Microrreator ou Reator Microestruturado ou Reator de Microcanal

Breve Instrução de Tecnologia de Microrreator

A tecnologia do microrreator é uma nova tecnologia principalmente por meio da intensificação do processo para alcançar a síntese química verde, especialmente para a preparação de produtos químicos finos, como produtos químicos, pesticidas, medicamentos, micromateriais e nanomateriais. A tecnologia de microrreatores é uma tecnologia microquímica que surgiu na década de 1990. Não é uma simples redução do reator existente, mas um dos novos sistemas abrangentes que integra vários elementos, como tecnologia de materiais, tecnologia de microfabricação, tecnologia de sensores e tecnologia de controle. O microrreator é um novo tipo de reator de tubulação de fluxo contínuo miniaturizado com canais estruturais em microescala como o núcleo para realizar a reação, mistura, separação e outras funções. O "micro" de um reator de microcanal não se refere ao pequeno tamanho do dispositivo do microrreator ou ao pequeno rendimento do produto, mas sim para significar que os canais fluídicos estão na escala micrométrica ou milimétrica. O processo de microrreação refere-se ao processo do sistema de reação construído por esses dispositivos. O sistema de microrreação também é chamado de sistema microquímico, que é um microsistema para o processo químico. O projeto e desenvolvimento do sistema microquímico baseia-se na ideia de miniaturizar equipamentos químicos sem reduzir a capacidade de processamento do equipamento, fortalecendo a taxa e controlabilidade dos processos de fluxo, mistura e transferência no sistema, o tempo de conclusão de a reação e a separação são encurtadas, reduzem a estagnação de materiais no processo, reduzem a formação de subprodutos, para realizar o processo químico verde, seguro e eficiente. A tecnologia de microrreatores tornou-se uma das importantes direções de desenvolvimento no campo da intensificação de processos químicos amplamente utilizada nos campos da medicina, pesticidas, produtos químicos finos e síntese intermediária.

Um microrreator ou reator microestruturado ou reator de microcanais é um dispositivo no qual as reações químicas ocorrem em um confinamento com dimensões laterais típicas abaixo de 1 mm; a forma mais típica de tal confinamento são os microcanais. Os microrreatores são estudados no campo da engenharia de microprocessos, juntamente com outros dispositivos (como microtrocadores de calor) nos quais ocorrem processos físicos. Os microrreatores envolvem estruturas microfabricadas para permitir que a química de fluxo seja realizada em escala de mícron. O microrreator é geralmente um reator de fluxo contínuo (contraste com/para um reator descontínuo). Os microrreatores oferecem muitas vantagens em relação aos reatores de escala convencional, incluindo grandes melhorias em eficiência energética, velocidade de reação e rendimento, segurança, confiabilidade, escalabilidade, produção no local/sob demanda e um grau muito mais refinado de controle de processo.

Características Técnicas do Microrreator

• Grande área de superfície específica e boa transferência de calor------Devido à microestrutura dentro do microrreator, sua área de superfície específica é muito grande, que pode ser centenas ou até milhares de vezes a área de superfície específica do recipiente de agitação. Portanto , tem boa capacidade de transferência de calor e massa. O coeficiente de troca de calor é geralmente de pelo menos 25kW m − 2K − 1, o que pode realizar a mistura uniforme instantânea e a transferência de calor eficiente dos materiais.
• Alta eficiência de transferência de massa e rápida velocidade de reação-------O reator de microcanal pode conter muitos microcanais, e o gás e os fluidos líquidos nos microcanais podem fluir com 10-4 a 10-6m/s, o processo de reação de mistura de fluidos pode realizar a reação de mistura instantânea e uniforme de materiais e fazer a reação de reações químicas comuns O tempo é reduzido de horas - dezenas de horas para segundos - minutos e alto rendimento é alcançado.
• Controle preciso da temperatura e do tempo da reação para melhorar o rendimento-------As excelentes características de transferência de calor do microrreator permitem que a temperatura da reação seja controlada com precisão dentro de uma determinada faixa, o que é de grande importância para algumas reações envolvendo produtos intermediários e termicamente instáveis produtos em química fina. Os reagentes fluem continuamente no reator de microcanais. O tempo de residência das matérias-primas sob as condições de reação pode ser controlado com precisão. Uma vez que o tempo de reação ideal é alcançado, ele passa imediatamente para a próxima etapa ou a reação é encerrada, o que pode eliminar efetivamente os subprodutos gerados devido ao longo tempo de reação e melhorar o rendimento.
• Menos capacidade de retenção de fluido, mais seguro e ecológico para produção contínua-------Devido à boa transferência de calor do microrreator, a temperatura de reação não se acumula excessivamente e é controlada com precisão dentro de uma determinada faixa, o que pode reduzir o risco potencial de explosão. Os microrreatores são normalmente operados continuamente, a quantidade de reagentes no microrreator é muito pequena. Isso permite o processamento subsequente de intermediários instáveis ​​e evita atrasos típicos de processamento de lotes. O tempo de residência do meio de reação instável é muito curto e não decai, mesmo que o intermediário da reação ou o produto final sejam substâncias tóxicas e nocivas, também porque a quantidade de produtos produzidos por unidade de tempo é pequena e o tempo de residência é curto, a nocividade de acidentes de segurança é reduzido consideravelmente. Muitas reações exotérmicas vigorosas que não podem ser realizadas no processo em lote, mas podem ser realizadas em microrreatores, até mesmo reações importantes, como a nitrificação, podem ser realizadas com segurança em alta temperatura.
• Embora um microrreator possa sintetizar produtos químicos apenas em pequenas quantidades, a expansão para volumes industriais é simplesmente um processo de multiplicar o número de microrreatores. Por outro lado, os processos em lote muitas vezes têm um bom desempenho em laboratório, mas falham no nível da planta piloto de lote.
• A tecnologia de microrreatores também pode aumentar ou diminuir de forma flexível o número de módulos de microrreatores no sistema de acordo com as mudanças do mercado, de modo a realizar uma produção pontual, no local e sob medida.
• A tecnologia de microprocessamento pode ser usada para integrar micromistura, microrreação, microtroca de calor, microseparação, microanálise e outras operações unitárias e combinar microssensores, microválvulas e outros dispositivos em uma plataforma ou mesmo um chip de controle para realizar a plataforma ou operação multifuncional baseada em chip, de modo a obter monitoramento em tempo real e controle inteligente do sistema de micro-reação, melhorar a velocidade de reação e economizar o custo da reação ao mesmo tempo.

