微反应器和微化工技术
微通道反应器的高效精细化工时代
微通道反应器的高效精细化工时代微通道连续流反应器技术基于独特的非金属耐腐材质和卓越的传热-传质性能设计，可有效强化合成反应条件，是对传统化工小试和中试生产装备的重大革新，它打开了新时代高效化学研发和生产的窗口。
让化学反应时间从几小时或几十小时缩短到几十秒到几分钟，同时解决强腐蚀、易爆、高能耗、高溶剂消耗和高污染排放等诸多难题，这正是微通道反应器独有的魅力。
微通道反应器技术已应用于医药、农药和染料中间体合成。
常见的应用领域包括选择性硝化、浆态加氢、重氮偶合、磺化、卤化和氧化等反应，以及在材料和催化剂制备中用于纳米材料合成、特种试剂制备如格氏试剂和过氧化试剂等。
微反应器技术，特别是液相微反应器技术最早于上世纪90年代后期在德国出现。
当时根据原子能技术民用化项目的要求，微型机械加工技术以及微通道结构热交换器被用于处理强放热和高危险化学品。
德国在1997年开发成功微米级高硼硅玻璃微通道反应器用于偶氮偶合反应。
微反应器技术很多年来一直徘徊在研发和科研应用阶段，停留在“微小”的流体通量水平上，主要用于实验室小剂量化学合成路线的研究和筛选。
将微反应器优良的传质和传热效能体现在大规模的产业化装置中，一直是该领域的瓶颈。
但现在已经成为具有生产成本优势的工业化利器。
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流体化工技术，在收率、选择性或安全性等方面得到提高。
微化工技术可用于高效换热、高效混合、强放热反应过程，高附加值精细化学品、剧毒物质、超细/纳米颗粒以及高能炸药的生产过程。
微流体化工技术涉及物理、化学、化工、生物、材料、微电子以及微机械加工等诸多领域，学科交叉性强，其基本原理是通过特殊设计的微结构单元对流经的反应流体进行切割，实现反应流体见以微米时空尺寸，甚至更小进行混合和换热。
与传统化工技术相同，微化工技术也使用反应器、混合器、换热器等单元组件。
但同传统化工工艺相比，微化工工艺微反应工艺实现了对传质传热的真正强化，使化学过程更快的传质传热、更好的时空收率、更安全环保、更经济节能、占地面积小，大大降低投资成本及能耗。
浅析微化工技术在化学反应中的应用进展
技术应用与研究Chenmical Intermediate当代化工研究2016·0233浅析微化工技术在化学反应中的应用进展ＯＯ彭ＯＯＯ川(四川晨光工程设计院ＯＯ四川成都ＯＯ610041）摘要：微化工技术是现代化学项目范围的研究前沿和热点。
由于特点尺度的微型化,增强表面作用,传递功能相对常规尺度的设备提升了2～3个数量级。
展开微化工技术研究旨在加强化工过程安全性、推动过程加强与化工体系小型化,提升能源、资源运用效率,达到节能降耗之目的；其顺利开发和运用将对化学化工区域形成重大影响。
关键词：微化工技术；微反应器；微通道中图分类号：T 文献标识码：ABrief Analysis on the Application Development of Microchemical Technologyin Chemical ReactionPeng chuan（Szechwan Morning Engineering Design Institute, Sichuan Cheng d u 610041）Abstract ：Microchemical technology is the research front and hotspot in modern chemistry. As for the micromation of chararacter andscale,increasing surface function and transmission function have increased by 2-3 levels comparing to the conventional scale. The aim of taking microchemical technology research is to increase chemical process safety,promote the process and chemical system miniaturization,increase energy and resources operation efficiency and achieve the aim of energy-saving and cost-reducing. This technology’s success exploitation and application will bring great good influence on chemistry area.Key words: microchemical technology ；microreactor ；microchannels一、微反应器和常规釜式反应器1.常规釜式反应器在传统化工工业中，很多在间歇或半间歇釜式反应器内实施制药、精细化学品与化工中间体的合成，具备灵活操作、容易适应不一样的条件操作，一般适用于批量小、类别多的产品，在精细化学品和生物工程产品的生产中有较强的优势。
微化工技术的应用
微化工技术的应用微化工技术是一种将传统化工过程微型化和集成化的技术。
通过将反应器、分离器、传质器等微型化，可以显著提高反应速率、传质效率和热效率，减少废物排放和能源消耗，从而实现工业生产的高效、环保和可持续发展。
微化工技术已经在多个领域得到应用，本文将以几个典型的应用为例进行介绍。
1. 化学合成中的微化工技术应用在化学合成过程中，微化工技术可以实现反应的快速与高效。
例如，在有机合成中，传统的合成反应需要数小时甚至数天才能完成，而采用微化工技术后，反应时间可以缩短到数分钟甚至数秒钟。
此外，微化工技术还可以实现多相反应的高效进行，减少反应物的浪费和副产物的生成。
通过微化工技术的应用，化学合成过程的效率和选择性得到了显著提高。
2. 药物制造中的微化工技术应用微化工技术在药物制造中具有重要的应用价值。
传统的药物制造过程往往需要多个步骤的反应和分离操作，耗时且效率低下。
而采用微化工技术后，可以将多个步骤的反应和分离操作集成在一个微反应器中，实现一步法合成药物，大大提高了制药过程的效率和产品质量。
此外，微化工技术还可以实现对药物合成过程的实时监测和控制，提高了制药过程的可控性和稳定性。
3. 能源化工中的微化工技术应用能源化工是一个重要的领域，微化工技术在其中的应用也具有重要的意义。
例如，在石油炼制过程中，传统的精馏塔操作存在能耗高、设备大等问题，而采用微化工技术后，可以将精馏过程微型化，减少能耗和设备体积。
另外，微化工技术还可以应用于煤制气和生物质能源的转化过程中，提高能源转化效率和产品选择性。
4. 环境保护中的微化工技术应用微化工技术在环境保护领域也有广泛的应用。
例如，在废水处理中，传统的废水处理工艺存在处理周期长、处理效果差等问题，而采用微化工技术后，可以将废水处理过程微型化，提高处理速度和处理效果。
此外，微化工技术还可以应用于废气处理、固废处理等环境保护领域，实现资源的高效利用和废物的减量化。
微化工技术在化学合成、药物制造、能源化工和环境保护等领域都有广泛的应用，可以提高反应速率、传质效率和热效率，减少废物排放和能源消耗，实现高效、环保和可持续发展。
微化工技术
（Microreaction TechnoIogy）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 （ InternationaI Conference on MicrochanneIs and
MinichanneIs），并 限 定 通 道 的 特 征 尺 度 在 10 !!m ~ 3.0! mm 范围内 . 此外，微全分析系统（micro
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20 世纪 50 年代末，著名的物理学家 Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术发展方向 . 半个 多世纪以来，计算机的更新换代已将微型化所带来 的方便引入了人类生活和工作的各个领域，并对人 类文明进程产生了重大的影响 .
