微反应器PPT课件
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微型反应器.
聚合反应
• 与一般的微通道溶液聚合和釜式本体聚合相比，液滴聚合 所需反应时间较短，产物分子量更高，分布更窄；进一步 利用反应产物制得了均匀的聚合物胶束，可作为制备高质 量介孔硅材料的模板。 • 在聚合反应中，微通道具有良好应用前景
微型反应器
李波
张同伟
黄海桥
背景
• 大型反应器 存在混合不 均问题严重 • 对于瞬间放 热反应，热 量难以及时 放出
物料 混合
传热 控制
反应器放大 过程困难， 且难以量化
放大 问题
设备 安全
高压设备总 是存在结构 的不安全
基本特点
• 微反应器: • 1、连续流动的管道式反应器 • 2、包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器、控 制器等。 • 3、内部是由直径为10～500μm 的很多微管并联而成
锂/卤素转移和羰基形成反应
• 微反应系统内两种操作条件和反应结果对比
• 在微反应系统内进行此反应，在0℃即可发生反 应，当反应物料量发生较大变化时，反应收率也 不会发生较大变化。
锂/卤素转移和羰基形成反应
锂/卤素转移和羰基形成反应
• 结论：
• 说明采用微反应器不但能耗低、目的产物选择性 高，极大地减小了反应器体积且放大效应小。
微反应器的优点
并行直接 放大 结构安全 迅速移出 热量
优势
可控选择 性 反应比例 控制 反应时间 精确控制
适用的反应类型
放热剧烈的反应 反应物或产物不稳定的反应 反应物配比要求很严的快速反应
危险化学反应以及高温高压反应
生成纳米材料等颗粒均匀分布的固体
微反应技术应用
• 锂/卤素转移和羰基形成反应
放热剧烈 须低温操作 反应不稳定
芳基溴与正丁基锂反应，发生金属锂和溴转 移，生成芳基锂化合物，然后在DMF 的存在 下进行羰基加成生成目的产物。
微反应器
在反应完全，当他们稳定后， 回到安稳的层流状态时，可利 用生成物的溶解性质进行一些 前期的分离。在精细化工中， 使用这样的工艺可以节约大量 的分离成本。
4、展望
• 目前在微反应器的设计、制造、集成和放大等方 而都取得了可喜的成绩 • 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
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微反应器是指以反应为主要目的, 以一个或多个微反应器为主,同时还 可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感 器和微执行器等关键组件的一个微反应系统
1.3 微反应器的主要特征
微泡罩 塔反应 器
气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器 MIT研制应用的类似于填充柱的降膜式微反应器，具有较大 的内部界面 用于共轭链烯烃的加氢反应，产率高达100％ ；用苯甲醇氧 化制备苯甲醛得到70％的转化率；环已烯加氢得到10％的转 化率
1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
硅的异性湿法蚀刻
微制造技术
玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价
微反应器制造技术
《生物反应器》PPT课件
酒精发酵罐的洗涤：喷射洗涤装置 酒精发酵罐的计算：
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
完整版课件ppt
8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
完整版课件ppt
6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
完整版课件ppt
1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
发酵罐结构尺寸：V体积=V发酵液量/φ(0.850.9)
发酵罐罐数确定：N=(nt/24)+1(个) n----每天加料的罐数,t---一次发酵周期所需
时间 发酵罐冷却面积计算：A=Q/K△Tm (m2 )
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8
第二节 啤酒发酵设备
1、前发酵设备 传统的前发酵槽均置于发酵室内， 发酵槽大部分为开口式。 前发酵槽可由钢板或钢筋混凝土 制成，形式以长方形或方形为主。 了防止啤酒中有机酸对各种材质 的腐蚀，前发酵槽内均要涂布一 层特殊涂料作为保护层。
(5)厌氧发酵的培养基应先通过加热或喷入无
氧气体来预还原。完整版课件ppt
5
第一节 酒精发酵设备
酒精发酵罐的结构必须首先满足 工艺要求。此外，从结构上还应考 虑有利于发酵液的排出、设备的清 洗、维修以及设备制造安装方便等 问题。
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6
1.冷却水入口 2.取样口
酒精发酵罐
3.压力表
生物反应器的设计
生物反应器设计的重要方面包 括改善生物催化剂，更好的进行过 程控制，有更好的无菌条件以及能 克服速度限制因素（特别是热量和 质量传递）等。
微生物反应器设计的基本要求
（1）避免将需蒸汽灭菌的部件与其
它部件连接，因为即使阀门关闭，细
菌也可在阀门内生长；
完整版课件ppt
1
（2）尽量减少法兰连接，因为设备震动和 热膨胀会引起连接处的移位，导致染菌。如 有可能，应采用全部焊接结构，焊接部位一 定要确实磨光，以消除积蓄耐灭菌的固体物 质的场所；
(2)罐内的发酵液应尽量装满，以便减少上层 气相的影响。
(3)使用大剂量接种（一般接种量为总操作体 积的10～20％），使培养物迅速生长，减少
微波反应器ppt课件
• 5.配备炉腔内摄像装置,并通过炉腔外的TFT彩色液晶（或CRT）显示器，随时观察
或录像炉腔内反应过程，掌握实时的反应情况。
• 6.微波炉腔上的任何开口都对人体安全，整机安全性能通过国家权威质检部门安全
认证。
.
