Princípios e escopo de aplicação do microcanal

Microcanais, também conhecidos como trocadores de calor microcanais, são trocadores de calor com diâmetros equivalentes de canal variando de 10 a 1000 μm.Esses trocadores de calor apresentam dezenas de canais de fluxo fino dentro de um tubo plano, conectados a coletores circulares em ambas as extremidades do tubo plano.Defletores são instalados dentro dos coletores para separar os canais do trocador de calor em vários processos.Em comparação com a produção química tradicional, os microcanais têm um potencial significativo de desenvolvimento e amplas perspectivas de aplicação na engenharia química fina.Então, vamos nos aprofundar nos microcanais sob diferentes aspectos juntos.

I. Compreendendo os reatores microcanais

Introdução aos reatores microcanais

Essencialmente, um reator de microcanais é um tipo de reator tubular de fluxo contínuo.Inclui misturadores, trocadores de calor, controladores de reatores e outros requisitos de unidades químicas.Atualmente, a estrutura geral dos reatores microcanais pode ser dividida em dois tipos: um é uma estrutura integral, que se manifesta na forma de trocadores de calor em contrafluxo ou contracorrente, permitindo operações de alto rendimento em um volume unitário.Numa estrutura integral, apenas um passo de operação pode ser executado simultaneamente, e estes dispositivos correspondentes são finalmente ligados para formar um sistema complexo.O outro tipo é uma estrutura em camadas, composta por uma pilha de módulos com funções diferentes, onde uma operação é realizada em uma camada e outra operação em outra camada.O fluxo de fluido nos vários módulos de camada pode ser controlado por dispositivos de desvio inteligentes para obter maior rendimento.Alguns reatores ou sistemas de microcanais são normalmente operados em paralelo para maior rendimento.

II.Princípios dos Reatores Microcanais

Microrreatores referem-se principalmente a pequenos reatores multicanais com tamanhos de canal na faixa submícron e submilimétrica, fabricados usando ciência de superfície e tecnologias de microfabricação.O tamanho do canal dos microrreatores está apenas nos níveis submícron e submilimétrico.Os microrreatores possuem propriedades superiores de transferência de calor e massa em comparação aos equipamentos químicos tradicionais, tornando-os particularmente adequados para experimentos com alta liberação de calor e reações rápidas.Compreender os princípios dos microrreatores é de interesse para muitos.

O conceito de tecnologia microquímica origina-se de mecanismos de transferência de calor em escala convencional.Para escoamento laminar dentro de um tubo circular, quando a temperatura da parede é constante, o coeficiente de transferência de calor h é inversamente proporcional ao diâmetro do tubo d, como pode ser visto na fórmula (1).Da mesma forma, para fluxo laminar dentro de um tubo circular, quando a concentração do componente A na parede do tubo permanece constante, o coeficiente de transferência de massa kc é inversamente proporcional ao diâmetro do tubo (fórmula (2)).Como o fluxo dentro dos microcanais envolve principalmente o fluxo laminar, contando principalmente com a difusão molecular para obter a mistura de fluidos, conforme mostrado na fórmula (3), o tempo de mistura t é proporcional ao quadrado da escala do canal.A redução do tamanho característico do canal não só aumenta significativamente a área superficial específica, mas também melhora muito as características de transferência do processo.

Nu=hd/k=3,66(1)

Sh=kc/DAB=3,66(2)

t=d2/DAB(3)

Aqui, Nu é o número de Nusselt, Sh é o número de Sherwood e D é o coeficiente de difusão.As reações químicas conduzidas em processos químicos são controladas pela taxa de transferência ou pela cinética intrínseca da reação ou ambas.Para reações instantâneas e rápidas, quando conduzidas em equipamentos de reação em escala tradicional, elas são controladas pela taxa de transferência.Em sistemas de reação em microescala, devido ao aumento significativo na taxa de transferência, as taxas de reação de tais processos serão bastante aumentadas.Quanto às reações lentas, que são controladas principalmente pela cinética intrínseca da reação, um dos principais meios para intensificar o processo é aumentar a taxa de reação intrínseca, geralmente conseguida aumentando a temperatura da reação ou alterando as condições de operação do processo.Atualmente, a maioria das aplicações industriais de reações de nitração de hidrocarbonetos pertencem à categoria de processos de reação médio-lentos, com tempos de reação variando de dezenas de minutos a horas.Em microrreatores, a nitração adiabática pode ser usada, e a alteração simultânea das condições do processo pode reduzir o tempo de reação para segundos.Assim, teoricamente, quase todos os processos de reação podem ser intensificados.