1、北京化工大學研究生課程論文課程名稱： 化學反應器理論 課程代號： ChE540 任課教師： 文利雄 完成日期： 2014 年 3 月 24 日 專 業： 化學工程技術 學 號： 2014202224 姓 名： mongmong 成 績： 微通道反應器發展及應用摘要微化工技術作為化學工程學科中一個新的發展方向是實現化工過程綠色、安全、高效的重要方法,微反應器作為微化工系統的核心已經成為科學研究的熱點之一。近年來,隨著微尺度下“三傳一反”研究的進展,微尺度流體的性能得到了深入揭示,微反應器技術也被廣泛應用于科學研究和工業生產領域。本文綜合概括了微通道反應器的基本概念及主要優點，講述了微通道反應器的

2、發展及演變歷程，詳細介紹了微通道反應器的分類及結構，重點講述微通道反應器的流體力學和混合特性，接著介紹了微通道反應器所適用的反應體系和目前微通道反應器的工業應用實例，最后又針對微通道反應器的一系列問題的研究現狀進行了總結和概括，并對它的應用前景進行了展望。AbstactAs a new chemical process development direction, The micro chemical engineering system is an important technology to make the chemical engineering process green, saf

3、e and highly efficient . Microchannel Reactor-the core of micro-chemical systems has become a hot topic of scientific research. During recent years, many kinds of microreactors have been designed and the transport performance of fluid at a microscale has been widely investigated. Furthermore , the m

4、icroreactor has been widely used in the research and industrial process. This paper summarizes the basic concepts of microchannel reactor and its main advantages ,talks about the development of microchannel reactor and evolution process. it introduces the classification and structure of Microchannel

5、 Reactor in deatails, which forcusing on its hydrodynamics performance and mixing features, then introduces the industrial application examples and the reaction system applied currently. and finally, A range of issues for the research status of microchannel reactors were summarized and described, an

6、d its application was prospected too.Keywords：Microchannel Reactor; microscale ; micro chemical engineering前言20世紀微電子技術和數字技術的高速發展，計算機的更新換代已將微型化的理念引入工作和生活的各個領域。微加工技術起源于航天工業，最初是為了滿足空間尺寸的需要，它所表現出的多重優點很快引起了科學界的廣泛重視，先后被應用到化學、分子生物學和分子醫學領域，并迅速取得了驚人的成果。例如，1993年Richar Mathies在生物芯片上測定了DNA片斷，整體基因排序的完成，打開了洞徹分子信息

7、的窗口1。微型泵、微反應器、微混合器以及微分離器在化學領域的應用，使均相和多相反應更加安全、快速，高效。毫無疑問微加工技術是現代科技的代表和產物，必將推動人類文明的進程。進入21 世紀,化工過程向著更為綠色、安全、高效的方向發展,而新工藝、新設備、新技術的開發對于化工過程的進步是十分重要的。在這樣的背景下,微化工系統的出現吸引了研究者和生產者的極大關注。微化工系統并非簡單的微小型化工系統,而是指帶有微反應或微分離單元的新型化工系統。在微化工系統中,微反應器是重要的核心之一。微加工技術最卓越的貢獻之一是加工出形狀各異的微反應器。微反應器也稱為微結構或微通道反應器，內部包含各種形狀的微通道，當反應

8、物通過微通道時發生相應的反應。對比常用的反應器，由于微反應器小而精密的結構特征，它具有高的傳熱、傳質和反應效率2-3，并且安全又便于攜帶，以至于越來越多的科學家致力于微反應器的研究和應用。29目錄第一部分微通道反應器概念1第二部分微通道反應器的起源與演變2第三部分微通道反應器的結構4第四部分微通道反應器流體力學與混合特性84.1流體力學84.1.1微尺度流體間的作用力和多相流流型84.1.2 微通道內氣液兩相流的流型及流型圖94.1.3 微通道內兩相流傳質的研究114.1.4 傳遞過程的強化134.2混合特性13第五部分微通道反應器的應用（適用的反應體系）155.1 微通道反應器反應特點155

