Microréacteur ou réacteur micro structuré ou réacteur à microcanaux

Brève instruction de la technologie des microréacteurs

La technologie des microréacteurs est une nouvelle technologie principalement basée sur l'intensification des procédés pour réaliser la synthèse chimique verte, en particulier pour la préparation de produits chimiques fins tels que les produits chimiques, les pesticides, les médicaments, les micromatériaux et les nanomatériaux. La technologie des microréacteurs est une technologie microchimique apparue dans les années 1990. Il ne s'agit pas d'une simple réduction du réacteur existant, mais de l'un des nouveaux systèmes complets qui intègre divers éléments tels que la technologie des matériaux, la technologie de micro-fabrication, la technologie des capteurs et la technologie de contrôle. Le microréacteur est un nouveau type de réacteur à pipeline à flux continu miniaturisé avec des canaux structurels à l'échelle du micron comme noyau pour réaliser la réaction, le mélange, la séparation et d'autres fonctions. Le « micro » d'un réacteur à microcanaux ne fait pas référence à la petite taille du dispositif à microréacteur ou au faible rendement de produit, mais signifie plutôt que les canaux fluidiques sont à l'échelle du micromètre ou du millimètre. Le processus de microréaction fait référence au processus du système de réaction construit par ces dispositifs. Le système de microréaction est également appelé système microchimique, qui est un microsystème pour le processus chimique. La conception et le développement du système microchimique sont basés sur l'idée de miniaturiser l'équipement chimique sans réduire la capacité de traitement de l'équipement, en renforçant la vitesse et la contrôlabilité des processus d'écoulement, de mélange et de transfert dans le système, le temps d'achèvement de la réaction et la séparation sont raccourcies, réduisent la stagnation des matériaux dans le processus, réduisent la formation de sous-produits, pour réaliser le processus chimique vert, sûr et efficace. La technologie des microréacteurs est devenue l'un des axes de développement importants dans le domaine de l'intensification des procédés chimiques largement utilisés dans les domaines de la médecine, des pesticides, des produits chimiques fins et de la synthèse intermédiaire.

Un microréacteur ou réacteur microstructuré ou réacteur à microcanaux est un dispositif dans lequel se déroulent des réactions chimiques dans un confinement dont les dimensions latérales typiques sont inférieures à 1 mm ; la forme la plus typique d'un tel confinement sont les microcanaux. Les microréacteurs sont étudiés dans le domaine de l'ingénierie des microprocessus, ainsi que d'autres dispositifs (tels que les microéchangeurs de chaleur) dans lesquels se produisent des processus physiques. Les microréacteurs impliquent des structures microfabriquées pour permettre la réalisation d'une chimie en flux à l'échelle du micron. Le microréacteur est généralement un réacteur à flux continu (contrairement à/à un réacteur discontinu). Les microréacteurs offrent de nombreux avantages par rapport aux réacteurs à échelle conventionnelle, notamment de vastes améliorations en termes d'efficacité énergétique, de vitesse et de rendement de réaction, de sécurité, de fiabilité, d'évolutivité, de production sur site/à la demande et d'un degré de contrôle de processus beaucoup plus fin.

Caractéristiques techniques du microréacteur

• Grande surface spécifique et bon transfert de chaleur------En raison de la microstructure à l'intérieur du microréacteur, sa surface spécifique est très grande, ce qui peut représenter des centaines voire des milliers de fois la surface spécifique de la cuve d'agitation. Par conséquent , il a une bonne capacité de transfert de chaleur et de masse. Le coefficient d'échange de chaleur est généralement d'au moins 25 kW m - 2K - 1, ce qui permet de réaliser le mélange uniforme instantané et le transfert de chaleur efficace des matériaux.
• Efficacité de transfert de masse élevée et vitesse de réaction rapide-------Le réacteur à microcanaux peut contenir de nombreux microcanaux, et les fluides gazeux et liquides dans les microcanaux peuvent passer avec 10-4 à 10-6m/s, Le Le processus de réaction de mélange des fluides peut réaliser la réaction de mélange instantanée et uniforme des matériaux et faire la réaction des réactions chimiques ordinaires. Le temps est réduit de quelques heures - dizaines d'heures à quelques secondes - minutes et un débit élevé est atteint.
• Contrôle précis de la température et du temps de réaction pour améliorer le rendement-------Les excellentes caractéristiques de transfert de chaleur du microréacteur permettent de contrôler avec précision la température de réaction dans une certaine plage, ce qui est d'une grande importance pour certaines réactions impliquant des produits intermédiaires et thermiquement instables produits en chimie fine. Les réactifs circulent en continu dans le réacteur à microcanaux. Le temps de séjour des matières premières dans les conditions de réaction peut être contrôlé avec précision. Une fois que le temps de réaction optimal est atteint, il est immédiatement passé à l'étape suivante ou la réaction est terminée, ce qui peut éliminer efficacement les sous-produits générés en raison du long temps de réaction et améliorer le rendement.
• Moins de capacité de rétention de fluide, plus sûr et plus respectueux de l'environnement pour une production continue-------Grâce au bon transfert de chaleur du microréacteur, la température de réaction ne s'accumule pas de manière excessive et est contrôlée avec précision dans une certaine plage, ce qui peut réduire le risque potentiel d'explosion. Les microréacteurs fonctionnent normalement en continu, la quantité de réactifs dans le microréacteur est très faible. Cela permet le traitement ultérieur des intermédiaires instables et évite les retards de traitement par lots typiques. Le temps de séjour du milieu réactionnel instable est très court et ne se décomposera pas, même si l'intermédiaire de réaction ou le produit final sont des substances toxiques et nocives, également parce que la quantité de produits produits par unité de temps est faible et que le temps de séjour est court, la nocivité des accidents de sécurité est considérablement réduit. De nombreuses réactions exothermiques vigoureuses qui ne peuvent pas être réalisées dans un procédé discontinu mais peuvent être réalisées dans des microréacteurs, même des réactions clés telles que la nitrification peuvent être réalisées en toute sécurité à haute température.
• Bien qu'un microréacteur ne puisse synthétiser des produits chimiques qu'en petites quantités, la mise à l'échelle vers des volumes industriels consiste simplement à multiplier le nombre de microréacteurs. En revanche, les processus discontinus fonctionnent trop souvent bien en laboratoire mais échouent au niveau de l'usine pilote discontinue.
• La technologie des microréacteurs peut également augmenter ou diminuer de manière flexible le nombre de modules de microréacteurs dans le système en fonction des évolutions du marché, afin de réaliser une production ponctuelle, sur site et sur mesure.
• La technologie de micro-traitement peut être utilisée pour intégrer le micro-mélange, la micro-réaction, le micro-échange de chaleur, la micro-séparation, la micro-analyse et d'autres opérations unitaires et les micro-capteurs, micro-vannes et autres dispositifs correspondants dans une plate-forme ou même une puce de contrôle pour réaliser la plateformisation ou un fonctionnement multifonctionnel basé sur puce, afin d'obtenir une surveillance en temps réel et un contrôle intelligent du système de micro-réaction, d'améliorer la vitesse de réaction et d'économiser le coût de la réaction en même temps.

