CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第1期
·10·
化 工 进 展
微反应器在化学化工领域中的应用
刘兆利，张鹏飞
（天津大学化工学院，天津 300072）
摘要：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、易于放大、安全性能好等特点。和传统搅拌反应器相比，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堵塞，催化剂负载、微通道的设计与制造难度大等问题。本文介绍了近年来快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领域的应用以及微反应器在精细化工和制药工业、生物化工领域的应用实例，讨论了微反应器目前存在的诸多挑战。微反应器目前是化学和化工学科的前沿和热点方向，分析表明微反应器仍然有很大的发展空间，有潜力改变化学化工前景。提出应进一步深入系统地认识微反应器内化学反应以及微通道设计的基本规律和机理，将微反应器技术引入更广泛的反应体系中，加强微反应器的集成化水平。 关键词：微反应器；微通道；微尺度；层流；安全
中图分类号：TQ 052 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）01–0010–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.002
Applications of microreactor in chemistry and chemical engineering
LIU Zhaoli ，ZHANG Pengfei
（School of Chemical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ）
Abstract ：Microreactor belongs to the miniature chemical reaction system ，which has some characteristics of high heat- and mass- transfer rates ，strictly-controlled reaction time ，easy scale-up ，excellent safety performance ，and so on. Comparing with the common batch reactors ，advantages of microreactors are reducing reaction time ，greatly promoting conversion and yields. On the other hand ，there are some existing challenges ，such as the clogging problem ，catalyst loading ，design and fabrication of microchannels ，and so on. This paper aims to introduce the microreactor technology ，which has been growing rapidly in recent years. Some of the basic characteristics of microreactor are summarized focusing on applications of microreactor in chemistry and chemical engineering as well as some of typical examples of existing in fine chemical and pharmaceutical industry. A variety of challenges are also discussed. Microreactor is a frontier and hot topic in the research of chemistry and chemical engineering and analysis shows that microreactor still has very big development space and has the potential to change the chemistry and chemical engineering landscape. In the future ，further in-depth and systematic understanding of the regularities and mechanisms of chemical reaction in microreactor and design of microchannels should be emphasized. Introducing the microreactor technology into more reaction systems and further improving the integration level still need to be perfected.
Key words ：microreactor ；microchannels ；microscale ；laminar flow ；safety 收稿日期：2015-07-08；修改稿日期：2015-07-29。
第一作者：刘兆利（1989—），男，硕士。E-mail liuzhaoli0302@https://www.doczj.com/doc/4a3341342.html, 。
联系人：张鹏飞，副研究员，研究方向为化工传质与分离。E-mail
zhangpf@https://www.doczj.com/doc/4a3341342.html, 。
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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统称。微反应器技术起始于20世纪90年代的微流控技术[1]，属于微尺度的范畴。由于微反应器相比于传统的反应器具有极大的优势，顺应了高技术含量和可持续发展的要求，微反应器技术一出现就引起了相关领域极大的关注，特别是一些世界著名学府和大型跨国公司（比如麻省理工学院、美国西北太平洋国家实验室、杜邦公司、巴斯夫公司等）都开始致力于微反应器的研究和应用。微反应器技术在国内起步偏晚，在近十多年时间才被国内相关人士了解、研究并应用，目前国内主要研究的机构有中国科学院大连化学物理研究所、清华大学等。目前在化学工程、合成、化学、制药工业、分析和生物化学过程等领域，微反应器技术是最有创造性和发展最快的技术之一[2]。
按照不同的分类方法，微反应器有多种类型[3]。按照操作模式进行分类，可以分为连续微反应器、半连续微反应器和间歇微反应器；按照反应相态可以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；按照用途可以分为生产用微反应器和实验用微反应器；按照分析应用可以分为化学和生物中应用的微反应器以及化学工程和化学中应用的微反应器。微反应器有多种几何结构，最简单的是管式结构，还有板式结构、微通道结构以及集成试剂注射、混合、换热、溶剂交换、相分离等多种功能为一体的复合式结构。
针对化学反应的特点，比如温度、压力、腐蚀性、比热容和电特性等，要选择合适的微反应器制作材料。制作材料有玻璃、硅、陶瓷、金属和聚合物等。其中应用最广泛的材料是玻璃，这是由于玻璃材料是化学惰性的，允许在许多溶剂中使用电渗流（EOF），允许可见光检测设备并且易于制造[4-5]。目前微反应器的制作技术主要有LIGA（光刻、电铸和塑模结合的工艺）、机械加工、微模塑技术等[6]。
1 微反应器的特性
1.1 换热效率和混合效率高
微反应器内部微通道的特征尺寸一般在数十到几百微米之间[7]，特征通道中单相流动的特点为较低的雷诺数，由层流扩散影响混合[8]，局部也会形成二次流混合[9]。微反应器的尺寸属于微尺度范畴，所产生的直接优势就是扩散时间很短，混合过程很快。微反应器内传质和传热推动力会随之增加，从而扩大了单位面积和单位体积的扩散通量，这对于化学反应过程非常有利。因为总传热系数与通道尺寸成反比，微反应器内液相传热系数可以达到10000W/(m2·K)，比常规换热设备大一个数量级以上[10]。尺寸的缩小赋予微反应器无与伦比的比表面积，可以达到10000～50000m2/m3，而传统的搅拌设备的比表面积最多可以达到1000m2/m3[11]。研究结果表明，利用微反应器能够有效强化传递或混合控制的化学反应过程，而这类过程在传统的反应装置内往往难以精确控制，极易产生局部热点、浓度分布不均、短路流和流动死区等问题，微反应器具有的高效混合和快速传递性能是解决这些问题的重要手段[12]，可以有效抑制不良反应的产生，提高反应产物的纯度[13]。