绿色化工技术在化学工程工艺中的应用
绿色化工技术在化学工程工艺中的应用绿色化工技术是指通过采用环保、高效、低能耗的化学工程工艺，减少或避免对环境的污染和影响的技术。
绿色化工技术在化学工程领域的应用越来越广泛，不仅可以节约能源和资源，降低生产成本，还能缓解环境问题，保护生态环境。
以下将介绍绿色化工技术在化学工程工艺中的应用。
1. 溶剂替代技术：传统化工生产中常使用大量有机溶剂，这些溶剂对环境和人体健康有潜在的危害。
绿色化工技术提倡替代有机溶剂为水或其他绿色溶剂，如液态二氧化碳等。
通过改变溶剂，不仅可以减少环境污染，还能提高产品纯度。
2. 催化技术：催化是绿色化工的核心技术之一。
传统化工过程中常使用高温、高压条件下进行反应，能耗较高，催化技术可以使反应在较低的温度和压力下进行，减少能源消耗。
催化剂选择也对化学工程工艺的绿色化有重要影响，选择高效催化剂可以提高反应速率和选择性，降低废物生成。
3. 循环利用技术：传统化学工程生产中，许多废水废料没有得到充分利用，造成资源的浪费和环境的污染。
绿色化工技术提倡将废弃物通过循环利用技术转化为有价值的产品，如废水处理中的再生利用、废料的资源化利用等。
4. 清洁合成技术：传统合成过程中常使用多步反应和大量溶剂，对环境造成较大的负担。
清洁合成技术通过改进催化剂、反应条件和反应路线，实现直接合成目标产物，减少中间产物和副产物的生成，降低对环境的污染。
5. 生物工艺技术：生物工艺技术是绿色化工的重要组成部分，通过利用生物体或酶催化反应进行化学反应，实现对有机废弃物和低价原料的转化。
生物工艺技术具有选择性高、产物纯度高、对环境友好等优点。
6. 微反应技术：微反应技术是将传统大型反应器缩小到微米级尺寸，利用微流控制技术进行精确控制和高效传质与反应。
微反应技术具有反应速率快、产物分离简单、副反应少等优势，可以减少废弃物的产生和能源的消耗。
微反应器技术及其在化工生产中的应用
纳米材料 生产 、有机 合成 、乳液 制备等 领域 ，取得 了非 常 显著 的经济效益 和社会效益 。
本文 以微反应器技术 在几种 化工产 品生 产 中的应用 为 例 ，介绍微反应器技术 的优势 ，并分 析如何 根据 化学反应 特点 ，设计基本工艺路 线 以及选 择关键 微反应 设备 ，从 而 实现工艺 的优化 。
应设 备 ，从 而 实现 ；有机合成 ；乳 液；放 大生产
中 图 分 类 号 ：ＴＱ ５ ，ＴＱ ５ ０１ ０２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
外 ，需要为 随后 的晶核 生长 过程 提供 稳定 、均匀 的环 境 。
器快速降 至成核 温度 以下 ，此后 只发 生 晶核 的生 长过 程 。 生产过程 中对温度 的精确控制能够将成核和生长过程分开 ， 从而 为合成尺寸均一 的纳米颗粒创造 了条件 。 基于模块化微反应器 技术 ，拜耳公 司先 后开发 出多种 纳 米 粉 体 的 合 成 工 艺 ，包 括 无 机 荧 光 纳 米 粉 （ 如 ＬＰ ａ Ｏ４： ｕ ｅ Ｏ Ｅ 、Ｃ Ｐ ４：Ｔ ｂ等） 、量 子 点 （ Ｃ Ｓ 、Ｃ Ｓ 如 Ａ ｅ ｄ、
一
般 而言 ，溶液 的过饱 和度 与反应 物的混合 程度 以及 反应
微反应器从本质上讲是一种管式连续反应器＿ ］ １ ，但是其 体 系的温度密切相 关 ，因此 ，快速 均匀 的混合 、快 速的升 ０ 通道特征尺寸仅为 １ 一１０ ，远远小于常规 的管式反应 温和降温 、以及精确 的反应 时间控制对 产 品的质量 至关重 ０ ００ 器 。—个微反应器的内部结构由很多微通道并联而成 ，可获得
Ｃ 、Ｔ ｅ ｂ阳离子 前驱体 溶 液和 Ｈ。 Ｏ Ｐ ，阴离 子前 驱体溶 液 ； 其次 ，两股物料 在微 混合 器 内按 预设 比例快 速均 匀混 合 ， 混合后 的溶液流经微换 热器快 速升温 至成核温 度 ；然后 反 应溶液流人带有混合 和换热装 置的微反应 器 中进 行纳米 晶 核的生长 。为 了实现成 核与生长 过程 的分离 ，通 常晶体 的 生长温度需等 于或低 于成核温 度 ；最后溶液 流经 微换热 器 快速 降温使反应淬灭 ，得到含有 Ｃ Ｐ ４ ｅ Ｏ ：Ｔｂ 纳米颗粒 的溶 液。整个过程 中，通过调 节反应参 数如 反应 温度 、停 留时 间、浓度等可 以得到 形貌 和尺 寸可 控 的单 分散 纳米 颗粒 。 与传 统批次合成 工艺相 比，该 工艺具有 以下 优点 ：获得 的 产品质量 高 （ 颗粒尺寸在 ２ ｌ Ｏｎｎ以下 、颗粒 尺寸分 布窄） ， 可重复性好 ，设备 体积小 ，安 全性 好 、能耗 低 ，可 以实 现
化学反应工程的新进展与应用
化学反应工程的新进展与应用化学反应工程是利用化学反应原理与工程技术相结合的一种综合性学科。
近年来，随着科技的不断发展，化学反应工程在各个领域都得到了广泛的应用和推广。
在本文中，将主要探讨化学反应工程的新进展和应用。
一、微反应器技术微反应器技术是一种将反应器和微机电系统(MEMS)相结合的新型反应工艺。
采取微反应器可以有效地减少废气、废液和废物的产生，大幅度地降低了能耗和生产成本。
同时，微反应器还有很好的流体控制能力和精细的温度控制能力，能够为化学反应提供更加优化的环境，使反应速率更快，产品质量更高。
二、晶体化学反应晶体化学反应是利用晶体的成长过程，使分子彼此相遇并发生化学反应的一种新型化学反应。
此技术可以有效地改变化学反应的程度和速率，同时具有极高的选择性，适合于那些需要高度纯净和高度复杂的化合物的制备。
晶体化学反应还可以应用在基因测序、药物研发等领域。
三、生物催化剂生物催化剂是指可以促进化学反应发生，同时还可以重复使用，并且不破坏反应物的生物体。
生物催化剂可以极大地降低能耗和源的消耗，同时具有更高的废物降解效率和反应温度控制能力。
生物催化剂已经被广泛应用于染料、食品、医药等领域。
四、多相反应多相反应是一种将反应物与催化剂的物理状态尽可能地加以区分和隔离的化学反应，例如气体与液体、固体与液体等。
多相反应技术可以有效地将反应物彼此隔离，从而加速反应速率，提高产品质量和产量。
多相反应也被广泛应用于石油化工、合成材料及新能源开发等领域。
五、绿色化学合成绿色化学合成是一种以环保、低风险、节能和高效为基础的化学合成技术。
绿色化学合成可以有效地减少或避免污染物的产生，降低毒性和危险性，并且在化学合成过程中的能量和原材料消耗得到最大限度的降低。
绿色化学合成在精细化学品、药品、化妆品和食品添加剂等领域得到了广泛的应用。
综上所述，随着新技术和新理念不断涌现，化学反应工程正在不断地向高效、绿色和环保的方向发展。
科技的不断进步和应用，将极大地改善人们的生活质量和环境，带来更多的人类福祉。
微反应技术概述
微反应技术微反应技术概述概述概述“微反应器“也被称为“微通道”反应器（Microreactor, Micro-channel reactor）， 是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器等微通道化工设备的通称。
自20世纪90年代中期微反应技术兴起以来，由于其独特的特色和优势得以迅速发展并成为科研院校和企业界共同的研究热点；不但取得了很多令人瞩目的研究成果，而且在医药、农药、特种材料以及精细化工产品及中间体的合成中得到了越来越多的应用（参见图1，微反应器技术领域历年来的专利申请情况）。
尤其进入本世纪以后，各大跨国公司也开始关注这一新兴技术，纷纷成立专门的微反应技术部门开展在其相关工业领域的应用研究；同时开发微反应技术的公司之间也强强联合，以期进一步拓展微反应技术在工业生产中的应用。
美国化学会权威杂志 Chem & Engineering News 于2010年3月1日刚刚报道了瑞士Lonza公司和德国拜耳Ehrfeld Mikrotechnik BTS （EMB）公司相互合作的进展。
在可以预见的未来，这一技术必将得到广泛应用（参考文献：Chemical Reviews 2007, 107, 2300-2318.）。
图1 微反应器技术领域历年来的专利申请情况1．连续化微通道反应器的特征及其优势连续化微通道反应器的特征及其优势“微反应器“从本质上讲是一种连续流动的管道式反应器；反应器中的微通道利用精密加工工艺制造而成，特征尺寸通常在10－1000微米之间。
由于微反应器内工艺流体的通道尺寸非常小，相对于常规管式反应器而言其比表面积体积比非常大（可达10,000－50,000 m2/m3，见图2），因此微反应器具有极高的混合效率（毫秒级范围实现径向完全混合）、极强的换热能力（传热系数可达25,000 W/(m2•K))和极窄的停留时间分布（几乎无返混，基本接近平推流）。
“微反应器”的两大特征--- 比表面积大以及连续操作方式，使得我们对反应工艺的精确控制成为可能。
“新工科”背景下的微反应器技术与化工原理教学改革
