Microreactor หรือ Micro Structured Reactor หรือ Microchannel Reactor

คำแนะนำสั้น ๆ เกี่ยวกับเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก

เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กเป็นเทคโนโลยีใหม่ส่วนใหญ่ผ่านการทำให้เข้มข้นของกระบวนการเพื่อให้ได้การสังเคราะห์สารเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมสารเคมีที่ดี เช่น สารเคมี ยาฆ่าแมลง ยา วัสดุขนาดเล็ก และวัสดุนาโน เทคโนโลยีไมโครรีแอคเตอร์เป็นเทคโนโลยีไมโครเคมีที่เกิดขึ้นในทศวรรษที่ 1990 ไม่ใช่การลดขนาดเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ลงอย่างง่ายๆ แต่เป็นหนึ่งในระบบใหม่ที่ครอบคลุมซึ่งรวมเอาองค์ประกอบต่างๆ เช่น เทคโนโลยีวัสดุ เทคโนโลยีการผลิตขนาดเล็ก เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ และเทคโนโลยีการควบคุม Microreactor เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อไหลต่อเนื่องขนาดจิ๋วรูปแบบใหม่ที่มีช่องโครงสร้างขนาดไมครอนเป็นแกนหลักเพื่อให้เกิดปฏิกิริยา การผสม การแยก และการทำงานอื่นๆ "ไมโคร" ของเครื่องปฏิกรณ์ไมโครแชนเนลไม่ได้หมายถึงขนาดที่เล็กของอุปกรณ์ปฏิกรณ์ไมโครหรือผลผลิตของผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเล็ก แต่หมายถึงว่าช่องของไหลอยู่ในสเกลไมโครเมตรหรือมิลลิเมตร กระบวนการปฏิกิริยาขนาดเล็กหมายถึงกระบวนการของระบบปฏิกิริยาที่สร้างขึ้นโดยอุปกรณ์เหล่านี้ ระบบปฏิกิริยาขนาดเล็กเรียกอีกอย่างว่าระบบเคมีขนาดเล็กซึ่งเป็นระบบย่อยสำหรับกระบวนการทางเคมี การออกแบบและพัฒนาระบบไมโครเคมีนั้นขึ้นอยู่กับแนวคิดในการย่อขนาดอุปกรณ์เคมีโดยไม่ลดความสามารถในการแปรรูปของอุปกรณ์ โดยการเพิ่มอัตราและความสามารถในการควบคุมของการไหล กระบวนการผสมและถ่ายโอนในระบบ เวลาที่เสร็จสมบูรณ์ของ ปฏิกิริยาและการแยกสารสั้นลง ลดความซบเซาของวัสดุในกระบวนการ ลดการก่อตัวของผลพลอยได้ เพื่อตระหนักถึงกระบวนการทางเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปลอดภัย และมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางการพัฒนาที่สำคัญในด้านการเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการทางเคมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการแพทย์ ยาฆ่าแมลง ผลิตภัณฑ์เคมีชั้นดี และการสังเคราะห์ขั้นกลาง

เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กหรือเครื่องปฏิกรณ์ที่มีโครงสร้างจุลภาคหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบช่องสัญญาณขนาดเล็กเป็นอุปกรณ์ที่ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในพื้นที่จำกัดที่มีขนาดด้านข้างโดยทั่วไปต่ำกว่า 1 มิลลิเมตร; รูปแบบทั่วไปของการกักขังดังกล่าวคือไมโครแชนแนล เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กได้รับการศึกษาในสาขาวิศวกรรมกระบวนการขนาดเล็ก ร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆ (เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดเล็ก) ซึ่งกระบวนการทางกายภาพเกิดขึ้น ไมโครรีแอคเตอร์เกี่ยวข้องกับโครงสร้างไมโครแฟบริคเพื่อให้เคมีการไหลสามารถดำเนินการได้ในระดับไมครอน เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กมักเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่อง (ตรงกันข้ามกับ/กับเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์) ไมโครรีแอกเตอร์มีข้อดีหลายประการเหนือเครื่องปฏิกรณ์แบบปรับขนาดได้ทั่วไป รวมถึงการปรับปรุงอย่างมากมายในด้านประสิทธิภาพพลังงาน ความเร็วของปฏิกิริยาและผลผลิต ความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ ความสามารถในการปรับขนาด การผลิตในสถานที่/ตามความต้องการ และระดับการควบคุมกระบวนการที่ละเอียดกว่ามาก

