是制造微反应器常用的材料之一。工业中许多重要的气/液相反应都采用硅基微反应器,但其加工工艺复杂、附加成本偏高。
 
  聚合物基微反应器具有性能可调、成本低、易于制造等优点,目前常用于微反应器制造的聚合物大致分为两类—聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其改性形式的热塑性聚合物,如聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)等。但聚合物基微反应器存在导热性和热稳定性不佳的缺点,大多数情况下只适用于常温常压的反应类型,此外聚合物基微反应器与其他材料的兼容性还有待进一步探索。
 
  玻璃的化学性质和结构功能稳定,且便于观察反应器内部真实情况。此外,在玻璃基微反应器中可使多种极性溶剂产生电渗流过程(EOF),从而促进有机合成反应,同时其在光催化反应方面也具有独特的优势。然而,玻璃容易发生应力及张力断裂,且不耐高温、不适合采用原有的制造工艺。
 
  相较于金属等传统材料,陶瓷材料具有较好的化学稳定性和热稳定性,在一些苛刻环境下仍能保持较好的性能,因此陶瓷基微反应器除了具有适合于微化工反应的优势,同时也可以实现催化剂负载的三相反应。金属基微反应器主要采用机械加工的方式进行制备,因此可满足中试和企业的需求,但是耐酸碱和耐高温性能仍有待提高。
 
  不同材料微反应器的制作技术也不尽相同,主流制备技术有LIGA(光刻、电铸和塑模相结合的工艺),3D打印技术,硅体微加工,超精密加工技术等。LIGA工艺适合大规模生产,且深宽比不受限制,可应用于金属、聚合物和塑料等各种材料,缺点是成本较高。图1为LIGA过程中涉及的基本步骤。硅体微加工技术主要包括湿法刻蚀技术和干法刻蚀技术,其中干法刻蚀是利用具有无污染、自动化程度高、腐蚀速率易控等优点的气体腐蚀,同时还可以替代LIGA技术来完成一些高精度的微结构加工,从而降低生产成本。3D打印制造技术相较于传统的微反应器加工技术,具有设计自由、加工迅速、设备成本低和材料适应范围广等优势,吸引了越来越多研究人员的关注。

图1 微反应器用光刻、电铸和塑膜(LIGA) 制造技术的基本步骤

 
  技术放大便利性与本质安全  
 
  由于传统化工过程中存在放大效应,为保证工业应用的可靠性,一般要经历实验室-小试-中试工业试验-工业生产的逐级放大过程。但微反应器特有的尺寸特征使得其放大过程主要是微反应器数量的叠加而非整体构造尺寸的改变,可有效避免放大时在“三传”方面产生的工程问题。
 
  因此,模拟分析单一的微反应器就可以使整个微反应器结构得到优化。这使得在整体工艺技术开发中,不再需要投入过多的中试设备制造费用和实验成本,同时节省了中试试验所占用的时间,缩短了整个开发周期并减少了资源投入。随着化工技术的高速发展,安全生产逐渐成为新兴技术的重要考核指标,因此,不同技术形式的本质安全是未来发展的必然方向。
 
  微反应器具有独特的尺寸特征,这使得它在传热和传质方面效率很高。当发生强放热反应时,短时间内产生的大量热可以被及时移除,从而避免了传统反应器中发生的“飞温”现象;此外,由于微反应器内反应物的储存量相对较小,可将发生爆炸风险的危害性降到最低。甚至对于连续流过程中产生的有害物质,微化工技术也可将其控制在可控风险范围之内,使整体反应过程平稳地进行。
 
  绿色化工及可操作性  
 
  在传统的化工生产中,大型工业反应器不仅需要消耗大量的原料和能源,同时产品收率也不理想。微反应器作为连续流工艺,在实验室研究过程、中试过程或大规模生产过程中都大大减少了原料的用量和副产物的产生,从而提高了其经济性。此外,微反应器可减少生产过程中有害物质的产生,有效提高原子利用率。
 
  微反应器所具备的特性使得其也适用于活性中间体不稳定的反应过程。在传统反应体系中,常采用间歇釜式反应器以及特殊的进料方式与控制进料顺序来避免出现反应过程过于剧烈和反应效果不佳等不利影响。然而反应器内反应物的停留时间不一致,无法有效控制副产物的生成。微反应器结构可以通过改变微通道的长短精确控制反应物的停留时间,从而有效避免副产物的产生,使产物的纯度最大限度得到提高,并且实现整体过程的连续操作。

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