Inżynieria mikroprocesowa
Inżynieria mikroprocesowa to nauka o prowadzeniu procesów chemicznych lub fizycznych ( operacji jednostkowych ) wewnątrz małych objętości, zwykle wewnątrz kanałów o średnicy mniejszej niż 1 mm (mikrokanały) lub innych struktur o wymiarach poniżej milimetra. Procesy te są zwykle przeprowadzane w trybie ciągłego przepływu, w przeciwieństwie do produkcji seryjnej , co pozwala na uzyskanie wystarczająco dużej przepustowości, aby inżynieria mikroprocesowa stała się narzędziem do produkcji chemicznej. Inżynierii mikroprocesowej nie należy zatem mylić z mikrochemią, która zajmuje się bardzo małymi całkowitymi ilościami materii.
Poddziedzina inżynierii mikroprocesowej, która zajmuje się reakcjami chemicznymi przeprowadzanymi w mikrostrukturalnych reaktorach lub „ mikroreaktorach ”, jest również znana jako technologia mikroreakcji .
Wyjątkowe zalety mikrostrukturalnych reaktorów lub mikroreaktorów to zwiększona wymiana ciepła dzięki dużemu stosunkowi powierzchni do objętości oraz zwiększona wymiana masy . Na przykład skala długości dyfuzji jest porównywalna z mikrokanałami lub nawet krótsza, a wydajne mieszanie reagentów można osiągnąć w bardzo krótkim czasie (zazwyczaj w milisekundach). Dobre właściwości przenoszenia ciepła pozwalają na precyzyjną kontrolę temperatury reakcji. Na przykład wysoce egzotermiczne reakcje można przeprowadzić prawie izotermicznie , gdy mikrostrukturalny reaktor zawiera drugi zestaw mikrokanałów („kanał chłodzący”), płynowo oddzielony od kanałów reakcyjnych („kanał reakcyjny”), przez które utrzymywany jest przepływ zimnego płynu o wystarczająco dużej pojemności cieplnej . Możliwa jest również bardzo szybka zmiana temperatury reaktorów mikrostrukturalnych, aby celowo osiągnąć zachowanie nieizotermiczne.
Intensyfikacja procesu
Chociaż wymiary poszczególnych kanałów są niewielkie, urządzenie do inżynierii mikroprocesowej („reaktor mikrostrukturalny”) może zawierać wiele tysięcy takich kanałów, a całkowity rozmiar reaktora mikrostrukturalnego może sięgać metrów. Celem inżynierii mikroprocesowej nie jest przede wszystkim miniaturyzacja zakładów produkcyjnych, ale zwiększenie wydajności i selektywności reakcji chemicznych, zmniejszając w ten sposób koszty produkcji chemicznej. Cel ten można osiągnąć albo za pomocą reakcji chemicznych, których nie można przeprowadzić w większej objętości, albo prowadząc reakcje chemiczne przy parametrach (temperaturach, ciśnieniach, stężeniach), które są niedostępne w większej objętości ze względów bezpieczeństwa. Na przykład detonacja stechiometrycznej mieszaniny dwóch jednostek objętości gazowego wodoru i jednej jednostki objętości gazowego tlenu nie rozchodzi się w mikrokanałach o wystarczająco małej średnicy. Właściwość ta jest określana jako „ samoistne bezpieczeństwo reaktorów mikrostrukturalnych. Poprawa wydajności i selektywności poprzez zastosowanie nowych reakcji lub prowadzenie reakcji przy bardziej ekstremalnych parametrach jest znana jako „intensyfikacja procesu”.
Historia
Historycznie rzecz biorąc, mikroinżynieria procesowa powstała około lat 80. XX wieku, kiedy metody mikroobróbki mechanicznej opracowane do wytwarzania dysz do separacji izotopów uranu zostały po raz pierwszy zastosowane do produkcji kompaktowych wymienników ciepła w Karlsruhe (Jądrowym) Centrum Badawczym .