Lò phản ứng quá trình dòng chảy là gì? Nguyên tắc, loại & ứng dụng

Một lò phản ứng quy trình dòng chảy là gì?

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng quy trình dòng chảy là gì, và làm thế nào để xử lý dòng chảy liên tục biến đổi tổng hợp hóa học so với lò phản ứng hàng loạt?Một lò phản ứng quy trình dòng chảy là một bình dòng chảy liên tục trong đó các chất phản ứng được bơm qua một kênh hạn chế (máy phản ứng: kích thước bên trong 100-1000 micron; lò phản ứng giữa: 1-10 mm; lò phản ứng ống:10-50 mm) khi trộn, chuyển nhiệt và phản ứng xảy ra trong một luồng liên tục chứ không phải là một thùng lô.hệ số chuyển nhiệt 5000-25,000 W / m2-K (5-20 lần tốt hơn so với lô vỏ), và thời gian cư trú được kiểm soát chính xác từ giây đến 30 phút.duy trì cùng một đặc điểm khối lượng và chuyển nhiệt ở quy mô sản xuấtCác ứng dụng bao gồm tổng hợp API dược phẩm (Hóa học nguy hiểm: nitration, fluorination, diazotization), hóa học peroxide, tổng hợp hạt nano và quang hóa,nơi xử lý dòng chảy cải thiện an toàn, sự chọn lọc và năng suất trong khi giảm thời gian phản ứng từ giờ xuống phút.

1Các nguyên tắc quy trình dòng chảy cốt lõi và hiện tượng vận chuyển

Hiệu suất lò phản ứng quy trình dòng chảy được điều chỉnh bởi ba nguyên tắc vận chuyển và chế độ dòng chảy:

• Tăng cường vận chuyển và chuyển nhiệt qua các kênh vi môCác kênh vi phản ứng (100-1000 micron) đạt được hệ số truyền nhiệt 5000-25.000 W / m2-K do tỷ lệ bề mặt-tượng cao (10.000-50.000 m2/m3 so với 100-500 cho lô).Điều này cho phép kiểm soát nhiệt độ chính xác (± 0.1C) cho các phản ứng ngoại nhiệt cao: nitrat hóa trong kênh 400 micron ở tốc độ 5 m/s đạt được U = 15,000 W/m2-K, loại bỏ sự giải phóng nhiệt 500 kW/L (so với 5 kW/L tối đa cho lò phản ứng hàng loạt có vỏ).Sự tương quan số Nusselt cho dòng chảy laminar (Nu = 3.66 hằng số hoặc Nu = 1,86 x Re ^ 0,33 x Pr ^ 0,33 x (D / L) ^ 0,33) và cho các kênh vi sóng hỗn loạn (Nu = 0,023 x Re ^ 0,8 x Pr ^ 0.4, Dittus-Boelter) dự đoán chuyển đổi nhiệt đối lưu với độ chính xác ± 15%.
• Kiểm soát thời gian cư trú và RTD trong hệ thống dòng chảyTrong lò phản ứng dòng chảy, thời gian cư trú (tau) = V_reactor / F_flow, trong đó V là khối lượng kênh và F là tốc độ dòng chảy thể tích.tau = 2 phútRTD phụ thuộc vào chế độ dòng chảy: dòng chảy laminar (Re < 2100) tạo ra một hồ sơ vận tốc parabolic với sigma ^ 2 = tau ^ 2/8 (phân tán Taylor); dòng chảy hỗn loạn (Re > 4000) thu hẹp RTD.Dòng chảy phân đoạn (slug), trong đó bong bóng khí hoặc các phân đoạn chất lỏng không pha trộn tạo ra các vùng phản ứng riêng biệt, đạt được RTD hẹp (sigma ^ 2 -> 0) với sự trộn tăng cường thông qua lưu thông nội bộ trong mỗi con sò.Hành vi PFR (sigma ^ 2 = 0) được tiếp cận ở Pe > 50.
• Phương pháp đánh số và mở rộng quy môKhông giống như quy mô hàng loạt (tăng kích thước bình), quy mô lò phản ứng dòng chảy sử dụng đánh số: chạy nhiều kênh giống hệt nhau song song.Một kênh 400 micron duy nhất tạo ra 1 g / h được mở rộng đến 1 kg / h bởi 1000 kênh song songĐiều này giữ gìn chuyển đổi khối lượng giống nhau (k_La), chuyển đổi nhiệt (U) và RTD ở quy mô sản xuất, tránh sự sụt giảm 50-80% tỷ lệ A / V vốn có trong quy mô hàng loạt.Thách thức là sự đồng nhất phân phối dòng chảy (± 5% trên các kênh đòi hỏi thiết kế đa dạng cẩn thận), quản lý giảm áp suất (đồng giải Ergun cho các kênh đóng gói) và quản lý nhiệt trên mảng đa kênh.thêm các kênh để phù hợp với nhu cầu mà không cần thiết kế lại lò phản ứng.

