TIỂU LUẬN MICRO REACTORS

Nitrat Hóa Benzene Micro Reactors là một loại Micro reactors hóa học ở mức dưới milimet để đạt được khối lượng giảm, cải tiến sản phẩm có độ chọn lọc và tốc độ phản ứng cao hơn Khóa học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-o0o -TIỂU LUẬN MICRO REACTORS

GVHD:

SVTH: Nhóm LỚP:

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 10 Năm 2023

Mục Lục

Phần 1:TỔNG QUAN 1

1.1 Lịch sử hình thành 2

1.2 Các loại Micro reactors 2

Phần 2:Nội dung 5

2.1 Cấu tạo thiết bị Micro reactor 5

2.2 Ưu điểm của máy Micro reactors 5

2.2.1 Tăng hiệu suất phản ứng, độ tinh khiết sản phẩm 5

2.2.2 An toàn cháy nổ, đảm bảo sức khỏe cho các nhà nghiên cứu 6

2.2.3 Điều chỉnh khối lượng sản phẩm cần thiết 6

2.3 Nhược điểm của máy Micro reactors 6

2.3.1 Microreactor thường không dung nạp tốt các hạt, thường bị tắt 6

2.3.2 Phải có bơm cao áp để đẩy chất phản ứng vào 7

2.3.3 Ăn mòn vật liệu đặt ra vấn đề lớn hơn cho ở microreactor vì tỷ lệ S/V cao7 2.3.4 Vệ sinh khó khăn do kích thước bé 8

2.4 Tổng hợp bằng Micro reactor 8

2.5 Ứng dụng và tiềm năng của Micro reactor 9

2.6 Liên hệ với hóa học xanh 12

Phần 3:Kết luận 14

Danh Mục Hình Ảnh

Hình 1 Nitrat Hóa Benzene 1

Hình 2 Thuốc nhuộm đỏ diazo 9

Hình 3 Tổng hợp các chất từ Micro reactor 11

Hình 4 Sơ đồ thiết bị Micro reactor 11

Phần 1: TỔNG QUAN

Micro reactors có thể tham gia vào quá trình phản ứng mà không biệt các chất đồng thể và các chất dị thể Micro Reactorsvi mô là một thiết bị nhỏ gọn, hình ống nhỏ gọn, có khả năng chống đóng cặn với khả năng trộn ngược giảm và kiểm soát tốt hơn các thông số quá nhiệt động lực học Thiết kế bao gồm đầu vào, ống góp, kênh vi mô

và ổ cắm

Micro reactor được dùng rộng rãi trong công nghiệp như xăng, dầu,…Dùng tổng hợp các hợp chất hữu cơ, hóa học phóng xạ, công nghệ nano, công nghệ sinh học,

… Sự phát triển rộng rãi của micro reactor đã bước tiến quan trọng trong hóa học xanh

H2SO4, HNO3

aq butan-1-ol

SDS

N +

+

N +

N +

N

N N

O

- O

O

- O

- O O

O

- O

- O

O

Hình 1 Nitrat Hóa Benzene

Micro Reactors là một loại Micro reactors hóa học ở mức dưới milimet để đạt được khối lượng giảm, cải tiến sản phẩm có độ chọn lọc và tốc độ phản ứng cao hơn (Khóa học tại TU Delft, 2012; Stankiewicz & Moulijn, 2004) Micro reactors chủ yếu được sử dụng như một Micro reactors hình ống thu nhỏ dùng cho nghiên cứu xúc tác (Jensen, Klavs F., 2001) Nó nhằm mục đích tích hợp rộng rãi kỹ thuật quy trình và kỹ thuật hệ thống vi mô với khoa học hóa học cơ bản (Kockmann, N.,2008) Một phần vi

mô của dòng chất lỏng bên trong Micro reactors có thể được xác định là đơn vị nhỏ nhất trong quá trình thực hiện mức micro cải thiện bằng các thông số như thời gian đáp ứng nhanh, cao hơn tốc độ khuếch tán, tăng cường tốc độ truyền nhiệt và khối lượng, phản ứng nhanh động học do đó làm tăng năng suất trên một đơn vị thể tích (Yao, X

và cộng sự, 2015; Jensen, Klavs F., 2001; Kockmann, N., 2008)

