미세 채널, 즉 미세 채널 열교환기는 통로의 등가 직경이 10-1000μm인 열교환기입니다. 이러한 열교환기의 평면관 내부에는 수십 개의 미세한 유로가 있으며, 평면관의 양 끝은 원형 집합관과 연결되어 있습니다.

미세 채널, 즉 미세 채널 열교환기는 통로의 등가 직경이 10-1000μm인 열교환기입니다. 이러한 열교환기는 평면관 내부에 수십 개의 미세 유로가 있으며, 평면관의 양 끝은 원형 집합관과 연결되어 있습니다. 집합관 내부에는 격벽이 설치되어 열교환기의 유로를 여러 개의 흐름으로 분리합니다. 전통적인 화학 공정과 비교할 때, 미세 채널은 정밀 화학 분야에서 큰 개발 잠재력과 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다. 그래서 우리는 몇 가지 측면에서 미세 채널을 알아보도록 하겠습니다.

1. 미세 채널 반응기 이해하기

미세 채널 반응기 소개

미세 채널 반응기는 본질적으로 연속 흐름의 파이프형 반응기입니다. 이 반응기는 화학 공정에 필요한 혼합기, 열교환기, 반응기 제어기 등을 포함합니다. 현재 미세 채널 반응기의 전체 구조는 두 가지로 나눌 수 있습니다: 하나는 전체 구조로, 이 방식은 교차 흐름 또는 역류 열교환기의 형태로 나타나며, 단위 부피 내에서 고유량 작업을 수행할 수 있습니다. 전체 구조에서는 동시에 하나의 작업 단계만 수행할 수 있으며, 이러한 관련 장치들이 연결되어 복잡한 시스템을 구성합니다. 다른 하나는 층상 구조로, 이 시스템은 서로 다른 기능의 모듈이 쌓여 구성되어 있으며, 한 층의 모듈에서 하나의 작업을 수행하고 다른 층의 모듈에서 다른 작업을 수행합니다. 유체는 각 층의 모듈 내에서 스마트 분배 장치에 의해 흐름이 제어됩니다. 더 높은 유량을 위해 일부 미세 채널 반응기 또는 시스템은 일반적으로 병렬 방식으로 작동합니다.

2. 미세 채널 반응기의 원리

미세 반응기는 주로 표면 과학 및 미세 제조 기술을 핵심으로 하여, 미세 가공 및 정밀 기술로 제작된 다채널 미세 구조 소형 반응기를 의미하며, 미세 반응기의 통로 크기는 아미크론 및 아밀리미터 수준에 불과합니다. 이외에도 미세 반응기는 전통적인 화학 장비보다 1-3배 우수한 열전달/물질전달 특성을 가지고 있어, 고열 방출 및 빠른 반응 실험에 특히 적합합니다. 미세 반응기의 원리에 대해 많은 사람들이 알고 싶어 할 것입니다.

미세 화학 기술 사상은 일반적인 규모의 열전달 메커니즘에서 유래합니다. 원형 파이프 내의 층류 흐름에 대해, 파이프 벽의 온도가 일정하게 유지될 때, 공식(1)에서 볼 수 있듯이, 열전달 계수 h는 파이프 직경 d에 반비례합니다. 즉, 파이프 직경이 작을수록 열전달 계수가 커집니다. 원형 파이프 내의 층류 흐름에서 성분 A가 파이프 벽에서의 농도가 일정하게 유지될 때, 물질전달 계수 kc는 파이프 직경에 반비례합니다(공식(2)). 즉, 파이프 직경이 작을수록 물질전달 계수가 커집니다. 미세 채널 내의 흐름은 주로 층류 흐름으로, 분자 확산에 의존하여 유체 간의 혼합을 실현합니다. 공식(3)에서 알 수 있듯이, 혼합 시간 t는 통로 크기의 제곱에 비례합니다. 통로의 특성 크기를 줄이면 비표면적을 크게 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 과정의 전달 특성을 크게 강화할 수 있습니다.

