martina warde mikroreaktori zavrŠni rad

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE

SVEUČILIŠNI PREDDIPLOMSKI STUDIJ

Studij: Kemijsko inženjerstvo

Martina Warde

Mikroreaktori

ZAVRŠNI RAD

Zagreb, srpanj 2010.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE

SVEUČILIŠNI PREDDIPLOMSKI STUDIJ

Studij: Kemijsko inženjerstvo

Martina Warde

Mikroreaktori

ZAVRŠNI RAD

Voditelj rada: dr. sc. Bruno Zelić, izv. prof.

Članovi stručnog povjerenstva: dr. sc. Bruno Zelić, izv. prof.

dr. sc. Irena Škorić, docent

dr. sc. Nenad Bolf, docent

Zagreb, srpanj 2010.

i

Sažetak

Mikroreaktori su mili-, mikro- ili nanometarski sustavi proizvedeni korištenjem suvremene

mikrotehnologije i preciznog inženjerstva. Osnovu građevnu jedinicu mikroreaktorskih

sustava čini mreža mikrokanala urezanih u čvrstu pločicu načinjenu od različitih materijala,

Vrsta materijala koja se primjenjuje za izradu mikroreaktora ovisno je o specifičnostima

reakcije koje se provode u mikroreaktoru. Kao posljedica malog promjera mikrokanala

strujanje kapljevine u sustavu je većinom laminarno, što znatno olakšava postavljanje modela

procesa i njegovu kontrolu, odnosno predviđanje vrijednosti lokalnih karakterističnih veličina

procesa u bilo kojem dijelu sustava. Jedna od najvećih prednosti mikroreaktora je vrlo veliki

omjer međufazne površine prema volumenu reaktora, zbog čega je prijenos tvari i topline

učinkovitiji, a broj otpadnih procesnih struja sveden na minimum ili su, u nekim slučajevima,

one posve izbjegnute. Za provedbu reakcija u mikroreaktorima potrebne su male količine

reaktanata i katalizatora, a pogodni su i za obavljanje reakcija koje su izrazito

egzotermne/endotermne ili eksplozivne i zahtijevaju upotrebu otrovnih tvari. Po potrebi je

mikroreaktore moguće i uvećavati, a da se pritom zadrže sve njihove prednosti u odnosu na

konvencionalne reaktore, što se provodi povezivanjem procesnih jedinica (ćelija) u serijski ili

paralelan spoj, a broj povezanih jedinica može doseći nekoliko tisuća. Mikroreaktori su

izrazito praktični zbog mogućnosti provođenja nekoliko istovremenih reakcija, separacija i

analiza cjelokupnog procesa u jednom reakcijskom kanalu ili nekoliko njih, a u slučaju

prestanka rada pojedine jedinice, neće doći do zastoja u provedbi preostalih procesnih

stupnjeva.

Ključne riječi: mikroreaktori, mikrokanali, višefazni sustavi, kemijske reakcije

ii

Summary

Microreactors are mili-, micro- or nanometer – sized systems produced using modern

technology and precise engineering. Base of microreactor system structure is a net of

microchannels engraved into a hard disc made of different materials, depending on the

application for different types of reactions. As a consequence of small diameter of

microchannels, flow of liquid in the system is mostly laminar, which greatly facilitates the

setup process model, its control and prediction of local parameters in any part of the system.

One of the greatest qualities of microreactors is very large proportion of intermediate surface

to the volume of the reactor, which is why mass and heat transfer are more efficient and the

number of waste process streams has been reduced to minimum or in some cases completely

avoided. To complete reaction successfully, microreactors need small amounts of reactants

and catalysts and are suitable for carrying out reactions that are highly

exothermic/endothermic or require the use of explosive and toxic substances. It is possible to

enlarge the miniature system maintaining all of its advantages over conventional reactors,

which is implemented by connecting processing units (elementary cells) in a serial or parallel

connection, and a number of related units can reach several thousand. Microreactors are very

practical because of the possibility of conducting several simultaneous reactions, separation

and analysis of the entire process in one reaction channel or several of them, and in case of

termination of each unit cell, it will not cause a halt in the implementation of other process

tasks in the system.

Key words: microreactors, microchanells, multiphase systems, chemical reactions

iii

SADRŽAJ

1. Uvod ..................................................................................................................................1

2. Mikroreaktori....................................................................................................................3

2.1. Definicija, struktura i podjela mikroreaktora.............................................................3

2.2. Izrada mikroreaktora.....................................................................................................6

2.3. Prednosti mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore..............................9

2.4. Nedostaci mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore............................10

2.5. Uvećanje procesa..........................................................................................................11

3. Strujanje u mikrokanalima............................................................................................13

3.1. Matematički opis strujanja u mikrokanalu...............................................................13

3.2. Režimi strujanja u mikrokanalu.................................................................................14

3.3. Mikromiješalice i miješanje fluida u mikrokanalu...................................................16

3.4. Prijenos tvari i topline..................................................................................................18

4. Primjena mikroreaktora.................................................................................................20

4.1. Dvofazni sustavi plin – kapljevina..............................................................................20

4.2. Dvofazni sustavi kapljevina – kapljevina...................................................................21

4.3. Dvofazni sustavi kapljevina – krutina........................................................................22

4.4 Trofazni sustavi plin – kapljevina – krutina...............................................................23

5. Zaključak..........................................................................................................................25

6. Literatura.........................................................................................................................26

7. Popis simbola....................................................................................................................27

7.1. Grčki simboli.................................................................................................................27

7.2. Indeksi...........................................................................................................................27

1. Uvod

1

1. Uvod

U posljednjih nekoliko godina, istraživanja vezana uz razvoj minijaturnih kemijskih

sustava naglo su porasla što je prije svega rezultiralo realizacijom brojnih mikroanalitičkih

procesa. Ovo je imalo za posljedicu uklanjanje mnogih problema koji se javljaju pri

provođenju različitih reakcija i separacije produkata u industrijskom i laboratorijskom mjerilu.

Međutim, naizgled jednostavno smanjivanje dimenzija kemijskog reaktora, omogućeno

različitim dostupnim mikrotehnologijama, zapravo predstavlja puno dublju i složeniju zadaću.

Potrebno je postići prostornu i vremensku kontrolu procesa u umanjenom mjerilu, te prenijeti

sve parametre u mikrometarsko mjerilo, uz zadržavanje postojećih kvaliteta, ali i uklanjanje

problema koji se javljaju pri upotrebi konvencionalnih reaktora. Područja koja su do sada

privlačila najviše istraživanja u mikroreaktorima su reakcije u plinskoj i kapljevitoj fazi koje

obuhvaćaju homogenu i heterogenu katalizu, katalitičku oksidaciju, heterocikličku sintezu i

fotokemijske reakcije. Ti su procesi naglasili vrijednost korištenja mikrotehnologije u

kemijskom inženjerstvu, osobito u radu s agresivnim i štetnim kemikalijama, organskim

otapalima, biotehnologiji te u razvoju i analizi širokog spektra kemijskih reakcija. Osim toga,

ne treba podcijeniti važnost koju će mikroreakori imati i koju već imaju samo kao sredstvo

istraživanja i učenja u širokom spektru znanstvenih disciplina, kao što su medicina, farmacija

i prehrambena industrija.

