微反应器发展概况

领域青睐。介绍了微反应器的概念、特点和种类；从其几何特征出发阐述了微反应器内微混合机理。简略介绍
了微反应器具有的独特优越性。总结了近年来国内外微反应器的研究发展情况和存在的问题。
关 键 词： 微反应器；微混合；微混合机理
中图分类号： TQ 050
文献标识码： A 文章编号： 1671- 0460（2010）03- 0315- 04
目前主要研究单位有美国的杜邦公司、麻省理工 学院 （Massachusetts Institute of Technology，MIT）、 太平洋西北国家研究所 （Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）和 UOP 等；德国的美茵兹微技术 研究所（Institut für Mikrotechnik Mainz，IMM）、BA SF、Axiva、Merck 和 Bayer 等著名公司；法国的 Rh ne- Poulenc/Rhodia 以及荷兰和英国的 Shell 等公司 [18-20]；日本成立了经济产业省所属的产业技术综合 研究中心和以九州大学为主体的“九州微反应器技 术研究会”。国内多所高校研究所也在积极开展微 反应器的研究，清华大学孙永等[21]采用了一种新的
湍动涡旋作用的结果导致由上述拉伸收缩作 用形成的细长薄片产生弯曲卷绕。Baldyga 和 Bour ne[11]发现收缩的薄片逐渐进入延伸的旋涡中，由于 拉伸作用与粘性耗散达到平衡，在涡旋尺度 δw=12ηk 时达到稳定。尺度为 δw 的涡旋在拉伸过程 中有流体从环境中加入，这种对流传质过程叫做 “卷吸”[12]。
1 微反应器的概念及分类
术 语“ 微 反 应 器（microreactor）”最 初 是 指 一 种 用于催化剂评价的动力学研究的小型管式反应器， 其直径约为 10 mm。随着本来用于电路集成的微制 造技术逐渐发展和推广于各种化学领域，前缀 “micro”含义发生变化，专门修饰用微加工技术制造 的化学系统，此时的“微反应器”是一种借助于特殊 微加工技术以固体基质制造的可用于进行化学反 应的三维结构元件[1]。微反应器内流体的微通道尺 寸在亚微米到亚毫米量级，所要求的化学反应在这 些通道中进行。因此，微反应器又叫“微结构”或“微 通道”反应器[2]。
图 2 基于不同混合概念的混合方法示意图[8] Fig.2 The diagrammatic sketch of mixing mode based on
different mixing concept[8]
a- 两种组分的多股支流注入混合；b- 小流体的周期性注入；c两组分流体薄层的多次分叉和重新组合；d- 外加传质动力，如搅拌， 超声波，电能和热能等；e- 两股支流的接触；f- 通过提高流速降低垂 至于流动方向的扩散长度；g- 两股高能支流的相互碰撞；h- 将一种 组分的多股支流注入另一组分的主体流体中。
第 39 卷第 3 期 2010 年 6 月
当代化工 Contemporary Chemical Industry
Vo1.39，No.3 June，2010
微反应器发展概况*
刘冠颖，方玉诚，郭辉进，顾 临，况春江
（安泰科技股份有限公司，北京 100081）
摘Biblioteka Baidu
要： 微反应器和微混合器作为实现高效混合的最重要的手段之一被越来越多的科技工作者和商业
在惯性对流子域，流体发生形变并在流体运动 中被破碎，因此尺度的减小对微观混合没有作用， 这一进程可以认为是惯性对流介观混合过程。在粘
微反应器的特性决定了它在特定化学和化工 领域的应用，有着大反应器无法比拟的优越性，主 要表现在以下几个方面。
