微通道反应器内强放热多相反应过程强化及调控机制

The development trend of the modern chemical industry is safe, clean, efficient, energy saving and sustainable. The process intensification is an effective way to achieve this goal. As one of the most important ways for process intensification, microreaction technology holds great advantages in equipment miniaturization and process integration. It is very promising in process-safety, energy-saving and emission-reduction. In order to optimize the system integration and improve the process safety and reliability, it is an important problem to understand the law of transport phenomena and reaction principles on micro spatio-temporal scales in the development of microreactor..Based on the model reaction of the nitration of aromatic hydrocarbons and alcohols, this project is mainly aimed at developing the regulation technology to improve the safety and selectivity of the fast and highly exothermic multi-phase reaction with the combination methods of experimental research, theoretical analysis and numerical simulation. Following works will be investigated systematically (1) Coordination mechanism of multiphase fluid flow, transfer and reaction in microreactor will be revealed; (2) The regulatory mechanism of transport phenomena and reaction principles on microscales will be established; (3) Parallel amplification mechanism to highly exothermic liquid-liquid reaction by a combination of transportation and reaction will be explored. (4) To elucidate the explosion mechanism of the reaction process, and to establish effective safety-control strategy of nitration reaction process. This project will provide the theoretical basis for the development of microchemical technology with safe, efficient and controllable processes, and will promote the development of micro chemical engineering and technology.

化学工业的发展趋势是过程安全、清洁、高效、节能和可持续性，化工过程强化是实现这一目标的有效途径。兼具设备小型化和过程集成化优势的微反应技术是过程强化的重要方式，是实现过程安全和节能减排的重要手段。深入了解受限空间内的传递与反应耦合规律是微反应器设计与开发亟待解决的重要问题。.本项目拟以芳烃和醇类硝化反应为研究对象，开发“提高强放热反应的安全性与选择性的调控技术”为主要目标，系统地开展以下工作：（1）微尺度下多相流体流动、传递与反应间的协调匹配规律；（2）微尺度下传递及反应过程调控作用的传递机制；（3）耦合传递与反应的快速强放热液-液多相反应过程并行放大规律；（4）阐释反应过程爆炸机制，建立有效的硝化反应过程的安全控制策略。本项目顺利实施将为开发过程安全、高效、可控的微化工技术提供理论支持和科学依据，并将推进微化学工程与技术学科的发展。

微反应技术是过程强化的重要方式，是实现过程安全和节能减排的重要手段。深入了解受限空间内的传递与反应耦合规律是微反应器设计与开发亟待解决的重要问题。.本项目以芳烃和醇类硝化反应为主要研究对象，开发“提高强放热反应的安全性与选择性的调控技术”为主要目标，重点开展以下工作：1）微尺度下过程调控作用的多尺度传递规律；2）微尺度下反应与传递间调控和强化，阐释反应过程爆炸机制和建立硝化反应过程安全控制策略；3）耦合传递与反应的快速强放热液-液多相反应过程并行放大规律。.硝化反应常涉及高粘混酸体系和非常温工况，本项目研究了微通道内高粘多相体系的流动、混合与传递行为，及其耦合机制与调控规律。揭示了流型转变中惯性和粘性力的作用规律，提出了基于复合无量纲数的流型转变准则，实现了宽粘度和宽温度范围内流型的准确预测；针对弹状流流型，研究液-液两相体系和气-液-液三相体系流动规律，建立了多机制作用的气泡/液滴断裂机制，为多相微分散调控提供了新策略和模型；研究揭示了高粘体系的混合和多相传质规律，设计了新型高效的微换热器，为高效调控强放热反应的热质传递提供了基础。.以三氟甲氧基苯和异辛醇硝化反应过程为研究对象，开展了工艺优化、动力学行为和过程安全性研究。研究发现醇类硝化过程多相反应失控的重要特征，揭示了引发硝酸酯分解的重要原因是反应体系中浓硫酸与异辛醇反应形成硫酸酯表面活性剂。完成了三氟甲氧基苯硝化的并行放大规律研究，并在合作企业生产现场完成了10吨/年规模中试试验。此外，针对环化、缩合等其它快速强放热反应进行基础与应用研究。项目开展相关成果将为开发过程安全、高效、可控的微化工技术提供理论支持和科学依据，并进一步推进微化学工程与技术学科的发展。.项目执行期间培养博士研究生7名、硕士研究生4名，在AIChE J.，Chem. Eng. Sci.等化工核心刊物和会议上发表学术论文26篇、其中SCI论文20篇，申请发明专利11件、其中授权专利6件。