Mikroreaktori pokazuju brojne praktične prednosti u usporedbi s tradicionalnim

makroreaktorima pri provedbi različitih kemijskih reakcija, koje je dosad bilo moguće izvesti

samo u većem mjerilu. U današnje vrijeme nužno je zadovoljiti visoke standarde u pogledu

sigurnosti procesa, osobito prilikom prijenosa, rukovanja i skladištenje otrovnih, štetnih i

eksplozivnih tvari. U ovim slučajevima, mikroreaktori zbog svojih malih dimenzija, mogu biti

izabrano procesno rješenje jer se vrlo jednostavno mogu prenijeti direktno u točku potražnje.

Upotrebom mikroreaktora smanjuje se mogućnost havarija izazvanih izrazito egzotermnim ili

eksplozivnim reakcijama zbog učinkovitog prijenosa topline i kontrole procesnih uvjeta koje

je moguće provesti u mikrokanalu. Primjenom mikroreaktorske tehnologije u toplanama ili u

različitim tipovima generatora topline može se očekivati znatno povećanje učinkovitosti

procesa zbog malih otpora prijenosu topline ovakvih uređaja i sa ovim povezanih toplinskih

gubitaka. Uz jednostavniju kontrole procesnih uvjeta u mikroreaktorima i minimalnog

rasipanja topline primjena mikroreaktorske tehnike u energetskim postrojenjima osigurava i

minimalnu razinu havarija i različitih nesreća uzrokovanih neučinkovitom kontrolom

1. Uvod

2

procesnih uvjeta kada se ovakvi procesi provode u makroskopskom mjerilu. Osim klasične

provedbe reakcije u jednom procesnom stupnju, mikroreaktore je moguće dizajnirati tako da

se u jednom mikrokanalu odvija nekoliko reakcija ili jediničnih operacija. Tako je primjerice

moguće u jednom mikrokanalu integrirati kemijsku reakciju, separaciju komponenata

reakcijske smjese i izolaciju ciljanog produkta uz recirkulaciju ostalih komponenata

reakcijske smjese. Na taj način izrazito se povećavaju učinkovitost procesa, ukupna

konverzija u produktivnost.

Iako je u mikroreaktorima moguća učinkovita provedba reakcije i kontrola procesa u

mikroskopskom mjerilu, dimenzije mikroreaktora su i dalje prevelike da bi uređaj imao

znatniji utjecaj na odvijanje procesa na molekulskoj razini. Ipak, nema sumnje da takav

utjecaj postoji, te je pri provedbi kemijskih reakcija u mikroreaktorima nužno voditi brigu o

zbivanjima na molekulskoj razini.

Smanjenje veličine procesnog prostora ima kao posljedicu povećanje učinkovitosti,

produktivnosti i sigurnosti procesa. Zbog učinkovitije regulacije procesnih uvjeta, upotrebe

malih količina reaktanata i katalizatora, znatno većeg omjera međufazne površine i volumena

reaktora, dolazi do intenzivnijeg prijenosa tvari i energije i smanjenja količine otpadnih

procesnih struja u odnosu na procese koji se odvijaju u konvencionalnim reaktorima. Zbog

toga mikroreaktori nalaze nove mogućnosti primjene ponajviše u medicini i farmaceutskoj

industriji. Glavni nedostatak mikroreaktora je u tome što se još uvijek ne mogu primijeniti

kao zamjena za sve postojeće sustave, a zbog malog promjera mikrokanala u radu s viskoznim

i čvrstim sustavima može doći do njihovog začepljenja.1

2. Mikroreaktori

3

2. Mikroreaktori

2.1. Definicija, struktura i podjela mikroreaktora

U skladu sa samim izrazom mikroreaktor, koji se najčešće koristi i najšire je

prihvaćen, takav mikrouređaj (Slika 1) možemo definirati kao umanjen sustav za provedbu

kemijskih reakcija, proizveden djelomično ili u potpunosti primjenom metodologije

mikrotehnologije i mikroinženjerstva.

Slika 1. Osnovne strukturne jedinice mikroreaktora

Karakteristične dimenzije unutrašnjih struktura mikroreaktora, od kojih je najvažniji

mikrokanal kroz koji prolazi fluid, uglavnom se nalaze u mili-, mikro- ili nanopodručju (Slika

2) s užim ili širim rasponom veličina pojedinih dijelova uređaja.2 Bez obzira na to, uobičajen

2. Mikroreaktori

4

je naziv mikroreaktor za sve uređaje spomenutih dimenzija i kao takav je usvojen u stručnoj

literaturi. Pojam mikroreaktora u osnovi se veže sa malim dimenzijama njegove osnovne

jedinice mikrokanala čije su tipične dimenzije u rasponu i10 – 500 m.

Slika 2. Shematski prikaz mikroreaktora s uvidom u njegovu unutarnju građu.

Konstrukcija mikroreaktora se općenito izvodi na hijerarhijski način, naizmjeničnim

povezivanjem skupa jedinica sastavljenih od podjedinica. Ovo osobito vrijedi za

mikroreaktore čija se cijela struktura zasniva na umnožavanju osnovnih ćelija. Mikrokanali,

kao temeljne građevne jedinice mikroreaktora, u većini su slučajeva paralelni i nalaze se u

nizu jedan do drugog (Slika 1a, Slika 2). Omeđeni su predjelima za ulazni i izlazni tok fluida,

odnosno spojnicama za dovod reaktanata i odvod dobivenih produkata. Svaki kanal može

sadržavati manje komore, odnosno može se sastojati od još sitnijih mikrostruktura koje

oblikom podsjećaju na pore. Pojedini protočni kanal ili nekoliko povezanih kanala određene

geometrije čini jedan mikroelement (Slika 1b). Kombinacija mikroelementa, povezanih linija

toka fluida i nosača mikroelementa, čini jedan čip (Slika 1c).

Da bi se povećala protočnost i produktivnost sustava, s obzirom na protok reaktanata,

produkata ili katalizatora, mikrorekatorski čipovi se međusobno povezuju paralelno ili

serijski. Ovakav se način povezivanja najčešće primjenjuje kod mikroreaktora koji se koriste

za provođenje reakcija u plinskoj fazi. Niti jedna elementarna ćelija ne može funkcionirati

samostalno, jer sama za sebe ne predstavlja neovisni sustav, s obzirom na to da su joj za

neovisan rad potrebni razni periferni uređaji kao što su odgovarajuće pumpe ili senzori. Naziv

mikrouređaj (Slika 1d)) odnosi se na element ugrađen u kućište i povezan, odgovarajućim

spojnicama, sa vanjskim pumpama za dobavu reaktanata, katalizatora ili povratni tok

reakcijske smjese. Mikrouređaj također može biti sastavljen od nekoliko povezanih

2. Mikroreaktori

5

mikrouređaja, koji u tom slučaju čine njegove osnovne komponente. Paralelno ili serijski

povezani mikrouređaji, odnosno različite mikroprocesne jedinice za pripremu reaktanata i

katalizatora, provedbu reakcije i separaciju produkata predstavljaju tzv. mikropostrojenje.