9、.2微反應器適合的反應類型19第六部分微通道反應器工業應用實例21七前景與展望24八結語25參考文獻：26第一部分微通道反應器概念微反應器，即微通道反應器，利用精密加工技術制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之間的微型反應器。 圖1.微通道反應器的概念微通道反應器是一個復雜的微系統，其內容涵蓋了微動力學、微摩擦學、微流體力學、微傳熱學、微電子學、化學等多門學科，所以微反應器的各部件和微通道都要進行精密的設計和研究。微通道的當量直徑數量級為微米，其間流體流動的雷諾準數通常在幾十到幾百之間，黏滯力比慣性力大，流體為層流流動。第二部分微通道反應器的起源與演變微反應器是一類新型的反應設

10、備,起源自20 世紀90 年代。具體來講,微反應器一般是指通過微加工技術和精密加工技術制造的帶有微結構的反應設備,微反應器內的流體通道或者分散尺度在微米量級,而微反應器的處理量則依據其應用目的的不同達到從數微升/ 分鐘到數萬立方米/ 年的規模。近年來與微反應器相關的流動、混合、反應等方向的研究工作發展十分迅速,帶動了微反應器技術的快速發展?！拔⒎磻?microreactor)”最初是指一種用于催化劑評價和動力學研究的小型管式反應器,其尺寸約為10 mm。隨著本來發展用于電路集成的微制造技術逐漸推廣應用于各種化學領域，前綴“micro”含義發生變化, 專門修飾用微加工技術制造的化學系統。此時的

11、“微反應器”是指用微加工技術制造的一種新型的微型化的化學反應器，但由小型化到微型化并不僅僅是尺寸上的變化，更重要的是它具有一系列新特性，隨著微加工技術在化學領域的推廣應用而發展并為人所重視。微加工技術起源于航天技術的發展，曾推動了微電子技術和數字技術的迅速發展。這給科學技術各個分支的研究帶來新的視點，尤其是在化學、分子生物學和分子醫學領域。較早引入微加工技術的是生物和化學分析領域。自從1993 年Richar Mathies 首先在微加工技術制造的生物芯片上分離測定了DNA 片段4后，生物芯片技術與計算機的結合，促成了基因排序這一偉大的科學成就；而化學分析方面差不多同時發展了在組合化學、催化劑

12、篩選和手提分析設備等方面有著誘人應用前景的微全分析系統(TAS)5。而把微加工技術應用于化學反應的研究始于1996 年前后, Lerous6和Ehrfeld 等7各自撰文系統闡述了微反應器在化學工程領域的應用原理及其獨特優勢?，F在微反應技術吸引了眾多學者在各個領域展開深入的研究，形式多樣的新型微反應器層出不窮，成為化學工程學科發展的一個新突破點。盡管如此，國外對微反應器的研究尚不成熟，對微反應器的原理及應用前景的看法也不盡一致，而國內對微反應器的研究還剛剛開始。圖2.微通道反應器的發展作為一類新型的反應設備,微反應器的形式近年來得到了不斷發展。微反應器是具有特定微結構的反應設備,微結構是微反應

13、器的核心,按照微結構種類的不同產生了不同形式的微反應器,幾種典型的微反應器有:微通道反應器、毛細管微反應器、降膜式微反應器、多股并流式微反應器、微孔陣列和膜分散式微反應器以及外場強化式微反應器等第三部分微通道反應器的結構圖3.微通道反應器內部結構微通道的形狀是多種多樣的，有矩形的、梯形的、雙梯形的以及不規則尺寸的。到目前為止，制造微通道可應用的微加工技術包括：精密機械加工、濕法刻蝕、干法刻蝕、電化學刻蝕、表面硅工藝技術、LIGA(光刻、電鑄成模和塑注成型)技術、電火花加工、表面活化鍵合技術、激光加工等【8-10】微反應器的外形尺寸通常只有幾厘米，內部的通道特征尺寸在微米級。圖4是用于水煤氣變換