收稿日期:20201024基金项目:山东省自然科学基金面上项目(Z R 2020M B 106)(Z R 2020M B 013);齐鲁师范学院校级教材建设项目(jc 202012)㊂作者简介:张旭雪(1989),女,山东德州人,讲师,博士㊂第23卷第2期2021年 4月沈阳大学学报(社会科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (S o c i a l S c i e n c e )V o l .23,N o .2A pr .2021文章编号:2095-5464(2021)02-0229-06新工科 背景下的微反应器技术与化工原理教学改革张旭雪(齐鲁师范学院化学与化工学院,山东济南 250200)摘 要:介绍了 新工科 背景下微反应器技术对化工行业创新型㊁应用型专业人才培养的必要性㊂通过分析现阶段化工原理课程在化工与制药类专业学生培养中的重要性及化工原理在教学中面临的问题,论述微反应器技术与化工原理教学改革相结合的必要性和优势㊂在此基础上,提出微反应器技术与化工原理教学改革的4个结合点㊂关 键 词: 新工科 ;微反应器技术;化工原理;教学改革中图分类号:G 642.0 文献标志码:AD i s c u s s i o no nt h eC o m b i n a t i o no f M i c r o R e a c t o rT e c h n o l o g ya n dT e a c h i n g R e f o r mo f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g P r i n c i p l e s u n d e r t h eB a c k g r o u n d o fN e wE n g i n e e r i n g P r o gr a m Z HA N GX u x u e(C o l l e g e o fC h e m i s t r y a n dC h e m i c a l E n g i n e e r i n g ,Q i l uN o r m a lU n i v e r s i t y,J i n a n250200,C h i n a )A b s t r a c t :T h e n e w e n g i n e e r i n g p r o g r a m e m p h a s i z e s t h e c o m p r e h e n s i v e t r a i n i n g of e ng i n e e r i n g t a l e n t s .I n thi s p a p e r ,t h e n e c e s s i t y o f m i c r o r e a c t o r t e c h n o l o g y t o t h e c u l t i v a t i o no f i n n o v a t i v ea n da p p l i e dt a l e n t s i nc h e m i c a l i n d u s t r y u n d e rt h eb a c k gr o u n do f n e w e n g i n e e r i n g p r o g r a m i s i n t r o d u c e d .B y a n a l y z i n g t h e i m po r t a n c e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g P r i n c i p l e s i nt h ec u l t i v a t i o no f s t u d e n t sm a j o r i n g i nC h e m i c a lE n g i n e e r i n g an d P h a r m a c y a n d t h e p r o b l e m s i nC h e m i c a lE n g i n e e r i n g P r i n c i p l e s t e a c h i n g ,t h en e c e s s i t y an d a d v a n t a g e so fc o m b i n i n g m i c r or e a c t o rt e c h n o l o g y w i t ht h et e a c h i n g re f o r m o fC h e m i c a l E n g i n e e r i n g P r i n c i pl ea r ed i s c u s s e d .O nt h eb a s e so f t h ea b o v e ,f o u r p o i n t sb a s e do nt h e c o m b i n a t i o n o f m i c r o r e a c t o rt e c h n o l o g y a n dt e a c h i n g r e f o r m o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g P r i n c i p l e s a r e p r o po s e d .K e y w o r d s :n e w e n g i n e e r i n g p r o g r a m ;m i c r or e a c t o rt e c h n o l o g y ;C h e m i c a l E n g i n e e r i n g P r i n c i p l e s ;r e f o r m s o f t e a c h i n g教育是关乎国家和民族发展的大事㊂大学教育对于多元化㊁创新型㊁应用型人才的培养尤为重要㊂当前,世界各国都非常重视教育的发展与变革,纷纷出台了一系列教育改革的政策和措施,以加快推进本国教育改革的步伐,应对日趋激烈的国际竞争㊂我国的教学改革正以20世纪80年代以来取得的显著成效为基础,在一个更高㊁更深㊁更全面的层次上展开㊂自2017年教育部启动新工科研究与实践项目 以来,地方高校齐头并进,拉开了 新工科 高教战略改革的帷幕㊂ 新工科项目以立德树人为引领,着力于培养多元化㊁创新型㊁应用型的优秀工程人才[1]㊂随着我国经济的高速发展,作为国民经济的支柱产业之一,化学工业的发展突飞猛进,各种新型的化工设备㊁全新的化工技术㊁绿色环保的化工工艺不断出现㊂微化工技术自20世纪90年代兴起后,迅速发展成为化学工程学科的前沿和研究热点,我国 十二五 规划将其列为化学工业可持续发展的关键技术之一㊂由此可见,21世纪的化学工业面临着前所未有的机遇和挑战,微化工技术将对整个化学化工领域产生重大影响㊂微化工技术着重研究化工微型设备微反应器,其并行系统中 三传一反 (动量传递㊁热量传递㊁质量传递㊁化学反应)的特征和规律与化工原理中单元操作的理论基础是一致的㊂因此,在化工与制药类专业学生的培养中,将微反应器技术引入化工原理课程,可以适应新形势下新技术㊁新设备的发展,有助于 新工科 理念下创新型㊁应用型专业人才的培养㊂同时,也可以为微化工行业未来的发展提供一定的人才保障㊂一、化工原理课程分析1.化工原理课程的重要性化工原理是化工与制药类专业的重要基础课程,以高等数学㊁有机化学㊁物理化学等课程为理论基础,研究化工单元操作的基本原理㊁典型化工设备的选型设计及工艺尺寸的计算等㊂在学习知识的同时,借助单元操作的分类引导学生通过现象看本质,把握基本规律㊂在分析过程中,通过学习物料衡算(物)㊁能量衡算(能)㊁平衡关系(平)㊁传递速率(速)㊁经济核算(经)在不同单元操作过程中的应用,得到解决不同单元操作工程问题的规律和方程,从而把握分析问题㊁处理问题的方法;借助实验操作及数据的处理和分析,实现理论与实践的统一㊂本课程的学习,使学生初步具备从单元操作的角度分析新工艺,利用 物㊁能㊁平㊁速㊁经 解决新问题,借助实验数据分析确定新方程的能力㊂该课程由 理 及 工 ㊁由基础到专业,强调理论与实际的结合,承担着 工程科学 和 工程技术 的双重使命㊂此外,该课程为后续的化学工程相关课程,如化学反应工程㊁化工设计㊁化学分离工程等奠定了基础㊂因此,做好化工原理的教学及其改革工作,对于多元化㊁创新型㊁应用型化工人才的培养,以及化工类学科的发展都极为重要㊂2.