【微反应器文献之旅第六篇】一种以聚四氟乙烯毛细管为微通道的微反应器

今天阅读的文献在Histcite中编号为188，是2003年发表在CatalysisToday上的一篇文献，文章中提出了一种以聚四氟乙烯毛细管为微通道的微反应器，同时使用了液液两相的单环芳烃硝化反应作为研究对象，探讨了其中的相间传质，温度，停留时间等因素的影响，最后还使用CFD分析了液滴内的内部循环流动（二次流）的影响。

Introduction

文章在一开始就说明了所要研究的反应，液液两相的苯环的硝化反应，硝酸硫酸的混合物的水相作为硝化剂，单环芳烃作为有机相。之后，文章说明了毛细管微反应器可以提供非常平均且规整的流型和等温的反应条件。

Experimental method

在实验方法部分，文章详细地说明了反应装置和反应条件，详见图1所示，使用活塞泵将单环芳烃和硝酸注入反应装置中，反应首先使用Y型混合器产生良好的液液流型，然后在毛细管内发生反应，反应的压力为4 bar，反应的温度为60到120摄氏度，这里注明一点，之所以选择压力为4 bar，是为了防止温度过高产生气泡，聚四氟乙烯毛细管外部还有一个套管流动着热流体保持反应温度恒定，流体出反应管后进入淬灭装置，保持温度在20摄氏度来停止反应，然后使用针型阀来泄压至常压，然后使用冷却水降温稀释，取有机相通入气相色谱分析组成。

图1 反应装置及反应条件示意图

聚四氟乙烯毛细管中产生的流型Plug Flow见图2所示。

图2 液液两相流示意图

Results and discussion

文章在这一部分着重讨论了液液两相的流型，副产物的产生，相间传质和反应模型，在这里进行简要叙述，可以以下重点。

· 进入毛细管的液滴（plug）的体积是由Y型混合器的管径决定的，混合器的管径越小，液滴的体积越小，而液滴的长度则是由毛细管的管径决定的，在体积相同（也就是Y-mixer相同）的情况下，毛细管管径越小，液滴长度越长。

· 由图3所示，B（硝基单取代物）为目标产物，C（二硝基取代物）与D（硝基酚类）都是副产物，文章主要鉴定了副反应C与D的反应序列，也就是确定了副反应到底是主反应的平行反应还是连串反应。可以看出C为连串反应副产物，D为平行反应副产物。

图3 主反应和副反应步骤

在讨论温度时，确定了副反应的活化能（2,3）都要高于主反应（1）。

· 在讨论传质的影响时，确定了硝化反应是传质控制的反应，随着流体流速的增加，反应物A的转化率增加，副产物D的收率率增加，副产物C的收率下降，这可以从以下的讨论中得到解释，微反应器内随着流速的增加，相间传质速率的增加，虽然B的生成速率增加但同时更多的B从水相萃取至有机相中，减少了反应物B的浓度，从而降低了后需连串步骤（2）的反应速率。

· 文章初步假设了硝化反应的模型----水相是硝化反应发生的相态，所考虑的传质就是反应物从有机相传递至水相，产物从水相传递至有机相。

· 文章最后使用FEMLAB的软件模拟得到了液滴内的内循环的具体流动状态，如图4所示。

图4 液滴内循环流动CFD模拟图

Conclusion

文章最后得到了主要两点结论：

第一、毛细管反应器由于其具有等温和固定的相间面积使得其非常适宜于液液两相反应体系的传质系数或是反应动力学的测量；

第二、流速增加之所以可以强化传质是因为液滴的内循环流动的加强，这一点文章说已经从模型和CFD模拟两方面进行了阐述。

结语

这篇文章给出了毛细管反应器作为液液反应的传质和动力学系数测量的可能性，但是文章并没有给出具体的传质系数随速度的表达式，亦或是反应的动力学方程，同时CFD模拟讨论的并不多，也只是给出了可行性而已，不过作为一篇启发式的文献，还是非常值得我们学习的。

参考文献

 [1] Dummann G., Quittmann U., Groschel L.,et al., The capillary-microreactor: a new reactor concept for theintensification of heat and mass transfer in liquid-liquid reactions, Catalysis Today, 2003, 79(1-4): 433-439.

（文章来源 - 微信公众号：耳朵二水 作者：二水 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）