1.5.3 Выбор алкоголя для переэтерификации

1. 5. 3 Выбор алкоголя для переэтерификации

Переэтерификация может проводиться с использованием спиртов, таких как метанол, этанол, н-пропанол, н-бутанол и и-бутанол, н-амил и и-амил. В общем, спирты, в которых менее восьми атомов углерода. Метанол является наиболее часто используемым алкоголем в производстве биодизеля и в основном из-за его реактивности, он прост в изготовлении и восстановления и не полярный, чем этанол. Но он токсичен и вредно воздействует на активность биокатализатора, а этанол является подходящем выбором, поскольку этанол имеет некоторые топливные свойства. Кроме того, содержание эфира жирных кислот не существенно влияет на увеличение количество С в спирте. Конверсия кукурузного масла с использованием и-амилом привело к снижению содержания жирных кислот, чем н-амилом. Вероятно, это было связано с содержанием вторичного алкоголя в  и-амиле. Известно, что использование вторичного алкоголя вызывает низкую конверсию в алкоголизе растительных масел (Суману и Борншер 2003). Считают, как правило, что первичные спирты являются более подходящими, чем вторичные. [5]

1. 6 Общие сведения о микрореакторах

Микрореакторная технология получила развитие в последнее десятилетие и сегодня представляет собой серьезную альтернативу обычным макроскопическим производствам. Микрореактор — это миниатюрное реакторное устройство, имеющее размеры в субмиллиметровом диапазоне. В микрореакторе химические ре­акции осуществляются обычно в нескольких параллель­ных каналах, диаметр канала не превышает длину сво­бодного пробега молекул в газофазных реакциях.

С использованием микрореакторов можно создавать интегрированные химические системы, можно комби­нировать отдельные базовые устройства, в том числе реакторы, смесители, теплообменники, сепараторы — все в микрометровом масштабе. Интегрированные микрореакторные системы имеют более сложную структу­ру: несколько устройств объединяются в общую конст­рукцию. Они имеют каналы диаметром в субмиллиметровом диапазоне для потока жидкости и газов и макро­скопические каналы в конце и начале системы.

Что касается микротехнологических методов изго­товления микроустройств, то они в основном разрабо­таны применительно к микроэлекромеханическим системам. Для конструирования микрореакторов при­меняют литографию, гальванотехнику, литье. Конст­рукционными материалами служат кремний, кварц, полимеры, металлы.

Микрореакторы признаны как новые инструменты в области химии и химической технологии, а также в биохимии и в изготовлении лекарственных препаратов. Кроме того, интеграция микрореакторов с миниатюр­ными средствами химического анализа открывает возможности применения их в комбинаторной химии, для высокопроизводительного скрининга катализаторов, а также для изучения кинетики и механизма реакций.

Главное достоинство микрореакторов — интенсификация в них массо- и теплообмена, а также улучшена картина течения. Эффективная работа микрореакторов обусловлена, прежде всего, большой величиной отношения площади поверхности к объему, которое, как правило, от 100 до 500 раз больше, чем в обычных лабораторных приборах. Основные преимущества микрореакторов перед традиционным оборудованием следующие.

Во-первых, это улучшение характера течения. Микрожидкостной поток по существу ламинарный, что является прямым следствием самоперемешивания. Как известно, перемешивание достигается за счет диффузии и масштаб времени диффузионного перемолам возрастает с увеличением характеристических размеров реактора. Уменьшение диффузионного пути в микрореакторах до менее 100 мкм приводит к тому, что перемешивание достигается за очень короткое время. Это обеспечивает быстрое формирование однородной реакционной смеси уже в начале реакции.

С другой стороны, высокая скорость передачи тепла позволяет проводить экзотермические или высокотемпературные реакции эффективно и под контролем. Кроме того, в случае каталитической реакции эффективная передача тепла позволяет лучше использовать катализатор в сильно эндотермических и экзотермических реакциях и избежать образования горячих пятен. Благодаря возможности проведения реакций при более высоких температурах объем реакционной массы, и количество катализатора могут быть значительно снижены.

Кроме того, поскольку малые диаметры каналов микрореактора гарантируют короткое время радиальной диффузии, распределение во времени пребывания реакционной системы в канале сужается, что ведет к высокой селективности образования желаемых интермедиатов в последовательных процессах.

Использование микроструктурных реакторов принципиально упрощает масштабирование процесса, поскольку нет необходимости в испытаниях в пилотных установках после проведения лабораторных исследований. Стратегия основана на принципе увеличения числа — числа микроустройств и числа каналов в них. Перемешивание и тип течения в реакторе имеют решающее значение при осуществлении химических процессов, когда не требуется высокая селективность по целевым продуктам. В микроструктурных системах характер течения в принципе может быть адаптирован к каждой конкретной реакционной системе, что обеспе­чивает оптимальное распределение продукт

Узким местом гетерогенно-катализируемой реакционной системы является сопротивление диффузии в пористом слое катализатора, что в большинстве случаев приводит к снижению скорости реакции. В микрореакторах слои катализатора очень тонкие (менее 100 мкм), что минимизирует диффузионное сопротивление и повышает в целом эффективность работы катализатора. Кроме того, при использовании микрореакторов существенно упрощается скрининг новых материалов для катализаторов, так как можно избежать проведения стандартных операций прессования—дробления—просеивания. Стенки микрореактора можно покрывать тонким слоем катализатора (менее 50 мкм), который не создает большого сопротивления диффузии. Облегчается возможность минимизации технологического оборудования. В итоге все это приводит к интенсификации процесса. Несколько реакторных микро- и миллиустройств было разработано в университете «Або Академия».