14、的微型反應器，內部裝有25片帶有微通道的金屬薄片。圖4.微通道反應器構造微反應器=利用精密加工技術制造的特征尺寸在10-300微米（一般低于1000微米）的連續化的微通道反應容器圖5.拜耳LH25 微混合器微通道反應器是最廣泛使用的微反應器,通過光刻、蝕刻和機械加工的方法可以方便地在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷( PDMS) 和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 等材料上制作尺寸各異的微通道11。根據流體的加入方式不同,微通道反應器又分為T 型、水力學聚焦、同軸環管和幾何結構破碎等多種類型12-13毛細管微反應器是一種與微通道非常類似的反應器,利用毛細管內徑的變化可以調控流體的流動和分散尺度,而毛細管

15、的使用使得這種反應器的加工成本更為低廉,與方形的微通道不同的是毛細管通道截面為圓形,此外毛細管微反應器還可以在不影響流動的情況下,通過調整毛細管長度調整反應物的停留時間14。降膜式微反應器和多股并流式微反應器是由Hessel 等15-16課題組開發的2 種大通量型的微反應器,與微通道反應器不同的是,這2 種反應器本身的體積并不是微米級的。降膜式微反應器利用流體在重力作用下在與其浸潤的材料上可以形成微米級液膜的原理,在一個宏觀尺寸的降膜板上獲得了微米級的流動尺度。多股并流式微反應器則利用指狀交叉的微結構將流體分割成微米級的薄片后再混合在一起,從而獲得微米級的分散和混合尺度。微孔陣列和膜分散式微反

16、應器是一種結構簡單并且成本低的大通量型微反應器,這種反應器是在一個常規尺度混合通道內集成了眾多微孔結構的反應器,因此這種反應器可以在一定程度上看成T 型微通道的放大。筆者課題組的研究結果表明,這2種微反應器可以高效完成均相流體的混合和非均相流體的分散過程17-18 。外場強化式的微反應器在幾何結構上可以是以上的任意一種,但是在外場的作用下微反應器內的反應和分離過程可以進一步得到強化,目前主要采用的外場有電場、光照等19-20 圖6.基于不同微結構的微反應器示意圖第四部分微通道反應器流體力學與混合特性相對于傳統反應器,微反應器內流體的流動和分散尺度要小12 個數量級,這使得微反應器具備了很多優異

17、的性能,而微流體的引入也使得微反應器內流動、傳遞規律和常規設備相比發生了一定的變化,這些新的現象和規律引起了研究者的關注。4.1流體力學4.1.1微尺度流體間的作用力和多相流流型 單一液相流體在微反應器內的流動規律仍然滿足連續介質模型,連續性方程和N- S 方程對于液相微流體仍然是適用的,因此目前對于微反應器內的液體單相流流動行為研究還比較少,但是對微尺度下以液相為主的多相流的研究卻發展十分迅速。在微反應器內影響多相流流動行為的作用力相對于常規反應設備發生了一定變化,在微尺度下黏性力、慣性力和界面張力是主要的作用力,重力的作用比這些力小15 個數量級,Ca 數、We 數是描述微尺度流動的重要的

18、無因次準數。在微反應器內基本上不存在攪拌槳等動力輸入設備,因此在微反應器內液滴或者是氣泡的破碎、聚并規律也主要取決于流體自身黏性力、慣性力和界面張力的作用。在微反應器內這幾種作用力的大小和作用方向可以通過微結構的結構形式、反應器壁面的浸潤性和實驗的操作條件來調控。例如,通過調整微通道的進料方式和流體與壁面的接觸角,就能夠控制微通道內是哪一相分散、分散的尺度是多少等影響反應過程的關鍵參數。 微反應器基本上都采用連續操作的方式,在均相體系中,小通量的微通道和毛細管微反應器內的流動以層流為主,而大通量的幾種微反應器內可以在較高的流速下獲得湍流。在非均相流動體系中,隨著不互溶流體的引入,微反應器內產生

19、更為豐富的氣/ 液、液/ 液、氣/ 液/ 液等多相流流型。與傳統的開放空間式的反應器不同,微反應器內的流體處于一個受限的空間內,在微通道的結構、浸潤性和流體相含率的共同作用下,微反應器內產生了兩相層流、液(氣) 柱流、液滴(氣泡) 流、環狀流等豐富的流型,同一設備內的不同流型主要受設備結構、相比、Ca 數、We 數等因素影響。而不同的流型帶來了不同的流場情況,這對于反應過程的影響是十分顯著的,在微反應器內因為相界面對流體的分割作用和微通道對于流體的摩擦作用的存在,使得微反應器內存在強烈的內循環和二次流流動,這對于強化反應物的混合是十分重要的。4.1.2 微通道內氣液兩相流的流型及流型圖文獻中報

