微通道反应器工艺技术的应用进展及发展前景

2022-12-13易春辉王进宋士龙沈祖东姜雯雯代婷婷

辽宁化工 2022年10期

易春辉，王进，宋士龙，沈祖东，姜雯雯，代婷婷

（西安石油大学化学化工学院，陕西西安 710300）

随着现代科技的迅速进步和各行业的迅猛发展，在20世纪90年代，微化工技术这一多学科交叉的科技前沿领域开始萌芽，并在这几十年中迅速发展。时至今日，这一技术在国内外化工领域有很大的发展，对比传统工艺，微反应器技术在多个学科中都体现出它特有的优势[1-5]。

21世纪的化学工程技术始终围绕着安全、绿色、高效这类方向发展，正因如此，微化工技术领域吸引了国内外的广泛关注，而在微化工技术中，微反应器是其中的核心之一。微化工工程主要通过微结构单元使反应空间限制在微尺度的范围（10～500 μm）[6]，从而使得整个化学反应过程的安全性、高效性有明显的提高，也更加的绿色环保。

1 比较传统釜式反应器与微通道反应器

1.1 传统的釜式反应器

目前，传统的釜式反应器作为常见的反应器，广泛应用在化工工业的各个领域。其具有温度和压力的适用范围大、适应能力强、易于控制和操作等特点[7]。但相对地，它也具有在装、填料等辅助操作时的耗时较长、辅助操作过程会造成过程不连续、产品质量难以稳定[2]、换热面积小从而导致对强放热反应的控制能力较低等特点，通常用于操作条件比较缓和的反应。

1.2 微通道反应器

微反应器、微混合器、微换热器、微控制器等微通道化工设备通称为“微通道反应器”，也可以简称它为“微反应器”[5]。作为微化工技术的核心，微反应器则是一类“超高效”的化工设备[8]，它是将传统的反应器缩小，以微单元为核心，使用微加工技术等技术集成[9]，使得其内部的流体的流动状态发生改变，有效地减少了流体的分散尺度，称这种特殊的流体为“微流体”[1,3]。

微通道反应器具有传质及传热的速率快、反应时间较短且连续性较强、安全性能有保障、集成度较高、可控性较强、占用体积较小、抗干扰能力强等优点[2-3,10-12]，且更加绿色环保。因此，相对于传统的釜式反应器，微通道反应器具有其特有的优势。

2 微通道反应器的应用进展

2.1 对反应温度、反应时间和物料的精准把控

2.1.1 精准控制反应温度

由于大多数的化工生产过程都有强放热情况的发生，比起传统的釜式反应器对于强放热反应的控制能力较低的不足，微反应器可以很好地弥补这一点。由于其反应器通道的反应尺寸很小，比表面积就变得很大了[15-16]，使得在热量传递的过程中，温度梯度变大，推动力变大，使得传热效率变大[5,8-9,13-14]，使得它在瞬间大量放热的反应过程中也能很快地将热量传递出去，从而精准地控制了反应温度。利用微通道反应器可以很大程度地对传递过程产生强化作用，极大地避免了局部过热、浓度差异大等异常情况，有效地抑制了不利状况的发生[18]。

2.1.2 精准控制反应时间

得益于微通道反应器内流体的流动状态，层流流动大量地减少了流动阻力，能更容易地描述反应的状态并进行模拟[3-4]。由于比表面积很大，大大减少了反应时间。并且微通道反应器采用的是连续流动的物料参与反应的方式[5]，这样做的好处在于避免了传统的釜式反应器在装、填料等辅助操作时耗时较长、反应过程不连续使得产品质量不稳定等问题，大大节省了时间，精准地控制了物料的停留和反应的时间[8]，同时还能有效地减少由于反应时间过长造成生成副反应的量增多从而降低产品的质量[5,11,13-14]。

2.1.3 精准把控物料的配比

相较于传统的釜式反应器无法避免地在快速反应中配比物料时出现局部过量、搅拌不均匀、产生副产物等问题[5]，微通道反应器由于其自身管道尺寸极小（微尺度范围内），从而大大提高了物料的混合程度，且降低了混合所消耗的时间，极大程度上提高了产品的质量。

2.2 微反应器的并行放大

传统的反应器由于“三传”的影响，通常需要经过“小试→中试→放大生产”[8,18]这一系列过程，从而使生产工艺达到原有的反应条件。而与之相比，微反应器的并行放大过程具有优良的单一通道在“三传”状态下的重现性和在多个通道并行状态下的鲁棒性[10,18]，因此，在放大过程中可以跳过中试，直接放大生产，不改变小试的实验条件，仅需要增加并行管数，即可达到工业放大要求[1-2,4,10-11,18]，过程中省去了大量的时间成本和经济成本，极大地缩短了产品的研发周期。