Građa i veličina mikropostrojenja ovisi o tipu reaktora koji ga čine i o vrsti reakcija koje se u

njemu odvijaju te, u općenitom slučaju, o tome jesu li reaktori laboratorijskog ili industrijskog

mjerila.

Opisana strukturna hijerarhija (mikrokanal, mikroelement, čip, mikroreaktor i

mikropostrojenje) direktno je povezana s podjelom mikroreaktora s obzirom na različite

tipove reakcija i/ili jediničnih operacija za koje su namijenjeni. Prema tome, mikroelementi

mogu biti: mikromikseri (Slika 3)3, mikroizmjenjivači topline, mikroseparatori, mikroreaktori

za provedbu reakcija u plinskoj fazi, mikroreaktori za provedbu reakcija u kapljevitoj fazi i

višefunkcionalni mikroreaktori za provedbu reakcija s fluidima bez obzira na njihovo

agregatno stanje.

Slika 3. Princip multilaminarnog miješanja u mikromikseru.

U slučaju kada mikropostrojenje objedinjuje više funkcija u jednom uređaju (Slika 4) ono se

klasificira prema onoj funkciji koja je za njega najznačajnija.4,5

2. Mikroreaktori

6

Slika 4. Višenamjenski mikroreaktor za sustave kapljevina-kapljevina

Mikroreaktore je moguće klasificirati i prema vrsti reakcija koje se u njima provode.

Uobičajena je podjela na dvije skupine mikroreaktora: one u kojima se provode kemijske

reakcije i one u kojima se odvijaju biokemijski procesi. S druge strane, razvijen je velik broj

mikroreaktora koji, prema potrebi, mogu zadovoljiti oba područja rada.5

S obzirom na tip procesa koji se u njima odvijaju, mikroreaktori mogu biti namijenjeni

šaržnom ili kontinuiranom radu. Zbog izvedbe i principa rada mikroreaktora procesi se u

njima najčešće provode kontinuirano osobito u slučajevima kada je reakcija limitirana

visokom koncentracijom reaktanata ili produkata. Kada to nije slučaj, uglavnom se koriste

mikroreaktori sa šaržnim principom rada.

2.2. Izrada mikroreaktora

Materijal pogodan za izradu mikroreaktora odabire se s obzirom na tip mikroreaktora i

njegovu krajnju primjenu, odnosno vrstu reakcije koja se u njemu provodi. U većini slučajeva

kao materijal za izradu mikroreaktora koristi se staklo, keramika i silicij, a rjeđe se

upotrebljavaju polimerni materijali kao što su polimetilmetakrilati, polikarbonati, cikloolefini

i silikoni, a u pojedinim slučajevima za izradu mikroreaktora koriste se metali, odnosno

njihove legure. Kao metali najčešće se koriste nikal i svi plemeniti metali, čija su svojstva

uglavnom poboljšana dodatkom drugog metala, koji nije nužno plemenit.

Odabrani se materijal oblikuje u pravokutne pločice i najpogodnijom se tehnikom u

njega urezuju mikrokanali željenih dimenzija. Prosječna veličina mikroreaktorske pločice

2. Mikroreaktori

7

iznosi: duljina / širina / visina = 45 / 15 / 2 mm. Tipične su dimenzije mikrokanala u

današnjim mikroreaktorima 10 – 500 µm širine i nekoliko milimetara duljine, te se površina

poprečnog presjeka pločice najčešće mjeri u mm2.

Tehnike izrade mikrokanala i općenito mikroreaktora su: mokro jetkanje, ubrizgavanje

u kalup, lasersko mikrooblikovanje, fotolitografija i slično. Izuzetno je bitan odabir materijala

i tehnike pri izradi svakog tipa mikroreaktora, jer ima izravan utjecaj na obilježja površine

kanala u kojima će se odvijati kemijske reakcije. Konkretno, radi se o hrapavosti mikrokanala

koja, uz brzinu protoka i viskoznost fluida (kapljevine), ima glavnu riječ pri određivanju

oblika strujanja fluida (laminarno, prijelazno ili turbulentno), odnosno mehanizma prijenosa

tvari i topline (kondukcija, konvekcija, radijacija) te pada tlaka u sustavu (Slika 5).6

Slika 5. Ovisnost pada tlaka u mikrokanalu o brzini protoka kapljevine kroz njega

Pri oblikovanju mikroreaktora, također je potrebno uzeti u obzir: karakteristike fluida,

vrijeme trajanja reakcije, tlak i temperaturu sustava, dimenzije mikroreaktora koje će

dopuštati jednostavnu provedbu analize procesa te ukupni volumen i protok fluida u svim

mikrokanalima zajedno. Potrebno je napomenuti dase promjenom samo jedne karakteristične

veličine procesa bitno mijenjaju značajke sveukupnog procesa.

2. Mikroreaktori

8

Oblikovani elementi mikroreaktora (pločice s urezanim mikrokanalima) spajaju se s

pumpama za dovod fluida, a međusobno se povezuju i ugrađuju u kućište na kojem se nalaze

ulazni i izlazni otvori za fluid (Slika 1d). Element mikroreaktora ugrađen u kućište često se

naziva mikroreaktorski čip. U mnogo slučajeva se, pri povezivanju više čipova u jedinicu

(jediničnu ćeliju), čipovi slažu na način da obavljaju različite funkcije: u prvom se čipu odvija

miješanje ulaznih procesnih struja, u drugom reakcija, u trećem separacija izlaznih struja (u

idealnom slučaju čistih produkata bez neizreagiranih reaktanata), u četvrtom ugušćivanje

dobivene smjese do željene koncentracije, dok peti čip ima ulogu detektora koji prati različite

procesne parametre. Ovakvi sustavi koji objedinjuju više podprocesnih jedinica za provedbu

reakcije, separaciju produkata i analizu različitih karakterističnih veličina procesa se nazivaju

mikrosustavi za provedbu i analizu procesa (Slika 6).

Slika 6. Mikrosustavi za provedbu i analizu procesa

Danas se sve više razvijaju mikrosustavi za provedbu i analizu procesa koji su

sposobni samostalno i kontinuirano pripremiti uzorak, provesti miješanje ulaznih struja

(reaktanata) i separaciju izlaznih struja (produkata), detektirati sve bitne procesne veličine i

njihove promjene, te na licu mjesta izvršiti obradu dobivenih podataka.1

2. Mikroreaktori

9

2.3. Prednosti mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore

Iz malih dimenzija mikroreaktora proizlazi mnoge prednosti pri usporedbi s

reaktorima klasične laboratorijske i industrijske veličine i uobičajenog makrovolumena. Vrlo

mali promjeri mikrokanala najčešće osiguravaju laminarno strujanje fluida u sustavu, iz čega

u idealnom slučaju proizlazi difuzijski prijenos tvari, koji je jednolik i samim time učinkovit.