为了进一步提高混合效率，还可以利用多种方法强化混合。强化混合分为两种，即主动混合和被动混合[14]。主动混合主要是利用了外界的能量输入来形成局部二次流，这些主要的外界能量有超声波、声诱振动、周期性变化的泵送能等。被动混合方式主要是通过通道的设计实现流体的重组来加快混合，主要方式有在微通道中设置多层薄片进行流体的分离和再混、通过涡流的形成和重叠强化混合以及利用喷射流碰撞进行混合等。被动混合由于操作简单，因此广泛应用于化工领域，而主动混合由于装置比较复杂而且不易多通道并行放大，所以主要应用于生物分析领域[9]。
1.2 可直接放大，无放大效应
传统的化工生产一般都是通过小试-中试-大生产的模式，但是在放大过程中流动、传质和传热的“三传”问题很突出。微反应器的优良性能得益于微尺度化，在扩大生产时是通过并行增加微反应器的数量而不是对反应器的尺寸进行放大[15]。与传统管式反应器并行放大的主要区别在于其优良的单通道“三传”状态重现性和多通道间抗干扰性[16]。在对整个反应系统进行优化时，只需对单个微反应器进行模拟和分析，这就避免了传统的从实验室规模到中试规模再到工业化规模的放大过程中所遇到的诸多问题，减少了操作费用，节省了空间，也避免了进行知之甚少的中试反应过程，提高了安全性[6，17]。
1.3 高度集成化
利用成熟的微加工技术可将微混合、微反应、微换热、微分离、微分析等多个单元操作和一些与之相匹配的微传感器、微阀等器件集成到一块反应芯片上，实现单一反应芯片的多功能化操作，从而
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达到对微反应系统的实时监测和控制，提高反应速度并且可以节省成本[18]。例如可以将混合和停留时间功能与换热在同一区域进行集成从而产生额外的反应性能[19]。将微全分析系统（μTAS）应用于化工生产，可以大大提高反应过程的自动化水平，有效降低人为因素造成的失误。更为重要的是，这种微化学系统可以展现出优异的重复性，这对于平行实验和日常使用都有很大的吸引力。随着芯片实验室和桌面化工厂概念的提出，在实验室里小型的微化工系统已经成为新产品和新过程开发的重要平台[20]。
1.4 精确控制反应时间
微反应器中反应物的停留时间由微通道的长度和液流速度决定。微通道的长度越短，液流速度越快，停留时间也就越短。微反应器可以通过改变微通道的长度和流率来实现精准的停留时间控制，反应过程中产生的中间体会在分解之前转移到下一个反应区域，特别适用于涉及到不稳定活性中间体的反应[2，21-22]。但是在多相体系中，通过改变流速来改变停留时间会导致流体的流型发生改变，这就需要通过改变微反应器的长度来改变停留时间并且保持恒定的流速[11]。传统间歇反应器中，由于反应物加入的时间不同，经常会引起副产物的产生，微反应器凭借可以精确控制停留时间的优良特性，可以保证产品有很高的质量，还可以完成在宏观过程中无法完成的反应。
1.5 安全性高
化学过程研究的一个主要目标就是消除安全隐患和危险的条件并且保证效率和操作的可行性。微反应器中反应物的量属于微量级别，这会使得很多危险反应过程能够高效并且安全地进行，比如高度放热反应、高温反应、涉及不稳定中间体的反应以及使用危险试剂的反应等[23]，并且可以降低爆炸的潜在危险性[24]。微反应器控温能力好，制冷能力往往也很高，能量的减少可以有效保证系统的安全[25]。微反应器可以有效地保证生产过程的安全，即使生产有毒有害物质，也能够将反应进行有效控制，很大程度上降低安全事故的危害性。因此微反应系统为生产有毒或者有害的物质铺平了道路，有望使化工摆脱高危险的桎梏。
1.6 过程环保绿色化
伴随着环境问题的日益突出和资源的匮乏，微反应器技术也变得日益重要。传统的化工生产主要依赖于大型反应器并且伴随着大量的原材料和产品的存储，这都会带来健康和安全隐患问题，并且有可能对生产厂家和周边环境造成难以估量的损失和伤害[26]。微反应器技术对于绿色化和可持续合成的贡献主要因为提高了产品的收率，减少了副产物的产生，降低了能耗和减少了辅助物质（比如保护基团）的使用等[27-28]。从环境角度来看，微反应器可以有效减少化学研究和工业生产中的有害物质排放，实现绿色可持续发展[2]。
2 微反应器在化学化工中的应用
2.1 提高安全性
快速的强放热反应在化学化工中普遍存在，很容易引起温度骤增，反应相对不易控制，容易引发危险事故。硝化反应是化工中应用最早也是最重要的单元反应之一，微反应器的出现已经为强放热和选择性敏感的硝化反应开辟了新的机遇，KULKARNI[29]阐述了4种利用微反应器的硝化方法，并且讨论了反应过程的优势、局限性和工业放大的实用性。费托合成是指合成气（CO和H2）在催化剂及一定的反应条件下转化生成烃类等的反应，李毅等[30]报道了在微反应器中进行强放热的费托合成反应，实现对费托合成过程中温度的精确控制，提高了反应物的转化率和产物的选择性，极大地提高了反应速率。重氮化合物在有机化学中是特别常见的试剂，但是重氮化合物具有潜在的爆炸性，在工业规模时很难安全处理，反应危险性很高，MüLLER等[25]报道了利用微反应器合成重氮化合物，凭借优良的传热效率可以安全处理危险试剂，因此反应过程中连续流微反应器中的温度一直远远低于常规的间歇反应器，反应过程一直安全有序进行。
2.2 提高选择性和转化率
ZUIDHOF等[31]报道了环己酮肟的贝克曼重排反应，见图1。在微反应器中进行硫酸催化环己酮肟转化为己内酰胺的贝克曼重排反应时，需要先将环己酮肟溶解在环辛烷中，运送到混合微通道中，混合温度为65℃，然后立刻输送到反应微通道中，反应温度为100～127℃，停留时间为10s，在这种
图1 贝克曼重排反应
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条件下选择性可以达到99%。而该反应在其他反应器中进行时，相同的反应条件选择性只能达到95%。
PROTASOV A等[32]报道了氨基萘的Friedel- Crafts酰化反应，见图2。在微型反应器中进行氨基萘的合成时，一共有9步反应，其中第1步是Friedel-Crafts酰化反应。在传统的转化生产过程中使用Ac2O 和 KOAc或NaOAc作为溶剂。但是由于盐在溶剂中溶解性很低会造成微反应器管道的堵塞，因此用NEt3来代替KOAc更合适，有利于加速反应进行。在微反应器中进行反应时，首先需要将溶液在室温下进行预混合，然后通过泵运送到预加热微反应器，温度控制为130℃。最后目标产品的收率达到100%，而在釜式反应器中仅为86%～96%。
AMII等[33]报道了二羰基化合物的直接氟化反应，见图3。这个反应在宏观反应器中进行时转化率只有15%，而在流微反应器中进行时转化率可以达到90%。
图2 Friedel?Crafts酰化反应
图3 氟化反应
2.3 无放大效应
PENNEMANN等[34]研究了在微反应器中进行一种金属有机化合物的加成反应，反应方程式见图4。
图4 有机金属加成反应
在实验室的500mL规模下，反应温度为?40℃，反应0.5h，收率为88%；在6L的搅拌容器中扩大反应规模，?20℃下反应5h，收率为72%。可见在传统反应器条件下反应时，放大过程中由于传热效率发生变化将会引起产率降低。而利用微反应器在实验室规模下进行初试时，反应温度为?10℃，停留时间在10s以内，收率可以达到95%；接着在同样的条件下进行中试过程时，收率可以达到92%；最后在同样的反应条件下进行生产规模过程（5倍中试规模），收率仍然可以保持在92%。可见微反应器不存在放大效应，可以直接进行放大过程。2.4 缩短反应时间
微反应器凭借较大的传质和传热系数，可以明显缩短反应的时间，将反应效率提高到一个新的高度。MASON等[15]报道了一个醇醛缩合反应，见图5。这个反应是甲硅烷基烯醇和4-溴苯甲醛在四丁基氟化铵的存在下完成的，在达到100%转化率的前提下，微反应器中的反应时间仅仅20min，而在传统反应器中却需要24h。
WATTS等[35]报道了贝里斯-希尔曼反应，见图6。在微反应器中进行此反应时，首先将1,4-二烷和水按照体积比1∶1混合成溶剂体系，然后将预混合的1,4-二氮杂二环辛烷和4-硝基苯甲醛溶液加上丙烯酸甲酯溶液送入到微反应器中进行反应，生成的产物是2-(4-硝基苯甲酰)丙烯酸甲酯。产品的收率可以达到95%，反应时间590min，这比在传统反应器中反应时间减少了30%。