化工原理教学中面临的问题化工原理是化工与制药类专业学生接触到的第一门工程类课程,与其他理论课程的学习存在很大的不同,学生在学习过程中遇到很多困难,学生毕业后择业时也会对化工行业抱着敬而远之的态度㊂笔者在教学过程中不断与学生沟通,并积极总结㊁反思,总结出3个问题㊂(1)化工原理课程学习难度较大㊂化工原理主要研究化工生产过程中各种单元操作原理㊂由于各单元操作均遵循自身的规律和原理,并在相应的设备中进行,因此,单元操作原理包括过程原理和设备原理两部分内容㊂一方面,在传统教学中,过程原理部分通过理论教学完成,单元操作分类较多㊁内容复杂㊁计算繁琐,学生在学习的过程中容易产生怯学㊁厌学情绪㊂此外,该课程涉及到的公式比较多,许多公式是基于实验推导的半经验公式,而学生在未建立实验参数拟合概念的情况下,对半经验公式的理解很有限,这又加大了学习的难度㊂另一方面,鉴于化工设备的特殊性,设备部分只能依赖图片㊁动画㊁实验装置进行介绍,学生缺少与实际化工设备的近距离接触,导致学生对单元操作过程和原理的理解不够深入㊂(2)教学过程中理论与实践脱节㊂化工原理课程的工程性和实践性很强,若能将教学与实际工业应用结合起来,将会对学生的工程思想㊁工程设计和创新能力的培养产生事半功倍的效果㊂但是,大部分学生对化工生产的概念较为模糊,几乎未曾接触过化工设备㊂目前国内大部分高校开设的化工原理实验中,大部分实验设备是基于对原理的验证性实验而设计的,与实际生产中的化工设备差距较大,不能反映出实际化工生产中存在的一些问题㊂此外,部分高校将化工原理和化工原理实验作为两门课程开设,存在理论知识与实验操作不同步的现象㊂由此,学生在对理论知识理解不深入的基础上进行实验操作,必然会影响教学效果㊂(3)教学内容未能与时俱进㊂近年来,化工原理在教学改革及教材更新上取得了很大进展,但是与先进的化工生产设备之间还存在着很大的差距㊂将工业生产中全新的化工技术㊁新型的化工设备引入教学,结合原理加以讲解,对学生毕业后尽快适应岗位需求㊁推动化工专业的科研,以及对化工行业未来的发展,都会起到很好的促进作用㊂针对上述问题(1)(2),笔者所在的教学团队已经开展了部分教改工作㊂团队将化工原理与化工原理实验两门课程同时开设,将化工原理理论知识㊁实验操作㊁数据处理有机结合㊂理论部分采032沈阳大学学报(社会科学版)第23卷用线上线下混合式教学,学生可以随时线上学习理论知识;在实验设计中,以现代连续工艺流程的定态过程为主线,选择最典型的流体流动㊁流体输送机械㊁传热㊁吸收㊁精馏单元操作进行讲解,与学生探讨分析定态过程各种单元操作的特点和规律,其他单元操作让学生自主学习㊁主动探究㊁合作交流㊂经过一个学期的学习,学生的理论考试成绩及操作技能普遍提高㊂针对问题(3),考虑到实际化工设备成本高㊁体积庞大㊁操作危险性高的特点,笔者认为,将微反应器技术引入化工原理教学中,应该可以解决这一问题㊂二、微反应器技术与化工原理教改结合的必要性1.适应 新工科 建设的需要2017年,教育部启动 新工科 建设计划,并积极推进 新工科 建设,先后发布了‘教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知“和‘教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知“,并形成了以 复旦共识 天大行动 和 北京指南 为主旋律的 新工科 建设 三部曲 ㊂2018年,教育部发布‘教育部办公厅关于公布首批 新工科 研究与实践项目的通知“和‘高等学校人工智能创新行动计划“,将 新工科 建设推向了高潮㊂2020年5月,为推进 新工科 建设再深化㊁再拓展㊁再突破㊁再出发,推动高校加快体制机制创新,做好未来科技创新领军人才的前瞻性和战略性培养,抢占未来科技发展先机,教育部决定在高等学校培育建设一批 未来技术学院 ㊂教育部的一系列举措引起工程教育界的广泛关注,在世界高等教育面临新机遇㊁新挑战的特殊时期,我国高校要加快建设和发展 新工科 ㊂ 新工科 教育以立德树人为引领,以应对变化㊁塑造未来为理念,以继承与创新㊁交叉与融合㊁协调与共享为主要途径,致力于培养多元化㊁创新型㊁应用型卓越工程人才㊂李培根院士认为, 新工科 之 新 在工程教育角度具体可以体现为3个方面:①新素养㊂要培养能够适应,甚至引领未来工程需求的人才㊂②新结构㊂要从专业结构㊁课程及知识体系方面进行革新㊂③新方法㊂即教育㊁教学的新方法[2]㊂由此可见, 新工科 为工程类课程的教学改革提出了新的标准和方向㊂在 新工科 理念下,化工原理作为化工与制药类专业的重要基础课程及化工行业的理论基础,应将先进的生产技术和生产设备与教学结合,打造新型特色课程和品牌课程,以适应新形势下多元化㊁创新型㊁应用型专业人才的培养模式,形势严峻,任重道远㊂2.微反应器替代传统反应器是必然趋势微化工技术是集微机电系统设计思想和化学㊁化工基本原理于一体,结合集成电路和微反应器制造技术的一种高新技术㊂这一技术旨在研究微尺度条件下的化工过程特征和反应规律,实现化工过程的安全性㊁高效性㊁可控性㊂现阶段,这项技术已经成为全球化工过程本质安全领域的研究前沿㊂微反应器技术作为微化工技术的核心技术之一,是目前化工技术的研究重点和热点㊂微反应器是一种具有微结构的管道式反应器,内部通道直径一般为几微米到几百微米㊂微反应器具有较强的传热和传质能力,可以替代传统的实验室间歇反应器皿,如烧瓶㊁试管等,从而大幅度提高反应过程中的资源及能量的利用效率,减小过程系统的体积或提高单位体积的生产能力㊂此外,在微反应器内,化学反应以平推流的方式进行推进,反应物混合均匀㊁接触完全,不会在反应器内有过多的滞流量,即便是高活性的反应物也能够较快地消耗掉,这就确保了实验的安全性㊂因此,微反应器可将实验室的小试条件以 数增放大 的方式进行工业化放大,达到每年数万立方米的生产规模,实现化工过程的强化㊁微型化和绿色化㊂由此可见,利用微反应器技术,可以有效避免传统化工工艺中小试㊁中试及工业化放大中的放大效应,缩短工艺研发周期㊂此外,特殊化学反应,如强放热反应㊁高毒性反应均可通过微反应器顺利完成㊂因此,微反应器为化工过程的经济性和本质安全研究开辟了新的发展方向㊂鉴于微反应器技术的强大优势,世界各国的很多化工专业人才都致力于该领域的科技研发与工业转化㊂自20世纪80年代以来,以美国和欧洲为代表的石化㊁医药企业如V e l o c y s㊁C o r n i n g㊁S h e l l㊁B A S F㊁B a y e r㊁M e r c k等巨头公司就已积极投入微化工技术的研发与应用中,并已在精细化工㊁生物制药等领域取得了一系列工业进展㊂欧美公司非常重视新技术的研发与保护,针对微化工技术的研发成果申请了大量的核心专利保护,并非常重视全球市场的专利布局㊂国内对于微反应器技术的研究主要集中在中国科学院大连化学物理研究所㊁清华大学㊁南京工业大学等科研院所,以及以中国石油化工集团公司㊁山东豪迈化工技术有限公司和杭州沈氏节能科技股份有限公司132第2期张旭雪: 新工科 背景下的微反应器技术与化工原理教学改革为代表的公司,虽然专利数目较多,但均以本国申请为主,缺少国际竞争力[3]㊂因此,微反应器替代传统反应器是未来工业化生产的必然趋势㊂在 新工科 背景下,微反应器技术必将是未来的化工人才必须掌握的一门技术㊂中国微反应器技术的发展充满希望和挑战,未来的化工人才任重道远㊂将微反应器技术与化工原理教改进行有机结合,在学生学习化工基础理论知识的初期就进行微反应器技术的渗透,有助于创新型㊁应用型化工人才的培养及中国微化工行业的发展㊂三㊁微反应器技术与化工原理教改结合的优势现阶段,微反应器是国内外高校和企业实验室内新产品和新过程研发的重要平台㊂微反应器在微时空尺度下 三传一反 的特征和规律与化工原理中单元操作的理论基础是一致的㊂因此,将微反应器技术与化工原理课程教学结合的可行性比较高㊂本文分析认为将二者进行有机结合具有3个方面的优势㊂1.有助于提升教学效果化工原理主要研究化工生产过程中各种单元操作㊂各单元操作按照基本规律可归结为动量传递㊁热量传递㊁质量传递,与微反应器 三传一反 的特征和规律是一致的,因此㊂将二者结合进行教学,有助于学生对单元操作基础理论的理解㊂2.有助于学生对微反应器技术的了解化工单元操作包括过程原理和设备两部分㊂传统教学中,设备部分的学习只能依赖图片㊁动画及实验装置,学生不能与实际化工设备近距离接触㊂在教学中引入微反应器模型,引导学生思考其工作原理及模式,有助于学生尽早了解化工方面的前沿技术,对于他们后期的学习㊁工作及科研定位都起着十分重要的作用㊂3.有利于微反应器技术的长远发展现阶段的微反应器技术在应用过程中还有很多技术难点,例如堵塞问题㊁腐蚀问题㊁成本问题㊁集成问题㊁特殊反应受限问题等㊂这些问题的解决依赖于未来的化工人才,而微反应器技术与化工原理教学的结合恰恰有助于这种优秀工程人才的培养㊂综上所述,将微反应器技术与化工原理教改进行结合,既能在一定程度上解决化工原理教学现存的部分问题,又能推动人才的培养和微化工行业的发展㊂四㊁微反应器技术与化工原理教改的结合点由于微反应器着重研究微时空尺度下 三传一反 的特征和规律,而化工原理所有的单元操作几乎都可以归类为动量传递㊁热量传递和质量传递㊂因此,在教学中二者可以很好地结合㊂1.