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

여기서 Nu는 누셀 수, Sh는 셰르우드 수, D는 확산 계수입니다. 화학 공정에서 수행되는 화학 반응은 전달 속도 또는 본질 반응 동역학에 의해 제어되거나 두 가지가 함께 제어됩니다. 순간적이고 빠른 반응에 대해, 전통적인 규모의 반응 장치에서 수행할 때는 전달 속도에 의해 제어되며, 미세 규모의 반응 시스템 내에서는 전달 속도가 수량급으로 증가하므로 이러한 반응 과정의 속도가 크게 향상될 것입니다. 예를 들어, 산소 요오드 화학 레이저의 여기 상태 산소 발생기(염소를 사용하는 과산화수소 알칼리 용액 반응), 탄화수소의 직접 플루오르화 등이 있습니다. 느린 반응은 주로 본질 반응 동역학에 의해 제어되며, 그 실현 과정 강화의 핵심 수단 중 하나는 본질 반응 속도를 높이는 방법입니다. 일반적으로 반응 온도를 높이거나 공정 작업 조건을 변경하는 등의 조치를 취할 수 있습니다. 중간 속도 반응은 전달과 반응 속도가 함께 작용하며, 느린 반응 과정과 유사한 조치를 취할 수 있습니다. 현재 산업에서의 탄화수소 질산화 반응은 대부분 중간 느린 반응 과정에 해당하며, 반응 시간은 수십 분에서 수 시간에 이르며, 미세 반응기 내에서는 절연 질산화 및 동시에 공정 조건을 변경하여 반응 시간을 수초로 단축할 수 있습니다. 따라서 이론적으로 분석하면 거의 모든 반응 현상 과정에서 과정 강화를 실현할 수 있습니다.

3. 미세 채널 반응기의 분류 소개

미세 반응기는 기체-고체 촉매 미세 반응기, 액체-액체 미세 반응기, 기체-액체 미세 반응기 및 기체-액체-고체 삼상 촉매 미세 반응기 등으로 나눌 수 있습니다.

1. 기체-고체 촉매 미세 반응기 미세 반응기의 특징으로 인해 기체-고체 촉매 반응에 적합하며, 현재까지 미세 반응기의 연구는 주로 기체-고체 촉매 반응에 집중되어 있습니다. 따라서 기체-고체 촉매 미세 반응기의 종류가 많습니다. 가장 간단한 기체-고체 촉매 미세 반응기는 벽면에 촉매가 고정된 미세 채널입니다. 복잡한 기체-고체 촉매 미세 반응기는 일반적으로 혼합, 열교환, 센싱 및 분리 등 특정 기능 또는 여러 기능을 결합합니다. 널리 사용되는 톨루엔 기체-고체 촉매 산화입니다.

2. 액체-액체 반응기 현재까지 기체-고체 촉매 미세 반응기와 비교할 때, 액체 미세 반응기의 종류는 매우 적습니다. 액체-액체 반응의 주요 영향 요소는 충분한 혼합이므로, 액체-액체 미세 반응기는 미세 혼합기와 결합되거나 본질적으로 미세 혼합기입니다. 액체-액체 반응을 위해 설계된 미세 반응기는 미세 혼합기 등 다른 기능 단위와 결합된 사례가 드뭅니다. 주요 사례로는 BASF가 설계한 비타민 전구체 합성 미세 반응기와 MIT가 설계한 Dushman 화학 반응을 완료하기 위한 미세 반응기가 있습니다.

3. 기체-액체 미세 반응기 한 종류는 기체와 액체가 각각 두 개의 미세 채널에서 모여 하나의 미세 채널로 흐르는 구조로, 전체 구조는 T자 형태입니다. 기체와 액체의 흐름 속도가 변화함에 따라 기포 흐름, 펄스 흐름, 순환 흐름 및 분사 흐름과 같은 전형적인 흐름 패턴이 나타납니다. 이러한 기체-액체 미세 반응기는 미세 기포 타워라고 불립니다. 또 다른 종류는 침전막식 미세 반응기로, 액체가 위에서 아래로 막 형태로 흐르며, 기체와 액체가 막 표면에서 충분히 접촉합니다. 기체-액체 반응의 속도와 전환율 등은 종종 기체와 액체의 접촉 면적에 따라 달라집니다. 이 두 종류의 기체-액체 반응기는 기체와 액체의 접촉 면적이 매우 크며, 내부 표면적이 각각 20000m2/m3에 가깝고, 전통적인 기체-액체 반응기보다 한 수량급 큽니다.

