微化工技术的研究与应用

贾洪亮（郑州幼儿师范高等专科学校，河南 郑州 450000）



微化工技术的研究与应用

贾洪亮（郑州幼儿师范高等专科学校，
河南 郑州 450000）

摘要：微化工技术是近20年间兴起的多学科交叉的科技前沿技术，涉及化学、材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工程技术和学科。微化工技术包括微热、微反应、微分离、微分析等系统。微化工技术顺应了可持续发展与高技术发展的需要，普通化工过程通常依靠大型化来达到降低产品成本的目的，微化工过程则注重于高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大及高度集成，由于特征尺度的微型化，微化工技术的发展不仅在技术领域中构成了重大挑战，也为科学领域带来许多全新的问题，它的发展也将会对整个化工领域产生革命性影响。

关键词：化学反应；微化工技术；具体应用

0 引言

我国传统的化工行业需要依靠扩大生产规模来降低成本，但是微化工技术打破了这个格局，微化工的特点是灵活轻便，能够极大的突破国内传统工业形式，解决了传统生产中生产控制难度大、生产场地要求宽阔等问题，在一定程度上能够优化资源的配置，并保证生产过程中的安全可靠，同时还改善了化学反应对环境的污染，目前微化工技术已经开始向微化工设备开发应用中迈进。

1 微化工技术的优点

与传统的工作模式相比，微化工技术的优点比较突出，是一种符合当前工业发展趋势的技术模式。下面从该技术的发展实际情况层面上入手，分别从多个角度对微化工技术的优势进行阐述。

（1）微化工技术给我们最大的感受就是能显著缩短反应时间和缩小反应系统的体积。让反应时间从几小时、几十小时缩短到几十秒，甚至几秒，让体积庞大的传统反应容器瘦身至以升、毫升为单位的微反应器。例如，德国默克公司曾通过微化工技术将格利雅试剂酮还原反应时间从数小时降至几秒钟；我国中石化公司催化剂长岭分公司磷酸二氢铵生产微化工系统产能可达8万吨，但系统中各设备的体积只有几升。

（2）可以从根本上体现出精确控制化学反应的作用。化学反应在微反应器中的反应时间主要体现在时间以及物料这个两个层面上。并且通过与传统工作模式相比较发现，该工作模式的优势比较明显。因为传统化工技术在进行化工反应的过程中，需要将反应进行扩大，并且更多的反应时间都浪费在时间以及物料上，时间很难计算精确，可是在微反应工作过程中，通过单一化管道来体现流动性原则，反映出流动特性。在记录反应时间时，需要将记录的化学反应时间努力精确到秒。因为在进行微化工分析的时候会产生较大的热量，如果及时的吸收这些热量，便可以保证温度始终处在规定范围中。这能够有效的提高记录数据的精确程度，也因为微反应器自身体积比较小，可以让化学反应物料的使用量控制在最小的范围内，提高物料使用的效率，科学的减少了物料用量对工作质量产生的影响，减少了误差。

（3）适应节能减排，绿色环保、可持续发展、环境友好的发展趋势。经过多年来的不断发展和完善，与传统化工技术相比较，微化工技术使用的物料用量比较少，能有效的节约成本，减少“三废”的排放，提高资源的利用率。微化工技术为异地危险品运输提供了方便，由于耗费物料少，进而减少了运输量和运输过程中泄漏等污染问题的发生。微化工技术的发展不仅有效的提高了能源的利用率，提升了企业的日常工作效率，还在一定程度上解决了企业日常排污的问题，对保护环境也具有一定的作用，符合现代社会节能环保、绿色发展、环境友好的要求，也符合未来化工行业的发展方向。

（4）化学工业中的许多反应属强放热过程，存在爆炸危险。如果化学反应过程缺少相应的保障，则可能因为自由基等问题产生爆炸，所以传统工作模式下操作人员的安全保障是十分关键的。而采用微反应技术可以控制自由基爆炸风险，能够提高过程反应的效率，改善过程反应的安全性，整个化学反应是安全且可靠的。这是由于微化工设备的内部通道特征尺度通常在几十微米至几百微米，可实现反应物料间的超快速微观混合；流体与器壁间有很大的接触面积，能显著提高流体间的换热效率，可实现反应过程的原位高效换热，其传热、传质能力较常规尺度提高1～3个数量级。另外，由于通道特征尺度小于火焰传播的临界尺度且微反应器内反应物持有量小，因而具有内在安全性，将其应用于快速混合、强放热及易燃易爆的反应过程，能显著提高过程的安全性，并可实现连续化操作。

（5）由于微化工设备结构的模块化，易于实现直接放大（设备单元并联），可快速推进实验室成果的实用化进程。由此可见，采用微反应技术可大幅度提高反应过程中的资源和能量的利用效率，减小过程系统的体积或提高单位体积的生产能力，实现化工生产过程安全、过程强化、微型化和绿色化。

（6）微化工系统呈模块结构、并行分布式进行，可实现就地、按需生产与供货，同时也使分散资源得到充分合理的利用，这对人类生命、环境安全及资源综合利用具有十分重要的意义。

2 微化工技术在化学反应中未来的发展前景

（1）微化工技术的创新之处在于，它极大的节省了化学反应时间以及对空间的合理利用。微化工技术可以将化学反应时间缩短至几十秒。并且在反应空间中，微化工技术的反应容器体积也可以缩小至以升或毫升为单位的体积。这就使得微化工技术应用在生产的过程中，更加的安全、环保，形成了一种新的化工行业生产方式。为此它的应用前景十分广泛。

（2）近几年，微化工技术发展迅速，在不同的领域里都显示出它的优势，在材料制备和微尺度分散等方面取得了一定成果，可以预见，微化工技术的成功开发与应用将会对整个化学化工领域产生重大影响。在未来的5--10年内，微反应技术将会在精细化工、纳米材料以及基于微反应技术的新过程等领域获得较广泛的应用。

（3）微化工技术与传统化工工艺的最大区别是需要研究开发适合于微反应系统的快速反应工艺条件。由于化学反应过程大多为复杂反应体系，因此需深入研究主、副反应的本征动力学以及反应过程行为，优化工艺条件以提高主反应速率、控制副反应速率，最终提高目的产物的选择性，这也是目前微反应技术工业化应用需要攻克的难关之一。

（4）虽然我国在微化工技术领域起步较晚，但由于在研究初期科研单位就积极与工业生产单位开展合作，加速了我国微化工技术的产业化进程，形成了一些具有自主知识产权的微化工专利技术，产业化成绩初步显现。例如，清华大学化学工程联合国家重点实验室借鉴膜乳化技术，成功开发出万吨级膜分散微结构反应器制备单分散纳米碳酸钙的工业装置，大连化物所开发的已稳定工业运行的8万吨/年磷酸二氢铵微化工系统，大连化物所与胜利油田中胜环保有限公司合作开发的百千吨级用于石油磺酸盐生产的微反应技术等均实现了工业化应用，这就充分证明了微化工技术在工业规模上的可行性。

3 结语

总而言之，微化工技术通过20年的不断发展，已经取得了一定的成果。但作为新兴的高科技化学工业技术，微化工技术还处在初期研发的阶段，化工行业内部对于这种新型化工生产方式认可度不强。其原因一方面在于微化工技术一些高难度问题尚未得到圆满解决，因此仍需要不断深化微化工技术的相关基础研究和理论研究，学术界应与工业界积极合作，开展各种类型反应的工业应用示范工程，共同推进微化工技术的工业进程，使之产业化，同时将微化工技术进行转化，使其参与到其他行业中，为推动化学工业与其他工业共同发展做出贡献。

参考文献：

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