本文關(guān)鍵詞：微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第1期 劉兆利等：微反應(yīng)器在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用 ·11·

微反應(yīng)器也被稱作是微通道反應(yīng)器，是微反應(yīng)器、微混合器、微換熱器、微控制器、微萃取器、微化學(xué)分析等一系列的微型化工設(shè)備的統(tǒng)稱。微反應(yīng)器技術(shù)起始于20世紀(jì)90年代的微流控技術(shù)[1]，屬于微尺度的范疇。由于微反應(yīng)器相比于傳統(tǒng)的反應(yīng)器具有極大的優(yōu)勢(shì)，順應(yīng)了高技術(shù)含量和可持續(xù)發(fā)展的要求，微反應(yīng)器技術(shù)一出現(xiàn)就引起了相關(guān)領(lǐng)域極大的關(guān)注，特別是一些世界著名學(xué)府和大型跨國(guó)公司（比如麻省理工學(xué)院、美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、杜邦公司、巴斯夫公司等）都開(kāi)始致力于微反應(yīng)器的研究和應(yīng)用。微反應(yīng)器技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步偏晚，在近十多年時(shí)間才被國(guó)內(nèi)相關(guān)人士了解、研究并應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)主要研究的機(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)等。目前在化學(xué)工程、合成、化學(xué)、制藥工業(yè)、分析和生物化學(xué)過(guò)程等領(lǐng)域，

微反應(yīng)器技術(shù)是最有創(chuàng)造性和發(fā)展最快的技術(shù)之一[2]。

按照不同的分類方法，，微反應(yīng)器有多種類型[3]。按照操作模式進(jìn)行分類，可以分為連續(xù)微反應(yīng)器、半連續(xù)微反應(yīng)器和間歇微反應(yīng)器；按照反應(yīng)相態(tài)可以分為氣固相催化微反應(yīng)器、氣液相微反應(yīng)器、液液相微反應(yīng)器和氣液固相微反應(yīng)器；按照用途可以分為生產(chǎn)用微反應(yīng)器和實(shí)驗(yàn)用微反應(yīng)器；按照分析應(yīng)用可以分為化學(xué)和生物中應(yīng)用的微反應(yīng)器以及化學(xué)工程和化學(xué)中應(yīng)用的微反應(yīng)器。微反應(yīng)器有多種幾何結(jié)構(gòu)，最簡(jiǎn)單的是管式結(jié)構(gòu)，還有板式結(jié)構(gòu)、微通道結(jié)構(gòu)以及集成試劑注射、混合、換熱、溶劑交換、相分離等多種功能為一體的復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

針對(duì)化學(xué)反應(yīng)的特點(diǎn)，比如溫度、壓力、腐蝕性、比熱容和電特性等，要選擇合適的微反應(yīng)器制作材料。制作材料有玻璃、硅、陶瓷、金屬和聚合物等。其中應(yīng)用最廣泛的材料是玻璃，這是由于玻璃材料是化學(xué)惰性的，允許在許多溶劑中使用電滲

目前流（EOF），允許可見(jiàn)光檢測(cè)設(shè)備并且易于制造[4-5]。

微反應(yīng)器的制作技術(shù)主要有LIGA（光刻、電鑄和塑模結(jié)合的工藝）、機(jī)械加工、微模塑技術(shù)等[6]。

而擴(kuò)大了單位面積和單位體積的擴(kuò)散通量，這對(duì)于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程非常有利。因?yàn)榭倐鳠嵯禂?shù)與通道尺寸成反比，微反應(yīng)器內(nèi)液相傳熱系數(shù)可以達(dá)到10000W/(m2·K)，比常規(guī)換熱設(shè)備大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上[10]。尺寸的縮小賦予微反應(yīng)器無(wú)與倫比的比表面積，可以達(dá)到10000～50000m2/m3，而傳統(tǒng)的攪拌設(shè)備的比表面積最多可以達(dá)到1000m2/m3[11]。研究結(jié)果表明，利用微反應(yīng)器能夠有效強(qiáng)化傳遞或混合控制的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，而這類過(guò)程在傳統(tǒng)的反應(yīng)裝置內(nèi)往往難以精確控制，極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)、濃度分布不均、短路流和流動(dòng)死區(qū)等問(wèn)題，微反應(yīng)器具有的高效混合和快速傳遞性能是解決這些問(wèn)題的重要手段[12]，可以有效抑制不良反應(yīng)的產(chǎn)生，提高反應(yīng)產(chǎn)物的純度[13]。

為了進(jìn)一步提高混合效率，還可以利用多種方法強(qiáng)化混合。強(qiáng)化混合分為兩種，即主動(dòng)混合和被動(dòng)混合[14]。主動(dòng)混合主要是利用了外界的能量輸入來(lái)形成局部二次流，這些主要的外界能量有超聲波、聲誘振動(dòng)、周期性變化的泵送能等。被動(dòng)混合方式主要是通過(guò)通道的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流體的重組來(lái)加快混合，主要方式有在微通道中設(shè)置多層薄片進(jìn)行流體的分離和再混、通過(guò)渦流的形成和重疊強(qiáng)化混合以及利用噴射流碰撞進(jìn)行混合等。被動(dòng)混合由于操作簡(jiǎn)單，因此廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，而主動(dòng)混合由于裝置比較復(fù)雜而且不易多通道并行放大，所以主要應(yīng)用于生物分析領(lǐng)域[9]。

1.2 可直接放大，無(wú)放大效應(yīng)

傳統(tǒng)的化工生產(chǎn)一般都是通過(guò)小試-中試-大生產(chǎn)的模式，但是在放大過(guò)程中流動(dòng)、傳質(zhì)和傳熱的“三傳”問(wèn)題很突出。微反應(yīng)器的優(yōu)良性能得益于微尺度化，在擴(kuò)大生產(chǎn)時(shí)是通過(guò)并行增加微反應(yīng)器的數(shù)量而不是對(duì)反應(yīng)器的尺寸進(jìn)行放大[15]。與傳統(tǒng)管式反應(yīng)器并行放大的主要區(qū)別在于其優(yōu)良的單通道“三傳”狀態(tài)重現(xiàn)性和多通道間抗干擾性[16]。在對(duì)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，只需對(duì)單個(gè)微反應(yīng)器進(jìn)行模擬和分析，這就避免了傳統(tǒng)的從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到中試規(guī)模再到工業(yè)化規(guī)模的放大過(guò)程中所遇到的諸多問(wèn)題，減少了操作費(fèi)用，節(jié)省了空間，也避免了進(jìn)

，

行知之甚少的中試反應(yīng)過(guò)程，提高了安全性[617]。 1.3 高度集成化

利用成熟的微加工技術(shù)可將微混合、微反應(yīng)、微換熱、微分離、微分析等多個(gè)單元操作和一些與之相匹配的微傳感器、微閥等器件集成到一塊反應(yīng)芯片上，實(shí)現(xiàn)單一反應(yīng)芯片的多功能化操作，從而

1 微反應(yīng)器的特性

1.1 換熱效率和混合效率高

微反應(yīng)器內(nèi)部微通道的特征尺寸一般在數(shù)十到幾百微米之間[7]，特征通道中單相流動(dòng)的特點(diǎn)為較低的雷諾數(shù)，由層流擴(kuò)散影響混合[8]，局部也會(huì)形

微反應(yīng)器的尺寸屬于微尺度范疇，成二次流混合[9]。

所產(chǎn)生的直接優(yōu)勢(shì)就是擴(kuò)散時(shí)間很短，混合過(guò)程很快。微反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)和傳熱推動(dòng)力會(huì)隨之增加，從

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