Kênh vi, còn được gọi là bộ trao đổi nhiệt kênh vi, là bộ trao đổi nhiệt có đường kính tương đương của kênh từ 10-1000μm. Bộ trao đổi nhiệt này có các ống phẳng với hàng chục kênh nhỏ bên trong, kết nối với các ống thu hình tròn ở hai đầu. Trong ống thu có các vách ngăn, chia kênh trao đổi nhiệt thành nhiều quy trình. So với sản xuất hóa chất truyền thống, kênh vi có tiềm năng phát triển lớn và triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hóa học tinh vi. Vậy hãy cùng nhau tìm hiểu về kênh vi từ một vài khía cạnh nhé.

Một, tìm hiểu về phản ứng kênh vi

Giới thiệu về phản ứng kênh vi

Phản ứng kênh vi về bản chất là một loại phản ứng liên tục trong ống. Nó bao gồm các thiết bị cần thiết cho đơn vị hóa học như máy trộn, bộ trao đổi nhiệt, bộ điều khiển phản ứng, v.v. Hiện tại, cấu trúc tổng thể của phản ứng kênh vi có thể chia thành hai loại: một là cấu trúc toàn bộ, loại này thể hiện dưới dạng bộ trao đổi nhiệt chéo hoặc ngược dòng, có thể thực hiện các thao tác lưu lượng cao trong một đơn vị thể tích. Trong cấu trúc toàn bộ chỉ có thể thực hiện một bước thao tác cùng một lúc, và các thiết bị tương ứng được kết nối với nhau tạo thành một hệ thống phức tạp. Loại thứ hai là cấu trúc lớp, hệ thống này được tạo thành từ một chồng các mô-đun chức năng khác nhau, trong một lớp mô-đun thực hiện một thao tác, trong lớp mô-đun khác thực hiện thao tác khác. Dòng chảy trong các lớp mô-đun có thể được điều khiển bởi thiết bị phân luồng thông minh, đối với lưu lượng cao hơn, một số phản ứng kênh vi hoặc hệ thống thường hoạt động theo cách song song.

Hai, nguyên lý của phản ứng kênh vi

Phản ứng vi chủ yếu đề cập đến một loại phản ứng nhỏ với cấu trúc đa kênh được sản xuất thông qua công nghệ vi chế tạo và công nghệ chính xác, với kích thước kênh chỉ ở cấp độ vi mô và cấp độ milimét. Ngoài ra, do phản ứng vi có đặc tính truyền nhiệt/truyền chất tốt hơn từ 1-3 bậc so với thiết bị hóa học truyền thống, nên nó đặc biệt phù hợp cho các thí nghiệm phản ứng tỏa nhiệt cao và nhanh chóng. Nguyên lý của phản ứng vi chắc chắn là điều mà nhiều người muốn tìm hiểu.

Ý tưởng công nghệ vi hóa học xuất phát từ cơ chế truyền nhiệt ở quy mô thông thường. Đối với dòng chảy tầng trong ống tròn, khi nhiệt độ của thành ống được duy trì ổn định, từ công thức (1) có thể thấy rằng hệ số truyền nhiệt h tỉ lệ nghịch với đường kính ống d, tức là đường kính càng nhỏ, hệ số truyền nhiệt càng lớn; đối với dòng chảy tầng trong ống tròn, khi nồng độ của thành phần A tại thành ống được duy trì ổn định, hệ số truyền chất kc tỉ lệ nghịch với đường kính ống (công thức (2)), tức là đường kính càng nhỏ, hệ số truyền chất càng lớn. Do dòng chảy trong kênh vi chủ yếu là dòng chảy tầng, chủ yếu dựa vào khuếch tán phân tử để thực hiện sự trộn lẫn giữa các chất lỏng, từ công thức (3) có thể thấy rằng thời gian trộn t tỉ lệ thuận với bình phương kích thước kênh. Kích thước đặc trưng của kênh giảm không chỉ có thể tăng đáng kể diện tích bề mặt riêng mà còn có thể tăng cường đáng kể đặc tính truyền tải của quá trình.

