Mikrochemische Technologie im Rahmen eines großen chemischen Produktionsmodells

Gegenwärtig ist die chemische Produktion nach dem Modell der "Großchemie" mit vielen Problemen behaftet, wie z. B. riesige Anlagen, hoher Energieverbrauch, starke Umweltverschmutzung, Verschwendung von Ressourcen, geringe Effizienz usw. Wie diese Probleme effektiv gelöst werden können, ist eine Herausforderung, der sich die chemische Industrie stellen muss. Als eine neue Art der chemischen Technologie kann das mikrochemische System den Reaktionsprozess verstärken, den Energie- und Materialverbrauch des Prozesses reduzieren und die Produktionseffizienz und -sicherheit verbessern, so dass es weit verbreitet ist.

Die Modernisierung der Informationstechnologie durch Computer und die Entwicklung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) haben dazu geführt, dass das Konzept der "Miniaturisierung" in alle Bereiche des menschlichen Lebens und Arbeitens vordringt. Die chemische Produktion hat zwei große Entwicklungsstufen durchlaufen, den traditionellen "Einheitsbetrieb" und "drei Durchgänge und eine Umkehrung", und der Bereich der fortgeschrittenen Forschung erweitert sich allmählich auf den Bereich der Mikroskala.

Experimentieren - Kleiner Versuch - Mittlerer Typ - Chemische Produktion

 

Die mikrochemische Technologie umfasst Mikroreaktoren, Mikromischer, Mikroseparatoren, Mikrowärmetauscher usw., bei denen die Flüssigkeit mikrofluid ist.

 

Mikrochemisches System: ein chemischer Prozess, der in einem begrenzten Raum im Mikrometer- oder Submillimeterbereich abläuft, mit mikrostrukturierten Komponenten als Kern, der die Durchmischung und den Transfer durch Verkleinerung des Dispersionsmaßstabs des Systems verbessert und so die Kontrollierbarkeit und Effizienz des Prozesses erhöht. Bei der technischen Vergrößerung von Mikroreaktoren handelt es sich im Wesentlichen um eine Erhöhung der Anzahl der Einheiten (numbering up), d. h. um mehrere Parallelschaltungen, und nicht um eine Vergrößerung im Reaktormaßstab (Scale up).

 

Mikroreaktoren sind nicht wegen ihrer Größe klein, sondern wegen ihrer engen Strömungskanäle, der hohen Strömungsgeschwindigkeiten, der hohen Mischintensität und des verbesserten Massen- und Wärmeübergangs.

 

Im Vergleich zu den traditionellen chemischen Anlagen haben die mikrochemischen Anlagen folgende Vorteile: hohe Übertragungsrate, einfache direkte Verstärkung, hohe Sicherheit, einfache Steuerung, usw. Sie können die kontinuierliche und hochintegrierte, dezentralisierte und flexible Produktion von chemischen Prozessen realisieren. Sie können die Effizienz der Nutzung von Ressourcen und Energie im Reaktionsprozess erheblich verbessern und die Intensivierung, Miniaturisierung und Ökologisierung des chemischen Prozesses realisieren.

 

Geringes Risiko

Bei vielen Reaktionen in der chemischen Industrie handelt es sich um stark exotherme Prozesse, bei denen Explosionsgefahr besteht. Der Einsatz der Mikroreaktionstechnik kann die Effizienz des Prozesses verbessern und die Sicherheit des Prozesses erhöhen. Zum Beispiel ist die Sicherheit von Hydrierungs- und Oxidationsreaktionen bei der Herstellung von Wasserstoffperoxid der wichtigste Aspekt bei der Bestimmung der Sicherheit des Prozesses.

 

 

Hohe Effizienz und Schnelligkeit

Die Ausbeute der Amidierungsreaktion im Toluolverfahren wurde von 82% auf über 95% erhöht, und der Verbrauch an rauchender Schwefelsäure für die Beckman-Umlagerungsreaktion im Benzolverfahren wurde um 30% reduziert.

 

 

Industrielle Produktion

 

50.000 Tonnen/Jahr Nano-Calciumcarbonat-Mikroreaktor-Produktionsanlage

 

Merkmale: geringe Investition, geringer Energieverbrauch; kleine Partikelgröße, enge Verteilung und gute Wiederholbarkeit des Produkts; einfache Kontrolle des Produktionsprozesses.

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Das Mikro-Wasserstoffquellensystem, das in der vom Dalian Institute of Chemical Technology entwickelten Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle der Kilowattklasse verwendet wird, hat die Vorteile einer schnellen Inbetriebnahme, eines geringen Kohlenmonoxidgehalts, einer hohen spezifischen Leistung usw. Das 10.000-Tonnen-Mikromischsystem, das im Institut für Flüssig-Flüssig-Mischung eingesetzt wird, hat die Synthesezeit von Dinitrochlorbenzol durch Nutzung der hocheffizienten Wärme- und Stoffübertragungsfähigkeit des Mikroreaktors erheblich verkürzt.

 

Das Joint State Key Laboratory of Chemical Engineering der Tsinghua-Universität hat erfolgreich eine industrielle Anlage zur Herstellung von monodispersen Kalziumkarbonat-Nanopartikeln mit einem 10.000-Tonnen-Membran-Dispersions-Mikrostrukturreaktor entwickelt, die auf der Membran-Emulgierungstechnologie basiert.

 

In mikroskaligen chemischen Systemen haben viskose Kräfte, elastische Kräfte, Oberflächenspannung, elektrostatische Kräfte usw. zu diesem Zeitpunkt einen erheblichen Einfluss auf das System, und viele makroskopische Gesetze gelten möglicherweise nicht mehr. Daher sind die Oberflächen- und Grenzflächeneffekte auf der Mikroebene, die Messung, Analyse und Steuerung von Mikroprozessen und andere Grundlagenforschung besonders wichtig. Die traditionelle Theorie der "drei Durchgänge und einer Umkehrung" muss überarbeitet, ergänzt und erneuert werden, und auch der Status quo der chemischen Produktion wird sich ändern!

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