化工进展-微反应器综述

微反应器研究进展与应用龙立S141101059摘要：微反应器作为微化工系统的核心设备，是实现化工过程强化的重要技术基础，近年来逐渐成为国际化工技术领域研究的热点。本文介绍了微反应器的原理及其研究进展，阐明了微反应器技术的特点，列举微反应器的应用范围与实例，说明了微反应器的发展前景。关键词：微反应器，微反应系统。1绪论微化工技术是20世纪90年代初顺应可持续发展与高技术发展的需要而兴起的多学科交叉的科技前沿领域。它是集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新技术，涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。主要研究对象为特征尺度在微米到数百微米间的微化工系统，常贵尺度的化工过程通常依靠大型化来达到降低产品成本的目的，而微化工过程则注重于高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大及高度集成等方面[1]。将部分核心化工装备小型化、微型化的方法是促进化工过程强化的有效手段，它是实现化工过程安全、高效和绿色的重要方法之一[2]。化工设备的微小型化是现代化工技术发展的一种新理念，它以微尺度流动、分散和传递的基本原理为核心，能够有效强化反应和分离过程，提升生产效率并且大幅缩小设备的体积，有利于化工新过程的快速开发和产业转化。微型化工器件已成为微型设备的重要组成部分，主要包括微混合器、微型反应器、微型换热器、微化学分析、微型萃取器、微型泵和微型阀门等。作为微化工技术核心部件的微反应器，其内部通道特征尺度在微尺度范围（10-500μm），远小于传统反应器的特征尺寸，但对分子水平而言已然非常大，故利用微反应器并不能改变反应机理和本征动力学特性，而是通过改变流体的传热、传质及流动特性来强化化工工程的。2微反应器微结构反应器（简称微反应器）是重要的微化工设备之一，是实现化工过程微小型化的核心装备。在微化工过程中微反应器担负起了完成反应过程、提高反应收率、控制产物形貌以及提升过程安分离回收难度和成本、减少过程污染等具有重要的意义。针对不同过程特点开发出的微反应器不仅形式多样，其配套的工艺技术也与传统化工过程存在一定区别，利用集成化的微反应系统可以实现过程的耦合，因此微反应技术的发展也同时带动了化工工艺的进步。微反应器起源于20世纪90年代，21世纪初叶是微尺度反应技术的快速发展期。在基础研究方面，随着对微尺度多相流动、分散、聚并研究的不断深入，微反应器内多相流型，分散尺度调控机制以及微分散体系的大批量制备规律等问题逐渐被人们深入理解。基于微反应器内微小的流体分散尺度、极大的相间接触面积等特点可以有效强化相间传质和混合过程，从而为反应过程的强化奠定基础。研究结果表明，利用微反应器能够有效强化受传递或混合控制的化学反应过程，而这类过程在传统的反应装置内往往难以精确控制，极易产生局部热点、浓度分布不均、短路流和流动死区等问题，微反应器具有的高效混合和快速传递性能是解决这些问题的重要手段。微反应器的分类。对于不同相态的反应过程，微反应器可以分为气固催化微反应器、液液催化微反应器、气液微反应器和气液固三相催化微反应器等。根据输入能量的不同，可分为非动力式微反应器和动力式微反应器。按照微结构的不同可分为：微通道反应器、毛细管微反应器、降膜式微反应器、多股并流式微反应器、微孔阵列和膜分散式微反应器以及外场强化式微反应器等[4]。2.1微反应器的微混合机理微反应器具有与大反应器完全不同的几何特性：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常大的比表面积[3]。微反应器及其他微通道设备的通道特征尺寸(当量直径)数量级是微米级。传统混合过程依赖于层流混合和湍流混合。微化工系统中，由于通道特征尺度在微米级，雷诺数远<2000，流动多呈层流，因此微流体混合过程在很大程度上是主要基于扩散混合机制，而不借助于湍流。这个过程通常是在很薄的流体层之间进行，其基本混合机理如下。(1)层流剪切在微混合器内引入2次流，使流动截面上不同流线之间产生相对运动，引起流体微元变形、拉伸继而折叠，增大待混合流体间的界面面积、减少流层厚度。(2)延伸流动由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速，产生延伸有以下特点,那么微反应器将不是合适的选择:很慢的液-固反应,反应无放热或吸热现象,传统工艺的选择性和收率已经很高的反应[6]。