在流体流动的相关知识点中引入微反应器(1)连续性方程㊂连续性方程是化工原理中流体流动单元操作的重要方程,很多流体流动问题的解决都要以连续性方程为基础进行相关计算㊂在微反应器分离的三维结构中,内部通道直径一般为几微米至几百微米,单一液相流体在通道内的流动规律满足连续介质假定,因此,连续性方程仍然适用㊂(2)流体流型分析㊂在化工原理中,流体的流型分为两种,分别是层流和湍流,其判断依据为雷诺数R e的大小㊂一般情况下较粗的管路中心容易形成湍流,而在较细的管路中,层流内层的厚度较大,流体整体为层流状态的可能性较高㊂大部分微反应器采用连续操作的方式,对于均相体系,小通量的微通道内流体的R e较小,流型以层流为主,少量大通量的微反应器可以在较高的流速下达到湍流㊂(3)管路设计与流体混合㊂管路设计的原则严谨而复杂,不同的管路设计对流体混合方式产生直接的影响㊂在传统的混合设备中,一般为湍流式混合,由于尺度限制,该混合方式在微通道反应器内难以实现㊂根据化工原理中流体流动相关知识,可以依靠层流混合和局部二次流混合技术来实现湍流[4]㊂层流混合依靠分子扩散进行,因此,通道尺寸越小越有利于提高混合效率㊂微反应器主要是通过在微通道中设计分支结构,使流体发生一次或多次分层,导致物料微团间的距离成倍减小,从而缩短混合时间,实现快速高效混合㊂局部二次流混合主要依赖结构设计,在通道中形成局部的涡流或混沌对流,使物料分散㊁变形,从而增大接触面积,以实现强化混合,例如工业化前景较好的T型撞击流微混合器㊂2.在传热教学中引入微反应器很多化工事故的发生源于热失控,因此,热量控制是化工反应的重中之重㊂由于微反应器结构的特殊性,内部流体的比表面积高达104~106 m2/m3,流体与壁面之间能够高效地进行热交换㊂对于圆管内的层流流动,管壁温度维持恒定时,由232沈阳大学学报(社会科学版)第23卷公式N u=h d/k=3.66可知,传热系数h与管径d为反比关系,管径越小,越有利于传热[5]㊂另有研究表明,微反应器的相间体积传热系数为传统设备的10~50倍[6]㊂因此,利用微反应器开展化学反应可以有效控制传热㊂3.在传质教学中引入微反应器微反应器的相间体积传质系数可以达到传统设备的10~1000倍[6]㊂一方面,微反应器内部的通道直径一般为几微米到几百微米,内部液滴和气泡的分散尺度也限制在这一范围内,这就保证了纳米级的混合尺度;另一方面,通道的多样性有利于内循环,促进反应物料的快速混合,进而保证反应器内物料分布的均匀性和反应过程的一致性㊂对于圆管内层流流动,由公式S h=k c d/D A B =3.66可知,当组分A在管壁处的浓度维持恒定时,传质系数k c与管径d成反比,管径越小,越有利于传质㊂由于微通道内流动多属层流流动,主要依靠分子扩散实现流体间混合,由公式t= d2/D A B可知,混合时间t与通道直径的平方d2成正比,与之前的结论一致,管径越小,越有利于传质[5]㊂由此可见,通道直径d的减小能大大强化传质过程㊂4.在传统反应器的学习中引入微反应器与传统反应器相比,微反应器占据很大的优势,随着微反应器技术的快速发展,微反应器必将替代传统反应器,实现化工生产的一场大变革㊂因此,在化工生产装置,尤其是反应器的学习中,对比传统反应器介绍微反应器及其优势,有助于学生对这一新技术的掌握㊂微反应器的优势主要表现在4个方面[7]㊂(1)安全性高㊂反应体积小是微反应器最突出的特点,即使是大通量的微反应器,其内部通道直径最多可达到几毫米,高活性的反应物在微反应器内存留量少而且快速地被消耗,所以微反应器非常适合完成剧烈的化学反应过程㊂同时,微反应器中反应原料的量为微量级别,即使用到毒性较大的原料,也能将反应过程控制在安全范围之内,进一步降低了出现危险的可能性㊂(2)可控性好㊂主要表现在3个方面㊂①对反应温度的控制㊂微反应器较大的比表面积可以实现高效换热,避免了强放热反应中由于散热不及时导致的局部过热现象㊂②对反应时间的控制㊂微反应器对其微管中的物料采取连续平推流的操作方式,故物料的停留时间可以通过微管的长度来调控,从而避免了因反应时间过长而产生副产物㊂③对物料配比的控制㊂传统反应器中由于混合不均匀,容易导致某一反应物局部过量,而微反应器的反应通道在微米级,物料可以按配比快速地均匀混合,从而避免由于物料局部过量而产生副产物㊂(3)无放大效应㊂传统的工艺放大采用的是放大反应器尺寸的方法,容易导致反应器内物料的流动㊁混合尺度分布变宽,故工艺参数需要在小试的基础上进行多次调整㊂而用微反应器进行工艺放大时采用 数增放大 ,即增加微通道数量的方法,故小试条件可以直接用于工业化生产,不存在放大效应,从而缩短了产品从研发到上市的周期㊂(4)环保经济性较好㊂传统化工技术在生产上依赖于大型反应设备,存在放大效应,导致原料和能源消耗大㊁产物收率低㊂微反应器在小试反应条件下,以 数增放大 的方式进行放大生产,可有效提高产出率,并减少副产物和其他有害物质的排放,实现绿色可持续发展㊂五、结语新工科 为新时代工程人才的培养提出了新的标准和要求,同时也对工程类课程的教学提出了挑战㊂化工原理是化工与制药类专业学生的第一门工程类专业基础课,强调理论与实践的结合,为后续的化学工程相关课程如化学反应工程㊁化工设计㊁化学分离工程等奠定基础㊂但是,目前国内大部分高校对于化工原理及化工原理实验的教学安排存在一定的问题,其中教学内容不能与时俱进最为凸出㊂因此,如何在教学改革中有效地将化工前沿新技术引入化工原理教学,以适应 新工科 概念下高素质人才的培养,是时代赋予高校与教师的使命㊂微反应器是现代化工新型设备的研究热点,具有换热和传质效率高㊁控制性好㊁安全性能高㊁易于放大等特点,顺应了高技术含量和可持续发展的要求㊂微反应器 三传一反 的特征和规律与化工原理中单元操作的理论基础是一致的㊂因此,将微反应器技术引入化工原理教学具有很高的可行性,有助于学生对于化工前沿技术的了解,促进化工行业创新型㊁应用型专业人才的培养㊂此外,随着对微反应器技术研究的深入,其优异的性能也越来越被大家认知,但是作为一个新兴的技术和领域,人们对微尺度下多相流行为,微流体间传热㊁传质规律的认识还不够深入和完善,现有的微反应器还存在很多缺陷,新型的微反应设备有待开发,培养具有微反应理念的创新型㊁应用型化工人才是时代所需㊂(下转第239页)332第2期张旭雪: 新工科 背景下的微反应器技术与化工原理教学改革。
微型反应器在化学反应中的应用
微型反应器在化学反应中的应用化学反应一直是人类探索的方向之一，其应用涵盖了各个领域，包括化工、医药、材料等。
而近年来，随着科技的不断发展，微型反应器作为一种新型反应器，逐渐收到人们的关注。
今天我们就来谈谈微型反应器在化学反应中的应用。
一、微型反应器的基本概念微型反应器，顾名思义，它的尺寸很小，一般指磁化、电化或压力化微加工技术制造出的尺寸在微米至毫米级别的反应器。
微型反应器不同于传统的化学反应器，其反应室比较小，无需大量的反应物，同时由于反应物能更快地被扩散到反应物表面，因而反应速度更快。
二、 1. 化学合成：由于微型反应器的尺寸很小，可以控制反应过程中反应物的流速和温度等参数，从而可以控制反应的选择性和产率。
同时，微型反应器还可以实现高效的溶剂提取，从而可以提高合成过程的效率和可控性。
2. 催化反应：传统的催化反应需要大量的反应物参与，同时反应物需要长时间的接触才能完成反应。
而使用微型反应器可以实现更快速的催化反应，并且能实现更高的选择性和产率。
3. 放大：微型反应器可以用于化学反应放大。
由于反应物的流速较快，反应可以更快地完成，同时也可以对反应条件进行更好的控制，因此可以更准确地控制产物的多少和纯度。
4. 测量：微型反应器可以用于测量化学反应的动力学参数，如反应速率常数、催化剂浓度等。
这些参数可以提供基础的数据，用于反应机理和反应原理的研究。
5. 分析：微型反应器可以用于化学分析，如质谱分析等。
由于反应物在微型反应器中的相对分布较为均匀，因此可以提供更准确的分析结果。
三、微型反应器的优势与局限性1. 优势：a. 反应物质转移快：由于反应物在微型反应器中能够更快地扩散到反应表面，因此反应速率通常更快；b. 实现快速、高效的催化反应；c. 提高化学反应的可控性；d. 用于化学分析的样品需求可以更少。
2. 局限性：a. 尽管微型反应器可以实现反应可控性和效率的提高，但由于其反应室尺寸较小，其处理的反应物质量也相应较小；b. 目前微型反应器的制造技术相对较为复杂，因此成本较高；c. 尽管建立了相应的微型反应器模型，但其实验测量数据方面仍有一定的局限性。
微化工
随着社会的飞速发展，满足人类需求的各种化工产品日新月异，生活水平的提高以及人口的不断增加对化工产品的种类和数量提出了前所未有的挑战，这必然成为现代工业发展的巨大推动力。
然而，以资源开发利用为主的化工产业也给人类带来了严重的环境污染问题。
所以，面对既经济又生态的可持续发展模式的迫切要求，本世纪的化学工业要遵循安全、清洁、高效、节能的为发展趋势，将原料最大程度上转化成产品，同时实现工业污染物的最低排放。
为解决“扩大生产，降低能耗”的问题，在当今科技飞速发展的基础上，经过科研工作者在化学化工领域的不断探索，综合利用多种学科在技术上推陈出新，走在科技前沿领域的微化工技术便应运而生。
微化工技术是通过集成电路和微传感器将微机电系统的设计思想和化学化工的基本原理应用于一体的高新技术。
作为一种多种学科交叉的科研领域，微化工技术涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。
