微通道反應(yīng)器目前的局限性

微反應(yīng)器設(shè)備根據(jù)其主要用途或功能可以細(xì)分為微混合器，微換熱器和微反應(yīng)器。由于其內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)使得微反應(yīng)器設(shè)備具有極大的比表面積，可達(dá)攪拌釜比表面積的幾百倍甚至上千倍。微反應(yīng)器有著很好的傳熱和傳質(zhì)能力，可以實現(xiàn)物料的瞬間均勻混合和高效的傳熱，因此許多在常規(guī)反應(yīng)器中無法實現(xiàn)的反應(yīng)都可以微反應(yīng)器中實現(xiàn)。
從結(jié)構(gòu)特點上來說，目前微通道反應(yīng)器應(yīng)用與局限性如下
1. 反應(yīng)本身速度很快，但受制于傳遞過程的，整體反應(yīng)速度偏低的反應(yīng)
這類反應(yīng)主要為液液多相反應(yīng)，也包括液液萃取等物理過程。這種過程的特點就在于：反應(yīng)本身速度快，但是由于底物要在液相間擴散導(dǎo)致反應(yīng)整體速率偏低。在傳統(tǒng)的反應(yīng)釜內(nèi)部一般采用攪拌器進行反應(yīng)，效率較低，無法充分實現(xiàn)兩個液相間的混合，因此反應(yīng)效率低下。而在微通道反應(yīng)器內(nèi)由于通道尺寸小帶來的擴散尺度減小，導(dǎo)致這類反應(yīng)可以快速進行。
2.反應(yīng)本身速度快，但反應(yīng)劇烈，強放熱，產(chǎn)物容易破壞的反應(yīng)
這類反應(yīng)主要有硝化，重氮化以及部分水解與烷基化反應(yīng)。硝化以及重氮化反應(yīng)本身是非常快速而劇烈的，但是實際工廠操作的時候往往反應(yīng)時間是以小時計的。這是因為反應(yīng)釜傳熱能力有限，為了防止體系內(nèi)溫度過高不可控制，需要一點一點的滴加試劑?？梢哉f反應(yīng)速度*由移熱能力確定。如果使用移熱能力強的微通道反應(yīng)器就可以快速通入試劑并維持反應(yīng)平穩(wěn)進行。可以說這一類反應(yīng)*有工業(yè)化前景，是應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮的過程。
3.需要嚴(yán)格控制反應(yīng)器內(nèi)部流型的反應(yīng)。
這種反應(yīng)主要為納米顆粒的合成等，這類過程在之前已經(jīng)介紹過了，主要利用微通道內(nèi)部的流動規(guī)律性制備顆粒分布窄的材料，提高產(chǎn)品附加值。這類反應(yīng)一般產(chǎn)品產(chǎn)量低，附加值很大，有的時候幾塊實驗裝置結(jié)合就能成為生產(chǎn)裝置，應(yīng)用前景也較為廣闊。
4.部分氣液反應(yīng)從機理上可以采用微通道反應(yīng)器，但是目前尚未出現(xiàn)好的氣液反應(yīng)器結(jié)構(gòu)
明顯的就是加氫，加氫當(dāng)然有很多種類，部分加氫反應(yīng)反應(yīng)速率高，但受到氫氣向液相擴散的限制，導(dǎo)致整體反應(yīng)速率較低。在這種狀況下，當(dāng)然可以利用微通道的反應(yīng)器的混合特性進行反應(yīng)，類似于第一類反應(yīng)，不過這里加強的是氣液傳質(zhì)過程。但是氣液過程有其特殊性，主要是在流體分配與控制方面，這導(dǎo)致適宜放大的氣液微通道反應(yīng)器還不存在。因此這方面實驗研究非?；钴S，工業(yè)應(yīng)用上除非產(chǎn)量小可以直接使用實驗裝置否則沒有可行性。
5. 顆粒尺度達(dá)到微通道特征尺度的10%以上，固含量超過5%的含有固體的反應(yīng)不使用微通道反應(yīng)器。
由于微通道反應(yīng)器容易堵塞，大部分含有非均相催化劑的反應(yīng)器都不適宜使用微通道反應(yīng)器。此外就是容易生成較大顆粒的反應(yīng)體系也不適應(yīng)采用微通道反應(yīng)器。由于大部分反應(yīng)都是催化反應(yīng)，這給微反應(yīng)器的應(yīng)用帶來非常大的限制。對于非均相體系，催化劑被局限在Pd/C等少數(shù)幾個品種。目前在科學(xué)研究上的趨勢就在于如何將催化劑固定在反應(yīng)器中。方案很多，但是實現(xiàn)起來問題更多。短期內(nèi)無法進行工業(yè)應(yīng)用，因此對于非均相催化體系，使用微通道反應(yīng)器需要特別謹(jǐn)慎。
6.研發(fā)中的放大效應(yīng)。
理論上微通道反應(yīng)器是采用數(shù)量放大的，并不會出現(xiàn)放大效應(yīng)。但是實際操作過程中并非如此，由于單純采用數(shù)量放大會導(dǎo)致非常高的設(shè)備成本與控制成本。這導(dǎo)致實際的放大過程中，可能需要對通道尺寸，反應(yīng)器的組合方式進行調(diào)整，而這些調(diào)整極度有可能導(dǎo)致微通道反應(yīng)器的比表面積，傳遞特征長度，停留時間分布發(fā)生改變，導(dǎo)致實際生產(chǎn)過程與小試實驗存在偏差。
7.工藝流程的適配性問題。
微反應(yīng)器由于通量的問題，在選泵與其他后續(xù)工段的銜接上都會有問題。比如說如果微通道反應(yīng)器通量小，有可能會導(dǎo)致后續(xù)的過程，比如說精餾根本選不出合適的設(shè)備。這樣不得不把后續(xù)過程變成間歇過程或者需要在兩個流程之間加入緩沖單元。
8.微通道反應(yīng)器的腐蝕問題不能忽視，耐腐蝕性要求要高于常規(guī)反應(yīng)器。
微通道反應(yīng)器本身通道尺寸就非常小。常規(guī)容器中的腐蝕標(biāo)準(zhǔn)對于微通道反應(yīng)器來說要求還是太低的。比如說我們常規(guī)容器內(nèi)腐蝕余量可以取0.1mm/a這樣比較大的數(shù)值。只要保證結(jié)構(gòu)強度就可以正常使用。但微通道反應(yīng)器內(nèi)部一樣，通道本來就小，腐蝕再強烈的話通道特征尺寸就會改變，甚至發(fā)生內(nèi)漏。因此微通道反應(yīng)器對于腐蝕的要求要更加嚴(yán)格，尤其是對于金屬反應(yīng)器，在投產(chǎn)前一定要考慮腐蝕試驗的問題。但目前來看，在工藝開發(fā)上，很多單位依然在微反應(yīng)器上照搬傳統(tǒng)反應(yīng)器的腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)，這是不夠的。現(xiàn)有的微通道反應(yīng)器裝置運行時間都不長，腐蝕問題還沒有集中出現(xiàn)。但如果在反應(yīng)器選材上存在問題，未來幾年內(nèi)部分工業(yè)化裝置可能出現(xiàn)問題。

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審核編輯 黃宇