4. 기체-액체-고체 삼상 촉매 미세 반응기 기체-액체-고체 삼상 반응은 화학 반응에서 비교적 흔하며, 종류가 많습니다. 대부분의 경우 고체는 촉매이고, 기체와 액체는 반응물 또는 생성물입니다. 미국 MIT는 기체-액체-고체 삼상 촉매 반응을 위한 미세 충전 침대 반응기를 개발하였으며, 그 구조는 고정 침대 반응기와 유사하고, 반응실(미세 채널) 내에 촉매 고정 입자가 채워져 있으며, 기상과 액상이 여러 흐름으로 나뉘어 반응실에서 혼합되어 촉매 반응을 진행합니다.

네, 미세 채널 반응기의 장점 소개

미세 채널 반응기의 장점은 일반적인 반응 용기(예: 플라스크)와 비교할 때, 그 구조적 특성이 특별한 이점을 결정짓습니다. 주로 다음 몇 가지 측면에서 나타납니다.

(1) 반응 온도의 정밀한 제어,

강한 발열 반응의 경우, 혼합 및 열 교환 효율이 낮으면 국부적인 과열 현상이 발생하기 쉽습니다. 미세 채널 내부는 우수한 열전달 및 물질전달 특성을 가지고 있어 반응 온도가 과도하게 축적되지 않고 일정 범위 내에서 정밀하게 제어됩니다.

(2) 비표면적이 크고, 전달 속도가 높으며, 접촉 시간이 짧고, 부생산물이 적습니다: 미세 반응 채널의 특성 크기가 작아, 미세 채널은 일반적으로 5000~50000mm이며, 단위 체적 면적당 열전달 및 물질전달 능력이 현저히 향상됩니다.

(3) 빠르고 직접적인 확대: 전통적인 확대 과정은 확대 효과가 존재하며, 생산 장비의 크기와 규모를 증가시켜 확대 목적을 달성하는데, 이 과정은 시간과 노력이 많이 소요되며 시장 수요에 즉각적으로 반응할 수 없고 지연성이 있습니다. 반면 미세 반응 시스템은 다채널 구조를 가지고 있어 각 채널은 독립적인 반응기로 간주되며, 생산을 확대할 때 반응기를 크기를 확대할 필요 없이 단순히 그 수를 병렬로 증가시키면 됩니다. 이른바 '수 증가 확대'입니다.

(4) 안전성이 높습니다: 많은 열량을 신속하게 제거할 수 있어 반응 온도가 설정된 범위 내에서 유지되며, 사고 발생 가능성을 크게 줄입니다.

(5) 조작성이 좋습니다: 미세 반응 시스템은 모듈 구조의 병렬 시스템으로, 휴대성이 뛰어난 특징을 가지고 있어 제품 사용 장소에서 분산 구축 및 현지 생산, 공급이 가능하며, 화학 공장을 휴대화하는 것을 실현하고, 시장 상황에 따라 채널 수를 조정하고 모듈을 교체하여 생산을 조절할 수 있어 매우 높은 조작 유연성을 가지고 있습니다.

그 많은 장점 덕분에 미세 채널 반응기 기술은 화학 산업에서 성공적으로 응용되어 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

다섯, 미세 채널 반응기의 적용 범위

우리는 미세 반응기가 많은 장점을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어, 우수한 물질전달 및 열전달 능력으로 사고 발생 가능성을 크게 줄이고, 빠르고 직접적인 확대 능력으로 비용과 시간을 절약하는 등입니다. 물론 그에 대한 일정한 한계도 존재하며, 이러한 이유로 많은 실험이 미세 반응기를 사용하여 수행할 수 없습니다. 따라서 화학 기업에게 미세 채널 반응기의 적용 범위를 이해하는 것은 매우 필요합니다.