图5 醇醛缩合反应
图6 贝里斯-希尔曼反应
2.5 控制产物分子的特性
微反应系统不仅对于产品的转化率和收率有影响，还可以减少甚至消除传质过程中热点的形成，因此对于聚合物的分子量、粒径分布、形态和组成都有很好的控制[36-38]。微反应器在聚合反应方面的应用已经有大量的研究，目前已成功应用于多种机理的聚合反应，包括阳离子聚合、阴离子聚合、自由基聚合、配位聚合、缩合聚合、开环聚合等，并表现出对传统釜式反应器的显著优势。从当前的发展趋势来看，微反应器在聚合反应中的应用将成为化工和高分子领域的研究热点之一[39]。
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IWASAKI等[40]分别用常规的釜式反应器和微反应器进行了甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸丁酯的自由基聚合反应，并对合成产物的分子量进行检测。结果显示：在相同的反应时间和产率前提下，微反应器生产的3种聚合物的分子量分布指数（PDI）均在4以下，比常规的釜式反应器生产的聚合物均有明显改善。
2.6 高温高压的反应
RAZZAQ等[41]研究了丙烯基苯基醚的Claisen 重排反应，见图7。在传统反应器中进行该反应时，反应温度250℃、压强1.3MPa，反应时间1～2h。利用微反应器进行该反应时，以甲苯为溶剂，经过仔细优化条件，在240℃、10MPa的条件下反应，得到了高纯度和高收率的产物，且仅仅有不到5%的副产物形成。这个Claisen重排反应对于温度的改变非常敏感：在<230℃条件下，转化会不完全，影响收率；在更高的反应温度下，会有许多副产物形成。因此不允许通过提高反应温度来减少反应时间。通过这个例子可以看出，利用微反应器来优化反应条件显得尤为重要。
图7 Claisen重排反应
2.7 在线及时监控反应
微反应器系统集成化程度很高，可以在化学反应过程中通过传感器、控制器等分析监测装置实时掌握反应的进行程度，及时做出最优化的处理方式。在传统的批处理反应器中也可以监测反应来确保产品的质量，但是一旦发现有杂质出现时，整个反应产品往往已经被污染了。在微反应系统中的快速检测系统可以确保反应物不会被大量污染。其中应用广泛的有高效液相色谱法（HPLC）、紫外-可见光谱（UV/Vis）和红外光谱（IR）等技术。
GOMEZ-DE等[42]报道了利用计算机控制微反应器合成水溶性CdS和CdS/ZnS的纳米晶体，并且在线监测反应的过程，很好地控制了反应的进行，改善了量子产率和粒径分布；VAN DEN BROEK 等[43]研究了利用微反应器在线IR技术监控芳烃化合物的甲酰化反应，很好地控制了危险活性中间体的产生；GROSS等[44]报道了利用微反应器在线IR 和X射线高空间分辨率显微光谱技术进行多步有机转换的过程。
3 微反应器的主要应用领域
3.1 精细化工和制药工业
精细化工和制药行业中50％的反应都可能受益于主要基于微反应器技术的连续工艺，目前微反应器在精细化工和制药工业中的使用正在变得越来越普遍[45-46]，驱动力主要有工艺开发需求、产品的收率、产品的产量、生产安全以及便于操作等[47]。
在精细化工领域，许多反应对于温度的要求非常苛刻，需要在几百度或者零下几十度的条件下进行，这就需要通过滴加物料才能很好地控制反应温度。常规的反应器很难完成这样的操作，微反应器凭借微尺度的特性可以很好地控制温度和反应时间，保证反应顺利进行。在制药工业，新药的研发是一个耗时且耗资巨大的过程，选出优良品质的先导化合物是药物筛选的一个至关重要的过程，微反应器技术可以和基因分析设备进行集成，内部非湍流的环境和高敏感性生物测定系统的集成都为药物的筛选提供了有力条件，可以完成高通量的药物筛选，在药物研发领域应用广泛[48]。微反应器技术还可以降低先导化合物筛选的成本，提高优化的速度，降低实验次数和试剂的成本[49]。BRAUNE等[50]报道了利用微反应器生产选择性氟化的药物产品，并且在9个月内完成从实验室规模到生产500kg高质量产品的生产过程。PENNEMANN等[51]报道了利用微反应器合成苯基硼酸，反应器是基于分割和重组的混合原则的高流率微混合器，产率可以达到89%并且产品苯基硼酸中没有二苯代硼酸的污染，相比于传统的间歇过程产率提高了20%并且减少了能量消耗。MAURYA等[52]研究了串级的微反应器合成非常重要的精细化工和药物中间体重氮乙酸乙酯，结果显示可以达到99%的收率并且产生的有毒有害废物几乎可以忽略。大量事实表明，连续流的微反应器可以使精细化工及制药工业趋向更经济、高质量、安全生产和环境友好[53]。
3.2 生物化学
多种重要化合物的生物合成已经在基因工程主体中得到了展示，但是鉴于生理系统的复杂性等诸多因素都限制产品的收率和对反应条件的控制，也表现出对于大规模工业生产的不适应性。微反应器技术作为一种替代途径将会消除这些缺点并且适合进行工业化生产[54]。目前微反应器技术已经进入生物催化领域，将微反应器技术和生物催化进行结合
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将会是一项关键的绿色化工程，一些常见类型的酶微反应器已经在均相、非均相和多相系统中展现出了优良的性能[21]。目前酶在诊断中的应用如酶联免疫吸附实验（ELISA）已经引起极大的关注[55]。酶参与的微反应器已经在分析检测领域得到广泛的应用，优点是酶的用量非常少，在蛋白质的水解方面优势明显。可以利用微反应器高比表面积的优点将酶固载在固体载体上或者微通道的内壁上，制成固定酶微反应器[56]，是微反应器技术在生物方面的重要应用之一。MIN等[57]研究了微反应器内固定化乙酰胆碱酯酶从自然提取物筛选抑制剂；IQBAL等[58]报道了将毛细管电泳用于固载酶微反应器，结果显示这种处理方法节省样品、成本低、时间短。近几年又研究了将酶固载到微反应器内的纳米材料上，可以展示出高的酶反应性[59]。SUHAS等[60]报道了多种利用微反应器技术合成缩氨酸的方法。此外微反应器技术也为DNA的分析提供了便利。比如生物有机合成中常常会将DNA片段进行成倍地放大以备进一步的研究，即DNA扩增技术。SCHAERLI 等[61]就利用微反应器进行了聚合酶链反应（PCR），实现了快速的DNA扩增。
4 微反应器面临主要的挑战
4.1 堵塞
微反应器技术起源于20世纪90年代，到目前为止还属于一种新兴技术，虽然发展很快，但是仍然存在一些挑战。微反应器目前面临的最主要问题就是微通道的堵塞问题[62]。当有固体物质（催化剂、试剂、产品和副产品）参与反应时，通道中会出现沉积、生长或者架桥现象，这会限制微反应器内的液体流动速度，影响液体混合并且会提高压降，最后很可能导致反应失败[63]。
针对堵塞问题，目前已经有诸多的解决方法。SCHOENITZ等[64]阐述了目前微反应器内所有类型污垢的研究进展，包括结晶、颗粒、化学反应、腐蚀、生物污染和气泡，并分别介绍了相应的缓解或者阻止污垢形成的方法。将微通道管壁面设计得足够光滑可以有效缓解固体沿着壁面的沉积，比如纯氟表面[65]。多段液-液流的使用可以限制固体粒子和通道内壁的相互作用，但是这种方法需要使用额外的溶液，可能会降低反应的效率或者出现这种额外溶液和特定的溶剂不兼容现象。还可以利用超声辐射减轻堵塞，这是因为超声波振动可以抑制沉淀物在管道中的附着和沉积[28，66]；其他方法还有使用分散相液滴包裹粒子来减少粒子和管壁的相互作用以及使用鞘流技术产生纳米粒子来减轻堵塞等[67-68]。虽然针对于堵塞问题已经有很多措施，但是仍然缺少将不溶性物质分离出来的有效方法，这将限制微反应器技术的发展。
4.2 催化剂负载
微反应器中化学反应经常涉及到催化过程，鉴于微通道的尺寸很小，这就对催化剂装载方式提出了很高的要求。催化剂的负载方式主要有两种：将催化剂涂敷在微通道内壁或者催化剂载体上。但是当催化剂被涂敷在表面时，容易出现低附着性、容易脱落、更换困难和加工费用高等问题，这都会对微反应器的产品化开发过程产生障碍[69]。配位体和催化剂载体之间的连接经常会导致催化剂活性的降低，而一些常见的聚合物载体会发生膨胀堵塞微反应器[65]，因此催化剂的装载方式很大程度上决定着产品的选择性[70]。目前应用最多的催化剂载体是多孔材料，尽管关于多孔材料作为催化剂载体的研究很多，但是催化剂的粘附特性和高效的装载方式仍然有待于进一步优化，均质催化剂的固定仍然是一个长期存在的挑战。
4.3 微通道的设计和制造