Ожидается, что в будущем опасные и нестабильные химические вещества не будут перевозить на дальние расстояния, а производить на месте их применения. Тонкий органический синтез можно осуществлять в микрореакторах в непрерывном режиме, что обеспечивает стабильные условия проведения реакции и высокое качество продукции. Многие химические процессы, проводимые в настоящее время в периодическом режиме, можно будет осуществлять в непрерывном режиме в микрореакторах.

Современное проектирование технологических процессов и оборудования базируется на математическом моделировании, расчетах и оптимизации. Несмотря на успехи в этой области, разработка проекта по-прежнему требует огромных усилий, особенно при масштабировании новых процессов. На всех этапах разработки технологии — от лабораторных исследований до создания установки, опытного производства и крупномасштабного завода — применяются методы расчета. Иногда удается сделать большой скачок от лаборатории до заводского масштаба, но более типично проведение отдельных экспериментальных исследований наряду с матема­тическим моделированием производственных процессов в различном масштабе, что естественно требует много времени и средств. Микроструктурированные устройства могут и здесь оказать большую помощь: после завершения опытно-конструкторских работ расширения до заводского масштаба можно добиться путем объединения нескольких микроустройств параллельно и достижения, таким образом, необходимых производственных мощностей. Традиционная концепция масштабирования заменяется концепцией увеличения числа единиц.

Наконец, использование микрореактора — это путь к повышению химической безопасности процесса. Действительно, процессы, в том числе взрывоопасные реакции, проводятся в непрерывном режиме с малыми количествами реагентов и в малом объеме. Микрореакторы обеспечивают более эффективный контроль над процессом, позволяя предотвратить превышение заданного уровня температуры.

Таким образом, по сравнению с макромасштабным производством микрореакторы имеют значительные преимущества в отношении скорости процессов, пропу­скной способности, контроля, рентабельности, избира­тельности. Все эти качества улучшаются при минимиза­ции реакторов и связанных с этим улучшением массо- и теплообмена.

Тем не менее в микрореакторной технологии есть еще нерешенные проблемы. Например, трудности воз­никают при смешивании жидкость—жидкость, при обработке твердых веществ внутри микроканалов. Кроме того, концепция расширения масштабов путем репликации многих единиц, что кажется простым, мо­жет создать проблемы, касающиеся обработки жидкости, комплексного мониторинга реакторов и контроля и др. В случае гетерогенного катализа остается слож­ной задача нанесения активной фазы (возможны нерав­номерность покрытия, неравномерное распределение металла на подложке, слабое закрепление катализатора и его дезактивация). Кроме того, оказалось крайне сложным использование микрореакторов для проведения процессов с участием многофазных систем. Остает­ся проблемой получение воспроизводимых результатов эксперимента. При проведении многофазных операций в микрореакторах возникают сложности, связанные с перемешиванием двух фаз и возможностью управлять удерживанием фаз и размерами пузырьков дисперсной фазы. Характер распределения потока в параллельных каналах микрореактора в большинстве случаев неизвестен. Возникает парадокс: расчеты, основанные на теории теории расчетов реакторов для химических реакций, показывают для конкретной реакционной системы, какой тип течения является оптимальным (часто он близок к напорному течению). Но в микрореакторном устройстве имеет место распределение времени пребывания реакционной системы, что менее благоприятно, чем теоретически рассчитанное оптимальное состояние. Практика показывает также, что переход от традиционной шкалы к микромасштабной во многих случаях не оправдан, достаточно использовать миллимасштабное оборудование. Предсказать характер течения в миллимасштабном оборудовании гораздо легче, поскольку здесь могут быть непосредственно применены макроскопические законы механики жидкости.

Последнее, но не менее важное: в настоящее время микрореакторы и разделительные системы по-прежнему дороги. Стоимость их снижается, если микроустройства ис­пользуются в лабораторных масштабах для исследовательских целей (скрининг катализаторов, изучение кинетики и равновесия реакций), где требуется ограниченное число микроустройств и работы финансируются государством. Промышленное производство, с другой стороны, должно быть экономически выгодно. Принцип увеличения числа в своей простейшей форме означает, что много микрореакторов используются параллельно. Система, построенная таким образом, содержит много металла на единицу объема, гораздо больше, чем обычное оборудование, и оказывается дорогостоящей. Поэтому необходимо обратиться к поиску менее дорогих и более гибких производственных технологий для микроструктурированных устройств.

Разработки производственной технологии тем не менее недостаточно для успешного внедрения микропроцессов и использования микрооборудования. Необходимо глубокое понимание различных аспектов технологического процесса, включая элементы материаловедения, химической кинетики и термодинамики, явлений массо- и теплопередачи, а также моделирования потоков.