Principes et champ d'application du microcanal

Les microcanaux, également appelés échangeurs de chaleur à microcanaux, sont des échangeurs de chaleur dont les diamètres équivalents de canal varient de 10 à 1 000 μm.Ces échangeurs de chaleur comportent des dizaines de canaux d'écoulement fins à l'intérieur d'un tube plat, reliés à des collecteurs circulaires aux deux extrémités du tube plat.Des déflecteurs sont installés dans les collecteurs pour séparer les canaux de l'échangeur de chaleur en plusieurs processus.Par rapport à la production chimique traditionnelle, les microcanaux présentent un potentiel de développement important et de vastes perspectives d’application en ingénierie chimique fine.Examinons donc ensemble les microcanaux sous différents aspects.

I. Comprendre les réacteurs à microcanaux

Introduction aux réacteurs à microcanaux

Essentiellement, un réacteur à microcanaux est un type de réacteur tubulaire à flux continu.Il comprend les mélangeurs, les échangeurs de chaleur, les contrôleurs de réacteur et d'autres exigences en matière d'unités chimiques.Actuellement, la structure globale des réacteurs à microcanaux peut être divisée en deux types : l'une est une structure intégrale, qui se manifeste sous la forme d'échangeurs de chaleur à contre-courant ou à contre-courant, permettant des opérations à haut débit dans un volume unitaire.Dans une structure intégrale, une seule étape opérationnelle peut être effectuée simultanément, et ces dispositifs correspondants sont finalement connectés pour former un système complexe.L'autre type est une structure en couches, constituée d'une pile de modules avec différentes fonctions, dans laquelle une opération est effectuée dans une couche et une autre opération dans une autre couche.Le débit de fluide dans les différents modules de couches peut être contrôlé par des dispositifs de dérivation intelligents pour obtenir un débit plus élevé.Certains réacteurs ou systèmes à microcanaux fonctionnent généralement en parallèle pour un plus grand débit.

II.Principes des réacteurs à microcanaux

Les microréacteurs font principalement référence à de petits réacteurs multicanaux avec des tailles de canaux de l'ordre du submicronique et du submillimétrique, fabriqués à l'aide de technologies de science des surfaces et de microfabrication.La taille des canaux des microréacteurs se situe uniquement aux niveaux submicronique et submillimétrique.Les microréacteurs ont des propriétés de transfert de chaleur et de masse supérieures à celles des équipements chimiques traditionnels, ce qui les rend particulièrement adaptés aux expériences avec un dégagement de chaleur élevé et des réactions rapides.Comprendre les principes des microréacteurs intéresse beaucoup.

Le concept de technologie microchimique trouve son origine dans les mécanismes de transfert de chaleur à l’échelle conventionnelle.Pour un écoulement laminaire à l'intérieur d'un tube circulaire, lorsque la température de paroi est constante, le coefficient de transfert de chaleur h est inversement proportionnel au diamètre du tube d, comme le montre la formule (1).De même, pour un écoulement laminaire à l'intérieur d'un tube circulaire, lorsque la concentration du composant A au niveau de la paroi du tube reste constante, le coefficient de transfert de masse kc est inversement proportionnel au diamètre du tube (formule (2)).Étant donné que l'écoulement à l'intérieur des microcanaux implique principalement un écoulement laminaire, reposant principalement sur la diffusion moléculaire pour obtenir un mélange de fluides, comme le montre la formule (3), le temps de mélange t est proportionnel au carré de l'échelle du canal.La réduction de la taille caractéristique du canal augmente non seulement considérablement la surface spécifique, mais améliore également considérablement les caractéristiques de transfert du processus.

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

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

t=d2/DAB(3)

Ici, Nu est le nombre de Nusselt, Sh est le nombre de Sherwood et D est le coefficient de diffusion.Les réactions chimiques réalisées dans les processus chimiques sont contrôlées par le taux de transfert ou la cinétique intrinsèque de la réaction, ou les deux.Pour les réactions instantanées et rapides, lorsqu’elles sont réalisées dans un équipement de réaction à l’échelle traditionnelle, elles sont contrôlées par le taux de transfert.Dans les systèmes de réaction à l’échelle microscopique, en raison de l’augmentation significative du taux de transfert, les vitesses de réaction de ces processus seront considérablement améliorées.En ce qui concerne les réactions lentes, qui sont principalement contrôlées par la cinétique de réaction intrinsèque, l’un des principaux moyens d’intensifier le processus consiste à augmenter la vitesse de réaction intrinsèque, généralement obtenue en augmentant la température de réaction ou en modifiant les conditions opératoires du processus.À l’heure actuelle, la plupart des applications industrielles des réactions de nitration des hydrocarbures appartiennent à la catégorie des procédés de réaction moyennement lents, avec des temps de réaction allant de quelques dizaines de minutes à quelques heures.Dans les microréacteurs, la nitration adiabatique peut être utilisée et la modification simultanée des conditions du processus peut réduire le temps de réaction à quelques secondes.Ainsi, en théorie, presque tous les processus réactionnels peuvent être intensifiés.