Диссертация (Проектирование и расчет химических микрореакторов для использования в технологии устройств микросистемной техники), страница 4

На этой основе Бассоус с коллегами из IBM в1977 году изобрели головку печатающего принтера [9]. Позже Ли продолжил разработки [10], врезультате чего сегодня мы имеем технологию струйной печати под названием «Drop-onDemand», или «Подача (чернил) по требованию». Сегодня эти разработки в полной мереприменяются в продуктах компании «Epson». Технология термического способа подачи чернил,так называемая «Thermal Ink Jet» или «BubbleJet», была разработана компаниями HewlettPackard в США и Canon в Японии в начале 1980-х гг. В современных коммерческих продуктахэти разработки используются в усовершенствованном виде.

Сегодня микротехнологии дляструйной печати хорошо проработаны и с научной, и с технологической точек зрения.Второй важной вехой стала разработка миниатюрного газового хроматографа, что былосделано в Стенфордской лаборатории Терри в 1975 г [11, 12]. Хроматограф представлял собойканалы, вытравленные в кремниевой пластине диаметром 76 мм. В систему также был включенмодуль нагрева и управления. Это изобретение оставалось единственным в своем роде, потомучто научное сообщество, занимающееся хроматографией, было не готово к такимнововведениям [13].Только с начала 90-х годов были поняты все преимущества миниатюрных газовыххроматографов, что выразилось в программной работе Манза [14].

Именно с тех пор началсяэкспоненциальный рост числа работ, посвященных главному на сегодняшний день приложениюмикрофлюидных устройств – микроаналитических систем, называемых также «Лабораториейна чипе», «μTAS» или «Lab-on-a-chip». Параллельно с этим ведется разработка базовых15элементов микрофлюидных устройств, таких как насосы, клапана, миксеры, фильтры, датчикискорости, химические сенсоры и т.д.

Лаборатории на чипе сегодня составляют большую частьвсех микрофлюидных устройств и перспективы их развития весьма оптимистичны, но областьмикрофлюидики не может ограничиваться только ими.Подводя итог анализа истории рождения микрофлюидных устройств, можно сказать, чтопереход от МЭМС к микрофлюидке был относительно быстрым, что было обусловлено общимтехнологическим базисом. Основным движителем здесь были исследования и разработкиголовок печатающих принтеров.

По мере обосабливания микрофлюидики от МЭМС, этотфактор быстро ослабевал. К этому времени уже была активно исследована вторая основнаятехнологическая ниша – микроаналитические системы. Именно эта область микрофлюидикисегодня инициирует большинство научных фундаментальных и прикладных разработок,которые поддерживаются значительными успехами подобных устройств в области медицины.Видя основные тренды развития области микротехнологий, начиная от наноэлектроники иМЭМС и заканчивая микрофлюидными компонентами, мы предполагаем, исходя из логикидвижения, что следующим этапом станет разработка микроустройств для синтеза веществ.Анализ и синтез – это две противоположности, неизменно дополняющие друг друга, ипоэтому появление микросистем для синтеза являлось логическим продолжением развитиятехники.

Синтез, в отличие от анализа, всегда связан с проведением химических процессов,только системы для синтеза веществ стали полноценными химическими микрореакторами.1.3. Фундаментальные преимущества микрореакторовМикрореакторы обладают рядом фундаментальных преимуществ:1) Уменьшение линейных размеров в микрореакторах приводит к увеличению величиныградиентов физических величин: температуры, концентрации, плотности, давления.

Скоростьпроцессов тепло и массопереноса прямо зависит от градиента, поэтому с уменьшениемразмеров интенсивность этих процессов существенно возрастает;2) Увеличение соотношения площади поверхности к объему усиливает роль процессов,связанных с гетерогенными явлениями. В микрореакторах это отношение может достигать50 000 м2/м3, тогда как для лабораторных и промышленных установок характернымивеличинами являются 1000 м2/м3 и 100 м2/м3. Это может позволить увеличить интенсивностькоэффициента теплоотдачи до значений порядка 25 000 В/К∙м2 [1] – величины на порядокбольше, чем у традиционных химических систем.