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

Trong đó Nu là số Nusselt, Sh là số Sherwood, D là hệ số khuếch tán. Các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình hóa học bị kiểm soát bởi tốc độ truyền tải hoặc động lực học phản ứng nội tại hoặc cả hai cùng kiểm soát. Đối với phản ứng tức thời và nhanh chóng, khi thực hiện trong thiết bị phản ứng quy mô truyền thống, bị kiểm soát bởi tốc độ truyền tải, trong khi trong hệ thống phản ứng quy mô vi, tốc độ truyền tải tăng lên nhiều bậc, do đó tốc độ của quá trình phản ứng này sẽ tăng đáng kể; như trong máy phát oxy trạng thái kích thích trong laser hóa học iod (phản ứng dung dịch nước oxy già với khí clo), và fluor hóa trực tiếp hydrocarbon. Phản ứng chậm chủ yếu bị kiểm soát bởi động lực học phản ứng nội tại, một trong những phương pháp chính để tăng cường quá trình này là làm thế nào để tăng tốc độ phản ứng nội tại, thường có thể sử dụng các biện pháp như tăng nhiệt độ phản ứng, thay đổi điều kiện vận hành quy trình, v.v.; trong khi phản ứng tốc độ trung bình thì bị ảnh hưởng bởi cả tốc độ truyền tải và tốc độ phản ứng, cũng có thể áp dụng các biện pháp tương tự như quá trình phản ứng chậm. Hiện tại, hầu hết các phản ứng nitrat hóa hydrocarbon trong ứng dụng công nghiệp thuộc về quá trình phản ứng tốc độ trung bình chậm, thời gian phản ứng từ vài chục phút đến vài giờ, trong phản ứng vi có thể áp dụng nitrat hóa cách nhiệt và đồng thời thay đổi điều kiện quy trình để giảm thời gian phản ứng xuống còn vài giây. Do đó, từ phân tích lý thuyết, gần như tất cả các quá trình phản ứng hiện tại đều có thể thực hiện tăng cường quá trình.

Ba, giới thiệu phân loại phản ứng kênh vi

Phản ứng vi cũng có thể được chia thành phản ứng xúc tác pha khí rắn, phản ứng pha lỏng lỏng, phản ứng pha khí lỏng và phản ứng xúc tác ba pha khí lỏng rắn.

1. Phản ứng xúc tác pha khí rắn do đặc điểm của phản ứng vi phù hợp với phản ứng xúc tác pha khí rắn, cho đến nay nghiên cứu về phản ứng vi chủ yếu tập trung vào phản ứng xúc tác pha khí rắn, do đó có nhiều loại phản ứng xúc tác pha khí rắn. Phản ứng xúc tác pha khí rắn đơn giản nhất có thể là kênh vi có chất xúc tác cố định trên bề mặt. Phản ứng xúc tác pha khí rắn phức tạp thường kết hợp một hoặc nhiều chức năng như trộn, trao đổi nhiệt, cảm biến và tách biệt. Ứng dụng rộng rãi nhất là oxy hóa xúc tác khí-toluen.

2. Phản ứng pha lỏng lỏng cho đến nay, so với phản ứng xúc tác pha khí rắn, số lượng phản ứng pha lỏng lỏng rất ít. Một yếu tố ảnh hưởng chính đến phản ứng pha lỏng lỏng là sự trộn lẫn đầy đủ, do đó phản ứng pha lỏng lỏng thường được kết hợp với máy trộn vi, hoặc chính nó là một máy trộn vi. Các trường hợp phản ứng vi được thiết kế đặc biệt cho phản ứng pha lỏng lỏng kết hợp với máy trộn vi và các đơn vị chức năng khác rất hiếm. Chủ yếu có phản ứng vi tổng hợp tiền chất vitamin do BASF thiết kế và phản ứng vi hoàn thành phản ứng hóa học Dushman do MIT thiết kế.

3. Phản ứng kênh vi pha khí lỏng một loại là khí và lỏng lần lượt chảy vào một kênh vi từ hai kênh vi khác, toàn bộ cấu trúc có hình chữ T. Do trong hai pha khí lỏng, trạng thái dòng chảy của chất lỏng tương tự như tháp bọt, với sự thay đổi tốc độ dòng chảy của khí và lỏng xuất hiện các kiểu dòng chảy điển hình như dòng bọt, dòng sóng, dòng vòng và dòng phun, loại phản ứng kênh vi pha khí lỏng này được gọi là tháp bọt vi. Một loại khác là phản ứng kênh vi màng lắng, trong đó pha lỏng chảy theo dạng màng từ trên xuống, hai pha khí lỏng tiếp xúc đầy đủ trên bề mặt màng. Tốc độ và tỷ lệ chuyển hóa của phản ứng khí lỏng thường phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa hai pha khí lỏng. Hai loại phản ứng kênh vi pha khí lỏng này đều có diện tích tiếp xúc giữa khí và lỏng rất lớn, diện tích bề mặt bên trong gần 20000m2/m3, lớn hơn một bậc so với phản ứng kênh vi pha khí lỏng truyền thống.

