マイクロチャネル、またはマイクロチャネル熱交換器は、チャネルの等価直径が10-1000μmの熱交換器です。この種の熱交換器の平坦な管内には数十本の微細な流路があり、平坦な管の両端は円形の集管に接続されています。

マイクロチャネル、またはマイクロチャネル熱交換器とは、チャネルの等価直径が10-1000μmの熱交換器です。この種の熱交換器の平坦な管内には数十本の微細な流路があり、平坦な管の両端は円形の集管に接続されています。集管内には隔壁が設けられ、熱交換器の流路がいくつかのプロセスに分けられています。従来の化学工業生産と比較して、マイクロチャネルは精密化学分野で大きな開発潜力と広範な応用の見通しを持っています。では、いくつかの側面からマイクロチャネルについて理解を深めていきましょう。

1. マイクロチャネル反応器の理解

マイクロチャネル反応器の紹介

マイクロチャネル反応器は本質的に連続流動の管状反応器です。化学工業ユニットに必要な混合器、熱交換器、反応器コントローラーなどを含みます。現在、マイクロチャネル反応器の全体構造は2つのタイプに分けられます：1つは全体構造で、この方式は交差流または逆流熱交換器の形で表現され、単位体積内で高流量操作を行うことができます。全体構造では同時に1つの操作ステップしか行えず、これらの対応する装置が接続されて複雑なシステムを構成します。もう1つは層状構造で、このタイプのシステムは異なる機能のモジュールが重なって構成されており、1層のモジュールで1つの操作を行い、別の層のモジュールで別の操作を行います。流体は各層のモジュール内で流れ、スマートな分流装置によって制御されます。より高い流量のために、特定のマイクロチャネル反応器またはシステムは通常並列方式で操作されます。

2. マイクロチャネル反応器の原理

マイクロ反応器は、表面科学とマイクロ製造技術を中心に、マイクロ加工と精密技術によって製造された多通道マイクロ構造の小型反応器を指します。マイクロ反応器の通路サイズは、サブミクロンおよびサブミリメートルレベルです。さらに、マイクロ反応器は従来の化学機器に比べて1-3桁優れた熱伝達/物質移動特性を持つため、高放熱および迅速な反応の実験に特に適しています。マイクロ反応器の原理について多くの人が知りたいと思っていることでしょう。

マイクロ化学技術の考え方は、従来のスケールの熱伝達メカニズムに由来します。円管内の層流流動において、管壁温度が一定に保たれている場合、式(1)から見て、熱伝達係数hは管径dに反比例します。つまり、管径が小さいほど熱伝達係数は大きくなります。円管内の層流流動において、成分Aが管壁での濃度を一定に保つ場合、物質移動係数kcは管径に反比例します（式(2)）。つまり、管径が小さいほど物質移動係数は大きくなります。マイクロチャネル内の流動は主に層流流動であり、分子拡散によって流体間の混合が実現されます。式(3)から、混合時間tは通路のスケールの二乗に比例します。通路の特性サイズを小さくすることで、比表面積が大幅に増加し、プロセスの伝達特性が大幅に強化されます。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

ここで、Nuはヌセール数、Shはシェルウッド数、Dは拡散係数です。化学プロセスで行われる化学反応は、伝達速度または本質的反応動力学によって制御されるか、またはその両方によって制御されます。瞬時および迅速な反応に関しては、従来のスケールの反応装置内で行われる場合、伝達速度によって制御されますが、マイクロスケールの反応システム内では伝達速度が桁違いに向上するため、この種の反応プロセスの速度は大幅に向上します。例えば、酸化ヨウ素化学レーザーの励起状態酸素発生器（塩素ガスと過酸化水素のアルカリ溶液の反応）、炭化水素の直接フッ素化などです。遅い反応は主に本質的反応動力学によって制御され、その実現プロセスの強化の鍵となる手段の1つは、本質的反応速度を向上させる方法です。通常、反応温度を上げたり、プロセス操作条件を変更したりする手段を用います。一方、中速反応は伝達と反応速度の共同作用によって制御され、遅い反応プロセスと類似の手段を取ることもできます。現在、工業用途の炭化水素硝化反応の大部分は中速反応プロセスに属し、反応時間は数十分から数時間で、マイクロ反応器内では絶熱硝化を行い、同時にプロセス条件を変更することで反応時間を数秒に短縮できます。したがって、理論的に分析すると、ほぼすべての反応現状プロセスはプロセス強化を実現できると考えられます。

3. マイクロチャネル反応器の分類紹介

マイクロ反応器は、気固相触媒マイクロ反応器、液液相マイクロ反応器、気液相マイクロ反応器、気液固三相触媒マイクロ反応器などに分けられます。

1. 気固相触媒マイクロ反応器は、マイクロ反応器の特性により気固相触媒反応に適しており、これまでのところマイクロ反応器の研究は主に気固相触媒反応に集中しています。そのため、気固相触媒マイクロ反応器の種類は多いです。単純な気固相触媒マイクロ反応器は、壁面に触媒が固定されたマイクロチャネルに過ぎません。複雑な気固相触媒マイクロ反応器は、一般的に混合、熱交換、センサー、分離などの機能のいずれかまたは複数の機能を結合しています。広く使用されているのは、トルエンの気体-固体触媒酸化です。