Việc sử dụng hợp lý không gian sẵn có cho quá trình tổng hợp hóa học là khía cạnh quan trọng nhất của Micro reactors Khuếch tán xử lý thông qua diện tích bề mặt riêng cao hơn trong Micro reactors giúp tăng cường phản ứng động học tổng thể (Elvira, K S et al, 2013) Giảm áp suất thấp hơn trên các Micro reactors do chủ yếu là

do chế độ dòng chảy trong các kênh vi mô góp phần vào các phương pháp an toàn hơn khi xử lý bằng hóa học Lực hấp dẫn nó không đáng kể trong dòng chất lỏng thông qua

các kênh vi mô Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao hơn cho Micro reactors mang lại kết quả ở cấp độ phân tử và nhiệt tương tác tốt hơn ở mức yêu cầu năng lượng tối thiểu (Khóa học tại TU Delft, 2012; Elvira, K S và cộng sự, 2013; Pohar, A & Plazl, I., 2009) Có thể đạt được sự trộn được coi như hoàn toàn cho những điều kiện khó khăn như tốc độ dòng chảy lớn, chất lỏng có độ nhớt cao và sự tham gia của các chất trung gian hữu cơ phản ứng và nguy hiểm (Jensen, Klavs F., 2005) Mô hình dòng chảy phân đoạn thông thường là thường được báo cáo trong các Micro reactors có thể

so sánh với Micro reactors lý tưởng, Micro reactors dòng chảy dạng cắm (Keybl, J., 2011) Các con đường phản ứng thay thế đã có thể thực hiện được, đặc biệt ở ngành dược phẩm phải trả giá bằng thời gian bị rút ngắn, Kiểm soát chính xác khối lượng phản ứng và nhiệt độ theo xem xét (Greb, Erik, 2009) Các ứng dụng điển hình bao gồm xúc tác, tổng hợp hữu cơ, (Jensen, Klavs F., 2001; Xi, Yan Lin và cộng sự, 2015) Gần đây, các thiết kế Micro reactors khác nhau dựa trên hình học, là loại chất lỏng, mô hình dòng chảy và phản ứng đã được phát triển

1.1 Lịch sử hình thành

Những thập niên cuối cùng của thế kỉ 20 ý tưởng của Micro reactors xuất hiện đầu tiên vào năm 1986 ở Đức, tuy nhiên vẫn chỉ mới dừng lại ở những ý tưởng trên giấy Khoảng hơn 3 năm sau đó tại Đức nhà sản xuất Forschungszentrum Karlsruhe đã cho xuất hiện lần đầu tiên Mãi đến năm 1995 ứng dụng của tất hiện thống micro reactor trong công nghệ hóa học và cả công nghệ sinh học mới được đưa ra thỏa luận ở Đức được xem là điểm khởi đầu cho sự phát triển thực sự của hệ thống micro reactor Hai năm sau đó Hội nghị Quốc tế đầu tiên về công nghệ micro và micro reactor đã được tổ chức, trở thành hội nghị thường niên của lĩnh vực này được tổ chức hằng năm

ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ

1.2 Các loại Micro reactors

Thiết kế vận hành Micro reactors: Thiết kế quy trình của lò phản ứng vi mô liên quan đến việc duy trì áp suất, nhiệt độ và tốc độ phản ứng ở mức có thể kiểm soát được liên tục chảy Động lực của dòng chảy trong lò phản ứng vi mô được điều khiển bởi lực áp suất và phân đoạn Dòng chảy sên (hoặc dòng chảy phân đoạn) xảy ra do hoạt động mao dẫn tại các vùng bị hạn chế gần các phần đa dạng xung quanh đầu vào

và đầu ra của thiết bị Bơm chất lỏng thông qua các lò phản ứng vi mô với vận tốc điển hình từ 0,1 đến 50 m/s mà không có sự hình thành quy mô đòi hỏi năng lượng thấp