• 微波应用于有机合成的研究始于1986 年Gedye 和Smith 等通过 比较常规条件与微波辐射条件下进行酯化、水解、氧化等反应,发现 在微波辐射下,反应得到了不同程度的加快,而且有的反应速度加快了 几百倍。至今,微波促进有机合成反应已经越来越被化学界人士所看 好,而且形成了一门倍受关注的领域MORE 化学(Mi-crowave Induced Organic Reaction Enhancement Chemist ry) 。至今研究 过的有机合成反应有酯化、重排、羧醛缩合、开环、烷基化、水解、 烯烃加成、消除、取代、自由基、立体选择性、成环、环反转、酯交 换、酯胺化、催化氢化、脱羧、糖类化合物、有机金属、放射性药剂 等反应。
.
微波常压合成
• 为了使微波技术应用于常压有机合成反应, • 1991 年[5 ] . Ajay K. Bose 等人对微波
常压技术进行了尝试,他们在一个长颈锥形 瓶内放置反应的化合物及溶剂,在锥形瓶的 上端盖一个表面皿,将反应体系放入微波炉 内,开启微波,控制微波辐射能量的大小,使 反应体系的温度缓慢上升。他们利用这一 反应装置成功地进行了阿司匹林中间产物随温度自动反馈控制，非脉冲微波连续加热. 自动调整和控制反应过程， 达到准确的温度和反应过程控制效果，确保合成反应的均匀性和一致性。比传统脉冲
式加热，微波作用时间更长，产率更高。
• 2.高频率和高精度的红外温度传感器，监测反应容器内反应物质发热产生的红外光
微生物反应器操作ppt课件
微生物的很多代谢产物，尤其是次级代谢 产物，是在进入稳定期后才大量合成和分 泌的。
（四）死亡期
在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆 尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开 始死亡。
这时，以生存细胞数目的对数对时间作图，可得 一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增 加。
在发酵工业生产中，在进入死亡期之前应及时将 发酵液放罐处理。
细胞保持均恒生长。 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质，
并不断向培养基中分泌代谢产物。 由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖， 因而微生物的生长速率不受这些因素的影响，而 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生 物量浓度X(g/L)相关。
然而，在分批发酵工艺中，低浓度培养基中的营 养物质会迅速耗尽，引起微生物过早地从指数生 长期向稳定期转变，这样，设备的利用率和产物 的积累浓度都不高。
p x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
分批生物工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和 产物形成qp)之间关系的图示 生产连动型
生产连动型产物的生成反应可表示如下：
•产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比。 •所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使微生物保持高 的比生长速率，对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。
（三）稳定期
在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被 消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断 积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速 率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳 定期。
处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变； 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的 组成物质还在不断变化。
（四）死亡期
在死亡期，细胞的营养物质和能源储备已消耗殆 尽，不能再维持细胞的生长和代谢，因而细胞开 始死亡。
这时，以生存细胞数目的对数对时间作图，可得 一直线，这说明微生物细胞的死亡呈指数比率增 加。
在发酵工业生产中，在进入死亡期之前应及时将 发酵液放罐处理。