Između ostalog, uzrok većoj učinkovitosti procesa u cjelini je i veliki omjer međufazne

površine u odnosu na volumen cjelokupnog mikroreaktora. Veća međufazna površina znači

uspješnije procese prijenosa i bolji kontakt procesnih struja te se istodobno stvaranje

nusprodukata, kao posljedica odvijanja nepoželjnih reakcija, svodi na najmanju moguću

mjeru, a u idealnom slučaju potpuno isključuje. Osim toga, laminarni tok uvelike

pojednostavljuje postupak postavljanja modela procesa.1,5

S obzirom na dimenzije mikroreaktora, potrebne su male količine reaktanata i

katalizatora (ako se radi o katalitičkom procesu). Reakciju je moguće vrlo jednostavno i

precizno pratiti i kontrolirati u svakom trenutku, što omogućuje sigurno vođenje procesa u

željenom smjeru i predviđanje ishoda, odnosno dobivanje očekivane količine i kvalitete

produkta.

Zbog izrazito velike površine, u odnosu na ukupni volumen, za izmjenu topline u

mikroreaktorima nema značajnijih prepreka niti prilikom provođenja izrazito egzotermnih ili

endotermnih reakcija te onih koje su neizbježno ili potencijalno eksplozivne. U

mikroreaktorima je dopuštena upotreba štetnih i otrovnih tvari kao reaktanata te dobivanje

sličnih supstanci u formi produkata. U jednom je mikroreaktoru moguće istovremeno

provođenje više reakcija paralelno. To se također odnosi na procese separacije i na analizu

provedbe procesa u svakoj njegovoj vremenskoj i prostornoj točki. Dakle, moguće je

izvršavanje nekoliko različitih zadataka u istom mikrokanalu. Nadalje, relativno mala duljina

reakcijskog puta omogućuje uspješno odvijanje reakcija kod kojih prijenos tvari i topline

predstavlja problem. Osim duljine kanala, na taj prijenos i na strujanje fluida znatno utječe

stjenka mikrokanala, čija je hrapavost bitan čimbenik pri određivanju pada tlaka i gubitaka u

sustavu koje je pomoću naprednih metoda primijenjenih u proizvodnji mikrouređaja moguće

svesti na zanemarivo malu vrijednost. Kvaliteti provedbe procesa u mikroreaktorima dodatno

doprinosi neometano odvijanje kontinuiranih procesa u slučaju prestanka rada, kvara,

mehaničkog oštećenja ili blokiranja pojedinog mikrokanala ili čak veće podjedinice sustava.

U tom je slučaju moguća relativno jednostavna i brza zamjena nefunkcionalnih dijelova bez

2. Mikroreaktori

10

prekidanja reakcija i drugih procesa koji se za to vrijeme odvijaju u usporednim jedinicama i

ostatku reakcijskog prostora. Prednost mikroreaktora leži i u činjenici da nije teško vrlo

precizno definirati željeno vrijeme zadržavanja fluida u sustavu.

Pri usporedbi svih karakteristika; dimenzija, ukupnog volumena, koeficijenta prolaza

topline i difuzijskog koeficijenta te ukupnog prosječnog vremena potrebnog za provedbu

reakcije, jasno se vidi brojnost i značaj opisanih prednosti mikroreaktora u odnosu na

uobičajene makroreaktorske sustave.

2.4. Nedostaci mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore

Glavni nedostatak mikroreaktora leži u činjenici da se još uvijek ne mogu primijeniti

kao zamjena za reaktore laboratorijske i pogotovo one industrijske veličine, a nije izvjesno ni

da će to u bližoj budućnosti biti izvedivo. Zbog vrlo malog promjera mikrokanala, javljaju se

problemi u radu s viskoznim kapljevinama i smjesama koje sadrže veću koncentraciju čvrstih

čestica, jer može doći do taloženja tvari na stjenke pri čemu se kanali nakon nekog vremena

postupno začepljuju. Iako je mali volumen mikroreaktora njihova prednost, on je, s druge

strane, još uvijek prevelik da bi značajnije utjecao na odvijanje procesa na molekularnoj

razini. Štoviše, mali volumen mikroreaktora nije nužno prednost samim time što često postoji

potreba za dobivanjem veće količine produkta, a broj jedinica koje je moguće ugraditi na

jedan čip je ograničen. Posljedica takvog načina povezivanja jedinica je izrazit pad tlaka u

sustavu, što uzrokuje manje iskorištenje i energetsku učinkovitost, odnosno velike gubitke pri

provedbi procesa. Ako se, umjesto spomenutog unutrašnjeg uvećanja, primijeni vanjsko,

riješen je problem pada tlaka, ali se istodobno javljaju drugi nedostaci u obliku većeg utroška

materijala za izradu mikrouređaja koji k tome zauzima veći prostor, što opet ide u prilog

manjoj ekonomičnosti.

Staklo kao najčešći materijal za izradu mikroreaktora uz mnogo pozitivnih

karakteristika ima jednu vrlo negativnu – lomljivost. Ovaj nedostatak dovodi u pitanje nisku

cijenu ovakvih mikroreaktora, s obzirom na njihov kraći vijek trajanja.

Jedan od problema koji se javljaju pri dizajniranju mikroreaktora je određivanje

temperaturnog profila u četverokutnom kanalu, čija složenost proizlazi iz teškoće predviđanja

lokalnih temperatura i gustoće toka topline u sustavu, između ostalog iz razloga što srednja

2. Mikroreaktori

11

temperatura nije dobar izbor za referentnu vrijednost kojom bi bilo prikladno opisati lokalni

toplinski tok u bilo kojoj točki promatranog sustava.

2.5. Uvećanje procesa

Da bi se postiglo povećanje kapaciteta i uvećanje mjerila mikroreaktora, provodi se

paralelno ili serijsko spajanje pojedinih mikročipova u cjelinu (eng. numbering-up ili scaling-

out). Ovo je puno jednostavnije u odnosu na klasično uvećanje procesa (eng. scaling-up) koje

je znatno složeniji, dugotrajniji i skuplji postupak, i u isto vrijeme manje isplativ (Slika 7).

Vrlo je bitna značajka mikroreaktorskih sustava uvećanih paralelnim ili serijskim spajanjem

sigurnost odvijanja procesa bez prekida i bez većih smetnji u slučaju prestanka rada pojedinog

čipa iz bilo kojeg razloga. Bitno je napomenuti da takvi uređaji, dobiveni međusobnim

serijskim i/ili paralelnim spajanjem mikroelemenata, nisu nužno dimenzijama i volumenom

manji od konvencionalnih „makroreaktora“. Naprotiv, po potrebi mogu čak premašiti njihove

prosječne dimenzije.