微通道的制作经过几个阶段的发展，虽然目前已经可以设计出复杂的结构通道，比如基于光刻母模板的软刻法，制作工艺已经很成熟，但是制作的成本仍然很昂贵，因此开发简化的制作工艺、降低制作成本是一项艰巨的任务[71]。对于高通量的微流体系统，快速均一的液体分布十分重要。微通道的几何构造将会决定流体的分布并最终影响产品质量，而优化微通道的几何结构是一项复杂的过程和挑战，因此开发一种精度高、成本低的微通道制造技术是急需要解决的难题[72]。
5 结语与展望
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。
展望未来的微反应器技术，需要在以下几方面做出更深入的研究。
（1）在理论方面，许多宏观的理论在微尺度方
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面已经不完全实用，需要深入系统地完善微反应器的理论体系。
（2）在应用范围方面，虽然利用微反应器已经完成了很多反应，但仍有部分反应在微反应器领域还没有找到合适的发展路线，因此期待将微反应器技术引入到更广泛的反应系统中。
（3）在加工技术方面，开发新的微反应器制造技术，特别是微通道的设计和制造，确保制作工艺简单高效、精度高、成本低。
（4）在功能方面，还应该加强集成化水平，提高实时监测和控制的能力，确保反应过程更符合可持续发展的要求。
显然，未来的化学化工领域，微反应器技术仍然有很广阔的发展空间，人们将会看到微反应器技术更大的发展潜力。
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第6章工业化学反应过程及反应器 6.1 概述 1．工业化学反应过程的特征 在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。 化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。 大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。 实践证明，同一化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面： ①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。 ②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。 ③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。工业反应器内存在一个停留时间分布。 工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程。 2．化学反应工程学的任务和研究方法 化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。在一般的化工单元操作中，通常采用的方法是经验关联法，例如流体阻力系数、对流传热系数的获得等等，这是一种实验-综合的方法。但化学反应工程涉及的内容、参数及其相互间的影响更为复杂，研究表明，这种传统的方法已经不能解决化学反应工程问题，而采用以数学模型为基础的数学模拟法。 所谓数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。 建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，它将复杂的反应工程问题先分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法予以描述。
微通道反应器是微化工技术发展过程中研发的新型反应器产品，依据微化工技术着重研究的时空特征尺度的特点，该类型反应器具有微米级尺寸的反应通道。 相比于传统化工设备，微通道反应器内部通道尺寸小，流体薄层间距离极短，通过流体微团的介观粘性变形和分子扩散可实现反应物料间的快速微观混合；微通道反应器具有极大的比表面积，流体与器壁间有充分的接触面积，故而使换热效率显著提高，可实现反应过程中的原位高效换热；再者，微通道反应器通道内微小的持液量使得微通道反应器具有明显的安全性能；综上特点，该类反应器可应用于快速混合、强放热及易燃易爆的化工反应过程，并且能显著提高过程安全性以及实现连续化操作的过程。 一、微通道反应器有很多特点： (1)比表面积大，传递率高，接触时间短，副产物少:微反应通道特征尺度小，微通道比一般为5000 ~50000m2.m,单位体面积上传热、传质能力显著增强。(2)快速、直接放大：传统放大过程存在着放大效应，通过增大生产设备体积和规模达到放大目的，过程耗时费力，不能根据市场需求立即作出相应的反应，具有滞后性。而微反应系统呈多通道结构,每一通道相当于一独立反应器，在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大，只需并行增加微反应器的数量，即所谓的“数增放大”。(3)安全性高：大量热量也可以及时移走，从而保证反应温度维持在设定范围以内，最大程度上减少了发生事故可能性。(4)操作性好：微反应系统是呈模块结构的并行系统，具有便携
性好特点，可实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货,真正实现将化工厂便携化，并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产具有很高的操作弹性。 目前在大多数含能材料的合成过程中常伴有剧烈的放热反应，在这些反应过程中一旦温度控制不好，就会在短时间释放大量的热量和气体，从而引起冒料等一系列严重后果。在强放热反应过程中，一般很难控制反应温度，也很难实现高效快速混合。对强放热反应过程，常规反应器一般采用逐渐滴加的方式加料，即使这样，在滴加的瞬时局部也会因过热而产生一定量的副产物。 相对常规反应器，微反应器因有较高的比表面积而能缩短反应时间，从而实现快速传热并保持恒温；而且微反应器能提供快速混合，能及时导出热量，反应温度可实现精确控制，因此消除了局部过热，显著提高反应的收率和选择性。所以将微反应器和强放热反应结合起来，可以减小生产危险性、减少副产物并提高生产效率。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项
论述化学反应器的分类和化学反应的基本类型 <一>化学反应的基本类型 摘要 一提到化学反应类型，不少学生都认为是“化学反应基本类型”，答案只能在化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应四种情况里选一种，除此之外的答案都是错的，这给学生带来很大困惑。本文探讨了“化学反应基本类型”的本质和局限性，并探讨了复分解反应的两个疑难问题。本文还详细介绍啦化学反应器的分类，让大家更详细的了解到在化学应用中化学反应器的分类 关键词；化学反应器化学反应基本类型原理 一、问题的提出 化学反应的基本类型有四种，即化合反应，分解反应，置换反应，复分解反应。在对化学反应进行分类时，学生常遇到以下困惑： 1.氧化还原反应、中和反应等反应为什么不属于反应基本类型？ 2.有很多反应为什么没有相应的反应基本类型？ 3.非金属氧化物与碱的反应为什么不属于复分解反应？ 4.碳酸盐与酸的反应被认为是复分解反应，这是为什么？ 对于这些问题，机械地利用概念来解释，缺乏说服力，而且第四个问题用概念无法解释，因为复分解反应的概念是两种化合物相互交换成分，生成另外两种化合物的反应，第四种反应有三种化合物生成。 欲解决这些问题，需要弄清楚“反应基本类型”内涵和外延。 二问题的解决 （一）探究所描述的化学反应信息 从具体实例来探究“反应基本类型”所描述的化学反应信息。 1. 3Fe+2OFeO，化合反应——几种成分（Fe和O）结合在一起。 2. 2Fe(OH)=FeO+3HO，分解反应——结合在一起的几种成分（Fe、O、H）分开。 3. Fe+CuSO=FeSO+Cu，置换反应——一种成分（Fe）替换另一种成分（Cu）。 4. 2Fe(OH)+6HCl=2FeCl+6HO，复分解反应——正价态成分（Fe和H）或负价态成分（OH 根和Cl）相互交换。 四种基本类型都是通过成分组合方式的变化来描述化学反应过程的，这就是“反应基本类型”的内涵。而氧化还原反应是通过电子的转移来描述化学反应过程的，中和反应是通过酸碱性的相互消除来描述化学反应过程的，它们的内涵与“反应基本类型”不相符合，所以都不把它们列入“反应基本类型”的范畴。 （二）反应基本类型外延 “反应基本类型”的外延只有四种，面对纷繁复杂的化学反应，这样的外延太窄了，部分反应特别是很多的有机化学反应被排除在“反应基本类型”之外。如同很多观众到了一个小剧场，位子不够，一部分人无法对号入座。所以像这样的情况，并不意味着它们根本上没有相应的反应类型，只是目前还不能对它们变化的特点进行恰当描述罢了。 查现代汉语词典，“基本”的含义有：①根本：人民是国家的～。②根本的：～矛盾。③主要的：～条件∣～群众。④大体上：大坝工程已经～完成。用“基本”来修饰反应类型，是哪种含义呢？是“根本”（最重要的意思）的反应，其它反应都不重要？是“主要的”反应，其它反应都是次要的反应？无论选择那种含义，都不合适。
