微反應器在化學化工領域中的應用

李尚銳

摘 要 微反應器是微型化學反應的發生裝置，可以具有隔熱和進行快速傳輸的作用，能夠嚴格控制化學反應的方式和反應的時間，可以快速的對化學反應進行放大，因此具備很強的安全性特征，微反應器具有安全性能高的特點，與傳統的化學反應裝置相比，可以大大縮短化學反應的處理時間，提高化學反應的效率，提升產品的生產效率。但是微反應器也容易出現堵塞的問題，在催化劑的裝載和化學反應通道的設計方面具備較高難度。

關鍵詞 微反應器 反應通道 化學化工

微反應器又被稱作為微通道反應器，是集合了微反應器、換熱器、微萃取器等化學分析容器的微型化學設備，微反應器產生于微流控致技術，由于微尺度的衡量標準不同，微反應器與傳統的化學反應器具相比具有較大優勢，提高了化學反應的技術含量，提升了化學反應的持續時間，受到了相關研究領域的關注。

1微反應器的技術優點

1.1可以精確的控制反應的時間

微反應器可以對反應的時間進行精確的控制，通過改變反應器的反應通道控制化學反應的流速，控制化學反應可能產生的中間物質，在化學反應產生之前將物質轉換到另一個反應區間，因此該技術的產生不會對化學反應的穩定性產生影響，如果遇到多相體系，也能通過控制流速而改變物質產生反應的時間，通過改變流體的類型，可以對整體反映效果達到控制的目的。如果應用微反應器，通過控制反應停留的時間，會取得更加明顯的效果，控制恒定的流速是保證化學反應的關鍵。

1.2集成化程度較高

我國目前的微加工技術已經比較進步，可以實現微反應以及微分離等操作步驟，一些微反應單元的操作可以集成到固定的反應芯片之中，從而實現對微反應進行實時監控的目標，這樣的反應效果可以提升反應的效率，節省產品生產的成本，如果材料混合之后反應還有停留時間，則需要及時更換反應的速度，將反應安排在同一個區域。通過多種形式的反應控制模式，可以實現化學反應的重復性，對平行試驗方式的實現較為有利。

1.3混合效率和熱轉換效率均有所提升

微反應容器的熱轉換效率可以通過化學反應通道得以實現，因為反應通道的尺寸只有幾百微米，通道因此雷諾數比較低，因為層流擴散有可能會對反應產生的混合物的種類產生影響，具體而言會產生二次混流的效果，微反應器的尺度可能因為反應擴散的問題而變得時間更短，混合的效率還有可能加快。在一定的優勢條件下，反應器的內部化學物質會因為反應條件的影響而有所加強，為了擴大反應的通道數量，提升反應的條件和質量，熱傳播系數需要和通道的尺寸成正相關關系，微反應的效率如果可以達到每平米一萬瓦以上，則可以起到縮小表面積的效果傳統的攪拌設備只能達到一千瓦左右。

2微反應裝置在化學領域的運用

2.1減少反應的時間

微反應器可以促進化學反應高效率的完成，大量減少反應的處理時間，最主要的原因是因為根據專項熱系數的比值計算，可以高效的實現化學反應，在醇醛等物質化合反應的實驗過程中，產生四丁基氟化銨的實驗中，兩種物質互相化合的速率明顯加快，而且發生化學轉化的比例明顯提升，通過甲硅烷基烯醇和溴苯甲烷的融合，可以使得目標物質的生成達到百分之百的轉化，大大降低反應的時間，只用簡單的二十分鐘就可以完成所有的轉化要求，這樣的反應效率是傳統的化學容器所達不到的，根據相關資料可得出如下結論，傳統的容器進行上述化學反應至少需要二十個小時左右。

2.2提高轉化的效率

化學反應在微反應容器當中進行的時候，首先進行的是酰化反應，比較傳統的容積是乙酸酐和醋酸鉀，也有使用醋酸鈉的情況，這些鹽溶劑的溶解性比較差，有可能造成反應容器的堵塞等問題，在此種情況下，可以采用三乙胺替代的反應方式，這樣可以提升反應的效率，但是微反應容器當中，事先就可以將各種溶劑進行混合，隨著溶劑反應速率的加快，溫度設置會達到一百三十度左右，溶劑的反應速率會達到一百以上。釜式反應器的速率有可能達到百分之八十左右，二羥基化合物的氟化反應速率則一般能達到百分之十五，如果嘗試了微反應容器則直接達到了百分之九十以上。

