マイクロチャネルの原理と適用範囲

マイクロチャネルは、マイクロチャネル熱交換器としても知られ、チャネル相当直径が 10 ～ 1000μm の範囲の熱交換器です。これらの熱交換器は、フラット チューブ内に数十の微細な流路があり、フラット チューブの両端の円形マニホールドに接続されています。熱交換器のチャネルを複数のプロセスに分離するために、マニホールド内にバッフルが取り付けられています。従来の化学生産と比較して、マイクロチャネルには開発の大きな可能性があり、ファインケミカルエンジニアリングにおける広範な応用の可能性があります。それでは、さまざまな側面からマイクロチャネルを一緒に掘り下げてみましょう。

I. マイクロチャネルリアクターを理解する

マイクロチャネルリアクターの紹介

本質的に、マイクロチャネル リアクターは連続流管型リアクターの一種です。これには、ミキサー、熱交換器、反応器コントローラー、その他の化学ユニットの要件が含まれます。現在、マイクロチャネルリアクターの全体構造は 2 つのタイプに分類できます。1 つは一体構造であり、向流または向流熱交換器の形で現れ、単位体積での高スループット操作を可能にします。一体型構造では、同時に 1 つの操作ステップのみを実行でき、これらの対応するデバイスが最終的に接続されて複雑なシステムを形成します。もう 1 つは、異なる機能を持つモジュールのスタックで構成される階層構造で、ある操作は 1 つの層で実行され、別の操作は別の層で実行されます。さまざまな層モジュール内の流体の流れは、インテリジェントな分流デバイスによって制御され、より高いスループットを達成できます。一部のマイクロチャネル反応器またはシステムは、通常、スループットを向上させるために並行して動作します。

II.マイクロチャネルリアクターの原理

マイクロリアクターとは主に、表面科学および微細加工技術を使用して製造された、サブミクロンおよびサブミリメートル範囲のチャネル サイズを備えた小型のマルチチャネル リアクターを指します。マイクロリアクターの流路サイズはサブミクロンおよびサブミリメートルのレベルにすぎません。マイクロリアクターは、従来の化学装置と比較して優れた熱伝達特性と物質移動特性を備えているため、高熱放出と高速反応を伴う実験に特に適しています。マイクロリアクターの原理を理解することは、多くの人にとって興味深いことです。

マイクロ化学技術の概念は、従来規模の熱伝達メカニズムに由来しています。円管内の層流の場合、壁温度が一定の場合、式(1)から分かるように、熱伝達係数 h は管径 d に反比例します。同様に、円管内の層流の場合、管壁の成分 A の濃度が一定であれば、物質移動係数 kc は管径に反比例します（式（2））。式(3)に示すように、マイクロチャネル内の流れは層流が多く、流体の混合は主に分子拡散に依存するため、混合時間tはチャネルスケールの2乗に比例します。チャネルの特徴的なサイズを縮小すると、比表面積が大幅に増加するだけでなく、プロセスの伝達特性も大幅に向上します。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

ここで、Nu はヌッセルト数、Sh はシャーウッド数、D は拡散係数です。化学プロセスで行われる化学反応は、移動速度または固有の反応速度論、あるいはその両方によって制御されます。瞬間的かつ迅速な反応の場合、従来規模の反応装置で行う場合、反応は移動速度によって制御されます。マイクロスケール反応システムでは、移動速度の大幅な増加により、そのようなプロセスの反応速度が大幅に向上します。主に固有の反応速度論によって制御される遅い反応に関しては、プロセスを強化する重要な手段の 1 つは固有の反応速度を高めることであり、これは通常、反応温度を上昇させるかプロセス操作条件を変更することによって達成されます。現在、炭化水素ニトロ化反応の工業的応用のほとんどは中低速反応プロセスのカテゴリーに属しており、反応時間は数十分から数時間の範囲に及びます。マイクロリアクターでは断熱ニトロ化を使用でき、プロセス条件を同時に変更することで反応時間を数秒に短縮できます。したがって、理論的には、ほぼすべての反応プロセスを強化することができます。