微反应器发展概况

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。
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
2010 年 6 月
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。
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
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
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。
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 1 微混合器的分类[4]
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
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。
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。
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@。
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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当代化工
第 39 卷第 3 期
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
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
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]。