反应设备--微反应器剖析

一、了解微通道反应器微通道反应器介绍微通道反应器本质上讲是一种连续流动的管道式反应器。

它包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。

目前，微通道反应器总体构造可分为两种：一种是整体结构，这种方式以错流或逆流热交换器的形式体现，可在单位体积中进行高通量操作。

在整体结构中只能同时进行一种操作步骤，最后由这些相应的装置连接起来构成复杂的系统。

另一种是层状结构，这类体系由一叠不同功能的模块构成，在一层模块中进行一种操作，而在另一层模块中进行另一种操作。

流体在各层模块中的流动可由智能分流装置控制对于更高的通量，某些微通道反应器或体系通常以并联方式进行操作。

二、微通道反应器的原理微反应器主要是指以表面科学与微制造技术为核心，经过微加工和精密技术制造的一种多通道微结构小型反应器，而微反应器的通道尺寸仅有亚微米和亚毫米级别。

除此以外因为微反应器有优于传统化工设备1-3个数量级的传热/传质特性，所以特别适合做高放热和快速反应的实验。

而微反应器原理想必很多人都想了解一下.微化工技术思想源自于常规尺度的传热机理。

对于圆管内层流流动，管壁温度维持恒定时，由公式(1)可见，传热系数h与管径d成反比，即管径越小，传热系数越大；对于圆管内层流流动，组分A在管壁处的浓度维持恒定时，传质系数kc与管径成反比(公式(2)),即管径越小，传质系数越大。

由于微通道内流动多属层流流动，主要依靠分子扩散实现流体间混合，由公式(3)可知，混合时间t与通道尺度平方成正比。

通道特征尺寸减小不仅能大大提高比表面积，而且能大大强化过程的传递特性。

Nu = hd∕k=3.66(l)Sh = kc∕DAB=3.66 ⑵t=d 2/DAB⑶其中NU为努塞尔数、Sh为谢伍德数、D为扩散系数。

化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。

就瞬时和快速反应而论，在传统尺度反应设备内进行时，受传递速辛控制，而微尺度反应系统内由干传递速率呈数量级提高，因此这类反应过程速率将会大幅度提高；如氧碘化学激光器中的激发态氧发生器（氯气用双氧水碱溶液反应）、烧类直接氟化。

微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。

微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。

微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。

1.气固相催化微反应器由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。

最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。

复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。

运用最广的甲苯气-固催化氧化。

2.液液相反应器到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。

液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。

专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。

主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。

3.气液相微反应器一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字形。

由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。

另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。

气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。

这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。

4.气液固三相催化微反应器气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。

微反应器作为一种新型化工反应设备，是一种利用微加工技术集换热、混合、反应、分离等基本操作单元于一体的装置。

在很多领域微反应技术的微都反应器表现出来诸多的优势，解决了实验在环境、安全、成本、产品质量等方面的问题。

所以包含医药化工领域在内的很多领域都在致力于微反应技术的开发和应用。

一、微反应器的特点1、微反应器内部有百万乃至千万条连续流动的通道，一般这种反应器的工艺流微通道尺寸一般在500微米以内，比表面积大，传递速率高，接触时间短，副产物少等特点。

2、与传统放大过程相比，通过增大生产设备体积和规模达到放大的目的费时费力，并且对于市场需求无法做出及时反映，具有滞后性的特点。

而微反应器体内因为有大量的连接通道机构，并且每个通道都具有一个独立的反应器，在扩大生产的时候，不需要进行尺寸放大，只需要进行增加微反应器的数量即可拥有较高的产量。

3、因为反应发生的时候大量的热量被及时被带走，保证了反应温度可以维持在设定的范围之内，大大减少了人为因素发生的可能性。

4、因为微反应器系统是呈模块结构并行的系统，具有良好的便携性。

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。

二、微反应器的分类微反应器包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。

目前，微反应器总体构造可分为两种：1、一种是整体结构，这种方式以错流或逆流热交换器的形式体现，可在单位体积中进行高通量操作。

在微反应器的整体结构中只能同时进行一种操作步骤，最后由这些相应的装置连接起来构成复杂的系统。

2、另一种是层状结构，这类体系由一叠不同功能的模块构成，在一层模块中进行一种操作，而在另一层模块中进行另一种操作。

流体在各层模块中的流动可由智能分流装置控制对于更高的通量，某些微通道反应器或体系通常以并联方式进行操作。

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。

微反应技术一般是指以微反应器为核心部件的连续流动反应技术。

微反应器有多种类型: 针对不同相态，可以分为气固相催化、液液相催化、气液相、气液固三相催化微反应器等; 针对反应器内部不同结构，可以分为微通道、毛细管、降膜式、多股并流式、微孔阵列和膜分散式、外场强化式微反应器等。