2.3微反应器适合的反应类型及其应用放热剧烈的反应对放热剧烈的反应，常规反应器一般采用逐渐滴加的方式，即使这样，在滴加的瞬时局部也会过热而产生一定量的副产物。微反应器由于能够及时导出热量，反应温度可实现精确控制，因此消除了局部过热，显著提高反应的收率和选择性[7]。反应物或产物不稳定的反应某些反应物或生成的产物很不稳定，在反应器中停留时间一长就会分解而降低收率。微反应器系统是连续流动体系，而且反应物的停留时间可以精确控制，因此可避免常规反应器中出现的由于反应物或产物不稳定而分解的情况。反应物配比要求很严的快速反应某些反应对反应物配比要求很严格，其中某一反应物过量就会引起副反应，如要求单取代的反应，会有二取代和三取代产物生成。微反应器系统可以瞬时达到均匀混合，这就避免了局部过量的问题，使副产物减少到最低。危险化学反应以及高温高压反应某些易失控的化学反应，一旦失控，就会造成反应温度急剧升高，压力急剧增加，引起冲料，甚至引发爆炸。微反应器由于反应热可以很快导出，而且又是连续流动反应，在线的化学品量很少，因此从安全性的角度考虑，微反应器非常适合此类反应。纳米材料和需要产物颗粒均匀分布的固体生成反应由于微反应器能实现瞬时混合，对于形成沉淀的反应，颗粒形成、晶体生长的时间基本一致，因此得到的颗粒粒径具有窄分布的特点。对于某些聚合反应，有可能得到聚合度窄分布的产品。由于微反应器技术所表现出来的优势,近年来它在工业生产上也得到越来越多的应用。据统计,目前已有20多家工厂在使用微反应器技术。很多欧洲公司和研究机构,尤其是大型的化工和医药公司都在致力于开发和应用基于微反应器的新生产工艺。2.4微反应器发展存在的问题微反应器研究已经成为世界范围内化工传质传热科研热点，目前还存在以下两个问题：(1)工业化实现复杂：首先，微设备数增放大，虽然降低了放大成本，但其处理能力还较小，一般只适合生物制药、精细化工等处理量相对较小的领域。对于大处理量要求的化工生产还有待于研究新型的微混合设备。其次，微反应器的放大看起来简单，但要实现却是一个巨大的挑战。当微反应器的数量大大增加时，微反应器监测和控制的复杂程度大大增加了闭，对于实际生产来说成本相对高。(2)微通道易堵塞，难清理：新材料是目前国际上高技术发展的重点领域和学科前沿。其中，发展最快的是纳米材料。纳米材料在制备过程中需要产物均匀分布的颗粒形成反应或聚合反应。由于微反应器能实现瞬间混合，对于形成沉淀的反应，颗粒形成、晶体生长的时间是基本一致的，因此得到的颗粒的粒径有窄分布特点。但是微反应器微米级的线尺寸，加之反应器内部复杂通道结构，使得制备颗粒材料时造成反应器通道极易堵塞，很难清理等问题。这已成为微反应器制备中的一大困扰。因此发展具有高清洁性能和可处理含固体体系的微混合反应设备十分必要[8]。3结论与展望最近几年来，国外学术界对微反应器进行了深入的研究，对微反应器的原理和应用有了比较透彻的认识，在微反应器的设计、制造、集成和放大等关键问题上已经取得了突破性进展。尤其是在微反应器的设计和制造上，达到了相当高的水平，已经用适当的工艺和材料制造出了微反应泵、微混合器、微反应室、微换热器、微分离器和具有控制单元的完全耦合微反应系统。但微反应器要取代传统反应器应用于实际生产，还需要解决一系列难题，如微通道易堵塞、催化剂设计、传感器和控制器的集成及微反应器的放大等。微反应器的放大看起来简单，但要实现却是一个巨大的挑战。当微反应器的数量大大增加时，微反应器监测和控制的复杂程度大大增加了。展望未来微反应器研究，预计将在以下几个领域取得进展。(1)设计新的微反应器模型，对微反应器进行耦合、集成和“放大”。(2)在微反应器中研究反应原理，对微反应器的设计进行模拟、优化。(3)在微反应器中探索新的反应途径和使化工生产更加经济更加环保的方法，并应用于实际生产，这是研究微反应器的真正价值所在。参考文献[1]王敏，宋志国。绿色化学化工技术[M]，化学工业出版社，北京，2012年6月。[2]骆广生，王凯，吕阳成，王玉军，徐建鸿。微尺度下非均相反应的研究进展。化工学报[J]。第64卷，第1期，2013年1月。[3]刘冠颖，方玉诚，郭辉进，顾临，况春江.微反应器发展概况.当代化工,第39卷第3期,2010年6月.[4]骆广生，王凯，吕阳成，徐建鸿，邵华伟.微反应器研究最新进展。现代化工，第29卷第5期，2009年5月。[5]李斌.微反应器技术在精细化工中的应用.精细化工.第23卷第1期,2006年1月。[6]刘涛。欧洲微反应器技术的发展与应用现状。现代化工。第