Principios y ámbito de aplicación del microcanal

Los microcanales, también conocidos como intercambiadores de calor de microcanales, son intercambiadores de calor con diámetros equivalentes de canal que oscilan entre 10 y 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.Se instalan deflectores 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 gran potencial de desarrollo y amplias perspectivas de aplicación en la ingeniería química fina.Así que profundicemos juntos en los microcanales desde diferentes aspectos.

I. Comprensión de los reactores de microcanales

Introducción a los reactores de microcanales.

Básicamente, 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 contraflujo o contracorriente, lo que permite operaciones de alto rendimiento en una unidad de volumen.En una estructura integral, solo se puede realizar un paso de operación simultáneamente y estos dispositivos correspondientes finalmente se conectan para formar un sistema complejo.El otro tipo es una estructura en capas, que consta de una pila de módulos con diferentes funciones, donde se realiza una operación en una capa y otra en otra capa.El flujo de fluido en los distintos módulos de capas se puede controlar mediante dispositivos de desviación inteligentes para lograr un mayor rendimiento.Algunos reactores o sistemas de microcanales suelen funcionar en paralelo para lograr un mayor rendimiento.

II.Principios de los reactores de microcanales.

Los microrreactores se refieren principalmente a pequeños reactores multicanal con tamaños de canal en el rango submicrónico y submilimétrico, fabricados utilizando ciencia de superficies y tecnologías de microfabricación.El tamaño del canal de los microrreactores es sólo de niveles submicrónico 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 tiene su origen en 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 un 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 de fluidos, 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 sólo aumenta significativamente el área de superficie específica sino que también mejora en gran medida las características de transferencia del proceso.

Nu=hd/k=3,66(1)

Sh=kc/DAB=3,66(2)

t=d2/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 que se llevan a cabo en procesos químicos están controladas por la velocidad de transferencia o la cinética de reacción intrínseca o ambas.Para reacciones instantáneas y rápidas, cuando se llevan a cabo en equipos de reacción a escala tradicional, están controladas por la velocidad de transferencia.En los 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, lo que generalmente se logra aumentando la temperatura de reacción o cambiando las condiciones operativas 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 medio-lentos, con tiempos de reacción que oscilan entre decenas de minutos y horas.En los microrreactores se puede utilizar la nitración adiabática y cambiar las condiciones del proceso simultáneamente puede acortar el tiempo de reacción a segundos.De este modo, en teoría, se pueden intensificar casi todos los procesos de reacción.