微通道反应器结构特性具有非常强的实用性能。

一般有：1、传热特性反应器中狭窄的微通道结构增加了温度梯度，再加上较大的比表面积故使得微通道反应器的传热能力大大增强，传热系数可高达25000W/(m2·K)，比传统换热器的传热系数至少大一个数量级[1] 。

2、传质特性对于为混合反应器来说，船体时间和传递距离的关系可以用下式来描述式中，tmin—达到完全混合所需的时间；I-传递距离；D—扩散系数。

混合时间与传递距离的二次方成正比，故微通道尺寸狭窄，微型的通道尺寸大大提高了反应混合时间。

而对于互不相容液-液两相流体在实际的传质与反应过程中，其流动状态会随传质、反应深度的增加呈动态的变化，反应过程中将会发生流型转捩现象。

3、流动特性从微观角度看，流体微元在轴向上存在返混现象，但由于微通道的轴径比一般远大于100，故从宏观上仍可视为平推流流动模型，流体的返混现象可以忽略。

同时反应产物连续从微通道中流出促进实验过程中的可逆反应向右移，促进原料完全反应。

微反应器体积小、比表面积大，单维或多维度上的小尺寸会使微反应器具有小体积和大比表面积，通常微通道内的比表面积可以达到10000 ～50000 m2 /m3，而传统的实验或工业设备比表面积不会超过1000m2 /m3 或100m2 /m3。

微通道反应器是具有特定微结构的反应设备，微结构是微反应器的核心，可以根据微结构的不同种类设计出不同形式的微反应器。

在微反应器设计和制作中，有简单地将两种反应物混合生成一种产物的管式结构，也有集成了注射、混合、淬灭、结晶、萃取、封装和相分离等更为复杂的多功能复合式结构的微反应器。

微反应器对化学反应剖析的应用与研究化学反应是指物质之间发生的物化变化过程，化学反应是形成和改变一切物质的基本手段。

化学反应在生产、生活和科学研究中都有着广泛的应用。

如何更好地理解化学反应的机理和过程，是一直以来化学领域的研究重点之一。

随着微纳技术的发展，微反应器成为了一种研究化学反应机制和过程的新工具，广泛应用于化学反应动力学、反应中间体的探测和表征，以及药物的制备等领域。

一、微反应器的概念及应用微反应器是指尺寸在微米至毫米级别的反应器，在微结构和微流体技术的支持下，通过微流体控制技术实现了反应器的微型化和对反应底物及催化剂的微量控制。

由于微反应器具有体积小、传质速度快、反应效率高等特点，因此被广泛应用于化学反应、生物反应、能源转化等领域。

此外，微反应器还因其体积小、反应时间短、高效瞬时混合等特点，也被广泛应用于药物研发和制备中。

二、微反应器的工作原理微反应器的工作原理主要是基于微流动技术和微结构技术。

微流动技术是指在微米至毫米的尺度范围内，借助于微流体科学的相关理论和实验技术，对流体的性质、行为和控制进行研究和应用的一项学科。

微流动技术的主要特点在于借助于微米级别的空间尺度和微结构控制，使流体在微通道中具有了球形形态、高传质速度和拉伸等特性，进而实现对反应条件的快速精准控制。

微反应器主要包括两种类型：基于注射的微反应器和基于混合的微反应器。

基于注射的微反应器是指在微流通道中，借助于微喷嘴、微输液泵等微机械结构，快速注射反应底物和催化剂，并通过微流体动力学和相界面传质等作用，在微通道内实现快速混合和化学反应。

基于混合的微反应器则是利用微流动技术实现不同流体流动的相遇和混合，进而实现反应条件的控制和化学反应。

三、微反应器的应用前景近年来，随着微纳技术的不断发展和化学领域的不断探索，微反应器已经成为了化学反应动力学和化学反应机制领域的研究热点之一。

微反应器极大地改变了传统化学反应的操作和研究方式，实现了化学反应的微小化和高效化，极大地提高了反应效率和质量，同时也能避免有毒有害物质大面积使用所带来的环境问题。