第6章工业化学反应过程及反应器 概述 1．工业化学反应过程的特征 在化工生产中，大部分都包含化学反应，而化学反应有关的工序的设计问题，都是属于化学反应工程学的问题。 化学反应工程的概念是在1957年第一次欧洲化学反应工程会议上首先提出的。六十多年来，化学反应工程得到了迅速的发展，逐步形成了一门独立的学科，成为化学工程的一个分支。化学反应工程学，它是以工业反应器为主要对象，研究工业规模的化学反应过程和设备的共性规律的一门学科。 大家知道，化工产品的生产都涉及到化学反应工程，然而化学反应过程，特别是在工业规模下进行的化学反应过程，其影响因素是错综复杂的，它不仅受化学热力学和化学动力学的制约，还与化学反应器的类型、结构和尺寸有很大的关系。 实践证明，同一化学反应在实验室或小规模进行时可以达到相对比较高的转化率或产率，但放大到工业反应器中进行时，维持相同反应条件，所得转化率却往往低于实验室结果，其原因有以下几方面： ①大规模生产条件下，反应物系的混合不可能像实验室那么均匀。 ②生产规模下，反应条件不能像实验室中那么容易控制，体系内温度和浓度并非均匀。 ③生产条件下，反应体系多维持在连续流动状态，反应器的构型以及器内流动状况、流动条件对反应过程有极大的影响。工业反应器内存在一个停留时间分布。 工业反应器中实际进行的过程不但包括化学反应，还伴随有各种物理过
程，如热量的传递、物质的流动、混合和传递等，这些传递过程显著地影响着反应的最终结果，这就是工业规模下的反应过程。 2．化学反应工程学的任务和研究方法 化学反应工程学研究生产规模下的化学反应过程和设备内的传递规律，它应用化学热力学和动力学知识，结合流体流动、传热、传质等传递现象，进行工业反应过程的分析、反应器的选择和设计及反应技术的开发，并研究最佳的反应操作条件，以实现反应过程的优化操作和控制。①改进和强化现有的反应技术和设备，挖掘潜力②开发新的技术和设备。③指导和解决反应过程开发中的放大问题。④实现反应过程的最优化。⑤不断发展反应工程学的理论和方法。 化学反应工程学有着自身特有的研究方法。在一般的化工单元操作中，通常采用的方法是经验关联法，例如流体阻力系数、对流传热系数的获得等等，这是一种实验-综合的方法。但化学反应工程涉及的内容、参数及其相互间的影响更为复杂，研究表明，这种传统的方法已经不能解决化学反应工程问题，而采用以数学模型为基础的数学模拟法。 所谓数学模拟法是将复杂的研究对象合理地简化成一个与原过程近似等效的模型，然后对简化的模型进行数学描述，即将操作条件下的物理因素包括流动状况、传递规律等过程的影响和所进行化学反应的动力学综合在一起，用数学公式表达出来。数学模型是流动模型、传递模型、动力学模型的总和，一般是各种形式的联立代数方程、微分方程或积分方程。 建立数学模型的过程采用了分解-综合的方法，它将复杂的反应工程问题先分解为较为简单的本征化学动力学和单纯的传递过程，把两者结合，通过综合分析的方法提出模型并用数学方法予以描述。
微反应器，即“微通道反应器”的简称。顾名思义，微反应器是一种反应物质在微小通道内连续流动、发生反应、同时实现换热的装备。然而，随着精细化工行业对微反应器用于化学品一定规模工业化生产的需求，微反应器通道的不断优化与改进，微反应通道尺寸早已达到毫米级。而我们可以使用它进行很多复杂且危险的实验了，并且成功解决了很多之前使用传统反应器所造成的弊端。而在医药制造领域这个成效是非常显而易见的。下面我们就为大家详细介绍一下。 一、在化工产品生产中的应用 由于香精挥发性高、留香时间短影响终产品的品质，所以香精香料的缓释和控释技术是目前国内外研究的热点和难点。微胶囊香精技术是香精香料的缓释和控释技术中非常重要的一种，主要是指制造固体香精的技术。它是指选择某些特殊材料以物理结合或化学结合与香精分子之间形成一定的包覆关系，从而减缓或控制香精香料在应用中的挥发性，延长香精香料的留香时间。目前商品化的微胶囊香精基本上由三聚氰胺-甲醛的界面聚合反应制得，但是该工艺中存在不少问题——使用了大型反应器、反应时间长、以环境不友好的化合物为原料，而且微胶囊强度不理想导致其储存稳定性不高。 二、微反应技术在化工安全中的应用 特别地，在精细化工领域，微反应技术所具有的优势能极大地提高精细化工过程的本质安全性: 极大的传热系数，能让反应接近等温条件下进行，没有热点的聚集，对于放热量巨大的快速化学反应，控制过程失控具有重大意义; 通过控制通道尺寸小于易燃易爆物质的
临界直径，能有效地阻断自由基的链式反应，从而使爆炸无从发生; 多反应单元线性组合可以保证即使有毒有害物质发生泄漏，泄漏量也非常小，对周围环境和人体健康造成的危害有限，且能在其他单元继续生产的同时予以更换。有研究统计，现阶段微反应技术可应用在20% ～30%的精细化工反应中，提升反应安全性，由于精细化工面宽量多，这已经是一个相当大的应用规模。另外随着基础研究和设备制造的进步，该应用比例还会进一步提高。 微反应技术提高了产品的收率，减少了副产物的产生，降低了能耗，并且微反应器因其微小的反应体积特性，而对试剂消耗量减少。从环保角度来说它可以有效减少化工产业中污染物的排放实现可持续发展。目前，微反应器技术广泛涉猎于精细化研发和生产的各个领域，比如在农药中间体、医药中间体、染料中间体、纳米材料、环保处理、萃取、乳化等等，等多个工业化项目中有较为成功的使用。 上海惠和化德生物科技有限公司，是一家专注于微反应器连续工艺开发及工业化的创新性高科技公司。公司于2015年6月在中国（上海）自由贸易试验区内成立，随着业务的发展，公司于2019年10月整体搬迁至上海化学工业园内。公司上海本部实验室配备十余套微反应器，并与梅特勒托利多共建化学过程联合实验室、与沈阳化工研究院和上海化工研究院共建过程安全联合体、与南大淮安高新技术研究院共建特殊反应实验室等。公司主要服务于国内外精细化工企业，帮助客户进行微反应器连续流工艺咨询与评估、工艺开发、工业化项目投资和管理等。公司立足于客户具体项目，以“以终为始”的项目
1. 高密度反应器 1.1高密度反应器简介 高密度澄清技术是采用泥渣循环的高密度沉淀处理技术，适用于饮用水生产、污水处理、工业废水处理和污泥处理等领域。每座高密度沉淀池工艺区域包括凝聚反应区、絮凝反应区、沉淀区、集水区、污泥循环设备、污泥排放设备等，各区域功能如下： (1) 反应区 反应区分为两个部分：快速混凝搅拌反应池和慢速混凝搅拌反应池。前者可以使反应池内水流均匀混合，并为絮凝和聚合电解质的分配提供所需的动能；后者可以产生扫粒絮凝以获得较大的絮状物，达到沉淀区内的快速沉淀。 (2) 预沉区/浓缩区 为避免冲碎已形成的较大絮状物，已形成的絮状物通过一个较宽的进水口流到沉淀区。为取得更好的沉淀效果，可在沉淀区内设置异向流斜管，并在集水区内的每个集水槽底部设隔板，把斜管部分分成几个单独的水力区，保证斜管下面的水力平衡。 (3) 斜管分离区 在逆流式斜管沉淀区沉淀剩余的矶花。通过固定在清水收集槽下侧的纵向板进行水力分 布。澄清水由一个集水槽系统回收。絮凝物堆积在澄清池的下部，形成的污泥也在这部分区域浓缩，通过刮泥机将污泥收集起来，循环至反应池入口处，剩余污泥排放。 1.2高密度混凝机理 (1) 内筒循环和污泥回流产生均质的絮凝体和高密度的矶花 水流在内筒和外筒之间循环的独特设计，加大了絮体的水力停留时间；浓缩区上部的污 泥回流，增大了反应区中絮体颗粒的碰撞几率。由此形成的高密度矶花具有优良的絮凝沉降 性能和良好的抗冲击性能。 (2) 推流式反应池至沉淀池之间的慢速传输 絮凝区和沉降区的平稳结合过渡，使絮凝后的水平稳慢速地进入沉降区，大部分絮体在 进入斜管前就已经沉降，通过斜管后可进一步降低浊度。 1.3高密度反应器工艺特点 (1) 独特的一体化反应区和水流内筒循环设计，提高了混凝效率。⑵增加了污泥回流装置，提高了反
过程强化技术 结业论文 论文题目：微反应器技术及其在有机反应中的应用姓名：姜炜 学号：10110494 学院：化工学院 班级：循环110
摘要 近年来，微反应器技术已逐渐成为国际化工技术领域的研究热点。该文介绍了微反应技术的研究进展；阐明了微反应器的特殊优势；分析了微反应器适合的化学反应；列举了大量微反应器在有机化学中应用的成功案例。 关键词：微反应器，有机氧化，有机合成
