微反應器研究進展與應用龍立S141101059摘要：微反應器作為微化工系統的核心設備，是實現化工過程強化的重要技術基礎，近年來逐漸成為國際化工技術領域研究的熱點。本文介紹了微反應器的原理及其研究進展，闡明了微反應器技術的特點，列舉微反應器的應用范圍與實例，說明了微反應器的發展前景。關鍵詞：微反應器，微反應系統。1緒論微化工技術是20世紀90年代初順應可持續發展與高技術發展的需要而興起的多學科交叉的科技前沿領域。它是集微機電系統設計思想和化學化工基本原理于一體并移植集成電路和微傳感器制造技術的一種高新技術，涉及化學、材料、物理、化工、機械、電子、控制學等各種工程技術和學科。主要研究對象為特征尺度在微米到數百微米間的微化工系統，常貴尺度的化工過程通常依靠大型化來達到降低產品成本的目的，而微化工過程則注重于高效、快速、靈活、輕便、易裝卸、易控制、易直接放大及高度集成等方面[1]。將部分核心化工裝備小型化、微型化的方法是促進化工過程強化的有效手段，它是實現化工過程安全、高效和綠色的重要方法之一[2]。化工設備的微小型化是現代化工技術發展的一種新理念，它以微尺度流動、分散和傳遞的基本原理為核心，能夠有效強化反應和分離過程，提升生產效率并且大幅縮小設備的體積，有利于化工新過程的快速開發和產業轉化。微型化工器件已成為微型設備的重要組成部分，主要包括微混合器、微型反應器、微型換熱器、微化學分析、微型萃取器、微型泵和微型閥門等。作為微化工技術核心部件的微反應器，其內部通道特征尺度在微尺度范圍（10-500μm），遠小于傳統反應器的特征尺寸，但對分子水平而言已然非常大，故利用微反應器并不能改變反應機理和本征動力學特性，而是通過改變流體的傳熱、傳質及流動特性來強化化工工程的。2微反應器微結構反應器（簡稱微反應器）是重要的微化工設備之一，是實現化工過程微小型化的核心裝備。在微化工過程中微反應器擔負起了完成反應過程、提高反應收率、控制產物形貌以及提升過程安分離回收難度和成本、減少過程污染等具有重要的意義。針對不同過程特點開發出的微反應器不僅形式多樣，其配套的工藝技術也與傳統化工過程存在一定區別，利用集成化的微反應系統可以實現過程的耦合，因此微反應技術的發展也同時帶動了化工工藝的進步。微反應器起源于20世紀90年代，21世紀初葉是微尺度反應技術的快速發展期。在基礎研究方面，隨著對微尺度多相流動、分散、聚并研究的不斷深入，微反應器內多相流型，分散尺度調控機制以及微分散體系的大批量制備規律等問題逐漸被人們深入理解。基于微反應器內微小的流體分散尺度、極大的相間接觸面積等特點可以有效強化相間傳質和混合過程，從而為反應過程的強化奠定基礎。研究結果表明，利用微反應器能夠有效強化受傳遞或混合控制的化學反應過程，而這類過程在傳統的反應裝置內往往難以精確控制，極易產生局部熱點、濃度分布不均、短路流和流動死區等問題，微反應器具有的高效混合和快速傳遞性能是解決這些問題的重要手段。微反應器的分類。對于不同相態的反應過程，微反應器可以分為氣固催化微反應器、液液催化微反應器、氣液微反應器和氣液固三相催化微反應器等。根據輸入能量的不同，可分為非動力式微反應器和動力式微反應器。按照微結構的不同可分為：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[4]。2.1微反應器的微混合機理微反應器具有與大反應器完全不同的幾何特性：狹窄規整的微通道、非常小的反應空間和非常大的比表面積[3]。微反應器及其他微通道設備的通道特征尺寸(當量直徑)數量級是微米級。傳統混合過程依賴于層流混合和湍流混合。微化工系統中，由于通道特征尺度在微米級，雷諾數遠<2000，流動多呈層流，因此微流體混合過程在很大程度上是主要基于擴散混合機制，而不借助于湍流。這個過程通常是在很薄的流體層之間進行，其基本混合機理如下。(1)層流剪切在微混合器內引入2次流，使流動截面上不同流線之間產生相對運動，引起流體微元變形、拉伸繼而折疊，增大待混合流體間的界面面積、減少流層厚度。