微通道反应器报告摘要本文以微通道反应器（以下简称微反应器）为研究对象，在参阅了大量文献的基础上，对微反应器的概念、结构、分类及优缺点进行了概述。

重点分析了微反应器内流体力学特性以及微观混合特性，着重讨论了反应器内的流型理论与计算微观混合的数学模型。

最后针对微反应器在实际中的应用，简述其适合的反应体系，并分析了微反应器的典型工业应用实例。

以此来帮助我们更进一步得了解微反应器。

关键字：微反应器；流体力学；混合特性ABSTRACTThis article takes microreactor as the target of our study, and summarizes the concept, structure, classification, advantages and disadvantages of microreactor based on a large number of references. It focuses on the hydrodynamic characteristics and microscopic mixing characteristics of microreactor, and focuses on the mathematical model of the flow pattern inside the reactor theory and computation micromixing. Finally consider of the application of microreactor in practice, this article outlines suitable reactor system of microreactor, and analyzes the typical examples of industrial applications of microreactor. In order to help us get further understand on microreactor.Key words：Microreactor, Hydromechanics, Characteristics of mixing目录前言 (1)第1章微反应器概述 (3)第1.1节微反应器的概念 (3)第1.2节微反应器的起源与演变 (4)第1.3节微反应器的结构 (5)第1.4节微反应器的分类 (6)第1.5节微反应器的特点 (7)1.5.1 微反应器的优点 (7)1.5.2 微反应器的缺点 (9)第2章微反应器流体力学与混合特性 (11)第2.1节微反应器内流体力学研究 (11)2.1.1 两相流流型 (11)2.1.2 两相流的传质 (18)2.1.3 两相流的数值模拟 (19)第2.2节微反应器的混合特性 (22)2.2.1 数学模型方程 (22)2.2.2 混合效率的计算 (24)第3章微反应器的应用 (29)第3.1节微反应器适合的反应体系 (29)第3.2节微反应器的工业应用实例 (31)3.2.1 微反应系统合成生物柴油 (31)3.2.2 微反应技术在有机合成中的应用 (32)结语 (35)参考文献 (37)致谢 (39)前言近年来，纳米材料成为高科技发展的重点，已经成为国际竞相争夺的一个科技战略制高点，也是我国高科技发展的重点[1]。

微反应器是现代技术的结晶，它在传热、传质、恒温等性能方面和传统的反应器相比具有较大的优势。

合成材料大规模生产存在的难题是安全性较差感度较高，往往伴随着强放热现象，控制不好非常容易产生爆炸现象。

而微反应器是利用微加工技术制造的一种流体流动通道，是特征尺寸在数百微米内的化学反应器。

而微反应器在传热、安全等方面有着独特的优势，将微反应器应用于含能材料的合成是未来含能材料生产发展的重大趋势之一。

一、关于微通道反应器微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米(或者1000微米)之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。

微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。

二、工作原理设备内的反应放出的热量是与体积成正比的，因为反应是发生在整个设备内部的。

但是这些热量从体系内移除是通过表面的，也就是说同设备的表面积成正比。

对于一个圆柱形容器，不考虑两端的情况下，它的体积与半径立方成正比，面积与半径平方成正比。

在这里我们再说一下比表面积的概念，它是设备换热面积与体积的比值，比表面积越大设备的移热能力就越强。

同时我们可以看到比表面积与半径成反比，也就是说半径越大的设备换热能力越差。

换热能力这在化工中对工艺的影响也是明显的。

比如说酸碱中和反应，比如说用烧碱中和硫酸。

工厂里做这个操作可能需要半个小时到一个小时的时间，实际上这个反应很快，大概在毫秒级。

但是这个反应放热，必须要把热量移走，因此在工厂里面只能一点一点的把烧碱加到反应釜里，然后反应釜用冷却水冷却。

烧碱的加料速度完全取决于反应釜的移热能力，反应本身可以很快，你可以一下吧烧碱全部加进去，但是放热问题解决不了，溶液会升温甚至沸腾，非常危险。

如果有有一个设备能够瞬间把反应热移走，那么烧碱就可以快速加入，节省大量操作时间。

这就是微通道的意义，我们可以把通道做的很小，然后让一些放热非常强的反应也可以安全快速地进行。

化工进展-微反应器综述微反应器研究进展与应用龙立S141101059摘要：微反应器作为微化工系统的核心设备，是实现化工过程强化的重要技术基础，近年来逐渐成为国际化工技术领域研究的热点。