2. 液液相反応器は、これまでのところ、気固相触媒マイクロ反応器と比較して、液相マイクロ反応器の種類は非常に少ないです。液液相反応の重要な影響要因は十分な混合であり、そのため液液相マイクロ反応器は、マイクロ混合器と結合されるか、または自体がマイクロ混合器であることが多いです。液液相反応のために設計されたマイクロ反応器のケースは少なく、BASFが設計したビタミン前駆体合成マイクロ反応器やマサチューセッツ工科大学が設計したDushman化学反応を完了するためのマイクロ反応器があります。

3. 気液相マイクロ反応器の一種は、気体と液体がそれぞれ2本のマイクロチャネルから1本のマイクロチャネルに流れ込む構造で、全体の構造はT字型です。気体と液体の流速の変化に伴い、流体の流動状態は泡塔に似ており、泡流、節流、環状流、噴流などの典型的な流型が現れます。この種の気液相マイクロ反応器はマイクロ泡塔と呼ばれます。もう一つは沈降膜式マイクロ反応器で、液相が上から下に膜状に流れ、気液の2相が膜表面で十分に接触します。気液反応の速度や転化率は、しばしば気液の2相の接触面積に依存します。これら2種類の気液相反応器は、気液相の接触面積が非常に大きく、内表面積は20000m2/m3に近く、従来の気液相反応器の1桁大きいです。

4. 気液固三相触媒マイクロ反応器は、気液固三相反応が化学反応の中で比較的一般的であり、種類も多いです。ほとんどの場合、固体は触媒であり、気体と液体は反応物または生成物です。アメリカのマサチューセッツ工科大学は、気液固三相触媒反応のためのマイクロ充填床反応器を開発しました。この構造は固定床反応器に似ており、反応室（マイクロチャネル）内に触媒固定粒子が充填され、気相と液相がいくつかの流れに分けられ、反応室で混合されて触媒反応が行われます。

四、微通道反応器の利点紹介

微通道反応器の利点は、従来の反応容器（フラスコなど）と比較して、その構造的特徴が特別な利点を決定づけており、主に以下のいくつかの点に表れています：

(1)反応温度の精密制御、

強い発熱反応において、混合と熱交換の効率が高くない場合、局所的な過熱現象が発生しやすいです。しかし、微通道内部は優れた熱伝導と物質移動の特性を持っており、反応温度が過度に蓄積されず、一定の範囲内で精密に制御されます。

(2)比表面積が大きく、伝達速度が高く、接触時間が短く、副産物が少ない：微反応通道の特徴的なスケールは小さく、微通道は一般的に5000～50000mmで、単位体積あたりの熱伝導と物質移動能力が著しく向上しています。

(3)迅速かつ直接的なスケールアップ：従来のスケールアッププロセスにはスケール効果が存在し、生産設備の体積と規模を増大させることでスケールアップの目的を達成しますが、プロセスは時間がかかり、労力が必要で、市場の需要に応じて即座に反応を行うことができず、遅延が生じます。一方、微反応システムは多通道構造を持ち、各通道は独立した反応器に相当し、生産を拡大する際には反応器のスケールアップを行う必要がなく、単にその数を並行して増やすだけで済み、いわゆる「数増しスケールアップ」となります。

(4)安全性が高い：大量の熱を迅速に移動させることができるため、反応温度を設定範囲内に維持し、事故の発生可能性を大幅に減少させます。

(5)操作性が良い：微反応システムはモジュール構造の並列システムであり、ポータブル性が高く、製品使用地での分散建設と現地生産、供給を実現し、化学工場のポータブル化を真に実現します。また、市場の状況に応じて通道数を増減させたり、モジュールを交換して生産を調整することができ、高い操作の柔軟性を持っています。

その多くの利点により、微通道反応器技術は化学工業において成功裏に応用され、ますます広く注目されています。

五、微通道反応器の適用範囲

私たちは微反応器には多くの利点があることを知っています。たとえば、優れた物質移動と熱伝導能力により、事故の発生可能性が大幅に減少します。迅速かつ直接的なスケールアップ能力、コストと時間の節約などです。当然、微反応器には一定の限界もあります。そのため、多くの実験が微反応器を使用して行うことができない理由があります。したがって、化学企業にとって微通道反応器の適用範囲を理解することは非常に重要です。

まず厳密に言えば、現在どの反応が微通道反応器に適用できるかを定義することは非常に難しいです。なぜなら、各反応の特性が異なり、微通道反応器装置の種類も非常に多いためです。しかし一般的には、現在の合成反応の20-30%が微通道反応器を通じて技術改良が可能であると考えられています。また、微通道反応器を利用することで、過去に危険と見なされていたプロセスの約20%-30%を実現することができます。つまり、現在のところ、約30-50%の化学プロセスが微通道反応器を通じて技術改良が可能です。