Các loại Micro reactors

Micro reactors đồng nhất

Micro reactors không đồng nhất

Micro reactors với mục đích đặc biệt

Micro reactors có tấm film

Micro reactors có màng

Micro reactors dạng ống trong ống

Micro reactors dạng ống trong ống là một cải tiến thiết kế mới so với các micro reactors khác với sự ra đời của cấu trúc vi xốp bên trong đồng trục với kênh micro bên ngoài Cấu trúc Micro reactors được làm từ lưới thép không gỉ để tạo ra diện tích tiếp xúc cao Ví dụ, nếu khí đi qua các lỗ siêu nhỏ của ống bên trong thì có thể đạt được sự tác động của khí lên dòng chất lỏng ở phần hình khuyên với vận tốc cao Đối với các phản ứng khí lỏng, cấu trúc bên trong xốp micro dựa trên màng cũng đã được sử dụng liên quan đến quá trình khuếch tán khí một chiều Độ dày của màng chất lỏng, tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt có sẵn và dựa trên tốc độ dòng pha lỏng, xác định đặc tính truyề Chính vì phản ứng trong micro reactor đạt hiệu quả cao hơn so với các quá trình thông thường nên lượng tác chất ban đầu cần sử dụng cũng sẽ được giảm đi, cũng như lượng chất thải độc hại cũng sẽ giảm đến mức tối thiểu Bên cạnh đó, khối lượng sản phẩm cần thiết có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi số lượng micro reactor, vì vậy quá trình chỉ sản xuất ra vừa đủ lượng hóa chất cần thiết cho nhu cầu tại thời điểm đó Giảm đến mức tối thiểu nhu cầu vận chuyển cũng như tích trữ các hóa chất độc hại, vốn thường kéo theo các nguy cơ về cháy nổ hay độc hại cho môi trường xung quanh Theo Giáo sư Haswell của trường đại học Hull, Anh Quốc, hiện tại đây là đóng góp quan trọng nhất của micro reactor cho hóa học xanh (green chemistry) – ngành hóa học trong đó việc sử dụng hoặc tạo ra các hóa chất độc hại được giảm đến mức thấp nhất có thể hoặc được lọai bỏ hoàn toàn Công nghệ micro reactor chỉ mới phát trỉển khoảng một thập kỷ nay, nhất là vào những năm đầu của thế kỷ 21, và vẫn còn đang ở giai đoạn khởi đầu của tiến trình phát triển Vì vậy vẫn còn quá sớm để đưa ra những kết luận sau cùng về những tiến bộ của công nghệ micro reactor Tuy nhiên kết quả của những nghiên cứu về micro reactor trong những năm vừa qua đã chứng tỏ được nhiều hứa hẹn và triển vọng của nó trong công nghệ hóa học nói chung Giáo sư Seeberger của Viện Công nghệ Thụy Sỹ đã cho rằng công nghệ micro reactor ở thế kỷ 21 sẽ gắn bó vô cùng mật thiết với các nhà hóa học khối khí-lỏng trong lò phản ứng vi ống trong ống Cấu trúc này cho phép tạo bọt khí nhỏ hơn với số lượng lớn Một ví dụ gần đây ước tính hệ số tăng cường là 60 về thông lượng dòng chảy trong lò phản ứng micro dạng ống trong ống khi so sánh với các lò phản ứng micro khác về khả năng hấp thụ khí CO trong nước Ở dạng đơn giản nhất

và nhỏ nhất, micro reactor bao gồm một hệ thống các rãnh nhỏ có kích thước từ 10 đến

