工廠製程方法議題| Chapter 1: 什麼是微流道反應器

從R&D放大到製程噸級量產,您不用修改實驗條件的反應器

利泓科技 技術支援 廖婉淨

你的批次式量產是否遇到以下問題?

  • 高放熱反應,反應溫度不易控制
  • 反應物不穩定,合成過程危險
  • 反應時間長,產能低
  • 開發新材料週期長,R&D往往跟量產製程結果產率落差大

 

以工廠製造技術來說,最常使用批次式反應(batch reactor),也就是將反應物、催化劑於容器中進行實驗。隨著反應量變大,就必須考慮反應中的熱傳、質傳問題、尋找合適的溫控系統、重新設計反應條件。

我們遇過一個實際案例,對方的材料對溫度非常敏感,在62度才能進行反應,溫度達到64度則會造成物料損壞。當放大到製程量產時,發現夾套反應器控溫不易,因此常常遇到產能不佳、副產物等問題。

本次專欄內容

  • 什麼是微流道反應器?
  • 微流道反應器可以改善哪些批次式量產(Batch Reactor)的問題?

什麼是微流道反應器?

顧名思義,是一種微小的連續式反應器。通常是藉由特殊的微小通道(直徑低於500 µm)作為其反應空間,當反應物流進通道就進行反應,流出即終止反應。藉由反應器的通道設計,使物質混合效率非常高,並且比表面積較大,可快速帶走熱。

特點一:克服batch reactor溫度梯度的問題,能有效移熱

批次式量產

 

擋板設計不能避免熱不均勻的問題,熱區問題容易造成thermal runaway。

微流道反應器

 

藉由微小的反應槽與製冷片設計,即使在放熱反應,也能快速移熱。

 

 

特點二:高混合效率,降低反應時間

批次式量產

 

攪拌的效能會受到物料特性、容器體積、反應器的設計等影響。當攪拌條件不佳時,物料很可能會附著於反應器底部,使得無法完整的反應所有原料。

微流道反應器

 

微流道的混合機制:物料進入微流道後,會以擴散的方式互相混合。由公式,我們可以得知: 隨著管徑越小,其混合速度越快。

(ex) 以實際反應來說,使用300um的微流道,約10秒即完成反應。

 

 

最典型的微流道設計:T-mixer

 

 

有些廠商甚至設計出如同batch reactor的混合擋板於微流道中,讓混合效果更快速。

特點三:R&D開發的微量型反應條件,可以直接套用至噸級量產設備

如同一開始所討論的,批次式量產當體積放大時,會因為攪拌、放熱等狀況不同,而需要重新找合適的反應條件。

然而,實驗型的微流道反應器,在微量測試時,主要調控的參數為:流速、反應溫度。其比熱面積大,所以在製程放大時,不會像Batch reactor受到太多質傳與熱傳的影響。

 

下一個章節,我們將和大家討論”什麼反應,適合微流道反應器”

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