微反应器内聚合物合成研究进展

微反应器作为化学工程学科的前沿和热点方向,逐渐成为聚合物合成的新装备、新工艺与新产品开发的重要平台,得到学术界和产业界的广泛关注。微反应器可实现可控的多相微尺度流动,能够强化聚合反应中的混合、传质和传热过程,严格控制反应时间,实现反应单元的模块化组合。与传统搅拌反应器相比,这些特点使得微反应器在控制聚合物分子量分布,简化反应环境,提高反应选择性,调节聚合物分子结构和宏观形貌等方面展现出了一定优势。本文全面综述了聚合物合成微反应器理论和技术的研究进展,并在新过程和新产品开发、反应动力学测量、微尺度基础研究和反应器放大等方面进行了展望。     

微尺度下非均相反应的研究进展

微结构反应器(微反应器)是微化工系统的核心装备之一,是实现化工过程强化的重要技术基础。从微尺度非均相反应过程的基本原理出发,系统综述了近十年来微尺度下多相流动、分散和传递等方面的相关报道,系统地介绍了一些典型微尺度非均相反应过程,分析总结了微尺度反应技术的优势和特点,并对未来微尺度反应技术的发展方向提出了展望。     

连续化微反应技术在香料、香精和化妆品合成中的应用

作为一项全新的过程强化技术,连续化微反应技术在香料、香精和化妆品合成中的应用与日俱增。综述了近年来微反应技术在香料合成研发和生产方面的进展。与传统的间歇式反应器不同,连续化微通道反应器的主要特点是连续进料、传质换热能力大大加强以及可以精确控制反应参数等。该技术在许多香料合成常用的反应中都体现出了常规反应器无法比拟的优势,同时在合成香料工业应用的成功范例也展示了微反应技术可以预见的广阔前景。     

微尺度内液-液传质及反应过程强化的研究进展

微化工技术作为一种高效的过程强化技术获得了广泛应用。本文从流动、传递及反应三者之间的耦合机制出发,系统综述了近十五年以来关于微尺度内液-液两相流动与传质过程特征、强化传质的微反应器、评价标准及其在化学品合成与材料制备中的应用等方面的研究进展,并对其未来发展方向进行了展望。     

费托合成微反应器研究进展

费托合成技术能将煤、天然气和生物质等含碳资源间接转化为液体燃料, 对于缓解我国油品资源短缺的现状具有重要意义。本文在介绍费托合成技术的原理以及微反应器优势的基础上, 对费托微反应器的相关研究工作进行了总结。在反应器的类型介绍部分, 分析了填充型和壁面涂覆型两大类微反应器各自的特点, 与壁面涂覆型微反应器相比, 填充型反应器有压降大、导热性能相对较差等问题, 而在整体式微反应器中应用的催化剂层壁面涂覆技术则可有效地避免这些问题。在数值分析方面, 指出费托合成相关的模拟研究主要集中在通过建立反应动力学模型, 对微反应器内的温度场和产物分布进行分析, 并对操作工况和反应器结构的设计提供依据。最后指出, 目前费托合成微反应器在反应板片和冷却系统的结构优化与匹配设计、反应单元的组装、催化剂的壁面负载技术以及微反应器中的传输现象等研究领域, 还有很多方面需要研究, 在未来微反应器中费托合成技术会得到更大的发展。     

微反应器在重整制氢系统中的应用与进展

微反应器在传质、传热、反应效率等方面都明显优于传统反应器,具有微尺度、节能、安全、稳定等诸多优点。从微制氢系统组成、微制氢反应器的加工、催化剂装载和连接密封等方面对微反应器在重整制氢系统中的应用进行综述。     

多相反应体系的微界面强化简述

加氢、氧化等气液慢反应过程广泛存在于现代过程工业之中,这些反应过程一般受传质速率控制。因此,对这类多相反应体系的传质强化一直是研究热点之一。但总体而言,除外场和微通道（微流控）强化等一类强化反应器外,以往的研究大多集中于界面尺度为毫-厘米级的传统反应器的搅拌与混合方式、气泡分布状态、流体流型、构效关系等方面,而鲜有将研究视角投放到传统以米为直径计量单位的反应器平台上如何构建尺度为微米级的界面体系及其特殊效应方面。探讨了多相反应体系的微界面反应强化理念,并简述了微界面的涵义、微界面反应强化与构效调控方法、微界面反应器的结构与形成原理、微界面体系的微颗粒测试与相界面表征技术、微界面反应强化面临的问题与挑战等,以与本领域同行共同研讨。     

