新型化工反应器.doc

目 录 1微反应器 1 1.1 概述 1 1.2 微反应器的定义 1 1.3 微反应器的分类 2 1.4 微反应器的性质 7 1.5 微反应器的优点 10 1.6 微反应器的制造技术 11 1.7 微反应器的应用潜力 14 1.8 微反应器的前景展望 14 2 光化学反应器 16 2.1 光化学的基本概念 16 2.2 光催化反应的基本理论 17 2.3 光催化反应器的辐射能传递模型及数学模型 19 2.4 光催化反应器的类型 20 2.5 光催化反应器的应用 25 2.6 光催化反应器应用中存在的问题 30 2.7 前景展望 31 3 磁稳流化床反应器 32 3.1 概述 32 3.2 磁稳流化床装置 32 3.3 磁稳流化床的结构 33 3.4 磁稳流化床的特点 33 3.5 磁稳流化床的流化特性 34 3.6 磁稳流化床反应器的应用 35 3.7 前景展望 36 4 超临界反应器 38 4.1 超临界的定义 38 4.2 超临界化学反应的概念及特点 38 4.3 超临界流体的特性 39 4.4 超临界反应器的结构 39 4.5 超临界反应器的应用 43 4.6 前景展望 46 1微反应器 1.1 概述 自20世纪90年代以来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是向微型化迈进，微反应器技术被认为是化学工程领域的优先发展方向之一。“微反应器”（microreactor）最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器。随着用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化，专门修饰利用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指利用微加工技术制造的一种新型的化学反应器，但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是它具有一系列新特性。微加工技术起源于航天技术的发展，而较早引入微加工技术的是生物和化学分析领域。1993年Mathies首先在微加工技术制造的生物芯片上分离测定了DNA片段，生物芯片技术与计算机相结合，促成了基因排序这一伟大的科学成就；而在化学分析方面，几乎同时发展了在组合化学、催化剂筛选和手提分析设备等方面有着诱人应用前景的微全分析系统（μ-TAS）。而将微加工技术应用于化学反应的研究始于1996年前后，Lerous和Ehrfeld等各自系统地阐述了微反应器在化学工程领域的应用原理及独特优势。 1.2 微反应器的定义 微反应器是一个比较广泛的概念，有多种形式，既包括传统的微量反应器（微分和积分反应器），也包括反相胶束微反应器、聚合物微反应器、固体模板微反应器、微条纹反应器和微聚合反应器等。这些微反应器都有一个根本特点：把化学反应控制在尽量微小的空间内，化学反应空间的尺寸数量级一般为微米甚至纳米，反应在该微小区域内可控制地进行。微反应器可以定位为：利用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件（图1.1）或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应系统（图1.2），通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道，化学反应发生在这些通道中。确切地说，微反应器应称作微结构或微通道（microchannel）反应器，它包含结构奇特的多种反应器及其它微加工器件。 图1.1 简单的微反应器系统 图1.2 复杂的微反应器系统 1.3 微反应器的分类 微反应器有多种类型，按反应器形式可以分为反相胶束微反应器、聚合物微反应器、固体模板微反应器、微条纹反应器和微聚合反应器等。从工程角度来看，按照反应物相态，微反应器又可分为气固催化反应器、液液微反应器、气液微反应器和气液固三相催化微反应器等。 1.3.1 反相胶束微反应器 这是目前研究应用较多的一类微反应器，溶液中的胶束在局部聚集且液体性质发生改变。利用这一点，可以把反应物限制在一个非常微小的区域内，并在那里发生化学反应。例如，具有适合亲油/亲水比的阴离子型表面活性剂二-（α-乙基己基）丁二酸脂磺酸钠（Aerosol OT，AOT）在许多非极性溶剂（如烃中）就能形成反相胶束。例如在己烷中的AOT反相胶束，每个分子的表面活性剂能组合60个水分子。通常将这个能增溶水分子的极性中心部分称为“微水池”，以这个微小空间作为反应场所，使不同胶束中的反应物进行交换即可反应生成纳米粒子，这也就是反相胶束微反应器（reverse micellar microreactor）的原理。 反相胶束微反应器的主要特点是反应物以胶束中的微小液滴形式供给，这种高度分散的状态抑制了因局部过饱和而导致的粒子团聚现象，同时又能够保证胶束在碰撞时反应物能进行交换并发生反应。这样，粒子的成核及长大能均匀进行，从而得到长期稳定贮存的纳米粒子。 1.3.2 聚合物微反应器 利用某些带有特定官能团的大分子化合物在特定的溶剂中也能形成胶束这