Slika 7. Usporedba metodologije uvećanja procesa kod makroreaktora i mikroreaktora

2. Mikroreaktori

12

Dva su osnovna pristupa uvećanju procesa kod mikroreaktora. Prvi je način vanjsko

uvećanje, odnosno povećanje broja strukturnih jedinica (eng. external numbering-up). Ono se

provodi na način da se veći broj čipova s jednim elementom poveže u paralelan sustav (Slika

8).7

Slika 8. Shematski prikaz mikroreaktorskih uređaja povezanih u paralelan sustav

Drugi je način unutrašnje povećanje broja strukturnih jedinica (eng. internal

numbering-up). Takav pristup podrazumijeva serijsko povezivanje većeg broja elemenata

unutar jednog čipa. Pritom se formira jedan zajednički ulazni tok i jedan izlazni tok, odnosno

jedinstven spremnik za produkt. Unutrašnje uvećanje procesa ne mora biti dobro rješenje u

slučaju da postoji potreba za vrlo velikim dimenzijama uređaja, jer je broj jedinica koje je

moguće ugraditi na jedan čip ograničen padom tlaka pri serijskom povezivanju, što je

prethodno opisano kao jedan od nedostataka mikroreaktora. Zato se u praksi češće primjenjuje

vanjsko uvećanje procesa, jer se procjenjuje da su sve njegove ranije spomenute mane, u

odnosu na unutrašnje uvećanje, ipak lakše zanemarive,odnosno rezultiraju manjim gubicima.

Iz svih navedenih činjenica proizlazi da najbolji način uvećanja procesa ipak ovisi o

mogućnostima i uvjetima koje svaki proizvođač može i mora ispuniti.

3. Strujanje u mikrokanalima

13


3.1. Matematički opis strujanja u mikrokanalu

U mikroreaktorima se kemijski i biokemijski procesi odvijaju prema istim fizikalno -

kemijskim zakonitostima kao procesi u makroskopskim sustavima (konvencionalnim

reaktorima). To znači da se procesi koji se odvijaju u mikroreaktorima mogu opisati pomoću

istih jednadžbi kao oni provođeni u sustavima uobičajene veličine.

Za definiranje režima strujanja u mikrokanalima se koristi Navier – Stokesova

jednadžba, dok se kod višefaznih sustava režim strujanja opisuje jednadžbama koje se

dobivaju primjenom drugog Newtonovog zakona za tok fluida. Stlačivi oblik Navier –

Stokesove jednadžbe, koja opisuje prijenos momenta količine gibanja fluida, primjenjuje se

ako se u sustavu nalazi plinska faza (jednadžba 1):

2

3ji i i k

j i ikj i k k i j

uu u u upu g

t x x x x x x

(1)

gdje su: ui – komponenta brzine toka u smjeru i, ρ – gustoća fluida (plina), µ - dinamička

viskoznost, p – tlak, gi – ubrzanje sile teže, δij – Kroneckerov simbol; pri čemu su u i g

vektorske veličine, a i,j,k su komponente vektora.

Kod plinske faze, na tok i prijenos topline znatan utjecaj imaju viskozno grijanje,

razrjeđivanje, hrapavost površine uz koju se fluid giba i stlačivost.

Za opis strujanja također se upotrebljava jednadžba kontinuiteta, tj. zakon očuvanja mase

(jednadžba 2):

0ii

pu

t x

(2)

Ako je zadovoljena bilanca tvari, dolazi do prijenosa momenta količine gibanja uzrokovanog

gibanjem elementa fluida, što je osnova prikazane jednadžbe kontinuiteta. Navier-Stokesova

jednadžba predstavlja najopćenitiji oblik zakona očuvanja količine gibanja i vrijedi za

Newtonske fluide i nekompresibilne fluide, te za laminarno strujanje.8 Za opis toka kapljevine

u mikrokanalima, primjenjuje se nestlačivi oblik Navier – Stokesove jednadžbe (jednadžba 3):

1 1i i ij i

j i j j

u u upu g

t x x x x

(3)

Uz pretpostavke da je tok stacionaran i da postoji konstantan pad tlaka u sustavu, Navier –

Stokesova jednadžba se pojednostavljuje te poprima oblik (jednadžba 4):


14

4

128

p dQ

L

(4)

Jednadžba 4 opisuje Poiseuilleov tok, gdje je Q – količina prenesene topline, α – koeficijent

prijelaza topline, d – promjer kanala.

Osnovne karakteristike Poiseuilleovog toka su maksimalna brzina strujanja fluida u

centru, minimalna brzina strujanja na stjenkama mikrokanala (Slika 9.) te proporcionalnost

protoka i pada tlaka u sustavu.9

Slika 9. Laminarno strujanje kroz cijev kružnog poprečnog presjeka.

3.2. Režimi strujanja u mikrokanalu

Objektivne metode za određivanje tipa strujanja još su uvijek u razvoju te se tip

strujanja u mikrokanalima subjektivno procjenjuje i svrstava u jednu od pet kategorija (Slika

10):10

1) Strujanje u filmu; nastaje pri vrlo malim linearnim brzinama strujanja, od svega

nekoliko mm/s. Kapljevina se giba silazno niz stjenke kanala, a plinska faza prolazi

kroz središte kanala istostrujno ili protustrujno u odnosu na kapljevinu.

2) Mjehurasto strujanje; plin protječe u obliku sitnih mjehurića kroz kontinuirani tok

kapljevine.

3) Čepoliko ili segmentirano strujanje, tzv. Taylorov tip strujanja (Slika 11)6, mjehurići

se postupno spajaju u veće mjehure poprimajući oblik čepa te zauzimaju cijeli promjer

kanala. Promjenom uvjeta provedbe procesa, nastaju mjehurići različitih dimenzija.

Duljina čepolikih mjehura ovisit će o geometrijskim karakteristikama i o materijalu od

kojeg su izrađeni mikrokanali.


15

4) Uzburkano strujanje; nastaje pri većim brzinama protjecanja plinske faze. Pritom

dolazi do pojave malih mjehurića na krajevima većih. Promjenom brzine, tj. njenim

povećavanjem unosi se nered u sustav.

5) Anularno strujanje ili prstenasti tok; javlja se pri vrlo velikim brzinama strujanja.

Dolazi do zamjene mjesta plinovite i kapljevite faze na način da sada kapljevina struji

uz stjenku mikrokanala u obliku tankog filma, a kroz njegovo središte teče plinska

faza pomiješana sa sitnim kapljicama.

Slika 10. Strujanje fluida u mikrokanalima: a) i b) mjehuričasto strujanje; c) i d) segmentirano

(Taylorovo) strujanje; e) prijelazno segmentirano-uzburkano strujanje; f) uzburkano

strujanje; g) strujanje u filmu; h) anularno strujanje


16

Slika 11. Shematski prikaz Taylorovog strujanja u mikrokanalu

U svrhu postizanja željene vrste strujanja, treba uzeti u obzir sljedeće karakteristične

veličine procesa: linearnu brzinu strujanja, svojstva kapljevite faze, geometriju i dimenzije

kanala te vrstu materijala od kojeg su izrađeni. Ovi parametri ujedno predstavljaju najveće

probleme pri postizanju i održavanju pojedinih željenih oblika strujanja.