Abstract As an emerging technology,micro-reaction technology is becoming an increasing hot spot in the global chemical industry.The advances of this technology are introduced. This paper demonstrates the superior advantage of micro-reactor,types of chemical reactions that could benefit from the micro-reactor are discussed.In the major part of this paper,many successful applications of micro-reaction technology are presented. Keywords: micro-reactor,oxidation of organic,organic synthesis
目录 1 微反应器的分类............................. 错误！未定义书签。 1.1 气固相催化反应器 (2) 1.2 液液相微反应器................................... 错误！未定义书签。 1.3 气液相微反应器................................... 错误！未定义书签。 1.4 气液固三相微反应器 (3) 1.5 电化学和光化学微反应器 (3) 2 微反应器的反应特征 (4) 2.1 反应温度能够精确控制 (4) 2.2 物料能够精确比例................................. 错误！未定义书签。 2.3 反应时间的精确控制 (4) 2.4 小试工艺能力可以直接放大 (4) 2.5 有着良好的操作性 (4) 2.6 结构安全性 (5) 3 微反应器适合的反应类型 (6) 3.1 放热剧烈的反应 (6) 3.2 反应物或产物不稳定的反应 (6) 3.3 对反应物配比要求很严的快速反应 (6) 3.4 危险化学反应以及高温高压反应 (6) 3.5 纳米材料及需要产物均匀分布的颗粒形成反应或聚合反应 (7) 4 反应器的优点总结 (8) 4.1 温度控制 (8) 4.2 反应器体积 (8) 4.3 转化率和收率 (8) 4.4 安全性能 (8) 4.5 放大问题 (9) 5 微反应器在有机氧化反应中的应用 (10) 5.1 低温Swern氧化反应 (10) 5.2 高温硝化反应 (11) 6 微反应器在有机合成方面的应用 (14) 7 结语 (18) 8 参考文献 (19)
反应器的类型： 自从1913年德国的Berg ius发明煤直接液化技术以来, 德国、美国、日本、前苏联等国家已经相继开发了几十种煤液化工艺, 所采用的反应器的结构也各不一样。总的来说, 迄今为止, 经过中试和小规模工业化的反应器主要有3种类型: 鼓泡式反应器 鼓泡床反应器结构简单, 其外形为细长的圆筒, 其长径比一般为18~ 30, 里面除必要的管道进出口外, 无其他多余的构件。为达到足够的停留时间,同时有利于物料的混合和反应器的制造, 通常用几个反应器串联。氢气和煤浆从反应器底部进入, 反应后的物料从上部排出。由于反应器内物料的流动形式为平推流(即活塞流) , 理论上完全排除了返混现象, 实际应用中大直径的鼓泡床反应器液相有轻微的返混, 因此也有称该种反应器为活塞流反应器。日本液化工艺和德国液化工艺鼓泡床反应器是典型的液化鼓泡床反应器, 其结构如图1和图2所示。德国在二战前的工艺( IG ) 和新工艺( IGOR )、日本的NEDOL工艺、美国的SRC和EDS以及俄罗斯的低压加氢工艺等都采用了这种反应器。相对而言它是3种反应器中最为成熟的一种。日本新能源开发机构组织了10家公司合作开发了NEDOL液化工艺, 在日本鹿岛建成了150t /d中试厂[ 8 ] 。该厂于1996 年7 月投入运行, 至1998年完成了1个印尼煤种和1个日本煤种的连续运行试验。NEDOL 工艺反应器底部为半球形,由于长期运转后, 反应器底部有大颗粒的沉积现象, 因此反应器底部有定期排渣口, 定期排除沉积物。德国IG 公司二战前通过工业试验发现, 用某些褐煤做液化试验时, 第一反应器运行几个星期后, 反应器就会因为堵塞而停下来, 里面积聚了大量的2~ 4 mm 的固体。经过分析, 发现固体主要是矿物质, 而没有新鲜煤, 后来他们在反应器的圆锥底部进料口的旁边安装了排渣口, 才解决了堵塞问题。另外他们也发现, 鼓泡床反应器内影响流体流动的内构件, 特别是其形状易截留固体的构件越少, 反应器操作就越平稳。因此, 工业化鼓泡床反应器实际上是空筒。 强制循环悬浮床反应器： 因H - Coal工艺反应器内催化剂呈沸腾状态, 因此也称之为沸腾床反应器。美国HR I公司借用H - O il重油加氢反应器的经验将其用于H - Coal煤液化工艺, 使用Co /Mo催化剂, 只要催化剂不粉化, 就呈沸腾状态保持在床层内, 不会随煤浆流出, 解决了煤炭液化过去只能用一次性铁催化剂, 不能用高活性催化剂的难题。为了保证固体颗粒处于流化状态, 底部可用循环泵协助。
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第1期 ·10· 化 工 进 展 微反应器在化学化工领域中的应用 刘兆利，张鹏飞 （天津大学化工学院，天津 300072） 摘要：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、易于放大、安全性能好等特点。和传统搅拌反应器相比，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堵塞，催化剂负载、微通道的设计与制造难度大等问题。本文介绍了近年来快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领域的应用以及微反应器在精细化工和制药工业、生物化工领域的应用实例，讨论了微反应器目前存在的诸多挑战。微反应器目前是化学和化工学科的前沿和热点方向，分析表明微反应器仍然有很大的发展空间，有潜力改变化学化工前景。提出应进一步深入系统地认识微反应器内化学反应以及微通道设计的基本规律和机理，将微反应器技术引入更广泛的反应体系中，加强微反应器的集成化水平。 关键词：微反应器；微通道；微尺度；层流；安全 中图分类号：TQ 052 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）01–0010–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.002 Applications of microreactor in chemistry and chemical engineering LIU Zhaoli ，ZHANG Pengfei （School of Chemical Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ） Abstract ：Microreactor belongs to the miniature chemical reaction system ，which has some characteristics of high heat- and mass- transfer rates ，strictly-controlled reaction time ，easy scale-up ，excellent safety performance ，and so on. Comparing with the common batch reactors ，advantages of microreactors are reducing reaction time ，greatly promoting conversion and yields. On the other hand ，there are some existing challenges ，such as the clogging problem ，catalyst loading ，design and fabrication of microchannels ，and so on. This paper aims to introduce the microreactor technology ，which has been growing rapidly