300 µm, được khắc vào một bề mặt rắn làm bằng thủy tinh, vật liệu silicat, hợp chất cao phân tử, hay bằng các lọai hợp kim khác nhau Các rãnh nhỏ này được kết nối với một hệ thống các bình chứa nhỏ, là nơi chứa nguyên liệu và sản phẩm cho quá trình

Toàn bộ hệ thống các rãnh và bình chứa này có kích thước tổng cộng khoảng vài cm, thường được gọi là một con ‘chip’ Xúc tác rắn cho quá trình (nếu cần thiết) sẽ được nạp vào các rãnh nhỏ này

Hóa chất được di chuyển trong micro reactor dưới tác động của hiện tượng điện thẩm, điện di, hoặc bằng các bơm thủy lực có kích thước micro

Các hệ thống gia nhiệt hay làm lạnh cũng sẽ được kết nối với hệ thống phản ứng, dĩ nhiên cũng ở kích thước micro

Các phản ứng hóa học trong micro reactor có thể xãy ra trong pha lỏng, hoặc lỏng-hơi, hoặc là hoàn toàn ở pha hơi, tùy vào từng quá trình cụ thể

Phần 2: Nội dung

Hiện nay mỗi khi nhắc đến ngành công nghệ kỹ thuật Hóa Học, có lẽ đa số người đọc đều liên tưởng ngay đến những khu công nghiệp náo nhiệt, những thiết bị phản ứng và dây chuyền sản xuất trên quy mô lớn, những ống khói cao vút, những kho bãi rộng lớn, và còn cả những lượng chất thải khổng lồ thải ra sông ngòi kênh rạch Kéo theo đó là những hệ quả nghiêm trọng về vấn đề sức khỏe và an toàn cho người lao động, những nguy cơ tiềm ẩn về cháy nổ, những mối hiểm họa to lớn cho môi trường sinh thái cũng như hiểm họa cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên vốn không phải là vô tận Trong bối cảnh đó, sự xuất hiện của micro reactor đã được đánh giá là một cuộc cách mạng của ngành công nghệ hóa chất nói chung

Ngược dòng thời gian trở lại những thập niên cuối cùng của thế kỷ 20, ý tưởng

về micro reactor xuất hiện đầu tiên vào năm 1986 ở Đức, tuy nhiên vẫn chỉ mới dừng lại ở những ý tưởng trên giấy Khoảng hơn ba năm sau đó, cũng tại Đức, nhà sản xuất Forschungszentrum Karlsruhe đã cho xuất hiện lần đầu tiên trong lịch sử một micro reactor, tuy nhiên họ chỉ tập trung nghiên cứu về vấn đề truyền nhiệt và năng lượng nói chung Mãi đến năm 1995, ứng dụng của các hệ thống micro reactor trong công nghệ hóa học và cả công nghệ sinh học mới được đưa ra thảo luận ở Mainz (Đức), và đây được xem là điểm khởi đầu cho sự phát triển thực sự của các hệ thống micro reactor Hai năm sau đó, hội nghị quốc tế đầu tiên về công nghệ micro và micro reactor đã được tổ chức, và sau đó trở thành hội nghị thường niên của lĩnh vực này, tổ chức hàng năm ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ

2.1 Cấu tạo thiết bị Micro reactor

Hệ thống Micro reactors gồm các phần:

Micro reactors vi mô: là một tổ hợp vi kênh nhỏ gọn, có khả năng chống cặn, giảm thiểu việc trộn ngược và kiểm soát tốt hơn các thông số nhiệt động Thiết kế bao gồm đầu vào, ống góp, kênh vi mô và ổ cắm

Bơm tiêm: duy trì dòng chảy liên tục qua các kênh vi mô cho các biến thể tốc

độ dòng chảy rộng từ 1μl/phút đến 10 ml/phút và có thể chứa cảm biến áp suất vốn cól/phút đến 10 ml/phút và có thể chứa cảm biến áp suất vốn có

Bộ điều khiển áp suất cho phép thực hiện các phản ứng áp suất cao, phạm vi lên tới 20 bar dẫn đến động học phản ứng nhanh ở chế độ an toàn