20、道過的微通道內兩相流型有：泡狀流(bubbly flow，對氣液兩相流)、液滴流（droplet flow，對液液兩相流）、子彈流(slug flow，或稱Taylor flow，segmented flow 等)、子彈-環狀流（slug-annular flow）、環狀流（annular flow）、紊亂流(churn flow)等。由于對流型的判斷沒有統一的標準，因此有時候相同的流型被不同的研究者賦予不同的名稱。文獻中報道的流型圖主要分為兩類：一種是針對某一兩相流體系、以兩相的速度為坐標的流型圖，如圖7 所示；一種是考察多種兩相流體系，將的物理性質考加以考慮給出的流型圖，如圖 8所示。圖7

21、.以兩相表觀速度給出的流型圖圖8.考慮到兩相物性的流型圖總體來說，流型圖的普適性不好，原因是一方面，不同研究者對流型的判斷標準不同，另一方面，微通道內部兩相分布與進料方法、入口結構、通道壁面狀況等密切相關，而研究者所使用微通道各不相同，缺少一種規范。目前還沒有出現普遍適用的流型圖。4.1.3 微通道內兩相流傳質的研究 已報道的文獻中，微通道內兩相流傳質的實驗研究主要是通過在線觀測和測量通道出口濃度兩種方法進行，其中在線觀測主要是應用于液液兩相流的傳質實驗，而測量出口濃度的方法則適用于液液兩相和氣液兩相流。 （I）在線觀測：Burns 等21在T 型入口、水力學直徑為380m 的微通道中，以KO

22、H 和NaOH 的水溶液作為水相，以乙酸的煤油溶液作為有機相，酚酞作為指示劑，在線觀察子彈流流動過程中的傳質過程。實驗證明，子彈流中的傳質過程得到大幅度的強化，研究者將其原因歸結為液柱內的循環。Xu 等22在兩種入口結構的微通道內進行液液兩相傳質實驗。連續相為溶有琥珀酸的n-丁醇，分散相為NaOH水溶液，使用酸堿指示劑顯示傳質過程中液滴的顏色變化，以此得到傳質時間及傳質系數。實驗結果顯示，傳質時間為0.44.0s，傳質時間比傳統液液系統高101000 倍；液滴形成過程中，液滴內出現渦狀流，大大強化了傳質過程，這一階段的傳質至少占了總傳質的30%，傳質系數是液滴向下游移動過程中10100 倍。（

23、II）檢測出口處吸收液的濃度：Yue 等23人在水力學直徑為667m 的微通道中用水吸收CO 2進行傳質實驗，完成吸收過程后，將吸收液與NaOH 水溶液進行混合，用鹽酸溶液進行酸堿滴定，酚酞和甲基橙作為指示劑指示第一滴定終點和第二滴定終點。實驗結果證明，傳質系數隨表觀液速和表觀氣速增大而增加，傳質效果可以用壓降關聯式及用雷諾數等無因次數組成的關聯式進行預測。 Xu 等人24以有機相作為分散相，以水為連續相進行萃取實驗，兩相濃度采用酸堿滴定進行測定，考察了各種條件下的傳質效果。實驗證明微尺度液-液兩相的傳質系數比傳統萃取方式大10100 倍，停留時間和液滴直徑直接影響總體的傳質效果，同時他們提出

24、，對于微尺度混合，應同時考慮液滴內外兩側的傳質過程。Niu 等在內徑為1mm 的圓形通道內進行氣液兩相流的實驗研究，其中液相為聚乙二醇二甲醚，氣相為CO 2和N 2的混合氣體，氣液兩相在通道內完成傳質后，在氣液分離器中分離，分離后的氣體進入色譜進行分析以確定被吸收的CO 2的量。實驗結果表明傳質系數隨表觀氣速和表觀液速增大而增大，最大的液側傳質系數達到3.34s-1，比傳統工業氣液接觸器高出1-2 個數量級。將傳質實驗數據與壓降進行關聯得到：其中( dp/dz ) tp是兩相壓降。將傳質實驗數據用無因次數進行關聯得到： 另外，他們還在內徑分別為0.5mm、1mm 和2mm 的T 形入口通道內對