Type de réactions adaptées aux microréacteurs

Jusqu'à présent, le microréacteur polyvalent est encore limité à une réaction homogène et, dans une certaine mesure, il est limité à une réaction en phase gaz-liquide et en phase liquide-liquide. Selon les statistiques, environ 30 % des réactions chimiques fines peuvent être réalisées dans des microréacteurs pour améliorer le rendement, la sélectivité ou la sécurité. Les avantages du microréacteur se reflètent principalement dans les types de réactions suivants :

• Réactions violemment exothermiques-------Pour les réactions violemment exothermiques, le processus de réacteur conventionnel adopte généralement la méthode d'ajout goutte à goutte progressif ou d'ajout par lots. Même ainsi, il y aura toujours une surchauffe locale et une certaine quantité de sous-produits sera produite. En raison des bonnes caractéristiques de transfert de chaleur du microréacteur, la température de réaction peut être contrôlée avec précision, la surchauffe locale peut être éliminée et le rendement et la sélectivité du produit peuvent être considérablement améliorés.
• Réaction avec des réactifs ou des produits instables------Certains réactifs ou produits sont très instables et se décomposent et réduisent le rendement des produits après un temps de séjour. Le système de microréacteur est un système à flux continu et le temps de séjour de la réaction peut être contrôlé avec précision. Par conséquent, la décomposition due à l'instabilité des réactifs ou des produits dans le réacteur conventionnel peut être évitée.
• Réaction rapide avec des exigences strictes sur le rapport des réactifs------Certaines réactions ont des exigences strictes sur le rapport des réactifs, et un excès de l'un des réactifs provoquera des réactions secondaires, telles que des réactions nécessitant une mono-substitution, il y aura des produits bisubstitués et trisubstitués sont formés. Le système de microréacteur peut réaliser un mélange homogène instantanément, ce qui évite le problème de l'excès local de chaque réactif et minimise les sous-produits.
• Réactions chimiques dangereuses et réactions à haute température et haute pression------Certaines réactions chimiques facilement incontrôlables, une fois incontrôlables, entraîneront une forte augmentation de la température et de la pression de la réaction, les réactifs pouvant même exploser. Étant donné que la chaleur de réaction peut être rapidement exportée et que le microréacteur est une réaction à flux continu, la quantité de produits chimiques en ligne est très faible, de sorte que la sécurité de la réaction est garantie dans les microréacteurs.

Bien sûr, toutes les réactions ne conviennent pas aux systèmes de microréacteurs, telles que les réactions liquide-solide très lentes, les réactions sans phénomènes exothermiques et endothermiques et les procédés traditionnels ont déjà une sélectivité et un rendement élevés.

Pièges d'application des microréacteurs

• Bien qu'il y ait eu des réacteurs conçus pour manipuler les particules, les microréacteurs ne tolèrent généralement pas bien les particules, souvent encrassantes. Le colmatage a été identifié par un certain nombre de chercheurs comme le plus grand obstacle pour les microréacteurs [8] étant largement accepté comme une alternative bénéfique aux réacteurs discontinus.
• Le pompage mécanique peut générer un débit pulsé qui peut être désavantageux. De nombreux travaux ont été consacrés au développement de pompes à faible pulsation. Une solution à flux continu est le flux électroosmotique (EOF).
• La corrosion pose un problème plus important dans les microréacteurs car le rapport surface/volume est élevé. Une dégradation de quelques µm peut passer inaperçue dans les cuves conventionnelles. Comme les dimensions intérieures typiques des canaux sont du même ordre de grandeur, les caractéristiques peuvent être modifiées de manière significative.
• Bien que le système de microréacteur puisse évoluer vers des volumes industriels en multipliant le nombre de microréacteurs et en réduisant les coûts, la capacité de traitement du système de microréaction est également fortement limitée. Pendant que le nombre de microréacteurs est considérablement augmenté, la complexité du système de surveillance et de contrôle de la microréaction est également considérablement augmentée, et les coûts d'investissement et de fonctionnement pour la production réelle sont également considérablement augmentés.

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