今天閱讀的文獻(xiàn)在Histcite中編號(hào)為188，是2003年發(fā)表在CatalysisToday上的一篇文獻(xiàn)，文章中提出了一種以聚四氟乙烯毛細(xì)管為微通道的微反應(yīng)器，同時(shí)使用了液液兩相的單環(huán)芳烴硝化反應(yīng)作為研究對(duì)象，探討了其中的相間傳質(zhì)，溫度，停留時(shí)間等因素的影響，最后還使用CFD分析了液滴內(nèi)的內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)（二次流）的影響。

Introduction

文章在一開始就說明了所要研究的反應(yīng)，液液兩相的苯環(huán)的硝化反應(yīng)，硝酸硫酸的混合物的水相作為硝化劑，單環(huán)芳烴作為有機(jī)相。之后，文章說明了毛細(xì)管微反應(yīng)器可以提供非常平均且規(guī)整的流型和等溫的反應(yīng)條件。

Experimental method

在實(shí)驗(yàn)方法部分，文章詳細(xì)地說明了反應(yīng)裝置和反應(yīng)條件，詳見圖1所示，使用活塞泵將單環(huán)芳烴和硝酸注入反應(yīng)裝置中，反應(yīng)首先使用Y型混合器產(chǎn)生良好的液液流型，然后在毛細(xì)管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的壓力為4 bar，反應(yīng)的溫度為60到120攝氏度，這里注明一點(diǎn)，之所以選擇壓力為4 bar，是為了防止溫度過高產(chǎn)生氣泡，聚四氟乙烯毛細(xì)管外部還有一個(gè)套管流動(dòng)著熱流體保持反應(yīng)溫度恒定，流體出反應(yīng)管后進(jìn)入淬滅裝置，保持溫度在20攝氏度來停止反應(yīng)，然后使用針型閥來泄壓至常壓，然后使用冷卻水降溫稀釋，取有機(jī)相通入氣相色譜分析組成。

圖1 反應(yīng)裝置及反應(yīng)條件示意圖

聚四氟乙烯毛細(xì)管中產(chǎn)生的流型Plug Flow見圖2所示。

圖2 液液兩相流示意圖

Results and discussion

文章在這一部分著重討論了液液兩相的流型，副產(chǎn)物的產(chǎn)生，相間傳質(zhì)和反應(yīng)模型，在這里進(jìn)行簡要敘述，可以以下重點(diǎn)。

· 進(jìn)入毛細(xì)管的液滴（plug）的體積是由Y型混合器的管徑?jīng)Q定的，混合器的管徑越小，液滴的體積越小，而液滴的長度則是由毛細(xì)管的管徑?jīng)Q定的，在體積相同（也就是Y-mixer相同）的情況下，毛細(xì)管管徑越小，液滴長度越長。

· 由圖3所示，B（硝基單取代物）為目標(biāo)產(chǎn)物，C（二硝基取代物）與D（硝基酚類）都是副產(chǎn)物，文章主要鑒定了副反應(yīng)C與D的反應(yīng)序列，也就是確定了副反應(yīng)到底是主反應(yīng)的平行反應(yīng)還是連串反應(yīng)。可以看出C為連串反應(yīng)副產(chǎn)物，D為平行反應(yīng)副產(chǎn)物。

圖3 主反應(yīng)和副反應(yīng)步驟

在討論溫度時(shí)，確定了副反應(yīng)的活化能（2,3）都要高于主反應(yīng)（1）。

· 在討論傳質(zhì)的影響時(shí)，確定了硝化反應(yīng)是傳質(zhì)控制的反應(yīng)，隨著流體流速的增加，反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率增加，副產(chǎn)物D的收率率增加，副產(chǎn)物C的收率下降，這可以從以下的討論中得到解釋，微反應(yīng)器內(nèi)隨著流速的增加，相間傳質(zhì)速率的增加，雖然B的生成速率增加但同時(shí)更多的B從水相萃取至有機(jī)相中，減少了反應(yīng)物B的濃度，從而降低了后需連串步驟（2）的反應(yīng)速率。

· 文章初步假設(shè)了硝化反應(yīng)的模型----水相是硝化反應(yīng)發(fā)生的相態(tài)，所考慮的傳質(zhì)就是反應(yīng)物從有機(jī)相傳遞至水相，產(chǎn)物從水相傳遞至有機(jī)相。

· 文章最后使用FEMLAB的軟件模擬得到了液滴內(nèi)的內(nèi)循環(huán)的具體流動(dòng)狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 液滴內(nèi)循環(huán)流動(dòng)CFD模擬圖

Conclusion

文章最后得到了主要兩點(diǎn)結(jié)論：

第一、毛細(xì)管反應(yīng)器由于其具有等溫和固定的相間面積使得其非常適宜于液液兩相反應(yīng)體系的傳質(zhì)系數(shù)或是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測量；

第二、流速增加之所以可以強(qiáng)化傳質(zhì)是因?yàn)橐旱蔚膬?nèi)循環(huán)流動(dòng)的加強(qiáng)，這一點(diǎn)文章說已經(jīng)從模型和CFD模擬兩方面進(jìn)行了闡述。

結(jié)語

這篇文章給出了毛細(xì)管反應(yīng)器作為液液反應(yīng)的傳質(zhì)和動(dòng)力學(xué)系數(shù)測量的可能性，但是文章并沒有給出具體的傳質(zhì)系數(shù)隨速度的表達(dá)式，亦或是反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，同時(shí)CFD模擬討論的并不多，也只是給出了可行性而已，不過作為一篇啟發(fā)式的文獻(xiàn)，還是非常值得我們學(xué)習(xí)的。

參考文獻(xiàn)

 [1] Dummann G., Quittmann U., Groschel L.,et al., The capillary-microreactor: a new reactor concept for theintensification of heat and mass transfer in liquid-liquid reactions, Catalysis Today, 2003, 79(1-4): 433-439.

（文章來源 - 微信公眾號(hào)：耳朵二水 作者：二水 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）