25、化學吸收過程進行考察25，其中液相采用哌嗪活化的N-甲基二乙醇胺水溶液，氣相是CO 2 和N 2的混合氣體。實驗結果表明，隨著通道水力學直徑的減小，比表面積增大，傳質速度得到提高；液相的化學組成、氣相中CO 2的摩爾分率、兩相的表觀流速、兩相的溫度、操作壓強等對傳質效果都有影響。4.1.4 傳遞過程的強化 高效的傳熱、傳質能力對于反應器來說十分重要,而傳熱、傳質過程又與流體的流動和分散尺度密切相關,微米級流動和分散尺度能夠有效地強化宏觀混合和熱交換過程,促進微觀傳遞過程的快速完成。在微反應器內流體的比表面積能夠達到104106m2/ m3的量級,因此流體與壁面能夠進行高效的熱交換,從而有效地控

26、制反應溫度。在微反應器內,微米級的混合尺度和有效的內循環作用能夠促進反應物料快速混合,進而保證反應器內物料分布的均勻性,從而保證反應過程的一致性26 。對于非均相反應,微分散的乳液在微反應器內能夠有效強化相間傳熱、傳質過程,微反應器內新的液滴和氣泡形成方式以及快速的內循環作用是傳遞過程得到強化的重要原因27 。研究結果表明,微反應器內相間體積傳質系數可以達到傳統設備的10 1 000倍28 ,相間體積傳熱系數也可以達到傳統設備的1050 倍29 。4.2混合特性混合是任何化學反應中最基本的操作。在常規反應容器中,為獲得較快的混合速度,通常使用如攪拌器、震動器等外加設備,使反應物達到快速混合。微

27、通道反應器最基本的結構特征是通道的直徑通常小于數百m。流體在微米尺度下,與流速和通道尺寸有關的雷諾數Re 非常小, 一般為0.1 10030 。流體在微通道中呈層流狀態流動,混合靠擴散進行(圖9) 。粒子在液體中擴散一定距離所用的時間t 可用以下公式來估算: t = L2/D (式中D 為粒子擴散系數, L 為擴散距離) 。從上式可知,擴散時間和擴散距離的平方成正比,減小擴散距離可以大大縮短擴散時間。因此,微通道的直徑越小,混合速度越快31 ,32 。在微通道反應器中,常用T 形或Y形結構的微通道,使不同的反應物從兩個入口引入,匯流進入公共的反應通道(圖9) 。通過分子擴散使兩股液流在公共通道

28、中混合并進行反應。圖9 互溶兩相通過層流擴散混合第五部分微通道反應器的應用（適用的反應體系）5.1 微通道反應器反應特點由于微反應器的結構特征完全不同于常規反應器,決定了微反應器具有獨特的優勢而適應于某些化學反應。微反應器獨特的結構給它帶來了一系列優質的性能圖10. 微通道反應器反應特點（1）極大的比表面積（2）連續的流動（3）小試工藝不需中試可以直接放大精細化工多數使用間歇式反應器。小試工藝放大到大的反應釜,由于傳熱傳質效率的不同,一般需要一段時間的摸索,通常都是經過小試-中試-大生產。利用微反應器技術進行生產時,工藝放大不是通過增大微通道的特征尺寸,而是通過增加微通道的數量來實現的。所以小

29、試的最佳反應條件,不需要作任何改變就可以直接進行生產,不存在小試用反應器放大的難題。這樣可大幅度縮短產品由實驗室到市場的時間,對于精細化工行業,尤其是惜時如金的制藥行業,意義極其重大。（4）反應溫度/時間可精確控制極大的比表面積決定了微反應器有極大的換熱效率,即使反應中瞬時釋放出大量熱量,也可以及時吸收以維持反應溫度不超出設定值。對于強放熱反應,在常規反應器中由于混合速率及換熱效率不夠高,常常會出現局部過熱現象,而局部過熱往往導致副產物生成,以導致收率和選擇性下降。在精細化工生產中,劇烈反應產生的大量熱量如果不能及時導出,會導致沖料事故甚至發生爆炸。常規的單鍋反應,反應物往往采用逐漸滴加,以防