细胞保持均恒生长。 不断吸收培养基中的营养成分以合成自身物质，
并不断向培养基中分泌代谢产物。 由于此时培养基中的营养成分远远过量，且积累
的代谢产物尚不足以抑制微生物本身的生长繁殖， 因而微生物的生长速率不受这些因素的影响，而 仅与微生物本身的比生长速率μ及发酵液中的生 物量浓度X(g/L)相关。
然而，在分批发酵工艺中，低浓度培养基中的营 养物质会迅速耗尽，引起微生物过早地从指数生 长期向稳定期转变，这样，设备的利用率和产物 的积累浓度都不高。
p x
〖一类发酵〗 产物的形成和菌体的生长相偶联
分批生物工艺中各种比速率(生长速率μ、基质消耗qk和 产物形成qp)之间关系的图示 生产连动型
生产连动型产物的生成反应可表示如下：
•产物形成的比速率则与微生物的比生长速率呈正比。 •所以，对于这种类型的产物来说，调整发酵工艺参数，使微生物保持高 的比生长速率，对于快速获得产物、缩短发酵周期十分有利。
（三）稳定期
在细胞生长代谢过程中，培养基中的底物不断被 消耗，一些对微生物生长代谢有害的物质在不断 积累。受此影响，微生物的生长速率和比生长速 率就会逐渐下降，直至完全停止，这时就进入稳 定期。
处于稳定期的生物量增加十分缓慢或基本不变； 但微生物细胞的代谢还在旺盛地进行着，细胞的 组成物质还在不断变化。
微反应器
• 液滴型(Droplet) • 混沌对流型(Chaotic advection)
6
微流体技术对流体操控--简单通道
液滴流 嵌段流 平行流 强放热反应，颗粒体系 多相反应，含固体体系 界面反应，萃取
调变流体参数能够得到各种流型的流体
7
微流体技术对流体操控—复杂通道
通过设计、组合流体单元，实现更多样化流型的流体 精确操控，适宜于复杂乳液、颗粒、结晶等体系 8
HNO3
方法 硝酸浓度 硝酸与原 /% 现有工艺 微反应技术 40～50 35 料质量比 8:1 5:1
Cl
压力 /MPa
反应时间 收率/%
3.0～4.0 15～20 h 2.5 45min
80 99
23
环氧化反应---脂肪酸甲酯环氧化
O H3C C
+ H2O2
OH
R1 HC O CH R2
H+ 脂肪酸甲酯
O C C OH OH
3 NaCl
2 H2O
-1
现有工艺：
Cl Cl H Cl
60 ℃ 2h
H= -860.56 KJ mol
浓氢氧化钠 相转移催化剂
（加成，重排，水解）
技术难点：苯甲醛易发生氧化、歧化等副反应 反应时间较长，且为强放热反应，控制困难
28
相转移催化反应---扁桃酸的制备
微反应技术：强化两相传质和传热 HCCl3+NaOH
30
2,4-二氯苯酚的制备
1.2M氯气
现 苯酚 有 工 0.8M 艺
氯气
2,4碱洗 30h 30h 二氯 粗产品 60-75℃,搪瓷反应器 苯酚
纯度: 90% 纯度: 86%
微 苯酚 流 /CCl4 体 工 2M 艺 氯气
反应设备--微反应器
(2)快速、直接放大，
传统放大过程存在着放大效应,通过增大生产设备体积和规模达到放 大目的,过程耗时费力。而微反应系统呈多通道结构,每一通道相当 于一独立反应器,在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大,只 需并行增加微反应器的数量,即所谓的“数增放大”。
(3)安全性高
大量热量也可以及时移走,从而保证反应温度维持在设定范围以内, 最大程度上减少了发生事故的可能性。
10
8.3 微反应器
8.3.3 微反应器的特点及应用
一、特点（优点）
(1)比表面积大Biblioteka 传递速率高,接触时间短,副产物少微反应通道特征尺度小, 单位体面积上传热、传质能力、反应速率 显著增强。微通道设备的比表面积可以达到10000～50000 m2/m3，传 热系数高达2000~20000W/(m2·K）。
(4)操作性好
微反应系统呈模块结构, 便携性好,可实现在产品使用地分散建设并
就地生产、供货, 并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节
生产,具有很高的操作弹性。
11
8.3 微反应器 8.3.3 微反应器的特点及应用
一、特点（缺点） （1）工业化实现复杂：微设备数增放大，虽然降低了放大成本，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，微反应器的监测和控制的 复杂程度也大大增加，对于实际生产来说成本相对高。 （2）微通道易堵塞，难清理：微反应器内部通道尺寸小、结构复杂，极易造成 反应器通道堵塞，很难清理。这已成为微反应器制备中的一大困扰。
微反应系统的层次结构
2