2Các loại phản ứng quy trình dòng chảy chính

Các lò phản ứng quy trình dòng chảy công nghiệp được phân loại theo hình học kênh và cấu hình dòng chảy:

• Các lò phản ứng cấu trúc vi mô (Chip và Plate-Fin)Các kênh được chế biến chính xác hoặc khắc (100-1000 micron) trong kim loại, silicon hoặc các tấm gốm (ví dụ: Corning AFR, Fraunhofer IMM).Đạt được U = 5000-25,000 W/m2-K và k_La = 100-10,000 /h (khí lỏng khí). Được sử dụng cho hóa học nguy hiểm (nitration, fluorine, tổng hợp peroxide), xúc tác áp suất cao (50 bar H2),và quang hóa (độ cao kênh = độ sâu xâm nhập tia UV, 100-500 micron). Đếm số lên đến 100-1000 kênh đạt được sản lượng kg/h đến t/h.
• Các lò phản ứng dòng chảy cuộn ốngPTFE tiêu chuẩn hoặc ống thép không gỉ (1-10 mm ID, chiều dài 10-500 m) cuộn trong một bồn tắm nhiệt độ được kiểm soát.chi phí thấp (50-500 USD mỗi lò phản ứng). Độ cong của cuộn dây dẫn đến xoáy Dean thứ cấp (số Dean De = Re x sqrt ((D / 2R) > 20) thu hẹp RTD và tăng cường trộn xoắn.Diazotization (2-5 phút cư trú), 0-25C), kết nối Suzuki (15-30 phút, 80C) và tinh thể hóa (nấm chống dung môi trong dòng chảy).
• Phân tích lò phản ứng luồng xúc tácMột lò phản ứng ống (5-50 mm ID, chiều dài 100-1000 mm) chứa các hạt xúc tác rắn (0,5-3 mm đường kính, 40-60% phần trống).oxy hóa (Au/TiO2), và enzyme biocatalysis (enzyme bất động, 25-37C). giảm áp suất theo phương trình Ergun: delta-P / L = 150 x mu x v x (1-eps) ^ 2 / (eps ^ 3 x D_p ^ 2) + 1.75 x rho x v ^ 2 x (1-eps) / (eps ^ 3 x D_p)Thông thường: chất xúc tác 100 g, dòng chảy 5 mL / phút, thời gian cư trú 20 phút, giảm áp suất 0,5 MPa.

Các loại lò phản ứng quy trình dòng chảy Ma trận so sánh

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q: Lợi thế của hệ số chuyển nhiệt của lò phản ứng vi mô so với lò phản ứng hàng loạt là gì?