우선 엄밀히 말하면, 현재 어떤 반응이 미세 채널 반응기에 적합한지 정의하기는 매우 어렵습니다. 각 반응의 특성이 다르며, 미세 채널 반응기 장치의 종류도 매우 다양합니다. 그러나 일반적으로 현재의 합성 반응 중 20-30%는 미세 채널 반응기를 통해 기술 개조가 가능하다고 여겨집니다. 또한 미세 채널 반응기를 이용하면 과거에 위험하다고 여겨졌던 공정 흐름의 약 20%-30%를 실현할 수 있습니다. 즉, 현재로서는 약 30-50%의 화학 공정이 미세 채널 반응기를 통해 기술 개조가 가능하다고 볼 수 있습니다.

구조적 특성 측면에서 현재 미세 채널 반응기는 다음과 같은 몇 가지 유형의 반응에 사용할 수 있습니다.

1. 반응 자체 속도가 매우 빠르지만 전달 과정에 의해 전체 반응 속도가 낮은 반응. 이 유형의 반응은 주로 액체-액체 다상 반응이며, 액체-액체 추출과 같은 물리적 과정도 포함됩니다. 이러한 과정의 특징은 반응 자체 속도가 빠르지만, 기질이 액상 간에 확산되어 전체 반응 속도가 낮아진다는 것입니다. 전통적인 반응기 내부에서는 일반적으로 교반기를 사용하여 반응을 수행하는데, 효율이 낮아 두 액상 간의 혼합을 충분히 실현할 수 없어 반응 효율이 낮습니다. 그러나 미세 채널 반응기 내에서는 채널 크기가 작아져 확산 규모가 줄어들어 이러한 반응이 빠르게 진행될 수 있습니다.

2. 반응 자체 속도가 빠르지만 반응이 격렬하고 강한 발열이 있으며, 생성물이 쉽게 파괴되는 반응. 이 유형의 반응에는 질산화, 중아민화 및 일부 가수분해와 알킬화 반응이 포함됩니다. 질산화 및 중아민화 반응은 본질적으로 매우 빠르고 격렬하지만, 실제 공장 운영 시 반응 시간은 종종 시간 단위로 측정됩니다. 이는 반응기에서의 열전달 능력이 제한적이기 때문이며, 시스템 내 온도가 너무 높아지는 것을 방지하기 위해 시약을 조금씩 추가해야 합니다. 반응 속도는 완전히 열전달 능력에 의해 결정된다고 할 수 있습니다. 열전달 능력이 강한 미세 채널 반응기를 사용하면 시약을 신속하게 투입하고 반응을 안정적으로 유지할 수 있습니다. 이 유형의 반응은 산업화 가능성이 있으며 우선 고려해야 할 과정입니다.

3. 반응기 내부 유동형을 엄격히 제어해야 하는 반응.

이 반응은 주로 나노 입자의 합성과 같은 것으로, 이 과정은 이전에 소개된 바와 같이 미세 채널 내부의 유동 규칙성을 이용하여 입자 분포가 좁은 재료를 제조하고 제품의 부가 가치를 높이는 것입니다. 이러한 반응은 일반적으로 제품 생산량이 낮고 부가 가치가 크며, 때로는 몇 개의 실험 장치가 결합되어 생산 장치가 될 수 있으며, 응용 전망도 넓습니다.