微反应器中费托合成的研究进展

目前费托合成常用的固定床、浆态床和流化床三种反应器存在不同程度的传质和传热问题,同时反应物/产物与催化剂难以分离,而微反应器因其可在接近等温和很小压降条件下进行反应,从而有望改善费托合成的反应性能,提高所用催化剂的活性和选择性。本文首先介绍了微反应器的结构和特性,然后从催化剂种类及其在微反应器中颗粒装填式和器壁涂覆式两种形式简述了微反应器中费托合成的实验研究,并从计算流体力学和动力学研究等方面简述了微反应器中费托合成的模拟计算。     

微反应器技术在Fischer-Tropsch合成中的应用进展

微反应器可以通过改善传质和传热而强化反应过程,为Fischer-Tropsch 合成技术的发展提供了新的机遇。 本文简要回顾了微反应器的研究及发展过程,从微反应器的本质特点着手,介绍了微反应器技术在 Fischer-Tropsch 合成中的应用进展。Fischer-Tropsch 合成微反应器结构经历了从单通道、多通道、复合通道结构 的研究过程,催化剂也开发有填充型和涂覆型两类。根据微反应器的特点,催化剂开发也取得了显著进步,与 传统催化剂相比,微通道催化剂的活性可以达到固定床的8～10 倍。反应器模型和数值模拟工作可以辅助实验 研究,提供温度、浓度、压力等分布参数,有利于反应器设计。最后介绍了目前微反应器Fischer-Tropsch 合成 技术的中试及工业应用情况。通过对上述内容的总结,对微反应器Fischer-Tropsch 合成研究和发展进行了展望。     

微反应器内连续重氮化/偶合反应进展

微反应器一般是指通过微加工和精密加工技术制造的小型反应器,其为微化工技术的核心部件之一。与传统的釜式反应器相比,微反应器具有很大的优势,顺应了高技术含量和可持续发展的要求。在化学化工、材料、生物等诸多领域的研究和生产过程中,微反应器都有着广泛的应用前景,这其中一大部分涉及到了危险或不稳定物质的合成过程及高放热反应过程等。本文主要介绍了国内外利用微反应器技术进行重氮化反应连续化的研究进展,以及利用微反应器进行连续重氮化/偶合反应合成偶氮染料及颜料的研究进展。微反应器技术使化学反应过程变得更快速、更安全、更环保,所以具有很高的工业应用价值,也是化工领域未来的发展方向之一。     

Progress of polymer reaction engineering: From process engineering to product engineering

Polymer reaction engineering studies the design, operation, and optimization of reactors for industrial scale polymerization, based on the theory of polymerization kinetics and transfer processes (e.g., flow, heat and mass transfer). Although the foundation and development of this discipline are less than 80 years, the global production of polymers has exceeded 400 million tons per annum. It demonstrates that polymer reaction engineering is of vital importance to the polymer industry. Along with the maturity of production processes and market saturation for bulk polymers, emerging industries such as information technology, modern transportation, biomedicine, and new energy have continued to develop. As a result, the research objective for polymer reaction engineering has gradually shifted from maximizing the efficiency of the polymerization process to the precise regulation of high-end product-oriented macromolecules and their aggregation structures, i.e., from polymer process engineering to polymer product engineering. In this review, the frontiers of polymer reaction engineering are introduced, including the precise regulation of polymer chain structure, the control of primary aggregation structure, and the rational design of polymer products. We narrow down the topic to the polymerization reaction engineering of vinyl monomers. Moreover, the future prospects are provided for the field of polymer reaction engineering.     

Ultrasonic Fabrication of Polymer Plate Reactors with a Surface Coating

Microreactors offer several advantages compared to the industrial scale when developing new chemical processes. Especially the production and investment costs are low if polymer microreactors are generated by ultrasonic processes. In order to observe the chemical reaction and the flow configuration, these microreactors need to be optically transparent, mechanically stable, and chemically inert to several reagents. The manufacturing process of a transparent polymer plate reactor with a chemically inert surface coating by ultrasonic fabrication is described. Experimental characterization of the microreactors showed that they are leak tight up to a pressure difference of at least 300 kPa and the mixing times are in the range of milliseconds.     

Micromixer-assisted polymerization processes

Mixing in polymerization processes is an extremely important issue as uneven mixing inevitably leads to the synthesis of polymer with undesired characteristics. On the other hand, microeaction technology has enabled the development of extremely efficient micromixers which, within typical few milliseconds, allow mixing fluids at the microscale level. Recent developments in polymerization reaction engineering include the use of such micromixers to mix either initial reactants or reactive viscous solutions in multistep processes. Thus, polymers with improved control over their molecular weights and molecular weight distributions, chemical compositions and architectures can be synthesized. Micromixers can also be used to open new operating windows in which controlled polymerization can be performed faster or under less stringent reaction conditions.     