本文介绍了微反应器的原理及其研究进展，阐明了微反应器技术的特点，列举微反应器的应用范围与实例，说明了微反应器的发展前景。

关键词：微反应器，微反应系统。

1绪论微化工技术是20世纪90年代初顺应可持续发展与高技术发展的需要而兴起的多学科交叉的科技前沿领域。

它是集微机电系统设计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路和微传感器制造技术的一种高新技术，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。

主要研究对象为特征尺度在微米到数百微米间的微化工系统，常贵尺度的化工过程通常依靠大型化来达到降低产品成本的目的，而微化工过程则注重于高效、快速、灵活、轻便、易装卸、易控制、易直接放大及咼度集成等方面[1]O将部分核心化工装备小型化、微型化的方法是促进化工过程强化的有效手段，它是实现化工过程安全、高效和绿色的重要方法之一⑵。

化工设备的微小型化是现代化工技术发展的一种新理念，它以微尺度流动、分散和传递的基本原理为核心，能够有效强化反应和分离过程，提升生产效率并且大幅缩小设备的体积，有利于化工新过程的快速开发和产业转化。

微型化工器件已成为微型设备的重要组成部分，主要包括微混合器、微型反应器、微型换热器、微化学分析、微型萃取器、微型泵和微型阀门等。

作为微化工技术核心部件的微反应器，其内部通道特征尺度在微尺度范围(10-500^m)，远小于传统反应器的特征尺寸，但对分子水平而言已然非常大，故利用微反应器并不能改变反应机理和本征动力学特性，而是通过改变流体的传热、传质及流动特性来强化化工工程的。

2微反应器微结构反应器(简称微反应器)是重要的微化工设备之一，是实现化工过程微小型化的核心装备。

在微化工过程中微反应器担负起了完成反应过程、提高反应收率、控制产物形貌以及提升过程安分离回收难度和成本、减少过程污染等具有重要的意义。

微反应器引言微反应器设备根据其主要用途或功能可以细分为微混合器，微换热器和微反应器。

由于其内部的微结构使得微反应器设备具有极大的比表面积，可达搅拌釜比表面积的几百倍甚至上千倍。

微反应器有着极好的传热和传质能力，可以实现物料的瞬间均匀混合和高效的传热，因此许多在常规反应器中无法实现的反应都可以微反应器中实现。

关键词：微反应器；微通道反应器；微反应技术1．微反应器的定义微反应器，即微通道反应器，利用精密加工技术制造的特征尺寸在10到300微米（或者1000微米）之间的微型反应器，微反应器的“微”表示工艺流体的通道在微米级别，而不是指微反应设备的外形尺寸小或产品的产量小。

微反应器是一个比较广泛的概念，并有很多形式，既包括传统的微量反应器，也包括聚合反应器、反相胶束条纹反应器、微聚合反应器和固体模板微反应器等。

这些微反应器的对化学反应的共同特点是将其控制在极其微小的空间内，反应通道的平均尺寸一般为微米甚至纳米。

微反应器中可以包含有成百万上千万的微型通道，因此也实现很高的产量。

2．微反应器可能实现的过程用传统的釜式反应器，反应放出的热量不能及时的释放，反应温度不能精确控制。

因此反应速度常常被人为的加以限制，否则可能会发生爆炸。

利用微反应器能克服釜式反应器的缺点。

如果关于微反应器的这个预言是正确的，那么这将是对化工工艺的一次彻底的改革。

这种新化工工艺必然会有广阔的应用前景。

许多学术报道都做了传统反应器与微反应器的比较，并发现应用微反应器比传统反应器更能强化反应过程。

3．微反应器的分类微反应器研究在逐渐发展中，现在还难以给微反应器进行准确的分类。

对微反应器的分类可以借助传统反应器的分类标准。

微反应器的类型按照不同的分类方法有多种类型。

首先根据操作模式微反应器可分为半连续式微反应器、间歇微式微反应器和连续式微反应器；根据不同的能量输入源，可将其分为主动微混合器和被动微混器。

其次根据用途的不同又可将微反应器分为实验型微反应器和生产型微反应器两大类，其中前者的主要用于检测催化剂性能、筛选药物及工艺设计和优化等。