Hệ thống điều khiển nhiệt độ duy trì chính xác, rộng hơn nhiệt độ xung quanh với giới hạn tối đa là 150◦C, tránh hiện tượng sử dụng các kênh làm mát riêng biệt

2.2 Ưu điểm của máy Micro reactors

2.2.1 Tăng hiệu suất phản ứng, độ tinh khiết sản phẩm

Các phản ứng thực hiện trong micro reactor có khả năng cho sản phẩm với hiệu suất cũng như độ tinh khiết cao hơn trong một thời gian ngắn hơn so với các phản ứng thông thường Do đó, một số lượng lớn các hóa chất mới có thể tổng hợp ra trong thời gian ngắn với khối lượng vừa đủ để tiến hành phân tích và thử hoạt tính sinh học Có

thể kết hợp nhiều micro reactor khác nhau để làm tăng thêm số lượng hóa chất một cách đáng kể trong cùng một thời gian

Micro reactor được đánh giá là có khả năng làm một cuộc cách mạng trong công nghiệp tổng hợp hóa dược, nơi mà số lượng hóa chất được tổng hợp ra ngày một chiều và trong khoản thời gian ngắn nhất có thể

2.2.2 An toàn cháy nổ, đảm bảo sức khỏe cho các nhà nghiên cứu

Dưới gốc độ hóa học xanh, một ưu điểm hết sức hiển nhiên của micro reactor là vấn đề về an toàn cháy nổ cũng như an toàn về mặt sức khỏe được khống chế dễ dàng

vì các quá trình trong thiết bị được thực hiện ở kích thước micro Sự tiếp xúc với các hóa chất độc hại khi nghiên cứu được giảm đến mức tối thiểu ở quy mô micro

Chính vì vậy phản ứng trong micro reactor đạt hiệu quả cao hơn so với các quá trình phản ứng thông thường nên lượng tác chất ban đầu sử dụng cũng sẽ bị giảm đi giúp cho lượng chất thải độc hại cũng sẽ giảm đến mức tối thiểu

2.2.3 Điều chỉnh khối lượng sản phẩm cần thiết

Khối lượng sản phẩm cần thiết có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số lượng micro reactor Như vậy quá trình chỉ sản xuất ra vừa đủ lượng hóa chất cần thiết cho nhu cầu tại thời điểm đó Nhờ việc sử dụng các hệ thống micro reactor khác nhau

sẽ làm giảm đến mức tối thiểu nhu cầu vận chuyển xũng như tích trữ các hóa chất độc hại thường là nguyên nhân dẫn đến các vụ cháy nổ hay độc hại môi trường xung quanh

2.3 Nhược điểm của máy Micro reactors

2.3.1 Microreactor thường không dung nạp tốt các hạt, thường bị tắt

Khi kích thước của hạt quá lớn, chúng có thể bị kẹt trong các khe hở hoặc ống dẫn của microreactor Điều này gây tắc nghẽn và làm giảm hiệu suất hoạt động Giải pháp là sử dụng các hạt có kích thước phù hợp với thiết kế của microreactor

Một số lưu chất có tính chất nhớt cao hoặc tạo kết tủa dễ dàng có thể gây tắc nghẽn trong microreactor Điều này xảy ra khi lưu chất không thể dễ dàng chuyển động qua các khe hở hoặc ống dẫn Để khắc phục vấn đề này, cần chọn lựa lưu chất có tính chất thích hợp và thực hiện việc vệ sinh định kỳ để loại bỏ kết tủa

Một thiết kế microreactor không tốt có thể dẫn đến tắc nghẽn Ví dụ, nếu các khe hở quá nhỏ hoặc ống dẫn quá chật, hạt không thể di chuyển thông qua chúng một cách hiệu quả Trong trường hợp này, cần xem xét việc tối ưu hóa thiết kế microreactor để đảm bảo sự dung nạp tốt hơn