望文生义，该技术的突出特点体现在一个“微”字上，因为其主要研究对象为时空特征尺度在数微米到数百微米间的微化工系统。
要实现化工生产的安全、高效、清洁、节能等多重性，解决方法有两种：其一是从化学反应本身着手，重新设计合成路线或使用新型催化剂；另外就是从化学工程角度考虑，通过引入新设备或新技术来强化生产过程中动量、热量、质量的传递来实现。
微化工技术的本质就是通过强化传质与传热很大程度上改进化工生产过程。
需要强调的是：微化工反应器在特征尺寸上，虽然远小于传统反应器，但从分子尺度上讲，在尺度仍然很大，所以不会影响到反应机理和本证动力学特征，而只是通过改变物料的传质、传热以及流动特征来强化反应过程。
与传统反应器相比，微反应设备具有更多优势：1、反应温度可得到良好的控制。
由于微反应器具有极大的比表面积，从而反应器的换热效率大大增强。
对于放热效应非常强的反应，即时瞬间会放出大量的热，也可以及时将热量导出以维持反应温度不超过临界值，可以使反应在较温和的环境下进行，这样就避免了因温度过高而导致复反应产物增多、收率及选择性下降的弊端。
微化工技术的应用
微化工技术的应用微化工技术是一种将传统化工过程进行微型化、精细化和集成化的技术，它在各个领域都有广泛的应用。
本文将从化工生产、环境保护和新材料开发三个方面来探讨微化工技术的应用。
一、在化工生产领域，微化工技术可以实现化工过程的微型化和高效化。
传统的化工生产通常需要大量的设备和耗能，而微化工技术通过微型反应器、微流控技术等手段，可以将化工反应过程集成到微小的空间中，大大减少了设备体积和能源消耗。
同时，微化工技术还可以实现反应过程的快速混合和高效传质，提高了反应速率和产物纯度。
例如，在制药工业中，微化工技术可以实现药物的快速合成和分离纯化，提高了药物的生产效率和质量。
二、在环境保护方面，微化工技术可以实现废水处理、废气处理和固体废物处理的微型化和高效化。
传统的环境污染治理通常需要大量的化学药剂和庞大的设备，而微化工技术可以利用微型反应器和微流控技术，将废水中的有害物质进行高效分解和去除。
同时，微化工技术还可以将废气中的有害成分进行快速转化和去除，有效减少了对大气环境的污染。
此外，微化工技术还可以实现固体废物的微型化处理和资源化利用，减少了对土地和水资源的占用。
三、在新材料开发方面，微化工技术可以实现材料的微型化和功能化。
传统的材料制备通常需要大量的试验和高温高压条件，而微化工技术可以通过微型反应器和微流控技术，实现材料的快速合成和特定结构的控制。
例如，在纳米材料的制备中，微化工技术可以实现纳米颗粒的精确控制和均匀分散，提高了纳米材料的性能和应用效果。
此外，微化工技术还可以实现材料的功能化，例如通过微型反应器中的表面修饰和功能分子的引入，实现材料的特定功能，如抗菌、光催化等。
微化工技术在化工生产、环境保护和新材料开发等领域都有广泛的应用。
它通过实现化工过程的微型化和高效化，提高了生产效率和产品质量；通过微型化处理和资源化利用，减少了对环境的污染；通过微型化合成和功能化控制，实现了材料的特定性能和应用。
绿色化学化工技术
绿色化学化工技术一、引言随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，化学化工技术在人类生活中发挥着越来越重要的作用。
然而，传统的化学化工技术在生产过程中会产生大量的废气、废水和固废，对环境造成严重的污染。
为了解决这一问题，绿色化学化工技术应运而生。
本文将对绿色化学化工技术的核心概念、应用领域和发展前景进行深入探讨。
二、绿色化学化工技术的核心概念绿色化学化工技术是一种基于绿色化学原理的化工技术，旨在实现化学品和能源的生产、使用和废弃过程中对人类和环境无害化。
其核心概念包括以下几个方面：原子经济性：绿色化学追求在化学反应中充分利用原料中的每一个原子，以减少废物和副产品的产生。
环境友好性：绿色化学化工技术力求在整个生产过程中最小化对环境的负面影响，实现零排放。
可再生资源：绿色化学化工技术优先使用可再生资源，以替代有限的化石资源。
高选择性：绿色化学化工技术通过高效的催化剂和反应条件，提高化学反应的选择性和产率。
节能减排：绿色化学化工技术注重节能和减排，降低能耗和资源消耗，提高生产效率。
三、绿色化学化工技术的应用领域清洁生产技术：绿色化学化工技术在生产过程中采用无毒或低毒的原料、溶剂和催化剂，通过改进生产工艺、优化反应条件等方式，实现清洁生产和零排放。
生物化工：生物化工是利用生物催化剂（酶）替代传统的化学催化剂，实现高效、环保的化学品生产。
生物化工在制药、食品、环保等领域具有广泛的应用前景。
微反应器技术：微反应器是一种新型的反应技术，通过精细的流体力学控制和高效的传热传质，实现高选择性、高安全性的化学反应。
微反应器在药物合成、精细化学品合成等领域具有广泛的应用。
绿色溶剂：传统溶剂在生产和应用过程中会产生大量的废水和废气，对环境造成严重污染。
绿色溶剂如离子液体、水基溶剂等具有环境友好、可再生等优点，在许多领域替代传统溶剂。
可持续能源开发：绿色化学化工技术在可持续能源开发方面发挥着重要作用，如太阳能电池、燃料电池、生物质能等的开发和利用。
微化工技术在化学反应中的应用进展
微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。
微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。
下面就对微化工技术的应用进行举例说明1、硝化反应由于硝化是易爆和放热的反应，其传质传热过程就成为硝化反应的主要控制参数，因而很适合在微反应器中进行。
前期的研究主要集中在萘、甲苯q及苯和苯的衍生物的硝化反应。
Antes等_l用NO 为硝化剂，研究了萘在微反应器中的硝化反应。
在常规反应器中，硝化反应需要维持低温；而在微反应器中温度可高达5O℃，NO浓度可过量8倍。
Bums和aalTlshaw研究了不同黏度(2—20cm／s)和温度(60和90℃)下苯的硝化反应。
研究表明，随H：sO浓度增大，反应速率可明显提高，副产物二硝基苯的含量也明显降低。
在甲苯的硝化中，产物中二硝基甲苯的含量提高很大。
当HsO浓度为80％时，二硝基甲苯的转化率随酸／有机相体积比升高而增大。
在相同反应速率下，微反应器中副产物含量比现有工业设备中降低很多。
由于Ⅳ，Ⅳ．二烷基尿素的硝化产物被广泛用作增塑剂，Antes等¨研究了它在微通道反应器中的硝化，结果发现，单硝基尿素衍生物产率可高达100％。
Knapkiewicz等研究了2一异丙氧基苯甲醛在硅玻璃微反应器中的硝化反应，2一异丙氧基_5一硝基苯甲醛的产率从常规反应器中的38％提高到87％，产量达到13g／h。
Chen等在微反应器中一步法合成了地乐酚除草剂，与常规两步法操作相比，反应过程中省去了分离中间的操作，同时减少了溶剂的使用。
在数秒的停留时间下，N一(1．乙基丙基)-3，4一二甲基-2，6．二硝基苯胺的转化率可达100％，选择性可达97％。
2、酯化反应生物柴油为混合脂肪酸的甲酯，在常规反应器中由脂肪酸甘油酯和甲醇经酯交换生成。
浅析微化工技术在化学反应中的应用进展
４ ． １硝 化 反 应
２ ． １强 放 热 自由基 聚 合 反 应 为 了验Байду номын сангаас证 微 反 应 系 统 和 常 规 尺 度 反 应 器 是 否 对 自由 基 聚 合
反应 ． 科研 人员 １ ｗ ａ ｓ ａ ｋ ｉ 等 在 大 量 研 究 的基 础 上 ， 曾 经 设 计 了 一 个 关 于 自由基 聚 合 反 应 在 微 反 应 系 统 和 常 规 尺度 反 应 器 中 的 聚 合 度 分 布 的 实 验 。微 反 应 系 统 以 丙烯 酸 丁酯 的 聚合 反 应 为 例 ， 着 重 研 究 了微 反 应 系统 内强 放 热 自由基 聚 合 反 应 的 反 应 特 征 。在 实验过程 中 。 由于 微 反 应 器 良好 的 传 热 性 能 ， 导致 反 应 几 乎 能 够 保 持 在 恒 温 条 件 下进 行 。最 终 的 实 验 结果 表 明 ， 较 之 常规 尺 度 反 应器 ， 在 实 验 中采 用 微 反 应 器 ， 不 但 使 最 终 的聚 合 度 分 布 窄 ， 而 且 该 反 应 器 中 的 高 聚 合 度 物 质 大 量减 少 。避 免 了 反 应 器 堵 塞 问
一
１微 反 应 器