2.3 微反应器的高度集成特性

微反应器结合了多种趋于成熟的微化工技术集合在一块反应芯片中，依靠这一单一的芯片进行多种操作，这样做的好处是不仅将复杂的操作集中在同一芯片中，使得多种操作在同一区域完成，方便监测和操作，并且在提高反应速度的同时还节约了成本[18-20,24]。

2.4 具有良好的安全性和可控性

在化工过程中，最重要的一个指标就是安全性。微通道反应器很好地满足了这一要求。由于其采用连续流动的方式进行反应，因此可以很大程度地减少反应器中停留大量化学品造成危险，降低了危害程度[11]。

由于微反应器的反应尺度都是微米级或亚微米级的，其混合过程在微结构中完成，避免了传统反应器的搅拌过程，因此反应过程更加温和可控，也更为均一[3-5]。

2.5 反应过程清洁、绿色、环保

结合我国国情和政策要求，如“双碳”等政策的出台，对于化工过程的清洁、绿色、环保要求越来越高，微反应器技术对化工过程绿色化和可持续化的贡献越来越明显。相较传统的化工过程，微反应器有着副产物少、产能高、耗能小的优势。微尺度使得反应过程对物料的消耗量是微量级的，与之对应的产物也是微量的，其对环境和操作人员的危害程度也非常的低[21-23]。因此，微反应器技术必将在化工行业中大放异彩。

3 微通道反应器发展过程中存在的问题

3.1 微通道反应器适用范围具有一定的局限性

3.1.1 对物料的流动性有一定的要求

微反应器对物料的流动性有一定的要求，如果流体的黏度较大或者固体的颗粒过大，很可能造成微通道堵塞，并且清理残留物料时难度相比传统反应器提高了很多。所以在选用的物料中存在此类物质的时候，需要谨慎使用微反应器进行化工过程[24-26]。

3.1.2 对于物料反应的速度有一定的要求

微通道反应器的优势就是在于对于需要严格配比的快速反应过程有很好的控制作用，它能够快速的将物料混合均匀促使其反应均匀且稳定，但同样地，对于反应较慢的化工过程来说，在微通道反应器内的反应时间要比传统的反应器时长短很多，就很可能造成反应不充分的情况，所以对于较慢的化学反应在选择微通道反应器时也需要谨慎[24]。

3.1.3 微反应器设备复杂且价格比较昂贵

比较传统的反应器，微反应器高度集成，这样就导致了它在增强监测能力的同时增加了其操作难度，控制变得更为复杂。且由于尺度小，就导致了处理能力比传统反应器小很多，而原本的微反应器设备的价格和维护成本就较为高昂，所以就目前而言，微反应器所需要的生产成本相对较高[25]。

3.1.4 国内人才缺乏及政策不完善

由于微化工技术相较于传统意义上的化工技术来说属于新技术，微化工技术普及程度低，相关产品政策不完善，使得产出的产品质量参差不齐，缺乏相关专业人才，新技术理论储备不够完善，这些均亟待解决[27]。

4 微通道反应器的发展前景及未来展望

4.1 国内外微反应器应用实例

BLAUTH 等以Sabatier 反应为例，利用PDE 约束优化技术对一个化学微通道反应器进行优化。模拟微通道内的化学反应流动，引入三维和一维模型，解决了参数识别问题，最后提出了两个对微反应器收率优化的问题，考虑用壁温和入口气速作为优化变量，使用目标函数来最大化反应器中的流速，并通过状态约束来保证产品的质量[28]。

LI 等采用两种具有铂箔催化剂的（深度200 μm，宽度5.0 mm，长度40.0 mm）微型反应器，采用小波变换方法，在时域和频域分析了反应物流量和针翅结构对流动不稳定性的影响，使得在5 mL·h-1反应物流速下，H2O2分解达到了59.0 %的转化率。这一转化率比氢气分解的转化率高出了300%[29]。

王晓东等通过使用碳化硅材质的微反应器，以2,4-二甲基苯酚、硝酸、二氯乙烷为原料，研究了硝酸质量分数等多种参数对化学反应的影响，找到了在此材质的反应器中生成2,4-二甲基-6-硝基苯酚最佳的工艺条件，使其在生产过程中的传热效率、生产能力均大幅提高[30]。

徐一鸣等以直链烷基苯为原料，通过考察磺化温度、原料摩尔比以及磺化剂浓度等工艺参数对产物的影响与纯十六烷基苯磺化规律进行对比，找到了最佳的工艺参数条件。同时，设计并搭建了微反应器小试平台，实现了连续合成混合烷基苯磺酸盐，大大提高了产品收率，为该工艺的工业应用提供了技术支持[31]。