Một số tác nhân bên ngoài như cặn bẩn, bụi, hoặc tạp chất có thể gây tắc nghẽn trong microreactor Điều này có thể xảy ra nếu không tiến hành vệ sinh định kỳ hoặc bảo trì thiết bị Để giải quyết vấn đề này, cần làm sạch và kiểm tra thiết bị định kỳ để đảm bảo hoạt động trơn tru

Microreactor cần được vận hành trong các điều kiện phù hợp để đảm bảo hiệu suất tối đa Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến dung

nạp và hoạt động của hạt Việc điều chỉnh và tuân thủ các điều kiện hoạt động khác nhau sẽ giúp tăng hiệu suất của microreactor

2.3.2 Phải có bơm cao áp để đẩy chất phản ứng vào

Đối với nhiều phản ứng hóa học, áp suất là một yếu tố quan trọng để điều chỉnh tốc độ phản ứng và chất lượng sản phẩm Bằng cách sử dụng bơm cao áp, chất phản ứng có thể được đẩy vào microreactor với áp suất đủ cao để đáp ứng yêu cầu của quá trình phản ứng

Microreactor yêu cầu lưu lượng chất phản ứng chính xác để đảm bảo hiệu suất

và chất lượng sản phẩm Bơm cao áp có khả năng cung cấp lưu lượng chất phản ứng

ổn định và có thể được điều chỉnh theo nhu cầu, đảm bảo rằng lượng chất phản ứng chính xác được cung cấp vào microreactor

Trong quá trình đẩy chất phản ứng qua microreactor, có thể xảy ra mất áp do sự cản trở trong hệ thống Bơm cao áp có thể vượt qua mất áp này và duy trì áp suất đầu vào ổn định, giúp đảm bảo quá trình phản ứng diễn ra một cách hiệu quả

Một bơm cao áp linh hoạt và có khả năng hoạt động ổn định ở áp suất cao cho phép microreactor được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Các phản ứng có yêu cầu áp suất cao, chẳng hạn như hydrogenation, hydroformylation, hay các phản ứng xúc tác có thể được thực hiện trong microreactor nhờ sự hỗ trợ của bơm cao áp

2.3.3 Ăn mòn vật liệu đặt ra vấn đề lớn hơn cho ở microreactor vì tỷ lệ S/

V cao

Một số chất phản ứng có tính ăn mòn cao và có thể gây hủy hoại cho vật liệu trong microreactor Chẳng hạn, các chất phản ứng axit mạnh, chất oxi hóa mạnh hoặc chất ăn mòn ionic có thể gây ăn mòn vật liệu nhanh chóng

Loại vật liệu được sử dụng trong microreactor cũng ảnh hưởng đến nguy cơ ăn mòn Một số vật liệu như thép không gỉ, nickel, hay các hợp chất đặc biệt có khả năng chịu nhiệt, chịu áp suất và kháng hóa chất tốt hơn, có thể giảm nguy cơ ăn mòn so với các vật liệu khác Điều kiện hoạt động: Nhiệt độ, áp suất, pH và thời gian tiếp xúc của chất phản ứng với vật liệu đều có thể ảnh hưởng đến mức độ ăn mòn Các điều kiện hoạt động tồi tệ hơn, chẳng hạn như nhiệt độ cao, áp suất cao, pH môi trường cực đoan, có thể làm tăng nguy cơ ăn mòn

Để giải quyết vấn đề ăn mòn trong microreactor, có thể áp dụng các biện pháp sau:

Lựa chọn vật liệu có tính chất chịu mòn tốt, chẳng hạn như thép không gỉ, nickel hay các hợp chất đặc biệt có khả năng chịu nhiệt, chịu áp suất và kháng hóa chất

Áp dụng các lớp phủ bảo vệ bên ngoài vật liệu để tăng khả năng chống ăn mòn Các lớp phủ bảo vệ có thể bao gồm lớp sơn, màng chống ăn mòn hoặc màng chống tác động hóa học