8.3 微反应器 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工方 法等。常用的材料有： 硅：硅的密度小(2.3 g/cm3)；熔点高（1400℃）,约为铝的两倍；热膨胀系 数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；硅具有各向 异性,便于进行选择性刻蚀。 不锈钢：具有良好的延展性,加工方便,成本低廉,且易与外部连接。多用在 一些强放热的多相催化微反应器中。 玻璃：化学性能稳定,且具有良好的生物兼容性, 制作的微反应器还有利于 观察内部反应。 陶瓷：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, 故常用于高温和强腐蚀的场合, 缺点是耗费时间长,价格昂贵。 塑料和聚合物等材料：易于光刻电镀和压模成型加工。
反应设备微反应器PPT
携带和操作
控制精确：微反应器可以实现精 确控制，提高反应效率
A
B
C
D
高效传热：微反应器传热效率高， 反应速度快
安全性高：微反应器降低了反应 风险，提高了安全性
微反应器的应用范围
化学合成：药物、精 细化学品、聚合物等
生物技术：生物制药、 生物燃料、生物催化 剂等
03
土壤修复：微 反应器可用于 处理受污染的 土壤，提高修 复效率。
04
固废处理：微 反应器可用于 处理固体废物， 如污泥、废渣 等，提高处理 效率。
制药行业的实际应用案例
01
药物合成：提高反应效率，降低成本
03
药物筛选：高通量筛选药物，提高筛选效率
05
药物研发：加速药物研发进程，提高研发成 功率
性
政策支持：政 府加大对微反 应器产业的扶 持力度，推动
产业化发展
国际竞争：微 反应器在国际 市场上具有竞 争力，有利于 提升我国化工 产业的国际地
位
微反应器的实际应用 案例
化工行业的实际应用案例
微反应器在精细化工中的应用： 提高反应效率，减少副产物， 降低能耗
微反应器在石油化工中的应用： 提高原油加工效率，降低能耗， 减少环境污染
反应设备微反应器PPT
目录
微反应器简介
微反应器的市场前 景
微反应器的技术原 理
微反应器的实际应 用案例
微反应器的优势 总结与展望
微反应器简介
什么是微反应器
01
02
03
04
微反应器是一 种用于化学反 应的微型设备
特点：体积小、 效率高、能耗 低
应用领域：化 学、生物、医 药、材料等
优点：易于控 制、减少污染、 提高安全性
控制精确：微反应器可以实现精 确控制，提高反应效率
A
B
C
D
高效传热：微反应器传热效率高， 反应速度快
安全性高：微反应器降低了反应 风险，提高了安全性
微反应器的应用范围
化学合成：药物、精 细化学品、聚合物等
生物技术：生物制药、 生物燃料、生物催化 剂等
03
土壤修复：微 反应器可用于 处理受污染的 土壤，提高修 复效率。
04
固废处理：微 反应器可用于 处理固体废物， 如污泥、废渣 等，提高处理 效率。
制药行业的实际应用案例
01
药物合成：提高反应效率，降低成本
03
药物筛选：高通量筛选药物，提高筛选效率
05
药物研发：加速药物研发进程，提高研发成 功率
性
政策支持：政 府加大对微反 应器产业的扶 持力度，推动
产业化发展
国际竞争：微 反应器在国际 市场上具有竞 争力，有利于 提升我国化工 产业的国际地
位
微反应器的实际应用 案例
化工行业的实际应用案例
微反应器在精细化工中的应用： 提高反应效率，减少副产物， 降低能耗
微反应器在石油化工中的应用： 提高原油加工效率，降低能耗， 减少环境污染
反应设备微反应器PPT
目录
微反应器简介
微反应器的市场前 景
微反应器的技术原 理
微反应器的实际应 用案例
微反应器的优势 总结与展望
微反应器简介
什么是微反应器
01
02
03
04
微反应器是一 种用于化学反 应的微型设备
特点：体积小、 效率高、能耗 低
应用领域：化 学、生物、医 药、材料等
优点：易于控 制、减少污染、 提高安全性
反应设备微反应器PPT课件
日用化学品 和聚合物
德国西门子（Siemens）公司
美国UOP公司
药物合成(Ciprofloxazin) 里特(Ritter)反应 硝化甘油 颜料 复配(Formulations) 催化剂 环氧丙烷 聚丙烯酸酯 过氧化氢
第15页/共18页
16
8.3 微反应器
8.3.3 微反应器的特点及应用
三、应用情况
板片采用扩散焊实现连接密封。
8
第8页/共18页
8.3 微反应器 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
三、微反应器的封装技术
右图是路易斯安那理工大学设计 的把环己胺脱氢为苯的微反应器 设计图，尺寸为20×14×3 mm。 由三部分组成,上部是用聚二甲基 硅氧烷制作的端盖,中间是用钯 (Pd)制成的折叠式隔膜,下部则是 用硅制成的反应室,三者之间用聚 酰亚氨粘接,该反应器能在250℃ 以下稳定工作。
微反应系统的层次结构
第1页/共18页
2