3.3. Mikromiješalice i miješanje fluida u mikrokanalu

Tehnologija mikromiješalica u zadnjih nekoliko godina sve znatnije napreduje i

ostvaruje odlične rezultate u poboljšavanju procesa u mikroreaktorskim sustavima. U

uobičajenom mikroreaktoru, bez mikromiješalice, pri brzinama strujanja kapljevina od 0,1 – 1

mm s-1 ostvaruje se laminarno strujanje (Reynoldsova značajka iznosi približno 10), pri čemu

je miješanje dviju procesnih struja posljedica difuzijskog prijenosa tvari. Da bi se poboljšao

taj način miješanja, primjenjuju se vrlo male vrijednosti brzine strujanja ili se ono čak

potpuno zaustavlja te se na taj način produljuje vrijeme kontakta između dviju kapljevina.


17

Druga opcija je primjena većih brzina strujanja ili manjih kanala, ali kada je god to moguće

primjenjuju se mikromiješalice.

Mikromiješalice se mogu podijeliti u dvije skupine, pasivne i aktivne. Aktivne

miješalice zahtijevaju primjenu vanjskog rada. Najčešće daju bolje rezultate, ali zbog većih

troškova proizvodnje, većeg utroška energije te gubitka, odnosno uništavanja uzoraka i

otopina, kad god je to moguće koriste se pasivne miješalice.

Aktivnim miješalicama nazivamo one koje se u svom radu koriste: ultrazvukom,

zvučnim vibracijama (mjehurići kapljevina generiraju se u zvučnom polju, pri čemu se

površina mjehurića ponaša poput vibrirajuće membrane), elektrokinetičkim nestabilnostima

(fluktuacije električnog polja uzrokuju miješanje), periodičkim promjenama brzine strujanja,

višeelektrodnim poljem (njegovom se primjenom razbijaju spojeni mjehurići plina),

piezoelektričnim membranama (princip rada je sličan ultrazvuku), magneto-hidrodinamičkim

miješalima (koriste električno polje koje stvaraju elektrode integrirane u mikrokanale),

mikromiješalima i integriranim mikroventilima (omogućuju nekontinuirano miješanje

difuzijom). Najveće prednosti mikromiješala su prilagodljive dimenzije, dvopoložajna

regulacija i fleksibilnost.

Za postizanje pasivnog miješanja upotrebljavaju se: protustrujni tok (miješalo je u

obliku proreza), paralelni tok (zbog specifične strukture miješala struje se razdvajaju na dvije

podstruje te se nakon toga međusobno ukrštaju i miješaju nekoliko puta), recirkulacija (pri

visokim vrijednostima Reynolsove značajke cik cak konfiguracija kanala uzrokuje optočni tok

što ima za posljedicu miješanje), sudar mlazova (zbog čega dolazi do međusobnog

turbulentnog miješanja) i kao poseban slučaj Coanda- miješanje (zasniva se na postojanju

skretnice dijela toka fluida i njihovog ponovnog vraćanja u glavni tok, što uzrokuje

miješanje).

Najjednostavnije oblikovane miješalice su pasivne miješalice konstruirane u obliku

slova Y. Upotrebljavaju se za miješanje plinova i kapljevina. Unatoč jednostavnoj izvedbi

miješanje je vrlo učinkovito. Usporedbom triju različitih izvedbi „Y“- miješalica (-45o i +45o

orijentacija i Venturijeva cijev) dobivene su različite duljine zona miješanja. Najbolji su

rezultati dobiveni primjenom -45o orijentacije pri čemu je dobivena zona duljine miješanja

2,12 mm, dok se najlošijom pokazala Venturijeva cijeva kao „Y“- miješalica sa suženjem.


18

3.4. Prijenos tvari i topline

Zbog malih dimenzija mikrokanala u mikroreaktorskim uređajima (10- 500 µm) i

velike površinske gustoće (1104- 5104 m2 m-3) moguće je postići vrlo intenzivan prijenos

topline pri čemu koeficijenti prijenosa topline mogu iznositi i do 25 000 W m-2 K-1. Osim toga

u mikroreaktore se često ugrađuju izmjenjivači topline koji dodatno poboljšavaju regulaciju

izmjene topline te su vrlo učinkoviti i gotovo neophodni kada se u mikroreaktorima provode

izrazito egzotermne ili endotermne reakcije.

Vörz i suradnici su korištenjem učinkovitog prijenosa topline u mikroreaktorima

uspjeli postići selektivnost od 95 % i konverziju od 55 % u procesu oksidativne

dehidrogenacije primjenom dodatnog srebrnog mikroizmjenjivača topline ugrađenog na

uobičajenu konfiguraciju mikroreaktora. Reakcija je egzotermna i odvija se pri temperaturi od

500 oC uz prisustvo srebra kao katalizatora. Bez ugrađenog izmjenjivača topline postignuta je

selektivnost od 90 % uz konverziju od 55 %.1

Prednosti upotrebe mikroreaktora kod izrazito egzotermnih ili endotermnih reakcija

su i u boljoj kontroli sekundarnih reakcija. Npr. Brzo hlađenje sintetiziranog produkta nakon

završetka reakcije rezultira većom čistoćom gotovog proizvoda. Velike prednosti

mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore vidljive su i pri prijenosu tvari.

Upotrebom modela tankog filma za procjenu prijenosa tvari, uspoređivane su vrijednosti

volumnog koeficijenta prijenosa kisika (kla) za mikroreaktor i laboratorijski prokapni reaktor.

Dobivene vrijednosti u slučaju mikroreaktora iznosile su 5- 15 s-1 te su uvelike nadmašile

vrijednosti zabilježene za laboratorijski reaktor, koje su se kretale od 0,01- 0,08 s-1.

Dessimoz i suradnici su usporedili prijenos tvari u reakciji neutralizacije trikloracetata

i natrijeva hidroksida u staklenim mikroreaktorima s „T“ i „Y“- spojnicama. Rezultirajući je

tok u obje izvedbe mikroreaktora bio identičan te je ovisno o brzini strujanja varirao od

paralelnog toka do čepolikog strujanja. Ostvareni koeficijent prijenosa tvari nije pokazao

ovisnost o tipu spojnica i vrsti strujanja te je iznosio k=10-5 - 10-4 m s-1.

Provedene su simulacije za laminarno i za čepoliko strujanje, a u oba je slučaja uočena

promjena smjera strujanja na bočnim i na donjoj stjenci reaktora kada je temperatura tih

stjenci viša od temperature plina koji se unosi u reaktor (Slika 12).