(2)延伸流動由于流動通道幾何形狀的改變或者由于流動被加速，產生延伸有以下特點,那么微反應器將不是合適的選擇:很慢的液-固反應,反應無放熱或吸熱現象,傳統工藝的選擇性和收率已經很高的反應[6]。2.3微反應器適合的反應類型及其應用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[7]。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。反應物配比要求很嚴的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。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。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。由于微反應器技術所表現出來的優勢,近年來它在工業生產上也得到越來越多的應用。據統計,目前已有20多家工廠在使用微反應器技術。很多歐洲公司和研究機構,尤其是大型的化工和醫藥公司都在致力于開發和應用基于微反應器的新生產工藝。2.4微反應器發展存在的問題微反應器研究已經成為世界范圍內化工傳質傳熱科研熱點，目前還存在以下兩個問題：(1)工業化實現復雜：首先，微設備數增放大，雖然降低了放大成本，但其處理能力還較小，一般只適合生物制藥、精細化工等處理量相對較小的領域。對于大處理量要求的化工生產還有待于研究新型的微混合設備。其次，微反應器的放大看起來簡單，但要實現卻是一個巨大的挑戰。當微反應器的數量大大增加時，微反應器監測和控制的復雜程度大大增加了閉，對于實際生產來說成本相對高。(2)微通道易堵塞，難清理：新材料是目前國際上高技術發展的重點領域和學科前沿。其中，發展最快的是納米材料。納米材料在制備過程中需要產物均勻分布的顆粒形成反應或聚合反應。由于微反應器能實現瞬間混合，對于形成沉淀的反應，顆粒形成、晶體生長的時間是基本一致的，因此得到的顆粒的粒徑有窄分布特點。但是微反應器微米級的線尺寸，加之反應器內部復雜通道結構，使得制備顆粒材料時造成反應器通道極易堵塞，很難清理等問題。這已成為微反應器制備中的一大困擾。因此發展具有高清潔性能和可處理含固體體系的微混合反應設備十分必要[8]。3結論與展望最近幾年來，國外學術界對微反應器進行了深入的研究，對微反應器的原理和應用有了比較透徹的認識，在微反應器的設計、制造、集成和放大等關鍵問題上已經取得了突破性進展。尤其是在微反應器的設計和制造上，達到了相當高的水平，已經用適當的工藝和材料制造出了微反應泵、微混合器、微反應室、微換熱器、微分離器和具有控制單元的完全耦合微反應系統。但微反應器要取代傳統反應器應用于實際生產，還需要解決一系列難題，如微通道易堵塞、催化劑設計、傳感器和控制器的集成及微反應器的放大等。微反應器的放大看起來簡單，但要實現卻是一個巨大的挑戰。當微反應器的數量大大增加時，微反應器監測和控制的復雜程度大大增加了。展望未來微反應器研究，預計將在以下幾個領域取得進展。(1)設計新的微反應器模型，對微反應器進行耦合、集成和“放大”。(2)在微反應器中研究反應原理，對微反應器的設計進行模擬、優化。(3)在微反應器中探索新的反應途徑和使化工生產更加經濟更加環保的方法，并應用于實際生產，這是研究微反應器的真正價值所在。參考文獻[1]王敏，宋志國。綠色化學化工技術[M]，化學工業出版社，北京，2012年6月。[2]駱廣生，王凱，呂陽成，王玉軍，徐建鴻。微尺度下非均相反應的研究進展。化工學報[J]。第64卷，第1期，2013年1月。[3]劉冠穎，方玉誠，郭輝進，顧臨，況春江.微反應器發展概況.當代化工,第39卷第3期,2010年6月.[4]駱廣生，王凱，呂陽成，徐建鴻，邵華偉.微反應器研究最新進展。現代化工，第29卷第5期，2009年5月。[5]李斌.微反應器技術在精細化工中的應用.精細化工.第23卷第1期,2006年1月。[6]劉濤。歐洲微反應器技術的發展與應用現狀。現代化工。第