Аналогичное воздействие это будет иметь ина химические процессы, протекающие на поверхности, включая каталитические реакции;3) Уменьшение объема микрореактора помогает перейти от процессов в химическихреакторах большого объема периодического действия к непрерывным процессам в проточныхсистемах.

За счет этого достигается однородность продукта, повышается степень превращения,16поскольку из системы исключаются застойные зоны, характерные для больших химическихаппаратов с любой системой перемешивания;4) Возможность вести процессы при повышенных давлениях и температурах безухудшения условий безопасности. В традиционных химических системах протеканиеэкзотермических реакций необходимо контролировать во избежание перехода системы всостояние саморазогрева, чреватое аварией. Температура процесса должна быть настольконизкой, чтобы с учетом наличия застойных или циркуляционных зон в теплообменныхаппаратах, заведомо исключить появление «горячих точек».

Применение микрореакторовпозволяет повысить температуру процесса из-за большей интенсивности теплообмена иравномерной картины потоков. Авария и тепловой взрыв в микрореакторе не повлечет тяжелыхпоследствий в виду очень малого объема и простоты реализации пассивной защиты;5) Возможность обеспечить рост объема производства по технологии увеличенияколичествамикрореакторов.Известнаявхимическойпромышленностипроблемамасштабирования производства в микрореакторной технологии не существует, поскольку илабораторный образец и микрореактор на химическом заводе полностью одинаковые. Ростпроизводительности достигается параллельным включением множества микрореакторов;6) Гибкость производства легко обеспечивается микрореакторами.

На химическомпроизводстве с объемом реактора периодического действия в 1000 л невозможно произвестипродукт объемом 50 л. В случае применения микрореакторов, объем производства может бытьнебольшим. Возможна быстрая смена номенклатуры выпускаемых веществ. Это позволяетоперативно регулировать объемы производства, повышая его экономическую эффективность;7) Микрореакторная технология может в малых масштабах производить химическиевещества,непропорциональносокращаяобъемвспомогательногоинженерногоитехнологического оборудования.

Экономически целесообразно становится размещать многонебольших химических производств в различных локациях, чтобы на месте синтезироватьхимические компоненты, вместо того, чтобы строить одно большое производство и вдальнейшем транспортировать продукцию к местам потребления.

Ключевым преимуществомэто становится при рассмотрении производства опасных или короткоживущих веществ. Сприменением микрореакторов процессы переработки можно делать локально, повышаяэкономическую эффективность и решая экологические проблемы;Перечисленные преимущества показывают, что микрореакторная технология являетсясегодня передовым направлением развития химической промышленности. Микрореакторнаяреволюция в ближайшие несколько десятилетий окажет глубокое влияние на структурухимической промышленности и многие другие сферы человеческой жизни.171.4.

Современные микрореакторыЧисло публикаций посвященных микрореакторам растет с чрезвычайной быстротой. Вданном разделе мы рассмотрим основные публикации по данной теме, выпущенные запоследние несколько лет, с целью отметить современный уровень микрореакторной технологиии основные тенденции еѐ развития.Известно несколько обзоров, посвященных микрореакторам. Среди них можно отметитьработы [15] и [16]. В [17] дан обзор технологий осаждения в микрореакторах.

Поскольку этаобласть близка к теме диссертационного исследования, в следующем разделе мы детальнорассмотрим имеющиеся наработки. Обзорная статья [18] рассказывает о применениимикрореакторов в процессе электрохимического синтеза органических веществ. Это достаточноновая и малоизученная область органического синтеза и, по оценкам авторов, технологиимикрореакторов могут существенно помочь в еѐ развитии. Основательные или дажепрограммные статьи [19] и [20] показывают пример использования микрореакторов дляорганического синтеза. Авторы декларируют что микрореакторы – это повышение качествапродукта и возможность построить эффективное «зеленое производство», что на сегодняшнийдень является актуальнейшей задачей химической технологии.Переходя от обзорных статьей к специализированным, будем группировать их поосновным тематикам разработок.