Microrreactor o reactor microestructurado o reactor de microcanal

Breve instrucción de la tecnología de microrreactores

La tecnología de microrreactores es una nueva tecnología principalmente a través de la intensificación de procesos para lograr la síntesis química verde, especialmente para la preparación de productos químicos finos como productos químicos, pesticidas, medicamentos, micromateriales y nanomateriales. La tecnología de microrreactores es una tecnología microquímica que surgió en la década de 1990. No es una simple reducción del reactor existente, sino uno de los nuevos sistemas integrales que integra varios elementos, como tecnología de materiales, tecnología de microfabricación, tecnología de sensores y tecnología de control. El microrreactor es un nuevo tipo de reactor de tubería de flujo continuo miniaturizado con canales estructurales a escala micrométrica como núcleo para realizar reacciones, mezclas, separaciones y otras funciones. El "micro" de un reactor de microcanal no se refiere al tamaño pequeño del dispositivo de microrreactor o al rendimiento de producto pequeño, sino que significa que los canales fluídicos están en la escala de micrómetros o milímetros. El proceso de microrreacción se refiere al proceso del sistema de reacción construido por estos dispositivos. El sistema de microrreacción también se denomina sistema microquímico, que es un microsistema para el proceso químico. El diseño y desarrollo del sistema microquímico se basa en la idea de miniaturizar el equipo químico sin reducir la capacidad de procesamiento del equipo, fortaleciendo la velocidad y controlabilidad de los procesos de flujo, mezcla y transferencia en el sistema, el tiempo de finalización de la reacción y la separación se acortan, reducen el estancamiento de materiales en el proceso, reducen la formación de subproductos, para realizar el proceso químico verde, seguro y eficiente. La tecnología de microrreactores se ha convertido en una de las direcciones de desarrollo más importantes en el campo de la intensificación de procesos químicos ampliamente utilizada en los campos de la medicina, pesticidas, productos químicos finos y síntesis intermedia.

Un microrreactor o reactor microestructurado o reactor de microcanal es un dispositivo en el que tienen lugar reacciones químicas en un confinamiento con dimensiones laterales típicas inferiores a 1 mm; la forma más típica de dicho confinamiento son los microcanales. Los microrreactores se estudian en el campo de la ingeniería de microprocesos, junto con otros dispositivos (como los microintercambiadores de calor) en los que se producen procesos físicos. Los microrreactores involucran estructuras microfabricadas para permitir que la química de flujo se realice a escala micrométrica. El microrreactor suele ser un reactor de flujo continuo (en contraste con/a un reactor discontinuo). Los microrreactores ofrecen muchas ventajas sobre los reactores a escala convencionales, incluidas grandes mejoras en la eficiencia energética, la velocidad y el rendimiento de la reacción, la seguridad, la confiabilidad, la escalabilidad, la producción in situ/bajo demanda y un grado mucho más preciso de control del proceso.

Características Técnicas del Microrreactor

• Gran área de superficie específica y buena transferencia de calor------Debido a la microestructura dentro del microrreactor, su área de superficie específica es muy grande, que puede ser cientos o incluso miles de veces el área de superficie específica del recipiente de agitación. Por lo tanto , tiene buena capacidad de transferencia de calor y masa. El coeficiente de intercambio de calor suele ser de al menos 25kW m − 2K − 1, lo que puede lograr una mezcla uniforme instantánea y una transferencia de calor eficiente de los materiales.
• Alta eficiencia de transferencia de masa y rápida velocidad de reacción-------El reactor de microcanales puede contener muchos microcanales, y los fluidos gaseosos y líquidos en los microcanales pueden pasar un flujo con 10-4 a 10-6m/s, El El proceso de reacción de mezcla de fluidos puede realizar la reacción de mezcla instantánea y uniforme de los materiales, y hacer que la reacción de las reacciones químicas ordinarias El tiempo se reduce de horas, decenas de horas a segundos, minutos y se logra un alto rendimiento.
• Control preciso de la temperatura y el tiempo de reacción para mejorar el rendimiento-------Las excelentes características de transferencia de calor del microrreactor permiten que la temperatura de reacción se controle con precisión dentro de un cierto rango, lo cual es de gran importancia para algunas reacciones que involucran productos intermedios y térmicamente inestables. productos de química fina. Los reactivos fluyen continuamente en el reactor de microcanales. El tiempo de residencia de las materias primas en las condiciones de reacción se puede controlar con precisión. Una vez que se alcanza el tiempo de reacción óptimo, se pasa inmediatamente al siguiente paso o se termina la reacción, lo que puede eliminar eficazmente los subproductos generados debido al largo tiempo de reacción y mejorar el rendimiento.
• Menos capacidad de retención de fluidos, más seguro y más respetuoso con el medio ambiente para la producción continua-------Debido a la buena transferencia de calor del microrreactor, la temperatura de reacción no se acumulará en exceso y se controla con precisión dentro de un cierto rango, lo que puede reducir el riesgo potencial de explosión Los microrreactores normalmente funcionan de forma continua, la cantidad de reactivos en el microrreactor es muy pequeña. Esto permite el procesamiento posterior de productos intermedios inestables y evita los típicos retrasos en el procesamiento por lotes. El tiempo de residencia del medio de reacción inestable es muy corto y no decaerá, incluso si el producto intermedio o final de la reacción son sustancias tóxicas y dañinas. También debido a que la cantidad de productos producidos por unidad de tiempo es pequeña y el tiempo de residencia es corto, la nocividad de accidentes de seguridad se reduce considerablemente. Muchas reacciones exotérmicas vigorosas que no se pueden realizar en un proceso por lotes pero se pueden realizar en microrreactores, incluso reacciones clave como la nitrificación se pueden llevar a cabo de manera segura a alta temperatura.
• Aunque un microrreactor puede sintetizar productos químicos solo en pequeñas cantidades, el escalado a volúmenes industriales es simplemente un proceso de multiplicación del número de microrreactores. Por el contrario, los procesos por lotes suelen funcionar bien en el laboratorio, pero fallan a nivel de planta piloto por lotes.
• La tecnología de microrreactores también puede aumentar o disminuir de manera flexible la cantidad de módulos de microrreactores en el sistema de acuerdo con los cambios del mercado, a fin de realizar una producción a tiempo, en el sitio y personalizada.
• La tecnología de microprocesamiento se puede utilizar para integrar micromezcla, microreacción, microintercambio de calor, microseparación, microanálisis y otras operaciones unitarias y combinar microsensores, microválvulas y otros dispositivos en una plataforma o incluso un chip de control para realizar la plataforma o la operación multifuncional basada en chip, para lograr un monitoreo en tiempo real y un control inteligente del sistema de microrreacción, mejorar la velocidad de reacción y ahorrar el costo de reacción al mismo tiempo.