化 工 单 元操 作所 需要 的混 合器 、 换热器 、 吸收器 、 萃取器 、 反 应 器 和 控 制 系 统 等 一 起 构 成 了 微 化 工 系 统 。 在 整 个 微 化 工 技 术 中． 微 反 应 器 占据 着 核心 地 位 。学 术 上更 确切 地 应 称 之 为 微 尺度 或 微结 构反 应 器 ． 它 的 流动 具 有 微 流 动 特征 。微 化 工 器 件 的 内部 通 道 特 征 尺 度 一 般 处 于 微 尺 度 范 围（ １ ０ ～ ５ ０ ０ ｍ ） ， 在 尺 寸 上 远 不 如传统反应器。然而 ， 较 之分 子水 平 的 反应 ， 该 尺 度 则 显 得 非 常 大． 所 以我 们 便 得 到 这样 的结 论 ： 利 用 微 反 应 器 并 不 能 改 变 反 应 机 理 和 本 征 动 力 学 特 性 ．然 而 微 反 应 器 则 可 以通 过 改 变 流 体 的 传热 、 传 质 及 流 动 特 性 来 强化 化 工 过 程 的 。如 果 与 常规 尺 度 反 应 器 进 行 比较 ．特 征 尺 度 的微 微 细 化 便 足 以在 很 大 程 度 上 改 善 微 反应 系统 ． 如 大 比表 面 积 、 大 比相界 面积 、 体 积小 、 直 接 并 行 放 大、 过程连续 、 高度 集 成 、 混合 时 间短 、 能耗 低 、 工 艺绿 色 化 等 。
微反应器
微反应器引言微反应器设备根据其主要用途或功能可以细分为微混合器，微换热器和微反应器。
由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。
微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。
关键词：微反应器；微通道反应器；微反应技术1．微反应器的定义微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。
微反应器是一个比较广泛的概念，并有很多形式，既包括传统的微量反应器，也包括聚合反应器、反相胶束条纹反应器、微聚合反应器和固体模板微反应器等。
这些微反应器的对化学反应的共同特点是将其控制在极其微小的空间内，反应通道的平均尺寸一般为微米甚至纳米。
微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。
2．微反应器可能实现的过程用传统的釜式反应器，反应放出的热量不能及时的释放，反应温度不能精确控制。
因此反应速度常常被人为的加以限制，否则可能会发生爆炸。
利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。
如果关于微反应器的这个预言是正确的，那么这将是对化工工艺的一次彻底的改革。
这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。
许多学术报道都做了传统反应器与微反应器的比较，并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过程。
3．微反应器的分类微反应器研究在逐渐发展中，现在还难以给微反应器进行准确的分类。
对微反应器的分类可以借助传统反应器的分类标准。
微反应器的类型按照不同的分类方法有多种类型。
首先根据操作模式微反应器可分为半连续式微反应器、间歇微式微反应器和连续式微反应器；根据不同的能量输入源，可将其分为主动微混合器和被动微混器。
其次根据用途的不同又可将微反应器分为实验型微反应器和生产型微反应器两大类，其中前者的主要用于检测催化剂性能、筛选药物及工艺设计和优化等。
数字化 智能化 微反应器技术
数字化智能化微反应器技术
数字化、智能化和微反应器技术是当今化工领域的热门话题，它们在提高生产效率、降低能耗、优化产品质量等方面发挥着重要作用。
首先，数字化技术在化工生产中扮演着关键角色。
通过数字化技术，生产过程中的各种数据可以被实时采集、监控和分析，从而帮助企业实现精细化管理和智能化决策。
数字化技术还可以实现生产过程的远程监控和控制，提高生产效率和安全性。
其次，智能化技术的应用也为化工生产带来了革命性的变化。
智能化技术可以实现设备的自动化控制和优化，提高生产过程的稳定性和可靠性。
同时，人工智能和大数据分析的应用也为化工企业提供了更加精准的生产计划和质量控制手段。
最后，微反应器技术作为一种新型的化工生产技术，具有体积小、传质效果好、反应速度快等优点。
微反应器技术可以实现对反应条件的精确控制，提高反应的选择性和收率，同时还可以减少废弃物的产生，降低能耗和原料消耗。
综上所述，数字化、智能化和微反应器技术在化工生产中发挥着重要作用，它们的应用不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以降低能耗和环境污染，是化工行业转型升级的重要方向。
微化工工程化关键技术和装备及其工业应用
微化工工程化关键技术和装备及其工业应用引言随着化工工业的发展和技术的进步，微化工作为一种新兴的领域逐渐受到人们的关注。
微化工工程化是指将微尺度的化工反应器和流程集成到宏观的装置中，实现化学反应和过程的连续运行。
本文将介绍微化工工程化的关键技术和装备，并探讨其在工业应用中的潜力。
微化工工程化的关键技术和装备微反应器设计与模拟微反应器是微化工工程化的关键装备之一。
微反应器具有体积小、传质效率高、反应速度快等特点，能在短时间内完成复杂反应。
微反应器的设计涉及到多种参数，如流体动力学、传热传质和反应动力学等，需要借助计算机模拟和仿真来优化设计。
微流控技术微流控技术是微化工工程化的另一个核心技术。
微流控技术利用微通道和微流体控制技术，实现了微尺度下的液体、气体和固体的精确操控。
微流控系统可以实现流体的分离、混合、传输等操作，为微反应器提供了可行的流体控制方案。
智能化与自动化控制微化工工程化中智能化与自动化控制技术的应用是提高生产效率和产品质量的重要手段。
通过传感器和控制装置，实现微化工过程中各参数的实时监测和控制，可以提高生产的可靠性和稳定性，降低人为操作的误差，提高自动化程度。
微化工工程化装置微化工工程化装置是微化工技术的实际应用载体。
它包括微反应器、微流控系统、自动化控制系统等。
微化工工程化装置的设计需要综合考虑微反应器和微流控系统的协调性、工艺参数的控制要求等，保证装置的运行效果和稳定性。
微化工工程化在工业应用中的潜力新材料合成与纯化微化工工程化技术在新材料的合成和纯化中具有巨大的潜力。
由于微化工装置具有高传质效率和反应速度快的特点，可以实现对新材料合成过程的精确控制，提高产品的纯度和产量。
化工过程优化与环保微化工工程化技术能够对化工过程进行精确的控制和优化，减少废气、废液和废固产生，提高资源利用效率，降低环境污染。
微化工工程化在环保领域的应用前景广阔。
药物研发与制造微化工工程化技术在药物研发和制造中有着重要的地位。
什么是微化工技术
微化学工程与技术是20世纪90年代发展起来的化工学科前沿，它着重研究微时空尺度下的“三传一反”特征与规律，实现过程安全、高效、可控的现代化工技术。
与常规尺度系统相比，微反应器内部通道特征尺寸的缩小，使其具有热质传递速率快、内在安全性高、过程能耗低、集成度高、放大效应小、可控性强等优点，对提高目的产物的选择性和收率，以及资源、能源的综合利用率，实现化工过程节能减排和可持续性发展具有重要意义，可实现快速强放／吸热反应的等温操作、两相间快速混合、易燃易爆化合物合成、剧毒化合物的现场生产等，具有良好的应用前景。
近十年来，微化学工程与技术的应用基础研究发展迅速，已逐步成为过程强化领域的典型范例—微化工技术。
在微化工系统中，由于时空特征尺度微细化带来的过程特性变化，对传统“三传一反”理论提出了新挑战，而通过对微尺度结构与表／界面效应影响的研究，为深入认识其过程规律提供了新视角。
利用连续操作模式的微通道反应器进行化学反应过程研究，在过去的十几年中发展十分迅猛，尤其在能源、制药、精细化学品、高能炸药及化工中间体的合成反应过程中得到广泛关注。
与传统反应器相比微通道反应器具有哪些优势？哪些反应适合于在微通道反应器内进行？阐明这些问题，将有助于从理论和技术层面上更深入理解微化工技术的研宄方向，使工业界能够借助微化工技术来提高其技术水平和核心技术竞争力，为其自身发展提供新契机。
在传统化工工业中，制药、精细化学品和化工中间体的合成大多在间歇或半间歇釜式反应器内进行，具有操作灵活、易于适应不同操作条件，适于小批量、多品种、反应时间较长的产品，尤其是精细化学品与生物化工产品的生产以及有固体存在的反应过程等优点。
但其存有明显缺陷如装料、卸料等辅助操作耗时、过程不连续；同时由于传统釜式反应器的热质传递能力较弱，导致其产品质量稳定性差、对强放热反应的控制能力差。
微化工系统包含化工单元操作所需要的混合器、换热器、吸收器、萃取器、反应器和控制系统等。
微化工技术.doc
微化工技术是一个多学科交叉的现代化工学科前沿，目前的微化工设备主要包括微混合器、微换热器和微反应器等，由于设备特征尺度的微细化，与传统化工设备相比，微化工设备具有高传递速率、易于直接放大、设备安全性高、易于控制、适应面广等优点，可实现过程连续和高度集成、分散与柔性生产。由于微反应技术具有强的传热和传质能力，可大幅度提高反应过程中的资源和能量的利用效率，减小过程系统的体积或提高单位体积的生产能力，实现化工过程强化、微型化和绿色化。
有待产业界介入