8.3 微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器材料的选择取决于介质的腐蚀性能、操作温度、操作压力、加工方 法等。常用的材料有：
硅：硅的密度小(2.3 g/cm3)；熔点高（1400℃）,约为铝的两倍；热膨胀系 数小，只有铝的十分之一；单晶硅的屈服强度比不锈钢大三倍；硅具有各向 异性,便于进行选择性刻蚀。
塑料和聚合物等材料：易于光刻电镀和压模成型加工。
第2页/共18页
3
8.3 微反应器
8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
二、微反应器的加工技术
微反应器常用加工技术可分为三类: 一是由IC(集成电路)平面制作工艺延伸而来的硅体微加工技术： 包括湿法刻蚀（各向同性刻蚀和各向异性刻蚀)、干法刻蚀（溅射刻蚀、 等离子刻蚀） 二是超精密加工技术：微细放电加工(micro-EDM）、激光束加工、电子束 加工和离子束加工。 三是LIAG工艺：包括光刻、电镀和压模三步的组合技术,由德国喀尔斯鲁 厄核研究中心发明。
微反应器PPT课件
U—微管道湿润周长，P0—泊肃数
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
2021
9
1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
弹性生产
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
2021
快速放大 独特的流动行为
4
1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国要际会素议技”
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
21
液液相微反应器
2021
22
液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2 (c) n = 4 (d) n= 8
LIGA-dispersion unit attached to backside of reaction plate
Segmented Gas/Liquid flow Gas supply
微泡罩 塔反应
器 27
气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
2021
9
1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
弹性生产
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
2021
快速放大 独特的流动行为
4
1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国要际会素议技”
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
21
液液相微反应器
2021
22
液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2 (c) n = 4 (d) n= 8
LIGA-dispersion unit attached to backside of reaction plate
Segmented Gas/Liquid flow Gas supply
微泡罩 塔反应
器 27
气液反应
气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面 积。这两类气液相微反应器气液相接触面积都非常大，其 内表面积均接近20000 m－1，比传统的气液相反应器大一 个数量级，显然优于传统的气液反应器
微波反应器ppt课件
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• 微波的优点： • 微波具有清洁、高效、耗能低、污染少等特点, 它不仅开辟了有机合成的一个新领域,同时也广泛 地利用于其它化学领域中,如脱附、干燥,微波溶 样,微波净化,中药提取等。随着微波技术的不断 成熟,微波在有机合成方面乃至整个化学领域都将 有着无法估量的前景。
.
.
微波常压合成
• 为了使微波技术应用于常压有机合成反应, • 1991 年[5 ] . Ajay K. Bose 等人对微波
常压技术进行了尝试,他们在一个长颈锥形 瓶内放置反应的化合物及溶剂,在锥形瓶的 上端盖一个表面皿,将反应体系放入微波炉 内,开启微波,控制微波辐射能量的大小,使 反应体系的温度缓慢上升。他们利用这一 反应装置成功地进行了阿司匹林中间产物 的合成。
.
