微反应器介绍及其研究进展

化工学术讲座课程论文

题目微反应器介绍及其研究进展

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定稿日期：2015 年12 月20 日

微反应器介绍及其研究进展

摘要：近年来，随着微尺度下“三传一反”研究的进展，微尺度流体的性能得到了深入揭示，微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。本文系统介绍了微反应器的结构特点、性能优势、研究进展，进而分析了微反应器的发展方向。

关键字：微反应器；微反应技术

1 引言

进入21世纪，化工过程向着更为绿色、安全、高效的方向发展，而新工艺、新设备、新技术的开发对于化工过程的进步是十分重要的。在这样的背景下，微化工系统的出现吸引了研究者和生产者的极大关注。微化工系统并非简单的微小型化工系统，而是指带有微反应或微分离单元的新型化工系统。在微化工系统中，微反应器是重要的核心之一。

“微反应器(microreactor)” 最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器，其尺寸约为10 mm。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，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”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器，但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是它具有一系列新特性，随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。

现在所说的微反应器一般是指通过微加工技术制造的带有微结构的反应设备，微反应器内的流体通道或者分散尺度在微米量级[1]，而微反应器的处理量则依据其应用目的的不同达到从数微升/分钟到数万立方米/年的规模。近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方向的研究工作发展十分迅速，带动了微反应器技术的快速发展。

微反应器内流体的存在状态不同于传统的反应器，其内部流体的流动或分散尺度在1μm到1mm之间，这种流体被称为微流体。微流体相对于常规尺度的流体具有一定的特殊性, 主要体现在流体力学规律的变化、传递过程的强化、固有的安全性以及良好的可控性等。目前，微反应器已经被广泛应用于化学、化工、

生物、材料等诸多领域的研究和生产过程中，体现出了良好的发展前景。

2 微反应器的类型

按照不同的分类方法，微反应器有多种类型。既可以借鉴传统反应器的分类标准，对微反应器进行分类归纳，也可以根据微反应的结构进行分类。首先，按微反应器的操作模式可分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器。其次，按微反应器的用途又可分为生产用微反应器和实验用微反应器两大类。若从化学反应工程的角度，微反应器可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等[2]。

微反应器是具有特定微结构的反应设备，微结构是微反应器的核心。根据目前的微反应器研究情况，按照微结构种类的不同进行分类，典型的微反应器有：微通道反应器、毛细管微反应器、降膜式微反应器、多股并流式微反应器、微孔阵列和膜分散式微反应器以及外场强化式微反应器等。

微通道反应器是最广泛使用的微反应器，通过光刻、蚀刻和机械加工的方法可以方便地在硅片、玻璃、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等材料上制作尺寸各异的微通道。根据流体的加入方式不同，微通道反应器又分T型、水力学聚焦、同轴环管和几何结构破碎等多种类型。

毛细管微反应器是一种与微通道非常类似的反应器，利用毛细管内径的变化可以调控流体的流动和分散尺度，而毛细管的使用使得这种反应器的加工成本更为低廉，与方形的微通道不同的是毛细管通道截面为圆形，此外毛细管微反应器还可以在不影响流动的情况下，通过调整毛细管长度调整反应物的停留时间。

图1 基于不同微结构的微反应器示意图

降膜式微反应器和多股并流式微反应器是Hessel等[3]课题组开发2种大通量型的微反应器，与微通道反应器不同的是，这2种反应器本身的体积并不是微米级的。降膜式微反应器利用流体在重力作用下在与其浸润的材料上可以形成微米级液膜的原理，在一个宏观尺寸的降膜板上获得了微米级的流动尺度。多股并流式微反应器则利用指状交叉的微结构将流体分割成微米级的薄片后再混合在一起，从而获得微米级的分散和混合尺度。

微孔阵列和膜分散式微反应器是一种结构简单并且成本低的大通量型微反应器，这种反应器是在一个常规尺度混合通道内集成了众多微孔结构的反应器，因此这种反应器可以在一定程度上看成T 型微通道的放大。外场强化式的微反应器在几何结构上可以是以上的任意一种，但是在外场的作用下微反应器内的反应和分离过程可以进一步得到强化，目前主要采用的外场有电场、光照等。

除了以上几种微反应器之外，目前开发出的微反应器还有很多，在微加工技术的促进下，微反应器的设计和制作可以方便地完成，有些已经实现了商业化生产。然而，目前对于微反应器的研究仍处于起步阶段，目前的微反应器还不能完全适用于所有的反应过程，对适应科学研究和生产过程要求的新型微反应器的深入开发仍然十分必要。

3 微反应器的特征[4-5]

3.1 微反应器的几何特性

微反应器具有与大反应器完全不同的几何特性：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（10-6-10-3 m）。如由卡尔斯鲁尔研究中心制作的微换热器，其通道截面积为100μm ×70μm，外形体积为1cm3，比表面积高达26200 m2 /m3，而典型的实验装置和生产装置分别不超过1000 m2 /m3和100 m2 /m3。3.2 微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性

微反应器的微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是其几何特性决定了微反应器内流体的传递特性和宏观流动特性，并进而导致它具有温度控制好、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。

3.2.1 传热特性