上世纪90年代以来，中国科学院大连化学物理研究所相继开展了微型仪器以及芯片实验室的研究，并于2000年率先在国内开展微化工技术的研究，筹资500多万元组建了微加工技术平台。目前一些高校也积极开展相关研究，如华南理工大学。经过多年努力，我国微化工相关各学科都已取得可喜成绩。大连化物所研制成功了20W～5000W质子交换膜燃料电池用的微型氢源系统，集成了甲醇氧化重整、CO选择氧化、氢气催化燃烧、原料汽化、微换热等过程，目前正集中力量开展微反应器内的精细化学品合成过程，如芳烃硝化、直接氟化、氯化、硝化、重氮化、加氢、氧化等以及乙醇催化脱水制乙烯过程，纳米粒子合成等课题的研究。同时开展了微通道反应器的设计、制造与封装，微通道内催化剂工程设计以及微尺度系统内的流动、传递现象、反应规律以及系统放大与集成规律等应用基础的研究。
【日期】20060112
【时间】9：24
将在多领域应用
预计未来5～15年，微化工技术将会在高效传热传质设备、精细高值化学品、基于微反应技术的新过程、危险品就地生产和分散资源就地转化以及国家安全所涉及的化学化工系统等领域得到广泛应用。
21世纪的化学工业，面临着前所未有的机遇和挑战。微化工技术的成功开发与应用将会改变现有化工设备的性能、体积、能耗和物耗，并会极大地拓宽它的应用面，将是现有化工技术和设备制造的一项重大突破，也将会对整个化学化工领域产生重大影响。图为北京化工大学开发的利用废弃油脂生产生物柴油的装置。
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微反应器和微化工技术
最近在做使用微反应器进行有机合成的试验，觉得下面这篇短文很有参考价值，拿来与大家分享！
利用微反应器进行化学合成的可能性优势和成本分析
Johannes Gutenberg University Mainz
Chemistry and Pharmaceutics Institute of Organic ChemistryProf. Dr. Holger Loewe
多年来的实验结果表明，利用微反应器实现化学反应能显著提高产物的收率与选择性。
这种反应器最初时作为实验室分析设备，应用于生物诊断，药物合成和组合材料科学的研究。
在一个密闭的内部尺寸从几微米到几百微米的微结构反应器内进行化学或生化反应，这种反应器的内部尺寸并不需要尽可能的小，而是根据化学反应本身的需要来确定。
按照这种思路进行思考，是对化工工艺模式的一种转变。
自从一些特殊的反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限，就不再需要原来那些为了使化学过程适应固有设备的调整手段，如添加溶剂，沸点的受热限制，缓慢且不规则的搅拌混合。
“调整设备去适应化学反应过程而不是相反，调整化学反应条件去适应设备” 是微化工工艺的基本理念。
基于这个理念，微反应器内部的结构要根据化学过程本身来调节，因此它们可能没必要是“微”的。
一般来说，微反应器常用在连续流动体系。
其优点集中体现在以下几个方面：传质传热效率高，返混几率小以及能更好的控制反应温度和停留时间。
由于能够改变化学反应的激烈程度，因此在高温，高压和难实现过程体系的应用过程中，微结构反应器要强于传统常规的批反应斧。
如果一个化学过程能在单个微通道中实现，那么这个反应过程就能通过简单的微通道的数量放大，达到工业生产规模。
依据动力学和热力学需要，内部腔体的大小，如通道的尺寸范围能从几微米大到几毫米。
有时，一些自由的流动方式例如通过较窄直径范围的碰撞射流也可以应用于微反应过程。
基于这个理念，微反应器不只是由成百上千的微通道组成的反应器，而是一种能通过形成特殊流体形态来促进流体传质传热的设备。
因此，不管微反应器的大小像信用卡，鞋盒，还是更大，其内部的“微”才是最关键的。
微反应器可能实现的过程
用传统的釜式反应器，反应放出的热量不能及时的释放，反应温度不能精确控制。
因此反应速度常常被人为的加以限制，否则可能会发生爆炸。
利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。
如果关于微反应器的这个预言是正确的，那么这将是对化工工艺的一次彻底的改革。
这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。
许多学术报道都做了传统反应器与微反应器的比较，并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过程。
下面这些应用微化工工艺的例子的详细说明都在参考文献中能够找到。
苯基硼酸的合成 (Clariant / 法兰克福)
偶氮染料Yellow 12的制备 (Trustchem / 杭州)
合成过氧化氢 (UOP / 芝加哥)
硝基甘油的生产工艺（西安惠安集团 / 西安）
2-乙酰基四氢呋喃的合成 (SK Corporation / Daejeon)
抗生素喹诺酮中间体的合成(LG Chem / Daejeon)
不饱和化合物的胺加成，Michael加成(IMM / 美茵茨)
Kolbe-Schmitt反应(IMM / 美茵茨)
硝基甲苯加氢 ( UCL / 伦敦)
芳香族及烷基芳香族的溴化反应 (IMM / 美茵茨)
自由基的聚合反应 (Strasbourg大学/ 法国)
C2MIM, C4MIM, C6MIM类离子液体的连续合成 (IMM / 美茵茨)
多支链聚合体的合成 (美茵茨大学 / 美茵茨)
微化学工艺的优点
简单来说，微化工工艺的优点主要可以概括为有利于实现过程强化的“更好” “更快” “更便宜” “更安全” “更环保”。
更高的产率和更好的选择性是化学工程的主要目标。
这一目标的实现主要归功于微反应器优良的传质传热效率。
微反应器能使化学反应速率接近他们的动力学极限，因此能做到“更快” 。
快速有效的混合，精确控制停留时间与反应温度是得到更高的转化率和选择性，避免副反应发生的基础。
“更便宜”是吸引化工厂引进新反应器和新工艺的条件。
微反应器采用连续流动反应,在反应器中停留的化学品量很少,易于控制反应过程，大大提高了反应过程的安全性。
因此能做到“更安全”。
“更环保”,例如应用微化工工艺生产的环保溶剂，在降低能耗的同时提高产物选择性,保持环境清洁，减少化工生产过程对环境的影响。
微化工工艺的商业转化，首先是作为一种反应器解决方案来满足规模生产的需求，放大的微反应器和微化工工艺可以与其他设备和工艺流程联用，是最大获取利润和投资回报的需求。
根据Lonza对化学反应的动力学分类（A – C三类，反应时间100 ms到10 min），微反应器的常规应用准则如下：
对于反应速度非常快的反应（A类化学反应），只单独使用微结构反应元件即可：如微混合器（通常内部或相连接部分都设计有热交换器），不需要连接管。
对于快速化学反应（B类化学反应），可将微反应器和常规的流动式反应器组合使用：如微混合器加连接管的反应器；
对于反应速度较慢的化学反应（C类化学反应），使用常规的流动式反应器：如管式反应器，反应器的管径最好是阶梯式增加，以减少压降；
实现生产规模产量的放大原理（从100吨/年到几千吨每年，或者更多）
在研发过程中,对中试规模的放大可进行简单放大；
将几个装置单元数量叠加或等比例放大结构化的流体量；
通过多尺寸结构实现放大----若干小流量单元与更大尺寸的内部结构连通实现连续流动，在放大同时减少压降；
设备升级—将高通量的微装置与已有的工艺设备进行连接使用，如在很大通量（大于1000 l/h）的生产工艺中连接一个支路；
通过厚度和长度没有尺寸限制的盘式结构实现放大；
通过改变过程方法代替结构设计来实现与“微效应”功能相同的放大；
成本核算
为了考虑工厂经济效益，对微工艺技术的工业应用进行成本分析是很必要的。
IMM选了几个已经进行工业应用的例子,包括医用硝化甘油的合成，
Kolbe-Schmitt法合成β-二羟基苯甲酸，Michael加成胺制丙烯腈进行了核算。
核算包括可变成本例如原材料，劳动力成本，能耗，配套，运营费用外，还包括固定成本包括微反应器成本，相关服务与维修费用。
通过核算可以看出，即使对
于高新技术的成套装置，固定成本也不到总成本的5%，而原材料与员工薪水成本接近总成本的2/3 到 3/4。
按照这个比例，年利润率在20%左右。
而微反应器作为整套反应装置的一部分，只占成套装置总成本的10% 到15%。
AzurChem GmbH 公司(德国)是一家生产高附加值化学品的公司。
该公司应用微化工工艺技术生产4-苯腈硼酸的成本分析表明操作成本的最优化是使微化工工艺得到实际应用的重要动力。
因此微化工工艺主要体现在有两方面实际应用。
一是用较贵的原料生产高附加值的产品过程。
前述几个过程都是属于这类应用。
二是利用微化工工艺比传统工艺更好的过程强化特点来降低操作费用。
在这两种应用中设备的成本（包括微反应器和相关配套设备）在整个投资中都只占很小的分额。
由此可以看出，成本因素对这项新技术的影响微乎其微，当然这也有待于在今后进一步证明。
此外，这是第一次在公开演讲中对应用微化工工艺生产商业化学品过程进行成本分析。