Mikrokanalın Prensipleri ve Uygulama Kapsamı

Mikrokanallı ısı değiştiriciler olarak da bilinen mikrokanallar, kanal eşdeğer çapları 10-1000μm arasında değişen ısı değiştiricilerdir.Bu ısı eşanjörleri, düz bir borunun içinde, düz borunun her iki ucundaki dairesel manifoldlara bağlanan düzinelerce ince akış kanalına sahiptir.Isı eşanjörü kanallarını birden fazla prosese ayırmak için manifoldların içine saptırma plakaları yerleştirilmiştir.Geleneksel kimyasal üretimle karşılaştırıldığında mikrokanallar, hassas kimya mühendisliğinde önemli bir gelişme potansiyeline ve kapsamlı uygulama olanaklarına sahiptir.O halde gelin mikrokanalları farklı yönlerden birlikte inceleyelim.

I. Mikrokanal Reaktörlerini Anlamak

Mikrokanal Reaktörlerine Giriş

Esasen, bir mikrokanal reaktörü bir tür sürekli akışlı boru şeklinde reaktördür.Karıştırıcılar, ısı eşanjörleri, reaktör kontrolörleri ve diğer kimyasal ünite gereksinimlerini içerir.Şu anda, mikrokanallı reaktörlerin genel yapısı iki türe ayrılabilir: Birincisi, bir birim hacimde yüksek verimli operasyonlara olanak tanıyan, ters akışlı veya ters akımlı ısı eşanjörleri şeklinde ortaya çıkan entegre bir yapıdır.İntegral bir yapıda, aynı anda yalnızca bir işlem adımı gerçekleştirilebilir ve bu ilgili cihazlar, sonuçta karmaşık bir sistem oluşturacak şekilde bağlanır.Diğer tip ise, farklı işlevlere sahip modül yığınlarından oluşan, bir işlemin bir katmanda, diğer işlemin ise başka bir katmanda gerçekleştirildiği katmanlı yapıdır.Çeşitli katman modüllerindeki sıvı akışı, daha yüksek verim elde etmek için akıllı yönlendirme cihazlarıyla kontrol edilebilir.Bazı mikrokanallı reaktörler veya sistemler, daha fazla verim sağlamak için tipik olarak paralel olarak çalıştırılır.

II.Mikrokanal Reaktörlerin Prensipleri

Mikroreaktörler esas olarak yüzey bilimi ve mikrofabrikasyon teknolojileri kullanılarak üretilen, mikron altı ve milimetre altı aralıkta kanal boyutlarına sahip küçük çok kanallı reaktörleri ifade eder.Mikroreaktörlerin kanal boyutu yalnızca mikron altı ve milimetre altı seviyelerdedir.Mikroreaktörler, geleneksel kimyasal ekipmanlarla karşılaştırıldığında üstün ısı ve kütle transfer özelliklerine sahiptir, bu da onları özellikle yüksek ısı salınımı ve hızlı reaksiyonların olduğu deneyler için uygun kılar.Mikroreaktörlerin prensiplerini anlamak birçok kişinin ilgisini çekmektedir.

Mikrokimyasal teknoloji kavramı, geleneksel ölçekli ısı transfer mekanizmalarından kaynaklanmaktadır.Dairesel bir boru içindeki laminer akış için, duvar sıcaklığı sabit olduğunda, formül (1)'den görüldüğü gibi, ısı transfer katsayısı h, boru çapı d ile ters orantılıdır.Benzer şekilde, dairesel bir tüp içindeki laminer akış için, A bileşeninin tüp duvarındaki konsantrasyonu sabit kaldığında, kütle transfer katsayısı kc tüp çapıyla ters orantılıdır (formül (2)).Mikrokanallar içindeki akış çoğunlukla, formül (3)'te gösterildiği gibi sıvı karışımını sağlamak için moleküler difüzyona dayanan laminer akışı içerdiğinden, karıştırma süresi t, kanal ölçeğinin karesiyle orantılıdır.Kanalın karakteristik boyutunun azaltılması yalnızca spesifik yüzey alanını önemli ölçüde arttırmakla kalmaz, aynı zamanda prosesin transfer özelliklerini de büyük ölçüde geliştirir.

Nu=hd/k=3,66(1)

Sh=kc/DAB=3,66(2)

t=d 2/DAB(3)

Burada Nu Nusselt sayısı, Sh Sherwood sayısı ve D difüzyon katsayısıdır.Kimyasal işlemlerde gerçekleştirilen kimyasal reaksiyonlar, transfer hızı veya içsel reaksiyon kinetiği veya her ikisi tarafından kontrol edilir.Anlık ve hızlı reaksiyonlar için, geleneksel ölçekli reaksiyon ekipmanlarında gerçekleştirildiklerinde transfer hızı ile kontrol edilirler.Mikro ölçekli reaksiyon sistemlerinde transfer hızındaki önemli artış nedeniyle bu tür proseslerin reaksiyon hızları büyük ölçüde artacaktır.Esas olarak içsel reaksiyon kinetiği tarafından kontrol edilen yavaş reaksiyonlara gelince, prosesi yoğunlaştırmanın temel yollarından biri, genellikle reaksiyon sıcaklığının arttırılması veya proses çalışma koşullarının değiştirilmesiyle elde edilen, içsel reaksiyon hızının arttırılmasıdır.Şu anda, hidrokarbon nitrasyon reaksiyonlarının endüstriyel uygulamalarının çoğu, reaksiyon süreleri onlarca dakikadan saatlere kadar değişen, orta-yavaş reaksiyon prosesleri kategorisine girmektedir.Mikroreaktörlerde adyabatik nitrasyon kullanılabilir ve proses koşullarının eş zamanlı olarak değiştirilmesi reaksiyon süresini saniyelere kadar kısaltabilir.Böylece teorik olarak hemen hemen tüm reaksiyon süreçleri yoğunlaştırılabilir.