（1）面积体积比的增大和体积的减小 在微反应设备内，由于减小了流体厚度，相应 的面积体积比得到了显著的提高。通常微通道设备 的比表面积可以达到 10 000～50 000 m2/m3，而常规 实 验 室 或 工 业 设 备 的 比 表 面 积 不 会 超 过 1 000 m2/m3 或 100 m2/m3[5]。因此，比表面积的增加除了可 以强化传热外，也可以强化反应过程，例如，高效率 的气相催化微反应器就可以采用在微通道内表面 涂敷催化剂的结构。目前已有的界面积最大的微反 应器为降膜式微反应器，其界面积可以达到 25 000 m2/m3 ， [13-14] 而传统鼓泡塔的界面积只能达到 100 m2/m3，即使采用喷射式对撞流的气液接触式反应器 的比表面积也只能达到 2 000 m2/m3 左右[15]。若在微 型鼓泡塔中采用环流流动，理论上其比表面积可以 达到 50 000 m2/m3 以上[14-16]。 （2）转化率和收率 据统计，在精细化工反应中，大约有 20%的反 应可以通过采用微反应器，在收率、选择性或安全
自 20 世纪 80 年代“微通道散热器”的概念首 次被提出以来，微设备就开始以一种高速发展的姿 态进入到化学化工领域，以微反应系统为核心的微 化工技术以其简单高效、快速灵活、易直接放大和 可持续性等优势受到广大科技工作者和商业领域 的青睐。20 多年来，基于不同的方法和目的，各种各 样的微反应器被设计开发出来并尝试应用到各种 领域。
物料点的结构是层状的，但是，对于施米特准 数 Sc 不太大的情况下，发生变形的各层之间的扩散 混合要快于从环境中并入流体的速率。因此这些物 料点会迅速地失去其层状结构。
由上述分析可得出：微观混合过程是由分子扩 散、卷吸以及变形所组成，微元和涡旋是逐渐伸展 的，并伴随着分子扩散使混合区域得以扩展。
3 微反应器的优点
作者简介：刘冠颖（1987－），女，山西人，硕士研究生，主要从事粉末冶金多孔材料方面研究。电话：58742836。 邮箱：liuguanying@atmcn.com。
指导教师：方玉诚（1962－），男，钢铁研究总院教授，博士生导师，从事粉末冶金制品制备与应用技术的研发工作。
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4 微反应器研究概况及存在的问题
20 世纪 90 年代初，随着芯片反应器及芯片实 验室的首次面世，微化工技术的概念迅速引起相关 领域专家的浓厚兴趣和极度关注。自 1997 年开始， 每年举办一届以“微反应技术”（MicroreactionTechn ology）为主题的国际会议；2003 年 4 月将召开第一 届“微通道和微小型通道”国际会议（International Conference on Microchannels and Minichannels），并 限定通道的特征尺度在 10 μm~310 mm 范围内。此 外，微全分析系统（micro total analysis system，μ- T AS）以及微传感器等领域都有相应的国际和地区会 议。
（1）层流剪切 在微混合器内引入 2 次流，使 流动截面上不同流线之间产生相对运动，引起流体 微元变形、拉伸继而折叠，增大待混合流体间的界 面面积、减少流层厚度。
（2）延伸流动 由于流动通道几何形状的改变 或者由于流动被加速，产生延伸效应，使的流层厚
基金项目：本文受国家高技术发展计划（863 计划）“新型套管式微孔膜反应器设计及应用”（2007AA030207）项目资助。 * 收稿日期：2010-04-09
微反应器有多种分类方式[3]，按操作模式可分为 间歇式微反应器和连续微反应器，按反应物的相态 可分为液液微反应器、气液微反应器和气液固三相 微反应器等。从混合的方式来看，按照有无外界动 力源可分为主动式混合器和被动式混合器 2 类[4]， 如图 1[4]所示。其中，被动式混合不需要外部能量的 加入，混合过程完全通过扩散或对流完成；而主动
Fig.1 Classification of microreactors[4]
2 微反应器的微混合机理
微反应器具有与大反应器完全不同的几何特 性[5]：狭窄规整的微通道、非常小的反应空间和非常 大的比表面积。微反应器及其他微通道设备的通道 特征尺寸(当量直径)数量级是微米级。
传统混合过程依赖于层流混合和湍流混合。微 化工系统中，由于通道特征尺度在微米级，Reynolds 数远＜2 000，流动多呈层流，因此微流体混合过程 在很大程度上是主要基于扩散混合机制，而不借助 于湍流。这个过程通常是在很薄的流体层之间进 行，其基本混合机理如下[6]。