技术参数
• 1．微波功率随温度自动变频控制，非脉冲微波连续加热，功率自动变化范围：01000W,最大功率设置分10档,档距100W；在每一档位，微波功率在0到该档最大功率之 间随反应温度自动调节； • 2．非接触式红外温度传感器，实时监测和控制反应温度，控温范围：室温250℃(可选装室温～500℃或室温～900℃），精度±1℃，任意设定并实时显示，红外 测温测量的是反应容器内反应物质发热产生的红外线，比铂电阻测温更灵敏，更准确， 更安全，操作更简便； • 3．配备电磁和机械两种搅拌方式，根据不同反应物质随意切换，搅拌速度连续可 调并实时显示； • 4．用户可根据反应条件任意加装标准接口的反应容器（容积50ml～1000ml以上） 及冷凝回流、滴加、补液和分水等装置； • 5．配备炉腔内摄像装置,并通过炉腔外TFT彩色液晶显示器，实时观察或录像反应 过程和变化 • 6．内置10套反应方案，用户可自行编辑、存储、修改和删除各套反应方案及各项 反应控制参数（包括工步、温度、时间和搅. 拌速度等等）。
• 微波的优点： • 微波具有清洁、高效、耗能低、污染少等特点, 它不仅开辟了有机合成的一个新领域,同时也广泛 地利用于其它化学领域中,如脱附、干燥,微波溶 样,微波净化,中药提取等。随着微波技术的不断 成熟,微波在有机合成方面乃至整个化学领域都将 有着无法估量的前景。
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微波常压合成
• 为了使微波技术应用于常压有机合成反应, • 1991 年[5 ] . Ajay K. Bose 等人对微波
常压技术进行了尝试,他们在一个长颈锥形 瓶内放置反应的化合物及溶剂,在锥形瓶的 上端盖一个表面皿,将反应体系放入微波炉 内,开启微波,控制微波辐射能量的大小,使 反应体系的温度缓慢上升。他们利用这一 反应装置成功地进行了阿司匹林中间产物 的合成。
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技术参数
• 1．微波功率随温度自动变频控制，非脉冲微波连续加热，功率自动变化范围：01000W,最大功率设置分10档,档距100W；在每一档位，微波功率在0到该档最大功率之 间随反应温度自动调节； • 2．非接触式红外温度传感器，实时监测和控制反应温度，控温范围：室温250℃(可选装室温～500℃或室温～900℃），精度±1℃，任意设定并实时显示，红外 测温测量的是反应容器内反应物质发热产生的红外线，比铂电阻测温更灵敏，更准确， 更安全，操作更简便； • 3．配备电磁和机械两种搅拌方式，根据不同反应物质随意切换，搅拌速度连续可 调并实时显示； • 4．用户可根据反应条件任意加装标准接口的反应容器（容积50ml～1000ml以上） 及冷凝回流、滴加、补液和分水等装置； • 5．配备炉腔内摄像装置,并通过炉腔外TFT彩色液晶显示器，实时观察或录像反应 过程和变化 • 6．内置10套反应方案，用户可自行编辑、存储、修改和删除各套反应方案及各项 反应控制参数（包括工步、温度、时间和搅. 拌速度等等）。
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21
液液相微反应器
.
22
液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2
(c) n = 4 (d) n= 8
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。
.
12
1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
微制造技术
硅的异性湿法蚀刻 玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价.源自13微反应器制造技术微反应器
.
1
目录
1、简介
2、分类
2.1 液液相反应器 2.2 气液相反应器 2.3 气液固三相反应器 2.4 气固相反应器
3、应用
3.1 纳米微粒的制备 3.2 精细化工过程
4、展望
5、结语
.
2
1、简介
未来科学技 术发展方向
设备微型化
过程集成化
微化学工程
.
3
1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产
典型的液相 混合方式
一种是采用静态混合方式 ，即将流体反复分割合并 以缩短扩散路径，借助流 体管路的不同结构，得以 在很宽的雷诺数范围内进 行流体的混合，而又没有 机械或可动部件的流体结 构件
.
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
术的新的综合系统之一
限定微通道特征尺度在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微反应器是指以反应为主要目的, 以一个或多个微反应器为主,同时还 可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感 器和微执行器等关键组件的一个微反应系统
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
.
快速放大 独特的流动行为
4
1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国际要会素议技”
应主要受微观混合效果控制。
➢ 第二类：快反应，反应半衰期介于1s~10min之间， 处于传质过程和本征动力学共同控制区域。
➢ 第三类：慢反应，反应半衰期大于10 min，处于 本征动力学控制区域。
.
10
几何特性 传递特性 宏观流动特性
1.6 微反应器的优点
温度控制：
极好的传热性质和非常短的反应时间，有利于反应器的 控制，对于反应器内的温度分布变化可以瞬时响应，对 于涉及中间产物和热稳定产物的部分反应具有重大意义
.
18
2.1 液液相反应器
• 反应液体呈层流状态流动.扩散是传质主要途径
液液相反应的关键影响因素是充分混合
为了增大液体的接触面积和减少扩散距离 异相液体接触主要有两种基本方式：纵向和横向 1.由泵输送的两种液体分别进入各自的输送通道，然后在平行的纵向接 触面上混合、扩散到发生化学反应
两种液体分别从各自的管道中进入 同一个反应管道，形成纵向界面， 整个结构呈Y字型；
3.催化剂的高通量筛选
•催化剂用量少，操作连续、安 全 •适用于含有毒物质、易爆、危 险的反应
4.无放大效应
•通过集成众多的反应器可 以处理大批量的原料 •节省从实验室研发到工业 过程的时间和成本
.