2.3進行高溫高壓的反應

在控制壓強和反應溫度的時候，一般可以讓反應溫度達到250℃之上，壓強則可以控制到1.3Mpa，反應的時間則可以控制在一到兩個小時左右。如果反應的時候采用甲苯作為反應間質，則經過反應條件優化之后，可以加將溫度控制在240℃左右，在壓強10倍大氣壓的條件下反應，效率不僅會提升，之后得出的最終產物也會更純，廢棄物的回收效率也會提升，副產品的比例甚至會低于5%左右，根據上述結論的得出，溫度變化會對重排反應產生重大影響，在小于230℃的條件下，轉化的安全性不高，也不會導致反應中副產品的產生，因此盡量不采用控制反應時間的方式改變反應效率。

3微反應技術可以應用的化工領域

3.1制藥行業和精細化工領域

在制藥行業當中，很多化學反應都可以通過微反應處理技術來實現，通過連續工藝流程可以使得微反應技術在制藥工業和精細化工當中進行普遍應用，驅動工藝發展的動力主要是產品使用效率和產品使用質量的更高要求。只有安全生產和公眾對產品質量的要求提升，安全操作才有辦法可尋。在精細化工領域，很多反應對溫度的要求異常苛刻，或者需要在幾百度的高溫條件下進行，或者需要在幾十度的低溫條件下進行，因此對加工物質的材料就有高度的溫度控制問題，微反應器的尺度可以很好地把握反應的特性，可以對溫度和反應時間進行精確控制，保證反應能夠順著化學流程正常進行下去。在制藥行業領域，新藥的研發也需要耗費大量的流程，篩選出合適的化合物是制藥技術的關鍵環節，微反應技術可以實現基因分析設備的集成應用，通過內部反應處理技術的關鍵設備，微反應技術可以實現基因分步，內部環境和具有生物敏感性的技術可以為集成藥物的創造提供良好條件。通過藥物篩選技術，可以使得化工領域當中實現微反應容器的高效利用，提高藥物產生和提取的效率，降低試劑消耗以及降低反應裝置的成本。利用微反應容器可以產生大量的氟化物質，并且完成的生產流程效率較高。

3.2生物化學領域的運用

多種重要的化合物除了可以利用基因工程進行生產的同時，在基因工程之外還可以利用化學合成的方法實現生產，但是生理系統比較復雜，很多因素都會限制醫療有效物質的提取效率，因此控制反應的時間和反應的步驟就顯得格外重要，大規模的工業應用具有一定不適應性，微反應容器作為合理應用的操作程序的一種，也會有一些替代途徑方面的缺陷，造成化工領域應用的不適應性。目前化工領域催化技術的應用已經可以進行微反應，生物催化技術與之結合之后將誕生更加綠色的新技術。一些常見的需要利用反應酶的化學反應已經可以利用微反應容器實現多相所需要的性能。目前，科技前沿當中的酶聯免疫實驗已經取得成功。催化酶參與微反應容器已經可以在多領域進行具體應用，由于酶的種類和用量都是有限度的，也可以采用蛋白質水解的方法生成。將酶作為一種載體固定在微通道的內壁之上，形成微小的酶反應容器。

4微反應容器的應用有可能出現的挑戰

微反應容器自產生之后雖然發展迅速，但是很快就產生了問題與挑戰。例如微通道容易產生堵塞，一些化學物品參與反應之后，會影響到通道內流體的速率，長期之后會產生沉積問題，影響之后液體通過的效率，最終還有可能導致化學反應失敗。同時由于涉及到了負載效應，微通道由于尺寸過小，對催化的裝載能力有限，因此對催化劑的效用要求較高，催化劑的負載主要是在內壁之上，如果被涂抹到表面，則容易出現附著性問題，會對產品開發的過程產生阻礙。

5結語

微反應技術能夠在改變化工領域反應效率的同時改變反應過程，該技術的應用是化工行業技術升級的關鍵，化工領域如果可以高效的應用微反應平臺，將能夠極大的提升反應效率，但是我國的微反應技術還處在研究的起始階段，在將來進行深入的化工領域研究之后，微反應的研究還將會有更大的應用空間，未來前景仍然非常廣闊，在科研技術人員的努力之下，未來相關技術領域的成就一定會獲得突破，微反應技術的應用將會有更廣闊的前景。

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