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Principios y alcance de aplicación del microcanal
Tiempo de lanzamiento:
2024-05-03
Los microcanales, también conocidos como intercambiadores de calor de microcanales, son intercambiadores de calor con diámetros equivalentes de canal que van desde 10-1000 μm. Estos intercambiadores de calor cuentan con docenas de canales de flujo fino dentro de un tubo plano, conectados a colectores circulares en ambos extremos del tubo plano. Los deflectores se instalan dentro de los colectores para separar los canales del intercambiador de calor en múltiples procesos. En comparación con la producción química tradicional, los microcanales tienen un potencial significativo para el desarrollo y amplias perspectivas de aplicación en la ingeniería química fina. Así que vamos a adentrarnos en microcanales desde diferentes aspectos juntos.
I. Comprender los reactores de microcanales
Introducción a los reactores de microcanales
Esencialmente, un reactor de microcanales es un tipo de reactor tubular de flujo continuo. Incluye mezcladores, intercambiadores de calor, controladores de reactores y otros requisitos de unidades químicas. Actualmente, la estructura general de los reactores de microcanales se puede dividir en dos tipos: uno es una estructura integral, que se manifiesta en forma de intercambiadores de calor a contracorriente o contracorriente, lo que permite operaciones de alto rendimiento en un volumen unitario. En una estructura integral, solo se puede realizar simultáneamente un paso de operación, y estos dispositivos correspondientes se conectan finalmente para formar un sistema complejo. El otro tipo es una estructura en capas, que consiste en una pila de módulos con diferentes funciones, donde una operación se realiza en una capa y otra operación en otra capa. El flujo de fluido en los diversos módulos de capa puede controlarse mediante dispositivos de desviación inteligentes para lograr un rendimiento más alto. Algunos reactores o sistemas de microcanales funcionan típicamente en paralelo para un mayor rendimiento.
II. Principios de reactores de microcanales
Los microrreactores se refieren principalmente a pequeños reactores multicanal con tamaños de canal en el rango submicrométrico y submilimétrico, fabricados utilizando tecnologías de microfabricación y ciencia de superficies. El tamaño del canal de los microrreactores es solo a los niveles submicrométrico y submilimétrico. Los microrreactores tienen propiedades superiores de transferencia de calor y masa en comparación con los equipos químicos tradicionales, lo que los hace particularmente adecuados para experimentos con alta liberación de calor y reacciones rápidas. Comprender los principios de los microrreactores es de interés para muchos.
El concepto de tecnología microquímica se origina en los mecanismos de transferencia de calor a escala convencional. Para flujo laminar dentro de un tubo circular, cuando la temperatura de la pared es constante, el coeficiente de transferencia de calor h es inversamente proporcional al diámetro del tubo d, como se ve en la fórmula (1). De manera similar, para el flujo laminar dentro de un tubo circular, cuando la concentración del componente A en la pared del tubo permanece constante, el coeficiente de transferencia de masa kc es inversamente proporcional al diámetro del tubo (fórmula (2). Dado que el flujo dentro de los microcanales implica principalmente un flujo laminar, que depende principalmente de la difusión molecular para lograr la mezcla fluida, como se muestra en la fórmula (3), el tiempo de mezcla t es proporcional al cuadrado de la escala del canal. La reducción del tamaño característico del canal no solo aumenta significativamente el área de superficie específica, sino que también mejora en gran medida las características de transferencia del proceso.
No = hd/k = 3,66 (1).
Sh = kc/DAB = 3,66 (2)
T = d 2/DAB(3)
Aquí, Nu es el número de Nusselt, Sh es el número de Sherwood y D es el coeficiente de difusión. Las reacciones químicas conducidas en procesos químicos son controladas por la velocidad de transferencia o la cinética de reacción intrínseca o ambas. Para reacciones instantáneas y rápidas, cuando se realizan en equipos de reacción a escala tradicional, se controlan mediante la velocidad de transferencia. En sistemas de reacción a microescala, debido al aumento significativo en la velocidad de transferencia, las velocidades de reacción de tales procesos mejorarán enormemente.
En cuanto a las reacciones lentas, que están controladas principalmente por la cinética de reacción intrínseca, uno de los medios clave para intensificar el proceso es aumentar la velocidad de reacción intrínseca, que generalmente se logra aumentando la temperatura de reacción o cambiando las condiciones de operación del proceso.
En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones industriales de las reacciones de nitración de hidrocarburos pertenecen a la categoría de procesos de reacción medianamente lentos, con tiempos de reacción que varían de decenas de minutos a horas. En los microrreactores, se puede usar nitración adiabática, y cambiar las condiciones del proceso simultáneamente puede acortar el tiempo de reacción a segundos. Por lo tanto, teóricamente, casi todos los procesos de reacción pueden intensificarse.
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