8
复杂的微系统
1.4 通道设计
A－微通道截面积；△p－微通道压降；CR－微通道几何系 数；η－流体粘度；L－微通道长度
微反应系统的层次结构
.
14
微反应器制造技术
混合器
降膜反应器
.
15
1.9 微反应器制造技术的适用性评价
生产成本 加工耗时
精确度 可靠性
选材 可实现性
各种制造技术精确度差异的比较以及它们的适用性
.
16
2、分类
半连续
间歇
操作模式
连续
.
17
微反应器
不同相态的反应过程
液液反应 气液反应
气液固 反应
气固相 催化反应
U—微管道湿润周长，P0—泊肃数
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
.
9
1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
纵向－Y混合
.
19
液液相反应
2.将一种液体用多次脉冲的方法注射到另一种液体流中，扩散和反应发生在 多个横向接触面上
横向－T混合
将一种液体垂直喷射到另一种液体 中进行混合，形成横向界面，整个 结构呈T字型。
此外还有J－混合，两进两出的双Y混合，两步T混合
.
20
液液相反应
实际应用中，液一液相微反应器或者与微混合器耦合在一 起，或者本身就是一个微混合器
反应器体积：
非零级反应(自催化除外，F，X0，XF相同),VCSTR>VPFR 微通道几乎完全符合PFR,使得反应物能在毫秒级范围内 完全混合,大大加速了传质控制反应的速率,在维持产量
不变的情况下使反应器总体积大大减小
提高转化率和收率：
缩短部分氧化反应中反应物停留时间，减少深度氧化副产物 最佳停留时间获得最高收率的反应, 精确控制反应时间 及时移走热量，减少强放热反应的副反应，提高选择性
.
5
.
6
.
7
1.3 微反应器的主要特征
1.大比表面积
•强化了传质、传热 •缩短了扩散时间，实现流 体间的快速均匀混合以及 等温操作 •通道内作用力主要为：界 面张力，粘性应力以及毛 细管力
2.独特的流动行为
•流体流动通常属于层流 •具有很强的方向性、对称性 和高度有序性 •具有窄的停留时间分布和均 匀的传质过程 •便于对过程进行精确的理论 描述和模拟
安全性能：
反应体积小，传质传热快，避免“飞温”现象
通道尺寸数量级在微米级范围内，有效阻断链式反应，
使其能在爆炸极限. 范围内稳定进行
11
1.7 微反应器的缺点
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
液液相微反应器
.
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液液相微反应器
改变油水两相流 速比可得到不同 内部液滴数（n） 的多相乳液
(a) n = 1 (b)n = 2
(c) n = 4 (d) n= 8
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。
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1.8 微反应器制造技术
硅的干法蚀刻 LIGA过程 注模技术
微制造技术
硅的异性湿法蚀刻 玻璃湿法化学蚀刻
其它
技术适用性评价.源自13微反应器制造技术微反应器
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1
目录
1、简介
2、分类
2.1 液液相反应器 2.2 气液相反应器 2.3 气液固三相反应器 2.4 气固相反应器
3、应用
3.1 纳米微粒的制备 3.2 精细化工过程
4、展望
5、结语
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1、简介
未来科学技 术发展方向
设备微型化
过程集成化
微化学工程
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1.1 微化工技术的主要特点
弹性生产
典型的液相 混合方式
一种是采用静态混合方式 ，即将流体反复分割合并 以缩短扩散路径，借助流 体管路的不同结构，得以 在很宽的雷诺数范围内进 行流体的混合，而又没有 机械或可动部件的流体结 构件
.