ลักษณะทางเทคนิคของไมโครรีแอกเตอร์

• พื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่และการถ่ายเทความร้อนที่ดี------เนื่องจากโครงสร้างระดับจุลภาคภายในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก พื้นที่ผิวเฉพาะของมันจึงใหญ่มาก ซึ่งอาจมากกว่าพื้นที่ผิวเฉพาะของถังกวนได้หลายร้อยหรือหลายพันเท่า ดังนั้น มีความสามารถในการถ่ายเทความร้อนและมวลได้ดี โดยปกติค่าสัมประสิทธิ์การแลกเปลี่ยนความร้อนจะอยู่ที่อย่างน้อย 25kW m − 2K − 1 ซึ่งสามารถรับรู้ถึงการผสมที่สม่ำเสมอในทันทีและการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพของวัสดุ
• ประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวลสูงและความเร็วในการเกิดปฏิกิริยาที่รวดเร็ว-------เครื่องปฏิกรณ์แบบช่องไมโครสามารถบรรจุช่องไมโครได้หลายช่อง และก๊าซและของเหลวในช่องไมโครสามารถไหลผ่านการไหลด้วย 10-4 ถึง 10-6m/s กระบวนการผสมปฏิกิริยาของของเหลวสามารถรับรู้ถึงปฏิกิริยาการผสมแบบทันทีและสม่ำเสมอของวัสดุ และทำให้ปฏิกิริยาของปฏิกิริยาเคมีธรรมดา เวลาลดลงจากชั่วโมง - สิบชั่วโมงเป็นวินาที - นาทีและได้ปริมาณงานสูง
• การควบคุมอุณหภูมิและเวลาในการทำปฏิกิริยาอย่างแม่นยำเพื่อเพิ่มผลผลิต-------ลักษณะการถ่ายเทความร้อนที่ยอดเยี่ยมของเตาปฏิกรณ์ขนาดเล็กทำให้สามารถควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำภายในช่วงที่กำหนด ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับปฏิกิริยาบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์ขั้นกลางและความไม่เสถียรทางความร้อน ผลิตภัณฑ์เคมีชั้นดี สารตั้งต้นไหลอย่างต่อเนื่องในเครื่องปฏิกรณ์ไมโครแชนแนล สามารถควบคุมเวลาพักของวัตถุดิบภายใต้สภาวะการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ เมื่อถึงเวลาตอบสนองที่เหมาะสมที่สุด จะถูกส่งต่อไปยังขั้นตอนถัดไปทันทีหรือปฏิกิริยาจะสิ้นสุดลง ซึ่งสามารถกำจัดผลพลอยได้ที่เกิดขึ้นเนื่องจากเวลาในการทำปฏิกิริยาที่ยาวนานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเพิ่มผลผลิต
• ความสามารถในการกักเก็บของไหลน้อยลง ปลอดภัยยิ่งขึ้น และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นสำหรับการผลิตอย่างต่อเนื่อง-------เนื่องจากการถ่ายเทความร้อนที่ดีของไมโครรีแอกเตอร์ อุณหภูมิของปฏิกิริยาจะไม่สะสมมากเกินไป และได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำภายในช่วงที่กำหนด ซึ่งสามารถลดความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นได้ ของการระเบิด โดยปกติแล้วไมโครรีแอกเตอร์จะทำงานอย่างต่อเนื่อง ปริมาณของสารตั้งต้นในไมโครรีแอกเตอร์นั้นน้อยมาก สิ่งนี้ทำให้สามารถประมวลผลตัวกลางที่ไม่เสถียรได้ในภายหลัง และหลีกเลี่ยงความล่าช้าในการทำงานเป็นชุดทั่วไป เวลาพักตัวของตัวกลางปฏิกิริยาที่ไม่เสถียรนั้นสั้นมากและจะไม่สลายตัว แม้ว่าตัวกลางปฏิกิริยาหรือตัวกลางปฏิกิริยาสุดท้ายจะเป็นพิษและเป็นสารอันตราย นอกจากนี้เนื่องจากปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตต่อหน่วยเวลามีน้อยและเวลาพักตัวสั้น ความเป็นอันตราย อุบัติเหตุด้านความปลอดภัยลดลงในระดับมาก ปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรงจำนวนมากที่ไม่สามารถรับรู้ได้ในกระบวนการแบทช์ แต่สามารถรับรู้ได้ในไมโครรีแอกเตอร์ แม้แต่ปฏิกิริยาสำคัญ เช่น ไนตริฟิเคชัน ก็สามารถดำเนินการได้อย่างปลอดภัยที่อุณหภูมิสูง
• แม้ว่าเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กสามารถสังเคราะห์สารเคมีได้ในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น แต่การเพิ่มขนาดให้เท่ากับปริมาตรทางอุตสาหกรรมเป็นเพียงกระบวนการของการเพิ่มจำนวนเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก ในทางตรงกันข้าม กระบวนการแบบแบทช์มักจะทำงานได้ดีในห้องปฏิบัติการ แต่ล้มเหลวในระดับโรงงานนำร่องแบบแบทช์
• เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กยังสามารถเพิ่มหรือลดจำนวนโมดูลเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กในระบบได้อย่างยืดหยุ่นตามการเปลี่ยนแปลงของตลาด เพื่อให้ได้การผลิตที่ตรงเวลา ในสถานที่จริง และตามความต้องการ
• เทคโนโลยีการประมวลผลระดับไมโครสามารถใช้ในการรวมการผสมระดับไมโคร ปฏิกิริยาระดับไมโคร การแลกเปลี่ยนความร้อนระดับไมโคร การแยกระดับไมโคร การวิเคราะห์ระดับไมโคร และการทำงานของหน่วยอื่นๆ และการจับคู่ไมโครเซ็นเซอร์ ไมโครวาล์ว และอุปกรณ์อื่นๆ เข้ากับแพลตฟอร์มหรือแม้แต่ ชิปควบคุมเพื่อให้เกิดการสร้างแพลตฟอร์มหรือการทำงานแบบมัลติฟังก์ชั่นที่ใช้ชิป เพื่อให้ได้การตรวจสอบตามเวลาจริงและการควบคุมอัจฉริยะของระบบปฏิกิริยาขนาดเล็ก ปรับปรุงความเร็วปฏิกิริยา และประหยัดต้นทุนปฏิกิริยาในเวลาเดียวกัน

