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]。