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微反应器技术是化学科学与工程技术发展的一个重要方向,是过程强化的有效手段。微通道特征尺寸小,具有优良的传递性能,可以对反应过程实现精确控制。
本文探索微通道内液相流动和传递规律,为微反应器的结构优化和有机反应操作条件的确定提供依据;研究微反应器内有机合成反应过程,为精细化工领域提供微反应器技术示范,促进微反应器技术的应用和发展。研究内容分为以下三部分。
微反应器设计。分别针对过氧乙酸合成和过氧化甲乙酮制备的过程特点,采用光刻一化学蚀刻技术与机械技术相结合的加工方法,设计加工微反应器。依据将微结构器件与标准实验设备结合的思路,组成新反应器系统。
微通道内混合和传递。(1)采用Villermaux-Dushman快速平行竞争反应体系考察了撞击流微混合器内的液-液互溶流体的微观混合性能,计算出达到理想微观混合时通道内的临界雷诺数Rec=200,这为用于均相混合的微混合器的结构优化提供依据。(2)采用摄像技术研究了内径0.5 mm玻璃毛细管微通道内正辛醇-水体系在不同总表观流速和油/水体积比条件下的流动状态,并绘制流型分布图。发现油相当量直径雷诺数Reo可以作为水相弹状流向水相弹状波动流、水相弹状波动流向拟湍流及油相弹状流向其它流型转变的判据。(3)研究了微反应器内正丁醇-丁二酸-水体系的传质过程。首次提出了参数Tr(进口微通道内流体平均雷诺数/混合微通道长径比),并建立了KLα~Tr关联式,发现当Tr相同时,具有不同结构尺寸撞击流微混合器内的KLα相同。说明Tr可用来定量描述进入微通道结构参数和流体性质对两相体积传质系数的影响。
微反应器内的过氧化。(1)考察了毛细管微通道反应器内乙酸的过氧化反应,表明在高温下反应可在15 min内达到平衡,远快于常规反应器内的生产过程,反应结果符合动力学预测。(2)研究了微反应器内的甲乙酮过氧化,研究了工艺条件对反应过程的影响。在最佳条件下,微反应器内过氧化甲乙酮的收率和质量指标均优于常规间歇反应器。微反应器的时空产率比传统反应器提高至少3个数量级。