Impianti chimici/Microreattori

Miscelamento di fluidi

Macrofluido e microfluido

Tempo di miscelamento

$\tau _{mix}=L^{2}/E_{v}$

ove L è la dimensione caratteristica del sistema e E_v è il coefficiente di diffusione turbolenta

Miscelatori statici

L'energia dissipata nella miscelazione può essere facilmente dedotta da un bilancio di forze sull'elemento miscelante. Infatti, la variazione di energia di pressione pressione alle estremità di questo corrisponde all'energia dissipata ( Watt/L ) per attrito interno, di natura turbolenta che implica trasporto di materia e calore, e dunque miscelazione.

$\Phi =Q\Delta p\ /{\rho V_{r}}$

Il contributo viscoso è trascurabile.

Il criterio di scale-up è l'energia dissipata. Il miscelatore statico viene dimensionato mantenendo la stessa energia dissipata delle prove in scala ridotta.

Reazioni limitate dal miscelamento

Quando la scala temporale di una reazione è dell'ordine di millisecondi o meno, essa è più veloce dei fenomeni di diffusione in fase liquida, ove su scala di 1 L il mescolamento è completo in pochi secondi e su scala industriale (1o m^3) può richiedere anche qualche minuto. Ogni sistema così rapido si troverà a reagire in presenza di forti inomogeneità di composizione e di temperatura locale, provocata dall'entalpia di reazione.

Microreattori

A partire dagli anni '80, per risolvere i problemi legati alle reazioni estremamente veloci ed alla dipendenza dal mescolamento (controllo cinetico), si sviluppa in Europa (e soprattutto in Germania) il tema della micronizzazione dei reattori. I primi sforzi furono separatamente nelle direzioni del miscelamento di fluidi e dello scambio termico, presso gli istituti di ricerca pubblici IMM [1] (Institut fü Mikrotechnik Mainz) ed il Forschungszentrum Karlsruhe[2]. I primi modelli furono in metallo, ed in questo la grande esperienza di micromeccanica europea ha certamente costituito un vantaggio.

Successivamente, ci sono stati molti sviluppi, alcuni altamente specializzati come i dispositivi miniaturizzati di analisi Lab-on-a-chip

Manifattura dei microreattori

1. LIGA
2. litografia (Si)

Scambio termico

Per flusso laminare completamente sviluppato, il numero di Nusselt (coefficiente di scambio termico adimensionale) è dato dalla seguente correlazione:

$Nu=3.657+{\frac {0.19(RePr~d_{p}/L)^{0.8}}{1+0.0117(RePr~d_{p}/L)^{0.467}}}$

Numbering-up

Lo scale-up alle dimensioni industriali delle reazioni condotte nei microreattori non può farsi per messa in scala delle dimensioni dell'apparecchiatura, come normalmente fatto per le altre apparecchiature chimiche. Questo perché le proprietà dei microreattori derivano direttamente dalle loro dimensioni sub-millimetriche, che vanno quindi conservate.

L'approccio è invece la parallelizzazione intensiva di unità di microreattori, il cosiddetto numbering-up.

Il vantaggio di questo approccio è nella rapidità. Il sistema viene ottimizzato in condizioni facilmente ottenibili in laboratorio (da 1 a 200 mL/min), che saranno le medesime nell'unità di produzione, eliminando tutte le sorprese ed i problemi di non-linearità dello scale-up. Questo principio, nella realtà è di limitata applicazione per la difficoltà pratica di parallelizzare molti microreattori.

Bibliografia

• J. Bałdyga, J. R. Bourne "Turbulent Mixing and Chemical Reactions", Wiley, ISBN 0471981710
• W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe "Microreactors", Wiley, ISBN 978-3-527-29590-6