in recent years. Some of the basic characteristics of microreactor are summarized focusing on applications of microreactor in chemistry and chemical engineering as well as some of typical examples of existing in fine chemical and pharmaceutical industry. A variety of challenges are also discussed. Microreactor is a frontier and hot topic in the research of chemistry and chemical engineering and analysis shows that microreactor still has very big development space and has the potential to change the chemistry and chemical engineering landscape. In the future ，further in-depth and systematic understanding of the regularities and mechanisms of chemical reaction in microreactor and design of microchannels should be emphasized. Introducing the microreactor technology into more reaction systems and further improving the integration level still need to be perfected. Key words ：microreactor ；microchannels ；microscale ；laminar flow ；safety 收稿日期：2015-07-08；修改稿日期：2015-07-29。 第一作者：刘兆利（1989—），男，硕士。E-mail liuzhaoli0302@https://www.doczj.com/doc/4a3341342.html, 。 联系人：张鹏飞，副研究员，研究方向为化工传质与分离。E-mail zhangpf@https://www.doczj.com/doc/4a3341342.html, 。
化学反应器的分类及特点 秦财德 （中南大学、化学化工学院、化工1002班） 摘要: 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样。化学反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。本文主要介绍化学反应器的分类和特点 关键词：化学反应器特点典型反应 现在的化工反应器在向高精端方向发展，在化工反应中处于主要地位，化学反应器是化学反应的载体,是化工研究、生产的基础,是决定化学反应好坏的重要因素之一,因此反应器的设计、选型是十分重要的。反应器的种类很多，设计和选型很重要，座椅应该按照实际情况来设计制造。 一．釜式反应器 （一）反应器的简介 一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 （二）反应器的特点 反应器中物料浓度和温度处处相等，并且等于反应器出口物料的浓度和温度。物料质点在反应器内停留时间有长有短，存在不同停留时间物料的混合，即返混程度最大。反应器内物料所有参数，如浓度、温度等都不随时间变化，从而不存在时间这个自变量。 优点：适用范围广泛，投资少，投产容易，可以方便地改变反应内容。 缺点：换热面积小，反应温度不易控制，停留时间不一致。绝大多数用于有液相参与的反应，如：液液、液固、气液、气液固反应等。 （三）典型反应： 在等温间歇反应器中进行乙酸乙酯皂化反应： CH3COOC2H5+NaOH CH3COONa+ C2H5OH 二．管式反应器 （一）反应器的简介 管式反应器一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。这种反应器可以很长，如丙烯二聚的反应器管长以公里计。反应器的结构可以是单管，也可以是多管并联；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。通常，反应物流处于湍流状态时，空管的长径比大于50；填充段长与粒径之比大于100(气体)或200（液体），
化工学术讲座课程论文 题目微反应器介绍及其研究进展 学号 姓名 成绩 老师签名 定稿日期：2015 年12 月20 日
微反应器介绍及其研究进展 摘要：近年来，随着微尺度下“三传一反”研究的进展，微尺度流体的性能得到了深入揭示，微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。本文系统介绍了微反应器的结构特点、性能优势、研究进展，进而分析了微反应器的发展方向。 关键字：微反应器；微反应技术 1 引言 进入21世纪，化工过程向着更为绿色、安全、高效的方向发展，而新工艺、新设备、新技术的开发对于化工过程的进步是十分重要的。在这样的背景下，微化工系统的出现吸引了研究者和生产者的极大关注。微化工系统并非简单的微小型化工系统，而是指带有微反应或微分离单元的新型化工系统。在微化工系统中，微反应器是重要的核心之一。 “微反应器(microreactor)” 最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器，其尺寸约为10 mm。随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域，前缀“micro”含义发生变化，专门修饰用微加工技术制造的化学系统。此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器，但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化，更重要的是它具有一系列新特性，随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。 现在所说的微反应器一般是指通过微加工技术制造的带有微结构的反应设备，微反应器内的流体通道或者分散尺度在微米量级[1]，而微反应器的处理量则依据其应用目的的不同达到从数微升/分钟到数万立方米/年的规模。近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方向的研究工作发展十分迅速，带动了微反应器技术的快速发展。 微反应器内流体的存在状态不同于传统的反应器，其内部流体的流动或分散尺度在1μm到1mm之间，这种流体被称为微流体。微流体相对于常规尺度的流体具有一定的特殊性, 主要体现在流体力学规律的变化、传递过程的强化、固有的安全性以及良好的可控性等。目前，微反应器已经被广泛应用于化学、化工、
Unit4. Reactor Types反应器类型 设计反应器的目的是以特定速度生产已知反应的特定产品。为了达到最好的结果，要做出大量重要的决定需要相当的聪明才智。 一开始该解决重要的问题。用哪种操作方法使用什么类型的反应器？反应以间歇过程，连续流动过程还是两者混合的方式进行。反应器将等温、绝热或以某种中间方式操作吗？让我们简要回顾一下反应类型 4.1均相和非均相反应器 化学反应器可以分为两类，均相和非均相。在均相反应器中，通常只存在气相或液相。如果涉及一种以上反应物，规定必须把他们混合形成一个均匀的整体。通常情况下，混合反应物是开始反应的方式，尽管有时反应物被混合到所需的温度。 在非均相反应器中存在两相或可能是三相，常见的例子是气液，气固，液固和液液系统。在其中一个相是固体的情况下，它通常以催化剂的形式存在；气固催化反应器是一类重要的均相化学反应体系。在非均相反应器中，化学反应本身可能是真正的非均相，但事实并非如此。在一个气固催化反应器中，反应发生在固体表面因此它是均相的。然而，通过液体冒泡到气体中可能只是为了溶解液体中的气体，然后在气体中反应均匀；反应是均相的，但反应器是非均相的，因为它需要在气液两相之间有效接触。通常，非均相反应器比均相反应器在结构和接触方式上有更大的准确性。 4.2搅拌釜式反应器 搅拌槽式反应器，经过高度的反向混合，反应物在整个容器中的浓度是均匀的。这些反应器需要考虑的主要问题是良好的混合、在液体介质中有效的气体的分散以及均匀的传热。反应器可间歇操作或连续操作。在间歇模式下，
