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。
右图是华东理工大学化工机械研究所 制作的一台用于甲醇水蒸汽重整制氢 微反应器。尺寸为40×40×8mm。 板片共有三种,其中盖板两片,隔离板6 片, 槽道板5片,均为铁-铬-铝不锈钢 片,每片厚度6.5 mm。三种板上的定位 圆孔以及隔离板上的改善液体分布的 三角形孔都是用放电加工方法加工的, 而槽道板上的微槽道则采用了湿法刻 蚀。 板片采用扩散焊实现连接密封。
13
8.3 微反应器 8.3.3 微反应器的特点及应用
二、适用领域 （4）危险化学反应以及高温高压反应
某些易失控的化学反应，一旦失控，就会造应温度急剧升高，压力急剧 增加，引起冲料，甚至引发爆炸。微反应器由于反应热可以很快导出， 因此从安全性的角度考虑，微反应器非常适合此类反应。
不适合采用微反应器的情况：
6
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
微反应器常用的封装技术有如下四种: 热键合技术：把两片抛光的硅或玻璃面对面地接触,高温下使相邻原子间 产生共价键,从而形成良好的结合。 高能束焊接（激光焊接和电子束焊接）：常用于微反应器中金属薄片之间的 密封连接。 扩散焊接：在高温和压力的作用下,将被连接表面相互靠近和挤压, 使局 部发生塑性变形,经一定时间后结合层原子间相互扩散而形成一个整体。 扩散焊可以连接物理、化学性能差别很大的异种材料,如金属与陶瓷。 粘接：常用于异种材料的连接, 简便廉价,但不适于温度太高的场合。
12
8.3 微反应器
8.3.3 微反应器的特点及应用
二、适用领域
（1）放热剧烈的反应
对放热剧烈的反应，如环己烯加氢反应，常规反应器一般采用逐渐滴加的 方式，即使这样，在滴加的瞬时局部也会过热而产生一定量的副产物。 微反应器由于能够及时导出热量，反应温度可实现精确控制，因此消除 了局部过热，显著提高反应的收率和选择性。
（2）反应物或产物不稳定的反应
某些反应物或生成的产物很不稳定，在反应器中停留时间一长就会分解而 降低收率。微反应器系统是连续流动体系，而且反应物的停留时间可以 精确控制，因此可避免常规反应器中出现的由于反应物或产物不稳定而 分解的情况。
（3）反应物配比要求很严的快速反应
某些反应对反应物配比要求很严格，否则就会引起副反应。微反应器系统 可以瞬时达到均匀混合，这就避免了局部过量的问题，使副产物减少到 最低。
1996年前后, Lerous和Ehrfeld等各自撰文系统阐述了微反应器在化学工 程领域的应用原理及其独特优势； 自1997年开始，每年举办一届以“微反应技术”（Microreaction Technology）为主题的国际会议； 2003年4月召开的第一届“微通道和微小型通道”国际会议 （International Conference on Microchannels and Minichannels）， 限定通道的特征尺度在10μ m~3mm范围内。
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。
7
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 右图是德国Mikrotechnik Mainz研 究所研制的微换热器的, 板片之间 采用扩散焊实现连接密封,最后再 用螺栓与两端封头连接。
8
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
17
谢 谢 ！
18
8.3 微反应器 8.3.1 概述
“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。
微反应器：主要是指用微加工技术制造的用于进行化学反应的三维结构元 件或包括换热、混合、分离、分析和控制等各种功能的高度集成的微反应 系统,通常含有当量直径数量级介于微米和毫米之间的流体流动通道, 化 学反应发生在这些通道中,因此微反应器又称作微通道(microchannel)反 应器。
很慢的液-固反应； 反应无放热或吸热现象； 采用传统工艺和反应器收率已经很高的反应。
14
8.3 微反应器
8.3.3 微反应器的特点及应用
三、应用情况
目前开展微反应器研究工作的主要研究单位有： 美国杜邦（Dupont）公司 美国麻省理工学院（MIT） 德国美茵兹微技术研究所(IMM,Institute of Microtechnique Mainz） 德国巴斯夫（BASF）公司 德国默克（Merck）公司 德国拜耳（ Bayer ）公司 德国西门子(Siemens)公司 法国康宁(Corning)公司 英国赛瑞思（Syrris）公司 英国壳牌（Shell）公司 等 中国科学院大连化学物理研究所 清华大学 华东理工大学
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
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 克莱恩公司生产纳米颜料的微反应装置生产能力为1万t/a。 德固赛集团开发了基于微反应器技术的用于环氧丙烷生产的大型微反应器。这个 反应器的外观和体积与传统反应器相近，但其内部反应通道却与我们所说的 微反应器相同。 西门子公司制备聚丙烯酸酯微反应器生产能力达2000t/a。 UOP公司建立的用微反应器技术生产过氧化氢是中试装置，并计划建造一个15万 t/a的生产装置。
4
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
微细放电加工高精度喷嘴
干法刻蚀制作的微混合器部件
激光束加工用于萃取的薄膜微孔
5
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 右图是用LIGA方法加工的微反应器 通道 共有50个反应单元,每个反应单元 的尺寸为3 cm×1.5 cm,通道宽 50μ m,深150μ m，用于某催化反应 器
1
8.3 微反应器 8.3.2 微反应器的结构及制造工艺
一、微反应器的结构
微反应器在结构上常采用一种层 次结构方式 (hierarchic manner), 先以亚单元(subunit) 形成单元(unit),再以单元来形成 更大的单元,依此类推。 这种特点与传统化工设备有所不 同,它便于微反应器以“数增放 大”(numbering-up)的方式(而不 是传统的尺度放大方式)来对生产 规模进行方便的扩大和灵活的调 节。
15
8.3 微反应器 8.3.3 微反应器的特点及应用
三、应用情况
应用场合
微反应技术的应用
公司
工业应用
美国CPC公司
精细化学品 合成
荷兰DSM公司
西安惠安公司
瑞士克莱恩(Clariant)公司
纳米颗粒制 备
拜耳先灵(Scheering)医药公司
德国拜耳(Bayer)技术服务公司
德国德固赛(Degussa)集团
9
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。