ประเภทของปฏิกิริยาที่เหมาะสมสำหรับไมโครรีแอกเตอร์

จนถึงตอนนี้ เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กอเนกประสงค์ยังคงจำกัดเฉพาะปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน และในระดับหนึ่ง ยังจำกัดเฉพาะปฏิกิริยาเฟสก๊าซ-ของเหลวและปฏิกิริยาเฟสของเหลว-ของเหลว ตามสถิติแล้ว ประมาณร้อยละ 30 ของปฏิกิริยาเคมีที่ดีสามารถทำได้ในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กเพื่อปรับปรุงผลผลิต ความสามารถในการคัดเลือก หรือความปลอดภัย ข้อดีของไมโครรีแอกเตอร์ส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นในปฏิกิริยาประเภทต่างๆ ต่อไปนี้:

• ปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรุนแรง-------สำหรับปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรุนแรง โดยทั่วไปแล้ว กระบวนการของเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปจะใช้วิธีเติมทีละหยดทีละน้อยหรือการเติมเป็นชุด ถึงกระนั้นก็จะยังคงมีความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่นและจะมีการผลิตผลพลอยได้จำนวนหนึ่ง เนื่องจากคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนที่ดีของเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก จึงสามารถควบคุมอุณหภูมิของปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ ขจัดความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น และเพิ่มผลผลิตและความสามารถในการคัดเลือกของผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีนัยสำคัญ
• ปฏิกิริยากับสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ที่ไม่เสถียร------สารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์บางชนิดไม่เสถียรมาก และจะสลายตัวและลดผลผลิตของผลิตภัณฑ์หลังจากเวลาพัก ระบบปฏิกรณ์ขนาดเล็กเป็นระบบไหลต่อเนื่อง และสามารถควบคุมเวลาพักของปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงสามารถหลีกเลี่ยงการสลายตัวเนื่องจากความไม่เสถียรของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเดิมได้
• ปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วโดยมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอัตราส่วนของสารตั้งต้น------บางปฏิกิริยามีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับอัตราส่วนของสารตั้งต้น และสารตั้งต้นที่มากเกินไปจะทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียง เช่น ปฏิกิริยาที่ต้องใช้การแทนที่เชิงเดี่ยว มีการสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีการแทนที่สองรายการและผลิตภัณฑ์ที่แทนที่สามรายการ ระบบปฏิกรณ์ขนาดเล็กสามารถผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ทันที ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาส่วนเกินในท้องถิ่นของสารตั้งต้นแต่ละชนิด และลดผลพลอยได้
• ปฏิกิริยาเคมีที่เป็นอันตรายและปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงและความดันสูง------ปฏิกิริยาเคมีบางอย่างที่ไม่สามารถควบคุมได้ง่าย เมื่อควบคุมไม่ได้แล้วจะทำให้อุณหภูมิและความดันในการทำปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สารตั้งต้นจะระเบิดออก เนื่องจากความร้อนของปฏิกิริยาสามารถส่งออกได้อย่างรวดเร็ว และเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กเป็นปฏิกิริยาที่ไหลอย่างต่อเนื่อง ปริมาณของสารเคมีออนไลน์จึงน้อยมาก ดังนั้นจึงรับประกันความปลอดภัยของปฏิกิริยาในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก

แน่นอนว่า ไม่ใช่ทุกปฏิกิริยาที่เหมาะกับระบบปฏิกรณ์ขนาดเล็ก เช่น ปฏิกิริยาของเหลว-ของแข็งที่ช้ามาก ปฏิกิริยาที่ไม่มีปรากฏการณ์คายความร้อนและดูดความร้อน และกระบวนการแบบดั้งเดิมมีปฏิกิริยาการเลือกและผลผลิตสูงอยู่แล้ว

ข้อผิดพลาดในการใช้งานของไมโครรีแอกเตอร์

• แม้ว่าจะมีเครื่องปฏิกรณ์ที่สร้างขึ้นสำหรับการจัดการอนุภาค แต่โดยทั่วไปแล้วเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กไม่สามารถทนต่ออนุภาคได้ดี และมักจะเกิดการอุดตัน นักวิจัยจำนวนหนึ่งระบุว่าการอุดตันเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก[8] ซึ่งได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นทางเลือกที่เป็นประโยชน์แทนเครื่องปฏิกรณ์แบบแบตช์
• การสูบน้ำด้วยกลไกอาจทำให้เกิดการไหลเป็นจังหวะซึ่งอาจเป็นผลเสียได้ งานจำนวนมากทุ่มเทให้กับการพัฒนาปั๊มที่มีการเต้นเป็นจังหวะต่ำ วิธีการแก้ปัญหาการไหลต่อเนื่องคือ การไหลด้วยไฟฟ้า (EOF)
• การกัดกร่อนทำให้เกิดปัญหาใหญ่ขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็ก เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ต่อปริมาตรอยู่ในระดับสูง การย่อยสลายเพียงไม่กี่ µm อาจไม่มีใครสังเกตเห็นในภาชนะทั่วไป เนื่องจากขนาดภายในโดยทั่วไปของช่องอยู่ในลำดับความสำคัญเดียวกัน ลักษณะต่างๆ อาจมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ
• แม้ว่าระบบปฏิกรณ์ไมโครรีแอกเตอร์สามารถเพิ่มขนาดตามปริมาณอุตสาหกรรมได้โดยการเพิ่มจำนวนไมโครรีแอกเตอร์และสามารถลดต้นทุนได้ แต่ความสามารถในการประมวลผลของระบบไมโครรีแอกเตอร์ก็มีข้อจำกัดอย่างมากเช่นกัน ในช่วงที่จำนวนไมโครรีแอกเตอร์เพิ่มขึ้นอย่างมาก ความซับซ้อนของระบบตรวจสอบและควบคุมปฏิกิริยาไมโครรีแอกชันก็เพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน และต้นทุนการลงทุนและการดำเนินงานสำหรับการผลิตจริงก็เพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน

แอพพลิเคชั่น

คำถามที่พบบ่อย

 

ป้ายกำกับยอดนิยม: เครื่องปฏิกรณ์ขนาดเล็กหรือเครื่องปฏิกรณ์ที่มีโครงสร้างขนาดเล็กหรือเครื่องปฏิกรณ์แบบช่องสัญญาณขนาดเล็ก ซัพพลายเออร์ ผู้ผลิต โรงงาน ขายส่ง ซื้อ