構造的特徴から見て、現在微通道反応器は以下のいくつかのタイプの反応に使用できます。

1. 反応自体の速度が非常に速いが、伝達プロセスに制約され、全体の反応速度が低い反応。この種の反応は主に液-液多相反応であり、液-液抽出などの物理プロセスも含まれます。このプロセスの特徴は、反応自体の速度が速いが、基質が液相間で拡散するため、反応全体の速度が低下することです。従来の反応釜では、一般的に撹拌器を使用して反応を行いますが、効率が低く、二つの液相間の混合を十分に実現できないため、反応効率が低下します。しかし、微通道反応器内では通道のサイズが小さいため、拡散スケールが小さくなり、この種の反応が迅速に行われることができます。

2. 反応自体の速度が速いが、反応が激しく、強い発熱があり、生成物が破壊されやすい反応。この種の反応には、硝化、重氮化、部分的な加水分解およびアルキル化反応が含まれます。硝化および重氮化反応は非常に速く激しいですが、実際の工場操作では反応時間が時間単位で計測されることが多いです。これは、反応釜の熱伝導能力が限られているため、システム内の温度が制御不能に高くなるのを防ぐために、試薬を少しずつ滴下する必要があるからです。反応速度は完全に熱移動能力によって決まります。熱移動能力が強い微通道反応器を使用すれば、試薬を迅速に通入し、反応を安定して維持することができます。この種の反応は工業化の見込みがあり、優先的に考慮すべきプロセスです。

3. 反応器内部の流れの型を厳密に制御する必要がある反応。

この反応は主にナノ粒子の合成などであり、この種のプロセスは以前に紹介されており、主に微通道内部の流動の規則性を利用して、粒子分布が狭い材料を製造し、製品の付加価値を高めます。この種の反応は一般的に製品の生産量が低く、付加価値が非常に高く、時には数台の実験装置を組み合わせることで生産装置となり、応用の見込みも広がります。

4. 一部の気-液反応は理論的には微通道反応器を使用できますが、現在は良好な気-液反応器の構造が存在しません。特に水素化には多くの種類があり、一部の水素化反応は反応速度が高いですが、水素が液相に拡散する制約を受け、全体の反応速度が低下します。このような状況下では、微通道反応器の混合特性を利用して反応を行うことができますが、ここでは気-液の物質移動プロセスが強化されます。しかし、気-液プロセスには特有の性質があり、主に流体の分配と制御に関するものであり、これにより適切にスケールアップできる気-液微通道反応器はまだ存在しません。したがって、この分野の実験研究は非常に活発であり、工業的応用においては、産量が小さい場合を除き、実験装置を直接使用することは実現可能性がありません。

5. 粒子のサイズが微通道の特徴的なサイズの10%以上であり、固体含量が5%を超える固体を含む反応では微通道反応器を使用しません。

六、微通道反応器システム技術要件

1、★全体的な要求：合成反応システムには、相互に独立した反応物通道が含まれ、独立した反応物通道は6つ以上でなければなりません。

2、★反応器の支持架は、反応モジュールの数（4つ以上）を柔軟に構成でき、8つ以上の供給および収集インターフェース、4つの熱交換流体インターフェースを含む必要があります。

3、★反応器は、2つの恒温循環器と密封断熱板で分隔され、2つの温度帯を実現でき、各温度帯の制御区域は柔軟に設定できます。

4、★反応モジュールは三層構造であり、上層は底板、中間層は混合または反応通道、下層は熱交換通道です。モジュールはすべて炭化ケイ素材料を使用し、成形プロセスは拡散接合技術を採用し、全体的に成形され、気密性と耐高圧性能を保証します。金属の溶出性汚染を避けるために、モジュールの中間には金属接続部品を設置してはなりません。

5、★反応器は複数のシリコンカーバイドモジュールを含み、混合モジュールと反応モジュールを含み、A+B→PまたはA+B→P’+C→Pを実行できます。混合モジュールは反応停止または冷却のための消滅モジュールとしても使用できます。

6、★反応通路の構造設計は、物質移動を強化しながら再混合を減少させ、反応器内の物質の滞留時間の一貫性を保証します。内部構造図を提供する必要があります。

7、熱伝導率：≥100W/mK（温度200℃範囲内）。

8、耐腐食性：反応器の接液材料は、反応器の操作温度下での硫酸、フッ化水素酸、臭化水素酸、強アルカリなどの物質に耐えることができます。

9、年損失率：≤0.1mm/年（120℃1:1 HF/HNO3条件下でテスト）。

10、プロセス側の作業温度範囲：-20-150℃、熱交換測定温度範囲：-20-150℃。

11、プロセス側の圧力範囲：0-25bar、テスト圧力75bar、圧力検査証明書を提供；熱交換側の圧力範囲0-5bar。

12、流量：0.2-20mL/min。

13、★反応器内の体積：0.95-13.5ml、単板の最小保持液量は1mlを超えず、単板の最大保持液量は4.8mlを超えません。

14、★反応通路のサイズは1.4×1.4mmを超えず、予熱通路のサイズは1×1mmを超えません。

15、滞留時間：2.7秒-60分。

16、反応器の付属品の要件：入出料管路および背圧システムはすべて耐腐食性、耐圧材料を使用し、気液反応、液液反応の進行を保証します。