4. Phản ứng xúc tác ba pha khí lỏng rắn phản ứng ba pha khí lỏng rắn cũng khá phổ biến trong phản ứng hóa học, có nhiều loại, trong hầu hết các trường hợp, chất rắn là chất xúc tác, khí và lỏng là chất phản ứng hoặc sản phẩm, MIT đã phát triển một loại phản ứng lấp đầy vi cho phản ứng xúc tác ba pha khí lỏng rắn, cấu trúc của nó tương tự như phản ứng lấp đầy cố định, trong buồng phản ứng (kênh vi) được lấp đầy bằng các hạt xúc tác cố định, pha khí và pha lỏng được chia thành nhiều dòng, sau đó được dẫn vào buồng phản ứng để trộn và thực hiện phản ứng xúc tác.

Bốn, Giới thiệu về ưu điểm của phản ứng vi kênh

Ưu điểm của phản ứng vi kênh so với các bình phản ứng thông thường (như bình thủy tinh) là cấu trúc đặc trưng của nó quyết định những lợi thế đặc biệt, chủ yếu thể hiện ở một số khía cạnh sau:

(1) Kiểm soát nhiệt độ phản ứng chính xác,

Đối với phản ứng tỏa nhiệt mạnh, nếu hiệu suất trộn và trao đổi nhiệt không cao, dễ xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ. Bên trong vi kênh có đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất tốt, giúp nhiệt độ phản ứng không bị tích tụ quá mức và được kiểm soát chính xác trong một phạm vi nhất định.

(2) Diện tích bề mặt lớn, tốc độ truyền cao, thời gian tiếp xúc ngắn, ít sản phẩm phụ: Kích thước đặc trưng của vi kênh nhỏ, vi kênh có kích thước từ 5000 đến 50000 mm, khả năng truyền nhiệt và truyền chất trên một đơn vị thể tích được tăng cường đáng kể.

(3) Mở rộng nhanh chóng và trực tiếp: Quá trình mở rộng truyền thống gặp phải hiệu ứng mở rộng, đạt được mục tiêu mở rộng bằng cách tăng kích thước và quy mô thiết bị sản xuất, quá trình này tốn thời gian và công sức, không thể phản ứng ngay lập tức theo nhu cầu thị trường, có tính chậm trễ. Hệ thống phản ứng vi có cấu trúc đa kênh, mỗi kênh tương đương với một bình phản ứng độc lập, khi mở rộng sản xuất không cần phải mở rộng quy mô của bình phản ứng, chỉ cần tăng số lượng song song, được gọi là "mở rộng số lượng".

(4) Độ an toàn cao: Nhiều nhiệt lượng cũng có thể được loại bỏ kịp thời, do đó đảm bảo nhiệt độ phản ứng duy trì trong phạm vi đã định, giảm thiểu khả năng xảy ra tai nạn.

(5) Tính khả thi tốt: Hệ thống phản ứng vi có cấu trúc mô-đun và là hệ thống song song, có đặc điểm di động tốt, có thể thực hiện xây dựng phân tán tại nơi sử dụng sản phẩm và sản xuất, cung cấp tại chỗ, thực sự hiện thực hóa việc di động hóa nhà máy hóa chất, và có thể điều chỉnh sản xuất bằng cách tăng hoặc giảm số lượng kênh và thay đổi mô-đun theo tình hình thị trường, có tính linh hoạt cao trong vận hành.

Với nhiều ưu điểm của nó, công nghệ phản ứng vi kênh đã thu hút sự chú ý ngày càng rộng rãi trong ngành công nghiệp hóa chất.

Năm, Phạm vi áp dụng của phản ứng vi kênh

Chúng ta đều biết rằng phản ứng vi có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như khả năng truyền nhiệt và truyền chất xuất sắc, giảm thiểu khả năng xảy ra tai nạn; khả năng mở rộng nhanh chóng và trực tiếp, tiết kiệm chi phí và thời gian, v.v. Tất nhiên, nó cũng có một số hạn chế nhất định, và chính vì lý do này mà nhiều thí nghiệm không thể sử dụng phản ứng vi để thực hiện. Do đó, đối với các doanh nghiệp hóa chất, việc hiểu rõ phạm vi áp dụng của phản ứng vi kênh là rất cần thiết.

