微流道反應器系統設計與應用趨勢

 

刊登日期:2021/1/5
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楊慕震、金志龍/工研院材化所;許振霖/工研院生醫所
 
微反應器具有良好的混合效率,並且能夠有效控制反應溫度與滯留時間,可以有效地藉由高轉化率與選擇率,減少原物料與能源及土地的需求,因此對精密化學工業與製藥產業來說成為一熱門課題。本文由基礎原理開始,介紹微反應器可以具備競爭優勢的主要學理依據,同時介紹一般微反應器內流動現象與原材料篩選原則,最後介紹工研院研究微反應技術的最新進展。工研院所設計的先進型微反應器系統,結合流體對撞與噴射原理,有效提高混合效率至傳統對撞型微反應器的3~8倍,直接提高混合效率,從而將反應器內的質熱傳遞進一步優化,提升反應轉化率與選擇率,現該設計已獲得中華民國與美國專利,有助於推動國內醫藥與精密化學產業微反應器應用。
 
【內文精選】
前 言
隨時代的進步,製藥與精密化學產業開發新產品的時間和成本不斷提升,為減少成本和時間消耗,改進生產途徑與生產技術路線並配合及最小化環境影響的需求日益增長,使得替代傳統批次生產技術的製程整合或是微型化技術,引起業界相當大關注。
 
微反應技術由於減少了滯留量,並在同尺度的設備上具有較高的量產潛力,同時消除了放大所會產生的質傳與熱傳現象,因此製程設備中的微型設備已成為化學與製藥領域的新關注焦點。
 
目前大多數反應是使用大型傳統攪拌反應槽設備進行的。然而使用傳統工程技術的主要問題,是由實驗室到商業化生產需要經過冗長繁複的放大實驗過程,耗費可觀的經費與時間成本。微反應技術通過複製單元過程,實現大批量生產,有可能繞過傳統放大步驟,從而可以將實驗室優化的條件直接轉移到生產規模。因此微型化反應是精密化工與製藥行業特別感興趣的領域,總體上減少了開發時間,可以將新的化合物直接由實驗室合成並將其轉移到商業化生產中。
 
微反應器優勢
與常規容器設備相反,在常規容器設備中,由湍流提供混合,微反應器(Microreactor)的雷諾數更低,在2~200範圍內。在這種情況下,層流條件占優勢,並且質傳僅受分子擴散支配。
 
圖一顯示常規設備的典型幾何尺度在厘米範圍內,並且產生的流體結構為100μm~1mm,擴散時間在氣體中的速度要慢於1毫秒,在液體中的時間為1秒。微反應器典型的長度範圍從 100μm~1mm,此類的微結構設備提供的流體結構之長度範圍約為100毫米至1微米,如此微小的流體結構導致在氣體中的混合時間短於 100微秒,而在液體中的混合時間約為1毫秒。
 
圖一、微結構器混合的特徵長度和時間尺度
圖一、微結構器混合的特徵長度和時間尺度
 
以上為微反應器可以提高選擇性和化學反應產率的主要原因。通常,長度越短,傳輸過程的特徵時間越短,轉換頻率就越高。通過適當設計的微混合器(Micromixer)和組分濃度的調整,可以顯著提高複雜反應的選擇性。
 
工研院微反應器模擬設計
工研院結合流體力學與反應工程學計算作為設計微反應器的基礎工具,主要的目的為設計出一種新穎的微型流道混合機制,可以在微小的空間與相對較短的流道內,達成不同的流體,包括互溶與不互溶的液相、液相與氣相的高度混合效果,以增加反應流體間反應分子的碰撞機率,提高反應速率常數中的頻率因子(Frequency Factor),因而提高微反應器的反應效率。設計主要應用的方程式包括:①流體動力方程式;②連續方程式;③熱傳方程式;④質傳與反應方程式;⑤化學反應式。
 
圖三為工研院設計與傳統式對撞流道流動情形對比。上方圖形為傳統式對撞流道模擬結果,下方圖形為本案發明模擬結果,可以看出在相同入口條件(0.67 m/s),與相同流道寬度(2mm)下,本發明對比傳統設計有明顯改善…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖三、工研院設計與傳統式對撞流道流動情形對比(m/s)
圖三、工研院設計與傳統式對撞流道流動情形對比(m/s)
 
★本文節錄自《工業材料雜誌409期,更多資料請見下方附檔。

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