30、止反應過于劇烈,這樣就造成一部分先加入的反應物停留時間過長。對于很多反應,反應物、產物或中間過渡態產物在反應條件下停留時間一長,就會導致副產物的產生。微反應器技術采取的是微管道中的連續流動反應,可以精確控制物料在反應條件下停留的時間,一旦達到最佳反應時間就立即傳遞到下一步反應,或終止反應。這樣就有效地消除了因反應時間長而導致的副產物生成。（5）物料可以精確比例瞬時混合對反應物料配比要求很精確的快速反應,如果攪拌不好,就會在局部出現配比過量而產生產物。這一現象在常規反應器中幾乎無法避免,但微反應器系統的反應通道一般只有數十微米,可以精確按配比混合,避免副產物的形成。（6） 結構保證安全性由于換熱

31、效率極高,即使反應突然釋放大量熱量也可以被吸收,從而保證反應溫度維持在設定范圍以內,最大程度上減少了出安全事故和質量事故的可能性。與單鍋反應不同,微反應器采用連續流動反應,因此在反應器中停留的化學品數量總是很少的,即使萬一失控,危害程度也非常有限。（7）良好的可操作性微反應器是密閉的微管式反應器,在高效微換熱器的幫助下可實現精確的溫度控制。它的制作材料可以是各種高強度耐腐蝕材料,例如:用鎳合金制作微反應器,可以輕松實現高溫、低溫、高壓反應。另外,由于是連續流動反應,雖然反應器體積很小, 產量卻完全可以達到常規反應器的水平。5.2微反應器適合的反應類型據統計,在精細化工反應中,大約有20 %的反

32、應通過采用微反應器,可以在收率、選擇性或安全性等方面得到提高33 。微反應器的的優勢集中體現在以下類型的反應上。（1） 放熱劇烈的反應對放熱劇烈的反應,常規反應器一般采用逐漸滴加的方式,即使這樣,在滴加的瞬時局部也會過熱而產生一定量的副產物。微反應器由于能夠及時導出熱量,反應溫度可實現精確控制,因此消除了局部過熱,顯著提高反應的收率和選擇性。（2）反應物或產物不穩定的反應某些反應物或生成的產物很不穩定,在反應器中停留時間一長就會分解而降低收率。微反應器系統是連續流動體系,而且反應物的停留時間可以精確控制,因此可避免常規反應器中出現的由于反應物或產物不穩定而分解的情況。（3）反應物配比要求很嚴的

33、快速反應某些反應對反應物配比要求很嚴格,其中某一反應物過量就會引起副反應,如要求單取代的反應,會有二取代和三取代產物生成。微反應器系統可以瞬時達到均勻混合,這就避免了局部過量的問題,使副產物減少到最低。(4) 危險化學反應以及高溫高壓反應某些易失控的化學反應,一旦失控,就會造成反應溫度急劇升高,壓力急劇增加,引起沖料,甚至引發爆炸。微反應器由于反應熱可以很快導出,而且又是連續流動反應,在線的化學品量很少,因此從安全性的角度考慮,微反應器非常適合此類反應。(5) 納米材料和需要產物顆粒均勻分布的固體生成反應由于微反應器能實現瞬時混合,對于形成沉淀的反應,顆粒形成、晶體生長的時間基本一致,因此得到

34、的顆粒粒徑具有窄分布的特點。對于某些聚合反應,有可能得到聚合度窄分布的產品。第六部分微通道反應器工業應用實例微反應器獨特的結構給它帶來了一系列優質的性能，故它被應用到許多領域中。例如對于小規模的光化學過程，采用透明的微反應器可有利于薄流體層靠近輻射源。德國美因茲微技術研究所開發了一種平行盤片結構的電化學微反應器34。使用這個裝置，提高了由4一甲氧基甲苯合成對甲氧基苯甲醛反應的選擇性。由于微反應器高的傳熱效率，使反應床層幾近恒溫，有利于各種化學反應的進行。Wan等35】在微反應器中將苯胺氧化成氧化偶氮苯，DelSman等【36】在微系統中研究了一氧化碳的選擇氧化，同時微反應器也被應用到加氫反應、

