摘要：微反應(yīng)器在傳質(zhì)、傳熱、恒溫等性能方面的表現(xiàn)都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)反應(yīng)器，小尺寸、較大的面積體積比、規(guī)整的微通道使它便于運(yùn)輸又安全快捷。本文就微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造、原理和放大等一系列問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和概括，并對它的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

微反應(yīng)器是一個復(fù)雜的微系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)涵蓋了微動力學(xué)、微摩擦學(xué)、微流體力學(xué)、微傳熱學(xué)、微電子學(xué)、化學(xué)等多門學(xué)科，所以微反應(yīng)器的各部件和微通道都要進(jìn)行精密的設(shè)計(jì)和研究。微通道的當(dāng)量直徑數(shù)量級為微米，其間流體流動的雷諾準(zhǔn)數(shù)通常在幾十到幾百之間，黏滯力比慣性力大，流體為層流流動。流量∮的定義式：

  ∮=A²△p/CRnL

式中A為微通道截面積，△p為微通道上的壓降，CR為微通道的幾何系數(shù)，n和L分別為流體的粘度和微通道的長度。由公式可看出，微通道截面、長度和流體粘度一定的情況下，幾何系數(shù)CR的值越小流體流量越大，CR的定義式：

CR=U²P₀／8A

式中U為微管道濕潤周長，P₀為泊肅數(shù)。圓形的幾何系數(shù)最小，但是存在刻蝕困難的問題，所以微通道通常是矩形或梯形的。

微反應(yīng)器狹窄的通道，最大的表面和體積比，既加強(qiáng)了傳熱能力，同時也縮短了質(zhì)量傳遞的距離和時間。由公式3可見，傳熱系數(shù)h和管徑d成反比，當(dāng)通道尺寸在100 um～1.0mm范圍內(nèi)時，層流傳熱系數(shù)高達(dá)2000～20000W／(m²·K)。如此高的傳熱系數(shù)，即使對于反應(yīng)速度非常快，熱效應(yīng)非常大的化學(xué)反應(yīng)也能在近乎恒溫的條件下進(jìn)行。

Nu=hd/k

在公式4中Kc是傳質(zhì)系數(shù)，S是比表面積，D是擴(kuò)散系數(shù)。傳質(zhì)系數(shù)與管徑成反比，微小的通道不僅提高了傳熱面積，也加強(qiáng)了傳質(zhì)能力，縮短了擴(kuò)散時間。在毫秒時間間隔內(nèi)反應(yīng)物就可徑向完全混合。

 Sh=kcd/D

2微反應(yīng)器的制造

微反應(yīng)器的外形尺寸通常只有幾厘米，內(nèi)部的通道特征尺寸在微米級，圖1是用于水煤氣變換的型反應(yīng)器，內(nèi)部裝有25片帶有微通道的金屬薄片。微通道的形狀是多種多樣的，有矩形的、梯形的、雙梯形的以及不規(guī)則尺寸的。到目前為止，制造微通道可應(yīng)用的微加工技術(shù)包括：精密機(jī)械加工、濕法刻蝕、干法刻蝕、電化學(xué)刻蝕、表面硅工藝技術(shù)、LIGA(光刻、電鑄成模和塑注成型)技術(shù)、電火花加工、表面活化鍵合技術(shù)、激光加工等。制備微通道的材料一般有不銹鋼，F(xiàn)eCrAJ，陶瓷和硅晶片。

圖2是使用深度離子刻蝕法在硅晶片上制備微通道的過程示意圖。硅晶片被選做載體是因?yàn)樗状_定處理技術(shù)，優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性和易負(fù)載催化劑。微反應(yīng)器的尺寸是6cm×6cm，有帶進(jìn)口和出口的耐熱玻璃蓋，刻蝕深度是200um。

3微反應(yīng)器的分類

微反應(yīng)器有多種分類方式，按操作模式可分為間歇式微反應(yīng)器和連續(xù)微反應(yīng)器，按用途可分為試驗(yàn)用微反應(yīng)器和生產(chǎn)用微反應(yīng)器，按反應(yīng)物的相態(tài)可分為液液微反應(yīng)器、氣液微反應(yīng)器和氣液固三相微反應(yīng)器等。相當(dāng)數(shù)量的微反應(yīng)系統(tǒng)中反應(yīng)物是互不相溶的，在這樣的系統(tǒng)中就必須使用流體動力學(xué)、臨界混合以及促進(jìn)相間接觸的方法使一種物相同另一種物相充分混合、擴(kuò)散到發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)特性不僅受反應(yīng)物濃度控制，也受反應(yīng)器傳熱和傳質(zhì)能力影響。

