試述微反應器在化學化工領域中的應用

李 鈦

身份證號：210102198512144715

試述微反應器在化學化工領域中的應用

李 鈦

身份證號：210102198512144715

微反應器是微型化學反應系統，具有換熱和傳質效率高、嚴格控制反應時間、易于擴大、安全性能好等特點。和傳統拌和反應器相比，這些特點使得微反應器在縮短反應時間、大幅度提高化學反應的轉化率和產品收率等方面展現出一定的優勢。但微反應器也存在易阻塞，催化劑負載、微通道的規劃與制造難度大等問題。本文介紹了這些年迅速發展的微反應器技術，回顧了微反應器的特點，重點探討微反應器在化學化工范疇的使用以及微反應器在精細化工和制藥工業、生物化工范疇的使用實例，討論了微反應器現在存在的很多挑戰。

微反應器；微通道；微尺度；層流；安全

1 微反應器的概述

微反應器也被稱作是微通道反應器，是微反應器、微混合器、微換熱器、微控制器、微萃取器、微化學分析等一系列的微型化工設備的總稱。依照不同的分類辦法，微反應器有多種類型。按照操作模式進行分類，能夠分為連續微反應器、半連續微反應器和間歇微反應器；依照反應相態能夠分為氣固相催化微反應器、氣液相微反應器、液液相微反應器和氣液固相微反應器；依照用處能夠分為生產用微反應器和實驗用微反應器；依照分析應用能夠分為化學和生物中使用的微反應器以及化學工程和化學中使用的微反應器。微反應器有多種幾何構造，最簡略的是管式構造，還有板式構造、微通道構造以及集成試劑注射、混合、換熱、溶劑交換、相別離等多種功能為一體的復合式構造。對于化學反應的特點，比如溫度、壓力、腐蝕性、比熱容和電特性等，要挑選適宜的微反應器制作材料。制造材料有玻璃、硅、陶瓷、金屬和聚合物等。其間使用最廣泛的材料是玻璃，這是由于玻璃材料是化學惰性的，允許在很多溶劑中使用電滲流(EOF)，允許可見光檢查設備而且易于制造。現在微反應器的制造技術主要有LIGA(光刻、電鑄和塑模結合的技術)、機械加工、微模塑技術等。

2 微反應器技術的特點

2.1 精確控制反應時間

微反應器對反應時間的控制主要是通過改變微反應器通道的長度以及流率實現的，反應產生的中間體，將在分解前轉到下一個反應區。由此可見，該技術對反應中有不穩定中間體的反應而言非常適用。但遇到的是多相系統，如果通過控制流速來實現改變停留時間，后果是改變了流體流型，對整體反應非常不利，如果此時應用微反應器，通過反應器長度控制停留時間，效果會明顯，但與此同時應該注意的是保持恒定流速。

2.2 高度集成化

利用目前國內相對成熟的微加工技術，基本能實現將微反應、微分離等多單元操作與一些相關的器件集成到一個反應芯片上，以此實現對微反應進行實時監制的目的，且這樣的成果不僅能提高反應速度，還能有效節省生產成本。比如，可以把材料的混合與反應停留時間，以及反應換熱放在同一區域，通過這種形式產生額外反應性能。另外，此系統還有很好的重復性，這對一些平行實驗是非常有利的。

2.3 換熱效率和混合效率高

微反應器的換熱效率高主要是通過其通道實現的，因通道尺寸僅為十到幾百微米，通道的雷諾數較低，因為層流擴散有時也會對反應混合物造成影響，具體表現是會出現局部二次流混合。微反應器的微尺度使得反應的擴散時間變得很短，且還混合得很快。在這種優勢條件下，反應器內的傳質和傳熱能力增強，進一步擴大了擴散通量，這正是提高化學反應速度的有利條件。總傳熱系數與通道尺寸成反比例關系，微反應器內傳熱系數能達到一萬瓦每平米每開，尺寸縮小使其比表面積能達到一萬到五萬，傳統攪拌設備最多只能達到一千。

3 微反應器在化學化工領域的應用

3.1 縮短反應時間

微反應器能夠非常高效率地完成反應，并且大大縮短其反應的時間，其最主要的原因就是憑借傳質以及傳熱系數的值比較大。而這種高效率的反應其實在MASON等就有過明確的相關報道，介紹的是關于醇醛縮合的反應實驗。這種反應是由兩種化學物質在四丁基氟化銨(TBAB)的相互配合下完成了反應，并且達到完全百分百的化學轉化，而這兩種化學物質分別是對溴苯甲醛和甲硅烷基烯醇。當然，最終的結果就是在微反應器中反應的時間得到了大大的壓縮，只用二十分鐘就完成了反應，這2微反應器在化學化工領域的應用

3.2 縮短反應時間

微反應器能夠非常高效率地完成反應，并且大大縮短其反應的時間，其最主要的原因就是憑借傳質以及傳熱系數的值比較大。而這種高效率的反應其實在MASON等就有過明確的相關報道，介紹的是關于醇醛縮合的反應實驗。這種反應是由兩種化學物質在四丁基氟化銨(TBAB)的相互配合下完成了反應，并且達到完全百分百的化學轉化，而這兩種化學物質分別是對溴苯甲醛和甲硅烷基烯醇。當然，最終的結果就是在微反應器中反應的時間得到了大大的壓縮，只用二十分鐘就完成了反應，這2.3高溫高壓的反應相關研究人員還研究了Claisen重排反應。傳統反應器的反應溫度一般是控制在250℃，壓強是控制在1.3MPa，反應時間控制在一到兩小時。應用微反應器時，通常用甲苯做溶劑，經過優化條件，在240℃、10MPa的條件下進行反應時，結果發現所得產物不僅純度高，而且回收率也很高，而且副產物僅僅只有5%。由此也能得出這樣的結論，溫度變化對Claisen重排反應的影響很大。一般在小于230℃時，轉化不完全，所以就會影響整體收率；但如果將其換成高溫反應，又會導致在反應中生成更多的副產物。所以說，盡量不要用改善溫度的方式來實現對反應時間的有效控制。

結束語

相比于傳統的反應器工藝，微反應器技術具有諸多優勢：極高的傳質和傳熱效率、反應時間短、無放大效應、安全性高、集成化程度高、生產過程綠色化等。微反應器技術能夠顯著強化反應過程，成為化工領域的一次革新，為化學化工領域提供了一個非常高效和便捷的平臺。顯然，微反應技術是21世紀化學化工技術發展的重要分支之一。

[1]王曉峰.微反應器在化學化工領域的應用[J].石化技術.2016(06)

[2]錢伯章.微反應器開啟高效精細化工時代[J].化工裝備技術.2014(04)

[3]龐啟雄.淺談微反應器的特點及應用[J].科技資訊.2014(24)