35、氨的氧化、甲醇氧化制甲醛、水煤氣變換以及光催化等一系列反應。另外，微反應器還可用于某些有毒害物質的現場生產，進行強放熱反應的本征動力學研究以及組合化學如催化劑、材料、藥物等的高通量篩選。Kobayashi 等37 在芯片上進行三相催化加氫反應。通過對通道表面進行改性,將催化劑Pd 固定在通道表面。氣相在通道內流動,液相沿通道壁流動(圖14) ,圖14微通道內的三相反應反應物之間有比較大的接觸面積。在反應物連續流動的條件下,對酮,烯,二烯,炔等進行催化加氫,室溫下反應2min ,得到產物的產率均在97 %以上(式6)在相轉移反應中的應用相轉移反應已廣泛應用于提高烷基化反應、親核取代、消除、縮合、

36、加成、偶聯、霍夫曼降解等反應的反應速度。相轉移反應主要是反應物通過兩相間界面來進行化學反應,快速的傳質有利于加快反應速度。在常規反應容器里,主要通過攪拌使有機相均勻地分散在水相中,提高有機相和水相間的相接觸面積,減小分子間的擴散距離,從而達到有機相和水相間快速傳質目的。芯片通道尺寸一般在幾十到幾百微米,具有分子擴散距離短和比表面積大等特點,有利于兩相反應的進行。與在常規容器內的反應相比,反應時間縮短,轉化率增加。Worz 等38，39 在有熱交換通道的微流控芯片中合成了一種維生素中間體,芯片結構如圖15 ,微通道具有高的深寬比,大的熱交換面積,傳熱快。將反應物溶解在正己烷中,催化劑濃硫酸作為反

37、應的另一相,反應后,產物溶解于水相中。該反應為快速放熱反應。在常規容器內50 下反應4s 時得到產物產率為80 % 85 %。在芯片上進行同樣實驗,在溫度50 時,反應時間與產率的關系如圖16。反應3 -4s 時得到產物產率為80 % 85 % ,當反應時間延長時,產率下降。通過改變反應條件,在20 時反應30s ,產率可達到90 % 95 %。在此條件下,反應比較容易控制,安全性高,可用于工業上大量生產。圖15.帶有混合、反應和熱交換通道的微反應器七前景與展望迄今為止國內外學術界對微反應器已進行了廣泛的研究，對它的原理和特性有了較好的認識，且在微反應器的設計、制造、集成和放大等方面都取得了可

38、喜的成績。但是對它的研究還不夠成熟，傳統的“三傳一反”理論必須進行修正、補充和創新，反應的一些原理還沒有探討清楚，還需要大量的工作。另外在它的制造、催化劑的壁載和系統的自動控制方面還存在許多技術難點，有必要進行微反應系統中表面和界面現象、傳遞規律、反應特性和放大集成的深人研究。圖16.微反應技術前景預測八結語從微反應器的出現到現在已經經歷了10 余年的時間,對于微反應器的研究也獲得了大量的成果,微尺度流體的特殊性在研究中得到了揭示,微反應器優異的性能也隨著研究過程的不斷深入而逐漸被研究者們認知。但是,作為一個新興的領域,關于微尺度流體和微反應器的深入研究還有待開展,微反應器內復雜的多相流行為和

39、調控規律還需要深入研究,目前對于微尺度下流體間傳質、傳熱規律的認識還并不完善,新型的微反應器還有待開發,特別是在微反應器的放大規律研究和工業化研究上還需要大力加強。參考文獻：1.Chen Guangwen;Yuan Quan;Li Hengqiang ，CO selective oxidation in a microchannel reactor for PEM fuel Cell， 20042. 龔全安.趙承軍.GONG Quan-an.ZHAO Cheng-jun 微反應器在酰胺化工業中的應用期刊論文-河北化工2006,29(9)3. 劉冠穎.方玉誠.郭輝進.顧臨.況春江.LIU Gua

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