Tipo de reações adequadas para microrreatores

Até agora, o microrreator multifuncional ainda está limitado à reação homogênea e, até certo ponto, é limitado à fase gás-líquido e à reação da fase líquido-líquido. Segundo as estatísticas, cerca de 30% das reações químicas finas podem ser realizadas em microrreatores para melhorar o rendimento, a seletividade ou a segurança. As vantagens do microrreator são refletidas principalmente nos seguintes tipos de reações:

• Reações violentamente exotérmicas-------Para reações violentamente exotérmicas, o processo de reator convencional geralmente adota o método de adição gradual gota a gota ou adição em lote. Mesmo assim, ainda haverá superaquecimento local e uma certa quantidade de subprodutos será produzida. Devido às boas características de transferência de calor do microrreator, a temperatura da reação pode ser controlada com precisão, o superaquecimento local pode ser eliminado e o rendimento e a seletividade do produto podem ser significativamente melhorados.
• Reação com reagentes ou produtos instáveis------Alguns reagentes ou produtos são muito instáveis ​​e irão se decompor e reduzir o rendimento dos produtos após um tempo de residência. O sistema de microrreator é um sistema de fluxo contínuo e o tempo de residência da reação pode ser controlado com precisão. Portanto, a decomposição devido à instabilidade de reagentes ou produtos no reator convencional pode ser evitada.
• Reação rápida com requisitos estritos sobre a proporção de reagentes------Algumas reações têm requisitos estritos sobre a proporção de reagentes, e o excesso de um dos reagentes causará reações secundárias, como reações que requerem monossubstituição, haverá produtos bissubstituídos e trissubstituídos são formados. O sistema de microrreator pode atingir uma mistura homogênea instantaneamente, o que evita o problema de excesso local de cada reagente e minimiza os subprodutos.
• Reações químicas perigosas e reações de alta temperatura e alta pressão------Algumas reações químicas que estão facilmente fora de controle, uma vez fora de controle, farão com que a temperatura e a pressão da reação aumentem acentuadamente, os reagentes causarão uma explosão. Como o calor da reação pode ser exportado rapidamente e o microrreator é uma reação de fluxo contínuo, a quantidade de produtos químicos online é muito pequena, portanto a segurança da reação é garantida em microrreatores.

É claro que nem todas as reações são adequadas para sistemas de microrreatores, como reações líquido-sólido muito lentas, reações sem fenômenos exotérmicos e endotérmicos e processos tradicionais já com alta seletividade e reações de rendimento.

Armadilhas de aplicação de microrreatores

• Embora existam reatores feitos para lidar com partículas, os microrreatores geralmente não toleram bem as partículas, muitas vezes entupindo.
• O bombeamento mecânico pode gerar um fluxo pulsante que pode ser desvantajoso. Muito trabalho tem sido dedicado ao desenvolvimento de bombas com baixa pulsação. Uma solução de fluxo contínuo é o fluxo eletrosmótico (EOF).
• A corrosão impõe um problema maior em microrreatores porque a relação área/volume é alta. Degradações de poucos µm podem passar despercebidas em vasos convencionais. Como as dimensões internas típicas dos canais são da mesma ordem de grandeza, as características podem ser alteradas significativamente.
• Embora o sistema de microrreatores possa aumentar para volumes industriais multiplicando o número de microrreatores e reduzindo o custo, a capacidade de processamento do sistema de microrreação também é bastante limitada. Durante o aumento do número de microrreatores, a complexidade do sistema de monitoramento e controle de microrreação também é aumentada, e o custo de investimento e operação para a produção real também é aumentado.

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Perguntas frequentes

 

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