19

Slika 12. Shematski prikaz smjera toka topline (strelice) kroz stjenke mikrokanala pri

različitim temperatura

Zbog vrlo malih dimenzija u mikroreaktorima je moguće ostvariti velike brzine

prijenosa topline, što rezultira učinkovitom kontrolom raspodjele temperature. U slučaju da se

radi o fluidima najčešće dominira konvektivni prijenos topline, dok je difuzijski u većini

slučajeva moguće zanemariti. U slučaju prijenosa topline kroz čvrstu stjenku ne postoji

konvektivni prijenos, iz čega slijedi da se prijenos topline odvija isključivo kondukcijom. Za

uspješan dizajn mikroizmjenjivača topline nužno je detaljno razumijevanje procesa na

mikrorazini. Da bi se razvili učinkoviti i pouzdani sustavi, potrebna su detaljna mjerenja,

predviđanja lokalnih temperatura i gustoće toka topline.1

4. Primjena mikroreaktora

20


U mikroreaktoru je moguće provesti procese koji se odvijaju u jednofaznim,

dvofaznim ili trofaznim sustavima. To se odnosi na jednofazne sustave plin i kapljevina,

dvofazne sustave plin – kapljevina, kapljevina – kapljevina, kapljevina – krutina, i trofazne

sustave plin – kapljevina – krutina i plin – plin – krutina. U višefaznim je sustavima

najvažnije ostvariti dobro miješanje i difuziju, jer je brzina prijenosa između faza često

ograničavajući faktor pri postizanju maksimalne brzine kemijske reakcije.

4.1. Dvofazni sustavi plin-kapljevina

U dvofaznom sustavu plin – kapljevina cilj je što učinkovitije raspršiti plinoviti reaktant u

kapljevitom, da bi se što više povećala kontaktna međufazna površina i održao jednolik

protok plina kroz cijeli sustav, odnosno uzduž mikrokanala i po njegovom poprečnom

presjeku te kako bi se reakcija uz željenu konverziju odvila u prihvatljivom vremenskom

periodu. Plin i kapljevinu je moguće uvesti u sustav protustrujno, pomoću „T“ spojnice, pri

čemu se na mjestu kontakta dviju faza pojavljuju mjehurići plina koji se prenose dalje kroz

kapljevinu u zajednički kanal mikroreaktora. U obrnutom slučaju kapljevina se pomoću „T“

spojnice uvodi u struju plina koja se kontinuirano dovodi u sustav (Slika 13).

Slika 13. Prikaz načina uvođenja plina u kapljevinu pomoću „T“-spojnice

Proces adicije fluora na toluen, upotrebom elementarnog fluora, proveden je u

mikroreaktoru s padajućim filmom u sustavu plin - kapljevina. Formiranjem tankog sloja


21

kapljevine na stjenkama mikrokanala postignuta je vrlo velika međufazna površina od 40.000

m2 m-3 što je nekoliko tisuća puta veće od površina u dotad korištenim makroskopskim

sustavima. Iskorištenje na monofluoriranim orto- i para- produktima od 28 % i konverzija

toluena od 76 %, podudaraju se s vrijednostima koje se dobivaju u industriji, ali usporedbom

troškova i jednostavnosti tehničke izvedbe tih dvaju sustava do izražaja dolaze sve prednosti

mikroreaktora od kojih je najizrazitija nekoliko redova veličine veća volumna produktivnost u

odnosu na vrijednosti postignute u makroskopskom cijevnom reaktoru.

4.2. Dvofazni sustavi kapljevina-kapljevina

Dvije se kapljevine uvode u kanal primjenom pumpi koje se nalaze izvan samog

mikroreaktora i prolaze kroz „Y“ spojnicu (cijev) te se miješaju (Slika 14a).

Slika 14. Prikaz načina uvođenja kapljevine u kapljevinu pomoću a) „Y“-spojnice i b) „T“-

spojnice

Uz pretpostavku da obje kapljevine struje linearno i da su njihovi tokovi paralelni duž

cijelog mikrokanala (Slika 15) između faza se odvija difuzija obiju komponenata u smjeru

koncentracijskog gradijenta i dolazi do kemijske reakcije.11


22

Slika 15. Mikroskopski pogled na strujanje u mikrokanalu prilikom protjecanja dvaju vodenih

procesnih struja (vode i obojene vode) u uvjetima laminarnog strujanja

Postoji i drugi način provedbe istog procesa, upotrebom „T“ umjesto „Y“ spojnice

(Slika 14b). U tom se slučaju difuzija i kemijska reakcija pospješuju dodavanjem ionskih

čestica, čime se mijenjaju lipofilna svojstva nepolarnih kapljevina u procesu, formiranjem

micelija ili stvaranjem mikroemulzija tipa ulje u vodi pomoću odgovarajućih površinski

aktivnih tvari.

Wörz i suradnici su u reakciji heksana s koncentriranom sumpornom kiselinom

provedenoj u mikroreaktoru pri temperaturi 50 °C i uz vrijeme zadržavanja od 4 sekunde

postigli konverziju od 80 do 85 %. To je znatno bolji rezultat u odnosu na konvencionalne

laboratorijske reaktore u kojima je pri istim procesnim uvjetima konverzija od 25 %

postignuta uz vrijeme zadržavanja od 2 minute. Kada je ova reakcija provedena u

mikroreaktoru pri temperaturi 20 °C, uz istu početnu koncentraciju reaktanata, konverzija od

90 do 95 % je postignuta za vrijeme zadržavanja od 30 sekundi uz istovremeno smanjenje

količine nastalih nusprodukata čak 10 %.1

4.3. Dvofazni sustavi kapljevina-krutina

Provedba kemijskih reakcija koje sadrže reaktante, produkte i/ili međuprodukte u

krutom agregatnom stanju nije pogodna za mikroreaktore. Postoji realna mogućnost da dođe

do začepljenja mikrokanala i prekida toka, što dovodi do neuspješnog ishoda procesa i velikih

gubitaka u sustavu. Da bi se to spriječilo, pri provedbi reakcija u višefaznim sustavima


23

kapljevina – krutina, kruta se faza najčešće koristi kao katalizator. Vrlo je praktično rješenje

oblaganje unutrašnjih stjenci mikrokanala katalitički aktivnim metalima u slučajevima kada je

to izvedivo.

U staklenom mikroreaktoru s imobiliziranim slojem katalizatora, Wilson i McCreed

su proveli reakciju dehidratacije heksan-1-ola u heks-1-en. Sulfonirani cirkonij kao katalizator

je nanesen na staklene pločice, na kojima su mikrokanali izrezani procesom fotolitografije, a

trenutkom povezivanja pločica došlo je do imobilizacije katalizatora na površinu mikrokanala.

Konverzija heksan-1-ola u heks-1-en iznosila je 85 – 95 %, a osim što je značajno veća u

odnosu na industrijski proces proveden u makroskopskom reaktoru, nije bilo ni nastajanja

sporednih produkata.1

4.4. Trofazni sustavi plin-kapljevina-krutina

Disperzija plina u kapljevitoj fazi, održavanje jednolikog režima disperzije duž cijele

dužine reaktora za dulji vremenski period zadržavanja i nanošenje krute faze u mikrokanal na

način da osigura što veću kontaktnu površinu za reaktante, osnovni su praktični problemi pri

provedbi reakcija u mikrokanalima za višefazne sustave plin – kapljevina – krutina. Najčešće

se u praksi upotrebljavaju monolitni mikroreaktori u kojima je kruta faza, u funkciji

katalizatora, u tankom sloju nanesena na unutrašnje stjenke mikrokanala i čini jednoliku

poroznu membranu. Često se koriste i prokapni mikroreaktori za provođenje reakcija

hidrogeniranja.

