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マイクロプロセス工学は、小容積、通常は直径 1 mm 未満のチャネル (マイクロチャネル) またはサブミリメートル寸法の他の構造内で化学的または物理的プロセス (単位操作)を実行する科学です。これらのプロセスは通常、バッチ生産ではなく連続フローモードで実行されるため、マイクロプロセス工学を化学生産のツールにするのに十分な高いスループットが得られます。したがって、マイクロプロセス工学は、非常に小さな物質全体量を扱う マイクロ化学と混同しないでください。
微細構造リアクターまたは「マイクロリアクター」で実行される化学反応を扱うマイクロプロセス工学のサブフィールドは、マイクロ反応技術としても知られています。
微細構造リアクターまたはマイクロリアクターの独自の利点は、表面積対体積比が大きいために熱伝達が向上することと、物質移動が向上することです。たとえば、拡散プロセスの長さスケールはマイクロチャネルの長さスケールに匹敵するかそれよりも短く、非常に短い時間 (通常は数ミリ秒) で反応物の効率的な混合を実現できます。優れた熱伝達特性により、反応の温度を正確に制御できます。たとえば、微細 構造リアクターに、反応チャネル (「反応通路」) から流体的に分離された 2 番目のマイクロチャネル セット (「冷却通路」) が含まれており、この 2 番目のマイクロチャネル セットを通じて、十分に高い熱容量を持つ冷たい流体の流れが維持されている場合、非常に 発熱性の高い反応をほぼ等温で行うことができます。また、微細構造リアクターの温度を非常に急速に変更して、非等温挙動を意図的に実現することもできます。
プロセスの強化
個々のチャネルの寸法は小さいですが、マイクロプロセスエンジニアリングデバイス (「マイクロ構造リアクター」) には、このようなチャネルが何千個も含まれ、マイクロ構造リアクターの全体サイズは数メートルの規模になることがあります。マイクロプロセスエンジニアリングの目的は、主に生産プラントを小型化することではなく、化学反応の収率と選択性を高めて、化学生産のコストを削減することです。この目標は、より大きな容積では実行できない化学反応を使用するか、安全上の制約によりより大きな容積ではアクセスできないパラメータ (温度、圧力、濃度) で化学反応を実行することによって達成できます。たとえば、 2 体積単位の水素ガスと 1 体積単位の酸素ガスの化学量論的混合物の爆発は、十分に小さい直径のマイクロチャネルでは伝播しません。この特性は、マイクロ構造リアクターの「本質的安全性」と呼ばれます。新しい反応を使用するか、より極端なパラメータで反応を実行することで収率と選択性を向上させることは、「プロセス強化」として知られています。
歴史
歴史的に、マイクロプロセスエンジニアリングは、ウラン 同位体分離ノズルの製造用に開発された機械的マイクロ加工方法が、カールスルーエ（原子力）研究センターで小型熱交換器の製造に初めて適用された 1980 年代頃に始まりました。