对反应物和催化剂进行填充，将反应器加热到所需温度，反应完成后，产品冷却并排放。在连续操作模式下(看图3-4)，反应物和催化剂混合物连续填充。产品与废催化剂的混合物也连续排放。搅拌槽反应器也可以在半间歇(或半连续)模式下操作，其中液体基质和催化剂在开始时充满，同时连续引入气体或第二反应物。 间歇式和连续式搅拌釜式反应器都适用于对底物浓度表现出零级动力学的反应。换句话说，在操作条件下，速率是快是慢与底物的浓度无关。然而，对于以底物浓度为准的伪零级动力学反应，，优选间歇式罐式反应器。当反应物有可能缓慢使催化剂失活，或者有可能通过平行反应途径生成副产物时，间歇罐反应器也是理想的选择。 搅拌釜式反应器是一种圆柱形容器，它经常设置挡板，以避免在搅拌过程中形成涡流。通常，四个宽度是反应 器直径的0.1倍的挡板相对于搅拌轴对称地布置。在底部装有一个喷雾装置，将气体引入液体。 搅拌槽式反应器设有夹套或浸入式线圈，用于加热或冷却反应介质。罐内介质的温度一般是均匀的。传热速率取决于传热面积、反应介质与加热或冷却液之间的温差以及传热系数。 搅拌器的功率消耗取决于搅拌器的尺寸、每分钟搅拌器的旋转数、粘度和介质的密度。当气体通过液体气泡时， 如氢化反应和羰基化反应时，对功率的要求就会降低. 搅拌或混合会使基体彼此靠近，这样它们就能反应。混合有两种类型，即宏观或块状混合和微混合。体积混合取决于容器和搅拌器的几何形状、搅拌器速度和溶液粘度。并且，搅拌时间与搅拌速度成反比。另一方面，微混合是一种微观现象。它是由分子扩散引起的，与机械搅拌无关。在间歇反应器中，块状混合比微观混合更常见。如果体积混合时间大于任何副反应的时间常数（反比速率常数），那么所需的产物选择性就会变差。 4.3管式反应器
在2019年10月31日在苏州举行的第四届中国国际化工过程安全研讨会中。国家应急管理部副部长召集相关学者和各公司代表就“提升化工行业本质安全水平、推进化工过程安全管理、防范化工重大安全风险”等话题进行座谈。马博士作为微反应技术领域的代表参加座谈，并发言。以下是根据马博士发言稿整理内容。 尊敬的孙部长，各位领导，各位专家，下午好！ 我们是一家致力于微反应连续化工艺开发与工业化放大服务的公司。刚才卫教授（注：天津大学卫宏远教授）说，精细化工的研发和工程化存在严重脱节。同样的，微反应技术的研发与工程化，也存在脱节。我们的在做的事，就是为了打通这个环节。
我今天想简单谈谈我对微反应器技术在精细化工中应用的一点体会。主要有两个方面的内容，一是，如何看待微反应器技术；二是，微反应器技术应用推广的困局。 一、如何正确看待微反应器技术 现如今，我们化学化工行业的同仁如果还没有听说过微反应的，那基本就out了。在如此广泛的认知度的情况下，对微反应器的真正理解却不够客观和公正。有人觉得微反应是神器，包治百病；有人觉得微反应没用，是一个噱头。这两种观点当然都有失偏颇。 微反应器技术，作为一种过程强化的流动化学技术，它仍然要遵从化工过程的“三传一反”。只不过，他的实现方式方法、参数范围出现了变化。而我们要处理的化学反应千变万化、各有不同。因此，微反应技术在化工生产中就存在着一定适用性的问题。它绝对不是一个颠覆性的完全替代技术，它是一个现有技术的补充技术。所以，希望全面的用微反应器来代替传统反应釜的想法，目前仍是不切实际的。我举个例子，比如硝化反应。硝化反应是我们都非常头疼的高危工艺。我记得2017年的时候，我们沈阳院程总（注：沈阳化工研究院总工程师程春生博士）问我，大概有多少比例的硝化反应可以用微反应呢？我经过调研，给出的答案是60-70%的硝化反应可以用微反应器技术。但是这个答案没有实操性，到底哪些可以用，哪些不能用呢？针对这个问题，我经过了差不多两年的论证、和实验，有了相对准确的判断指标。今天下午我在大会上的报告就会讲到这个问题。
摘要: 反应器的应用始于古代，制造陶器的窑炉就是一种原始的反应器。近代工业中的反应器形式多样,例如:冶金工业中的高炉和转炉；生物工程中的发酵罐以及各种燃烧器，都是不同形式的反应器。化学反应器用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。本文主要介绍化学反应器的分类和设计选择。 关键词：化学反应器，密闭，换热，自控 Abstract: the application of ancient reactors started, making pottery kiln is a primitive reactor. Modern industry in various forms, such as: reactor metallurgical industry of blast furnace and converter, Biological engineering of fermentation tank and various burner, are different forms of the reactor. Chemical reactors are used to implement the liquid single-phase reaction process and liquid liquid, gas and liquid, solid-liquid, gas liquid-solid etc multiphase reaction process. Containers have standing stirring (mechanical agitation, air mixing etc) devices. In high diameter is large, usable multilayer mixing blades. In the reaction process materials to heating and cooling, may in the reactor wall of setting clip, or in the device equipped with displacement heat surface, also through the heat
微反应器因为其良好的传热性和混合型近年来被广泛运用在化工生产开发中，并表现出了巨大的潜力。 而与传统的釜式反应器相比，微反应器的内部尺寸在几十到几百微米，并且内部具有几百万上千万条单独的通道。其特征是尺度通常为数百微米量级，反应物的扩散路程短，因此能显著缩短实现充分混合所需时间。传统釜式的混合时间通常为秒级，特征尺度极小的微反应器甚至达到毫微妙级的混合时间；小尺度还使微反应器的比面积小于100m2/m3，极少数可以达到1000m2/m3，而微反应器的比面积可以达到5000-50000m2/m3.大比表面积使微反应器具有良好的传热性能，更容易实现对反应温度的精确控制。依靠其良好的传热传质性能，微反应器可通过控温系统和流量调节方便地控制反应温度、反应物配比和反应时间等反应参数。除此之外微反应器系统因为相对封闭，不容易受到水、空气等杂质的侵入，可省去部分繁琐的除杂保护措施。为了保持小尺寸特性，微反应器的工业放大将主要依靠反应器数量的增加，不存在传统反应器在放大过程中出现的传热传质能力变化等问题。综上所述，微反应器在有机合成领域受到很大的重视。 聚合反应对于反应器的传热和混合有着较高的要求，而传统的釜式反应器并不能帮助研究者们制备出高性能的聚合产物。 聚合温度对于自由基聚合所产得的分子量和分子量分布有着很大的影响。所以所以对反应系统温度的控制是控制产品质量的关键因素。大部分自由基聚合都是较强的放热反应，而反应的速度较快。传统的反应釜传热和传质能力较差，往往导致反应体系内温度分布不均
匀，从而影响产物的分子量分布。而如果采用微反应器进行实验的话就可以明显改善反应的结果。 在上图的实验中，科学家们使用了T行微混合器和内径分别为250μm和500μm的微管式反应器系统，进行了一系列丙烯酸脂单体的自由基聚合。通过一系列反应证明了微反应器可以有效控制自由基聚合产物的分子量分布。 目前在微反应器聚合中研究较多的就是溶液聚合法，并将转化率控制在较低水平，以防止体系黏度过高堵塞管路。研究表明，非均相聚合在微反应器中同样有着应用前景。在分散良好的体系当中，连续相可以很好地防止高黏的分散相在管壁黏结或阻塞管路。科学家在微反应器装置内实现了苯乙烯的自由基乳液聚合，经过预乳化的乳液和引发剂溶液经过分合式微混合器混合后通入内径为1mm的微管中进行聚合。由于苯乙烯的聚合反应速度较慢且并不是强放热反应，微反应器内的反应动力学及所得产物的分子量和分子量分布结果接近釜式反应器。而在微反应器中进行这个反应，反应物和水通过K-M