Tipo de reacciones adecuadas para microrreactores

Hasta ahora, el microrreactor multipropósito todavía se limita a la reacción homogénea y, hasta cierto punto, se limita a la reacción en fase gas-líquido y fase líquido-líquido. Según las estadísticas, alrededor del 30 por ciento de las reacciones químicas finas se pueden llevar a cabo en microrreactores para mejorar el rendimiento, la selectividad o la seguridad. Las ventajas del microrreactor se reflejan principalmente en los siguientes tipos de reacciones:

• Reacciones exotérmicas violentas-------Para las reacciones exotérmicas violentas, el proceso de reactor convencional generalmente adopta el método de adición gradual gota a gota o adición por lotes. Aun así, seguirá habiendo sobrecalentamiento local y se producirá una cierta cantidad de subproductos. Debido a las buenas características de transferencia de calor del microrreactor, la temperatura de reacción se puede controlar con precisión, se puede eliminar el sobrecalentamiento local y se puede mejorar significativamente el rendimiento y la selectividad del producto.
• Reacción con reactivos o productos inestables------Algunos reactivos o productos son muy inestables y se descompondrán y reducirán el rendimiento de los productos después de un tiempo de residencia. El sistema de microrreactor es un sistema de flujo continuo y el tiempo de residencia de la reacción se puede controlar con precisión. Por tanto, se puede evitar la descomposición debida a la inestabilidad de los reactivos o productos en el reactor convencional.
• Reacción rápida con requisitos estrictos sobre la proporción de reactivos------Algunas reacciones tienen requisitos estrictos sobre la proporción de reactivos, y un exceso de uno de los reactivos provocará reacciones secundarias, como reacciones que requieren monosustitución, habrá Se forman productos bisustituidos y trisustituidos. El sistema de microrreactores puede lograr una mezcla homogénea instantáneamente, lo que evita el problema del exceso local de cada reactivo y minimiza los subproductos.
• Reacciones químicas peligrosas y reacciones a alta temperatura y alta presión------Algunas reacciones químicas que están fácilmente fuera de control, una vez fuera de control, harán que la temperatura y la presión de la reacción aumenten bruscamente, los reactivos pueden incluso explotar. Debido a que el calor de la reacción se puede exportar rápidamente y el microrreactor es una reacción de flujo continuo, la cantidad de productos químicos en línea es muy pequeña, por lo que la seguridad de la reacción está garantizada en los microrreactores.

Por supuesto, no todas las reacciones son adecuadas para los sistemas de microrreactores, como las reacciones líquido-sólido muy lentas, las reacciones sin fenómenos exotérmicos y endotérmicos y los procesos tradicionales ya tienen reacciones de alta selectividad y rendimiento.

Peligros de aplicación de los microrreactores

• Aunque se han fabricado reactores para el manejo de partículas, los microrreactores generalmente no toleran bien las partículas y, a menudo, se obstruyen. Varios investigadores han identificado la obstrucción como el mayor obstáculo para que los microrreactores[8] sean ampliamente aceptados como una alternativa beneficiosa a los reactores por lotes.
• El bombeo mecánico puede generar un flujo pulsante que puede ser desventajoso. Se ha dedicado mucho trabajo al desarrollo de bombas con baja pulsación. Una solución de flujo continuo es el flujo electroosmótico (EOF).
• La corrosión impone un problema mayor en los microrreactores porque la relación área/volumen es alta. La degradación de unos pocos µm puede pasar desapercibida en recipientes convencionales. Como las dimensiones internas típicas de los canales están en el mismo orden de magnitud, las características pueden alterarse significativamente.
• Aunque el sistema de microrreactores puede ampliarse a volúmenes industriales multiplicando la cantidad de microrreactores y puede reducir el costo, la capacidad de procesamiento del sistema de microrreacción también es muy limitada. Durante la cantidad de microrreactores aumenta considerablemente, la complejidad del sistema de control y monitoreo de microrreacción también aumenta considerablemente, y la inversión y el costo de operación para la producción real también aumentan considerablemente.

Aplicaciones

Preguntas más frecuentes

 

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