Trước tiên, nói một cách nghiêm túc, hiện tại rất khó để xác định phản ứng nào phù hợp với phản ứng vi kênh, vì mỗi phản ứng có đặc tính khác nhau, đồng thời có rất nhiều loại thiết bị phản ứng vi kênh. Nhưng nói chung, hiện có khoảng 20-30% phản ứng tổng hợp có thể được cải tiến kỹ thuật bằng phản ứng vi kênh. Đồng thời, bằng cách sử dụng phản ứng vi kênh, chúng ta có thể thực hiện khoảng 20%-30% quy trình mà trước đây được coi là nguy hiểm. Nói cách khác, hiện tại có gần 30-50% quy trình hóa chất có thể được cải tiến kỹ thuật bằng phản ứng vi kênh.

Về đặc điểm cấu trúc, hiện tại phản ứng vi kênh có thể được sử dụng cho các loại phản ứng sau.

1. Phản ứng có tốc độ rất nhanh nhưng bị hạn chế bởi quá trình truyền, tốc độ phản ứng tổng thể thấp. Loại phản ứng này chủ yếu là phản ứng đa pha lỏng-lỏng, cũng bao gồm các quá trình vật lý như chiết xuất lỏng-lỏng. Đặc điểm của quá trình này là: tốc độ phản ứng rất nhanh, nhưng do chất nền phải khuếch tán giữa các pha lỏng dẫn đến tốc độ phản ứng tổng thể thấp. Trong bình phản ứng truyền thống, thường sử dụng máy khuấy để thực hiện phản ứng, hiệu suất thấp, không thể thực hiện trộn giữa hai pha lỏng một cách đầy đủ, do đó hiệu suất phản ứng thấp. Trong phản ứng vi kênh, do kích thước kênh nhỏ dẫn đến quy mô khuếch tán giảm, cho phép loại phản ứng này diễn ra nhanh chóng.

2. Phản ứng có tốc độ nhanh nhưng phản ứng mạnh, tỏa nhiệt mạnh, sản phẩm dễ bị phá hủy. Loại phản ứng này chủ yếu bao gồm nitrat hóa, diazot hóa và một số phản ứng thủy phân và alkyl hóa. Phản ứng nitrat hóa và diazot hóa rất nhanh và mạnh, nhưng trong thực tế, thời gian phản ứng thường được tính bằng giờ. Điều này là do khả năng truyền nhiệt của bình phản ứng có hạn, để ngăn ngừa nhiệt độ trong hệ thống quá cao không thể kiểm soát, cần phải thêm thuốc thử từng chút một. Có thể nói tốc độ phản ứng hoàn toàn được xác định bởi khả năng truyền nhiệt. Nếu sử dụng phản ứng vi kênh có khả năng truyền nhiệt mạnh, có thể nhanh chóng đưa thuốc thử vào và duy trì phản ứng ổn định. Có thể nói loại phản ứng này có triển vọng công nghiệp và nên được ưu tiên xem xét.

3. Phản ứng cần kiểm soát nghiêm ngặt kiểu dòng bên trong bình phản ứng.

Loại phản ứng này chủ yếu là tổng hợp hạt nano, quá trình này đã được giới thiệu trước đó, chủ yếu sử dụng quy luật dòng bên trong vi kênh để chế tạo vật liệu có phân bố hạt hẹp, nâng cao giá trị gia tăng của sản phẩm. Loại phản ứng này thường có sản lượng sản phẩm thấp, giá trị gia tăng rất lớn, đôi khi chỉ cần kết hợp một vài thiết bị thí nghiệm có thể trở thành thiết bị sản xuất, triển vọng ứng dụng cũng khá rộng.

4. Một số phản ứng khí-lỏng có thể sử dụng phản ứng vi kênh từ cơ chế, nhưng hiện tại chưa xuất hiện cấu trúc phản ứng khí-lỏng tốt, rõ ràng là hydro hóa. Hydro hóa có nhiều loại, một số phản ứng hydro hóa có tốc độ phản ứng cao, nhưng bị hạn chế bởi sự khuếch tán của khí hydro vào pha lỏng, dẫn đến tốc độ phản ứng tổng thể thấp. Trong tình huống này, có thể sử dụng đặc tính trộn của phản ứng vi kênh để thực hiện phản ứng, tương tự như loại phản ứng thứ nhất, nhưng ở đây tăng cường quá trình truyền chất khí-lỏng. Tuy nhiên, quá trình khí-lỏng có tính đặc thù của nó, chủ yếu là trong phân phối và kiểm soát chất lỏng, điều này dẫn đến phản ứng vi kênh khí-lỏng thích hợp để mở rộng vẫn chưa tồn tại. Do đó, nghiên cứu thí nghiệm trong lĩnh vực này rất sôi động, ứng dụng công nghiệp trừ khi sản lượng nhỏ có thể trực tiếp sử dụng thiết bị thí nghiệm, nếu không sẽ không khả thi.