聚合与混合

以化学反应工程观点对聚合物制造过程进行工程分析。着重阐述了聚合过程中粘度变化对物系传热传质状态和反应动力学的影响,以及对聚合反应器性能,以至对聚合物产品性能的影响。针对增粘过程的搅拌,异粘流体的调匀、粘稠物系的微观混合和非均相体系的产品粒度分布这4类典型的聚合过程课题,分析了各自的混合规律、提出了改进聚合反应器性能,提高产品质量的控制因素及其控制对策。     

A consecutive microreactor system for the synthesis of caprolactam with high selectivity

A microreactor system containing two consecutive microreactors and a stirred vessel was developed for the improvement of selectivity of caprolactam (CPL) synthesis. The first microreactor was used to conduct the reaction of cyclohexanecarboxylic acid and oleum, and 97% selectivity for the intermediate product, named mixed anhydride, was obtained. The mixed anhydride then quickly reacted with nitroso‐sulfuric acid in the second microreactor, and the reaction was completed in the vessel, where CPL selectivity reached 93.9%, a much higher value than that achieved either in a control experiment with a batch reactor or in industrial process. The advantage of microreactors is that they can provide high‐quality mixed anhydride and can mix it quickly with the nitroso‐sulfuric acid prior to reaction in the vessel reactor, which, from an engineering standpoint, gives better performance than the traditional syringe‐fed method that is common in chemical synthesis. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 1959–1967, 2015     

A study on the micromixing performance in microreactors for polymer solutions

Microreactors are widely applied for various polymerization processes to produce polymers with controlled molecular weight and structures. In this work, the mixing of polymer solutions in capillary microreactors was investigated with the aid of the biazo‐coupling reaction system and high‐speed camera. A smaller inner diameter, a higher Dean number and a lower Torsion number could promote the micromixing performance in microreactors. Unlike the mixing of Newtonian fluids in microreactors or micromixers, the mixing of polymer solutions follows different mechanisms and it is more difficult to reach homogeneous condition. However, the good micromixing performance in capillary microreactor systems for polymer solutions still could be obtained with high shear rates and long enough capillary length at relatively high correlated Reynolds numbers (N_Re > 29). Furthermore, the micromixing time in the capillary microreactors was evaluated based on a modified stretching efficiency model and its value was in the range of 0.1–8.0 ms. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 3479–3490, 2018     

连续微反应加氢技术在有机合成中的研究进展

加氢反应是有机合成中很常见的一种反应类型,采用常规的间歇加氢釜具有反应效率低、操作烦琐和安全性差等问题。而连续加氢微反应器进行非均相催化加氢反应能提供更高的传质性能,催化剂的回收利用与产物的纯化也更为方便,能极大地提高生产效率,减少贵金属催化剂的损失。因为这些优点,连续微反应加氢技术得到了越来越多的关注。本文阐述了连续微反应加氢技术中常用的微反应器与固体金属催化剂类型,以及不同官能团非均相高效催化加氢的研究进展,在此基础,对该技术在精细化工领域的应用进行了展望。连续微反应加氢技术使得加氢过程可以在更安全、更高效、更环保的条件下完成,具有很高的工业应用价值,是未来化学化工领域重点发展的方向之一。     

Recent advances in polymer reaction engineering: Modeling and control of polymer properties

Complex reaction kinetics and mechanisms, physical changes and transport effects, non-ideal mixing, and strong process nonlinearity characterize polymerization processes. Polymer reaction engineering is a discipline that deals with various problems concerning the fundamental nature of chemical and physical phenomena in polymerization processes. Mathematical modeling is a powerful tool for the development of process understanding and advanced reactor technology in the polymer industry. This review discusses recent developments in modeling techniques for the calculation of polymer properties including molecular weight distribution, copolymer composition distribution, sequence length distribution and long chain branching. The application of process models to the design of model-based reactor optimizations and controls is also discussed with some examples. This paper is dedicated to Professor Hyun-Ku Rhee on the occasion of his retirement from Seoul National University.     

光化学微反应技术的基础及研究进展

光化学转化是有效利用光能实现化学反应的重要途径,微反应技术为提高其过程效率提供了一个强有力的平台。本文首先指出微反应器相比于传统釜式光反应器,在光强分布、过程放大、光能利用效率等诸多方面存在明显的优势,能够实现光化学反应过程的高效强化。简要地介绍了光化学转化及光化学微反应技术的基本特征,然后系统地综述了光化学微反应器的设计构建及其在有机合成、聚合等方面的应用,并详细介绍了自动化控制的光化学微反应系统及应用。重点介绍了微反应技术在紫外光、可见光辐照下的光化学合成进展及其过程放大。最后,对光化学微反应技术的研究进展进行总结,并对其发展趋势进行了展望。     

微反应器研究及展望

综合概括了微反应器(微通道反应器)的基本概念,把微反应器与其他微通道设备相区别;从化学反应工程的角度按气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等类型对各种新型微反应器予以简略而突出的介绍;从其几何特性出发系统而深入地阐述了微反应器具有的一系列超越传统反应器的独特优越性;简略介绍了微反应器的制作、研究现状和展望。