4. 일부 기체-액체 반응은 원리적으로 미세 채널 반응기를 사용할 수 있지만, 현재 좋은 기체-액체 반응기 구조는 나타나지 않았습니다. 특히 수소화 반응은 여러 종류가 있으며, 일부 수소화 반응은 반응 속도가 높지만 수소가 액상으로 확산되는 제한으로 인해 전체 반응 속도가 낮아집니다. 이러한 상황에서 미세 채널 반응기의 혼합 특성을 이용하여 반응을 수행할 수 있으며, 이는 첫 번째 유형의 반응과 유사하지만 여기서는 기체-액체 물질전달 과정을 강화합니다. 그러나 기체-액체 과정은 유체 분배 및 제어 측면에서 특수성이 있어 적합한 기체-액체 미세 채널 반응기는 아직 존재하지 않습니다. 따라서 이 분야의 실험 연구는 매우 활발하며, 산업 응용에서는 생산량이 적은 경우 실험 장치를 직접 사용할 수 있는 경우가 아니면 실행 가능성이 없습니다.

5. 입자 크기가 미세 채널 특성 크기의 10% 이상이고, 고형분 함량이 5%를 초과하는 고형물이 포함된 반응은 미세 채널 반응기를 사용하지 않습니다.

여섯, 미세 채널 반응기 시스템 기술 요구 사항

1. ★ 전체 요구 사항: 합성 반응 시스템은 상호 독립적인 반응물 채널을 포함하며, 독립적인 반응물 채널은 6개 이상이어야 합니다.

2. ★ 반응기 지지대는 반응 모듈의 수(최소 4개)를 유연하게 구성할 수 있으며, 8개 이상의 투입 및 수집 인터페이스와 4개의 열 교환 유체 인터페이스를 포함해야 합니다.

3. ★ 반응기는 두 개의 온도 조절 순환기와 밀폐된 단열판으로 구분되어 두 개의 온도 구역을 실현할 수 있으며, 각 온도 구역의 제어 영역은 유연하게 설정할 수 있습니다.

4. ★ 반응 모듈은 3층 구조로, 상층은 바닥판, 중간층은 혼합 또는 반응 채널, 하층은 열 교환 채널입니다. 모듈은 모두 실리콘 카바이드 재질로 제작되며, 성형 공정은 확산 용접 기술을 사용하여 전체 성형되어 기밀성과 고압 성능을 보장합니다. 금속 용출성 오염을 피하기 위해 모듈 중간에 금속 연결 부품을 설치해서는 안 됩니다.

5、★반응기는 여러 세트의 탄화규소 모듈을 포함하며, 혼합 모듈 및 반응 모듈을 포함하여 A+B→P 또는 A+B→P’+C→P를 실행할 수 있습니다. 혼합 모듈은 반응 중지 또는 냉각을 위한 소멸 모듈로도 사용할 수 있습니다.

6、★반응 통로 구조 설계는 물질의 체류 시간을 일관되게 보장하면서 물질 전달을 강화하고 재혼합을 줄일 수 있습니다. 내부 구조도를 제공해야 합니다.

7、열전도율: ≥100W/mK (온도 200℃ 범위 내).

8、내식성: 반응기의 접촉 액체 재질은 반응기 작동 온도에서 황산, 불산, 브롬화 수소, 강염기 등의 물질을 견딜 수 있어야 합니다.

9、연간 손실률: ≤0.1mm/년 (120℃ 1:1 HF/HNO3 조건에서 테스트).

10、공정 측 작업 온도 범위: -20-150℃, 열교환 측 온도 범위: -20-150℃.

11、공정 측 압력 범위: 0-25bar, 테스트 압력 75bar, 압력 검출 증명서 제공; 열교환 측 압력 범위 0-5bar.

12、유량: 0.2-20mL/min.

13、★반응기 내 체적: 0.95-13.5ml, 단판의 최소 보유 액체량은 1ml를 초과하지 않으며, 단판의 최대 보유 액체량은 4.8ml를 초과하지 않아야 합니다.

14、★반응 통로 크기는 1.4×1.4mm를 초과하지 않으며, 예열 통로 크기는 1×1mm를 초과하지 않아야 합니다.

15、체류 시간: 2.7초-60분.

16、반응기 부속품 요구 사항: 입출력 배관 및 배압 시스템은 모두 내식성 및 내압 재질로 제작되어 기체-액체 반응 및 액체-액체 반응이 진행될 수 있도록 보장해야 합니다.