微混合器构建设计方法及操作流程研究

微反应器是一种微控制反应装置，主要应用在化工过程用于强化设备的工作环境。当在较小的尺寸内进行反应时，采用微反应器可以充分地提高工作效率，极大地促进转化过程。通过提高转化率，可以根据工业的实际需要减少反应器的体积，从而可对反应器进行高集成度的设计，提高反应器的使用安全性，对于工业化的节能降耗也是一种改进措施。

微反应器的研究历史较短，距今也仅有30年的历史，但是由于其能够有效地提高工业反应中的工作效率和换药能力，从而引起了广大研究者的关注，并进行了大量的研究工作。由于微反应器具有强放热能力，学者们设计开辟出了一种新型的化学反应模式。这些新设计模式下生产出来的微反应器，可以在多个新领域内进行应用，比如可以应用于人体抑制肿瘤细胞的扩散，也可以实现快速无疤痕的伤口愈合，还可以用于药物研究工作中人体生长环境的模拟实验，从而为医学发展的新方向提供基础。综上所述，微反应器的一个新反应体系正在不断发展。

《微反应器的设计与应用》一书通过微反应器反应动力的原理分析，对传递现象进行了描述。首先对微反应器的设计和应用特征进行了描述，并重点针对微反应器中设计的结构、材料、尺寸、设备等问题进行了详细的说明。随后强调了微反应过程中对于反应温度的控制和检测，通过对反应物质量的控制，实现了提高产量、降低能耗的目的。

在该书的理论知识章节中，作者介绍了微反应器的基础知识，并重点分析了微流体的移动现象。首先对于无量纲数及相似准则进行了描述，该物理量是描述流体动力状态时常用的参数。若两种流体有着同样的无量纲，那么可以认为它们的运动方程是一样的，进而可以认为两者流体的流动形态一样，符合相似性准则。从物理意义层面说明，在微化工中可以忽略液体流速的干扰只对流动的形态进行研究。其次使用量纲分析法，对于流体的相关特征进行分析，并对微通道内的流体特点进行了分析。在微通道内流体的流动形态一般属于层流，符合牛顿黏性定律，可以通过该定律进行流体的相关分析。由于微反应器主要是实现传热的作用，所以作者在内容上对微通道内的流体温度分布进行了详细的介绍。微反应器主要是通过对传热过程精确的控制，实现微通道内的热交换，以利于控制反应温度。在这个过程中依据傅里叶定理，建立了整个过程的熵平衡方程。在微通道的结构设计中，还增强了传热效果，通过表面方法、流体方法和混合方法优化了热交换表面设计，扩展了换热的面积，增加了表面的粗糙度，从而强化了介质流体本身的传输效率。

对于微混合器的设计，作者详细介绍了微流体的混合现象。流体可以在宏观层面和微观层面进行混合，主要区别在于反应器的尺寸不同。宏观混合主要利用机械搅动的方法实现流体的混合，在混合过程中可以通过物料的分布特征，表现出混合的理想化情况，具有很宽的计算范围。而微观混合更多的是涉及分子层面的混合，涉及到两个问题：①在反应过程中，聚合物的最终状态；②通过反应速度，对反应的预混和问题进行研究。为了保证两种不同流体达到均匀的最终状态，通过剧烈的搅拌，连续向发生宏观的状态混合，从而达到最终的均匀状态。在这个过程中，需要两者进行合并分裂再合并。而在微观混合领域，由于其反应过程较为复杂，所以需要提供分子互相接触的机会，才能够进行后續的混合，也就是说，微观混合到达均匀前，混合反应已经进行了很大一部分。但是在混合的边界容易出现非均匀反应体系特征，不过对于这种极端情况，无论从反应转化率还是影响性分析，后期计算都可以进行忽略。通过搅拌混合操作，可以实现两种或多种液体的均匀混合，使不相容的液体混合物，在液体中悬浮，促进液体与容器壁之间的传热作用，防止液体在混合过程中局部过热影响整个反应过程。而微通道中由于流体的尺寸较小，所以流体之间层流状态较为明显，此时黏性力在整个流动过程中占主导地位。微通道的流体混合中，主要依靠分子间的扩散完成。按照不同的分类方法可以对微混合器进行分类，主要的分类方法有是否有外界动力源、混合器的弯曲通道形式、混合器的工作原理。

微团尺度对于微混合器的设计有着一定影响作用，是微团混合物中存在的液体、气体、固体的统称。微团尺度也是体现混合程度的指标，当其尺寸越小时，说明两者混合得越均匀，从而能够成为在一定时间段内对于反应产物的期望浓度、分布质量指标。而尺寸均一性也可以反映不同浓度混合物的微团在混合过程中由于浓度存在差别而产生的混合不均匀的现象，差别越小，证明两者混合得越均匀。T型混合器以及Y型混合器是两种典型的微混合器，通过混合性能评价方法的设定，对于两种混合器的结构参数进行设计。通过实验可以对混合器的混合效果进行强化。使用流体驱动混合技术，对于混合器中的流体进行输送和分配，可实现对流体的控制。

对于微反应器的设计，根据不同的反应物状态，可以进行微反应器类型的确定。通过快速反应和瞬间反应，强化物质间的传递效率，从而加快微反应器的反应速率。流体的速度在管道中分布并不均匀，所以会在反应器中存在着反混现象。微反应器内的混合物，通过分子扩散的方式完成传输，该特性决定了微反应器的使用优势：①通过传热及传质效率的差别，可以将实验室的工艺条件直接运行在工业生产中，减少了工艺开发过程中的实验及研制设备的费用；②可以精确地控制反应时间，避免过度剧烈的反应或者不完全的反应，从而减少副产品的产生；③可以精准地实现混合物的配比，从而控制瞬间快速的反应过程，避免副产物的产生；④通过提高微反应器的制作技术，使制作微反应器的材料更加宽泛，从而保证低温高压下微反应器能够实现自身的功能，具有良好的操作性。

微反应器存在一定的局限性，虽然对于整个系统的放大较为容易，但是后期处理能力不足。由于整个控制系统较为复杂，所以生产成本较高。微反应器对于传统工艺下的反应适应程度较差，而且由于其通道尺寸较小，所以可能会被大颗粒的沉淀物堵塞管道，需要及时清洗和更换。可通过工艺流程的设计，在产品开发过程中不断地改进试验，通过分析及设计对开发流程进行量化，同时在不断的实验中修正流程参数，完成微反应器系统的设计，从而保证其具有强大的处理功能，能够在工业系统上得以顺利的运用。

书评人简介：

尹茂源，男，研究方向为机械电子工程。