Pohorecki 和 Baldyga[9]对不同子域内微观混合 机理进行了光谱分析。在流体力学基础上，从分析 湍动动能的光谱密度函数 E（K）和浓度函数 G（K） 可知：光谱密度是波数 K 的函数，而波数 K 又与涡 旋尺度的倒数成正比。对液体而言，浓度函数 G（K） 分布的光谱密度可以分成 3 个子域：惯性对流子 域、粘性对流子域和粘性扩散子域。
式混合则要通过外场，如电场、温度场、磁场和超声
波等强化作用实现。
!T 型微混合器
!#被动式微混合器
# # #
###多交互薄式微混合器 "静态微混合器 $###混其沌它微类型合器
#
微混合器
## "
#
#
% #
# #
$##主动式微混合器
磁力搅拌型微混合器 声场促进型微混合器 电场促进型微混合器
其它类型
图 1 微混合器的分类[4]
直径可低至几个微米，依据 Fick 定律：
2
t～ l D
式中：D－扩散系数； l－扩散特征尺度； t－混合时间。
当混合流体处于同一微通道内时，分子扩散路 径大大缩短，因此仅依靠分子扩散就可在极短的时 间内（毫秒至微秒级）实现均匀混合。
尽管大部分微设备在层流区域内操作，但是以 下几种情况中也出现了湍流混合方式。另外，对于 一些接近传统尺寸、直径在几百微米范围内的微型 设备。当体积流速非常高时，也可形成湍流[7]。基于 以上混合概念，以下列出了流体微混合设备的几种 形式，每种微型接触装置的混合方式如图 2[8] 所示。
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刘冠颖，等：微反应器发展概况
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应可以通过采用微反应器，在收率、选择性或安全 性等方面得到提高[17]。尽管只有 20%，但是考虑到精 细化工反应范围广、数量大，微反应器的应用潜力 是非常巨大的。巴斯夫公司在微反应器中合成维生 素前体时收率由 25%提高到 80%~85%。
（3）生产灵活性 微反应器是单独的反应系统，快速放大只是简 单的将微反应器进行平行叠加，即所谓的数增放大 （Numbering- up）[18]。在对整个系统进行优化时，只需 对单个反应器进行模拟和分析，这使在反应器的开 发过程中，不需要制造昂贵的中试设备，而且节省 了中试时间，缩短了开发周期。 （4）安全性能 由于微反应器的反应体积小，传质传热速率 快，能及时移走强放热化学反应产生的大量热量， 从而避免宏观反应器中常见的“飞温”现象；对于易 发生爆炸的化学反应，由于微反应器的通道尺寸数 量级通常在微米级范围内，能有效地阻断链式反 应，使这一类反应能在爆炸极限内稳定地进行；对 于反应物、反应中间产品或反应产物有毒有害的化 学反应，由于微反应器数量众多，即使发生泄漏也 只是少部分微反应器，而单个微反应器的体积非常 小，泄漏量非常小，并且能在其他微反应器继续生 产时予以更换。
度进一步减小，改进混合质量。 （3）分布混合 在微混合器内集成静态混合元
件，通过流体的分割重排再结合效应，减小流层厚 度，并增大流体间的界面。
（4） 分子扩散 分子水平均匀混合的必经之 路。在常规尺度混合器中，只有当剪切、延伸和分布 混合使流层厚度降至足够低的水平时，分子水平的 混合才有意义。而在微混合器中，由于微通道当量
性对流子域中，涡旋受到与粘性有关的层流应力的 作用。通过粘性变形其尺度进一步减小，与此同时， 分子扩散逐渐产生了作用。当层流应力与分子扩散 相当时，粘性扩散开始作用，对于更小的涡旋，分子 扩散很快的使浓度达到均一。当涡旋的尺度小于 Kolmogorov 尺度 ηk 时，湍动动能的光谱密度可以 忽略，因此分子扩散只受粘性变形的影响。Batchelor 指 [10] 出，在直角坐标系下，流体微元在一个方向延 长，在另一个方向上快速变形，在第三个方向上适 当增长，从而形成细而长的薄片，在其收缩方向上 浓度梯度迅速变大，同时分子扩散得以强化。