试述微反应器在化学化工领域中的应用

李 钛

身份证号：210102198512144715

试述微反应器在化学化工领域中的应用

李 钛

身份证号：210102198512144715

微反应器是微型化学反应系统，具有换热和传质效率高、严格控制反应时间、易于扩大、安全性能好等特点。和传统拌和反应器相比，这些特点使得微反应器在缩短反应时间、大幅度提高化学反应的转化率和产品收率等方面展现出一定的优势。但微反应器也存在易阻塞，催化剂负载、微通道的规划与制造难度大等问题。本文介绍了这些年迅速发展的微反应器技术，回顾了微反应器的特点，重点探讨微反应器在化学化工范畴的使用以及微反应器在精细化工和制药工业、生物化工范畴的使用实例，讨论了微反应器现在存在的很多挑战。

微反应器；微通道；微尺度；层流；安全

1 微反应器的概述

微反应器也被称作是微通道反应器，是微反应器、微混合器、微换热器、微控制器、微萃取器、微化学分析等一系列的微型化工设备的总称。依照不同的分类办法，微反应器有多种类型。按照操作模式进行分类，能够分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器；依照反应相态能够分为气固相催化微反应器、气液相微反应器、液液相微反应器和气液固相微反应器；依照用处能够分为生产用微反应器和实验用微反应器；依照分析应用能够分为化学和生物中使用的微反应器以及化学工程和化学中使用的微反应器。微反应器有多种几何构造，最简略的是管式构造，还有板式构造、微通道构造以及集成试剂注射、混合、换热、溶剂交换、相别离等多种功能为一体的复合式构造。对于化学反应的特点，比如温度、压力、腐蚀性、比热容和电特性等，要挑选适宜的微反应器制作材料。制造材料有玻璃、硅、陶瓷、金属和聚合物等。其间使用最广泛的材料是玻璃，这是由于玻璃材料是化学惰性的，允许在很多溶剂中使用电渗流(EOF)，允许可见光检查设备而且易于制造。现在微反应器的制造技术主要有LIGA(光刻、电铸和塑模结合的技术)、机械加工、微模塑技术等。

2 微反应器技术的特点

2.1 精确控制反应时间

微反应器对反应时间的控制主要是通过改变微反应器通道的长度以及流率实现的，反应产生的中间体，将在分解前转到下一个反应区。由此可见，该技术对反应中有不稳定中间体的反应而言非常适用。但遇到的是多相系统，如果通过控制流速来实现改变停留时间，后果是改变了流体流型，对整体反应非常不利，如果此时应用微反应器，通过反应器长度控制停留时间，效果会明显，但与此同时应该注意的是保持恒定流速。

2.2 高度集成化

利用目前国内相对成熟的微加工技术，基本能实现将微反应、微分离等多单元操作与一些相关的器件集成到一个反应芯片上，以此实现对微反应进行实时监制的目的，且这样的成果不仅能提高反应速度，还能有效节省生产成本。比如，可以把材料的混合与反应停留时间，以及反应换热放在同一区域，通过这种形式产生额外反应性能。另外，此系统还有很好的重复性，这对一些平行实验是非常有利的。

2.3 换热效率和混合效率高

微反应器的换热效率高主要是通过其通道实现的，因通道尺寸仅为十到几百微米，通道的雷诺数较低，因为层流扩散有时也会对反应混合物造成影响，具体表现是会出现局部二次流混合。微反应器的微尺度使得反应的扩散时间变得很短，且还混合得很快。在这种优势条件下，反应器内的传质和传热能力增强，进一步扩大了扩散通量，这正是提高化学反应速度的有利条件。总传热系数与通道尺寸成反比例关系，微反应器内传热系数能达到一万瓦每平米每开，尺寸缩小使其比表面积能达到一万到五万，传统搅拌设备最多只能达到一千。

3 微反应器在化学化工领域的应用

3.1 缩短反应时间

微反应器能够非常高效率地完成反应，并且大大缩短其反应的时间，其最主要的原因就是凭借传质以及传热系数的值比较大。而这种高效率的反应其实在MASON等就有过明确的相关报道，介绍的是关于醇醛缩合的反应实验。这种反应是由两种化学物质在四丁基氟化铵(TBAB)的相互配合下完成了反应，并且达到完全百分百的化学转化，而这两种化学物质分别是对溴苯甲醛和甲硅烷基烯醇。当然，最终的结果就是在微反应器中反应的时间得到了大大的压缩，只用二十分钟就完成了反应，这2微反应器在化学化工领域的应用

3.2 缩短反应时间

微反应器能够非常高效率地完成反应，并且大大缩短其反应的时间，其最主要的原因就是凭借传质以及传热系数的值比较大。而这种高效率的反应其实在MASON等就有过明确的相关报道，介绍的是关于醇醛缩合的反应实验。这种反应是由两种化学物质在四丁基氟化铵(TBAB)的相互配合下完成了反应，并且达到完全百分百的化学转化，而这两种化学物质分别是对溴苯甲醛和甲硅烷基烯醇。当然，最终的结果就是在微反应器中反应的时间得到了大大的压缩，只用二十分钟就完成了反应，这2.3高温高压的反应相关研究人员还研究了Claisen重排反应。传统反应器的反应温度一般是控制在250℃，压强是控制在1.3MPa，反应时间控制在一到两小时。应用微反应器时，通常用甲苯做溶剂，经过优化条件，在240℃、10MPa的条件下进行反应时，结果发现所得产物不仅纯度高，而且回收率也很高，而且副产物仅仅只有5%。由此也能得出这样的结论，温度变化对Claisen重排反应的影响很大。一般在小于230℃时，转化不完全，所以就会影响整体收率；但如果将其换成高温反应，又会导致在反应中生成更多的副产物。所以说，尽量不要用改善温度的方式来实现对反应时间的有效控制。

结束语

相比于传统的反应器工艺，微反应器技术具有诸多优势：极高的传质和传热效率、反应时间短、无放大效应、安全性高、集成化程度高、生产过程绿色化等。微反应器技术能够显著强化反应过程，成为化工领域的一次革新，为化学化工领域提供了一个非常高效和便捷的平台。显然，微反应技术是21世纪化学化工技术发展的重要分支之一。

[1]王晓峰.微反应器在化学化工领域的应用[J].石化技术.2016(06)

[2]钱伯章.微反应器开启高效精细化工时代[J].化工装备技术.2014(04)

[3]庞啟雄.浅谈微反应器的特点及应用[J].科技资讯.2014(24)