3.1水一有機(jī)溶液微反應(yīng)系統(tǒng)

在水一有機(jī)溶液微反應(yīng)系統(tǒng)中兩種液體的混合是至關(guān)重要的因素，在層流流動的微通道中為了增大液體的接觸面積減少擴(kuò)散距離，通常采用以下兩種構(gòu)造形式，一種是由泵輸送的兩種液體分別進(jìn)入各自的輸送通道，然后在平行的縱向接觸面上混合、擴(kuò)散到發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如圖4.a。由于大表面接觸和短的分子擴(kuò)散距離，使主反應(yīng)產(chǎn)物及時被運(yùn)走，阻止了副反應(yīng)發(fā)生。提高了反應(yīng)的收率和選擇性。另一種是將一種液體用多次脈沖的方法注射到另一種液體流中，擴(kuò)散和反應(yīng)發(fā)生在多個橫向接觸面上，如圖4-b所示。為了混合不相融的液體系統(tǒng)，需要添加離子對(銨鹽)、形成膠束或使用恰當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┬纬捎驮谒械娜闋钜海蟊砻婊钚詣┎荒苡绊懟瘜W(xué)反應(yīng)，任何一種方法都會促進(jìn)兩種液體間的擴(kuò)散和傳質(zhì)。

3.2氣液微反應(yīng)系統(tǒng)

氣液微反應(yīng)系統(tǒng)需要有效的方法將氣體擴(kuò)散到液體中，增大接觸面同時在整個微通道中保持?jǐn)U散范圍心。一種接觸方式是液體脈沖注人連續(xù)的氣體流中，如圖5a所示。另一種接觸方式是氣體和液體被高速注入‘T’形混合器中，氣體和液體頭對頭接觸并一起進(jìn)入側(cè)面的垂直通道中，如圖5b所示。氣液兩相的接觸面積是決定反應(yīng)速率轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素，上述兩種接觸方式都有效促進(jìn)了氣液的接觸面積，內(nèi)表面積約20000m²/m³，顯然優(yōu)于傳統(tǒng)的氣液反應(yīng)器。

4微反應(yīng)器的應(yīng)用

微反應(yīng)器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)給它帶來了一系列優(yōu)質(zhì)的性能，故它被應(yīng)用到許多領(lǐng)域中。例如對于小規(guī)模的光化學(xué)過程，采用透明的微反應(yīng)器可有利于薄流體層靠近輻射源。德國美因茲微技術(shù)研究所開發(fā)了一種平行盤片結(jié)構(gòu)的電化學(xué)微反應(yīng)器。使用這個裝置，提高了由4一甲氧基甲苯合成對甲氧基苯甲醛反應(yīng)的選擇性。

由于微反應(yīng)器高的傳熱效率，使反應(yīng)床層幾近恒溫，有利于各種化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。Wan等在微反應(yīng)器中將苯胺氧化成氧化偶氮苯，DelSman等在微系統(tǒng)中研究了一氧化碳的選擇氧化，同時微反應(yīng)器也被應(yīng)用到加氫反應(yīng)、氨的氧化、甲醇氧化制甲醛、水煤氣變換以及光催化等一系列反應(yīng)。另外，微反應(yīng)器還可用于某些有毒害物質(zhì)的現(xiàn)場生產(chǎn)，進(jìn)行強(qiáng)放熱反應(yīng)的本征動力學(xué)研究以及組合化學(xué)如催化劑、材料、藥物等的高通量篩選。

5前景與展望

迄今為止國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對微反應(yīng)器已進(jìn)行了廣泛的研究，對它的原理和特性有了較好的認(rèn)識，且在微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造、集成和放大等方面都取得了可喜的成績。但是對它的研究還不夠成熟，傳統(tǒng)的“三傳一反”理論必須進(jìn)行修正、補(bǔ)充和創(chuàng)新，反應(yīng)的一些原理還沒有探討清楚，還需要大量的工作。另外在它的制造、催化劑的壁載和系統(tǒng)的自動控制方面還存在許多技術(shù)難點(diǎn)，有必要進(jìn)行微反應(yīng)系統(tǒng)中表面和界面現(xiàn)象、傳遞規(guī)律、反應(yīng)特性和放大集成的深人研究。21世紀(jì)由于環(huán)境惡化以及能源枯竭等一系列問題，使化學(xué)工業(yè)面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，由于微反應(yīng)器表現(xiàn)出的諸多優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)界致力于探索新的反應(yīng)途徑使化工生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保。所以我們有必要相信微反應(yīng)器將在化學(xué)工業(yè)中發(fā)揮出巨大的作用。

摘自《世界科技研究與發(fā)展》