Principi e ambito di applicazione del microcanale

I microcanali, noti anche come scambiatori di calore a microcanali, sono scambiatori di calore con diametri equivalenti dei canali compresi tra 10 e 1000μm.Questi scambiatori di calore sono dotati di dozzine di sottili canali di flusso all'interno di un tubo piatto, collegati a collettori circolari su entrambe le estremità del tubo piatto.All'interno dei collettori sono installati dei deflettori per separare i canali dello scambiatore di calore in più processi.Rispetto alla produzione chimica tradizionale, i microcanali hanno un potenziale significativo di sviluppo e ampie prospettive di applicazione nell’ingegneria chimica fine.Approfondiamo quindi insieme i microcanali sotto diversi aspetti.

I. Comprensione dei reattori a microcanali

Introduzione ai reattori a microcanali

Essenzialmente, un reattore a microcanali è un tipo di reattore tubolare a flusso continuo.Comprende miscelatori, scambiatori di calore, controller di reattori e altri requisiti per le unità chimiche.Attualmente, la struttura complessiva dei reattori a microcanali può essere divisa in due tipi: una è una struttura integrale, che si manifesta sotto forma di scambiatori di calore in controcorrente o controcorrente, consentendo operazioni ad alto rendimento in un volume unitario.In una struttura integrale, solo una fase operativa può essere eseguita simultaneamente e questi dispositivi corrispondenti sono infine collegati per formare un sistema complesso.L'altro tipo è una struttura a strati, costituita da una pila di moduli con funzioni diverse, in cui un'operazione viene eseguita in uno strato e un'altra operazione in un altro strato.Il flusso del fluido nei vari moduli di strato può essere controllato da dispositivi di deviazione intelligenti per ottenere una maggiore produttività.Alcuni reattori o sistemi a microcanali vengono generalmente gestiti in parallelo per una maggiore produttività.

II.Principi dei reattori a microcanali

I microreattori si riferiscono principalmente a piccoli reattori multicanale con dimensioni dei canali nell'intervallo submicronico e submillimetrico, fabbricati utilizzando tecnologie di scienza delle superfici e di microfabbricazione.La dimensione del canale dei microreattori è solo a livelli submicronici e submillimetrici.I microreattori hanno proprietà di trasferimento di calore e massa superiori rispetto alle apparecchiature chimiche tradizionali, il che li rende particolarmente adatti per esperimenti con elevato rilascio di calore e reazioni rapide.Comprendere i principi dei microreattori è interessante per molti.

Il concetto di tecnologia microchimica trae origine da meccanismi di trasferimento del calore su scala convenzionale.Per flusso laminare all'interno di un tubo circolare, quando la temperatura di parete è costante, il coefficiente di scambio termico h è inversamente proporzionale al diametro del tubo d, come si vede dalla formula (1).Allo stesso modo, per il flusso laminare all'interno di un tubo circolare, quando la concentrazione del componente A sulla parete del tubo rimane costante, il coefficiente di trasferimento di massa kc è inversamente proporzionale al diametro del tubo (formula (2)).Poiché il flusso all'interno dei microcanali coinvolge principalmente il flusso laminare, basandosi principalmente sulla diffusione molecolare per ottenere la miscelazione del fluido, come mostrato nella formula (3), il tempo di miscelazione t è proporzionale al quadrato della scala del canale.La riduzione della dimensione caratteristica del canale non solo aumenta significativamente l'area superficiale specifica ma migliora anche notevolmente le caratteristiche di trasferimento del processo.

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

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

t=d2/DAB(3)

Qui Nu è il numero di Nusselt, Sh è il numero di Sherwood e D è il coefficiente di diffusione.Le reazioni chimiche condotte nei processi chimici sono controllate dalla velocità di trasferimento o dalla cinetica di reazione intrinseca o da entrambi.Le reazioni istantanee e rapide, se condotte in apparecchiature di reazione su scala tradizionale, sono controllate dalla velocità di trasferimento.Nei sistemi di reazione su microscala, a causa del significativo aumento della velocità di trasferimento, le velocità di reazione di tali processi saranno notevolmente migliorate.Per quanto riguarda le reazioni lente, che sono controllate principalmente dalla cinetica di reazione intrinseca, uno dei mezzi chiave per intensificare il processo è aumentare la velocità di reazione intrinseca, solitamente ottenuta aumentando la temperatura di reazione o modificando le condizioni operative del processo.Attualmente, la maggior parte delle applicazioni industriali delle reazioni di nitrazione degli idrocarburi appartengono alla categoria dei processi di reazione medio-lenti, con tempi di reazione che vanno da decine di minuti a ore.Nei microreattori è possibile utilizzare la nitrazione adiabatica e la modifica simultanea delle condizioni del processo può ridurre il tempo di reazione a pochi secondi.Pertanto, teoricamente, quasi tutti i processi di reazione possono essere intensificati.