Upotrebom mikroreaktora s kanalima obloženim paladijem, Kobayashi i suradnici su

reducirali benzilnu grupu te dvostruku i trostruku vezu različitih organskih spojeva u

višefaznom sustavu plin – kapljevina – krutina. Produkti su dobiveni već nakon 2 minute

provedbe reakcije za različite supstrate uz stupanj konverzije do čak 97 %. Aktivna površina

za provedbu reakcije korištena u pokusima provedenim u mikroreaktoru je bila više od 100

puta veća u odnosu na klasične makrorektorske sustave, a postignuta volumna produktivnost

bila je 140.000 puta veća od one zabilježene u pokusima provedenim u konvencionalnom

laboratorijskom reaktoru.

Plin – plin – krutina sustavi, kao i plin – kapljevina – krutina sustavi, za integraciju

krute faze u sustav koriste monolite ili prokapni sloj katalizatora, dok je miješanje plinskih

faza u potpunosti postignuto „T“ spojnicama.


24

Dietzsch i suradnici su upotrebom mikroreaktora s mikrokanalima izrađenim od

smjese olova i cinka i paralelnim oksidacijskim i redukcijskim ciklusima, uz dodatak

ugljik(IV)dioksida u tragovima, postigli gotovo idealnu konverziju od 99,9 % i selektivnost

od 98 % u procesu hidriranja 1,5 - ciklooktadiena u ciklooktan.1

5. Zaključak

25

5. Zaključak

Zahvaljujući brzom napretku suvremene tehnologije, provedba kemijskih i

biokemijskih reakcija postala je mnogo jednostavnija i učinkovitija. Za to je između ostalog

zaslužna i primjena mikroreaktorskih sustava, koji su svojim dimenzijama i izvedbom

omogućili približavanje stvarnih procesnih uvjeta idealnim.

Svakim danom su zahtjevi za sigurnosnim standardima u laboratorijima, industriji i

istraživanju sve veći, ali i u tom su pogledu mikroreaktori daleko ispred svih tipova

konvencionalnih uređaja. Primjenjivi su za jednofazne i višefazne sustave te vrlo egzotermne i

endotermne reakcije. Do danas su razvijeni mikroreaktori u kojima je moguće provođenje

nekoliko istovremenih reakcija, separacija i analiza cjelokupnog procesa u jednom

reakcijskom kanalu. Iz toga proizlazi da mikroreaktor može predstavljati jedno cijelo

minijaturno postrojenje sa svim njegovim funkcijama. Potrebne su vrlo male količine

reaktanata i katalizatora za provedbu procesa, a minijaturni su sustavi vrlo praktični i zato što

ih je moguće smjestiti ili ugraditi na teško dostupna mjesta, na primjer u ljudski organizam

(pod kožu, kako bi detektirali količinu masnoće u krvi), ali po potrebi se veličina sustava

može mijenjati. Moguće je uvećati sustav povezivanjem pojedinih ćelija mikroreaktora u

serijski ili paralelan spoj. Time su uklonjeni gotovo svi potencijalni problemi pri upotrebi

mikroreaktora te je vrlo izgledno da je samo pitanje vremena kada će se njihova primjena

proširiti na znanstvene discipline u kojima je to dosad bilo nezamislivo.

6. Literatura

26

6. Literatura

1. A. Šalić, A. Tušek, Ž. Kurtanjek, B. Zelić, Mikroreaktori. Kem. Ind. 59 (2010) 227-

248

2. K. Koch, R. J. F. van den Berg, P. J. Nieuwland, R. Wijtmans, M. G. Wubbolts, H. E.

Schoemaker, F. P. J. T. Rutjes, J. C.M. van Hest, Enzymatic synthesis of optically pure

cyanohydrins in microchannels using a crude cell lysate. Chem. Eng. J. 135S (2008) S89-

S92

3. J. Yoshida, A. Nagaki, T. Iwasaki, S. Suga, Enhancement of chemical selectivity by

microreactors. Wiley-VCH, Weinheim, 2005

4. O. Wörz, K. P. Jäckel, T. Richter, A. Wolf, Chemical engineering technology. Wiley-

VCH, Weinheim, 2001

5. W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe, Microreactors: New technology for modern

chemistry. Wiley-VCH, Weinheim, 2000

6. X. Wang, Y. Nie, J. L.C. Lee, S. Jaenicke, Evaluation of multiphase microreactors for

the direct formation of hydrogen peroxide. Appl. Catal. A 317 (2007) 258-265

7. K. F. Jensen, Microreaction engineering - is small better? Chem. Eng. Sci. 56 (2001)

293-303

8. A. Glasnović, Mehanika fluida. interna skripta, Fakultet kemijskog inženjerstva i

tehnologije

9. A. Glasnović, Mehanika fluida. interna skripta, Fakultet kemijskog inženjerstva i

tehnologije

10. M. T. Kreutzer, F. Kapteijn, J. A. Moulijn, J. J. Heiszwolf, Multiphase monolith

reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels. Chem. Eng.

Sci. 60 (2005) 5895-5916

11. M. Tišma, B. Zelić, Đ. Vasić-Rački, P. Žnidaršič-Plazl, Igor Plazl, Modelling of

laccase-catalyzed l-DOPA oxidation in a microreactor. Chem. Eng. J. 149 (2009) 383-388

7. Popis simbola

27

7. Popis simbola

d - promjer kanala, m

g - gravitacija, m s-2

L - duljina mikrokanala, m

p - tlak, Pa (kg m-1 s-2)

Q - količina prenesene topline, kJ

t - vrijeme, s

ui - komponenta brzine toka u smjeru i, m s-1

X - karakteristična linearna dimenzija sustava, m

7.1. Grčki simboli

α - koeficijent prijelaza topline, W m-2 K-1

δij - Kroneckerov simbol

- dinamička viskoznost, kg m-1 s-1

ρ - gustoća fluida (plina), kg m-3

7.2. Indeksi

i, j, k - komponente jediničnog vektora

ŽIVOTOPIS

Martina Warde je rođena u Zagrebu 4. studenog 1988. Osnovnu školu Stjepana Kefelje i opću

gimnaziju Tina Ujevića završila je u Kutini. Tijekom srednjoškolskog obrazovanja osvojila je

u trećem razredu treće mjesto na županijskom natjecanju iz biologije, a u četvrtom razredu

drugo mjesto iz biologije i treće mjesto iz kemije, također na županijskim natjecanjima.

Akademske godine 2007/2008. je upisala studij Kemijskog inženjerstva na Fakultetu

kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu.

martina warde mikroreaktori zavrŠni rad

Documents