微通道反應器工藝技術的應用進展及發展前景

易春輝，王進，宋士龍，沈祖東，姜雯雯，代婷婷

（西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710300）

隨著現代科技的迅速進步和各行業的迅猛發展，在20世紀90年代，微化工技術這一多學科交叉的科技前沿領域開始萌芽，并在這幾十年中迅速發展。時至今日，這一技術在國內外化工領域有很大的發展，對比傳統工藝，微反應器技術在多個學科中都體現出它特有的優勢[1-5]。

21世紀的化學工程技術始終圍繞著安全、綠色、高效這類方向發展，正因如此，微化工技術領域吸引了國內外的廣泛關注，而在微化工技術中，微反應器是其中的核心之一。微化工工程主要通過微結構單元使反應空間限制在微尺度的范圍（10～500 μm）[6]，從而使得整個化學反應過程的安全性、高效性有明顯的提高，也更加的綠色環保。

1 比較傳統釜式反應器與微通道反應器

1.1 傳統的釜式反應器

目前，傳統的釜式反應器作為常見的反應器，廣泛應用在化工工業的各個領域。其具有溫度和壓力的適用范圍大、適應能力強、易于控制和操作等特點[7]。但相對地，它也具有在裝、填料等輔助操作時的耗時較長、輔助操作過程會造成過程不連續、產品質量難以穩定[2]、換熱面積小從而導致對強放熱反應的控制能力較低等特點，通常用于操作條件比較緩和的反應。

1.2 微通道反應器

微反應器、微混合器、微換熱器、微控制器等微通道化工設備通稱為“微通道反應器”，也可以簡稱它為“微反應器”[5]。作為微化工技術的核心，微反應器則是一類“超高效”的化工設備[8]，它是將傳統的反應器縮小，以微單元為核心，使用微加工技術等技術集成[9]，使得其內部的流體的流動狀態發生改變，有效地減少了流體的分散尺度，稱這種特殊的流體為“微流體”[1,3]。

微通道反應器具有傳質及傳熱的速率快、反應時間較短且連續性較強、安全性能有保障、集成度較高、可控性較強、占用體積較小、抗干擾能力強等優點[2-3,10-12]，且更加綠色環保。因此，相對于傳統的釜式反應器，微通道反應器具有其特有的優勢。

2 微通道反應器的應用進展

2.1 對反應溫度、反應時間和物料的精準把控

2.1.1 精準控制反應溫度

由于大多數的化工生產過程都有強放熱情況的發生，比起傳統的釜式反應器對于強放熱反應的控制能力較低的不足，微反應器可以很好地彌補這一點。由于其反應器通道的反應尺寸很小，比表面積就變得很大了[15-16]，使得在熱量傳遞的過程中，溫度梯度變大，推動力變大，使得傳熱效率變大[5,8-9,13-14]，使得它在瞬間大量放熱的反應過程中也能很快地將熱量傳遞出去，從而精準地控制了反應溫度。利用微通道反應器可以很大程度地對傳遞過程產生強化作用，極大地避免了局部過熱、濃度差異大等異常情況，有效地抑制了不利狀況的發生[18]。

2.1.2 精準控制反應時間

得益于微通道反應器內流體的流動狀態，層流流動大量地減少了流動阻力，能更容易地描述反應的狀態并進行模擬[3-4]。由于比表面積很大，大大減少了反應時間。并且微通道反應器采用的是連續流動的物料參與反應的方式[5]，這樣做的好處在于避免了傳統的釜式反應器在裝、填料等輔助操作時耗時較長、反應過程不連續使得產品質量不穩定等問題，大大節省了時間，精準地控制了物料的停留和反應的時間[8]，同時還能有效地減少由于反應時間過長造成生成副反應的量增多從而降低產品的質量[5,11,13-14]。

2.1.3 精準把控物料的配比

相較于傳統的釜式反應器無法避免地在快速反應中配比物料時出現局部過量、攪拌不均勻、產生副產物等問題[5]，微通道反應器由于其自身管道尺寸極小（微尺度范圍內），從而大大提高了物料的混合程度，且降低了混合所消耗的時間，極大程度上提高了產品的質量。

2.2 微反應器的并行放大

傳統的反應器由于“三傳”的影響，通常需要經過“小試→中試→放大生產”[8,18]這一系列過程，從而使生產工藝達到原有的反應條件。而與之相比，微反應器的并行放大過程具有優良的單一通道在“三傳”狀態下的重現性和在多個通道并行狀態下的魯棒性[10,18]，因此，在放大過程中可以跳過中試，直接放大生產，不改變小試的實驗條件，僅需要增加并行管數，即可達到工業放大要求[1-2,4,10-11,18]，過程中省去了大量的時間成本和經濟成本，極大地縮短了產品的研發周期。