一种是采用流体动 力学集中方法，即 多个进料微通道呈 扇形分布，集中汇 入一个狭窄的微通 道，通过液体的扩 散作用迅速混合
术的新的综合系统之一
限定微通道特征尺度在
10μm～3.00mm内
微化工技术着重研究时空特征尺度在数百毫秒和数百微米范围内的微 型设备和并行分布系统中的过程特征和规律
微反应器是指以反应为主要目的, 以一个或多个微反应器为主,同时还 可能包括有微混合、微换热、微分离、微萃取等辅助装置以及微传感 器和微执行器等关键组件的一个微反应系统
大比表面积
微化工技术 的主要特点
体积减小
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快速放大 独特的流动行为
4
1.2 微反应器的简介
微反应器是一种单元反应界面宽度为微米量级的微型化的化学反应系
统, 是90年代兴起的微化工技术；不是现有反应器0的3,4简第单一缩届小“,微而通是道融和
合了材料技术、微细加工技术、传感器技术和控制微技小术型等通各道种国际要会素议技”
应主要受微观混合效果控制。
➢ 第二类：快反应，反应半衰期介于1s~10min之间， 处于传质过程和本征动力学共同控制区域。
➢ 第三类：慢反应，反应半衰期大于10 min，处于 本征动力学控制区域。
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10
几何特性 传递特性 宏观流动特性
1.6 微反应器的优点
温度控制：
极好的传热性质和非常短的反应时间，有利于反应器的 控制，对于反应器内的温度分布变化可以瞬时响应，对 于涉及中间产物和热稳定产物的部分反应具有重大意义
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2.1 液液相反应器
• 反应液体呈层流状态流动.扩散是传质主要途径
液液相反应的关键影响因素是充分混合
为了增大液体的接触面积和减少扩散距离 异相液体接触主要有两种基本方式：纵向和横向 1.由泵输送的两种液体分别进入各自的输送通道，然后在平行的纵向接 触面上混合、扩散到发生化学反应
两种液体分别从各自的管道中进入 同一个反应管道，形成纵向界面， 整个结构呈Y字型；
3.催化剂的高通量筛选
•催化剂用量少，操作连续、安 全 •适用于含有毒物质、易爆、危 险的反应
4.无放大效应
•通过集成众多的反应器可 以处理大批量的原料 •节省从实验室研发到工业 过程的时间和成本
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8
复杂的微系统
1.4 通道设计
A－微通道截面积；△p－微通道压降；CR－微通道几何系 数；η－流体粘度；L－微通道长度
微反应系统的层次结构
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微反应器制造技术
混合器
降膜反应器
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15
1.9 微反应器制造技术的适用性评价
生产成本 加工耗时
精确度 可靠性
选材 可实现性
各种制造技术精确度差异的比较以及它们的适用性
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2、分类
半连续
间歇
操作模式
连续
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微反应器
不同相态的反应过程
液液反应 气液反应
气液固 反应
气固相 催化反应
U—微管道湿润周长，P0—泊肃数
圆形的几何系数最小，但存在刻蚀困难的问题，所以微 通道通常是矩形或梯形的；常采用宽高比为1:10的矩形 截面结构
通道长度只需满足管道中流体的相互混合即可，一般不小于1mm； 为忽略流体的入口效应，入口通道长度一般大于300μm
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1.5 微反应器内的反应过程
适用于微反应器内的反应过程有三种： ➢ 第一类：瞬间反应，反应半衰期小于1s，这类反
纵向－Y混合
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液液相反应
2.将一种液体用多次脉冲的方法注射到另一种液体流中，扩散和反应发生在 多个横向接触面上
横向－T混合
将一种液体垂直喷射到另一种液体 中进行混合，形成横向界面，整个 结构呈T字型。
此外还有J－混合，两进两出的双Y混合，两步T混合
.
20
液液相反应
实际应用中，液一液相微反应器或者与微混合器耦合在一 起，或者本身就是一个微混合器
反应器体积：
非零级反应(自催化除外，F，X0，XF相同),VCSTR>VPFR 微通道几乎完全符合PFR,使得反应物能在毫秒级范围内 完全混合,大大加速了传质控制反应的速率,在维持产量
不变的情况下使反应器总体积大大减小
提高转化率和收率：
缩短部分氧化反应中反应物停留时间，减少深度氧化副产物 最佳停留时间获得最高收率的反应, 精确控制反应时间 及时移走热量，减少强放热反应的副反应，提高选择性
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5
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6
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1.3 微反应器的主要特征
1.大比表面积
•强化了传质、传热 •缩短了扩散时间，实现流 体间的快速均匀混合以及 等温操作 •通道内作用力主要为：界 面张力，粘性应力以及毛 细管力
2.独特的流动行为
•流体流动通常属于层流 •具有很强的方向性、对称性 和高度有序性 •具有窄的停留时间分布和均 匀的传质过程 •便于对过程进行精确的理论 描述和模拟
安全性能：
反应体积小，传质传热快，避免“飞温”现象
通道尺寸数量级在微米级范围内，有效阻断链式反应，
使其能在爆炸极限. 范围内稳定进行
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1.7 微反应器的缺点
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