微反应器

微反应器微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。定义微反应器在结构上常采用一种层次结构方式，它先以亚单元形成单元，再以单元来形成更大的单元,以此类推。这种特点与传统化工设备有所不同,它便于微反应器以‘数增放大’的方式(而不是传统的尺度放大方式)，来对生产规模进行方便的扩大和灵活的调节。微反应器的制作就是在工艺计算、结构设计和强度校核以后,选择适宜的材料和加工方法,制备出微结构和微部件,然后再选择合适的连接方式,将其组装成微单元和微装置,最后通过试验验证其效果,如不能满足预期要求,则须重来。基本结构材料的选择取决于介质和工况等因素,如介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力等,且影响着加工方法的选取,因为对于不同材料而言其加工方法也不同。另一方面,加工方法又反过来影响材料的选择,比如因为精度或安全要求而必须采用某一种加工方法时,就须采用与此加工方法相适宜的材料。硅是微反应器中使用较多的一种材料。这首先在于硅的一些优良机械和物理性能,它的弹性模量和钢的几乎相同,这可使硅更好地保持载荷与变形的线性关系;硅的热膨胀系数很小；硅具有各向异性,便于进行选择性刻蚀。另一方面,硅是半导体器件制造中最常使用的材料，加工成型成熟。常用材料不锈钢、玻璃、陶瓷也是微反应器中的常用材料。不锈钢多用在一些强放热的多相催化微反应器中,对一些尺寸稍大的反应室也可用不锈钢制作,这样加工方便,成本低廉,且易与外部连接。另外不锈钢具有良好的延展性,因而成为反应器或换热器薄片制作的常用材料。玻璃因为化学性能稳定,且具有良好的生物兼容性,用它制作的微反应器还有利于观察内部反应,所以玻璃在微反应器中常被广泛用做基片材料。陶瓷因化学性能稳定,抗腐蚀能力强,熔点高,在高温下仍能保持尺寸的稳定,因而在微反应器中常用于高温和强腐蚀的场合。其缺点是耗费时间长,价格昂贵。其它如塑料和聚合物等材料在光刻电镀和压模成型加工出现以后,也在微反应器中越来越广泛应用。常用材料微反应器设备根据其主要用途或功能可以细分为微混合器，微换热器和微反应器。由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。目前微反应器在化工工艺过程的研究与开发中已经得到广泛的应用，商业化生产中的应用正日益增多。其主要应用领域包括有机合成过程，微米和纳米材料的制备和日用化学品的生产。在化工生产中，最新的Miprowa技术已经可以实现每小时上万升的流量用途①传质、传热效率高，传质速度快，转化率和收率高。②比表面积大，具有很大的热交换效率③在降低能耗的同时提高产物选择性,保持环境清洁，减少化工生产过程对环境的影响。④快速有效的混合，精确控制停留时间与反应温度是得到更高的转化率和选择性，避免副反应发生。⑤微反应器采用连续流动反应,在反应器中停留的化学品量很少,易于控制反应过程，大大提高了反应过程的安全性。⑥温度可控，时间可控。⑦可以实现实验室到工业过程的直接放大微反应器的优点①微反应器的微结构最大的缺点是固体物料无法通过微通道，如果反应中有大量固体产生，微通道极易堵塞，导致生产无法连续进行。②虽然能够放大，但现在的技术，生产能力还是比较弱。③微反应器的数量大大增加时，微反应器的检测和控制的复杂程度大大增加，成本也相应增加。④不是所有的反应都适合微反应。如很慢的液-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。微反应器的缺点传热特性由于微反应器通道狭窄，使温度梯度增加了，且微反应器的比表面积非常大，大大增大了微反应器的导热能力。在微换热器中，导热系数可达到25000W/(m2·K)以上，相对于传统换热器而言，导热系数值至少要大一个数量级。传质特性狭窄的微通道还使微反应器质量传递的时间和距离大大缩短了。对于微混合反应器，传递时间和距离可以运用下式：tmin∝I2/D，式中tmin表示达到混合完全时所需要的时间，I为传递距离，D为扩散系数。因此，混合时间与传递距离之间有一个二次方的比例关系，通道尺寸减小将使扩散时间缩短。所以微混合器通常在毫秒级范围即可达到反应物的完全混合，在这个时间范围，混合距离为微米范围。很显然，微反应技术对于那些强放热的反应以及受传质控制的反应具有很大的应用前景。微反应器的特性宏观流动特性由于微通道内的流体为层流流型，这将会导致流体在径向上速度分布不均匀。所以在微通道内轴向上流体微元存在返混现象，但是对于单个微通道来说，微反应器的微通道非常狭窄，其轴径比一般远远大于100，所以宏观上可以将其看作平推流模型，可以忽略流体流动的返混现象动量传递特性在工业生产中，管道内流体边界层厚度的数量级一般为10-3m，而微反应器微通道当量直径的数量级一般为微米(10-6m)。在流速相同的情况下，当流体分别流经当量直径为50mm的管道和直径为50μm的通道时，微通道内的流体流动的雷诺数非常小，通常在几十到几百之间，甚至可能更小，相比惯性力而言黏滞力较大。所以微通道内的流体为层流流型，只有通过扩散来完成反应物的混合。微反应器的特性用传统的釜式反应器，反应放出的热量不能及时的释放，反应温度不能精确控制。因此反应速度常常被人为的加以限制，否则可能会发生爆炸。利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。如果关于微反应器的这个预言是正确的，那么这将是对化工工艺的一次彻底的改革。这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。许多学术报道都做了传统反应器与微反应器的比较，并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过程。微反应器可能实现的过程