2.3 微反應器的高度集成特性

微反應器結合了多種趨于成熟的微化工技術集合在一塊反應芯片中，依靠這一單一的芯片進行多種操作，這樣做的好處是不僅將復雜的操作集中在同一芯片中，使得多種操作在同一區域完成，方便監測和操作，并且在提高反應速度的同時還節約了成本[18-20,24]。

2.4 具有良好的安全性和可控性

在化工過程中，最重要的一個指標就是安全性。微通道反應器很好地滿足了這一要求。由于其采用連續流動的方式進行反應，因此可以很大程度地減少反應器中停留大量化學品造成危險，降低了危害程度[11]。

由于微反應器的反應尺度都是微米級或亞微米級的，其混合過程在微結構中完成，避免了傳統反應器的攪拌過程，因此反應過程更加溫和可控，也更為均一[3-5]。

2.5 反應過程清潔、綠色、環保

結合我國國情和政策要求，如“雙碳”等政策的出臺，對于化工過程的清潔、綠色、環保要求越來越高，微反應器技術對化工過程綠色化和可持續化的貢獻越來越明顯。相較傳統的化工過程，微反應器有著副產物少、產能高、耗能小的優勢。微尺度使得反應過程對物料的消耗量是微量級的，與之對應的產物也是微量的，其對環境和操作人員的危害程度也非常的低[21-23]。因此，微反應器技術必將在化工行業中大放異彩。

3 微通道反應器發展過程中存在的問題

3.1 微通道反應器適用范圍具有一定的局限性

3.1.1 對物料的流動性有一定的要求

微反應器對物料的流動性有一定的要求，如果流體的黏度較大或者固體的顆粒過大，很可能造成微通道堵塞，并且清理殘留物料時難度相比傳統反應器提高了很多。所以在選用的物料中存在此類物質的時候，需要謹慎使用微反應器進行化工過程[24-26]。

3.1.2 對于物料反應的速度有一定的要求

微通道反應器的優勢就是在于對于需要嚴格配比的快速反應過程有很好的控制作用，它能夠快速的將物料混合均勻促使其反應均勻且穩定，但同樣地，對于反應較慢的化工過程來說，在微通道反應器內的反應時間要比傳統的反應器時長短很多，就很可能造成反應不充分的情況，所以對于較慢的化學反應在選擇微通道反應器時也需要謹慎[24]。

3.1.3 微反應器設備復雜且價格比較昂貴

比較傳統的反應器，微反應器高度集成，這樣就導致了它在增強監測能力的同時增加了其操作難度，控制變得更為復雜。且由于尺度小，就導致了處理能力比傳統反應器小很多，而原本的微反應器設備的價格和維護成本就較為高昂，所以就目前而言，微反應器所需要的生產成本相對較高[25]。

3.1.4 國內人才缺乏及政策不完善

由于微化工技術相較于傳統意義上的化工技術來說屬于新技術，微化工技術普及程度低，相關產品政策不完善，使得產出的產品質量參差不齊，缺乏相關專業人才，新技術理論儲備不夠完善，這些均亟待解決[27]。

4 微通道反應器的發展前景及未來展望

4.1 國內外微反應器應用實例

BLAUTH 等以Sabatier 反應為例，利用PDE 約束優化技術對一個化學微通道反應器進行優化。模擬微通道內的化學反應流動，引入三維和一維模型，解決了參數識別問題，最后提出了兩個對微反應器收率優化的問題，考慮用壁溫和入口氣速作為優化變量，使用目標函數來最大化反應器中的流速，并通過狀態約束來保證產品的質量[28]。

LI 等采用兩種具有鉑箔催化劑的（深度200 μm，寬度5.0 mm，長度40.0 mm）微型反應器，采用小波變換方法，在時域和頻域分析了反應物流量和針翅結構對流動不穩定性的影響，使得在5 mL·h-1反應物流速下，H2O2分解達到了59.0 %的轉化率。這一轉化率比氫氣分解的轉化率高出了300%[29]。

王曉東等通過使用碳化硅材質的微反應器，以2,4-二甲基苯酚、硝酸、二氯乙烷為原料，研究了硝酸質量分數等多種參數對化學反應的影響，找到了在此材質的反應器中生成2,4-二甲基-6-硝基苯酚最佳的工藝條件，使其在生產過程中的傳熱效率、生產能力均大幅提高[30]。

徐一鳴等以直鏈烷基苯為原料，通過考察磺化溫度、原料摩爾比以及磺化劑濃度等工藝參數對產物的影響與純十六烷基苯磺化規律進行對比，找到了最佳的工藝參數條件。同時，設計并搭建了微反應器小試平臺，實現了連續合成混合烷基苯磺酸鹽，大大提高了產品收率，為該工藝的工業應用提供了技術支持[31]。

4.2 未來展望

雖然相較于國外，國內微化工技術起步較晚，但是通過近年來的專利文獻等可以看到，我國的微化工技術正在迅猛發展[32]。相信在不久的將來，國內微化工技術不斷優化升級，一定可以在國內的化工生產過程中占據一席之地。