5. Các hạt có kích thước đạt 10% kích thước đặc trưng của vi kênh trở lên, hàm lượng rắn vượt quá 5% không sử dụng phản ứng vi kênh.

Sáu, Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống phản ứng vi kênh

1. ★ Yêu cầu tổng thể: Hệ thống phản ứng tổng hợp bao gồm các kênh phản ứng độc lập có thể tương tác với nhau, số lượng kênh phản ứng độc lập không nhỏ hơn 6.

2. ★ Giá đỡ bình phản ứng có thể linh hoạt cấu hình số lượng mô-đun phản ứng (không ít hơn 4), bao gồm không ít hơn 8 giao diện nạp liệu và thu thập, 4 giao diện chất lỏng trao đổi nhiệt.

3. ★ Bình phản ứng có thể được phân cách thành hai vùng nhiệt bằng hai bộ điều hòa nhiệt độ và tấm cách nhiệt kín, mỗi vùng nhiệt có thể linh hoạt thiết lập khu vực kiểm soát riêng.

4. ★ Mô-đun phản ứng có cấu trúc ba lớp, lớp trên cùng là đáy, lớp giữa là kênh trộn hoặc phản ứng, lớp dưới cùng là kênh trao đổi nhiệt. Các mô-đun đều được làm bằng vật liệu silicon carbide, quy trình hình thành sử dụng công nghệ hàn khuếch tán, hình thành toàn bộ, đảm bảo tính kín khí và khả năng chịu áp lực cao, để tránh ô nhiễm do kim loại hòa tan, không được lắp đặt các bộ phận kết nối kim loại trong mô-đun.

5、★Phản ứng chứa nhiều nhóm mô-đun silicon carbide, bao gồm mô-đun trộn và mô-đun phản ứng, có thể thực hiện A+B→P hoặc A+B→P’+C→P, mô-đun trộn cũng có thể được sử dụng như mô-đun dập tắt, dùng để dừng phản ứng hoặc làm mát.

6、★Thiết kế cấu trúc kênh phản ứng có thể tăng cường truyền chất trong khi giảm sự trộn lẫn, đảm bảo thời gian lưu giữ vật liệu trong phản ứng là nhất quán, yêu cầu cung cấp sơ đồ cấu trúc bên trong.

7、Hệ số dẫn nhiệt: ≥100W/mK (trong khoảng nhiệt độ 200℃).

8、Khả năng chống ăn mòn: Vật liệu tiếp xúc của phản ứng có thể chịu được axit sulfuric, axit hydrofluoric, axit hydrobromic, kiềm mạnh và các chất khác ở nhiệt độ hoạt động của phản ứng.

9、Tỷ lệ tổn thất hàng năm: ≤0.1mm/năm (thử nghiệm trong điều kiện 120℃ 1:1 HF/HNO3).

10、Phạm vi nhiệt độ làm việc của quy trình: -20-150℃, phạm vi nhiệt độ đo nhiệt độ trao đổi: -20-150℃.

11、Phạm vi áp suất của quy trình: 0-25bar, áp suất thử nghiệm 75bar, cung cấp chứng chỉ kiểm tra áp suất; phạm vi áp suất của bên trao đổi 0-5bar.

12、Lưu lượng: 0.2-20mL/phút.

13、★Thể tích bên trong của phản ứng: 0.95-13.5ml, lượng chất lỏng tối thiểu của một tấm không lớn hơn 1ml, lượng chất lỏng tối đa của một tấm không lớn hơn 4.8ml.

14、★Kích thước kênh phản ứng không lớn hơn 1.4×1.4mm, kích thước kênh làm nóng không lớn hơn 1×1mm.

15、Thời gian lưu giữ: 2.7 giây - 60 phút.

16、Yêu cầu phụ kiện của phản ứng: Đường ống vào, ra và hệ thống áp suất ngược đều sử dụng vật liệu chống ăn mòn, chịu áp lực, đảm bảo quá trình phản ứng khí-lỏng, lỏng-lỏng.