反应设备-微反应器.ppt

河北科技大学装控系河北科技大学装控系河北科技大学装控系河北科技大学装控系“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,其尺寸约为10mm。8.3微反应器8.3.1概述微反应器：主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元件或包括换热、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,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,因此微反应器又称作微通道(microchannel)反应器。1996年前后,Lerous和Ehrfeld等各自撰文系统阐述了微反应器在化学工程领域的应用原理及其独特优势；自1997年开始，每年举办一届以“微反应技术”（MicroreactionTechnology）为主题的国际会议；2003年4月召开的第一届“微通道和微小型通道”国际会议（InternationalConferenceonMicrochannelsandMinichannels），限定通道的特征尺度在10μm~3mm范围内。8.3微反应器*微反应器在结构上常采用一种层次结构方式(hierarchicmanner),先以亚单元(subunit)形成单元(unit),再以单元来形成更大的单元,依此类推。这种特点与传统化工设备有所不同,它便于微反应器以“数增放大”(numbering-up)的方式(而不是传统的尺度放大方式)来对生产规模进行方便的扩大和灵活的调节。8.3.2微反应器的结构及制造工艺一、微反应器的结构微反应系统的层次结构8.3微反应器*二、微反应器的加工技术微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工方法等。常用的材料有：硅：硅的密度小(2.3g/cm3)；熔点高（1400℃）,约为铝的两倍；热膨胀系数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；硅具有各向异性,便于进行选择性刻蚀。不锈钢：具有良好的延展性,加工方便,成本低廉,且易与外部连接。多用在一些强放热的多相催化微反应器中。玻璃：化学性能稳定,且具有良好的生物兼容性,制作的微反应器还有利于观察内部反应。陶瓷：化学性能稳定,抗腐蚀能力强,熔点高,在高温下仍能保持尺寸的稳定,故常用于高温和强腐蚀的场合,缺点是耗费时间长,价格昂贵。塑料和聚合物等材料：易于光刻电镀和压模成型加工。8.3微反应器8.3.2微反应器的结构及制造工艺8.3.2微反应器的结构及制造工艺微反应器8.3.2微反应器的结构及制造工艺微反应器的加工技术一是由IC(集成电路)平面制作工艺延伸而来的硅体微加工技术：微反应器常用加工技术可分为三类:二是超精密加工技术：微细放电加工(micro-EDM）、激光束加工、电子束加工和离子束加工。三是LIAG工艺：包括光刻、电镀和压模三步的组合技术,由德国喀尔斯鲁厄核研究中心发明。包括湿法刻蚀（各向同性刻蚀和各向异性刻蚀)、干法刻蚀（溅射刻蚀、等离子刻蚀）8.3微反应器*8.3.2微反应器的结构及制造工艺微反应器的加工技术干法刻蚀制作的微混合器部件微细放电加工高精度喷嘴激光束加工用于萃取的薄膜微孔8.3微反应器*8.3.2微反应器的结构及制造工艺微反应器的加工技术右图是用LIGA方法加工的微反应器通道共有50个反应单元,每个反应单元的尺寸为3cm×1.5cm,通道宽50μm,深150μm，用于某催化反应器8.3微反应器*8.3.2微反应器的结构及制造工艺三、微反应器的封装技术微反应器常用的封装技术有如下四种:热键合技术：把两片抛光的硅或玻璃面对面地接触,高温下使相邻原子间产生共价键,从而形成良好的结合。高能束焊接（激光焊接和电子束焊接）：常用于微反应器中金属薄片之间的密封连接。扩散焊接：在高温和压力的作用下,将被连接表面相互靠近和挤压,使局部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整体。扩散焊可以连接物理、化学性能差别很大的异种材料,如金属与陶瓷。粘接：常用于异种材料的连接,简便廉价,但不适于温度太高的场合。8.3微反应器*8.3.2微反应器的结构及制造工艺微反应器的封装技术右图是德国MikrotechnikMainz研究所研制的微换热器的,板片之间采用扩散焊实现连接密封,最后再用螺栓与两端封头连接。微反应器18.3.2