A: Các kênh vi phản ứng (100-1000 micron) đạt được hệ số chuyển nhiệt tổng thể (U) 5000-25.000 W/m2-K, so với 300-1600 W/m2-K cho các lò phản ứng hàng loạt.Sự cải thiện 5-20x này xuất phát từ tỷ lệ bề mặt đối với khối lượng cực kỳ cao (10Kết quả thực tế là các phản ứng ngoại nhiệt cao (ví dụ:Nitrat hóa giải phóng 500 kW / L) có thể được tiến hành bằng cách nhiệt trong một lò phản ứng vi mô ở nhiệt độ 25C, trong khi cùng một phản ứng trong một lò phản ứng hàng loạt sẽ yêu cầu công suất làm mát lớn hoặc chạy thoát nhiệt, giới hạn nồng độ phản ứng hàng loạt đến 10-20% của lò phản ứng vi mô.

Hỏi: Đếm số là gì và nó khác với mở rộng quy mô như thế nào?

A: Đặt số lên (tăng quy mô) quy mô sản xuất bằng cách chạy nhiều kênh lò phản ứng giống hệt nhau song song, trong khi tăng quy mô làm tăng kích thước của một lò phản ứng duy nhất.Đặt số giữ lại sự chuyển giao khối lượng giống hệt nhau (k_La), chuyển nhiệt (U) và phân phối thời gian cư trú (RTD) ở quy mô sản xuất, bởi vì mỗi kênh hoạt động trong cùng điều kiện như kênh đơn quy mô phòng thí nghiệm.Điều này loại bỏ sự sụt giảm 50-80% trong tỷ lệ A / V vốn có trong quy mô hàng loạtThách thức là sự đồng nhất phân phối dòng chảy (± 5% yêu cầu thiết kế đa năng tối ưu hóa) và quản lý nhiệt trên mảng đa kênh.Đầu phân phối dòng chảy và lỗ cân bằng áp suất đảm bảo dòng chảy đồng đều.

Q: Dòng chảy phân đoạn (slug) là gì và làm thế nào nó cải thiện hiệu suất lò phản ứng?

A: Trong dòng chảy phân đoạn (còn được gọi là dòng chảy Taylor hoặc dòng chảy slug), bong bóng khí hoặc các phân đoạn chất lỏng không pha trộn được đưa vào một dòng chất lỏng liên tục trong kênh mao mạch,tạo ra các phân đoạn xen kẽ riêng biệtMỗi slug lỏng hoạt động như một lò phản ứng nhỏ với lưu thông bên trong (vòng xoáy ở phía trước và phía sau của mỗi slug) làm tăng trộn quang và thu hẹp RTD (sigma ^ 2 -> 0,hành vi tiếp cận PFR). Dòng chảy phân đoạn khí-nước đạt k_La 100-10.000 /h (so với 1-100 cho lô), trong khi dòng chảy phân đoạn chất lỏng-nước cho phép các phản ứng hai pha (ví dụ:xúc tác chuyển pha) với diện tích giao diện cao hơn 10-100 lần so với lôChiều dài phân đoạn được kiểm soát bởi tỷ lệ dòng chảy và hình học kênh.

Hỏi: Các loại phản ứng nào phù hợp nhất với các lò phản ứng quy trình dòng chảy?

A: Các lò phản ứng dòng chảy có lợi cho: (1) hóa chất nguy hiểm (nitrat, fluor, diazotization, tổng hợp peroxide) khi khối lượng giữ nhỏ (10-500 mL) làm giảm nguy cơ nổ;(2) phản ứng ngoại nhiệt cao đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chính xác (U = 5000-25,000 W/m2-K); (3) quang hóa nơi chiều cao kênh phù hợp với độ sâu xâm nhập tia UV (100-500 micron); (4) phản ứng với các chất trung gian nguy hiểm (diazonium, peroxide,Azide) được tiêu thụ ngay lập tức trong dòng chảy (không tích tụ); (5) hydrogen hóa xúc tác ở áp suất cao (Pd / C, 1-50 bar H2) với khối lượng xúc tác nhỏ; (6) tổng hợp kính thiên văn nhiều bước, trong đó các lò phản ứng dòng chảy liên tục thay thế cách ly các chất trung gian.